eng
Содержание
Содержание
ПРЕДИСЛОВИЕ РЕДАКТОРА ПЕРЕВОДА ...........................................12
ПРЕДИСЛОВИЕ ...................................................................................13
СПИСОК АВТОРОВ ..............................................................................14
1.
ЭЛЕКТРОННЫЕ СВЧ-ЛАМПЫ .......................................................17
1.1.
Введение .............................................................................................. 17
1.1.1.
Современный уровень технологий электронных СВЧ-ламп ................... 17
1.1.2.
История разработки ......................................................................... 18
1.1.3.
Основные принципы работы и определения терминов............................ 20
1.2.
Клистроны ................................................................................................ 27
1.2.1.
Клистронные усилители ...............................................................27
1.2.2.
Многолучевые клистроны ................................................................34
1.2.3.
Лампы с индуктивным выходом (IOT) (ЛБВ) ............................................... 38
1.3.1.
Введение .............................................................................................. 38
1.3.2.
Конструкция и принцип работы ЛБВ ....................................................... 39
1.3.3.
Физические основы работы ЛБВ ............................................................... 43
1.3.4.
Применение ЛБВ ...................................................................... 58
1.4.
Клистроны с распределенным взаимодействием ........................... 63
1.4.1.
Введение ..................................................................................................... 63
1.4.2.
Конструкция приборов с распределенным взаимодействием ................. 64
1.4.3.
Типичное исполнение и приложения ОРВ ............................................... 64
1.5.
Лампа обратной волны (ЛОВ) .............................................................................. 65
1.5.1.
Введение ........................................................................................ 65
1.5.2.
Принцип действия ЛОВ ........................................................... 66
1.5.3.
Области применения ЛОВ ........................................................... 68
1.6.
Магнетроны и усилители со скрещенными полями ............................ 68
1.6.1.
Магнетроны ................................................................................ 68
1.6.2.
Усилители со скрещенными полями (УСП) .............................................. 72
1.6.3.
Генератор обратной волны со скрещенными полями ............................... 73
1.7.
Устройства на быстрых волнах .............................................................................. 74
1.7.1.
Принципы взаимодействия ............................................................. 75
1.7.2.
Диаграмма рассеяния при быстроволновых взаимодействиях ................ 78
1.7.3.
Гиротроннный генератор ................................................................... 82
1.7.4.
Гироусилители ............................................................................................ 86
1.7.5.
Гиротронные ЛОВ ...................................................................... 90
1.7.6.
Мазер на свободных электронах (МСЭ) ................................................... 90
1.8.
Перспективные тенденции и приложения ........................................................... 92
Литература ................................................................................. 94
2.
ВАКУУМНЫЕ ДИСПЛЕИ .................................................................96
2.1.
Введение .......................................................................................... 96
2.1.1.
История разработки дисплеев ................................................ 96
2.1.2.
Обзор современных дисплеев ................................................... 97
6
Содержание
2.1.3.
Основные принципы работы дисплеев ........................................ 99
2.1.4.
Основные параметры дисплеев .....................................................103
2.1.5.
Сравнение различных технологий производства дисплеев ..............109
2.2.
Электронно-лучевые трубки (ЭЛТ) .....................................................................110
2.2.1.
История разработки ..................................................................................110
2.2.2.
Электрофизические основы ......................................................................110
2.2.3.
Современное состояние технологии .........................................116
2.2.4.
Будущие направления разработок ............................................120
2.3.
Плазменные панели (ПП) ....................................................................................120
2.3.1.
История развития ...............................................................120
2.3.2.
Электрофизические основы ......................................................................121
2.3.3.
Современное состояние технологий и применения ....................124
2.3.4.
Будущие направления развития ...............................................126
2.4.
Вакуумные флуоресцентные дисплеи (ВФД) ......................................................126
2.4.1.
История разработки ....................................................................126
2.4.2.
Электрофизические основы ......................................................................127
2.4.3.
Современное состояние технологий и применения ......................128
2.4.4.
Будущие направления развития ................................................130
2.5.
Дисплеи с автоэлектронной эмиссией (FED) .....................................................130
2.5.1.
История разработки ..................................................................................130
2.5.2.
Электрофизические основы ......................................................................131
2.5.3.
Современное состояние технологий и применения ........................132
2.5.4.
Будущие направления разработок ...............................................133
Литература 133
3.
ВАКУУМНЫЕ КОМПОНЕНТЫ И УСТРОЙСТВА,
ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ К РАДИАЦИИ ..................................................135
3.1.
История разработки ..............................................................135
3.2.
Электрофизические основы ................................................................................136
3.2.1.
Фотоэлектронная эмиссия ...........................................................136
3.2.2.
Вторичная электронная эмиссия .................................................138
3.2.3.
Электронная оптика ..................................................................................139
3.3.
Современное состояние технологий и применения ...........................................139
3.3.1.
Умножители вторичных электронов ...........................................139
3.3.2.
Преобразователи и усилители изображения ............................................144
3.3.3.
Передающие телевизионные трубки ........................................................149
3.4.
Перспективные разработки радиационно-чувствительных
вакуумных электронных компонентов ..................................................157
Литература ................................................................................158
4.
ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВЫЕ УСТРОЙСТВА
ДЛЯ ОБРАБОТКИМАТЕРИАЛОВ И АНАЛИЗА .................................. 159
4.1.
Введение и история разработки ...........................................................................159
4.1.1.
Электронная оптика ..................................................................................160
4.1.2.
Источники электронов ..............................................................................167
4.2.
Термическая обработка материалов ....................................................................173
4.2.1.
Сварка ...........................................................................................176
4.2.2.
Термическая обработка поверхности .............................................180
Содержание 7
4.2.3.
Скоростное испарение материалов с использованием
электронных пушек .......................................................................183
4.2.4.
Электронно-лучевое плавление и очистка материалов
в вакуумной металлургии ........................................................186
4.3.
Нетермические технологии обработки материалов ............................................190
4.3.1.
Химические эффекты, вызванные электронными пучками ...................190
4.3.2.
Электронно-лучевая литография.................................................193
4.3.3.
Электронно-лучевая обработка .......................................................197
4.3.4.
Отверждение органических покрытий и поверхностных слоев ..............200
4.3.5.
Рафинирование полимерных материалов ...................................202
4.3.6.
Борьба с патогенными организмами ...............................................204
4.3.7.
Обработка газообразных и жидких отходов ...................................206
4.4.
Анализ, визуализация и тестирование материалов .............................................208
4.4.1.
Растровая электронная микроскопия.............................................208
4.4.2.
Электронная микроскопия ............................................................211
4.4.3.
Электронно-лучевая спектроскопия и анализ ..............................219
4.4.4.
Электронно-лучевое тестирование ...............................................220
Литература ......................................................................................224
5.
ИОННО-ЛУЧЕВЫЕ УСТРОЙСТВА
ДЛЯ ОБРАБОТКИ И АНАЛИЗА МАТЕРИАЛОВ ................................. 231
5.1.
Ионно-лучевой анализ .........................................................................................231
5.2.1.
История разработки ..................................................................................231
5.1.2.
Электрофизические основы ......................................................................231
5.1.3.
Методы анализа .........................................................................................232
5.2.
Ионно-лучевая обработка материалов и восстановление шаблонов и масок ...236
5.2.1.
История разработки ..................................................................................236
5.2.2.
Электрофизические основы ......................................................................237
5.2.3.
Современное состояние технологий и применения ................................238
5.2.4.
Перспективные разработки ..........................................................245
5.3.
Имплантация ионов .............................................................................................246
5.3.1.
История разработок...................................................................................246
5.3.2.
Электрофизические основы ......................................................................247
5.3.3.
Современное состояние технологий и применения ................................247
5.3.4.
Перспективные разработки .............................................................253
5.4.
Высокоэнергетические ионные пучки ................................................................253
5.4.1.
История разработки ..................................................................................253
5.4.2.
Введение .........................................................................................253
5.4.3.
Физические принципы действия ускорителя ..........................................254
5.4.4.
Транспортировка пучка .............................................................................258
Литература ........................................................................................258
6.
ИОННЫЕ РАКЕТНЫЕ ДВИГАТЕЛИ ..............................................263
6.1
Электростатические и индукционные ионные ракетные
двигатели малой тяги с СВЧ-ионизацией .................................................263
6.1.1.
Введение ....................................................................................................263
6.1.2.
История разработки ионных ракетных двигателей (RIT) .......................263
6.1.3.
Электрофизические основы ......................................................................264
8
Содержание
6.1.4.
Современное состояние технологий и применения
ионных ракетных двигателей малой тяги .................................................265
6.1.5.
Применения ионных ракетных двигателей ..............................................266
6.1.6.
Будущие направления развития ................................................................268
6.2.
Электрический ракетный двигатель с полевой эмиссией (FEEP) .....................269
6.2.1.
История разработки ..................................................................................269
6.2.2.
Электрофизические основы ......................................................................270
6.2.3.
Современное состояние технологий и применения ................................271
6.2.4.
Будущие направления развития ................................................................274
6.3.
Ионные двигатели на эффекте Холла .................................................................275
6.3.1.
Введение ....................................................................................................275
6.3.2.
Эксплуатационные характеристики .........................................................275
6.3.3.
Примеры применений НЕТ для полетов в космос ..................................281
6.4.
Высокоэффективные многоступенчатые плазменные
двигатели малой тяги ...........................................................................................283
6.4.1.
Введение ....................................................................................................283
6.4.2.
Конструкция и принцип действия ...........................................................284
6.4.3.
Конструкция и рабочие характеристики ..................................................288
6.4.4.
Будущие разработки и потенциальные применения ...............................291
Литература .......................................................................................................292
7.
ИНФРАКРАСНЫЕ, СВЕТОВЫЕ, УЛЬТРАФИОЛЕТОВЫЕ,
ЛАЗЕРНЫЕ И РЕНТГЕНОВСКИЕ ЛАМПЫ ...................................... 296
7.1.
Общие физические принципы генерации фотонов ............................................296
7.1.1.
История разработки ..................................................................................296
7.2.
Лазеры .....................................................................................................300
7.2.1.
Введение ....................................................................................................300
7.2.2.
Типичные лазерные устройства ....................................................301
7.2.3
Ионные лазеры ..........................................................................................302
7.2.4.
Эксимерные лазеры ...................................................................................303
7.2.5.
Электронно-лучевая накачка мощных KrF-лазеров ...............................305
7.3.
Эффект Смита–Парселла ....................................................................................307
7.3.1.
