Взаимодействие электронного потока с полем бегущей волны в приборах М

Механизм взаимодействия. Общее содержание физических про­цессов, происходящих в пространстве взаимодействия со скрещен­ными полями, не зависит от того, каким образом сформирован электронный поток. Как в приборах с вынесенным катодом, так и в приборах с катодом, находящимся в пространстве взаимодейст­вия, одновременно осуществляется модуляция по скорости, груп­пирование электронов в сгустки и отбор энергии от сгруппиро­ванных электронов. Все эти процессы характерны вообще для при­боров типа ЛБВ.

Рассмотрим подробнее механизм взаимодействия электронов и поля замедляющей линии в приборах магнетронного типа. Для оп­ределенности в качестве модели выберем прибор с вынесенным ка­тодом. В этом приборе (см. рис.4) электронный поток созда­ется с помощью катода, управляющего электрода и скрещенных электрического и магнитного полей. В пространстве взаимодейст­вия электронный поток имеет форму ленты конечной толщины, рас­положенной вблизи холодного катода и протянувшейся от горячего катода до коллектора.

Если ЗС возбуждать на одном из ее концов, то распространяю­щаяся вдоль нее бегущая волна будет модулировать электронный поток.

При равенстве фазовой скорости некоторой пространственной гармоники средней скорости движения электронов будет происхо­дить интенсивное группирование электронов в сгустки, отбор энергии волной, а значит, и усиление, как в ЛБВ 0-типа. Однако в деталях механизм взаимодействия в приборах М-типа существен­но отличается от ранее рассмотренного механизма взаимодействия в приборах 0-типа. Отличия эти объясняются существованием по­стоянного магнитного поля и связанной с ним возросшей ролью поперечной составляющей переменного электрического поля.

Основные процессы. Рассмотрим движение электронов в прост­ранстве взаимодействия при наличии переменного электрического поля.

В плоскости ху электрическое поле может быть представле­но в виде силовых линий (рис.5). В каждой точке поле можно разложить на продольную E_x и поперечную E_y составляющие, значения которых изменяются в пределах одной полуволны. Составляющая E_y, как видно из рис.5, изменяется также по знаку.

При наличии в пространстве взаимодействия переменного по­ля условия для электронов, влетающих во время действия тормо­зящих и ускоряющих полупериодов составляющей Е_х поля, не­одинаковы. Будем по-прежнему называть эти электроны соответст­венно фазными и нефазными.

Рассмотрим отдельно воздействие составляющих переменного поля на фазные и нефазные электроны.

Если считать, что электронный поток и волна движутся синх­ронно, то в результате длительного взаимодействия между ними в равномерном по плотности потоке появятся уплотнения, сви­детельствующие о том, что отдельные электроны в потоке пере­мещаются друг относительно друга. Это вызывается скоростной модуляцией, сообщаемой поперечной составляющей E_y

На фазные электроны составляющая Е оказывает группирующее воздействие. Действительно, из рассмотрения рис.5 следует, что силы Лоренца f_л^’, действующие на электроны 1 и 3, направлены перпендикулярно плоскости, образуемой векторами E_y и В, к электрону 2, который перемещается с неизменной скоростью, так как для него E_y = 0. При дальнейшем движении электроны сближаются, и образуется сгусток, переме

щающийся вдоль ЗС со средней скоростью электронного потока. На все электроны в сгустке, в том числе и на избранные, действуют, кроме того, силы Лоренца f_л^”, направленные перпендикулярно плоскости, образуемой векторами E и B , к анодной части ЗС. В результате все электроны, образующие сгусток, в процессе циклоидального движения смещаются к анодной части ЗС, так как вектор в пределах полуволны не изменяет направления (рис.6). Сам же сгусток перемещается вдоль ЗС с неизменной средней скоростью. На нефазные электроны составляющая Е_у оказывает разгруппировывающее воздействие (см. рис.5),так как силы Лоренца f_л^’, дей­ствующие, например, на эле­ктроны 4 и 6, направлены в разные стороны от электрона 5. Кроме того, на все нефазные электроны действуют силы Лоренца, направленные перпендикулярно плоскости, образуемой векторами E_х и B , к холодному катоду, попадая на который электроны удаляются из пространства взаимодействия. При этом они отбирают энергию у переменного поля.

Так происходит сортировка электронов в пространстве взаи­модействия, в результате которой фазные электроны образуют сгусток, перемещающийся вдоль ЗС, а нефазные электроны удаля­ются из пространства взаимодействия. Электроны в сгустке пере­мещаются по направлению к аноду ЗС, взаимодействуя с продоль­ной составляющей E_x . Кинетическая энергия при этом не изменяется, а потенциальная энергия при перемещении к анодной час­ти ЗС все время уменьшается, так как электроны находятся в по­тенциальном поле с напряженностью Е. Именно это поле затрачи­вает энергию на перемещение электронов. Последние отдают энер­гию переменному полю путем взаимодействия с его продольной составляющей Е_x . Таким образом осуществляется преобразование энергии постоянного поля в энергию переменного поля в приборах магнетронного типа.

