Генерация СВЧ электронными потоками

Для всех генераторов вакуумной электроники СВЧ принципиально важным является обеспечение синхронизма между перемещением электронов и той электромагнитной волной, в которую перекачивается их энергия. В процессе взаимодействия электронов с высокочастотным полем волны в электронном потоке формируются сгустки частиц (фазовая группировка). Электронные сгустки по мере своего движения отдают энергию полю излучения, взаимодействуя с той его компонентой, для которой должным образом выполнено условие синхронизма. Электроны, двигаясь вдоль оси синхронно с волной, группируются в сгустки под действием ускоряющих и тормозящих участков волны.

Рис. 2 показывает простейший случай, когда продольная составляющая электрического поля бегущей волны записывается в виде Е_Z= Е₀(wt-w_Z/u_Z,). На этом рисунке стрелками показаны силы, действующие на электроны. Видно, что электроны с участков АВ и ВС должны собираться в плоскость В, с участков СР и ВЕ – в плоскость D и т. д. Соответственно, плоскости А, С, Е и т. д. должны опустошаться. Таким образом, в плоскостях В, Р и т. д., расположенных друг от друга на расстоянии пространственного периода волны E_Z(t,z), возникают сгустки Е_Z электронов.

При точном синхронизме, когда скорость поступательного движения электронов вдоль

оси z равна фазовой скорости волны в направлении движения электронов (u=u_Z), электроны неподвижны по отношению к полю бегущей волны, и обмена энергией между электронами и волной нет. При u>u_Z сгустки обгоняют волну, чему на рис. 2. соответствует движение слева направо, т. е. против тормозящей силы. При этом к инетическая энергия движения электронов

переходит в энергию СВЧ поля. Следовательно, поле усиливается. Это усиление когерентно, и при соответствующей обратной связи возникает генерация. Как обычно, генерация начинается под действием флуктуационных толчков, в поле излучения которых все более интенсивно происходит образование электронных сгустков, в свою очередь все более интенсивно испускающих электромагнитное излучение. На языке квантовой электроники это и отвечает индуцированному излучению.

При релятивистской скорости электронов автоматически обеспечивается синхронизм электронного и светового пучков. Электронные усилители, генерирующие пучки электронов сверхвысокой энергии, обычно работают в импульсном режиме. Если за время полёта волновой электронный пакет разойдётся со световой волной меньше, чем на длину волны, нарушениями синхронизма можно пренебречь.

Для ондуляторного ЛСЭ условие оптимальной генерации излучения описывается следующим выражением

dn_Ф/dt ≈ aKI/e.

Где a=е²/ћс, е — заряд электрона,

K - число периодов в цуге, испущенных частицей,

I - сила тока.

Дата добавления: 2015-06-04