История разработки ..................................................................................307
7.3.2
Электрофизические основы ...........................................................307
7.3.3.
Современное состояние технологий ..............................................307
7.3.4.
Перспективы для терагерцевых источников ............................................309
7.4.
Источники миллиметрового и инфракрасного излучения.................................309
7.4.1.
История разработки ..................................................................................309
7.4.2.
Генерация ИК-излучения ..........................................................................310
7.4.3.
ИК-применения ........................................................................................310
7.4.4.
Генерация терагерцевого излучения .............................................311
7.4.5.
Применения терагерцевого излучения ..........................................311
7.4.6.
Перспективы развития ..............................................................................313
7.4.7.
Обнаружение терагерцевого излучения .........................................313
7.5.
Источники видимого света ..................................................................................314
7.5.1.
История разработки и производства ...........................................314
7.5.2.
Лампы накаливания ..................................................................................314
7.5.3.
Газоразрядные лампы ................................................................................315
7.5.4.
Флуоресцентные покрытия ........................................................317
Содержание 9
7.5.5.
Газоразрядные лампы высокого давления ................................................320
7.5.6.
Общая информация об источниках света.................................................325
7.6.
Ультрафиолетовые источники света ....................................................................325
7.6.1.
Введение .........................................................................................325
7.6.2.
Тепловые вольфрамовые лампы для калибровки интенсивности ...........326
7.6.3.
Дейтериевые лампы ...................................................................................326
7.6.4.
УФ дуговые лампы .....................................................................................327
7.6.5.
Ртутные лампы...........................................................................................328
7.6.6.
Лампы с полым катодом ............................................................................328
7.6.7.
Эксимерные источники света ...........................................................329
7.6.8.
Эксимерные лампы с разрядным возбуждением тлеющего разряда .......331
7.6.9
Эксимерные лампы с электронно-лучевым возбуждением.....................333
7.7.
Рентгеновские лампы ...........................................................................................333
7.7.1.
История получения рентгеновского излучения .......................................333
7.7.2.
Генерация рентгеновских лучей ................................................................334
7.7.3.
Рентгеновские фильтры ............................................................................335
7.7.4.
Рентгеновская дозиметрия ........................................................................335
7.7.5.
Рентгеновские трубки ...............................................................................336
7.7.6.
Синхротроны .............................................................................................338
7.7.7.
Обнаружение рентгеновского излучения .................................................339
7.7.8.
Применения ...............................................................................................339
7.7.9.
Перспективные разработки – миниатюрные рентгеновские трубки .....340
Литература ................................................................................................340
8.
УСКОРИТЕЛИ ЧАСТИЦ ................................................................. 345
8.1.
История изобретения и типы ускорителей .........................................................347
8.1.1.
Статические ускорители............................................................................347
8.1.2.
Круговое резонансное ускорение ...............................................348
8.1.3.
Линейное резонансное ускорение ................................................350
8.1.4.
Индукционное ускорение (бетатрон) ...........................................352
8.1.5.
Источники частиц .....................................................................................353
8.1.6.
Коллайдеры ....................................................................................355
8.1.7.
Источники синхротронного излучения .........................................356
8.2.
Основы динамики пучка ......................................................................................358
8.2.1.
Эмиттанс пучка и фазовое пространство .................................................359
8.2.2.
Уравнения движения и сильная фокусировка .........................................360
8.2.3.
Синхротронное излучение ........................................................................364
8.3.
Требования к вакууму ускорителей частиц .........................................................367
8.3.1.
Взаимодействие пучка с газом ........................................................367
8.3.2.
Статические и динамические аспекты вакуумных
систем ускорителей ...................................................................................371
8.4.
Положение дел, оборудование. Конструкция вакуумных
систем ускорителей ..............................................................................................374
8.4.1.
Расчеты профиля давления для одномерных систем ...............................375
8.4.2.
Насосы .......................................................................................................377
8.4.3.
Вакуумное оборудование ..........................................................................381
8.4.4.
Выбор материала и проекта ......................................................................381
8.4.5.
Очистка и обработка вакуумных камер ....................................................385
8.5.
Специальные конструкции вакуумных систем ускорителей ..............................385
10
Содержание
8.5.1.
Ускорители с холодными вакуумными системами ..................................385
8.5.2.
Объекты с синхротронным излучением ...................................................388
8.5.3.
Системы сверхвысокого вакуума без присутствия частиц ......................389
Литература .....................................................................................................390
9.
ВАКУУМНЫЕ ПРЕРЫВАТЕЛИ .....................................................392
9.1.
Историческое развитие ........................................................................................392
9.2.
Физические основы ..............................................................................................393
9.2.1.
Прерывающая способность ...........................................................393
9.2.2.
Диэлектрические свойства ........................................................................398
9.2.3.
Эффекты перехода тока через нуль...........................................................400
9.2.4.
Механические и тепловые основы работы ...............................................400
9.3.
Современное состояние знания и приложений ..................................................401
9.3.1.
Конструкция и технология производства вакуумных прерывателей ......401
9.3.2.
Вакуумные выключатели среднего напряжения ......................................404
9.3.3.
Контакторы среднего напряжения ...........................................................404
9.3.4.
Низковольтные выключатели ...................................................................405
9.3.5.
Контакторы низкого напряжения ............................................................406
9.3.6.
Высоковольтные вакуумные выключатели ..............................................406
9.3.7.
Выключатели нагрузки ..............................................................................407
9.3.8.
Трансформаторные переключатели ..........................................................407
9.3.9.
Другие приложения ...................................................................................408
9.4.
Аспекты будущего ................................................................................................408
Литература ...................................................................................10.
ВАКУУМНЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭЛЕКТРОНОВ.
МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИИ ......................................................... 411
10.1.
Термоэмиссионные вакуумные источники электронов .....................................411
10.1.1.
История разработки ..................................................................................411
10.1.2.
Физические основы термоэмиссии ..........................................................413
10.1.3.
Типы термокатодов, их характеристики и приложения ..........................416
10.2.
Нетепловые источники электронов ....................................................................430
10.2.1.
История разработки ..................................................................................430
10.2.2.
Автоэмиссионные катоды .........................................................................431
10.2.3.
Автоэмиссионные термокатоды ...............................................................432
10.2.4.
Холодные катоды для автоэлектронной эмиссии ....................................434
10.2.5.
Новые материалы для катодов ..................................................................436
10.2.6.
Тенденции современных разработок ........................................................436
10.2.7.
Материалы эмиттера металл–диэлектрик–металл (МДМ) ....................439
10.2.8.
Эмиттеры с алмазными пленками и скачковой проводимостью ............439
10.2.9.
Эмиттеры из углеродных нанотрубок .......................................................440
10.2.10.
Другие углеродные эмиттеры и перспективы развития .........................441
10.3.
Другие типы электронных эмиттеров ..................................................................442
10.3.1.
pn-эмиттеры ...............................................................................................442
10.3.2.
Вторичная эмиссия ...................................................................................445
10.3.3
Сегнетоэлектрическая электронная эмиссия ..........................................445
10.3.4.
Фотоэлектронная эмиссия ........................................................................446
10.4.
Вакуумные электронные конструкции ...............................................................448
Содержание 11
10.4.1.
Разделители для матричных автоэмиттеров .............................................448
10.4.2.
Анодное склеивание ..................................................................................448
10.4.3.
Создание вакуума при производстве вакуумных электронных
устройств на кристалле ..............................................................................450
10.5.
Материалы для вакуумных электронных источников ........................................451
Литература ........................................................................................455
11.
ВАКУУМНАЯ ТЕХНИКА ............................................................... 459
11.1.
Введение и история разработки ...........................................................................459
11.2.
Газы в вакуумных системах ..................................................................................459
11.2.1.
Физические основы вакуума .....................................................................459
11.2.2.
Идеальный газ ...........................................................................................460
11.2.3.
Диапазоны давлений в вакуумной технике .........................................460
11.2.4.
Поверхностные взаимодействия и дегазация ...................................462
11.3.
Вакуумные насосы................................................................................................463
11.3.1.
Введение ....................................................................................................463
11.3.2.
Низко- и средневакуумные насосы сверхвысокого вакуума (СВВ) ..................................................................465
11.3.4.
Выбор насоса .............................................................................................472
11.4.
Измерение давления вакуума ..............................................................................472
11.4.1.
Введение ....................................................................................................472
11.4.2.
Вакуумметры полного давления ...............................................................472
11.4.3.
Вакуумметры парциального давления ......................................................479
11.5.
Вакуумные материалы и компоненты .................................................................481
11.5.1.
Критерии выбора материалов для вакуумной техники ............................481
11.5.2.
Стандарты и конструкции элементов вакуумных камер .........................484
11.5.3.
Процедуры очистки ...................................................................................484
11.6.
Течи и их обнаружение .........................................................................................486
11.6.1.
Введение ....................................................................................................486
11.6.2.
Методы обнаружения течей ......................................................................486
11.6.3.
Гелиевые течеискатели ..............................................................................486
11.6.4.
Испытания на герметичность вакуумной микроэлектроники ................488
11.7.
Примеры вакуумных систем ................................................................................488
11.7.1.
СВВ-система для получения характеристик автоэмиссии ......................489
Предметный указатель ......................................................................... 492
ПРЕДИСЛОВИЕ РЕДАКТОРА ПЕРЕВОДА
В современном мире электроника является одной из наиболее динамично развиваю-
щихся областей науки и техники. В полной мере это относится и к имеющей более
чем столетнюю историю электронике вакуумной. Периодически предпринимаются
попытки обобщить накопленные знания и опыт, провести их анализ и на его основе
оценить перспективы важнейших направлений развития. В известной мере такая по-
пытка осуществлена и в книге, предлагаемой вашему вниманию, в подготовке которой
приняли участие 36 (!) известных специалистов по вакуумной электронике. Несмотря
на крайне ограниченный объем, авторам удалось изложить принцип работы, техни-
ческие возможности и области применения основных электровакуумных приборов и
устройств, что позволяет использовать книгу в качестве своеобразного справочника
или учебного пособия для студентов высших учебных заведений и специалистов, за-
нимающихся вопросами разработки и применения электронных компонентов в раз-
личных системах радиоэлектроники. Книга написана доступным языком, методиче-
ски сбалансирована, что позволило при редактировании ограничиться минимальным
количеством замечаний.
