11.3. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ПУЧКА И КОНТУРА

11.3.1. Электронно-волновые лампы

Взаимодействие между волнами пространственного заряда в электронных пучках может привести к нарастанию их амплитуды. В усилительной лампе [35] с поглощающими стенками электронный пучок окружен поглощающей пленкой, которая может иметь вид полосок или полых трубок.

Рис. 11.8. Электронно-волновая лампа. Усилитель имеет поглощающие стенки с переменной структурой типа изитрон. (См. [372].)

В электронно-волновой лампе, показанной на рис. 11.8, связь со входом и выходом осуществляется при помощи объемных резонаторов. Высокочастотный сигнал возбуждает в электронном пучке, проходящем через входной резонатор, как быструю, так и

медленную волну. По мере распространения этих волн вдоль пучка в поглощающих стенках, окружающих пучок, наводятся токи, что приводит к поглощению энергии и уменьшению мощности. Поскольку быстрая волна обладает положительной энергией, то ее амплитуда очень быстро уменьшается до весьма малого значения. Медленная же волна обладает отрицательной энергией, и следовательно, амплитуда ее нарастает.

В одной из ламп такого типа поглощающий слой представляет собой нанесенный на тонкую стеклянную трубку слой окиси олова толщиной При токе пучка лампа с поглощающими стенками обеспечивает усиление 15 дб, тогда как усиление аналогичной лампы с обычной металлической дрейфовой трубкой составляет 4 дб. Было замечено, что шунтирующая емкость стеклянной трубки, на которую наносится покрытие, приводит к снижению усиления. Этот эффект можно частично уменьшить либо за счет травления стекла до толщины либо путем нанесения [34] поглощающего покрытия на стенку, обладающую индуктивностью.

В лампах типа изитрон [252, 367, 372] электронный пучок находится в тесном контакте с периодической структурой. Изображенная в средней части рис. 11.8 последовательность резонаторов настроена так, что на рабочей частоте пучок обладает чисто реактивной отрицательной проводимостью. Эффективная плазменная частота становится мнимой, а постоянные распространения для быстрой и медленной волн, как это следует из уравнения (11.14), равны между собой и определяются формулой

Соответствующие волновые сопротивления равны

Поток мощности вдоль пучка, определяемый по формуле

существует только в том случае, когда имеются обе волны. Эти волны изменяют свою амплитуду с расстоянием, причем одна из них нарастает, другая затухает, но так, что произведение остается постоянным. Отсюда при соответствующим образом подобранной связи со входом и выходом нарастающая волна может усиливать сигналы диапазона сверхвысоких частот.

Кроме того, был предложен способ усиления сигналов [206, 356], при котором волновое сопротивление меняется периодически вдоль пучка. При этом возникают полосы частот непропускания

[115, 586], когда Длины секций удовлетворяют следующим условиям:

где индексами отмечаются параметры чередующихся секций.

Эти полосы непропускания характеризуются [372] нарастающими и затухающими волнами. Такое усиление волн пространственного заряда можно исследовать 120, 231], если ввести резкие скачки модуляции скорости или тока пучка. Из уравнений (11.19) и (11.20) видно, что импеданс пучка можно изменить путем варьирования ускоряющего напряжения или частоты плазмы за счет изменения плотности тока или множителя

В лампе со скачками скорости, показанной на рис. 11.9, усиление создается за счет изменения потенциала пучка. Электронный пучок окружен рядом металлических цилиндров, длина которых подобрана соответствующим образом. Цилиндры через один находятся под равными потенциалами. В местах увеличения потенциала скачком флюктуация скорости электронов увеличивается пропорционально корню квадратному из отношения напряжений. Уменьшение потенциала скачком происходит в местах, где модуляция по скорости равна нулю и, следовательно, никаких изменений не наблюдается. Одна из ламп такого типа, в которой для связи со входом и выходом использовались спирали, давала усиление входного сигнала 20 дб на частоте при потенциалах цилиндров 66 и 680 в.

В усилителях со ступенчатыми или пульсирующими стенками 134] импеданс пучка изменялся путем вариации радиуса дрейфовой трубки. Если трубка расширяется в местах максимума тока, то корень квадратный из тока увеличивается пропорционально При шести четвертьволновых секциях лампа [36] давала усиление 19—25 дб в диапазоне частот

В лампах с зубчатым пучком [300, 303] изменяется радиус электронного пучка. Теория малых сигналов [403] показывает, что плотность высокочастотного тока в таком пучке можно увеличить, если обеспечить малую проводимость пучка по постоянному току в области группирования и высокую проводимость в области разгруппирования. Экспериментальные лампы работают на частотах Зубчатая форма пучка создавалась при внезапном введении его в продольное магнитное поле с радиусом, отличным от значения радиуса точного равновесия.

Гаев [176, 177] показал, что если смешать два электронных пучка, движущихся с разными скоростями, то можно получить усиление. При этом необходимо [16, 227], чтобы функция

распределения по скоростям смешанного пучка обладала отчетливо выраженными пиками. Условие, при котором наблюдается усиление, состоит в приближенном равенстве скоростей медленной волны быстрого пучка и быстрой волны медленного пучка.

Рассмотрим работу двухлучевой лампы [199, 325, 364, 374], обозначив средние скорости пучков через а плазменные частоты через

Рис. 11.9. Усилитель с волнами пространственного заряда. Наличие областей с разными потенциалами приводит к нарастанию и затуханию воли. (См. [372].)

При этом постоянная распространения [181] определяется из уравнения

Решение уравнения (11.34) получается в виде

где среднее арифметическое скоростей двух пучков. Пусть

если при этом

Тогда уравнение (11.35) принимает вид

из которого следует, что оно описывает четыре возможных волны.

Уравнение (11.37) показывает зависимость постоянной распространения четырех волн от средней скорости пучков, плотности заряда, разницы скоростей и частоты. Если параметр то все

четыре значения а чисто мнимые, т. е. все волны распространяются без затухания, две волны быстрее две волны медленнее В случае больших значеннй тока пучка, когда , два из возможных значений а действительны, при этом одно значение положительно, другое отрицательно. Когда а отрицательно, то волна экспоненциально возрастает с расстоянием вдоль пучка. Более подробно хлучевые усилители рассмотрены в работах [287, 341, 346, 358], а результаты экспериментов приведены в [3].