Замедляющие системы. Генераторы с электрическим управлением электронным потоком. Методы и устройства стабилизации частоты и фазы колебании в задающих генераторах простых и сложных сигналов, страница 22

Двигаясь по траектории, описываемой этими уравнениями, электроны при выходе из отрицательно заряженного электрода (катода) в первый момент имеют нулевую скорость и начинают равноускоренно двигаться прямо на анод. Но по мере роста скорости сила Лоренца магнитного поля искривляет траекторию и возвращает электроны на катод. В точкеэлектроны имеют нулевую скорость и вновь начинают описывать петлю в соответствии с траекторией циклоиды.

Подобно происходит процесс движения электронов Я в системе, где катод и анод представляют собой коаксиальные цилиндры (например и магнетроне).

На рис. 4.16 изображены траектории электронов при различных значениях магнитной индукции.

Магнитная индукция, при которой вершина ЦИКЛОИДЫ касается анод; называется критической ,  а  сам   режим   работы

прибора — критическим. При отсутствии других электрических и магнитных полей, кроме постоянных Е и В, зависимость напряжения на аноде от В для критического режима показана па рис. 4.17. Аналитическое выражение для этой зависимости находится непосредственно из уравнений (4.35) при  и имеет вид

Важно отмстить, что при  все электроны, эмитированные

катодом, попадают на анод на первом же витке циклоиды; при  токопрохождение между катодом и анодом

отсутствует

Во втором случае, который имеет место в целом ряде приборов СВЧ, электроны, вводимые в область взаимодействия с электрическим и магнитным полями, имеют начальную скорость, по величине и направлению. Тогда множитель  в (4.34) равен нулю и траектория движения электронов оказывается прямолинейной —. Такое явление происходит вследствие установления равенства между силами. Для создания подобного электронного потока в приборах СВЧ используют устройство, схематически изображенное на рис. 4.18 и называемое электронной пушкой со скрещенными полями. В ней можно выделить дне области I и II, в которых действуют взаимно перпендикулярные электрическое и магнитное поля. В I области, где располагается катод, эмитирующий электроны, траектории электронов имеют вид циклоиды. Размеры этой части и величины и  подбираются таким образом, чтобы расстояние от катода до конца области I составило ровно половину периода циклоиды. Тогда электроны будут входить в зону и, имея только горизонтально направленную составляющую  скорости,  равную удвоенному В последнем можно убе­диться, вычислив производную от выражения (4.35) при  Чтобы далее в области  II электроны двигались прямо­линейно, необходимо выполнить условие

При одинаковом значении магнитной индукции в областях I и II это соот­ношение можно выполнить при

Одним ни важнейших достоинств таких электронных пушек явля­ется хорошая защищенность от бомбардировки катода положи­тельными ионами при несовершенном вакууме. Соответственно возрастают надежность и срок службы прибора.

Процесс создания сгруппированного электронного потока про­текает с обязательным участием высокочастотного поля. В зави­симости от типа прибора анод в нем представляет собой плоскую пли цилиндрическую, замкнутую или разомкнутую замедляющую систему, в которой возбуждается СВЧ поле в виде суммы про­странственных гармоник, бегущих вдоль продольной оси с фазо­выми скоростями   равными

где к — номер пространственной гармоники.

В подавляющем большинстве приборов для усиления исполь­зуются колебания основной — нулевой гармоники (к = 0).

Кроме этого, в замкнутых замедляющих системах фазовый сдвиг между колебаниями в соседних ячейках  должен быть таким, чтобы на всей длине общий фразовый сдвиг составлял це­лое число , т. е.

где N — число ячеек в замедляющей системе;

       n — целое число, определяющее так  называемый   виl  коле­бания.

Наиболее часто используется режим, в котором .  Распределение вектора напряженности такого поля в  пространстве между катодом и анодом показано на рис. 4.19 а.

Для лучшего понимания процесса взаимодействия электронно­го потока с полем последнее целесообразно представить в виде проекции вектора Е на оси z и у. Распределение амплитуд в продольном Еz и поперечном Еу компонентах поля для произ­вольного момента времени показано на рис. 4.19 б.

Рис. 4.19

Два механизма обусловливают группировку электронного по­тока. В одном составляющая СВЧ поля Еу производит модуля­цию электронного потока по скорости. Действительно, при выпол­нении традиционного условия  электроны, оказавшиеся в промежутках 1—2, 3—4, 5—6 и т. д. (рис. 4.19 в), под влиянием переменной составляющей поля будут увеличивать дрейфовую скорость, в то время как электроны в областях 2—3, 4—5 и т. д. будут ее терять. В результате с течением времени по мере дви­жения вдоль оси z модуляция электронов по скорости приводит к появлению модуляции по плотности и электроны соберутся в сгустки, следующие с периодом, равным периоду СВЧ поля. При этом важно отметить, что при  эти сгустки окажутся точно в тормозящей фазе составляющей СВЧ поля Ez и будут отдавать ему свою кинетическую энергию. Те же из электронов вне сгустков которые попадут в ускоряющую фазу поля Ez, получат дополни­тельную энергию, увеличат скорость и она окажется  не  равной нулю на уровне y=0. В итоге ускоренные («неблагоприятные») электроны поглощаются катодом уже на первом витке циклоиды и убираются из области взаимодействия (рис. 4.20 — электрон под номером I). Этот дополнительный   механизм   носит  название фазовой группировки.

Рис. 4.20

Остатки кинетической энергии «небла­гоприятных» электронов, «врезающихся» в катод, в некоторых приборах используются весьма рационально: в одних из них через несколько секунд после начала работы отключают источник на­кала катода, поскольку бомбардировка электронами разогревает его до нужной температуры, в других приборах «неблагоприят­ные» электроны используются для создания вторичной эмиссии электронов в «холодных» катодах.