Эффективность преобразования, а, следовательно, и КПД при­боров М-типа оказываются весьма высокими. Это объясняется, с одной стороны, относительно небольшой кинетической энергией фазных электронов, выделяющейся на аноде ЗС (и на коллекторе) в виде тепла, а с другой - малыми потерями энергии переменно­го поля, затрачиваемой на ускорение нефазных электронов при сортировке электронов из-за малых значений составляющих поля вдали от анода ЗС, где осуществляется сортировка. По существу, по этим причинам почти вся энергия постоянного электрического поля превращается в энергию переменного поля.

Группирование электронов в электронном потоке и перемеще­ние их в пределах сгустка к аноду ЗС приводит к тому, что се­чение потока вдоль прибора не остается постоянным (рис.7).

В местах взаимодействия фазных электронов с волной от по­тока к аноду ЗС протягиваются "отростки". В каждом таком "от­ростке" электроны двигаются по петлеобразным траекториям, по­степенно приближаясь к аноду ЗС. Чем выше интенсивность элект­рического переменного поля, тем больше плотность сгустков.

С целью уменьшения габаритов прибора и магнита замедляющую систему прибора М-типа обычно свертывают в кольцо. Траектории движения электронов в этом случае останутся примерно такими же, как и в приборе с плоскими электродами. Картина взаимодей­ствия электронов с полем также в общих чертах останется преж­ней.

Процессы в приборах с катодом в пространстве взаимодейст­вия. Некоторые особенности взаимодействия электронного потока с полем ЗС наблюдаются у приборов с катодом, находящимся в пространстве взаимодействия. Эти особенности определяются кон­струкцией таких приборов, максимально приближенной к конструк­ции цилиндрического диода. Электронная пушка и коллектор у этих приборов отсутствуют. Вместо холодного катода здесь ис­пользуется горячий катод, эмитирующий электроны и одновремен­но являющийся "подошвой" ЗС, а роль коллектора выполняет анод­ная часть ЗС, называемая просто анодом. ЗС в приборах магнетронного типа может быть разомкнутой или замкнутой. Электронный поток, как правило, всегда замкнут. Цилиндрическая конструкция приборов и наличие потока непосредственно у катода способствуют тому, что сгустки электронов в пространстве взаимодействия принимают форму спиц с втулкой, вращающихся вокруг катода (рис.17.8). В каждой "спице" электроны двигаются по петлеобразным траекториям, постепенно приближаясь к аноду, попадают на анод и выделяют на нем энергию в виде тепла,

Таким образом, "спицы" своими концами скользят по ячейкам замедляющей системы (анода) и каждый раз при прохождении очередной ячейки оставляют на аноде электроны. Эффективное формирование "спиц" и их взаимодействие с переменным полем ЗС будет наблюдаться при выполнении условия синхронизма между волной и потоком, что обеспечивается соответствующим подбором значений Е и В.

Механизм взаимодействия потока электронов с полем ЗС в рассматриваемых приборах такой же, как и в приборах с вынесен­ным катодом. Точно так же осуществляется преобразование потен­циальной энергии электронов в энергию переменного поля. Анало­гичны и процессы группирования и сортировки электронов с той лишь разницей, что сортировка электронов происходит эффектив­нее, так как вылетевшие из катода электроны либо сразу же начинают участвовать во взаимодействии (фазные электроны), ли­бо на первом же витке удаляются из

пространства взаимодействия, отбирая чрезвычайно малую часть энергии переменного поля. От части по этой причине, а также потому, что энергия этих электронов может быть использована для нагрева катода, КПД приборов с катодом, находящимся в пространстве взаимодействия, как правило, оказывается выше КПД приборов с вынесенным катодом.

Общие особенности приборов М-типа. Все приборы бегущей волны магнетронного типа имеют следующие особенности, отличаю­щие их от приборов 0-типа:

- взаимодействие электронов с переменным полем осуществля­ется в скрещенных постоянных электрическом и магнитном полях;

-группирование электронов в сгустки происходит в резуль­тате взаимодействия потока с поперечной составляющей перемен­ного электрического поля;

-отбор энергии у электронов производится путем преобразо­вания всей их потенциальной энергии в энергию переменного по­ля, вследствие чего могут быть получены высокие КПД и выходная мощность;

-эффективное взаимодействие электронного потока и волны может наблюдаться только при строго синхронном движении волны и потока.

Следует особо подчеркнуть, что, как видно из предыдущего рассмотрения, в приборах М-типа, как и в приборах 0-типа, пре­образование энергии электронов в энергию переменного поля про­исходит за счет взаимодействия с продольной составляющей поля.