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

на незамедленных волнах как при продольной фазировке, так и при азимутальной (см. 9-ю лекцию). Начало этому уже положено (см. 8-ю лекцию).

На основе гирорезонансных механизмов фазировки можно по­ строить приборы, функционирующие по образцу соответствующих приборов типа О: Л Б В , ЛОВ, клистроны, гибридные приборы. Не­ которые возможности здесь испытаны, другие — нет, и какие-либо окончательные практические выводы сделать трудно.

Главной чертой любого электронного прибора, как мы уже неод­ нократно отмечали, является механизм фазировки. Электродинами­ ческая система должна формировать поле, фазирующее электроны и

Входной сигнал Выходной сигнал

Рис. 10.2. Возможная конструкция ЛБВ типа О с откры­ тым волноводом (верхнее зеркало в поперечном сечении вог­ нутое, в продольном выпуклое).

отбирающее у них энергию, электронно-оптическая система должна' формировать соответствующие пучки, причем требования к обеим системам определяются именно механизмом фазировки. Фазировка в криволинейных электронных пучках, рассмотренная в 8-й и 9-й лекциях, отличается тем существенным недостатком, что требует (особенно для коротких волн) сильных магнитных полей. Действи­ тельно, условие (8.11) можно переписать в виде

так что при X = 1 мм и п = 1 необходимо постоянное магнитное поле около ста килоэрстед. Можно надеяться, что дальнейшее развитие электроники приведет к обнаружению новых механизмов фазировки, свободных от этого недостатка и вместе с тем обладающих всеми отме­ ченными выше достоинствами.

Несомненно, что наиболее увлекательными и многообещающими являются теоретические исследования, посвященные поискам и ана­ лизу новых механизмов фазировки, т. е. построение теории приборов, которых еще нет и которые можно создать только после надлежащей теоретической проработки относящихся к ним проблем. Перспектив­ ность таких исследований следует из того, что потенциальные воз­ можности сверхвысокочастотной вакуумной электроники еще далеко не исчерпаны; фактическое положение дел таково, что лишь в послед­ нее время электроника из дисциплины, посвященной описанию и расчету частных приборов и устройств, превратилась в дисциплину более широкого профиля.

Другая цель теории, как уже говорилось, это — изучение ме­ ханизмов фазировки в существующих приборах. С практической точки зрения, конечно, желательно иметь теорию, позволяющую дать пол­ ный технический расчет прибора, однако на этом пути достигнуты лишь частные, весьма скромные успехи. Так, например, нам неиз­ вестно ни одной работы (или серии работ), которая действительно приводила бы к полному техническому расчету прибора, т. е. к воз­ можности сконструировать прибор без экспериментов на макетах, где расчетные данные проверяются, корректируются, а иногда отбрасываются как бесполезные. Дело в том, что все работы, претен­ дующие на технический расчет, в сущности сводятся к изучению механизма фазировки при учете всего нескольких возмущающих факторов (см. введение), в то время как в реальных приборах этих факторов много и их влияние на характеристики прибора не учиты­ вается. Тем не менее, такие расчеты часто дают ценные для практики указания, если одновременно соблюдены три условия: правильно (или удачно) выбрана теоретическая модель, отвечающая данной кон­ струкции, применен эффективный вычислительный метод и можно произвести хотя бы частичную оптимизацию.

К сказанному следует добавить, что исчерпывающий расчет при­ бора должен включать также расчет электродинамической системы, электронно-оптической системы и теплового режима.

Таким образом, в настоящее время теория неизбежно должна дополняться и направляться экспериментом. В ряде случаев значи­ тельную помощь в разработке приборов может оказать теория подобия, которая для электронных приборов, к сожалению, развита недоста­ точно. В будущем, по мере развития численных методов и вычисли­ тельных машин, ситуация может измениться: «численный эксперимент»,, охватывающий все существенные характеристики проектируемого прибора, полностью заменит реальный эксперимент, причем несуще­ ственность тех или иных возмущающих факторов будет проверяться с помощью контрольных расчетов. Такие работы уже ведутся, и можно надеяться, что в ближайшее десятилетие будут произведены полные расчеты наиболее простых электронных потоков, а именно потоков, близких к ламинарным. Моделирование электронного облака в общем случае связано не только с вычислительными, но и с принципиальными трудностями, о которых говорится в конце приложения IV.

