Высокочастотное поле

Приведенное упрощенное рассмотрение иллюстрирует механизм «поперечной» фазовой группировки электронов вдоль траектории вращательного их движения. В этом рассмотрении не учитывались силы взаимодействия вращающихся электронов со скоростью
I vol =aQ с осевым магнитным полем FQB0 = evQXB0, движущихся вдоль оси z со скоростью Vd электронов c магнитной компонентой Hr высокочастотного поля FvdH = eVd х Hr, вращающихся электронов со скоростью VQ с магнитной компонентой Hr
FQH = vQ хHr. Можно видеть, что учет этих сил сказывается на эффектах группирования электронов и, в частности, приводит к возникновению «продольной» группировки. Эти явления рассматриваются ниже.
Б) Волна типа ТЕ и, рабочая частота близка к критической сас, n=1. Спиральные траектории электронов в осевом магнитном поле В0 с указанием сил, действующих на электроны 14, приведены на рисунке 5а,б. Высокочастотное поле, взаимодействующее с электронным пучком, представлено на этом рисунке электрической и магнитной компонентами компонентой Ey, Hx. Электрические силы Fe определяются полем Ey, одинаковым для всех электронов.
Магнитные силы Лоренца FM, действующие на электроны имеют поперечную составляющую FM±=evdxHx и продольную составляющую рМ=еудхНх. Поскольку дрейфовая скорость vd одинакова для всех электронов и положение электронного пучка в высокочастотной системе таково, что магнитная напряженность ВЧ поля Hx практически не изменяется по сечению спирального пучка, FM± ~const. для всех электронов 14. В связи с тем, что vQ у каждого электрона пучка имеет свое направление, соответствующие направления продольной магнитной силы FM\изменяются. Для электронов 1, 3 силы Fs и FM одинаковы и направлены вдоль оси y. Поскольку эти силы направлены перпендикулярно к скорости электронов 1, 3, в первом приближении, если не учитывать изменения радиусов вращения электронов, можно считать, что в энергообмене с волной они не участвуют. На электрон 2 действуют поперечные силы Fe+FM±, лежащие вдоль оси у и тормозящие его вращение; продольная сила FM\\, направленная вдоль (z), тормозит продольное движение электрона 2. Суммарная скорость v тормозящегося электрона 2 и его масса m уменьшаются, соответственно его циклотронная частота Q2 возрастает. Таким образом, электрон 2 догоняет электрон 1; радиус орбиты этого электрона уменьшается . Аналогично можно показать, что продольная и поперечные скорости электрона 4 возрастают, т.е. этот электрон ускоряется полем, масса его увеличивается и соответственно уменьшается его частота вращения Q4. Следовательно, электрон 4 движется медленнее электрона 1 и поэтому приближается к нему, а радиус его орбиты возрастает . В результате в области положения электрона 1 формируется группа, т.е. возникает фазовая группировка вдоль траектории вращения в спиральном пучке. Продольная сила FM\\, приложенная к электрону 4 направлена вдоль (+z), т.е. ускоряет его продольное движение, что приводит к продольной группировке электронов. Можно показать, что продольная группировка приближает электроны 2 и 4 к электрону 3, в то время как поперечная (азимутальная) группировка приближает электроны 2, 4 к электрону 1. Таким образом, поперечная и продольная группировки в спиральных электронных потоках гиротронов противофазны. При Vф=с (например, при волнах типа ТЕМ в высокочастотной системе) обе эти группировки в значительной степени нейтрализуют друг друга 11, 16. При использовании волн типа ТЕ в дисперсионных волноводных системах и приближении диаметра резонатора к критическому для волны этого типамагнитного поля волны Hx уменьшается и соответственно уменьшаются продольные смещения электронов в спиральном пучке. При этом роль фазовой поперечной группировки возрастает. В гиротронах при Vф>>с продольная группировка пренебрежимо мала и может не учитываться.
В) Волна типа TEmq; работа на гармонике циклотронной частоты a>=nQ n=2.
