Если мы до сих пор не рассматривали такое явление как ГИРОТРОН, то это, что-то новенькое?.. Да, так и есть! Вы знаете, что такое автожир? Нет, это не про колбасу или шашлыки. А, о чём? Это летательный аппарат. Если Вы увидите его в полёте, не сомневаюсь, что решите, — это вертолёт. Но это не вертолёт. Когда он разбегаясь по полосе взлетает, то это самолёт. Но это не самолёт... О, чём это я? О гиротроне. Внутри так же как в магнетроне носятся по кругу электроны, но это не магнетрон. Там также образуются сгустки и происходит обмен энергией с СВЧ полем как и в ЛБО и ЛОВ, но это далеко не то! А, что тогда? Тоже, что и с автожиром. Автожир от французского autogyre и от греческого autos «сам» + gyros «круг» . Гиротрон от греческого gyros «круг» + (элек) трон. Не заметили сходства? Получается, что если в небе зажигают звёзды, значит это кому-то очень и очень нужно?!!
Да, пока Попов, Рыбкин и примазавовшийся к ним Маркони маялись дурью никто не задумывался о всяких длинах волн, частотах... Аппетит пришёл потом и закончился (не совсем) СВЧ! Всё до тех пор шло как по маслу, но СВЧ сразу же поставили всех на место. Электроны стали не управляемыми и не из-за нежелания, а потому как время пролёта оказалось слишком большим по сравнению со скоростью изменения частоты. Да, стали уменьшать расстояние между электродами и это на время помогло. Но, не на долго! Пришлось изобретать приборы нового типа, работающие на другом принципе. Это: магнетроны, ЛБВ, ЛОВ, клистроны и тд. Помогло, но тоже как-то не очень. Потом появились кроме О-типа ещё и М-типа... Но аппетит разыгрывался быстрее инженерной мысли, и? И на сцене появился... ГИРОТРОН! Но это будет потом, а пока?!
Сложность приборов О-типа и М-типа при работе в СВЧ диапазоне в том, что они работают с замедленными волнами! При освоении более коротких волн процесс стала тормозить сложность конструкции замедляющих систем. И решение проблемы зашло в тупик! Примерно как и освоение СВЧ с помощью обычных радиоламп. Вот на рис.5 и показана та самая проблема в графике. Часть графика 3 это то, что мы имеем при работе с приборами О-типа и М-типа. При приближении к длине волны в 1мм. мощность генераторов, как видите, приближается к нулю! С другой стороны, длины волн от 0,1 мм. и короче давно осваиваются с помощью приборов так называемого, квантового типа, часть 1. Не при делах оставался только диапазон 0,1 — 1мм. часть 2! Долго думали и решили... А, почему бы нам не попробовать работать не с замедленными, а с обычными, незамедленными волнами?! Вот на рис.13a, 13b Вы видите странные сооружения, хотя там ничего странного и нет?! Красным цветом показаны электронные потоки, — жёлтым движущиеся волны СВЧ полей. Зелёным цветом места их встреч с электронными потоками. В семидесятые ходила байка о том как московские таксисты возили железнодорожных лохов с Ленинградского вокзала на Казанский через пол-Москвы, накручивая счётчик... Примерно и у нас на рис.13а СВЧ поле везут огородами к месту встречи с электронным потоком. На рис.13b наоборот электроны теми же огородами и тоже для встречи! На частотах ближе к 1 мм. замедляющие системы практически не выполнимы, равно как и сами приборы о-типа и М-типа. Насколько размеры всего становились малыми! А, как же огромные мощности нужные нам??? И решили пойти по схеме рис.13b! А, поток скрутить в спираль! И началось... Вот поэтому и были предложены приборы которые по принципу находились как раз между О-типа и квантовыми. Такие приборы получили длинное погоняло — МАЗЕРЫ НА ЦИКЛОТРОННОМ РЕЗОНАНСЕ! Естественно его тут же сократили до МЦР. А по механическому принципу назвали ГИРОТРОНЫ. Повторюсь, гиро от греческого gyros «круг» + (элек) трон. А, далее, в общем виде обозвали «ГИРОПРИБОРЫ»: (гиротроны, гиромонотроны, гироклистроны, гиро-ЛБВ, гироконы) и тд. и тп.!.
Как же это всё работает? Посмотрите на рис.1. Это рисунок поясняющий процесс возникающий при движении элементарной частицы (электрона) в магнитном поле со скоростью V. Если вектор V перпендикулярен вектору В (индукции магнитного поля), то под действием силы Лоренца электрон будет нарезать круги. Если же V скажем под углом [а] к В, то V будет представлять сумму векторов Vпар. параллельного вектору В и Vпер. перпендикулярного В. Электрон будет участвовать в движении по кругу и одновременно двигаться по направлению силового поля В. В смысле описывать винтовую линию рис.4. На рис.3 более приземлённый вариант. Так называемая пушка, катод запускающий электроны в магнитное поле под некоторым углом с линейной скоростью V и естественно составляющими поперечной Vт и продольной Vz. Всякие электротелодвижение вызывают рождение электромагнитных полей СВЧ. Конечно, в отличие от О-типа со своими замедляющими системами, здесь (в гиротронах) используют либо чисто резонаторы, либо волноводы (коаксиальные линии) и без всяких замедляющих систем. И теперь все тет-а-тет происходят на незамедленных скоростях волн в этих самых коаксиальных линиях либо резонаторах.