Развитие идей в электронике и производство электронных приборов далеко не всегда соответствуют друг другу. Надо иметь в виду, что приборам нового типа при завоевании «места под солнцем» — мас­ сового применения — приходится вести жесткую конкурентную борьбу с приборами старых типов, технология которых хорошо отработана и производство налажено. Лишь немногие новые приборы выдерживают эту борьбу: следя за развитием электроники, нетрудно заметить, что ежегодно появляется несколько новых типов приборов, которые, одна­ ко, изготавливаются в виде немногочисленных экземпляров для лабо­ раторных исследований и затем остаются лишь вехами, отмечающими развитие научных идей. Массовое же применение получают, как

правило, только приборы с выдающимися свойствами. Впрочем, последнее относится не только к электронике.

В этой книге нет заключения. Поэтому здесь целесообразно ска­ зать, что при работе над книгой мы рассматривали сверхвысокочас­ тотную электронику как часть физики, тесно связанную с другими разделами физики: теорией электромагнитного поля (сверхвысоко­ частотной электродинамикой), теорией колебаний, физикой плазмы, квантовой электроникой. Особенно следует подчеркнуть связь между электронными приборами и ускорителями заряженных частиц. Дело не столько в том, что в ускорителях частицы разгоняются переменными полями, создаваемыми электронными приборами, но и в том, что ус­ пешная работа как электронных приборов, так и ускорителей воз­ можна благодаря фазировке (автофазировке) частиц в синхронных (резонансных) полях. Принцип автофазировки, открытый В. И. Векслером в 1944 г., определяет возможность устойчивого ускорения частиц внешним переменным полем и является основой всех совре­ менных резонансных ускорителей. Термин «автофазировка» подчер­ кивает, что ускоряющее поле автоматически собирает частицы в нуж­ ных для ускорения фазах; в электронных приборах переменное поле, отбирающее энергию у частиц, также автоматически группирует их

всоответствующих фазах, причем этот автоматизм обычно подчерки­ вается словами «механизм фазировки». Мы упоминали об ускорителях

в1-й и 8-й лекциях и вернемся к ним немного позже. Интересно от­ метить, что в ускорителях с интенсивными пучками возникают явления, характерные для электронных приборов: пучок создает дополнитель­ ные поля (резонансные и нерезонансные), в пучках развиваются неустойчивости и т. д.

Сказанное предопределило как содержание данной книги, так

истиль изложения.

б.НЕСИНХРОННЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ

Мы неоднократно подчеркивали важность синхронизма, обеспечивающего резонансное взаимодействие между электронами и полем. Ясно, что синхронизм важен при накоплении сравнительно слабых эффектов за продолжительное время, и это накопление естест­ венно рассчитывается методом усреднения или методом, учитывающим резонансные слагаемые и отбрасывающим нерезонансные (см. 4-, 6-, 8- и 9-ю лекции). Условие синхронизма в приборах типов Ми О имеет довольно простой вид (см. 3-ю и 6-ю лекции), в приборах с криволиней­ ными пучками условие синхронизма усложняется, но тем не менее синхронизм необходим.

В связи со сказанным возникает вопрос: обязателен ли для сверх­ высокочастотной электроники синхронизм и что можно ожидать от несинхронных взаимодействий?

Важность этого вопроса можно пояснить на примере ускорителей. Большинство ускорителей работает в условиях синхронизма электро­ нов и сравнительно слабых полей и рассчитывается с помощью той или иной модификации метода усреднения. Однако возможно ускоре.

ниє электронов в сильных полях, сообщающих электронам за одно

получают энергию, малую по сравнению с энергией покоя, электрон­ ный циклотрон за одно прохождение частиц через ускоряющее поле

есть энергия электрона. После прохождения ускоряющего поля Т изменяется на величину

~~ ее Н '

и если эта величина равна периоду ускоряющего поля 2тт/со, то элект­ рон, однажды ускоренный, в дальнейшем также попадает в ускоряю­ щее поле и при каждом прохождении поля увеличивает свою энергию на AW.

Микротрон в своем современном виде схематически изображен на рис. 10.3. Ускоряющее поле — это сверхвысокочастотное поле, воз­ буждаемое в добротном резонаторе мощным генератором сверхвысоко­ частотных колебаний (магнетроном; могут быть применены и мощные клистроны). Движение электронов в микротроне, по крайней мере при] первых прохождениях через ускоряющий резонатор, не может быть рассчитано аналитически, а только численно; при дальнейших прохождениях возможны математические упрощения, но они основаны не на методе усреднения, а на использовании уравнений в конечных разностях. Микротрон является мощным и эффективным ускорителем

в генераторе невелико и время пролета электронов составляет много периодов обращения, необходим синхронизм и применим метод усред­ нения (см. 3-ю и 4-ю лекции). После того, как сверхвысокочастотное поле становится достаточно большим, возможен в принципе переход к новому режиму генерации, в котором синхронизм необязателен,