Магнетронные генераторы (магнетрон и митрон)

Слово «магнетрон» состоит из двух корней: «магнит» и «трон» (окончание от греческого слова «электрон» – янтарь, проявляющий электрические свойства). Таким образом, магнетрон – ЭП с движением электронов в магнитном поле.

По своему назначению ЭП магнетронного типа могут быть использованы в качестве генераторов и усилителей СВЧ. Конструктивно в этих ЭП замедляющая система (ЗС) обычно замкнута в кольцо у автогенераторов и разомкнута, образуя полукольцо (с входом и выходом СВЧ), у усилителей. В центре ЗС помещен круглый подогревный горячий катод, эмитирующий электроны. К нему подведен отрицательный полюс источника питания, а положительный – к ЗС, являющейся одновременно анодом, который всегда соединен с корпусом (заземлен) для безопасного подвода и вывода СВЧ-колебаний с ЗС. Все эти элементы находятся в вакуумном баллоне из стекла, керамики или немагнитного металла. Баллон помещается между полюсами магнита так, чтобы постоянное электрическое поле между анодом и катодом и магнитное поле магнита были ортогональны, т.е. вектор магнитной индукции должен быть расположен соосно с осью круг-лого катода (рис.4.1). В вакууме относительная магнитная проницаемость μ=1, поэтому ≡ .

Рис. 4.1. Устройство многорезонаторного магнетрона: 1 − анодный блок; 2 − катод;

3 − резонаторы; 4 − сегменты; 5 − петля связи; 6 − вывод СВЧ; 7 − подогреватель

В магнетронном генераторе ЗС выполнена весьма узкополосной в виде це-почки резонаторов (см. рис. 1.4). Это даёт возможность увеличить напряженность электрической составляющей электромагнитного поля в зазоре Е_~, улучшить модуляцию электронного потока по плотности, увеличив наводимый в ЗС ток и генерирующую мощность СВЧ-колебаний. В целом магнетрон представляет собой электровакуумный диод, помещенный в магнитное поле. Поэтому движе-ние электронов от катода к аноду происходит под действием сил от полей (сила Кулона) и (сила Лоренца) по эпициклоидам. Это движение неравномер-ное, однако, речь идет о средней (циклоидальной) скорости υ_ц которая матема-тически определяется скоростью центра круга, катящегося по катоду, одна из точек окружности которого и образует периодически эпициклоиды:

υ_ц= =υ_ср.(4.1)

Описанная картина будет наблюдаться при В₀>В_{0 кр}, где В_{0 кр} – значение маг-нитной индукции, при которой электроны не достигают анода из-за отклонения их силой Лоренца.

Если в ЗС, состоящей из резонаторов, распространяется электромагнитная волна, то на электроны дополнительно к полю Е₀ будет действовать радиальная переменная электрическая составляющая поля волны Е_~R, увеличивая при син-фазности с полем Е₀ (электрон 1) или уменьшая при противофазности (электрон 3) значение скорости υ_ср= (скорость электрона 2 не изменяется). Вид этого процесса при сдвиге фаз между резонаторами ЗС φ=π показан на рис. 4.2.

Рис. 4.2. Образование сгустков электронов в магнетроне в тормозящей фазе поля Е_~τ

Эти сгустки принимают форму спиц, перемещаясь вправо (при показанном знаке вектора перпендикулярно плоскости рисунка) со скоростью υ_ср= . Чтобы сгусток электронов оставался все время в тормозящей фазе волны, необходимо, чтобы его скорость υ_ср была равна фазовой скорости обратной пространственной гармоники υ_ф-1, ибо именно при взаимодействии с ней энергия волны (и групповая скорость υ_гр) направлены в противоположную сторону, создавая положительную обратную связь и поддерживая возникшие колебания. Частота колебаний определяется частотой резонансной замедляющей системы f_р. Условие равенства скоростей υ_ср и υ_ф-1 называется условием синхронизма:

υ_ср=υ_ф-1. (4.2)

При синхронном движении спиц и волны (первой обратной пространствен-ной гармоники) электроны внутри спиц по циклоидам перемещаются от катода к аноду, отдавая свою потенциальную энергию полю волны.