Н. А. Бушуев
ПРЕДИСЛОВИЕ
В 1989 году в издательстве R. Oldenbourg Verlag (Мюнхен, Вена) вышел «Handbuch
der Vakuumelektronik» («Справочник по вакуумной электронике») под редакцией
Дж. Aйхмайера и Г. Гейниша. За последние 18 лет достигнут значительный прогресс в
области вакуумных электронных компонентов, систем и процессов. В настоящей кни-
ге группа из 36 известных специалистов в области производства, из научных институ-
тов и университетов представили свои сообщения об основах вакуумной электроники,
ее состоянии в настоящее время, а также информацию о последних событиях в этой
области и свой собственный опыт во всех важных областях этой науки. Работа вакуум-
ных электронных компонентов и устройств основана на движении электронов или ио-
нов под влиянием электрических, магнитных или электромагнитных полей. В настоя-
щее время исследовательская деятельность сосредоточена на разработке новых СВЧ-
устройств, особенно ламп бегущей волны, клистронов, гиротронов и СВЧ-устройств
магнетронного типа, разрядников (электронно-лучевых коммутаторов) и вакуумных
реле фотоумножителей, преобразователей и усилителей видеоизображения, а также
вакуумных и плазменных дисплеев (панелей), систем электронных и ионных пучков,
ускорителей частиц, электронных и ионных микроскопов, плазменных и ионных
двигательных установок, источников света и газовых лазеров, рентгеновских трубок,
газоразрядных систем вакуумных электронных систем для полупроводниковой техно-
логии и наконец методов измерения вакуума.
Вакуумные электронные компоненты, системы и процессы применяются для пере-
дачи информации, измерения и контроля различных параметров, а также в высокоча-
стом, ядерном, плазменном и биомедицинском оборудовании. Эта книга представля-
ет современное состояние исследований, разработки и производства вакуумной элек-
троники. Для понимания читатель должен иметь базовые знания в области электро-
ники, особенно относительно принципов вакуумной электроники. Книга может стать
полезным источником необходимой информации для студентов электротехнических
и физико-технических специальностей, а также для инженеров и физиков, которые
разрабатывают или применяют вакуумные электронные компоненты и устройства в
различных технологических областях. Для дополнительной информации предлагают-
ся дополнительные литературные источники. Все главы начинаются с исторической
справки и ссылок на уважаемых ученых и инженеров, которым принадлежат прорывы
и достижения в различных областях вакуумной электроники.
От имени всех соавторов, редакторов хочу поблагодарить Springer-Verlag, Берлин,
Гейдельберг, Нью-Йорк, за тщательное планирование и печать этой книги. Редакция
благодарит всех соавторов за их большой вклад.
Дж. Айхмайер, M. K. Тамм
Мюнхен, Карлсруэ
Январь 2008
14 Глава. Колонтитул
СПИСОК АВТОРОВ
Гельмут Баснер
Niemöllerallee 8
81739 Мюнхен, Германия
helmut.bassner@T-online.de
Карлхайнц Бланкенбах
Университет Пфорцхайма
Лаборатория дисплеев
Tiefenbronnerstr. 65
75175 Пфорцхайм, Германия
kb@displaylabor.de
Ганс-Йоахим Блум
Исследовательский центр Карлсруэ
Institut für Hochleistungsimpulsund
Mikrowellentechnik
Postfach 3640
76021 Карлсруэ, Германия
hansjoachim.bluhm@ihm.fzk.de
Маттиас Борн
Philips Technology Research Laboratories,
Weisshausstr. 2
52066 Аахен, Германия
matthias.born@philips.com
Эрнст Бош
Thales Electron Devices GmbH
Söfl ingerstr. 100
89077 Ульм, Германия
ernst.bosch@thalesgroup.com
Анджей Г. Хмелевский
Институт ядерной химии и технологии
16 Dorodna street
03-185 Варшава, Польша
a.chmielewski@ichtj.waw.pl
Дитрих фон Добенек
pro-beam GmbH
Behringstr. 6
82152 Planegg bei,Мюнхен, Германия
dietrich.dobeneck@про-beam.de
Джозеф А. Айхмайер
Technische Universität München
Lehrstuhl für Technische Elektronik
Arcisstr. 21
80290 Мюнхен, Германия
eichmeier@tum.de
Жорж Фэйллон
Thales Electron Devices
2, Rue Latécoère
F-78941 Велизи, Франция
georges.faillon@wanadoo.fr
Георг Гертнер
Philips Technology Research Laboratories,
Weisshausstr. 2
52066 Аахен, Германия
georg.gaertner@philips.com
Герхард Гесслер
Samtel Group, Германия
Söfl ingerstr. 100
89075 Ульм, Германия
gerhard.gassler@samtelgroup.de
Уве Гош
Институт электронно-лучевых и плазмен-
ных технологий Фраунгофера
Winterbergstr. 28
01277 Дрезден, Германия
uwe.gohs@fep.fraunhofer.de
Юрген Гстотнер
Atmel Germany GmbH
Theresienstr. 2
74072 Хейльбронн, Германия
juergen.gstoettner@hno.atmel.com
Бумсу Хань
EB-Tech Co, Ltd
Yongsan-dong 550, Yuseong-gu
Daejoen 305-500, Республика Корея
bshan@eb-tech.com
Список авторов 15
Герхард Хоблер
Technische Universität Wien
Institut für Festkörperelektronik
Floragasse 7/362
A-1040 Вена, Австрия
gerhard.hobler@tuwien.ac.at
Томас Йастель
Университет прикладных наук Мюнстера
Stegerwaldstr. 39
48656 Штайнфурт, Германия
tj@fh-muenster.de
Райнер Киллингер
EADS-Astrium
Langer Grund
74239 Мокмул, Германия
Rainer.killinger@astrium.eads.net
Вольфрам Кнапп
Университет Отто фон Герике
Магдебург
Институт экспериментальной физики
Universitätsplatz 2 39106 Магдебург, Германия
wolfram.knapp@physik.uni-magdeburg.de
Норберт Кох
Thales Electron Devices GmbH
Söfl ingerstr. 100
89077 Ульм, Германия
norbert.koch@thalesgroup.com
Ганс В. П. Купс
HaWilKO PSS
Эрнст Людвиг ул. 16
64372 Обер-Рамштадт, Германия
hans.koops@T-online.de
Гюнтер Корнфельд
Thales Electron Devices GmbH
Söfl ingerstr. 100
89077 Ульм, Германия
guenter.kornfeld@thalesgroup.com
Геста Матош
Институт электронно-лучевых и плазмен-
ных технологий Фраунгофера
Winterbergstr. 28
01277 Дрезден, Германия
goesta.mattausch@fep.fraunhofer.de
Йоханнес Миттерер
Technische Universität Wien
Institut für Photonik
Gusshausstr. 27-29
A-1040 Вена, Австрия
joh.mitterauer@nextra.at
Генри Моргнер
Институт электронно-лучевых и плазмен-
ных технологий Фраунгофера
Winterbergstr. 28
01277 Дрезден, Германия
henry.morgner@fep.fraunhofer.de
Леопольд Пальметшофер
Johannes Kepler Universität Linz
Abteilung für Festkörperphysik
Altenbergerstr. 69
4040 Линц, Австрия
leopold.palmetshofer@jku.at
Аксель Рейхман
Институт электронно-лучевых и плазмен-
ных технологий Фраунгофера
Winterbergstr. 28
01277 Дрезден, Германия
axel.reichmann@fep.fraunhofer.de
Роман Ренц
Siemens AG
Передача и распределение энергии
Rohrdamm 88
13623 Берлин, Германия
roman.renz@siemens.com
Олаф Редер
Институт электронно-лучевых и плазмен-
ных технологий Фраунгофера
Winterbergstr. 28
01277 Дрезден, Германия
olaf.roeder@fep.fraunhofer.de
Фридрих Rеденауэр
Австрийские исследовательские
центры/FM
Boltzmannstr. 1
2444 Зайберсдорфе, Австрия
fritz.ruedenauer@aon.at
16 Список авторов
Зигфрид. В. Шульц
(понижен в должности в 2003 г.)
Surface Solutions, Inc.
7989 Ranchers Road
Фридли, MN 55432, США
info@tincoat.net
Майк Зейдель
Институт Пауля Шеррера
CH-5232 Виллиген, Швейцария
mike.seidel@psi.ch
Манфред К. Тамм
Universität und Forschungszentrum
Карлсруэ
Institut für Hochleistungsimpulsund
Mikrowellentechnik
Postfach 3640
76021 Карлсруэ, Германия
manfred.thumm@ihm.fzk.de
Андреас Ульрих
Technische Universität München
Fakultät für Physik E 12
James-Franck-Straße
85748 Garching bei Мюнхен, Германия
andreas.ulrich@ph.tum.de
Бернд Венцель
Von Ardenne Anlagentechnik GmbH
Plattleite 19/29
01324 Дрезден, Германия
wenzel.bernd-dieter@vonardenne.biz
Кирстен Запф
Немецкий электронный синхротрон
Notkestr. 85
22607 Гамбург, Германия
kirsten.zapfe@desy.de
Олаф Зивитски
Институт электронно-лучевых и плазмен-
ных технологий Фраунгофера
Winterbergstr. 28
01277 Дрезден, Германия
olaf.zywitzki@fep.fraunhofer.de
Напомним, что в результате действия законов масштабирования (1.27) первеанс Р
остается постоянным в случае линейного масштабирования всех размеров.
1. ЭЛЕКТРОННЫЕ СВЧ-ЛАМПЫ
Г. Фэйллон, Г. Корнфельд, Е. Бош и М. К. Тамм
1.1. Введение
1.1.1. Современный уровень технологий электронных СВЧ-ламп
На протяжении более 60 лет электронные СВЧ-лампы используются во многих при-
ложениях в качестве генераторов и мощных усилителей электромагнитных волн в ди-
апазоне частот от 300 МГц до примерно несколько сотен гигагерц, а некоторые даже
в диапазоне от 1 до 2 ТГц.
Существует множество типов СВЧ-ламп, которые классифицируются на основе
рабочей частоты и мощности. В то же время их можно подразделить на две основные
категории: импульсные лампы и лампы непрерывного действия. Рабочие характери-
стики (зависимости мощности от частоты) наиболее часто используемых СВЧ-ламп
приведены на рис. 1.1.
В основном электронные СВЧ-лампы применяются в трех областях:
• радио, телевидение и телекоммуникации;
• радиолокационные станции и военные системы (особенно авиационные);
• промышленная, научная, медицинская аппаратура.
