Федоров Н.Д. Электронные и квантовые приборы СВЧ (2-е издание, 1979) (1152182), страница 20
Текст из файла (страница 20)
Другими словами, направление v'п в любой точке совпадает сэквипотенциальной линией поля. По направлению этой эквипотенциали и должен вмеханической модели перемещаться центр диска, при этом траектория электрона должнаиметь вид циклоиды, расположенной вдоль эквипотенциали. При неравенстве скоростейРис. 5.6(vп≠vф) направления скорости v'п не совпадают с эквипотенциалью. В действительностикак только электрон уйдет из точки А в точку В, величина и направление вектора Еризменятся, поэтому изменятся величина и направление v'п, т. е. произойдет поворотсистемы координат (y", z"), а реальная траектория центра круга на рис. 5.5 будет следоватьза изменением направления v'п.При небольшой напряженности СВЧ-поля радиус круга мал, поэтому траекторияэлектрона будет незначительно отклоняться от траектории центра диска.
Если этоотклонение учитывается, то траектория электрона имеет вид циклоиды, расположеннойоколо траектории центра катящегося диска.Перейдем от одного электрона к потоку. Будем считать, что в начальный моментвремени электроны, летящие вдоль оси z, были равномерно распределены вдоль этой оси,а следовательно, и вдоль оси z'. Повторяя рассуждения, относившиеся к одномуэлектрону, получим семейство траекторий электронов (рис.
5.6). Для электронов, летящихслева направо, область поля с проекцией Ez>0 – тормозящая, а с Ez<0 – ускоряющая.Электроны 1, 2, 3 начинают взаимодействие с полем в тормозящем поле, 5, 6, 7 – вускоряющем, а 0, 4, 8—при нулевом поле. Электроны 2 и 6 оказываются в максимальномтормозящем и ускоряющем полях соответственно. При выполнении условия vп= vфтраектории всех электронов должны располагаться вдоль эквипотенциальных линий поля.В тормозящем поле происходит сближение электронов 1, 2, 3 (группирование околоэлектрона 2) и одновременное смещение их вверх, а в тормозящем поле – удаление88электронов 5, 7 от электрона 6 (разгруппирование) и одновременное смещение всехэлектронов вниз.Этот же результат можно получить, рассматривая раздельно влияние составляющихРис. 5.7поля Еу и Еz.
Составляющие поля Еу и Еz при плоских электродах называютсоответственно поперечной и продольной (а при цилиндрических электродах –радиальной и касательной). При рассмотрении движение электрона раскладывается навертикальное и горизонтальное, т.
е. определяются проекции переносной скорости v'п наось у и z' (или z). И в этом случае удобно пользоваться механической моделью.Если имеется только продольная составляющая поля Еz, то направление переноснойскорости перпендикулярно векторам Еz и В, т, е, она направлена по вертикальной оси у.Знак переносной скорости определяется подобно (5.21) векторным произведением [ЕzВ], аее величина равна Еz/В. Когда Ez>0 (тормозящее поле), переносное движение идет вверх, апри Ez/B (ускоряющее поле) – вниз, как показано на рис. 5.7. Таким образом, продольнаясоставляющая поля Еz определяет вертикальное движение электронов: в тормозящем поле(электроны 1, 2, 3 на рис. 5.6) смещаются вверх к положительному электроду, а вускоряющем поле (электроны 5, 6, 7) двигаются вниз к отрицательному электроду.Если рассматривать только поперечную составляющую СВЧ-поля Еy, то аналогичноможно говорить о движении с переносной скоростью (E'0+Ey)/B, направление которойперпендикулярно векторам В и (Е'0+Еу), т.
е. совпадает с направлением z' и z. Знакскорости должен определяться векторным произведением [(Е'0+Еу)В] или [ЕуВ], еслиE'0=0. При Еу>0 скорость направлена против оси z, а при Ey<0 – по оси z (см. рис. 5.7).Следовательно, поперечная составляющая СВЧ-поля Еу влияет на продольное движение(по координате z).Для электрона 2, находящегося в области тормозящего поля, Еу=0, поэтому он несмещается по оси z относительно волны, если Е'0=0. Электрон 1 находится в области 1тормозящего поля, где Еу<0, поэтому переносная скорость этого электрона направлена пооси z, т.
е. он смещается относительно волны вправо и приближается к электрону 2. Дляэлектрона 3 в области II тормозящего поля Еу>0, а переносная скорость направленапротив оси z. Электрон 3 смещается относительно волны влево и также приближается кэлектрону 2, который все время находится в области максимального значениятормозящего поля.Рассмотрим область ускоряющего поля.
Электрон 6 не меняет своего положенияотносительно волны, так как для него Еу=0. Электрон 7 находится в области IVускоряющего поля, где Ey<0, следовательно, его переносная скорость направлена по оси z.Для электрона 5 (область III) Ey>0 и переносная скорость направлена против оси z.Следовательно, электроны 5 и 7 будут удаляться от электрона 6.Таким образом, поперечная составляющая поля Еу приводит к группированиюэлектронов в тормозящей области поля и разгруппированию электронов в ускоряющейобласти СВЧ-поля.89§ 5.3. Энергетические особенности взаимодействия СВЧ-поля и электронов вприборах типа МВ приборах типа О с длительным взаимодействием поля и электронов (ЛБВО, ЛОВО)энергия СВЧ-поля увеличивается в результате уменьшения кинетической энергииэлектронов, группирующихся при выполнении условия синхронизма (4.3), в тормозящемполе.