При таком смещении электронов к аноду совершается несколько цикло-идальных движений, и лишь при движении по последней перед анодом циклоиде происходит удар об анод и бесполезная отдача кинетической энергии на нагрев анода. Поскольку «полезных» циклоид несколько, то большая часть потенциаль-ной энергии электрона переходит в энергию волны (колебаний СВЧ). Поэтому КПД магнетрона весьма высок – десятки %. При больших значениях В₀ размеры циклоид уменьшаются (последняя перед анодом циклоида тоже), и КПД возрастает (у мощных магнетронов до 80–90 %).

При изменении υ_ср за счет изменений анодного напряжения U_а синхронно меняется и υ_ф-1, приводя к изменению генерируемой частоты колебаний. Однако эти вариации частоты весьма малы (доли %) ввиду узкополосности ЗС. Поскольку дисперсия υ_ф-1 аномальная, то увеличение U_а будет приводить к увеличению частоты f_г генерируемых колебаний. Однако зависимость f_г=f (I_а) может быть и немонотонной или же спадающий при больших значениях I_а (рис. 4.3). Немоно-тонность вызвана тем, что в магнетроне при сдвиге фаз между резонаторами φ = π (колебания π-вида) скорость основной нулевой пространственной гармоники |υ_ф0|=|υ_ф-1|, что приводит к синхронному взаимодействию спиц и с этой гармони-кой, имеющей нормальную дисперсию для υ_ф0. Уменьшение f_г при больших токах I_а связано, особенно у мощных магнетронов, с перегревом анодного блока, расширением материала, из которого он изготовлен (медь) и уменьшением зазо-ров, что увеличивает емкость резонаторов и понижает частоту генерации.

Поскольку магнетрон также обладает малым внутренним сопротивлением R_i = по сравнению с нагрузкой R_н, то он тоже работает в режиме эквивалентного генератора напряжения. В связи с большими изменениями его тока при малых приращениях анодного напряжения вольт-амперные характерис-тики магнетрона строятся в координатах «ток-напряжение» (рис. 4.3).

В зависимости от тока можно построить и рабочие характеристики генери-руемой мощности и частоты (рис. 4.3), а также и электронного КПД:

, (4.3)

где Р₀=U_АI_А.

Возрастание Р_г с увеличением I_Асвязано с нелинейной зависимостью тока в вакуумном диоде от анодного напряжения:

I_А=PU_А (4.4)

где P – первеанс (эмиссионная способность катода).

Поэтому

Р_г= I_А U_А= PU_А .

С учетом уменьшения КПД при росте тока зависимость Р_г= f (I_А) близка к квадратичной (рис. 4.3).

Рис. 4.3. Вольт-амперные и рабочие характеристики магнетрона

Снижение с ростом I_А связано с увеличением пространственного заряда (количества электронов) между спицами, что уменьшает долю переменной составляющей тока по сравнению с его средним значением.

Первые в мире магнетроны начали разрабатываться в СССР в 1940 году. Они нашли широчайшее применение в радиолокации и других передатчиках СВЧ. В 60-х годах были предложены магнетроны с более широкополосной ЗС и более широким диапазоном электронной перестройки (единицы %). Для механической перестройки в широком диапазоне частот за счет изменения частоты резонатора были разработаны коаксиальные магнетроны, разновидностью которых является турбатор. В них внешний коаксиальный резонатор имеет на внутреннем цилинд-ре коаксиала набор продольных щелей для связи с резонатором и выступов между ними, обращённых в пространство взаимодействия, в сторону центрального горячего катода. Недостаток коаксиальных магнетронов – относительно неболь-шая мощность. Для её повышения был изобретен коаксиальный обращенный магнетрон, у которого катод поместили снаружи коаксиального резонатора, также имеющего щели и выступы. За счет увеличения на порядок площади катода мощ-ность таких магнетронов достигла десятков МВт в импульсе.

Нагрузочные характеристики магнетронов по мощности качественно анало-гичны характеристикам пролетных клистронов (см. рис. 2.5). Однако изменение реактивной составляющей входной проводимости линии передачи при изменении модуля и фазы комплексного коэффициента отражения приводит к изменению ещё и генерируемой частоты за счёт вносимой в ЗС реактивности. При индук-тивной проводимости, вносимой в эквивалентный параллельный колебательный контур L_эС_э ЗС, результирующая индуктивность уменьшается, частота генерации возрастает (f_г= ). При внесении ёмкостной проводимости результирую-щая ёмкость возрастает, и частота генерации понижается. Это явление получило название затягивания частоты (рис. 4.4).

