Электровакуумные приборы магнетронного типа

МИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО  И СРЕДНЕГО

ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РФ.

 

Воронежский Государственный  Университет.

 

Физический факультет

 

Кафедра Электроники

Реферат

 

 

Электровакуумные приборы магнетронного  типа

 

 

                          

 

                               

 

 

 

 

 

 

 

                                       Работу выполнил:

                                                                        студент 3 курса группы компьютерная 

                            электроника

                                                                   _____________________________

 

                                       Работу проверил:

                                   ________________

 

 

 

 

 

 

Воронеж 2006

   СОДЕРЖАНИЕ

 

Введение -----------------------------------------------------------------------------------3

1   Движение заряженных частиц в скрещенном электрическом и магнитном полях ----------------------------------------------------------------------------------------3 

          

             1.1 Уравнение траектории ----------------------------------------------------- 4

 

         1.2 Группировка электронов в скрещенных полях ----------------------- 7

 

2 Усилитель бегущей волны типа М --------------------------------------------------8

         2.1 Отличие от ЛБВ типа О -----------------------------------------------------9

 

            2.2 Принципиальная схема ЛБВ типа М, общее описание --------------9

 

2.3 Усиление ЛБВ типа М------------------------------------------------------10

 

2.4 Применение ЛБВ типа М---------------------------------------------------14

 

3 Лампа обратной волны типа М-----------------------------------------------------14

 

3.1 Принципиальная схема ЛОВ типа М, общее описание--------------14

 

3.2 Пусковые условия в генераторе обратной волны типа М-----------16

 

3.3 Усилитель обратной волны типа М--------------------------------------17

 

3.4 Применение ЛОВ типа М--------------------------------------------------19

 

4  Магнетрон-----------------------------------------------------------------------------20

 

4.1 Устройство магнетрона и принцип работы-----------------------------20

 

4.2 Применение магнетронов--------------------------------------------------22

 

5 Список использованной литературы---------------------------------------------23

 

 

 

 

 

 

Введение

 

         Работа СВЧ - генераторов  или  усилителей заключается в преобразовании  энергии источников постоянного  тока в энергию электромагнитных  колебаний. Приборы СВЧ диапазона  подразделяются на электровакуумные,  электронно-плазменные, квантовые, полупроводниковые и плазменные, которые в свою очередь также подразделяются на подклассы. Класс электровакуумных приборов включает приборы, преобразующие кинетическую энергию свободных электронов, ускоренных в вакууме, в энергию СВЧ колебаний. Этот класс приборов, получивших наибольшее распространение, делится на три основных подкласса - приборы с электростатическим управлением электронным потоком (триоды, тетроды); приборы с динамическим управлением электронным потоком, основанном на принципе скоростной модуляции, это приборы “О- типа” и, наконец, - приборы “М-типа”.  Приборы “О-типа” имеют прямолинейную геометрию электронного потока в продольном внешнем магнитном поле (клистроны, лампы бегущей и обратной волны, соответственно - ЛБВ, ЛОВ). В приборах  “М-типа” модулированные электронные потоки формируются в результате дрейфового движения электронов в скрещенных электрическом и магнитном  полях (магнетроны, платинотроны, ЛБВ-М, ЛОВ-М). К приборам вакуумной электроники относится также подкласс релятивистских приборов “О” и “М” типов, в которых используются сильноточные электронные потоки больших энергий, когда релятивистский g-фактор заметно отличается от 1 (релятивистские ЛОВ, магнетроны, а также гиротроны). Релятивистские приборы, являющиеся мощнейшими импульсными источниками СВЧ полей, тем не менее, могут иметь ограничения по току из-за тормозящего электроны отрицательного потенциала, возникающего в пучке из-за высокой плотности электронного объемного заряда. Для снятия токового ограничения в приборах плазменной СВЧ электроники используется компенсация объемного заряда электронов пучка  ионами плазмы, создаваемой специальными плазменными источниками. К квантовым приборам СВЧ относятся атомные и молекулярные генераторы, квантовые парамагнитные усилители, объединяемые термином “мазеры”. Класс полупроводниковых приборов СВЧ  включает подклассы СВЧ транзисторов, диодов с отрицательным сопротивлением: лавинопролетных (ЛПД) и туннельных диодов, диодов Ганна. Представителями класса плазменных СВЧ приборов можно считать газоразрядные генераторы шума.