Это условие допускает лишь небольшое начальное превышение скоростиэлектронов над фазовой скоростью волны (v0◊ vф), поэтому электроны передают полюлишь небольшую часть своей кинетической энергии и электронный КПД приборов типа Омал.В приборах типа М электрон совершает сложное циклоидальное движение, в процессекоторого скорость изменяется, но в среднем остается постоянной, равной переноснойскорости. Таким образом, средняя кинетическая энергия электронов остается постояннойи не может быть причиной роста энергии СВЧ-поля.Принципиальная особенность приборов типа М состоит в том, что в процессевзаимодействия СВЧ-полю передается потенциальная энергия электронов.
Привзаимодействии электроны, находящиеся в тормозящей полуволне поля, не изменяясредней кинетической энергии, смещаются под действием продольной составляющей ЕzСВЧ-поля в область пространства с большим потенциалом (к положительному электроду).Происходящее при таком взаимодействии уменьшение потенциальной энергииэлектронов как раз и равно энергии, получаемой тормозящей полуволной СВЧ-поля.Назовем электроны, передающие потенциальную энергию СВЧ-полю, электронами вблагоприятной фазе.
Электроны, взаимодействующие с ускоряющей полуволной СВЧполя, смещаясь к отрицательному электроду (катоду), увеличивают свою потенциальнуюэнергию. Рост энергии электронов происходит за счет отбора энергии от СВЧ-поля.Электроны, отбирающие энергию СВЧ-поля можно назвать электронами внеблагоприятной фазе Электроны в неблагоприятной фазе, если они началивзаимодействие с полем недалеко от поверхности отрицательного электрода (на рис. 5.4y0<<d), быстро уйдут вниз и не смогут существенно увеличить свою потенциальнуюэнергию. В этих условиях энергия, отбираемую от поля электронами в неблагоприятнойфазе, незначительна и в целом энергия, отдаваемая полю электронами, сгруппированнымив благоприятной фазе, будет превышать энергию, отбираемую от поля электронами внеблагоприятной фазе.Чем сильнее тормозящее поле Еz тем больше скорость переносного движения вподвижной системе координат, тем дальше электрон смещается к положительномуэлектроду и большую потенциальную энергию передает СВЧ-полю.
Группированиеэлектронов в благоприятной фазе происходит около электрона, двигающегося вмаксимальном тормозящем поле волны (электрон 2 на рис 5.6) Поэтому для них наиболееблагоприятны условия взаимодействия и передачи энергии полю. Необходимо, чтобы втечение всего времени взаимодействия сгруппированные электроны находились вблизимаксимума поля.При анализе движения электронов предполагалось, что начальная скорость электроновравна их переносной скорости (v0z= vц) и обе они равны (или почти равны) фазовойскорости пространственной гармоники vфp СВЧ-поля (v0z=vп=vфp).
При этих условияхэлектроны, начавшие движение в тормозящем поле остаются в этом поле, ногруппируются и смещаются к положительному электроду. Таким образом, эти электронывсе время остаются в благоприятной фазе и смещаются в область максимума СВЧ-поля.Соотношение(5.22)можноназватьусловиемсинхронизма для приборов типа М, вкоторых электронный поток вводится в пространство взаимодействия параллельноэлектродам (приборы с инжектированным электронным потоком).90Глава 6 ЛАМПЫ БЕГУЩЕЙ И ОБРАТНОЙ ВОЛНЫ ТИПА М (ЛБВМ И ЛОВМ)В этих приборах усиление и генерация СВЧ-колебаний осуществляется в результатевзаимодействия бегущей волны в замедляющей системе с электронами, движущимися вскрещенных электрическом и магнитном полях. В отличие от других приборов типа Мэлектронный поток вводится в пространство взаимодействия с помощью специальнойэлектронно-оптической системы.§ 6.1.
Принцип работы ЛБВМПо конструкции лампы бегущей волны типа М делятся на плоские и цилиндрические.На рис. 6.1 приведена схема устройства ЛБВМ плоской конструкции. Лампа имеет двеосновные части; инжектирующее устройство и пространство взаимодействия.Инжектирующее устройство состоит из катода и управляющего электрода,обеспечивающих создание ленточного электронного потока и ввод его в пространствовзаимодействия.Электроны, вылетевшие из катода, в скрещенных статическихРис. 6.1электрическом Eyпp и магнитном В полях в пространстве между катодом и управляющимэлектродом двигаются по циклоидальной траектории Подбирают такие условия, чтобыэлектроны в момент входа в пространство взаимодействия, образуемого верхнимэлектродом замедляющей системы (анод) и нижним электродом (холодный катод илиоснование), находились на вершине циклоиды В этой точке имеется толькогоризонтальная составляющая скорости v0z, которая определяется по формуле (5.13);(6.1)Скорость v0z – начальная для пространства взаимодействия.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