Рис. 4.4. Кривая затягивания частоты магнетрона при разных КСВ

в зависимости от фазы на входе линии передачи

Обычно f_г измеряют при разных значениях КСВ (см. п. 2.1) в зависимости от фазы на входе линии, на которую нагружен магнетрон. Наибольшие изменения f_г при КСВ = 1,5 характеризуют коэффициент затягивания частоты F_з = 2∆ f_г магнетрона. В справочниках нагрузочные характеристики магнетрона приводятся обычно в полярной системе координат (рис. 4.5).

Рис. 4.5. Нагрузочные характеристики магнетрона в полярной системе координат

Магнетроны продолжают совершенствоваться, особенно в области генерации сверхбольших мощностей. Для этого используются очень высокие напряжения (до 1 МВ), что приводит к релятивистским эффектам, но позволяют получить при токах 10 кА и более генерируемые мощности в импульсе (τ_и – десятки нс) более 1 ГВт. Генерация СВЧ сопровождается при этом интенсивным рентгеновским излучением, что требует тщательной экранировки магнетрона.

Объединение мощных релятивистских генераторов СВЧ в антенную решетку позволяет получить сверхмощные установки для дистанционного подавления любых электронных средств противника.

Преодоление недостатка магнетронов – узкополосности при электронной перестройке – решается в так называемых магнетронах, управляемых напряжени-ем, (митронах). В отличие от магнетронов в митроне обычно используются сверхширокополосная кольцевая ЗС с полосой в октаву (типа «встречные штыри» и др.), а для четкой группировки спиц электронный поток дозируется управляю-щим электродом от внешнего горячего катода (с подогревателем). Пространство взаимодействия организуется путём помещения в центр упомянутой кольцевой ЗС цилиндрического холодного катода (ХК), соединенного для выравнивания потенциалов с горячим катодом через резистор R (сотни Ом). Из-за малого значения напряженности Е_~ поля волны в ЗС митрона мощность его генерации составляет всего от долей ватта до сотен ватт, КПД – 40-60 %. Разработаны также менее широкополосные, но более мощные импульсные митроны с гене-рируемой мощностью единицы–десятки кВт в импульсе.

Типовые рабочие характеристики широкополосного митрона приведены на рис. 4.6.

а) б)

Рис. 4.6. Рабочие характеристики митрона: зависимости Р_г, f_г и I_А от напряжения на холодном катоде |–U_х.к| (а) и от напряжения на управляющем электроде электронной пушки (б)

Линейная зависимость f_г= f(|–U_х.к|) или f_г= f(U_А) возникает ввиду линейности соотношения между средней скоростью электронов υ_{е. ср} и действующим напряжением в ЭП типа «М» (см. формулу (4.1)), из которой следует, что

υ_е.ср= , (4.5)

где d – расстояние между ЗС и ХК (здесь U_А= |–U_х.к|). Всё это реализуется при условии линейности аномальной дисперсионной характеристики υ_ф-1= f (f_г).

Колебания мощности связаны с неидеальным согласованием ЗС и выхода СВЧ.

Нелинейность зависимости Р_г = f (U_упр) возникает из-за перехвата части электронов управляющим электродом, находящимся под положительным потен-циалом относительно катода. Возрастание пространственного заряда с ростом тока увеличивает ёмкостную проводимость в ЗС, и частота генерации f_г пони-жается (рис. 4.6, б).

Митроны используются не только как широкополосные гетеродины, но и как генераторы с широкополосной ЧМ в системах связи и радиолокации.

4.2. Магнетронные усилители – платинотроны (амплитрон и ультрон)

Слово «платинотрон» имеет в своей основе греческий корень «platis» –широкий. Действительно, эти приборы по сравнению с магнетроном имеют существенно большую полосу усиления или генерации (см. п. 4.3).