ЛБВ с цельно
металлическим
пространством
взаимодействия
Выходная мощность
(непрерывные колебания или импульсы длительностью более 10 мс)
1 МВт
100 кВт
10 кВт
1 кВт
100 Вт
10 Вт
1 ГВт
100 МВт
10 МВт
1 МВт
100 кВт
10 кВт
1 кВт
0.1
Пиковая мощность
(< мс)
Мощные клистроны
Гиротроны
(ГГц)
(ГГц)
Электронные
лампы с сеткой
Электронные
лампы с сеткой
Магнетрон
непрерывного действия
Магнетрон
Клистроны средней мощности
Клистроны
ЛБВ со спиральной
замедляющей
системой
Высокая мощность
Твердотельные
усилители
Твердотельные
усилители
Рис. 1.1. Выходные и импульсные характеристики (зависимости мощности от частоты колеба-
ний) различных СВЧ-ламп
1. ЭЛЕКТРОННЫЕ СВЧ-ЛАМПЫ
Г. Фэйллон, Г. Корнфельд, Е. Бош и М. К. Тамм
1.1. Введение
1.1.1. Современный уровень технологий электронных СВЧ-ламп
На протяжении более 60 лет электронные СВЧ-лампы используются во многих при-
ложениях в качестве генераторов и мощных усилителей электромагнитных волн в ди-
апазоне частот от 300 МГц до примерно несколько сотен гигагерц, а некоторые даже
в диапазоне от 1 до 2 ТГц.
Существует множество типов СВЧ-ламп, которые классифицируются на основе
рабочей частоты и мощности. В то же время их можно подразделить на две основные
категории: импульсные лампы и лампы непрерывного действия. Рабочие характери-
стики (зависимости мощности от частоты) наиболее часто используемых СВЧ-ламп
приведены на рис. 1.1.
В основном электронные СВЧ-лампы применяются в трех областях:
• радио, телевидение и телекоммуникации;
• радиолокационные станции и военные системы (особенно авиационные);
• промышленная, научная, медицинская аппаратура.
ЛБВ с цельно
металлическим
пространством
взаимодействия
Выходная мощность
(непрерывные колебания или импульсы длительностью более 10 мс)
1 МВт
100 кВт
10 кВт
1 кВт
100 Вт
10 Вт
1 ГВт
100 МВт
10 МВт
1 МВт
100 кВт
10 кВт
1 кВт
0.1
Пиковая мощность
(< мс)
Мощные клистроны
Гиротроны
(ГГц)
(ГГц)
Электронные
лампы с сеткой
Электронные
лампы с сеткой
Магнетрон
непрерывного действия
Магнетрон
Клистроны средней мощности
Клистроны
ЛБВ со спиральной
замедляющей
системой
Высокая мощность
Твердотельные
усилители
Твердотельные
усилители
Рис. 1.1. Выходные и импульсные характеристики (зависимости мощности от частоты колеба-
ний) различных СВЧ-ламп
18 Глава 1. Электронные СВЧ-лампы
Хотя для характеристики эффективности СВЧ-ламп, как правило, используются
такие параметры, как мощность, КПД и усиление, однако необходимо принимать во
внимание и другие характеристики, которые будут интересны пользователю с практи-
ческой и профессиональной точек зрения. К ним относятся: ширина полосы частот,
линейность характеристик, отношение сигнал/шум, способ взаимодействия СВЧ-
колебаний с электронным пучком, масса лампы и передатчика, надежность и т. д.
1.1.2. История разработки
Более ста лет назад, в 1904 году, сэр Дж. А. Флеминг изобрел электронный вакуум-
ный прибор – диод, который сразу же начал использоваться для обнаружения элек-
тромагнитных волн, незадолго до этого продемонстрированных Г. Р. Герцем. На са-
мом деле, диод был первой электронной вакуумной лампой, конечно, пусть и с не-
достаточным уровнем вакуума. Спустя пару лет, в 1906 году, Ли де Форест, вдохнов-
ленный этим изобретением, предложил новую конструкцию – добавление в элек-
тронную лампу третьего электрода. Так появился триод. Примерно после 10 лет ис-
пытаний и дискуссий новая вакуумная лампа была успешно использована в качестве
усилителя, что в 1920-х годах привело к быстрому развитию и распространению ра-
диовещания и радиосвязи.
Исследования проводилось не только для улучшения работы триодов, также рас-
сматривались другие вакуумные устройства, работающие в высокочастотном диапа-
зоне. В 1920 году Г. Баркгаузен изобрел лампу с тормозящим полем (или рефлекс-
триод), которую можно рассматривать как первую пролетную лампу. Магнетрон был
открыт А.В. Халлом в 1921 году, а затем последовали открытия Э. Габанна и А. Жачека.
Двенадцать лет спустя был понят принцип работы такого генератора, а в 1939 году
А.Г. Бут и Дж.Т. Рэндалл использовали резонатор «клистронного» типа для концен-
трации ВЧ-полей. Изобретение оксидного катода с высоким коэффициентом вторич-
ной эмиссии было также значительным продвижением вперед. Во время Второй миро-
вой войны сильная необходимость в СВЧ-генераторах высокой мощности для радиоло-
кационных передатчиков привела к развитию магнетронов до современного уровня.
В 1953 году В. К. Браун представил усилитель со скрещенными полями (CFA), маг-
нетрон с разделением ВЧ цепи по входному и выходному сигналу. В то же время по
обе стороны Атлантического океана был создан генератор обратной волны (MBWO –
ЛОВ), или «карсинотрон», разработанный на основе усилителя со скрещенными по-
лями, но с инжектированным электронным пучком и особой конструкцией замедля-
ющей системы. Этот генератор имел преимущество – он мог настраиваться в пределах
широкого диапазона частот.
Тем не менее ни триоды, ни магнетроны не обладали широким диапазоном ча-
стот и высоким коэффициентом усиления. В 1934–35 годах, А. и О. Хайли были первы-
ми учеными, которые использовали периодическое и локализованное изменение ско-
рости электронов для получения электронных сгустков. После регистрации патентов
в 1937 году Хан и Меткаф и особенно братья Р. и Г. Варианы дали точное описание мно-
горезонаторного клистрона. Первый прототип усиливал ВЧ-сигнал до мощности около
50 Вт на частоте 3 ГГц с коэффициентом усиления 30 дБ, вскоре в клистроне было полу-
чено усиление от 30 до 50 дБ на частоте от 1 до 10 ГГц для использования, например,
в радиолокационных станциях и ускорителях частиц. По принципу действия этого
клистрона и на основе предыдущих исследований электронных отражателей без ВЧ-
полей был создан «отражательный клистрон», который с большим успехом использо-
вался в качестве собственных генераторов в радарах.
Возможность взаимодействия бегущих волн с электронным пучком была описана
в 1942 году Р. Компфнером, который разработал первую лампу бегущей волны (ЛБВ),
а спустя год использовал спираль в пространстве взаимодействия. Но реальное нача-
ло разработки ЛБВ возникло после 1946 года, когда Дж.Р. Пирс создал теоретический
фундамент работы этих ламп и решил проблему подавления большинства паразит-
ных колебаний. Связанные резонаторы были введены в конструкцию ЛБВ в 1950 году.
Эволюция ЛБВ впечатляет, когда мы узнаем, что они по-прежнему используются и
сейчас, правда, в современном исполнении.
С этого времени вследствие больших потребностей военной промышленности и
выпуска бытовых приборов началось промышленное производство электронных ламп.
Конечно, исследования и разработка новых устройств сильно продвинулись вперед не
только в деле улучшения действующих ламп и замены их новыми в соответствии с
требованиями пользователей (более высокие частоты, более продолжительный срок
службы, большие мощности и ширина полосы частот), но также вследствие конкурен-
ции с транзисторами и твердотельными приборами, а в настоящее время – для созда-
ния комбинированных устройств.
Последние 40 лет можно охарактеризовать следующими основными инновацион-
ными разработками [1]:
• коаксиальный магнетрон, магнетрон с быстрой перестройкой частоты.
Массовое производство магнетронов в 1960-х годах для производства микровол-
новых печей;
• ЛБВ с паяными и обжатыми спиралями, в основном использовавшиеся до 1980-х
годов в радиолокационных передатчиках и наземных станциях радиосвязи.
ЛБВ со спиралями с переменным шагом для повышения эффективности взаи-
модействия.
Электронные пушки с сетками и внедрение пропитанных катодов в 1970-х годах.
Затем разработка ЛБВ была сориентирована на внедрение коллекторов с мно-
гоступенчатой рекуперацией и коллекторов с охлаждением за счет излучения.
С 1962 ЛБВ космического назначения используются на спутниках;
• настраиваемые клистроны или клистроны с мгновенной шириной полосы частот
(10 %) для телевидения и связи.
Лампы с индуктивным выходом (IOT).
Многолучевые клистроны средней мощности, которые в основном использова-
лись в СССР с 1960-х по 1980-е годы.
Пароохлаждаемые коллекторы и 300-киловольтные импульсные электронные
пушки.
Клистроны непрерывного действия с высоким КПД (65 %), высокой импульс-
ной (десятки мегаватт) и непрерывной (1,3 МВт) мощностью.
Многолучевые клистроны высокой мощности (МЛК), применяемые с 1995 года;
• недавно появившиеся гиротроны, которые представляют собой лампы, способ-
ные генерировать большую мощность (порядка нескольких мегаватт) при высо-
ких частотах (100 ГГц).
В 1959 году, не зная о работах астрофизика Р. К. Твисса, Й. Шнайдер в США и
А. В. Гапонова в России, предложили объяснение механизма усиления, основанно-
го на гироизлучении свободных электронов. Но первые успешные эксперименты
имели место в 1970-х и привлекли внимание в 1980-е годы благодаря поддержке на-
учного сообщества, занимающегося вопросами термоядерного синтеза и получения
плазмы, особенно в Европе. И теперь после решения большинства трудных техно-
логических проблем (создание сверхпроводящих электромагнитов, окон из сапфи-
ра или алмаза) налажено производство и продолжаются новые разработки гиротро-
нов и многомодовых волноводов с малыми потерями или с квазиоптическими ли-
ниями передачи.
Структура рынка начала меняться примерно 20 лет назад и требования стали более
конкретными, серьезными и жесткими, что помешало массовому производству электрон-
ных ламп. Тем не менее после слияния и реорганизации многих производителей элек-
тронных ламп сложилась структура их применения, как показано в подразделе 1.1.
