Сучасні лампи біжучої хвилі їх конструкції фізичні принципи роботи і параметри

СУЧАСНІ лампи біжучої хвилі, ЇХ КОНСТРУКЦІЇ, ФІЗИЧНІ ПРИНЦИПИ РОБОТИ І ПАРАМЕТРИ

1. Введення

Лампи біжучої хвилі (ЛБХ) відносяться до вакуумним приладів надвисоких частот (НВЧ), які здійснюють перетворення кінетичної енергії рухомих у вакуумі електронів в енергію електромагнітного поля шляхом взаємодії електронів з електромагнітної хвилею. Як і клістрони ЛБХ відносяться до приладів О-типу - напрямок напруженості постійного електричного поля збігається з напрямком напруженості формує магнітного поля [1]. У приладах М-типу (магнетронні прилади) відбувається перетворення потенційної енергії електронів в енергію електромагнітного поля під дією «схрещених» (взаємно перпендикулярних) електричного і магнітного полів.

2. Основні принципи роботи ЛБХ

ЛБХ відносяться до нерезонансна приладів з тривалою взаємодією, в яких дотримується синхронізм

- швидкість електронів, м / с, (2)

# 965; ф - фазова швидкість електромагнітної хвилі;

- відношення заряду електрона до його маси;

- прискорює напруга, В.

в (2), отримуємо розрахункове рівняння:

# 965; ≈ 5,95 # 8729; 10 5

Якщо спробувати здійснити принцип синхронизма в лініях передачі, в яких електромагнітна хвиля поширюється з фазовою швидкістю, близькою до швидкості світла, потрібно прискорює напруга приблизно 250 000 В. Робити такі прилади недоцільно (крім вкрай високої напруги - величезна маса і незабезпеченість електропрочності, шкідливі # 947;-випромінювання і т. Д.)

Тому в ЛБХ застосовують спеціальні лінії уповільнення - уповільнюють системи (ЗС). Як приклад можна розглянути механізм уповільнення в спіралі.

Мал. 1. Механізм уповільнення електромагнітної хвилі в спіралі

У деякому наближенні можна вважати, що хвиля рухається по провіднику зі швидкістю світла «с», тоді

Звідси знаходимо коефіцієнт уповільнення електромагнітної хвилі:

Мал. 6. Схема електронно-оптичної системи:

I-область електронної гармати; II-перехідна область; III-область регулярної частини (область взаємодії електронного променя з електромагнітним полем); IV-область колектора

Незважаючи на простоту формули, куди входять тільки величини струму емісії з катода (Ік) і прискорює напруга (Uо), первеанс - це чисто конструктивний параметр будь-якого електровакуумного приладу. Його величина визначається конфігурацією електродів в області електронної гармати і відстанню між катодом і уповільнює системою. Від первеанса залежить вибір прогонових каналів, що фокусують магнітні поля, конфігурація колектора і т. Д.

Значення первеансов для однопроменевих ЛБХ знаходяться в широких межах: від 0,1 · 10 -6 до 1,6 · 10 -6 А / В 3/2.

При малих значеннях первеанса знижується ефективність взаємодії електронного променя з електромагнітним полем (через недостатню кількість взаємодіючих електронів). Це, в свою чергу, призводить до зниження ККД, збільшення геометричній довжини для забезпечення заданого коефіцієнта посилення і до деяких інших неприємних явищ, наприклад до більш значного впливу розкиду швидкостей електронів на вихідні параметри ЛБХ.

Незважаючи на це, зменшення первеанса необхідно тільки у випадках дуже малих перетинів прогонових каналів, зокрема в міліметровому діапазоні довжин хвиль, або неможливості забезпечення заданого фокусирующего магнітного поля.

Отримання великих значень первеанса пов'язано з необхідністю великого фокусирующего магнітного поля і маленьких міжелектродних проміжків (збільшується ймовірність міжелектродних пробоїв). При збільшенні первеанса ускладнюється забезпечення ефективності взаємодії електронного променя з електромагнітним полем через вплив просторового заряду (зростає розштовхування електронів в промені).

У той же час великі значення первеанса в однопроменевих приладах потрібні при необхідності отримання великих потужностей, переважно в довгохвильових робочих діапазонах.

