Здесь η max поперечный КПД гиротрона, определенный без учета разброса скоростей в пучке. В мощных гиротронах (δγ) обычно не превышает 1%, (δv ) не превышает 30% [85, 86].

В гиротронных приборах применяются спиральные электронные пучки двух типов: поливинтовые – в генераторах и усилителях, как правило, работающих на основной частоте гирорезонанса и ее гармониках с n≤3 и моновинтовые – в приборах на гармониках гирорезонанса с n≥3. Рассмотрим особенности построения электронных пушек для формирования таких пучков.

2.1.1 Формирование поливинтовых электронных пучков

Преобладающим типом электронных пушек для формирования поливинтовых трубчатых электронных пучков являются адиабатические магнетронно-инжекционные пушки (АМИП). В этой пушке электрическая и магнитная компоненты статического поля в области катода почти взаимно перпендикулярны. Поэтому эти пушки и получили название магнетронно-инжекционных. В формируемом электронном потоке происходит вращательное движение электронов в плавно нарастающем магнитном поле и одновременно их дрейф вдоль оси под действием электрического поля элек- тронно-оптической системы (ЭОС). По мере продвижения электронов в плавно нарастающем магнитном поле их вращательная энергия возрастает, а частота вращения принимает значение частоты циклотронного резонанса Ω, для которой выполняется условие резонанса ω=nΩ (n=1, 2, …). В области взаимодействия электроны движутся по спиральным траекториям, ведущие центры которых перемещаются вдоль силовых линий магнитного поля. Если электронно-оптическая система является аксиально-симметричной, ведущий центр

88

электронной орбиты все время находится на поверхности одной и той же силовой трубки магнитного поля.

Магнетронно-инжекционные пушки носят название адиабатических, если вдоль всей траектории электронов статические электрическая Е и магнитная H напряженности изменяются достаточно плавно, так, что для любой i– ой компоненты электрического и магнитного полей вы-

полняются условия: T v( Ei ) <<Ei, T v( Hi ) <<Hi, T=2π/Ω – период циклотронной частоты и скорость электронов значительно меньше скорости света, v<<c. – двумерный оператор "набла" в поперечном сечении.

При выполнении условий адиабатичности движение электронов может быть представлено как циклотронное вращение с радиусом r вокруг дрейфующего центра, положение которого определяется вектором R. Интегрирование уравнений движения электронов позволяет определить радиус ведущего центра

Hk – поле на катоде, Rk – радиальная координата точки вылета электрона.

Электрон при своем циклотронном вращении вокруг дрейфующего ведущего центра с вращательной скоростью v удовлетворяет адиабатической инвариантности

скорость дрейфа ведущего центра определяется выражением:

На выходе из области взаимодействия гиротрона электроны попадают в спадающее магнитное поле, где их

вращательные скорости уменьшаются согласно (19), а радиусы центров орбит увеличиваются до тех пор, пока электроны не попадут на стенки коллектора.

Магнетронно-инжекционные пушки выполняются двух типов: диодные пушки с одним анодом и триодные пушки с двумя анодами. Схематическое изображение триодной магнетронной пушки представлено на рисунке 19. Катод 1 содержит цилиндрический поясок 2, эмитирующий электроны по направлению к первому аноду 3. Электрическое поле в диодном промежутке 3–2 близко к радиальному. Область триодной пушки находится в осевом магнитном поле c индукцией B(z), величина которой плавно нарастает по направлению ко второму аноду 4. Таким образом, в скрещенных электрическом и магнитном полях в области пушки формируется трубчатый электронный пучок, радиус которого (смотри (18)) зависит от радиуса Rk эмитирующего пояска 2 катода.

Рис. 19

Схематическое изображение двуханодной магнетронноинжекционной пушки

Между катодом и полостью резонатора пространства взаимодействия напряженность магнитного поля адиабатически нарастает (смотри рис. 19), в результате чего средний радиус пучка R уменьшается обратно пропорционально H1/2, а вращательная скорость электронов v увеличивается пропорционально H1/2 при одновременном уменьшении аксиальной энергии частиц (смотри(20)). Увеличение магнитного поля на входе в пространство взаимодействия обеспечивает прохождение пучка в резонатор гиротронного прибора, с учетом уменьшения его радиуса на входе (смотри 1.1, рис.2). Обычно коэффициент магнитной компрессии электронного пучка между катодом и входом в резонатор (по площади поперечного сечения) равен5–30.

В резонаторе пространства взаимодействия электронный пучок формируется окончательно. Важной характеристикой его является отношение поперечной и продольной скоростей электронов (pitch-factor) α=v /v║, имеющее обычно величину 1,5–2,0. Регулировка величины α при использовании диодных электронных пушек в режиме температурного ограничения эмиссии, путем изменения величины ускоряющего напряжения, позволяет в широких пределах управлять величиной выходной мощности гиротрона. Выбор режима температурного ограничения эмиссии катода в большинстве используемых в гиротронных приборах магнетронно-инжекционных пушек связан с необходимостью уменьшения разброса скоростей электронов в пучке для достижения высокой эффективности взаимодействия.

Радиус пучка, определяемый радиусом эмиттера Rk и величиной магнитной индукции, выбирается таким, при котором взаимодействие с полем наиболее эффективно. В ряде случаев вводится коррекция радиуса для подавле-