В то же время новые исследования и разработки ведутся в направлении повышения
эффективности [1] как более высокочастотных устройств, так и ламп большей мощно-
сти, а также в направлении передовых технологий: эмиссия с холодных катодов, нано-
технологии, миниатюризация и оптимизация усилителей в целом.
1.1.3. Основные принципы работы и определения терминов
Основные принципы работы
Электронной СВЧ-лампой называется откачанный (вакуумный) прибор, внутри ко-
торого электронный пучок взаимодействует с электромагнитными волнами [2, 3]. Это
означает, что электроны пучка отдают часть своей кинетической или потенциальной
энергии электромагнитной волне, создавая или усиливая ее. Поскольку в целом из-
вестно, как создавать, а затем ускорять электронный пучок или, другими словами, да-
вать ему энергию, особенно благодаря использованию электронных пушек высокого
напряжения, цель этой книги заключается в том, чтобы пойти дальше и представить
физические процессы взаимодействия и передачи энергии электронного пучка элек-
тромагнитной волне. Такой процесс включает в себя несколько отдельных или одно-
временно происходящих физических явлений.
1. Формирование и ускорение электронного пучка.
2. Периодическая группировка электронов с частотой f. Эта группировка начина-
ется под действием входной ВЧ-мощности, которой является мощность возбуж-
дения колебаний Pd в случае усилителя или мощность электромагнитного шума в
случае генератора.
3. Замедление пучков (или сокращение их релятивистской массы) таким образом,
что их кинетическая или потенциальная энергия превращается в электромагнит-
ную или СВЧ-энергию с частотой f.
4. Передача этой микроволновой энергии за пределы лампы – превращение ее в
выходную мощность лампы POUT.
Характеристики и определения
Для обеспечения работы СВЧ-лампы [4] прежде всего необходимо нагреть катод, из-
лучающий электроны, путем подключения нити накаливания к источнику электроэ-
нергии PF = VFIF. Затем на катод и анод подается питание (P0 = V0I0) в целях получения
электронного пучка с необходимой энергией, который будет двигаться со скоростью
v0, проводя ток силой I0, что задается двумя нерелятивистскими выражениями (реля-
тивистские выражения будут даны ниже):
mv0
2/2 = eV0, (1.1)
I0 = PV0
3/2, (1.2)
где P – коэффициент, относящийся к конструкции пушки и именуемый первеансом.
Для фокусировки пучка используется магнитное поле [5]. Это поле создается либо
постоянным магнитом (магнитами), либо электромагнитом с потребляемой мощно-
1.1. Введение 21
стью PFOC. В случае генератора входной СВЧ-сигнал отсутствует и лампа непосред-
ственно преобразует энергию пучка в СВЧ-энергию с частотой f. Пусть POUT явля-
ется выходной мощностью лампы. Тогда общий КПД лампы составляет η = POUT/
(PF + V0I0 + PFOC), а КПД взаимодействия – ηвз = POUT /V0I0.
Колебания начинаются не сразу после приложения напряжения V0, а спустя вре-
мя задержки τ1, которое может иметь различную продолжительность, как показано на
рис. 1.2. Затем в течение времени нарастания τ2 выходная мощность увеличивается до
номинального уровня POUT. В течение этого времени τ2 частота f изменяется, а затем
стабилизируется.
Мощность POUT зависит от силы анодного тока I0 и сопротивления нагрузки ZL, как
показано на диаграмме Рика (рис. 1.2). Пусковое Δf/ΔI0 и затягивающее Δf/ΔφL отно-
шения, измеренные при постоянном коэффициенте отражения от нагрузки (или ко-
эффициенте стоячей волны (КСВ)), характеризуют чувствительности частоты лам-
пового генератора, где φL является фазой сопротивления нагрузки ZL. Иногда имеет
смысл ограничивать или контролировать частоту колебаний f с помощью управляю-
щего сигнала мощностью Рс < РOUT при частоте fC (близкой к f), который подается на
выход лампы. Для данной мощности Pc отношение Адлера дает полный диапазон ча-
стот, в пределах которых возможно это ограничение: Δfmax = 2 fc / Qх / c OUT P P .
В случае усилителя ВЧ-сигнал мощностью Рd и частотой f подается на вход лампы
и затем усиливается до мощности POUT. Общий КПД усилителя определяется практиче-
ски тем же способом, что и для генератора: η = POUT / (PF + V0I0 + PFOC + Pd), а КПД взаимодействия опять же составляет ηвз = POUT/V0I0. Соотношение G = POUT/Pd является величиной усиления, которое часто выражается в децибелах (дБ) как G = 10log10(POUT/Pd).
Обычно передаточная характеристика POUT/Pd (рис. 1.3) показывает почти линейную
зависимость при низких уровнях сигнала и участок насыщения при больших сигна-
τ1: длительность фронта
импульса запуска
τ2: Rise time – время
нарастания
СВЧ сигнала
τ1 τ2
: крутизна нарастания частоты
: затягивание частоты при постоянном коэффициенте отражения от нагрузки
ΔflΔI0
ΔflΔФL
Высокое напряжение на катоде V0
Выходная СВЧ мощность POUT
МГц
МГц
МГц
МГц
МГц
МГц
Рис. 1.2. Генераторы
Амплитудноzчастотная
характеристика
Pd – постоянная входная мощность
POUT – максимальная мощность
на частоте f0
Pd – настраивается, чтобы везде
получить максимальную
мощность POUT
Pd – постоянная мощность
малого уровня
1 дБ
Рис. 1.3. Усилители
22 Глава 1. Электронные СВЧ-лампы
лах. Ширина диапазона, как правило, измеряемая на уровне -1 дБ, определяется на
основе изменения выходной мощности POUT в зависимости от частоты с коррекцией
Pd на каждой частоте, чтобы максимально увеличить POUT. Ширина диапазона может
быть определена при постоянной Pd, например, с поправкой на величину данной мак-
симальной POUT (см. рис. 1.3).
Групповая задержка τg = dφ/dω представляет собой задержку сигнала внутри лампо-
вого усилителя φ(f), которая является сдвигом фаз между входом и выходом. Влияние
сопротивления нагрузки ZL представлено на диаграмме Рика, где построены кривые
зависимости POUT (ZL).
Основные физические законы движения электронных пучков
Уравнение движения электронов и релятивистские поправки
На электроны в СВЧ-лампах при их взаимодействии с высокочастотными волнами
влияют только определенные силы, которыми нельзя пренебречь. Эти силы называ-
ются электромагнитными силами Лоренца. Все другие силы, например обусловлен-
ные спином или гравитацией соответственно, на 11 или 16 порядков ниже.
Из релятивистского уравнения движения одного электрона
d(meve)/dt = −e(E + veB), (1.3)
mc = 0
1 ( / )2 B
m
− v c
, (1.4)
ve = c 1 1/(1 ( / ))2 n − +V V , (1.5)
где заряд е = 1,60 × 10-19 Кл, ve – релятивистская скорость электронов, me – релятивистская
масса электрона; т0 = 9,11 × 10-31 кг – масса покоя электрона, с – скорость света, V – уско-
ряющее напряжение; Vn = т0с2/е = 511 кВ – ускоряющее напряжение для получения экви-
валента массы покоя одного электрона с учетом релятивистского увеличения массы.
Можно сделать вывод, что кинетическая энергия электрона (или другой заряжен-
ной частицы) может быть изменена только электрическим, а не магнитным полем B,
так как вектор магнитной силы Лоренца FL = –е(vВ) перпендикулярен скорости v и
B, и потому, что скалярное произведение двух ортогональных векторов всегда равно
нулю. Таким образом, передача энергии от пучка электронов ВЧ-волне и в обратном
направлении происходит всегда только за счет электрических компонентов поля ВЧ-
волны и объемного заряда пучков.
dEкин = Fds = −e(E + v B)v dt = −eEv dt, (1.6)
где ds является элементом линейного пути вдоль траектории.
Это не означает, что магнитное поле В не так важно. Наоборот, магнитное поле не-
обходимо для поддержания свойств сфокусированных пучков (см. подраздел 1.3).
Уравнения Максвелла
Поскольку расчет движения большого числа электронов в пучке находится далеко за
пределами вычислительной мощности современных компьютеров, во многих случа-
ях движение частиц можно описать с помощью теоретических уравнений Максвелла.
Здесь напряженности полей Е и В самосогласованно определяются собственными
плотностями заряда и тока ρ и j, для определения которых требуется решение множе-
ства дифференциальных уравнений в соответствии с граничными и начальными усло-
виями для полей E и B. Уравнения Максвелла не способны описать локализованные
процессы столкновения или даже прохождения частиц, которые происходят в элек-
тронных лампах в состоянии, близком к насыщению. Тем не менее они позволяют
сделать полезные выводы и выдвинуть общие соображения симметрии, а также соз-
дать основу для различных видов компьютерного моделирования.
divE = ρ/ε0 плотность заряда источника электрических полей E; (1.7)
rotE = −δB/δt закон индукции; (1.8)
divB = 0 магнитное поле является источником
свободных немагнитных единичных полюсов; (1.9)
rot B = −μ0j + ε0μ0δE/δt; rot B = −μ0 j для стационарных пучков. (1.10)
Из стационарных уравнений Максвелла можно заключить, что электрические и
магнитные поля E и B могут быть получены из скалярного потенциала φ и векторно-
го потенциала А в виде
E = −grad φ, (1.11)
B = rotA. (1.12)
Вводя эти выражения в уравнения Максвелла (1.7) и (1.10), получим уравнения для
тех потенциалов, которые определены в пространстве плотностью заряда ρ и плотно-
стью тока пучка j соответственно:
div grad φ = −ρ/ε0 уравнение Пуассона (уравнение Лапласа для ρ = 0); (1.13)
rot rotA = −μ0 j. (1.14)
Поскольку влиянием плотности тока j на магнитное поле можно в большинстве
случаев полностью пренебречь по сравнению с внешними магнитными
В современном мире электроника является одной из наиболее динамично развиваю-
щихся областей науки и техники. В полной мере это относится и к имеющей более
чем столетнюю историю электронике вакуумной. Периодически предпринимаются
попытки обобщить накопленные знания и опыт, провести их анализ и на его основе
оценить перспективы важнейших направлений развития. В известной мере такая по-
пытка осуществлена и в книге, предлагаемой вашему вниманию, в подготовке которой
приняли участие 36 (!) известных специалистов по вакуумной электронике. Несмотря
на крайне ограниченный объем, авторам удалось изложить принцип работы, техни-
ческие возможности и области применения основных электровакуумных приборов и
устройств, что позволяет использовать книгу в качестве своеобразного справочника
или учебного пособия для студентов высших учебных заведений и специалистов, за-
нимающихся вопросами разработки и применения электронных компонентов в раз-
личных системах радиоэлектроники. Книга написана доступным языком, методиче-
ски сбалансирована, что позволило при редактировании ограничиться минимальным
количеством замечаний.
