Принцип действия амплитрона

Амплитрон-это генератор с внешним возбуждением и предназначен для генерирования СВЧ колебаний. Принцип генерирования колебаний заключается в преобразовании энергии источника постоянного тока(источника питания) в энергию СВЧ колебаний. Для этого необходимо выполнить следующие операции:

1.За счет энергии источника питания в пространстве взаимодействия создать электронный поток, движущийся соскоростью .

Пространство взаимодействия — это пространство между анодом (замедляющей системой) и катодом.

2.Уменьшить фазовую скорость электромагнитной волны, распространяющейся вдоль связок замедляющей системы. Фазовая скорость ЭМВ должна быть соизмерима со скоростью дрейфа электронного потока.

3.Из равномерного по плотности электронного потока создать электронные сгустки.

4.Разместить сгустки электронов в тормозящей фазе ЭМВ для передачи энергии электронов полю волны.

Рассмотрим цилиндрический диод. Пусть анод его заземлен, а катод находится под высоким отрицательным потенциалом. Электроны в этом случае будут двигаться по радиусу от катода к аноду под действием силы электрического поля,

—сила электрического поля. — вектор напряженности электрического поля.

В цепи анода будет протекать ток, определяемый током эмиссии катода.

Поместим всю конструкцию в магнитное поле так, чтобы силовые линии были направлены за плоскость чертежа.

В этом случае на электрон будет действовать сила Лоренца ,где e — заряд электрона, равный

— сила, действующая на электрон

— скорость электрона, м/сек

В — магнитная индукция, Тл.

Направление магнитной силы определяется по правилу левой руки.

Под действием магнитной силы траектория движения электронов искривляется

Рис.3.46.Схема движения электронов в зависимости от интенсивности магнитного потока

При некотором значении траектория движения электрона будет представлять касательную к поверхности анода. В этом случае электроны лишь коснутся анода и пойдут обратно к катоду.

Анодный ток мгновенно падает почти до нуля. Только отдельные электроны с большой начальной скоростью будут долетать до анода создавая небольшой анодный ток.

При вершины траекторий движения электронов находятся на некотором расстоянии от анода и анодный ток равен нулю.

Именно такой режим устанавливается в амплитроне.

Траекторию движения электронов в этом случае можно пояснить с помощью рисунка.3.46.

На рисунке изображен участок пространства взаимодействия плоской конструкции. В пространстве взаимодействия действует электрическое поле с напряженностью E и магнитное поле с индукцией B.

При этом считаем:

· СВЧ поле отсутствует

· скорость электрона при вылете из катода .

На всем протяжении движения электрона остается постоянной как по величине, так и по направлению. В начальный момент, когда скорость v электрона мала, а значит мала и , электрон движется под действием ускоряющего электрического поля. С увеличением скорости увеличивается . Под действием результирующей силы траектория его движения искривляется и точку А электрон проходит с максимальной скоростью.

Если , то под действием электрон долетает до анода, создавая анодный ток.

Если , электрон возвращается на катод с ничтожно малой скоростью. Траектория его движения в этом случае называется циклоидой.

Из механики известно, что такую кривую описывает точки круга, катящегося без скольжения по плоскости. При этом центр круга перемещается со скоростью . E — напряженность электрического поля. B — магнитная индукция. — дрейфовая скорость.

В амплитроне катод имеет цилиндрическую форму, поэтому траектория движения отдельного электрона будет представлять собой эпициклоиду (рис. 3.47).

Рис.3.47. Траектория движения отдельного электрона

Для упрощения говорили об одном электроне. В действительности в пространстве взаимодействия движется огромное число электронов, образующих пространственный заряд.

В цилиндрическом диоде при электронный поток представляет собой кольцо пространственного заряда, движущегося вокруг катода с переносной скоростью.

Замедляющая система является широкополосной колебательной системой и характеризуется тем, что амплитуда колебаний высокой частоты значительно меньше, чем в резонансных системах, но она слабее зависит от частоты.

Для эффективного взаимодействия электронного потока с полем нужно обеспечить длительное время пребывания электронов в тормозящем ВЧ поле. Для этого: 1) электронный поток должен двигаться вдоль силовых линий поля ВЧ, 2)скорость электронного потока должна быть приближенно равна фазовой скорости ЭМВ. Так как , то и бегущую волну необходимо замедлить.

В качестве замедляющих систем применяются системы типа "гребенка", типа «встречные штыри», спирали и другие.

