Электровакуумные приборы магнетронного типа

Это уравнения трохоиды - траектории всевозможных точек плоскости, катящейся одним своим фиксированным кругом по прямой (параллельно поверхности катода). Скорость движения центра круга - скорость дрейфа.

Можно выделить два частных случая траекторий:

1) движение по прямой с постоянной скоростью ; (точки совпадают с центром круга), такой вариант движения электронов используется в ЛБВ-М,

2) первоначально покоившаяся частица , будучи отпущенной в свободный полет из начальной точки , совершает движение по циклоиде

, (9)

этот вариант используется в магнетроне. Высота вершины циклоиды достигает , а максимальную скорость, как точка катящегося колеса, электрон приобретает на вершине циклоиды

Во всех случаях средняя скорость дрейфа – “скорость центра колеса” – равна отношению напряженности электрического поля к индукции магнитного. Это и понятно – ведь переход в систему отсчета, сопутствующую “центру колеса”, устраняет электрическое поле, то есть, после преобразования Лоренца над данным электромагнитным полем, электрическое поле вообще исчезает, и движущийся со скоростью дрейфа наблюдатель видит равномерное вращение частиц в однородном магнитном поле.

Благодаря этому вдоль электродов можно создать электронный поток, двигающийся с постоянной средней скоростью , и, если один из электродов – замедляющая система (обычно анод) с такой же замедленной фазовой скоростью, то возможно организовать взаимодействие электронного потока с бегущей волной – с прямой гармоникой – ЛБВ-М, с обратной гармоникой – ЛОВ-М.

Существуют два варианта реализации такой структуры –

1) – инжектировать поток извне в виде ленты параллельно катоду вдоль z, или

2) - устроить электронную эмиссию на всей большой поверхности отрицательного электрода, то есть катод с распределенной эмиссией ). Рис. 2

В первом случае, показанном на рис. 2, применяют так называемую короткую электронно – оптическую систему инжекции. Электроны, вытягиваемые из катода электрическим полем ускоряющего электрода, успевают пролететь только половину циклоиды к тому моменту, как попадают во вдвое усиленное электрическое поле, в котором их скорость оказывается в точности равной скорости дрейфа, и далее продолжают уже прямолинейное движение в сторону коллектора, не приближаясь к аноду или отрицательному электроду.

1.2 Группировка электронов в скрещенных полях

Аналогично решению для замедляющей системы в виде плоской стенки, поле замедляющей системы с двумя стенками является решением уравнения Гельмгольца, и описывается гиперболическими функциями, являющимися суперпозицией двух затухающих экспонент. Поперечное поле описывается гиперболическим косинусом с минимумом на плоском отрицательном электроде, где координата y=0, а продольное поле, естественно, на плоской металлической стенке, равно нулю, и, поэтому, продольные компоненты поля замедленной волны описывается гиперболическим синусом. , , они экспоненциально спадают при удалении от замедляющей системы.

Рассмотрим действие на электронный поток электрического поля замедленной волны, движущейся со скоростью дрейфа электронов. Там, где поперечное электрическое поле замедленное, волны складывается с постоянным электрическим полем анода , оно ускоряет дрейф электронов и подгоняет их в зону, где продольное электрическое поле замедленной волны отнимает у них энергию. Там, где вычитается из постоянного электрического поля , скорость дрейфа электронов уменьшается, и они оттягиваются из зоны, где отдает им энергию бегущей замедленной волны. Средняя скорость дрейфа при этом сохраняется, синхронизм не нарушается, и электроны, сгруппированные в зоне торможения, дрейфуют приближаясь к аноду по показанным на рисунке линиям, перпендикулярным суммарному электрическому и постоянному магнитному полю. Работа, совершаемая над электронами постоянным анодным электрическим полем, на каждом витке трохоиды отдается в энергию бегущей электромагнитной волны. Таким образом, поперечное поле волны обеспечивает группировку, а продольное забирает лишнюю кинетическую энергию. В результате, электроны (в среднем) теряют только всю потенциальную энергию относительно потенциала анода, и из этих соображений не трудно оценить КПД ЛБВ-М, зная всю сообщаемую электронам энергию, и долю, отдаваемую ими СВЧ полю: .

На входе в замедляющую систему электроны имеют сумму кинетической и потенциальной энергии . Кинетическая энергия, связанная со скоростью дрейфа, в среднем не меняется, и при ударе электрона в анод теряется в виде тепла. Электрон расходует на раскачку СВЧ поля свою потенциальную энергию , где - потенциал в точке влета - при достижении анода он становится равным нулю. Поскольку эммитирующий электроны катод, и отрицательный электрод замедляющей системы находятся под одинаковым потенциалом, кинетическая энергия, приобретенная электроном в системе инжекции равна , и электронный . Потенциал в точке влета линейно зависит от координаты y: . Поэтому , а координата высоты точки влета . Таким образом, КПД тем больше, чем ближе к катоду и отрицательному электроду ввод электронов в замедляющую систему, то есть чем сильнее магнитное поле. Но, при приближении ленточного пучка к гладкому отрицательному электроду, уменьшается до нуля продольная составляющая электрического поля замедленной волны, и соответственно, уменьшается сопротивление связи, а с ним и коэффициент усиления. Поэтому на практике КПД у ЛБВ-М и ЛОВ-М имеет величину 30%-50%, - в 2-3 раза выше чем у приборов О-типа. Для примера параметры одной ЛБВ-М: средняя длина волны 3.5 см, мощность 1.5 кВт, , Ку = 24дБ, КПД 30%.

1	2	3	4	5	6