Середні значення первеансов ЛБХ знаходяться в інтервалах (0, 3 ... 0,8) · 10 -6 А / В 3/2.

Електронна гармата

Електронна гармата формує, як правило, сходиться по діаметру електронний промінь. Справа в тому, що в переважній кількості ЛБХ діаметр прогонової каналу менше, ніж діаметр емітує частини катода. Це пов'язано з необхідністю забезпечення більш ефективної взаємодії при досить великих кількостях електронів. Прагнення використовувати катоди досить великого діаметра пов'язано з бажанням зменшити щільність струму з катода і збільшити межелектродное відстань для зниження ймовірності пробоїв. Важливою характеристикою електронних гармат є щільність струму з катода (А / см 2). Збільшення щільності струму з катода, крім чисто технологічних складнощів, пов'язане з більш швидким витрачанням емітує матеріалу катода, отже, зі зменшенням терміну служби всього приладу.

Середня щільність струму з катода більшості однопроменевих ЛБХ не перевищує 3 ... 5 А / см 2. Ці значення забезпечують кілька десятків тисяч годин безвідмовної роботи приладу на сучасних катодах. На підставі різниці діаметрів прогонових каналів і катодів для забезпечення гарної збіжності променя поверхню катодів більшості ЛБХ робляться сферичної форми. У літературі збіжність променя визначається як (Rк / Rn) 2. де Rк - радіус катода, Rл - ефективний радіус променя. На практиці середня збіжність променя дорівнює приблизно 50, в рідкісних випадках вона перевищує 100. Іноді проводилися експерименти по досягненню збіжності в межах від 100 до 500.

Залежно від режиму роботи ЛБХ вибирається конструкція електронної гармати. При безперервному режимі роботи типова конфігурація електронної гармати показана на рис. 6. Часто електрод під назвою «анод» використовується як керуючий електрод. Детальніше це буде розглянуто нижче.

В імпульсному режимі роботи лампи повинен бути передбачений спосіб модуляції електронного потоку, т. Е. Повне його замикання в паузі між імпульсами і забезпечення нормального електронного променя з хорошим токопрохождения під час імпульсу. Існують наступні способи модуляції електронного потоку: катодний модуляція; модуляція по керуючому електроду (анода); модуляція за допомогою електрода «штир-кільце»; сіткова модуляція.

Фактично модулюється негативне прискорює напруга, що подається на катод (ЗС заземлена). Модуляція катодного напруги призводить до модуляції електронного потоку. Цей спосіб модуляції застосовується рідко, так як по-перше, в цьому випадку модулятор повинен виготовлятися на повне напруга при повній струмового навантаження, що призводить до необхідності мати модулятор великої потужності і відводити від нього розсіюється тепло. По-друге, при катодного модуляції на підйомі і спаді імпульсів (на фронтах імпульсів) може виникнути паразитна генерація, яка псує спектр підсилюється сигналу.

Модуляція по аноду

У цьому випадку також для замикання електронного променя необхідно подавати майже повне замикає напруга. Однак на відміну від попереднього випадку режим модуляції є безструмової, що дозволяє трохи знизити теплові навантаження в модуляторі. Проте, однією з основних цілей модуляції електронного потоку є зниження абсолютної величини напруги, що модулює.

Не слід забувати, що енергія джерела змінної напруги, що подається на обкладання конденсатора,

де C - ємність конденсатора; U - змінна напруга на обкладинках.

Зниження величини напруги, що модулює досягається при наступних двох видах модуляції.

Модуляція за допомогою електрода «штир-кільце»

На рис. 7 схематично показаний катод з «штирем». Модулирующий штир перебуває під одним і тим же потенціалом з фокусирующим електродом, а модулююча напруга подається між катодом і електродом «штир-кільце».

У таблиці вказані середні значення. Зустрічаються випадки, коли при модуляції керуючим анодом токопрохождения досягає 99 ... 99,5%, а при гратчастої модуляції - 85 ... 92%.

На підставі викладеного можна зробити наступні висновки.

Наближення модулюючого елемента до катода приводить до зниження напруги, що модулює, однак, його обурює вплив на електронну емісію значно (особливо для потужних приладів) зменшує токопрохождения електронного променя на колектор.

В даний час йдуть небезуспішні пошуки способів модуляції, які зберігали переваги всіх описаних випадків.