Идея использования ЭП магнетронного типа для усиления колебаний СВЧ была реализована путём разрыва ЗС с введением устройств для входа и выхода сигнала и уменьшением сопротивления связи R_св для невыполнения условия баланса амплитуд с целью предотвращения самовозбуждения и генерации. Такой усилитель был назван амплитроном (от англ. amplifier – усилитель). Остающаяся в нём положительная обратная связь (баланс фаз) вызывает генерацию мощного шумового сигнала. При подаче на вход мощности СВЧ начинается синхронизация шума входными колебаниями, и усилитель фактически работает в режиме синхро-низируемого недовозбужденного автогенератора. Для уменьшения связи выхода со входом их разнос в полукольце был увеличен, а между началом и концом ЗС была помещена вставка дрейфа для осуществления «рассыпания» электронных спиц (ввиду отсутствия здесь поля СВЧ-волны) (рис. 4.7).

С изменением частоты входного сигнала f_вх происходит сдвиг фаз у колебаний π-вида в ЗС, и синхронизация обычно выполняется в полосе не более 10÷12 % от средней частоты. Однако благодаря ГК большой площади в амплит-роне достижимы мощности десятки МВт в импульсе, но при относительно незначительном коэффициенте усиления 8÷13 дБ. Амплитудные характеристики амплитрона приведены на рис. 4.8.

Рис. 4.7. Структура устройства амплитрона

Рис. 4.8. Амплитудные характеристики амплитрона при различных

значениях анодного напряжения и тока

Ещё один недостаток амплитрона – малое затухание в ЗС (1÷2 дБ), ввиду чего он не может быть использован как стробирующий импульсный усилитель: на вход амплитрона должен подаваться радиоимпульсный сигнал синхронно с отри-цательным модулирующим импульсом на катод. При отсутствии входного радиоимпульсного сигнала во время включения модулирующего импульса на выходе амплитрона будет возникать мощный радиоимпульс шумового сигнала. Этот недостаток отсутствует у аналогично построенного усилителя, но работаю-щего на прямой волне (скорость гармоники υ_фо), который назвали ультроном. Но и у него возможно самовозбуждение за счет частичной связи между входом и выходом через остатки спиц замкнутого электронного потока. Условие синхро-низма в ультроне υ_{е ср}= υ_фо также выполняется в относительно неширокой полосе (≈ 15 %). Кроме того, поскольку |υ_фо|>|υ_ф-1|, то для больших значений υ_{е ср} требуется и большее U_А. Поэтому ультроны не нашли широкого применения. Поскольку υ_фо и υ_гр по направлению совпадают, то на рис. 4.7 вход и выход для ультрона необходимо поменять местами.

4.3. Платинотронные генераторы (стабилотрон и карматрон)

4.4. ЛБВ и ЛОВ типа «М»

Возможности расширения полосы частот усиливаемых или генерируемых колебаний СВЧ были реализованы соответственно в ЛБВ-М и ЛОВ-М и в их модификациях.

Идея построения ЛБВ-М с использованием для усиления прямой волны с фазовой скоростью υ_фо состоит в следующем. В вакууме организуется взаимо-действие электронов с прямой бегущей волной в разомкнутой линейной или свер-нутой в полукольцо ЗС в ортогональных и полях. Поле возникает меж-ду ЗС, являющейся анодом, и параллельно расположенным холодным катодом (ХК), которые находятся под отрицательным потенциалом (рис. 4.11).