При работе на гармонике циклотронной частоты наиболее выгодным является положение ведущего центра орбиты электрона в узле распределения поперечной составляющей электрического поля. Так, при n=2 на рисунке 6 приведена орбита электронов в сечении волновода с волной типа ТЕ02. Можно видеть, что при работе на гармониках применяются орбиты электронов с большими радиусами, что приводит к уменьшению требуемого магнитного поля в n раз по сравнению с работой на основной циклотронной частоте. Характеристики работы гиротронных приборов на гармониках обсуждаются в последующих разделах. Рассмотрим особенности фазовой группировки электронов для n=2. На рис. 6 представлены положения электронов на орбите в моменты ш/=0, ®t=n, ш/=2п. Электроны 1,2 тормозятся в моменты ш/=0, tot=2n и не взаимодействуют при wt=n; электроны 3, 4 ускоряются в моменты времени tot=3n и не взаимодействуют при ®t=0, wt=2n. Можно видеть, что электронный поток с равномерным фазовым распределением на входе в пространство взаимодействия, в результате фазовой группировки при n=2, приобретает два сгустка электронов: тормозящиеся электроны 1 сближаются с ускоряющимися электронами 3, а тормозящиеся электроны 2 приближаются к ускоряющимся электронам 4. При этом каждый из электронов за время одного периода циклотронной частоты два раза проходит через область, где взаимодействие отсутствует.
Структура электрического поля Е для волны ТЕ02 в цилиндрическом волноводе и орбиты электронов спирального пучка в поперечной плоскости при работе на второй гармонике циклотронной частоты.
Рассмотрим поведение сгустков электронов в процессе взаимодействия с электромагнитной волной 19. В режиме малого высокочастотного сигнала (линейном режиме) сгустки электронов равномерно распределены по спирали с радиусом r0 и движутся, не распадаясь по спиральной траектории. Затем, в результате торможения, электроны переходят на орбиты с меньшими радиусами. На рисунке 7 изображены мгновенные положения групп электронов при взаимодействии с ВЧ полем: вначале на окружности r0, затем, по мере увеличения ВЧ мощности при r<r0 в области максимального КПД (область А) и в области максимальной мощности (область Б). Затем, как и в ЛБВ, электроны начинают отбирать энергию у поля. Поэтому у гиротрона имеется оптимальная длина области взаимодействия, определяемая характеристиками взаимодействия при заданных статических параметрах ускоряющего напряжения U0 и магнитного поля B0.
Группировка электронов в гиротронах имеет ряд особенностей, отличных от классических приборов типа О.
В гиротронах применяются электронные пучки с винтовыми траекториями. Как показано выше группировка происходит не на линии, а в поперечной плоскости. При этом силы пространственного заряда не препятствуют необходимой фазировке электронов в пучке, а в определенной степени даже способствуют фазовой группировке 11, 16, 19. Действительно, если при орбитальном движении электрон 1 догоняет электрон 4, то вследствие электростатического отталкивания электрон 1 замедляется, а электрон 4 ускоряется. В приборах типа О, где движение электронов является одномерным, это приводит к ухудшению группировки или к полному прекращению сближения зарядов. В гироприборах замедляющийся и ускоряющийся электроны переходят на разные орбиты: замедляющийся электрон на орбиту с меньшим радиусом, ускоряющийся электрон 4 на орбиту с большим радиусом. Таким образом, электроны движутся в одной фазе, но по разным орбитам.
Оценки 19 показывают, что если плазменная частота, влияние пространственного заряда пренебрежимо мало. Обычно условие ш/<0,1 выполняется, поскольку в противном случае усложняется формирование электронного пучка. Таким образом, в гироприборах пространственный заряд обычно слабо влияет на механизм фазовой группировки, что является одним из факторов, позволяющих существенно увеличить мощность этих приборов в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах волн. В 20 установлено, что в схемах гиротронов с недостаточной фазовой группровкой (нр™ в двухкаскадн1х схемах)Измерение положений групп го заряда улучшают группировку, что приводит к значительному электронов спирального пучка увеличению КПД этих приборов. В то же время, при ускорении и при взаимодействии с высоконекотором улучшении фазовой группировки благодаря действию частотным полем. r0 радиус сил пространственного заряда возрастает энергетический разброс орбиты на входе в систему. электронов в пучке, что ухудшают спектральные характеристики прибора 21. Приведенные результаты относятся к случаю азимутальносимметричных типов СВЧ колебаний, когда фазовые сгустки также имеют азимутальносимметричную структуру. В случае азимутально несимметричных колебаний фазовые сгустки также принимают несимметричную форму и вследствие наведенных зарядов на экране возникают разгруппирующие силы.

 
Статья прочитана 22 раз(a).
 

Еще из этой рубрики:

 

Здесь вы можете написать отзыв

* Текст комментария
* Обязательные для заполнения поля

Внимание: все отзывы проходят модерацию.

Архивы

Наши партнеры

Читать нас

Связаться с нами

Наши контакты

E-mail.      AndreyKu1985@mail.ru

Яндекс.Метрика