Методи магнітної фокусування електронного променя

Відомо, що величина радіуса електронного потоку по співвідношенням Брілюена

Це співвідношення Брілюена можна використовувати для обчислення мінімально можливого магнітного поля, необхідного для фокусування променя радіусу

з струмом I і напругою U (бріллюеновского поля, індукція якого позначається Вб):

;

Безумовно, основним завданням при формуванні магнітного фокусирующего поля є, в ідеалі, поле без поперечних складових (поперечні складові магнітного поля повинні бути мінімальні).

Існують чотири системи формування магнітного поля в ЛБХ:

2) постійні магніти;

3) реверсна магнітна система;

4) магнітна періодична фокусуються система (МПФС).

Найбільш близький до ідеального можна сформувати магнітне поле в соленоїді. Електронний потік стає близьким до ламінарного (однорідному без завихрень). Збільшується ефективний радіус електронного променя, зростає ефективність взаємодії. Однак до останнього часу соленоїди застосовувалися на надпотужних ЛБХ в кілька десятків і більше кіловат. Їх застосування обмежувалося великими масогабаритними характеристиками, необхідністю застосування додаткового потужнострумового стабілізованого джерела живлення.

Останнім часом стали застосовуватися так звані «інтегральні» соленоїди, т. Е. Струмовідна дріт або фольга намотана фактично на тіло ЛБХ (реально провiд намотаний на «галету», щільно облягає оболонку лампи). Це дозволило зробити ЛБХ пакетованій з соленоїдом, трохи знизити її вага і тим самим розширити сферу її застосування.

постійні магніти

Поперечні складові в постійних магнітах дещо більше, ніж в соленоїді, але є можливість сформувати більш-менш однорідне поле. Однак в більшості випадків це не застосовується через необхідність застосування магнітів великої маси. ЛБХ відноситься до приладів з протяжним простором взаємодії. Тому, скажімо, збільшення довжини приладу в N разів у порівнянні з іншими приладами призводить до збільшення маси магнітів в N 3 раз.

Постійні магніти застосовуються в короткохвильової частини робочого діапазону (міліметровому діапазоні довжин хвиль) і в коротких лампах, там, де отримання значущих результатів більш важливо, ніж збільшення маси.

Реверсна магнітна система і МПФС

Дані магнітні системи будуються за рахунок створення осередків на основі кільцевих магнітів вздовж усього простору взаємодії. Відмінність полягає в тому, що в реверсної системі кількість таких осередків значно (іноді на порядок) менше, ніж в МПФС. Виграш в масі виходить за рахунок зміни полярності магнітної індукції на краях кожного кільцевого магніту. У цьому випадку збільшення довжини приладу в N раз призводить до збільшення маси також в N раз. Звичайно, зменшення кількості періодів призводить до необхідності збільшувати масу магнітів, т. Е. Маса реверсної системи для однієї і тієї ж лампи більше, ніж МПФС.

На рис. 9 показано схематичне побудова МПФС і синусоидальное розподіл індукції магнітного поля.

Мал. 9. Схема МПФС і синусоидальное розподіл індукції магнітного поля

Слід звернути увагу на те, що на рис. 9 діаметр кільцевого магніту менше, ніж полюсного наконечника (реально різниця в 0,2 ... 0,4 мм). Безумовно, така побудова призводить до збільшення полів розсіювання і втрати магнітної індукції на 10 ... 15%. Але з цієї ж причини стає більш зручною настройка приладу в динамічному режимі на максимальне токопрохождения. Крім цього конструкція ЛБХ стає більш стійкою до впливу зовнішніх механічних факторів (ударам, вібрації і т. Д.).

Застосування МПФС призводить до виникнення областей стійкої (хороша фокусування) і нестійкою (розсипання електронного променя) роботи приладу.

Ці області визначаються величиною прискорює напруги U0. максимальним значенням індукції магнітного поля на осі системи В і періодом магнітної системи L. Вводиться так званий параметр магнітного поля

Теоретично перша область стійкості знаходиться в інтервалі значень # 947; від 0 до 0,66. Практично межа цієї області знаходиться поблизу 0,43.

Існування областей стійкої і нестійкої роботи приладу можна пояснити наступним чином. В околицях точок 1, 2, 3, 4, 5 (рис. 10) величина магнітної індукції близька до нуля.