Рис. 4.11. Схема устройства плоской ЛБВ-М с боковым расположением катода

Под действием поля ускоряющего электрода (Уск.эл.) электроны разгоняют-ся, одновременно поворачивая вправо под действием силы Лоренца (см. п. 4.1), и влетают в пространство взаимодействия между ЗС и ХК. При определенной ско-рости влета υ_вл=υ_{е ср}= и напряжениях U_А и |–U_х.к| можно получить условия, при которых электрические силы Кулона (притяжение электронов к ЗС) и магнитная сила Лоренца , направленная к ХК, будут равны по модулю в точке «0». Тогда электронный поток в виде ленты будет двигаться между ЗС и ХК прямолинейно (при отсутствии СВЧ-поля в ЗС) или с наклоном в сторону ЗС (при наличии Р_вх), отдавая образовавшимися в тормозящей фазе поля «сгустками» электронов энергию бегущей волне (см. рис. 4.2). В отличие от магнетрона движе-ние электронов здесь будет прямолинейным, а не по циклоидам. Чем ниже относительно ЗС точка влета «0», тем больше потенциальной энергии отдадут электроны волне, тем выше будут мощность и КПД. Поэтому на ХК и подают отрицательное напряжение –U_х.к относительно горячего катода. «Отработанные» электроны в «сгустках» частично попадают на ЗС (анод), частично – на коллек-тор, который соединен с ЗС, и для безопасности оба электрода заземлены (соеди-нены с корпусом). Как и во всех других ЭП типа «М», здесь также необходима синхронизация между υ_{е ср} и υ_ф0 (υ_{е ср}= υ_фо). Это условие в ЛБВ-М (в отличие от ультрона) выполняется в достаточно широкой полосе частот. Поэтому АЧХ у ЛБВ-М похожа на АЧХ ЛБВ-0. Однако электронный КПД у ЛБВ-М по сравнению с другими ЭП СВЧ типа «М» невелик (около 30 %) так же, как выходная мощность (максимум единицы кВт) и коэффициент усиления (15÷20 дБ). Для повышения значений этих параметров делают двухкаскадные ЛБВ-М с малым и большим расстоянием между ЗС и ХК. Коэффициент усиления увеличивается здесь до 40 дБ за счет меньшей Р_вх, необходимой для образования «сгустков». Как и в ЛБВ-0, коэффициент усиления зависит от параметра усиления для ЛБВ-М С_м, количества замедленных длин волн N в ЗС, потерь D₁ в ЗС и затухания поглотителя D₂, помещаемого в середину ЗС для предотвращения самовозбуж-дения из-за частичного отражения СВЧ волны от выхода:

К_ус= 54,6С_м N – D₁– D₂. (4.6)

Обычно потери D₁и D₂в сумме могут составлять 15÷20 дБ, N =20÷30, С_м ≈ 0,02 ÷ 0,05.

Амплитудная характеристика ЛБВ-М Р_вых= f(Р_вх) аналогична АХ ЛБВ-0 (см. рис. 3.3). Импульсная мощность ЛБВ-М достигает 1 МВт. Как правило, используется плоский вариант ЛБВ-М, позволяющий получить больший устой-чивый коэффициент усиления (без самовозбуждения). Такую ЛБВ-М называют биматроном. Для увеличения Р_выхбыло предложено покрывать ХК слоем мате-риала с вторичной эмиссией, возникающей от «бомбардировки» ХК отдельными электронами. Такие ЛБВ-М назвали дематронами (аббревиатура DEMATRON – distributed emission magnetron amplifier – магнетронный усилитель с распределен-ной эмиссией). Увеличение мощности здесь было достигнуто в ущерб снижению коэффициента усиления за счет необходимости повышения Р_вх для модуляции мощного электронного потока по скоростям электронов с образованием сгустков. Поэтому реальное применение нашли комбинированные приборы, состоящие из биматрона и дематрона – бидематроны. В дематронной, выходной части этого ЭП, электронный поток группируется уже в виде спиц. Электрическая схема включения бидематрона приведена на рис. 4.12. Выходная мощность би-дематронов достигает единиц МВт в импульсе при коэффициенте усиления К_ус = 30÷40 дБ. Их недостаток – сложность устройства схемы питания по сравнению с амплитроном.

Рис. 4.12. Электрическая схема включения бидематрона

ЛОВ-М отличается от ЛБВ-М использованием обратной пространственной гармоники со скоростью υ_ф-1 (как и в ЛОВ-О, см. п. 3.3) и поэтому применяется в качестве автогенератора. Положительная обратная связь здесь создается за счет противоположных направлений движения электронного потока (скорость υ_{е ср}) и энергии волны с групповой скоростью υ_гр. Поэтому в отличие от структуры ЛБВ-М (рис. 4.11) на месте входа будет расположен выход СВЧ-энергии, а вместо выходного разъема ЛБВ-М в конце ЗС ЛОВ-М ставится поглотитель (согласо-ванная нагрузка). Как и в ЛОВ-О, в этом ЭП при генерации возникает синхронизм между электронным потоком и обратной пространственной гармоникой (υ_{е ср}= υ_ф-1). Но здесь, в ЭП типа «М», средняя скорость электронного пучка, в отличие от ЛОВ-О, линейно зависит от изменений напряжения U_А на ЗС (аноде) и U_ХК на холодном катоде (ХК) (см. п. 3.3 о ЛОВ-О и формулу (4.1)):

