12.3. ГЕНЕРАЦИЯ ВОЛН МИЛЛИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА

12.3.1. Излучение пучка высской энергии

Мощность на частотах выше можно получить [8, 9] из непосредственного излучения релятивистского электронного пучка. Если пучок однороден, то вклад каждого электрона по фазе случаен и излучаемая энергия равна сумме энергий от каждого электрона. Если же пучок сгруппирован в пространстве соответствующим образом, то излучение становится когерентным и амплитуда поля излучения равна сумме амплитуд излучения отдельных электронов. Хорошо сгруппированный пучок приводит к увеличению излучаемой мощности в раз или более, что всегда используется на практике.

Рис. 12.10. Гармодотрон — лучевой генератор гармоник. Частота энергия пучка Наименьший резонатор настроен на высшую гармонику. (См. [257].)

Для импульса тока в виде дельта-функции амплитуда любой гармоники тока определяется величиной Это позволяет генерировать с помощью соответствующих цепей высшие гармоники входной частоты. Например, при пролете пучка, группированного на частоте исэнергией вдоль оси волновода сечением было обнаружено [195] излучение гармоник от 12-й до 65-й. Такие же высокие гармоники получались спомощью устройства, схематически показанного на рис. 12.10, так называемого гармодотрона [47, 257]. Электроны из пушки с напряжением проходят сначала через резонатор предварительного группирования, где приобретают желаемое распределение по скоростям. Затем они свободно движутся в дрейфовом пространстве и, наконец, попадают в ускоряющий резонатор, откуда выходит сильно сгруппированный пучок малого поперечного сечения с высокой плотностью тока. Этот пучок проходит через резонатор, настроенный на высшие гармоники основной частоты, либо нагруженный диафрагмами, как показано на рис. 12.10, либо настраиваемый обычным

образом. Теоретическая величина излучаемой мощности имеет порядок

При напряжении пучка токе и группировке, произведенной на частоте излучаемая мощность на частоте 36 Г гц составила Максимальная наблюдаемая частота равнялась 95 Г гц, что соответствовало 34-й гармонике. Микротрон, описанный в разд. 21.4, также является источником плотно сгруппированного электронного пучка, при прохождении которого через резонатор была получена [347] мощность на частоте

Рис. 12. 11. Излечение электронного пучка: а — прямолинейное ускоренное движение; б - поперечное периодическое движение; в — вращение по окружности. (См. [196].)

Было установлено [196, 197, 242], что три возможных механизма излучения из пучка соответствуют линейному, синусоидальному и круговому движению частиц. Рассмотрим вначале, чему равно в точке Р излучение электрона, движущегося вдоль отрезка А А со скоростью и, как это показано на рис. 12.11, а. Пока компонента скорости в направлении равная близка к скорости волны излучение, создаваемое в последующие моменты времени, усиливается излучением, созданным в предыдущие момента. Время, необходимое для того, чтобы сферическая волна потенциала с центром в точке Р прошла через заряд (заряд считается протяженным), является мерой нарастания потенциала, наблюдаемого в точке Р в момент исчезновения там волны. Это время пропорционально

где

Излучение сосредоточено в узком конусе с осью вдоль направления движения заряда и углом раскрыва Обнаружено на оптических частотах оно было Черенковым [38] и впервые теоретически объяснено Таммом и Франком [90]. При прохождении через

диэлектрик электрон вызывает временную поляризацию среды, а среда переизлучает передаваемую энергию. Волновой фронт, как показано на рис. 12.12, а, будет образовываться в направлении 0, так что излучение распространится от к С. Скорость частицы может быть больше фазовой скорости волны и тогда

определяет конус излучения. Размытие конуса уменьшается при увеличении пути частицы в среде. Если считать, что скорость частицы не уменьшается, то излучение не зависит от ее массы.

Рис. 12. 12. Принцип излучения Черенкова: а — фронт излучаемой волны; б - пучок вблизи плоской поверхности диэлектрика; в — пучок между двумя пластинами диэлектрика; г - пучок в цилиндрическом канале. (См. [02].)