В приборах М  типа используется движения электронов в скрещенных электрическом и магнитном  полях. Рассмотрим, для начала, основные закономерности движения заряженных частиц в таких полях [3].

1   Движение заряженных частиц в скрещенном электрическом и магнитном полях

 

1.1 Уравнение траектории

На рис. 1 изображено пространство между катодом (внизу) и анодом вверху, к которым приложено постоянное напряжение , создающее однородное электрическое поле по вертикали, и пронизанное силовыми линиями однородного магнитного поля поперек плоскости чертежа вглубь, как изображено на рисунке. Введем систему координат: y – вверх в плоскости чертежа, z – горизонтально направо в плоскости чертежа, x – вглубь по нормали.

                                             Рис. 1

 

В векторном виде уравнения движения для нерелятивистского электрона в системе Гаусса

  ,      (1)

положим . В нашем плоском случае , , и уравнения принимают вид

    (2)

Дифференцируя по времени  второе уравнение подставляем в  него первое и получаем

. (3)

Введя в рассмотрение циклотронную частоту перепишем в окончательном виде

.      (4)

Дважды интегрируя это  уравнение получаем решение в  виде суммы общего решения однородного  уравнения 

   (5)

и частного решения неоднородного  уравнения  . Дифференцируя по времени это решение согласно второму уравнению из первоначальных уравнений движения получаем решение и для . Так получается параметрическое описание зависимости скорости электрона от времени:

.     (6)

Имея начальные условия  определяем неизвестные коэффициенты при синусах и косинусах:

.    (7)

Дальнейшее интегрирование при начальных параметрическое описание траектории от времени:

.   (8)

Это уравнения трохоиды - траектории всевозможных точек плоскости,  катящейся одним своим фиксированным  кругом по прямой (параллельно поверхности катода). Скорость движения центра круга - скорость дрейфа.

Можно выделить два частных  случая траекторий:

1)  движение по прямой с постоянной скоростью  ; (точки совпадают с центром круга), такой вариант движения электронов используется в ЛБВ-М,

2)  первоначально покоившаяся частица , будучи отпущенной в свободный полет    из начальной точки , совершает движение по циклоиде

,      (9)

этот вариант используется в магнетроне. Высота вершины циклоиды достигает  , а максимальную скорость, как точка катящегося колеса, электрон приобретает на вершине циклоиды 

Во всех случаях средняя  скорость дрейфа – “скорость центра колеса” – равна отношению напряженности электрического поля к индукции магнитного. Это и понятно – ведь переход в систему отсчета, сопутствующую “центру колеса”, устраняет электрическое поле, то есть, после преобразования Лоренца над данным электромагнитным полем, электрическое поле вообще исчезает, и движущийся со скоростью дрейфа наблюдатель видит равномерное вращение частиц в однородном магнитном поле.

Благодаря этому вдоль электродов можно создать электронный поток, двигающийся с постоянной средней скоростью , и, если один из электродов – замедляющая система (обычно анод) с такой же замедленной фазовой скоростью, то возможно организовать взаимодействие электронного потока с бегущей волной – с прямой гармоникой – ЛБВ-М, с обратной гармоникой – ЛОВ-М.

Существуют два варианта реализации такой структуры – 

1. –  инжектировать поток извне в виде ленты параллельно катоду вдоль z, или
2. - устроить электронную эмиссию на всей большой поверхности отрицательного электрода, то есть катод с распределенной эмиссией  ).                            Рис. 2

В первом случае, показанном на рис. 2, применяют так называемую короткую электронно – оптическую систему инжекции. Электроны, вытягиваемые из катода электрическим полем ускоряющего электрода, успевают пролететь только половину циклоиды к тому моменту, как попадают во вдвое усиленное электрическое поле, в котором их скорость оказывается в точности равной скорости дрейфа, и далее продолжают уже прямолинейное движение в сторону коллектора, не приближаясь к аноду или отрицательному электроду.