Н. А. Бушуев
ПРЕДИСЛОВИЕ
В 1989 году в издательстве R. Oldenbourg Verlag (Мюнхен, Вена) вышел «Handbuch
der Vakuumelektronik» («Справочник по вакуумной электронике») под редакцией
Дж. Aйхмайера и Г. Гейниша. За последние 18 лет достигнут значительный прогресс в
области вакуумных электронных компонентов, систем и процессов. В настоящей кни-
ге группа из 36 известных специалистов в области производства, из научных институ-
тов и университетов представили свои сообщения об основах вакуумной электроники,
ее состоянии в настоящее время, а также информацию о последних событиях в этой
области и свой собственный опыт во всех важных областях этой науки. Работа вакуум-
ных электронных компонентов и устройств основана на движении электронов или ио-
нов под влиянием электрических, магнитных или электромагнитных полей. В настоя-
щее время исследовательская деятельность сосредоточена на разработке новых СВЧ-
устройств, особенно ламп бегущей волны, клистронов, гиротронов и СВЧ-устройств
магнетронного типа, разрядников (электронно-лучевых коммутаторов) и вакуумных
реле фотоумножителей, преобразователей и усилителей видеоизображения, а также
вакуумных и плазменных дисплеев (панелей), систем электронных и ионных пучков,
ускорителей частиц, электронных и ионных микроскопов, плазменных и ионных
двигательных установок, источников света и газовых лазеров, рентгеновских трубок,
газоразрядных систем вакуумных электронных систем для полупроводниковой техно-
логии и наконец методов измерения вакуума.
Вакуумные электронные компоненты, системы и процессы применяются для пере-
дачи информации, измерения и контроля различных параметров, а также в высокоча-
стом, ядерном, плазменном и биомедицинском оборудовании. Эта книга представля-
ет современное состояние исследований, разработки и производства вакуумной элек-
троники. Для понимания читатель должен иметь базовые знания в области электро-
ники, особенно относительно принципов вакуумной электроники. Книга может стать
полезным источником необходимой информации для студентов электротехнических
и физико-технических специальностей, а также для инженеров и физиков, которые
разрабатывают или применяют вакуумные электронные компоненты и устройства в
различных технологических областях. Для дополнительной информации предлагают-
ся дополнительные литературные источники. Все главы начинаются с исторической
справки и ссылок на уважаемых ученых и инженеров, которым принадлежат прорывы
и достижения в различных областях вакуумной электроники.
От имени всех соавторов, редакторов хочу поблагодарить Springer-Verlag, Берлин,
Гейдельберг, Нью-Йорк, за тщательное планирование и печать этой книги. Редакция
благодарит всех соавторов за их большой вклад.
Дж. Айхмайер, M. K. Тамм
Мюнхен, Карлсруэ
Январь 2008
14 Глава. Колонтитул
СПИСОК АВТОРОВ
Гельмут Баснер
Niemöllerallee 8
81739 Мюнхен, Германия
helmut.bassner@T-online.de
Карлхайнц Бланкенбах
Университет Пфорцхайма
Лаборатория дисплеев
Tiefenbronnerstr. 65
75175 Пфорцхайм, Германия
kb@displaylabor.de
Ганс-Йоахим Блум
Исследовательский центр Карлсруэ
Institut für Hochleistungsimpulsund
Mikrowellentechnik
Postfach 3640
76021 Карлсруэ, Германия
hansjoachim.bluhm@ihm.fzk.de
Маттиас Борн
Philips Technology Research Laboratories,
Weisshausstr. 2
52066 Аахен, Германия
matthias.born@philips.com
Эрнст Бош
Thales Electron Devices GmbH
Söfl ingerstr. 100
89077 Ульм, Германия
ernst.bosch@thalesgroup.com
Анджей Г. Хмелевский
Институт ядерной химии и технологии
16 Dorodna street
03-185 Варшава, Польша
a.chmielewski@ichtj.waw.pl
Дитрих фон Добенек
pro-beam GmbH
Behringstr. 6
82152 Planegg bei,Мюнхен, Германия
dietrich.dobeneck@про-beam.de
Джозеф А. Айхмайер
Technische Universität München
Lehrstuhl für Technische Elektronik
Arcisstr. 21
80290 Мюнхен, Германия
eichmeier@tum.de
Жорж Фэйллон
Thales Electron Devices
2, Rue Latécoère
F-78941 Велизи, Франция
georges.faillon@wanadoo.fr
Георг Гертнер
Philips Technology Research Laboratories,
Weisshausstr. 2
52066 Аахен, Германия
georg.gaertner@philips.com
Герхард Гесслер
Samtel Group, Германия
Söfl ingerstr. 100
89075 Ульм, Германия
gerhard.gassler@samtelgroup.de
Уве Гош
Институт электронно-лучевых и плазмен-
ных технологий Фраунгофера
Winterbergstr. 28
01277 Дрезден, Германия
uwe.gohs@fep.fraunhofer.de
Юрген Гстотнер
Atmel Germany GmbH
Theresienstr. 2
74072 Хейльбронн, Германия
juergen.gstoettner@hno.atmel.com
Бумсу Хань
EB-Tech Co, Ltd
Yongsan-dong 550, Yuseong-gu
Daejoen 305-500, Республика Корея
bshan@eb-tech.com
Список авторов 15
Герхард Хоблер
Technische Universität Wien
Institut für Festkörperelektronik
Floragasse 7/362
A-1040 Вена, Австрия
gerhard.hobler@tuwien.ac.at
Томас Йастель
Университет прикладных наук Мюнстера
Stegerwaldstr. 39
48656 Штайнфурт, Германия
tj@fh-muenster.de
Райнер Киллингер
EADS-Astrium
Langer Grund
74239 Мокмул, Германия
Rainer.killinger@astrium.eads.net
Вольфрам Кнапп
Университет Отто фон Герике
Магдебург
Институт экспериментальной физики
Universitätsplatz 2 39106 Магдебург, Германия
wolfram.knapp@physik.uni-magdeburg.de
Норберт Кох
Thales Electron Devices GmbH
Söfl ingerstr. 100
89077 Ульм, Германия
norbert.koch@thalesgroup.com
Ганс В. П. Купс
HaWilKO PSS
Эрнст Людвиг ул. 16
64372 Обер-Рамштадт, Германия
hans.koops@T-online.de
Гюнтер Корнфельд
Thales Electron Devices GmbH
Söfl ingerstr. 100
89077 Ульм, Германия
guenter.kornfeld@thalesgroup.com
Геста Матош
Институт электронно-лучевых и плазмен-
ных технологий Фраунгофера
Winterbergstr. 28
01277 Дрезден, Германия
goesta.mattausch@fep.fraunhofer.de
Йоханнес Миттерер
Technische Universität Wien
Institut für Photonik
Gusshausstr. 27-29
A-1040 Вена, Австрия
joh.mitterauer@nextra.at
Генри Моргнер
Институт электронно-лучевых и плазмен-
ных технологий Фраунгофера
Winterbergstr. 28
01277 Дрезден, Германия
henry.morgner@fep.fraunhofer.de
Леопольд Пальметшофер
Johannes Kepler Universität Linz
Abteilung für Festkörperphysik
Altenbergerstr. 69
4040 Линц, Австрия
leopold.palmetshofer@jku.at
Аксель Рейхман
Институт электронно-лучевых и плазмен-
ных технологий Фраунгофера
Winterbergstr. 28
01277 Дрезден, Германия
axel.reichmann@fep.fraunhofer.de
Роман Ренц
Siemens AG
Передача и распределение энергии
Rohrdamm 88
13623 Берлин, Германия
roman.renz@siemens.com
Олаф Редер
Институт электронно-лучевых и плазмен-
ных технологий Фраунгофера
Winterbergstr. 28
01277 Дрезден, Германия
olaf.roeder@fep.fraunhofer.de
Фридрих Rеденауэр
Австрийские исследовательские
центры/FM
Boltzmannstr. 1
2444 Зайберсдорфе, Австрия
fritz.ruedenauer@aon.at
16 Список авторов
Зигфрид. В. Шульц
(понижен в должности в 2003 г.)
Surface Solutions, Inc.
7989 Ranchers Road
Фридли, MN 55432, США
info@tincoat.net
Майк Зейдель
Институт Пауля Шеррера
CH-5232 Виллиген, Швейцария
mike.seidel@psi.ch
Манфред К. Тамм
Universität und Forschungszentrum
Карлсруэ
Institut für Hochleistungsimpulsund
Mikrowellentechnik
Postfach 3640
76021 Карлсруэ, Германия
manfred.thumm@ihm.fzk.de
Андреас Ульрих
Technische Universität München
Fakultät für Physik E 12
James-Franck-Straße
85748 Garching bei Мюнхен, Германия
andreas.ulrich@ph.tum.de
Бернд Венцель
Von Ardenne Anlagentechnik GmbH
Plattleite 19/29
01324 Дрезден, Германия
wenzel.bernd-dieter@vonardenne.biz
Кирстен Запф
Немецкий электронный синхротрон
Notkestr. 85
22607 Гамбург, Германия
kirsten.zapfe@desy.de
Олаф Зивитски
Институт электронно-лучевых и плазмен-
ных технологий Фраунгофера
Winterbergstr. 28
01277 Дрезден, Германия
olaf.zywitzki@fep.fraunhofer.de
Напомним, что в результате действия законов масштабирования (1.27) первеанс Р
остается постоянным в случае линейного масштабирования всех размеров.
1. ЭЛЕКТРОННЫЕ СВЧ-ЛАМПЫ
Г. Фэйллон, Г. Корнфельд, Е. Бош и М. К. Тамм
1.1. Введение
1.1.1. Современный уровень технологий электронных СВЧ-ламп
На протяжении более 60 лет электронные СВЧ-лампы используются во многих при-
ложениях в качестве генераторов и мощных усилителей электромагнитных волн в ди-
апазоне частот от 300 МГц до примерно несколько сотен гигагерц, а некоторые даже
в диапазоне от 1 до 2 ТГц.
