Лампа обратной волны (ЛОВ). РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Лампа обратной волны (ЛОВ) - генератор эл--магн. колебаний СВЧ-диапазона, принцип действия к-рого основан на преобразовании энергии электронных пучков в энергию СВЧ-излучения в результате длительного синхронного взаимодействия этих пучков с обратными волнами. ЛОВ во мн. отношениях аналогична лампе бегущей волны (ЛБВ) - как по формированию электронных пучков, так и по сходности процессов их самосогласованного взаимодействия с СВЧ-полями. Почти каждому варианту ЛБВ можно поставить в соответствие аналогичный вариант ЛОВ.

Схематич. изображение одной из ЛОВ приведено на рис. 1. Статич. электрич. поле в электронной пушке 1 ускоряет пучок электронов 2, движущихся прямолинейно. Часть кинетич. энергии электронов отдаётся в пространстве взаимодействия обратной эл--магн. волне, фазовая скорость vф к-рой близка поступат. скорости электронов v_e:

а групповая скорость

имеет противоположное направление

Остаточная энергия пучка рассеивается на коллекторе 5.

Условие фазового синхронизма (1) обеспечивает длительное, по сравнению с периодом колебаний

(f - частота), синфазное взаимодействие электронов с волной, если она имеет отличную от нуля продольную компоненту электрич. поля

. Волна с такой структурой поля формируется с помощью замедляющей системы 3 (рис. 1), в качестве к-рой часто используются волноводы с периодически изменяющимися параметрами. Подбором пространственного периода d волновода достигается фазовый синхронизм (1) электронов с одной из гармоник обратной волны, вклад других несинхронных гармоник оказывается незначительным.

Рис. 1. Условная схема лампы обратной волны типа "О": 1 - электронная пушка; 2 - электронный пучок; з - замедляющая система; 4 - сгусток электронов; 5 - коллектор; П. В.- пространство взаимодействия.

Взаимодействие электронов с волной в ЛОВ можно рассмотреть на примере замедляющей системы в форме зигзагообразного волновода (рис. 2). В секциях А, В, С, D, F электрич. поле направлено вдоль движения электронов, следовательно, условие

выполнено. Если в секции А какая-то группа электронов попала в тормозящую фазу поля волны, бегущей по волноводу справа налево, то подбором периода d и длины зигзага волновода можно добиться того, чтобы при подлёте этой же группы электронов к след. секции В поле волны опять оказалось тормозящим, и так для всех последующих секций. В результате первоначально стационарный и однородный пучок модулируется по скорости - электроны, попавшие в ускоряющую фазу поля, увеличивают свою скорость, а в тормозящую фазу - уменьшают.

Рис. 2. Замедляющая система в виде зигзагообразного волновода.

В дальнейшем из-за неравномерного взаимного смещения частицы собираются в периодич. последовательность сгустков 4 (рис. 1), т. е. в пучке возникает ВЧ-ток. Это явление наз. группировкой или фазировкой частиц. Наведённый ВЧ-ток электронов возбуждает (излучает) ВЧ-поле, к-рое, складываясь с первонач. волной, приводит к её усилению. Чтобы сгруппиров. пучок излучал, а не поглощал эл--магн. волны, нач. скорость электронов v_e должна слегка превышать фазовую

. По существу эти два взаимосвязанных процесса - частный случай т. н. индуцированного излучения, составляющего основу большинства генераторов и усилителей с распределёнными параметрами (как классических, так и квантовых - лазеров ).Элементарным излучателем в ЛОВ, изображённой на рис. 1, является одиночный электрон (или сгусток электронов), движущийся равномерно вдоль оси со скоростью

Излучение такого электрона наз. черепковским (см. Черенкова-Вавилова излучение), а основанные на нём приборы соответственно относят к классу черенковских. По характеру группировки их наз. приборами типа "О" ("осевое" движение) или приборами с инерционной группировкой, поскольку процесс этот может продолжаться и на участках свободного дрейфа электронов (см. Клистрон).

В ЛОВ постулат. движение электронов и поток энергии обратной эл--магн. волны направлены навстречу ДРУГ другу, это приводит к образованию распределённой внутр. обратной связи. Поэтому при превышении электронным током I нек-рого стартового значения

возникает автоколебат. режим даже при условии полного согласования входа и выхода замедляющей системы. Частота автоколебаний f_а определяется условием фазового синхронизма (1) и, следовательно, зависит от величины скорости электронов

к-рая, в свою очередь, определяется ускоряющим напряжением U, подаваемым на электронную пушку (электронная перестройка частоты). Для иллюстрации перестройки частоты на диаграмме

(рис. 3; k - волновое число) приведены возможные дисперсионные характеристики обратной эл--магн. волны (кривая 1)и волн электронного ВЧ-тока в пучке (линии 2); сплошные и пунктирные линии соответствуют разным U. Так как частота генерации f_а определяется пересечением линий 1 и 2, то при изменении U изменяется и частота. Кривая 1 в области пересечения её с линиями 2 наклонена вниз

поскольку

Каждой линии 2 соответствуют две волны электронного ВЧ-тока, одна из к-рых переносит "отрицат." энергию (этим понятием пользуются, когда в целом положит. энергия пучка при возбуждении волны уменьшается). Взаимодействие волн с положит. и отрицат. энергиями, если одна из них обратная, приводит к возникновению абсолютной неустойчивости, что и является причиной существования автоколебат. режима в ЛОВ.