υ_{е ср} = ,

где d – расстояние между ЗС и ХК. Поэтому при линейности дисперсионной характеристики υ_ф-1 = f(f) ЗС от частоты зависимость f_г от U_А будет, в отличие от зависимости, изображенной на рис. 3.8, линейной. Диапазон перестройки ЛОВ-М составляет 20÷30 %. Перестроечная рабочая характеристика ЛОВ-М похожа на аналогичную характеристику митрона (рис. 4.6, а).

Генерируемая мощность Р_г в ЛОВ-М при перестройке частоты также будет изменяться из-за неидеального согласования выхода СВЧ с ЗС и частичных отражений волны от поглотителя.

Величина Р_г не превышает сотен ватт − киловатта в непрерывном режиме, а электронный КПД – десятков процентов (как и в ЛБВ-М).

Обычно используется цилиндрическая конструкция ЛОВ-М (свернутая в полукольцо линейная конструкция).

Основное применение ЛОВ-М – в системах связи и в качестве автоге-нератора, синхронизируемого внешним сигналом через ферритовый циркулятор (см. рис. 1.8, б, но при I_раб > I_пуск). Еще одна область применения ЛОВ-М при больших токах пучка (когда возникает генерация на двух и более частотах с широкополосной взаимной ЧМ и АМ) – в системах радиопротиводействия.

Импульсная мощность ЛОВ-М достигает сотен киловатт.

5. Гиротроны и гироконы

5.1. Гиротроны

Изобретение гиротронов (группа академика А.В. Гапонова, ИПФ РАН) было вызвано необходимостью получения больших мощностей в миллиметровом диапазоне СВЧ, где обычные магнетроны их не дают из-за роста потерь и ввиду малых размеров ЗС, при изготовлении магнетронов возникают серьезные технологические трудности. Поэтому было предложено реализовать взаимо-действие электронов с бегущими прямыми или обратными волнами в волноводах или волноводных резонаторах при так называемом поперечном синхронизме.

При циклотронном вращении и движении электронов по спиральным траек-ториям вдоль волновода и продольного вектора магнитной индукции В₀ высокой точности при изготовлении таких направляющих систем не требуется. Упрощен-но идея взаимодействия электрона с полем СВЧ в прямоугольном волноводе на примере моды Н₁₀ с длиной волны в волноводе λ_в показана на рис. 5.1.

Рис. 5.1. Взаимодействие электрона с полем волны Н₁₀ в прямоугольном волноводе

при циклотронном вращении в продольном поле

Электроны влетают в волновод со скоростью υ_е под углом к продольной оси и поэтому вращаются по спирали с частотой f_ц = , перемещаясь за один оборот на некоторый шаг d за время Т_ц= .При движении волны её тормозящая фаза должна также переместиться за это же время на расстояние l=λ_в+d. Тогда электрон (см. рис. 5.1) будет больше отдавать энергии электрической составляю-щей ЭМП при его торможении (ближе к центру волновода), чем забирать при ускорении (при слабом поле Е_~ вблизи стенки волновода). В результате при частотах f_г ≈ f_ц возникает частотный синхронизм, соответствующий так назы-ваемому циклотронному резонансу. Возможно также взаимодействие на частотах f_гв целое число р раз больше f_ц, но оно менее эффективно. В реальности при расчете синхронизма необходимо учитывать также (из-за больших скоростей электронов υ_е) релятивистские эффекты, эквивалентные возрастанию массы электрона

, (5.1)

где с – скорость света, т₀ – масса покоя электрона.

Устройство генераторного гиротрона, названного гиромонотронным, приве-дено на рис. 5.2.

