Рис. 1. Примеры замедляющих систем: а - однозаходная спираль;б - волновод с гофрированными стенками; в - гребёнка; г - диафрагмированный волновод.
Замедляющая система (замедляющая структура) - устройство, формирующее и канализирующее эл--магн. волны с фазовой скоростью v, меньшей скорости света с в вакууме (замедленные волны) и обеспечивающее их длительное, синхронное взаимодействие с потоками заряж. частиц. Величину п=с/v наз. коэф. замедления (замедлением), формально она совпадает с показателем преломления нек-рой эфф. среды. Длительное (в масштабе периода колебаний Т), синхронное взаимодействие частиц с волной обладает свойством избирательности, достигая макс, эффекта при скорости частиц vц~v. Этими определяются осн. области применения 3. с.: электронные СВЧ-приборы, основанные на индуцир. черенковском излучении и аномальном Доплера эффекте ,такие, как лампа бегущей волны (ЛБВ), лампа обратной волны (ЛОВ), магнетрон, нек-рые разновидности мазеров на циклотронном резонансе; синх-ротронные и линейные ускорители, сепараторы заряж. частиц; осциллографич. электронно-лучевые трубки бегущей волны. Аналогичные устройства в черенковских счётчиках, регистрирующие индивидуальное световое излучение быстрых частиц, наз. радиаторами. Эффект замедления достигается при помощи сплошных однородных сред с большими диэлектрич. и (или) магн. проницаемостями. Другой класс 3. с. связан с использованием неоднородных по длине (обычно периодич. или почти периодич.) структур. Это могут быть чисто металлич. устройства (спирали, волноводы с гофрир. стенками, цепочки связанных резонаторов и т. п.). Именно такие 3. с. п преобладают на практике (рис. 1).
Рис. 1. Примеры замедляющих систем: а - однозаходная спираль;б -
волновод с гофрированными стенками; в - гребёнка; г - диафрагмированный
волновод.
В спиральных 3. с. замедление п главной волны примерно равно отношению длины проводящих "нитей" спирали к длине их намотки, что позволяет интерпретировать механизм замедления как распространение волн тока со скоростью с вдоль этих проводящих нитей, т. е. по удлинённому пути (рис. 2). При этом дисперсия (зависимость n от w) отсутствует, групповая скорость равна фазовой.
РИС. 2. Модель спиральных замедляющихся систем: а - сплошной цилиндр с
анизотропной проводимостью, бесконечной вдоль витков и нулевой
перпендикулярно им; б - дисперсионная зависимость осесимметричной волны в
нём, n:=lim n при kR2/h'':, k=w/c.
В периодич. 3. с. любую компоненту поля нормальной волны u(r, t) = Reu0(r)•ехр(iwt) можно представить в виде суперпозиции т, н. пространств, гармоник (ПГ) (следствие Флоке теоремы):
где z - осевая, a r1 - поперечная к ней координаты; ет(r^) - амплитуда m-й ПГ, bm=b0+2pm/d - её волновое число, причём обычно полагают |b0|<|bm|; d - период 3. с. Фазовые скорости ПГ vm=w/bm отличаются
друг от друга.
Замедление и в др. случаях можно объяснить удлинением пути волн из-за
переотражений от периодически расположенных препятствий, это же приводит
и к возникновению ПГ в (1). В синхронизме с движущимися частицами могут
находиться любые ПГ, но это вовсе не означает, что и др. ПГ обязаны
быть медленными - волновое поле (1) допускает существование и быстрых
гармоник (|v|>c), к-рые в неэкранир. системах ведут себя как
излучающие (поэтому их иногда наз. вытекающими волнами). Величина и
направление групповой скорости определяются всем набором ПГ (1). У части
ПГ фазовые скорости совпадают по направлению с групповой (прямые
гармоники), у др. части vm противоположны групповой
скорости (обратные гармоники). Синхронизм с прямыми ПГ используется в
приборах типа ЛБВ, ускорителях и управляющих элементах
осциллография, трубок; в приборах типа ЛОВ используют синхронизм с
обратными ПГ.
Эффективность взаимодействия ВЧ-поля с движущимися частицами в 3. с.
характеризуется в электронных СВЧ-приборах сопротивлением связи Rсв = |Ет|2/2b2тР, а в ускорителях - шунтовым сопротивлением Rт=|Ет|2/2aР, где Р - поток энергии через поперечное сечение 3. с., Ет- компонента поля синхронной гармоники, действующая на заряж. частицы, a - коэф. затухания волн.
Важной особенностью нормальных волн в любой пе-риодич. системе являются частотные полосы ненропускания, когда Imbm№0 даже в системах без потерь. Это одномерный вариант отражения, возникающего в произвольных периодич. решётках (см. Брэгга-Вульфа условие).
Любую систему, направляющую волны, фазовая скорость к-рых меньше
скорости однородной волны в окружающем свободном пространстве, можно
отнести к 3. с., независимо от её назначения. Сюда, в частности,
относятся нее типы волноводов диэлектрических, а также системы, направляющие поверхностные волны.
Я. Ф. Ковалев, Р. А. Силин
|
|
 |
