= ЭЛЕКТРОННАЯ И ИОННАЯ ОПТИКА
УДК 621.385.6
ЭЛЕКТРОННО-ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ТЕРАГЕРЦОВОГО ГИРОТРОНА © 2011 г. В. Л. Братман, Ю. К. Калынов, В. Н. Мануилов
Поступила в редакцию 12.03.2010 г.
Разработана пушка с реверсом (изменением направления) магнитного поля в анодно-катодном промежутке, при использовании которой получен приосевой пучок с энергией электронов 50...80 кэВ, током до 0.7 А, питч-фактором 1.5 и малым разбросом вращательных скоростей в магнитном поле 10.5.14 Тл. Впервые реализован гиротрон с частотой до 1.0 ТГц, работающий на третьей циклотронной гармонике.
ВВЕДЕНИЕ
Одна из актуальных задач высокочастотной электроники — получение высокой мощности когерентного излучения в диапазоне частот 0.1.1.0 ТГц. При создании источников такого излучения открываются новые возможности в спектроскопии и диагностике различных сред, изучении поверхности твердых тел и технологии, медицине и ряде других областей науки и техники. Одним из эффективных и сравнительно доступных источников указанного диапазона может быть так называемый гиротрон с большой орбитой (ГБО), работающий на высоких циклотронных гармониках [1-9]. Этот генератор представляет собой разновидность гиротрона, в котором используется тонкий моноосевой пучок электронов, движущихся по винтовым траекториям вдоль оси аксиально-симметричного резонатора и совершающих ларморовские вращения вокруг этой оси.
В конфигурации ГБО достигается наибольшая связь электронного пучка с модами резонатора, и при этом возбуждаются лишь колебания на циклотронных гармониках, номера которых совпадают с азимутальными индексами резонансных мод. Последнее обстоятельство означает, что спектр мод в ГБО значительно реже, чем в обычном гиротроне с полиосевым электронным пучком. Соответственно, даже при использовании простейшего резонатора в виде отрезка слабонерегулярного волновода круглого сечения можно ожидать в нем селективное возбуждение высоких гармоник. Работа на высоких гармониках требует намного меньших магнитных полей, чем на основном циклотронном резонансе, что позволяет использовать для генерации терагер-цового излучения более простые источники магнитного поля и продвигаться в область более высоких частот.
При создании коротковолновых ГБО наиболее сложно создать электронно-оптическую систему, формирующую тонкий и очень плотный моноосе-
вой пучок с достаточно большими значениями вращательных скоростей частиц и малой величиной их разброса. Важно подчеркнуть, что такой пучок невозможно сформировать в обычной для гиротронов адиабатической магнетронно-инжекторной пушке [10, 11] и для этой цели приходится использовать более сложные системы. Данная работа посвящена обсуждению системы формирования моноосевого пучка, основанной на использовании неадиабатической пушки с реверсом магнитного поля [3, 7, 1215]. Успешная реализация данной пушки позволила создать мощный ГБО на третьей циклотронной гармонике с наибольшей частотой излучения 1 ТГц [9].
1. СИСТЕМА ФОРМИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОННОГО ПУЧКА
Как и в обычных гиротронах, электронно-оптическая система ГБО должна обеспечить эффективное взаимодействие электронов с полем рабочей моды и по возможности слабое взаимодействие с полями паразитных мод. В первом приближении анализ соответствующих условий сводится к вычислению и сравнению стартовых токов гиротрон-ных мод ТЕпр. Для этого достаточно сравнить соответствующие импедансы взаимодействия [16,17]
в =
-, рК/д) (уП, р - п у2п (V„, р)
(1)
Здесь Я — радиус ведущих центров частиц трубчатого электронного пучка, а — радиус цилиндрического гиротронного резонатора, ж — номер резонансной циклотронной гармоники, /п — функция Бесселя, V п,р — Р-й положительный корень производной функции Бесселя 1'п. Для идеального пучка электронов, обращающихся в ГБО точно вокруг оси, Я = 0, и согласно (1) импеданс отличен от нуля только при совпадении азимутального индекса моды с номером резонансной гармоники:
п = 5. (2)
При этом импеданс принимает максимально возможное значение.
Согласно оценкам, основанным на использовании выражения (1), эффективное взаимодействие электронов с выбранной рабочей модой существует до тех пор, пока в масштабе длины генерируемой волны X среднее положение ведущего центра электронной траектории относительно оси резонатора Я и разброс этой величины А Я являются достаточно малыми:
АЛ,Я < 0.2Х. (3)
Смещение ведущих центров приводит к возможности возбуждения паразитных мод; наиболее опасны моды, для которых |п - ^ = 1.
Условия (3) являются жесткими: например, для частоты 1 ТГц (длина волны X = 0.3 мм) следует ЛЯ, Я < 60 мкм. Соответственно, максимальная допустимая ошибка в угле между осью магнитного поля и осью резонатора составляет несколько минут. Следует отметить, что при реализации обычных ги-ротронов с полиосевыми пучками, работающих на основной и второй циклотронных гармониках, требуются не только намного более сильные магнитные поля, но также и выполнение требований к позиционному разбросу и смещению пучка, близких к условиям (3).