Существует множество типов СВЧ-ламп, которые классифицируются на основе
рабочей частоты и мощности. В то же время их можно подразделить на две основные
категории: импульсные лампы и лампы непрерывного действия. Рабочие характери-
стики (зависимости мощности от частоты) наиболее часто используемых СВЧ-ламп
приведены на рис. 1.1.
В основном электронные СВЧ-лампы применяются в трех областях:
• радио, телевидение и телекоммуникации;
• радиолокационные станции и военные системы (особенно авиационные);
• промышленная, научная, медицинская аппаратура.
ЛБВ с цельно
металлическим
пространством
взаимодействия
Выходная мощность
(непрерывные колебания или импульсы длительностью более 10 мс)
1 МВт
100 кВт
10 кВт
1 кВт
100 Вт
10 Вт
1 ГВт
100 МВт
10 МВт
1 МВт
100 кВт
10 кВт
1 кВт
0.1
Пиковая мощность
(< мс)
Мощные клистроны
Гиротроны
(ГГц)
(ГГц)
Электронные
лампы с сеткой
Электронные
лампы с сеткой
Магнетрон
непрерывного действия
Магнетрон
Клистроны средней мощности
Клистроны
ЛБВ со спиральной
замедляющей
системой
Высокая мощность
Твердотельные
усилители
Твердотельные
усилители
Рис. 1.1. Выходные и импульсные характеристики (зависимости мощности от частоты колеба-
ний) различных СВЧ-ламп
1. ЭЛЕКТРОННЫЕ СВЧ-ЛАМПЫ
Г. Фэйллон, Г. Корнфельд, Е. Бош и М. К. Тамм
1.1. Введение
1.1.1. Современный уровень технологий электронных СВЧ-ламп
На протяжении более 60 лет электронные СВЧ-лампы используются во многих при-
ложениях в качестве генераторов и мощных усилителей электромагнитных волн в ди-
апазоне частот от 300 МГц до примерно несколько сотен гигагерц, а некоторые даже
в диапазоне от 1 до 2 ТГц.
Существует множество типов СВЧ-ламп, которые классифицируются на основе
рабочей частоты и мощности. В то же время их можно подразделить на две основные
категории: импульсные лампы и лампы непрерывного действия. Рабочие характери-
стики (зависимости мощности от частоты) наиболее часто используемых СВЧ-ламп
приведены на рис. 1.1.
В основном электронные СВЧ-лампы применяются в трех областях:
• радио, телевидение и телекоммуникации;
• радиолокационные станции и военные системы (особенно авиационные);
• промышленная, научная, медицинская аппаратура.
ЛБВ с цельно
металлическим
пространством
взаимодействия
Выходная мощность
(непрерывные колебания или импульсы длительностью более 10 мс)
1 МВт
100 кВт
10 кВт
1 кВт
100 Вт
10 Вт
1 ГВт
100 МВт
10 МВт
1 МВт
100 кВт
10 кВт
1 кВт
0.1
Пиковая мощность
(< мс)
Мощные клистроны
Гиротроны
(ГГц)
(ГГц)
Электронные
лампы с сеткой
Электронные
лампы с сеткой
Магнетрон
непрерывного действия
Магнетрон
Клистроны средней мощности
Клистроны
ЛБВ со спиральной
замедляющей
системой
Высокая мощность
Твердотельные
усилители
Твердотельные
усилители
Рис. 1.1. Выходные и импульсные характеристики (зависимости мощности от частоты колеба-
ний) различных СВЧ-ламп
18 Глава 1. Электронные СВЧ-лампы
Хотя для характеристики эффективности СВЧ-ламп, как правило, используются
такие параметры, как мощность, КПД и усиление, однако необходимо принимать во
внимание и другие характеристики, которые будут интересны пользователю с практи-
ческой и профессиональной точек зрения. К ним относятся: ширина полосы частот,
линейность характеристик, отношение сигнал/шум, способ взаимодействия СВЧ-
колебаний с электронным пучком, масса лампы и передатчика, надежность и т. д.
1.1.2. История разработки
Более ста лет назад, в 1904 году, сэр Дж. А. Флеминг изобрел электронный вакуум-
ный прибор – диод, который сразу же начал использоваться для обнаружения элек-
тромагнитных волн, незадолго до этого продемонстрированных Г. Р. Герцем. На са-
мом деле, диод был первой электронной вакуумной лампой, конечно, пусть и с не-
достаточным уровнем вакуума. Спустя пару лет, в 1906 году, Ли де Форест, вдохнов-
ленный этим изобретением, предложил новую конструкцию – добавление в элек-
тронную лампу третьего электрода. Так появился триод. Примерно после 10 лет ис-
пытаний и дискуссий новая вакуумная лампа была успешно использована в качестве
усилителя, что в 1920-х годах привело к быстрому развитию и распространению ра-
диовещания и радиосвязи.
Исследования проводилось не только для улучшения работы триодов, также рас-
сматривались другие вакуумные устройства, работающие в высокочастотном диапа-
зоне. В 1920 году Г. Баркгаузен изобрел лампу с тормозящим полем (или рефлекс-
триод), которую можно рассматривать как первую пролетную лампу. Магнетрон был
открыт А.В. Халлом в 1921 году, а затем последовали открытия Э. Габанна и А. Жачека.
Двенадцать лет спустя был понят принцип работы такого генератора, а в 1939 году
А.Г. Бут и Дж.Т. Рэндалл использовали резонатор «клистронного» типа для концен-
трации ВЧ-полей. Изобретение оксидного катода с высоким коэффициентом вторич-
ной эмиссии было также значительным продвижением вперед. Во время Второй миро-
вой войны сильная необходимость в СВЧ-генераторах высокой мощности для радиоло-
кационных передатчиков привела к развитию магнетронов до современного уровня.
В 1953 году В. К. Браун представил усилитель со скрещенными полями (CFA), маг-
нетрон с разделением ВЧ цепи по входному и выходному сигналу. В то же время по
обе стороны Атлантического океана был создан генератор обратной волны (MBWO –
ЛОВ), или «карсинотрон», разработанный на основе усилителя со скрещенными по-
лями, но с инжектированным электронным пучком и особой конструкцией замедля-
ющей системы. Этот генератор имел преимущество – он мог настраиваться в пределах
широкого диапазона частот.
Тем не менее ни триоды, ни магнетроны не обладали широким диапазоном ча-
стот и высоким коэффициентом усиления. В 1934–35 годах, А. и О. Хайли были первы-
ми учеными, которые использовали периодическое и локализованное изменение ско-
рости электронов для получения электронных сгустков. После регистрации патентов
в 1937 году Хан и Меткаф и особенно братья Р. и Г. Варианы дали точное описание мно-
горезонаторного клистрона. Первый прототип усиливал ВЧ-сигнал до мощности около
50 Вт на частоте 3 ГГц с коэффициентом усиления 30 дБ, вскоре в клистроне было полу-
чено усиление от 30 до 50 дБ на частоте от 1 до 10 ГГц для использования, например,
в радиолокационных станциях и ускорителях частиц. По принципу действия этого
клистрона и на основе предыдущих исследований электронных отражателей без ВЧ-
полей был создан «отражательный клистрон», который с большим успехом использо-
вался в качестве собственных генераторов в радарах.
Возможность взаимодействия бегущих волн с электронным пучком была описана
в 1942 году Р. Компфнером, который разработал первую лампу бегущей волны (ЛБВ),
а спустя год использовал спираль в пространстве взаимодействия. Но реальное нача-
ло разработки ЛБВ возникло после 1946 года, когда Дж.Р. Пирс создал теоретический
фундамент работы этих ламп и решил проблему подавления большинства паразит-
ных колебаний. Связанные резонаторы были введены в конструкцию ЛБВ в 1950 году.
Эволюция ЛБВ впечатляет, когда мы узнаем, что они по-прежнему используются и
сейчас, правда, в современном исполнении.
С этого времени вследствие больших потребностей военной промышленности и
выпуска бытовых приборов началось промышленное производство электронных ламп.
Конечно, исследования и разработка новых устройств сильно продвинулись вперед не
только в деле улучшения действующих ламп и замены их новыми в соответствии с
требованиями пользователей (более высокие частоты, более продолжительный срок
службы, большие мощности и ширина полосы частот), но также вследствие конкурен-
ции с транзисторами и твердотельными приборами, а в настоящее время – для созда-
ния комбинированных устройств.
Последние 40 лет можно охарактеризовать следующими основными инновацион-
ными разработками [1]:
• коаксиальный магнетрон, магнетрон с быстрой перестройкой частоты.
Массовое производство магнетронов в 1960-х годах для производства микровол-
новых печей;
• ЛБВ с паяными и обжатыми спиралями, в основном использовавшиеся до 1980-х
годов в радиолокационных передатчиках и наземных станциях радиосвязи.
ЛБВ со спиралями с переменным шагом для повышения эффективности взаи-
модействия.
Электронные пушки с сетками и внедрение пропитанных катодов в 1970-х годах.
Затем разработка ЛБВ была сориентирована на внедрение коллекторов с мно-
гоступенчатой рекуперацией и коллекторов с охлаждением за счет излучения.
С 1962 ЛБВ космического назначения используются на спутниках;
• настраиваемые клистроны или клистроны с мгновенной шириной полосы частот
(10 %) для телевидения и связи.
Лампы с индуктивным выходом (IOT).
Многолучевые клистроны средней мощности, которые в основном использова-
лись в СССР с 1960-х по 1980-е годы.
Пароохлаждаемые коллекторы и 300-киловольтные импульсные электронные
пушки.
Клистроны непрерывного действия с высоким КПД (65 %), высокой импульс-
ной (десятки мегаватт) и непрерывной (1,3 МВт) мощностью.
Многолучевые клистроны высокой мощности (МЛК), применяемые с 1995 года;
• недавно появившиеся гиротроны, которые представляют собой лампы, способ-
ные генерировать большую мощность (порядка нескольких мегаватт) при высо-
ких частотах (100 ГГц).
В 1959 году, не зная о работах астрофизика Р. К. Твисса, Й. Шнайдер в США и
А. В. Гапонова в России, предложили объяснение механизма усиления, основанно-
го на гироизлучении свободных электронов. Но первые успешные эксперименты
имели место в 1970-х и привлекли внимание в 1980-е годы благодаря поддержке на-
учного сообщества, занимающегося вопросами термоядерного синтеза и получения
плазмы, особенно в Европе. И теперь после решения большинства трудных техно-
логических проблем (создание сверхпроводящих электромагнитов, окон из сапфи-
ра или алмаза) налажено производство и продолжаются новые разработки гиротро-
нов и многомодовых волноводов с малыми потерями или с квазиоптическими ли-
ниями передачи.
