Материал: Metoda_po_sdache_ekzamena_po_mikrovolnovke

Рисунок 5 – Схема устройства митрона

Пространство взаимодействия находится между встречно-штыревой структурой 1 и холодным катодом 2. Прямонакальный катод 3 и управляющий электрод 4 образуют электронную пушку. 5 – керамическая оболочка, внутри которой находится вакуум. Встречно-штыревая структура соединениа с тороидальным резонатором. 7 – магнитопровод, 8 – магниты, создающие магнитное поле.

Электроны, эмитированные с термокатода под действием управляющего электрода, на который подан положительный потенциал, образуют поток, который попадает в пространство взаимодействия. Встречно-штыревая структура, содержащая четное число штырей, находится под потенциалом холодный катод соединен с термокатодом и имеет нулевой потенциал. В пространстве взаимодействия происходят π-колеания ВЧ поля, с которым взаимодействуют электроны.

17. Релятивистские приборы. Лазеры на свободных электронах: принцип действия характеристики.

Основной задачей СВЧ электроники является увеличение выходной мощности прибора, которая черпается из мощности электронных потоков Поэтому увеличение мощности возможно за счет повышения переносимых электронами токов. Учитывая закон степени 3/2, связывающий токи и напряжения в электронных системах, работающих при ограничении тока пространственным зарядом, можно сказать, что, при большом увеличении мощности электронных потоков, мы в конце концов, вынуждены будем использовать электроны с релятивистскими скоростями. Отсюда и возникло название для такого типа приборов.

Релятивистские приборы делятся на два типа:

• Классические

• Специфические

К классическим относятся: Клистрон, ЛБВ (ЛОВ), магнетрон

К специфическим: убитрон, ЛСЭ, скертрон

Релятивистский клистрон:

Рисунок 1 – Схема релятивистского клистрона: а — двухкаскадного; б — трехкаскадного. 1, 2 — лезвийный катод и анод, 3 — трубчатый электронный поток, 4 — модулирующая канавка, 5, 6 — отбирающие канавки, 7 — выходной рупор

Электронный поток 3, сформированный электронной пушкой 1, 2 подается на вход электродинамической системы генератора, состоящей из отрезка полого цилиндрического нерегулярного волновода на котором имеется одна модулирующая канавка 4 и одна или две отбирающие канавки 5, 6. Между канавками 4, 5 находится регулярный участок дрейфа и группирования электронного пучка. Модулирующая канавка 4 полностью отражает Е₀₁-волну и заграждает катод. Её параметры подбираются из условия полного отражения Е₀₁-волны на рабочей частоте. Параметры же канавок 5, 6 и связанного с ними и согласованного с рупором 7 выходного волновода подбираются такими, чтобы обеспечить нагруженную добротность резонансной системы канавка-дрейф-канавка-вывод энергии в пределах 100–200. Вывод СВЧ-мощности на волне Е₀₁ производится через выходной рупор 7. Отработавший электронный поток осаждается на стенку волновода сразу за отбирающими канавками.

Таблица 1 – Параметры релятивистского клистрона

Источник: https://cyberleninka.ru/article/n/relyativistskiy-klistron-generator-s-prostranstvenno-razvitym-silnotochnym-puchkom/viewer

Релятивистская ЛОВ:

Рисунок 3 – Движение электрона в поперечном электрическом поле

Если электрон, перемещающийся из точки А в точку В в течение будет двигаться в направлении, противоположном полю (по нижней половине окружности), он будет тормозиться полем, значит, будет происходить отбор энергии. Аналогичный процесс будет происходить и при движении электрона по верхней половине окружности из точки В в точку А.

Электронный КПД определяется выражением , , - кинетическая энергия вращательного движения электронов на входе в резонатор, - на выходе из него. Значит . Начальная кинетическая энергия вращательного движения электронов определяется выражением . Так как все электроны на входе в резонатор имеют одинаковую энергию . На выходе из резонатора . Тогда . - средний квадрат скорости электронов на выходе из резонатора. Тогда: . Полный электронный КПД, учитывающий продольную скорость, определяется выражением: .

Полный КПД определяется произведением электронного КПД на КПД резонатора . КПД резонатора можно определить как ( - нагруженная добротность, - внешняя добротность, - собственная добротность).

Современные мощные гиротроны имеют КПД 40-50%, диапазон рабочих частот 30-170ГГц, выходную мощность от 1 кВт до 1—2 МВт в импульсе длительностью до тысячи секунды.

Рисунок 2 – Схема релятивистской ЛОВ. 1 - катод; 2 - рефлектор; 3 - волновод-отсечка; 4 - замедляющая система; 5 - пучок; 6 - соленоид

Таблица 2 – Параметры релятивистских ЛОВ

Источник: http://www.iep.uran.ru/russian/leu/Sharypov_thesis.pdf

Релятивистский магнетрон:

Рисунок 3 – Схема устройства релятивистского магнетрона. 1 – холодный катод из графита, 2 – анод с восемью щелевыми резонаторами, 3 – отрезок регулярного волновода, 4 – вакуумное окно, 5 – рупор, 6 – магнит

Особенностью этого магнетрона является дифракционный вывод энергии, который, кроме увеличения электрической прочности, позволяет возбудить рабочий тип волны в выходном волноводе (в данном случае Н₄₁). Для этого глубина щелевых резонаторов в анодном блоке плавно уменьшается до нуля при переходе к регулярному волноводу.

Магнитная система релятивистских магнетронов должна обеспечивать необходимое значение индукции магнитного поля, которая увеличивается с ростом анодного напряжения. Для получения требуемой индукции используются, как правило, соленоиды или сверхпроводящие магниты.

В настоящее время релятивистский магнетрон – наиболее простой и надежный прибор, позволяющий получать импульсы гигаваттного уровня мощности. К сожалению, эти приборы не могут эффективно работать на частотах более 10 ГГц, так размеры анодного блока становятся слишком малыми, что вызывает пробои и трудности с отводом тепла.

Таблица 3 – Параметры релятивистских магнетронов

Лазеры на свободных электронах (ЛСЭ)

Рисунок 4 – Схема лазера на свободных электронах. 1 – входящий электронный пучок 2 – ондулятор 3 – отработавший электронный пучок 4 – входящее излучение 5 – усиленное излучение

ЛСЭ – это приборы, преобразующие энергию ультрарелятивистских электронов (т. е. электронов, энергия которых во много раз превышает их энергию покоя 0,511 МэВ = 0,8·10-13 Дж), в энергию электромагнитного излучения.

Для того, чтобы релятивистские электроны сильно (резонансно) взаимодействовали с электромагнитной волной, их траекторию, которая в пустом пространстве является прямой, делают слегка периодически искривленной – в виде спирали или волнистой линии. Магнитную систему, с магнитным полем, необходимым для создания такой траектории, называют ондулятором или вигглером. Если при прохождении одного