При создании терагерцового ГБО [9], работающего на третьей циклотронной гармонике, для упрощения системы напряжение электронного пучка и было уменьшено по сравнению с используемыми в предшествующих более длинноволновых экспериментах [8] с 250 до 80 кВ. При фиксированном номере циклотронной гармоники такое уменьшение позволяет более чем на 30% снизить величину необходимого магнитного поля. В то же время для частичной компенсации, уменьшающейся при снижении вращательной скорости частиц ^ связи электронов с волной, требуется увеличить питч-фактор электронов g = VVI, где VI — их поступательная скорость, до величины порядка 1.5.
Расчет показывает, что при достаточно малом скоростном и позиционном разбросе электронов моноосевого пучка для обеспечения желательного уровня мощности порядка 0.5...1 кВт с учетом омических потерь в стенках резонатора рабочий ток ГБО может быть величиной порядка 0.5.1 А. При допустимой толщине пучка отсюда следует, что необходимая плотность тока в резонаторе составляет порядка 3 х 103...104 А/см2. Поскольку срок службы обычных термокатодов достаточно велик при плотности эмиссии, не превышающей существенно ве-личинуук=4 А/см2, то это означает, что электронно-оптическая система терагерцового ГБО должна обеспечивать очень высокую степень компрессии электронного пучка: а = у 0/ у к ~ 103.
Важно подчеркнуть, что для формирования в ГБО электронного пучка, структура которого близка к моноосевому пучку, заведомо невозможно использовать классическую магнетронно-инжектор-ную пушку [10, 11], в которой создается трубчатый полиосевой пучок. Из наиболее простых вариантов со статическими полями в области формирования для этой цели используются квазипирсовские пушки, создающие вблизи катода тонкий прямолинейный пучок, частицы которого затем приобретают первоначальные вращательные скорости в поперечном магнитном поле кикера (толкателя) [5, 6, 8], а также пушки, эмитирующие с катода цилиндрический пучок, частицы которого приобретают первоначальные вращательные скорости в области резкого реверса магнитного поля [3, 7, 11-14].
В обеих системах после прохождения области резко меняющегося поперечного магнитного поля вращательная скорость частиц адиабатически возрастает до рабочего значения при их дальнейшем движении в поле, плавно возрастающем к области резонатора. Пушки с кикером успешно использовались, в частности, в экспериментах с мощными релятивистскими ГБО коротковолновой части миллиметрового и длинноволновой части субмиллиметрового диапазонов [5, 6, 8]. В таких пушках из плотного прямолинейного пучка сначала формируется пучок в виде отрезка ларморовской винтовой линии, который затем из-за разброса поступательных скоростей частиц быстро размывается и превращается в сплошной ларморовский цилиндр. В то же время в пушке с реверсом поля такой цилиндр с относительно низкой (по сравнению с винтовой линией) плотностью частиц формируется сразу. Поэтому для пушки с реверсом существенно меньшую роль в формировании пучка и появлении начального разброса параметров частиц играет собственное поле пучка. Пушки с реверсом и относительно небольшой степенью компрессии уже использовались в ГБО [3, 7], пениотронах [13], а также в гиро-ЛОВ и гиро-ЛБВ [14, 15]. Именно такая система была выбрана и для терагерцового ГБО, в котором обеспечена намного большая, чем в указанных выше работах, — рекордная для этого класса систем — компрессия пучка.
2. ОЦЕНКИ ПАРАМЕТРОВ ПУШКИ
С РЕВЕРСОМ МАГНИТНОГО ПОЛЯ
Большая компрессия пучка по току означает, что магнитное поле в пространстве взаимодействия В0 во много раз превышает поле в области катода Вк, которое для терагерцового генератора оказывается равным лишь нескольким миллитесла. В таком поле шаг электронной траектории во много раз превышает характерные размеры пушки и неоднород-ностей электрического и магнитного (за исключением области реверса) полей, формирующих пучок. Соответственно, движение электрона в резко меня-
ЭЛЕКТРОННО-ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ТЕРАГЕРЦОВОГО ГИРОТРОНА
539
г = 0
Рис. 1. Распределение магнитного поля с резким реверсом 1, траектория электронная 2 и траектория ведущего центра 3.
ющемся магнитном поле в области реверса мало отличается от его движения в поле, меняющемся скачкообразно. Поэтому для оценок можно использовать модель мгновенного реверса, в которой аксиально-симметричное продольное магнитное поле скачкообразно меняется от —В1 до В2 (рис. 1). Слева и справа от реверса магнитное поле можно считать однородным. В области реверса на электрон действует сильное радиальное поле, которое и сообщает ему вращательную скорость.
Прохождение одной частицы через реверс магнитного поля. Если до реверса частица движется вдоль оси поля на расстоянии г от оси, то после области реверса в соответствии с теоремой Буша ее вращательная скорость определяется формулой [11, 13]
V I
= П г ( + в),
(4)
где п — отношение заряда электрона к его массе. При этом радиус вращения (гирорадиус) и радиус ведущего центра частицы определяются выражениями
= + А
В2
Я = Г|1 - В
в
(5)
При симметричном реверсе (В1 = В2) г
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.