Структура рынка начала меняться примерно 20 лет назад и требования стали более
конкретными, серьезными и жесткими, что помешало массовому производству электрон-
ных ламп. Тем не менее после слияния и реорганизации многих производителей элек-
тронных ламп сложилась структура их применения, как показано в подразделе 1.1.
В то же время новые исследования и разработки ведутся в направлении повышения
эффективности [1] как более высокочастотных устройств, так и ламп большей мощно-
сти, а также в направлении передовых технологий: эмиссия с холодных катодов, нано-
технологии, миниатюризация и оптимизация усилителей в целом.
1.1.3. Основные принципы работы и определения терминов
Основные принципы работы
Электронной СВЧ-лампой называется откачанный (вакуумный) прибор, внутри ко-
торого электронный пучок взаимодействует с электромагнитными волнами [2, 3]. Это
означает, что электроны пучка отдают часть своей кинетической или потенциальной
энергии электромагнитной волне, создавая или усиливая ее. Поскольку в целом из-
вестно, как создавать, а затем ускорять электронный пучок или, другими словами, да-
вать ему энергию, особенно благодаря использованию электронных пушек высокого
напряжения, цель этой книги заключается в том, чтобы пойти дальше и представить
физические процессы взаимодействия и передачи энергии электронного пучка элек-
тромагнитной волне. Такой процесс включает в себя несколько отдельных или одно-
временно происходящих физических явлений.
1. Формирование и ускорение электронного пучка.
2. Периодическая группировка электронов с частотой f. Эта группировка начина-
ется под действием входной ВЧ-мощности, которой является мощность возбуж-
дения колебаний Pd в случае усилителя или мощность электромагнитного шума в
случае генератора.
3. Замедление пучков (или сокращение их релятивистской массы) таким образом,
что их кинетическая или потенциальная энергия превращается в электромагнит-
ную или СВЧ-энергию с частотой f.
4. Передача этой микроволновой энергии за пределы лампы – превращение ее в
выходную мощность лампы POUT.
Характеристики и определения
Для обеспечения работы СВЧ-лампы [4] прежде всего необходимо нагреть катод, из-
лучающий электроны, путем подключения нити накаливания к источнику электроэ-
нергии PF = VFIF. Затем на катод и анод подается питание (P0 = V0I0) в целях получения
электронного пучка с необходимой энергией, который будет двигаться со скоростью
v0, проводя ток силой I0, что задается двумя нерелятивистскими выражениями (реля-
тивистские выражения будут даны ниже):
mv0
2/2 = eV0, (1.1)
I0 = PV0
3/2, (1.2)
где P – коэффициент, относящийся к конструкции пушки и именуемый первеансом.
Для фокусировки пучка используется магнитное поле [5]. Это поле создается либо
постоянным магнитом (магнитами), либо электромагнитом с потребляемой мощно-
1.1. Введение 21
стью PFOC. В случае генератора входной СВЧ-сигнал отсутствует и лампа непосред-
ственно преобразует энергию пучка в СВЧ-энергию с частотой f. Пусть POUT явля-
ется выходной мощностью лампы. Тогда общий КПД лампы составляет η = POUT/
(PF + V0I0 + PFOC), а КПД взаимодействия – ηвз = POUT /V0I0.
Колебания начинаются не сразу после приложения напряжения V0, а спустя вре-
мя задержки τ1, которое может иметь различную продолжительность, как показано на
рис. 1.2. Затем в течение времени нарастания τ2 выходная мощность увеличивается до
номинального уровня POUT. В течение этого времени τ2 частота f изменяется, а затем
стабилизируется.
Мощность POUT зависит от силы анодного тока I0 и сопротивления нагрузки ZL, как
показано на диаграмме Рика (рис. 1.2). Пусковое Δf/ΔI0 и затягивающее Δf/ΔφL отно-
шения, измеренные при постоянном коэффициенте отражения от нагрузки (или ко-
эффициенте стоячей волны (КСВ)), характеризуют чувствительности частоты лам-
пового генератора, где φL является фазой сопротивления нагрузки ZL. Иногда имеет
смысл ограничивать или контролировать частоту колебаний f с помощью управляю-
щего сигнала мощностью Рс < РOUT при частоте fC (близкой к f), который подается на
выход лампы. Для данной мощности Pc отношение Адлера дает полный диапазон ча-
стот, в пределах которых возможно это ограничение: Δfmax = 2 fc / Qх / c OUT P P .
В случае усилителя ВЧ-сигнал мощностью Рd и частотой f подается на вход лампы
и затем усиливается до мощности POUT. Общий КПД усилителя определяется практиче-
ски тем же способом, что и для генератора: η = POUT / (PF + V0I0 + PFOC + Pd), а КПД взаимодействия опять же составляет ηвз = POUT/V0I0. Соотношение G = POUT/Pd является величиной усиления, которое часто выражается в децибелах (дБ) как G = 10log10(POUT/Pd).
Обычно передаточная характеристика POUT/Pd (рис. 1.3) показывает почти линейную
зависимость при низких уровнях сигнала и участок насыщения при больших сигна-
τ1: длительность фронта
импульса запуска
τ2: Rise time – время
нарастания
СВЧ сигнала
τ1 τ2
: крутизна нарастания частоты
: затягивание частоты при постоянном коэффициенте отражения от нагрузки
ΔflΔI0
ΔflΔФL
Высокое напряжение на катоде V0
Выходная СВЧ мощность POUT
МГц
МГц
МГц
МГц
МГц
МГц
Рис. 1.2. Генераторы
Амплитудноzчастотная
характеристика
Pd – постоянная входная мощность
POUT – максимальная мощность
на частоте f0
Pd – настраивается, чтобы везде
получить максимальную
мощность POUT
Pd – постоянная мощность
малого уровня
1 дБ
Рис. 1.3. Усилители
22 Глава 1. Электронные СВЧ-лампы
лах. Ширина диапазона, как правило, измеряемая на уровне -1 дБ, определяется на
основе изменения выходной мощности POUT в зависимости от частоты с коррекцией
Pd на каждой частоте, чтобы максимально увеличить POUT. Ширина диапазона может
быть определена при постоянной Pd, например, с поправкой на величину данной мак-
симальной POUT (см. рис. 1.3).
Групповая задержка τg = dφ/dω представляет собой задержку сигнала внутри лампо-
вого усилителя φ(f), которая является сдвигом фаз между входом и выходом. Влияние
сопротивления нагрузки ZL представлено на диаграмме Рика, где построены кривые
зависимости POUT (ZL).
Основные физические законы движения электронных пучков
Уравнение движения электронов и релятивистские поправки
На электроны в СВЧ-лампах при их взаимодействии с высокочастотными волнами
влияют только определенные силы, которыми нельзя пренебречь. Эти силы называ-
ются электромагнитными силами Лоренца. Все другие силы, например обусловлен-
ные спином или гравитацией соответственно, на 11 или 16 порядков ниже.
Из релятивистского уравнения движения одного электрона
d(meve)/dt = −e(E + veB), (1.3)
mc = 0
1 ( / )2 B
m
− v c
, (1.4)
ve = c 1 1/(1 ( / ))2 n − +V V , (1.5)
где заряд е = 1,60 × 10-19 Кл, ve – релятивистская скорость электронов, me – релятивистская
масса электрона; т0 = 9,11 × 10-31 кг – масса покоя электрона, с – скорость света, V – уско-
ряющее напряжение; Vn = т0с2/е = 511 кВ – ускоряющее напряжение для получения экви-
валента массы покоя одного электрона с учетом релятивистского увеличения массы.
Можно сделать вывод, что кинетическая энергия электрона (или другой заряжен-
ной частицы) может быть изменена только электрическим, а не магнитным полем B,
так как вектор магнитной силы Лоренца FL = –е(vВ) перпендикулярен скорости v и
B, и потому, что скалярное произведение двух ортогональных векторов всегда равно
нулю. Таким образом, передача энергии от пучка электронов ВЧ-волне и в обратном
направлении происходит всегда только за счет электрических компонентов поля ВЧ-
волны и объемного заряда пучков.
dEкин = Fds = −e(E + v B)v dt = −eEv dt, (1.6)
где ds является элементом линейного пути вдоль траектории.
Это не означает, что магнитное поле В не так важно. Наоборот, магнитное поле не-
обходимо для поддержания свойств сфокусированных пучков (см. подраздел 1.3).
Уравнения Максвелла
Поскольку расчет движения большого числа электронов в пучке находится далеко за
пределами вычислительной мощности современных компьютеров, во многих случа-
ях движение частиц можно описать с помощью теоретических уравнений Максвелла.
Здесь напряженности полей Е и В самосогласованно определяются собственными
плотностями заряда и тока ρ и j, для определения которых требуется решение множе-
ства дифференциальных уравнений в соответствии с граничными и начальными усло-
виями для полей E и B. Уравнения Максвелла не способны описать локализованные
процессы столкновения или даже прохождения частиц, которые происходят в элек-
тронных лампах в состоянии, близком к насыщению. Тем не менее они позволяют
сделать полезные выводы и выдвинуть общие соображения симметрии, а также соз-
дать основу для различных видов компьютерного моделирования.
divE = ρ/ε0 плотность заряда источника электрических полей E; (1.7)
rotE = −δB/δt закон индукции; (1.8)
divB = 0 магнитное поле является источником
свободных немагнитных единичных полюсов; (1.9)
rot B = −μ0j + ε0μ0δE/δt; rot B = −μ0 j для стационарных пучков. (1.10)
Из стационарных уравнений Максвелла можно заключить, что электрические и
магнитные поля E и B могут быть получены из скалярного потенциала φ и векторно-
го потенциала А в виде
E = −grad φ, (1.11)
B = rotA. (1.12)
Вводя эти выражения в уравнения Максвелла (1.7) и (1.10), получим уравнения для
тех потенциалов, которые определены в пространстве плотностью заряда ρ и плотно-
стью тока пучка j соответственно:
div grad φ = −ρ/ε0 уравнение Пуассона (уравнение Лапласа для ρ = 0); (1.13)
rot rotA = −μ0 j. (1.14)
Поскольку влиянием плотности тока j на магнитное поле можно в большинстве
случаев полностью пренебречь по сравнению с внешними магнитными