Рис. 5.2. Устройство генератора – гиромонотрона

Поскольку |U_А|>|U_уэ|, то между ускоряющим электродом и катодом будет действовать высокое положительное напряжение. Генерируемая мощность в миллиметровом диапазоне достигает 1 МВт в импульсе и более, электронный КПД составит 15÷30 %, рабочие напряжения – десятки кВ. Работа гиромонотрона сопровождается опасным рентгеновским излучением. При периодическом тормо-жении электронов во время взаимодействия с электромагнитной волной в прин-ципе возникает тормозное излучение, имеющее квантовую природу, почему авто-ры изобретения сначала и назвали гиротроны «мазерами на циклотронном резона-торе (МЦР)» (MASER – аббревиатура англ. выражения microwave amplification by stimulated emission of radiation по аналогии со словом LASER – см. п. 10; maser переводится как «микроволновое усиление за счет стимуляции излучения»).

В результате периодических торможений - ускорений с частотой f_ц происходит модуляция электронов по скорости с образованием сгустков. Измене-ние магнитной индукции В₀ в небольших пределах будет приводить к изменению f_г=f_ц= . Однако это возможно только при использовании мощного электро-магнита, создающего большую магнитную индукцию В₀. Так, для излучения f_г= f_ц=150 ГГц (λ_г = 2 мм) требуется магнитная индукция около 5 Тл (50·10³ Гс). Такой электромагнит требует интенсивного охлаждения обмотки, а затрачиваемая мощность от источника питания составляет многие киловатты. Поэтому для серийных гиротронов используются сверхпроводящие обмотки, охлаждаемые жидким гелием и (или) азотом в криостате. Всё это усложняет использование гиротронов.

Из усилительных гиротронов нашли применение гироклистроны и гиро-ЛБВ (рис. 5.3, 5.4). Гироклистрон напоминает по устройству гиромонотрон, но состоит из входного и выходного резонаторов, работающих на разном типе волн.

Рис. 5.3. Устройство усилительного гироклистрона

Усиление 30 ÷ 40 дБ достигается в полосе не более 1 % при выходной мощности в сотни кВт и КПД 15 ÷ 30 %.

Гиро-ЛБВ представляет собой отрезок круглого гладкого или гофрирован-ного волновода, имеющего вход и выход для волн СВЧ. Выходная мощность дос-тигает десятков и сотен кВт при коэффициенте усиления 20 дБ в полосе 7÷12 % с КПД до 50 % и более.

Рис. 5.4. Устройство гиро-ЛБВ

Все гиротроны могут работать как в непрерывном, так и в импульсном режимах. Применяются они в основном для исследования плазмы.

Гироконы

Гироконы как мощные усилители метрового и дециметрового диапазона были предложены в 60-х годах в СССР группой академика Г.И. Будкера. Термин «гирокон» составлен из двух слов: «giros» (греч.) – круг, «continuum» (латин.) – непрерывный. В гироконе непрерывный электронный пучок модулируется во входном резонаторе по направлению, что создает его вращение по кругу. В ре-зультате он попадает во второй кольцевой волноводный резонатор через кольце-вую прорезь (щель) по центру волновода (рис. 5.5). При отклонении пучка он перемещается по кругу вдоль сквозной кольцевой щели, оставаясь за счет синхро-низации с волной (υ_вращ = υ_фк) в тормозящей фазе электрической составляющей электромагнитной бегущей волны в резонаторе (рис. 5.5).

Рис. 5.5. Идея работы одного из видов гироконов

Фокусировка пучка и его дополнительное выравнивание для вхождения в щель параллельно продольной оси z осуществляется электростатической фокуси-рующей системой, а сбор электронов после пролета через щель в резонаторе происходит в кольцевом коллекторе. Источником пучка является ускоряющая высоковольтная электронная пушка, поэтому здесь также возникает побочное рентгеновское излучение. В гироконах при ускоряющих напряжениях от долей до единиц МВ получены мощности от единиц в непрерывном режиме до сотен МВт в импульсном при коэффициенте усиления 20÷25 дБ и КПД более 80 %. Их недостаток – узкая полоса усиления (доли %). Метровый диапазон волн нашел широкое применение в радиолокации для дальнего обнаружения целей, в том числе и выполненных по технологии «стелс», поскольку поглощающее покрытие, рассчитанное на большое поглощение в сантиметровом диапазоне, в метровом диапазоне ввиду малой электрической толщины покрытия (много меньше длины волны) дает очень слабое поглощение и значительный отраженный от цели сигнал.