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.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.