Мазер на циклотронном резонансе. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Мазер на циклотронном резонансе (МЦР) - СВЧ-генератор (усилитель), в к-ром используется вынужденное излучение пучка электронов, движущихся по винтовым траекториям в однородном магн. поле (или по трохоидальным траекториям в скрещенных электрическом и магнитном полях). При движении электронов в магн. поле H₀ по винтовым траекториям взаимодействие электронов с эл--магн. волной, распространяющейся вдоль магнитного поля E

, происходит при выполнении условия циклотронного резонанса (синхронизма), к-рое с учётом доцлеровской поправки (см. Доплера аффект)имеет вид

Здесь

- постулат, скорость электрона вдоль магн. поля H₁₁,

- частота волны,

- компонента волнового вектора k вдоль

- циклотронная частота,

- полная энергия, е - заряд электрона. Из (1) ясно, что при s >= 1 в МЦР отсутствует необходимость замедлять волну. Именно это обстоятельство, сближающее МЦР с квантовыми генераторами, и определяет его преимущества на миллиметровых и субмиллиметровых волнах перед традиц. СВЧ-генера-торами - магнетроном, лампой бегущей волны (ЛЕВ) и др., где для осуществления синхронизма необходимо движение электронов вблизи замедляющей системы.

Как и в др. классич. СВЧ генераторах, в МЦР преобразование энергии стационарного електронного пучка в излучение оказывается возможным благодаря группировке частиц полем "затравочной" волны. Образующиеся электронные сгустки усиливают первичную волну (циклотронная неустойчивость). Такой индуциров. процесс происходит в МЦР вследствие: 1) зависимости w,, от энергии электрона

(неизохронность вращения), к-рая приводит к азимутальной группировке частиц, меняющих свою энергию в процессе взаимодействия с волной; 2) различия по-ступат. смещений, к-рые приобретают электроны, попавшие в разные фазы пространственно неоднородной волны; этот механизм приводит к продольной (вдоль H₀) группировке частиц.

При квантовой интерпретации этим механизмам отвечают: неэквидистантность энергетич. уровней электрона в магн. поле (см. квантовые уровни)и "отдача" при излучении фотона, также ведущая к различию частот волн, испускаемых и поглощаемых электроном. Первый из этих механизмов специфичен и имеет принципиально релятивистскую природу, а второй более универсален и кроме МЦР действует во многих СВЧ-генераторах, в частности в ЛЕВ.

Классическая интерпретация. Рассмотрим взаимодействие электронов, первоначально равномерно распределённых на циклотронной окружности, с электрич. полем E волны, имеющим компоненту, вращающуюся с частотой, равной циклотронной частоте электронов (рис. 1,a). В результате взаимодействия циклотронная частота электрона Б, отбирающего энергию у волны, уменьшается и он начинает вращаться медленнее, а циклотронная частота электрона В, отдающего энергию волне, возрастает и он вращается быстрее. Поэтому вблизи электрона А, вращающегося с невозмущённой частотой, образуется сгусток электронов. Для того чтобы электроны в среднем отдавали свою энергию волне, сгусток должен перемещаться синхронно с тормозящей фазой волны. Для этого частота вращения волны (с учётом доплеровской поправки

) должна немного превышать исходную циклотронную частоту электронов.

Квантовая интерпретация. Пусть в исходном состоянии все электроны находятся на р-м квантовом уровне (рис. 1,6). Поскольку неэквидистантность уровней невелика, волна может вызывать переходы с р-го как на более низкие (вынужденное излучение), так и на более высокие (резонансное поглощение) уровни. Для преобладания излучения над поглощением интенсивность спектра волны на частоте

должна быть выше, чем на частоте

, что и реализуется при

Вследствие малой неэквидистантности электрон способен последовательно переходить на всё более низкие уровни, испуская много квантов.

Как и для приборов, основанных на вынужденном излучении электронов, движущихся по прямолинейным траекториям, для МЦР существует много вариантов построения как генераторов (МЦР-монотрон, где обратная связь обеспечивается отражением волн от концов резонатора; МЦР со встречной волной - аналог лампы обратной волны и др.), так и усилителей внеш. сигнала (МЦР-ЛБВ и МЦР-клистрон).