Если период замедляющей структуры , то такая структура называется однородной и для нее распределение поля вдоль линии остается синусоидальным. В неоднородной структуре картина поля усложняется. В амплитронах используется однородная замедляющая структура типа «встречные штыри».

Для создания единого подхода к анализу приборов бегущих волн вводится понятие о пространственных гармониках.

Для пояснения этого понятия рассмотрим структуру типа "гребенка".

E_zo (z, t)=E_ZMe^j(wt-b_o^z) , где E_ZM- амплитуда бегущей волны, b_o=2p/l_o - фазовая постоянная.

В фиксированный момент времени Т1 картина поля в ЗС показана на рис.3.48.а,в. Рост напряженности поля от ячейки к ячейке показан увеличением числа силовых линий. Распределение продольной составляющей электрического поля вдоль оси , показано на рис.4в. Под торцами «гребенки» , так как здесь силовые линии поля перпендикулярны к оси .

Изображенная на рис.3.48, в зависимость представляет собой группу волн, которая по мере перемещения волны вправо также будет продвигаться вправо (положение группы волн в некоторый фиксированный момент показано пунктиром ).

Фактически это бегущая волна,но только «изрезанная». Изрезанность вызвана неоднородностями ЗС. В каждый фиксированный момент времени амплитуда в любой точке ячейки

где — периодическая (несинусоидальная) функция (рис. рис.3.48, г), определяемая конструкцией ЗС.

Разложив в ряд Фурье в комплексном виде, получим

,

где — коэффициент разложения функции в ряд, соответствующий данному номеру.

Таким образом, поле бегущей группы волн в ЗС (рис. рис.3.48, в) будет описываться выражением

(3.3)

где — амплитуда p-й бегущей волны;

— фазовая постоянная распространения p-й бегущей волны:

(3.4)

Рис.3.48.Картина поля в замедляющей системе Картина периодического поля бегущей волны в ЗС типа «гребенка»

Из выражения (3.3) видно, что поле периодической ЗС представляет собой сумму бесконечного числа бегущих волн с одинаковой частотой w, различающихся коэффициентами фазы , то есть фазовыми скоростями:

. (3.5)

Эти волны называют пространственными гармониками, так как они появились в результате разложения функции в ряд по пространственной координате. Их нельзя путать с обычными временными гармониками, имеющими кратные частоты. Пространственные гармоники имеют кратные длины волн в ЗС, но частоты их одинаковы . Все пространственные гармоники существуют только совместно, и между ними существует жесткая связь. Только вместе они создают ту реальную картину поля, которая представлена на рис. рис.3.48, в. И если по какой-либо причине возрастает амплитуда одной из гармоник, то автоматически возрастают (вследствие жесткой связи) амплитуды остальных гармоник, увеличивая амплитуду группы волн. Каждая из пространственных гармоник переносит энергию поля с одинаковой групповой скоростью. Действительно, , но из (3.4) находим, что , а потому . Поскольку величина и направление групповой скорости одинаковы для всех гармоник, то считают групповую скорость положительной и с ней сравнивают фазовые скорости гармоник.

Если направления векторов фазовой и групповой скоростей совпадают , то гармоники называют прямыми, в противном случае — обратными.

Все гармоники с p>0 называются положительными, а с p<0 — отрицательными. Гармоника, имеющая наибольшую фазовую скорость, является основной. В рассмотренном случае [см. (3.5)] основной является нулевая (p=0) пространственная гармоника.

В зависимости от знака j она может быть при p =0 как прямой, так и обратной.

В спирали более явно выражена прямая гармоника. В гребенках и встречных штырях — обратная.

В зависимости от типа структуры электронный поток взаимодействует либо с прямой, либо с обратной пространственной гармоникой, поэтому различают приборы СВЧ прямой и обратной волны.

В амплитроне электронный поток взаимодействует с минус первой гармоникой. Замедляющая система амплитрона эквивалентна структуре "встречные штыри". Число ячеек ЗС равно 17.

Вдоль двухпроводной линии связок распространяется бегущая волна, близкая по структуре к поперечной. Возбуждение связок противофазное, то есть между потенциалами (относительно корпуса) точек на связках, лежащих в одном поперечном сечении, сдвиг по фазе равен 180°. Такая линия связок с периодически (на расстоянии L по внутреннему радиусу анодного блока) подключенными полуволновыми резонаторами-сегментами сводится к эквивалентной схеме:

Рис. 3.49. Эквивалентная схема резонатор-сегментов

.

Для поддержания вакуума в амплитроне используется электро-магнитный разрядный насос. Принцип работы аналогичен ЛБВ.