1.2 Группировка электронов в скрещенных полях

Аналогично решению  для замедляющей системы в  виде плоской стенки, поле замедляющей  системы с двумя стенками является решением уравнения Гельмгольца, и описывается гиперболическими функциями, являющимися суперпозицией двух затухающих экспонент. Поперечное поле описывается гиперболическим косинусом с минимумом на плоском отрицательном электроде, где координата y=0, а продольное поле, естественно, на плоской металлической стенке, равно нулю, и, поэтому, продольные компоненты поля замедленной волны описывается гиперболическим синусом. , , они экспоненциально спадают при удалении от замедляющей системы.

Рассмотрим действие на электронный  поток электрического поля замедленной  волны, движущейся со скоростью дрейфа электронов. Там, где поперечное электрическое  поле замедленное, волны складывается с постоянным электрическим полем анода , оно ускоряет дрейф электронов и подгоняет их в зону, где продольное электрическое поле замедленной волны отнимает у них энергию. Там, где вычитается из постоянного электрического поля , скорость дрейфа электронов уменьшается, и они оттягиваются из зоны, где отдает им энергию бегущей замедленной волны. Средняя скорость дрейфа при этом сохраняется, синхронизм не нарушается, и электроны, сгруппированные в зоне торможения, дрейфуют приближаясь к аноду по показанным на рисунке линиям, перпендикулярным суммарному электрическому и постоянному магнитному полю. Работа, совершаемая над электронами постоянным анодным электрическим полем, на каждом витке трохоиды отдается в энергию бегущей электромагнитной волны. Таким образом, поперечное поле волны обеспечивает группировку, а продольное забирает лишнюю кинетическую энергию. В результате, электроны (в среднем) теряют только всю потенциальную энергию относительно потенциала анода, и из этих соображений не трудно оценить КПД ЛБВ-М, зная всю сообщаемую электронам энергию, и долю, отдаваемую ими СВЧ полю: .

На входе в замедляющую систему электроны имеют сумму кинетической и потенциальной энергии . Кинетическая энергия, связанная со скоростью дрейфа, в среднем не меняется, и при ударе электрона в анод теряется в виде тепла. Электрон расходует на раскачку СВЧ поля свою потенциальную энергию , где - потенциал в точке влета - при достижении анода он становится равным нулю. Поскольку эммитирующий электроны катод, и отрицательный электрод замедляющей системы находятся под одинаковым потенциалом, кинетическая энергия, приобретенная электроном в системе инжекции равна , и электронный . Потенциал в точке влета линейно зависит от координаты y: . Поэтому , а координата высоты точки влета . Таким образом, КПД тем больше, чем ближе к катоду и отрицательному электроду ввод электронов в замедляющую систему, то есть чем сильнее магнитное поле. Но, при приближении ленточного пучка к гладкому отрицательному электроду, уменьшается до нуля продольная составляющая электрического поля замедленной волны, и соответственно, уменьшается сопротивление связи, а с ним и коэффициент усиления. Поэтому на практике КПД у ЛБВ-М и ЛОВ-М имеет величину 30%-50%, - в 2-3 раза выше чем у приборов О-типа. Для примера параметры одной ЛБВ-М: средняя длина волны 3.5 см, мощность 1.5 кВт, , К_у = 24дБ, КПД 30%.

 

Рассмотрим  подробнее некоторые из СВЧ – приборов “М типа”.

 

2 Усилитель бегущей волны типа М

2.1 Отличие от ЛБВ типа О

В ЛБВ типа М, в отличие  от ЛБВО, существуют две существенные особенности:

1) наиболее благоприятное взаимодействие электронов с бегущей волной и передача энергии от электронов к полю происходят при точном равенстве средней скорости электронов и фазовой скорости волны ( ). Напротив, для передачи энергии от электронов к полю в ЛБВ типа О требуется, чтобы электроны двигались чуть быстрее.

2) в ЛБВ-О электроны отдают полю только избыточную кинетическую энергию, соответствующую разности скоростей электронов и волны. КПД ограничен допустимой разностью этих скоростей. Энергия, передаваемая полю, берется от источника ускоряющего напряжения U₀. В ЛБВМ же кинетическая энергия электронов не меняется, а полю передается потенциальная энергия электронов.

 

 

2.2 Принципиальная схема ЛБВ типа М, общее описание

 

Устройство усилительной лампы бегущей волны (ЛБВ) типа М  показано на рис. 3