Файл: Вайнштейн Л.А. Лекции по сверхвысокочастотной электронике.pdf

Например, в лампе с бегущей волной синхронизм в пространстве приводит к тому, что электроны, попавшие в тормозящее поле волны, долгое время пребывают в этом поле и отдают ему свою кинетическую энергию. В приборах магнетронного типа электроны, попавшие в тор­ мозящее поле синхронной волны (продольная сила направлена против скорости дрейфа), не тормозятся, а, пребывая все в том же поле, дрейфуют к аноду, благодаря чему их потенциальная энергия пере­ дается переменному полю. В приборах, где электроны периодически возвращаются к своему начальному положению (например, в гирорезонансных приборах), синхронизм во времени также обеспечивает резонансное (накапливающееся) воздействие переменного поля на движение электронов.

Однако резонансное воздействие поля на электроны может иметь любой знак, в зависимости от фазовых соотношений; например, элект­ роны, попавшие в ускоряющее поле волны, при синхронизме пребы­ вают в нем продолжительное время, в результате чего эти электроны отбирают энергию у поля. Поэтому одного синхронизма недостаточно для создания электронных приборов: синхронизм сам по себе имеет лишь формальное, кинематическое значение, обеспечивая сильное взаимодействие электронов и полей в отдельных звеньях, но не гаран­ тируя правильной работы всей системы в целом.

Важнейшим условием сверхвысокочастотной электроники яв­ ляется наличие фазировки (фазовая фокусировка, фазовая группировка или сортировка, фазовый отбор, в теории ускорителей аналогичное явление называют автофазировкой), т. е. механизма, который обеспе­ чивает преобладание полезных электронов (отдающих свою энергию полю) над вредными (отбирающими энергию у поля). В сущности, принцип работы любого электронного прибора заключен в его меха­ низме фазировки.

Чтобы подчеркнуть недостаточность синхронизма и важность фазировки, приведем следующие примеры. В прямолинейном элект­ ронном пучке волны пространственного заряда существуют парами — быстрая волна и медленная, причем при достаточно большой плотности пучка фазовые скорости этих волн заметно отличаются. При синхро­ низме медленной волны с волной в линии возможно экспоненциаль­ ное нарастание поля вдоль лампы, при синхронизме быстрой волны та­ кое нарастание невозможно, поскольку длительной фазировки нет* (см. 6-ю лекцию). В гирорезонансных приборах при совпадении частоты колебаний с циклотронной частотой происходило бы просто циклотронное ускорение электронов, если бы не релятивистская поправка, благодаря которой осуществляется фазировка (см. 8-ю лекцию). В общем случае, рассматривая колеблющиеся электроны Как осцилляторы, можно прийти к выводу, что механизм фазировки существует лишь для нелинейных (ангармонических) осцилляторов.

Поэтому построение теории любого электронного прибора сводит-

* Речь идет о взаимодействии волн пространственного заряда с прямой синхронной волной. В лампе с обратной волной взаимодействие происходит иначе.

ровки у него такой же, как у магнетрона. И винтовой пучок, о котором

вий синхронизма функционируют совершенно иным образом, прояв­ ляя механизм фазировки, характерный для криволинейных пучков и не нуждающийся в медленных волнах. Для этого механизма непря­ молинейность пучка существенна, в то время как в приборах ти­ па О непрямолинейность движения электронов и непостоянство их продольной скорости —только возмущающие факторы.

Выше мы несколько раз упоминали о факторах, возмущающих идеальный механизм фазировки. Их обычно можно причислить к од­ ной из трех групп:

1) нарушения условий синхронизма,

Нарушения условий синхронизма могут быть вызваны, например, неточностью изготовления (неоднородностью) замедляющей системы или системы, формирующей электронный пучок, изменением скорости электронов поперек или вдоль пучка и т. д. Дополнительные несин­ хронные п о л я — э т о , например, поля несинхронных пространствен­

Возмущающие факторы первой и второй групп, как правило, не очень существенны. Они не нарушают механизма фазировки, если отклонения от синхронизма не слишком велики (обычно нетрудно дать соответствующие оценки) и если несинхронные поля не слишком интенсивны, скажем, сравнимы с синхронными или меньше их. В про­ тивовес этому дополнительные синхронные поля могут сильно влиять на механизм фазировки и даже радикально изменять этот механизм.

В качестве дополнительного синхронного поля наряду с другими полями, которые в принципе можно исключить, во всех электронных приборах выступает поле пространственного заряда, которое синх­ ронно с электронными образованиями (сгустками, язычками и т. п.) просто потому, что оно ими создано и вследствие своего квазистати­

изменяется мало. Однако в мощных приборах механизм фазировки «нагружается» пространственным зарядом настолько, насколько это вообще возможно, и поэтому весьма далек от идеального. В частности, основное синхронное поле и поле пространственного заряда оказы­ ваются сравнимыми, силы пространственного заряда, т. е. силы от­ талкивания одноименных зарядов, как могут, препятствуют образо­ ванию плотных сгустков, мешая фазировке, но это не все. Дело в том, что пространственный заряд, подобно жидкости или иной непрерыв­ ной среде, является системой с бесконечным числом степеней свободы, поэтому в нем могут возбуждаться свои колебания или волны, кото­ рые существенно дополняют спектр колебаний или волн той электро-

10