Рис. 3. Дисперсионные характеристики обратной электромагнитной волны 1 и высокочастотных электронных волн в пучке 2.

ЛОВ - один из самых широкодиапазонных СВЧ-автогенераторов с электронной перестройкой частоты. Этим объясняется многообразное применение их в радиотехнич. и измерит. аппаратуре в качестве свин-генераторов, гетеродинов, быстроперестраиваемых задающих СВЧ-генераторов и т. д. При токе электронного пучка, меньшем стартового

ЛОВ работает как узкополосный регенеративный усилитель, перестраиваемый напряжением U, что широко используется на практике. Если

то в ЛОВ возникает автомодуляц. режим - генерируется периодич. последовательность радиоимпульсов. Дальнейшее увеличение тока I может привести к генерации последовательности уже не повторяющихся по форме импульсов.

Кроме ЛОВ типа "О" известны ЛОВ типа "М", ЛОВ МЦР, ЛОВ-убитрон, ЛОВ на аномальном эффекте Доплера, ЛОВ с плазменными электродинамич. системами и др. Их объединяет явление образования распределённой внутренней обратной связи, тогда как механизм индивидуального излучения электронов, а также их группировка могут различаться. Напр., в ЛОВ типа "М", как и в магнетроне (отсюда и назв. ЛОВ типа "М"), электроны движутся в скрещенных электрич. и магн. полях. Под действием синхронного ВЧ-поля электроны отдают ему свою потенц. энергию, перемещаясь в область с более высоким потенциалом. Работа ЛОВ МЦР (мазер на циклотронном резонансе в варианте ЛОВ) и ЛОВ-убитрон основана на тормозном излучении электронов, фазовое условие (1) при этом заменяется на

где

- частота колебаний электронов в статич. полях.

может принимать и отрицат. значения, если

в этом случае обратной становится волна ВЧ-тока в пучке, а эл--магн. волна - прямая

но распространяется навстречу пучку hi

80-х гг. были разработаны ЛОВ типа "О", работающие в диапазоне частот 1-700 ГГц с мощностью до 10 Вт (в ДВ-части диапазона и монотонно уменьшающейся с увеличением частоты) и перестройкой частоты, превышающей октаву:

. Освоен выпуск ЛОВ типа "М", работающих в диапазоне частот 0,5-20 ГГц, с выходной мощностью до 1 кВт п перестройкой до

октавы. Кпд ЛОВ типа "О" обычно не превосходит неск. процентов, а ЛОВ типа "М" может превышать 50%. На лаб. макетах импульсных ЛОВ типа "О" с пучками релятивистских электронов была достигнута пиковая мощность выходного излучения

ГВт при кпд 15%.

Первое достаточно полное и подробное оппсание явления генерации электронными пучками обратных волн дал С. Мильман (S. Millman) в 1950; общепринятое назв. для этого класса СВЧ-приборов предложили Р. Компфнер (В. Kompfner) и Н. Уильяме (N. Williams) в 1953. ЛОВ типа "М" и типа "О" с релятивистскими электронными пучками вследствие их конструктивных особенностей наз. иногда карцииотронами (от греч. carcinotron - рак, пятящийся назад).

Литература по лампам обратной волны (ЛОВ)

Знаете ли Вы, что cогласно релятивистской мифологии "гравитационное линзирование - это физическое явление, связанное с отклонением лучей света в поле тяжести. Гравитационные линзы обясняют образование кратных изображений одного и того же астрономического объекта (квазаров, галактик), когда на луч зрения от источника к наблюдателю попадает другая галактика или скопление галактик (собственно линза). В некоторых изображениях происходит усиление яркости оригинального источника." (Релятивисты приводят примеры искажения изображений галактик в качестве подтверждения ОТО - воздействия гравитации на свет)
При этом они забывают, что поле действия эффекта ОТО - это малые углы вблизи поверхности звезд, где на самом деле этот эффект не наблюдается (затменные двойные). Разница в шкалах явлений реального искажения изображений галактик и мифического отклонения вблизи звезд - 10¹¹ раз. Приведу аналогию. Можно говорить о воздействии поверхностного натяжения на форму капель, но нельзя серьезно говорить о силе поверхностного натяжения, как о причине океанских приливов.
Эфирная физика находит ответ на наблюдаемое явление искажения изображений галактик. Это результат нагрева эфира вблизи галактик, изменения его плотности и, следовательно, изменения скорости света на галактических расстояниях вследствие преломления света в эфире различной плотности. Подтверждением термической природы искажения изображений галактик является прямая связь этого искажения с радиоизлучением пространства, то есть эфира в этом месте, смещение спектра CMB (космическое микроволновое излучение) в данном направлении в высокочастотную область. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.