Гиротрон. Из многочисл. вариантов МЦР при слаборелятивистских энергиях электронов наиб, распространение получили генераторные и усилительные разновидности гиротрона (рис. 2). В гиротроне электроны слабо взаимодействуют с полем нерегулярного волновода на частоте, близкой к критической, когда фазовая скорость волны

В таких условиях доплеровская поправка к частоте, равная

мала, благодаря чему снижается до минимума уширение спектральной линии (вызванное разбросом поступат. скоростей электронов) и тем самым повышается электронный кпд. Отсутствие замедляющей системы и возможность использования открытых резонаторов делают ги-ротроны мощными генераторами и усилителями диапазона миллиметровых и субмиллиметровых волн.

Согласно условию (1), длина волны слаборелятивистского гиротрона, работающего на осн. циклотронном резонансе (s = 1), связана с величиной магн. поля соотношением:

Отсюда ясно, что для реализации гиротронов КВ-части миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов требуются интенсивные магн. поля H₀ ~ 100 кЭ, к-рые обеспечиваются криомагн. системами или импульсными соленоидами.

Гиротроны позволили освоить весь диапазон миллиметровых волн на высоких уровнях мощности (~1 МВт в импульсном и сотни кВт в непрерывном режимах) с кпд ~ 30-40%. Это делает их перспективными для ряда энергетич. приложений, в частности для нагрева плазмы в установках управляемого термоядерного синтеза.

При переходе к релятивистским энергиям электронов эффективность гиротрона уменьшается вследствие слишком большой неизохронности вращения частиц, приводящей к их быстрому выходу из резонанса. Поэтому в релятивистской области энергий с гиротроном начинает конкурировать др. разновидность МЦР, в к-рой фазовая скорость волны близка к с и изменение w_скомпенсируется соответствующим изменением допле-ровской поправки (авторезонанс). В таком МЦР частота генерации может во много раз превышать w_с(режим лазера на свободных электронах).

Первые предложения об использовании вынужденного циклотронного излучения для СВЧ-генера-ции были высказаны в 1959 независимо А. В. Гапоновым-Греховым, Дж. Шнайдером (J. Schneider) и P. Пантеллом (R. Pantell), а гиротрон был предложен и реализован в сер. 60-х гг. в СССР.

Литература по мазерам на циклотронном резонансе

Знаете ли Вы, почему "черные дыры" - фикция?
Согласно релятивистской мифологии, "чёрная дыра - это область в пространстве-времени, гравитационное притяжение которой настолько велико, что покинуть её не могут даже объекты, движущиеся со скоростью света (в том числе и кванты самого света). Граница этой области называется горизонтом событий, а её характерный размер - гравитационным радиусом. В простейшем случае сферически симметричной чёрной дыры он равен радиусу Шварцшильда".
На самом деле миф о черных дырах есть порождение мифа о фотоне - пушечном ядре. Этот миф родился еще в античные времена. Математическое развитие он получил в трудах Исаака Ньютона в виде корпускулярной теории света. Корпускуле света приписывалась масса. Из этого следовало, что при высоких ускорениях свободного падения возможен поворот траектории луча света вспять, по параболе, как это происходит с пушечным ядром в гравитационном поле Земли.
Отсюда родились сказки о "радиусе Шварцшильда", "черных дырах Хокинга" и прочих безудержных фантазиях пропагандистов релятивизма.
Впрочем, эти сказки несколько древнее. В 1795 году математик Пьер Симон Лаплас писал:
"Если бы диаметр светящейся звезды с той же плотностью, что и Земля, в 250 раз превосходил бы диаметр Солнца, то вследствие притяжения звезды ни один из испущенных ею лучей не смог бы дойти до нас; следовательно, не исключено, что самые большие из светящихся тел по этой причине являются невидимыми." [цитата по Брагинский В.Б., Полнарёв А. Г. Удивительная гравитация. - М., Наука, 1985]
Однако, как выяснилось в 20-м веке, фотон не обладает массой и не может взаимодействовать с гравитационным полем как весомое вещество. Фотон - это квантованная электромагнитная волна, то есть даже не объект, а процесс. А процессы не могут иметь веса, так как они не являются вещественными объектами. Это всего-лишь движение некоторой среды. (сравните с аналогами: движение воды, движение воздуха, колебания почвы). Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.