Усилительные клистроны. Двухрезонаторный усилительный клистрон, страница 13

Изображение циклоиды приведено на рис. 31.

Циклоида (1) это траектория (рис. 31) точки,  находящейся на внешней окружности катящегося круга. Есть укороченная циклоида, когда точка находится внутри круга (2). Также существует вырожденная циклоида — точка находится в центе круга и движется по прямой (3). Эти виды траекторий движения электронов используются в приборах “М” типа.  Есть  еще удлиненная циклоида (точка за пределами круга), но в СВЧ приборах она не используется.

Выражение для циклотронной частоты не изменяется для любого типа циклоиды. Широко используется понятие скорость переносного движения (V_п), представляющее собой отношение электрического поля к магнитному (Е/В), т.е. скорость перемещения круга зависит от соотношения электрической и магнитной составляющей. Круг может катиться не только по ровной поверхности, но  и  по цилиндру  (рис. 32).

Вернемся к рис. 30. Если магнитное поле достаточно слабо, а электрическое велико, то электрон может прийти на анод немного искривив свою траекторию или может двигаться почти касаясь анода. Такое прохождение электронов вблизи анода называется критическим режимом. График зависимости анодного напряжения от магнитного поля в критическом режиме показан на рис.33.

Критический режим определяется соотношением сил электрического и магнитного полей, фактически это соотношение U_а (анодное напряжение) и В (рис. 33).  Зависимость квадратичная, ее называют параболой критического режима.  В приборах типа “М” необходимо, чтобы электрон возвращался, т.е. В должно быть больше В_крит или U_а меньше U_акрит, отсюда две области: рабочая и нерабочая.

С физической точки зрения  траектория 1 характерна тем, что электроны, расположенные вблизи катода, не имеют начальной скорости V_енач= 0. Траектория 2 предполагает наличие начальной скорости  V₀<V_енач<V_п. По направлению скорости совпадают. Траектория 3 предполагает, что V_енач= V_п, т.е. если в пространство катод-анод направить электроны с начальной скоростью равной V_п, то все они будут двигаться по прямолинейной траектории. Для нее характерно то, что F_эл уравновешивается F_маг (рис. 34).

Желательно, что бы электроны двигались ближе к катоду, так как в этом случае у них больше запас потенциальной энергии, а именно она преобразуется в энергию СВЧ в приборах типа “М”.

ДВИЖЕНИЕ ЭЛЕКТРОНОВ В СКРЕЩЕННЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ И МАГНИТНОМ ПОЛЯХ ПРИ НАЛИЧИИ СВЧ ПОЛЯ

Рассмотрим движение электронов по траектории 3 (рис. 28). Если бы не было СВЧ поля, то электроны двигались равномерно вдоль катода. Пусть между катодом и анодом  существует СВЧ поле p-вида, когда на соседних ячейках поле изменяется на 180⁰.

Изобразим мгновенную структуру поля, движущейся по оси Z с фазовой скоростью n-ой пространственной гармоники V_фn (рис. 35). Считаем, что скорость электронов V₀=V_фn (условие холодного синхронизма). Возьмем несколько точек: 0 .... 7. Попытаемся понять, что будет с этими электронами, если кроме статических полей Е₀ и В₀ есть движущееся СВЧ поле.

Рис. 35

На нулевой электрон вместе с полем Е₀ действует СВЧ поле, совпадающее по направлению. Это означает, что в соотношении Е/В увеличился числитель. Значит увеличилась скорость переносного движения, отсюда этот электрон получает дополнительное приращение скорости. Электрон 1 получит меньшее приращение скорости, 2 - не получит приращения, 3 - получит замедление, 4 - еще большее замедление, 5 - аналогичен 3, 6 - не получит приращения скорости, а 7 получит небольшое приращение. В итоге окажется, что некоторая группа электронов (0 ... 4) стремится сгруппироваться, а другая  - разгруппироваться.