Мощность излучения равна

где интегрирование производится по всем частотам, для которых

Генерирование сверхвысоких частот на основе эффекта Черенкова было рассмотрено в ряде работ [1, 73, 100, 101, 212]. В устройстве, предложенном Даносом [62], требуется, чтобы частицы двигались близко к поверхности диэлектрика. В случае плоского пучка, изображенного на рис. 12.12, б, плотность заряда предполагалась в виде

где коэффициент Фурье плотности заряда, соответствующий частоте со.

Определяющая энергию излучения компонента вектора Пойтинга, нормальная к поверхности раздела, равна [346];

где

расстояние от пучка до поверхности диэлектрика и

Представим 5 в виде

Величину можно рассматривать как удельное сопротивление излучения Черенкова для данной геометрии. Например, если гц, то, предполагая для идеального группирования

что сравнимо с энергией пучка напряжением и мощностью

Геометрией, пригодной для генераторов Черенкова, обладают также плоский пучок между двумя диэлектрическими пластинами (рис. 12.12, в), полый пучок, движущийся по оси канала, проделанного в диэлектрике [191, как на рис. 12.12, г, и другие устройства [10, 162, 202, 325, 326, 328]. Эффект Черенкова напоминает в некоторых отношениях возбуждение [177] поверхностных волн, причем функции диэлектрика [196] могут выполнять гофрированные металлические поверхности.

В практических генераторах Черенкова [63, 152, 160, 339] применяются среды с пространственной дисперсией [3], сложные среды [241], диполи [104] и анизотропные ферриты [211]. Устройство, показанное на рис. 12.13, работает [61] на частоте Излучение возбуждается плоским электронным пучком, пролетающим вблизи диэлектрика длиной 1,9 см, представляющего собой поликристаллический Электронный пучок предварительно группируется путем пропускания через резонатор. Напряжение пучка равно при токе Генерируются колебания с частотой группирования и ее гармоник; мощность излучения была оцененена в

Второй механизм непосредственного излучения из пучка определяется возмущением движения электронов, которое может быть продольным [154] или, как показано на рис. 12.11, б, поперечным. Пусть две сферы с радиусами Если электрон за время проходит расстояние 10 от А до А, то испускаемое за это время излучение заключено между поверхностями Отрезок равен

Если электрон совершает один период синусоидального движения между то излучение содержит компоненты Фурье с периодом пли частотой

Волна с максимальной частотой распространяется вдоль оси конуса, а угол конуса излучения увеличивается с уменьшением частоты. Из-за релятивистского эффекта Допплера [161] частоты наблюдаемого излучения выше частот, соответствующих пространственному периоду.

Рис. 12. 13. Генератор излучения Черенкова на сверхвысоких частотах. Частота Показатель преломления диэлектрика 10,2. Выходная мощность (См. [61].)

Поперечное движение электронов может быть возбуждено при прохождении через ондулятор — устройство, в котором чередуются электрические или магнитные поля с разной полярностью.

Условия работы магнитного ондулятора исследовались в литературе [50, 185, 351], и была сконструирована опытная модель [198]. Сгруппированный электронный пучок с энергией поступает из линейного ускорителя, а поскольку энергия излучения возрастает как квадрат напряженности магнитного поля, то применяются сильные магниты, состоящие из ряда стальных зубцов, прикрепленных к полюсам. Всего имелось 25 пар полюсов, разнесенных друг от друга на допуск на смещение составлял и на магнитную индукцию 1%. Поскольку частицы двигались Со скоростями, близкими к скорости света, то частоты излучения определялись из пересечения линии с на диаграмме

Бриллюэна для периодической структуры. В практических условиях наблюдалось излучение небольшой мощности, соответствующей в импульсе при диапазоне

Излучение заряженной частицы, вращающейся по окружности радиусом можно исследовать с помощью рис. 12.11, в. Пока частица движется от к А, конус излучения с углом раскрыва направлен к наблюдателю и уходит из его поля зрения в момент Один такой импульс излучается за каждый оборот, и его длительность равна В связи с этим будут наблюдаться частоты высших гармоник от малых значений вплоть до частот