Что же происходит внутри этого чёртового гиротрона, он же МЦРэ?! Когда я в конце шестидесятых сдуру поступил в радиотехнический, то? То после заУШного обучения в школе и плюс радиолюбительства, с удивлением узнал... Узнал, что химия, вовсе не химия, а физика?! А радиотехника, не паяльник, а одна сплошная математика... Вот и Вам лапшу буду вешать на уровне 8-го Б класса! Потому как по серьёзному голова будет болеть! Сначала у меня, а потом у Вас!!! Как-то так?!
Так, чего мы с Вами добиваемся от этих гиротронов? Чего добивались и до этого, в метровых, дециметровых и сантиметровых волнах... Генерации и усиления частот до СВЧ, включительно! Проще с помощью энергии источника тока превратить в СВЧ-энергию или хотя бы усилить имеющуюся, приходящую извне. Итак. Винтовая линия, траектория по которой несётся стадо электронов... Наша же задача, как минимум создать условия для передачи энергии электрона полю. Передача в нужное время и нужном месте! А, оно это место, тормозящая фаза поля СВЧ. То есть нужна опять эта чёртова синхронизация!
Для начала рассмотрим всего лишь один электрон, вращающийся вокруг силовых линий В. Он же движущийся вдоль той же линии. Вот на рис.6 он и есть. Всё (как я Вам и говорил) происходит в линии передачи, точнее в прямоугольном волноводе. На рисунке он к Вам торцом. Для нас главное, хотя и не очень из теории волноводов... Широкая стенка волновода [а] играет некую свою роль! Имеется в виду внутренний размер!!! В таком волноводе волны с длиной более 2а не могут существовать. А, длина волны равная 2а называется КРИТИЧЕСКОЙ на рис.8, зелёная формула. Бугорок над волноводом и есть распределение электрической составляющей поля СВЧ. То есть максимум в центре и минимум (считайте ноль) по краям. Окружность в середине волновода проекция траектории электрона. Мы условно его так разместили... Стрелка показывают направление вращения электрона. Получается, что электрон в точке А движется параллельно электрической составляющей. По закону, сила поля действует навстречу движения электрона, так ещё тормозит. То есть будет тормозящим!!! Что заставляет электрон отдавать (сопротивляясь) часть своей энергии полю СВЧ! А, это и есть то, что нам нужно! То, к чему мы всё время и стремимся... В точке Б поле СВЧ близко к нулю и никакого взаимодействия с электроном не происходит. Наша задача сделать так, чтобы электрон всё время попадал в тормозящее поле!
Выясним при каких условиях состоится эта незабываемая встреча электрона и тормозящего поля?! На рис.8 показана некая неразбериха? Хотя там нет ничего сложного?! Итак! Перед нами замершая картинка положения электрических составляющих поля СВЧ (красные стрелки). Зелёные «шарики», — электроны готовые отдаться полю... По нашей прихоти электроны и поле движутся слева-направо. Электроны с Vz, Еп с около световой (фазовой). Еп, — попутная волна, Ев, — встречная (обратная). Теперь на старт! Электрон находится в точке А1, Еп слева на расстоянии длины волны! Тормозящее поле в точке А1, Е1. Стартуем... Электрон за один период нашей циклотронной частоты проходит путь Lэ. Еп (теперь уже Е2) догоняет электрон (по нашему условию), пройдя путь Lв1, равный длине волны и плюс Lэ. Аналогично произойдёт со встречной волной. Она до встречи пройдёт путь Lв2, равный длине волны (от места старта А1 до А2) и минус Lэ! Объединяя эти оба условия имеем общую картинку рис.8а (голубого цвета). Причём опираясь на начальные исходные, формулы рис.4а (зелёный блок). После нудных разбирательств пришли к выводу (хотя это и так лежало на поверхности!), что частота синхронизации примерно должна быть равна циклотронной, умноженной на n = 1,2,3... Другими словами условие фазового синхронизма переходит в условие частотного синхронизма! Вот здесь мы и поставим временную точку (для 8-го Б класса).
А, что делать с остальным стадом электронов? Как они поведут себя? А, точнее, что нам-то нужно? Тоже самое, что и в лампах О-типа?! Совершенно верно, — динамического управления потоком, образованием сгустков и уже ими взаимодействовать с тормозящим полем! Да на рис.6 мы рассматривали хромоножку, на электрон А действовало торможение, а на Б нет. Изменим это положение на другое рис.7. Теперь траектория двух электронов попадает в центр событий. На электрон А действует тормозящее поле, а на Б ускоряющее! Через пол-оборота они меняются местами, а там как СВЧ подсуетится?.. И, чё с того??? А, с того, что будут образовываться сгустки электронов. Как? С помощью модуляции по скорости переходящей в модуляцию по плотности! Да, мы вывели некие формулы, но? Но объяснить процесс можно только с учётом РЕЛЯТИВИСТСКОГО эффекта. По-простому обратиться к эффекту при движении частиц (электронов) со скоростью близкой к скорости света С! Как оказалось, что даже в половину скорости эффект присутствует. А, раз так, то наши формулы преобразуются в формулы рис.13. Где всем заправляет отношение линейной скорости потока электронов к скорости света! Вот и получается, что при увеличении линейной скорости электронов угловая скорость вращения будет уменьшаться, а радиус циклотронной орбиты, стало быть, увеличиваться.
Не очень вдаваясь в подробности рассмотрим рис.10, 11, 12, как продолжение рис.7. Используемся методом пробных электронов (8 штук) рис.10. Электроны 1,2 и 8 попадают в фазу ускоряющего поля, а 4,5 и 6 в тормозящую. Снижение скорости приводит к уменьшению радиуса и электроны 4,5 и 6 перейдут на более низкую орбиту, а 1,2 и 8 наоборот, высокую. Электроны 3 и 7 оказываются ни при делах, но это только на первых порах! Каждая орбита соответствует энергии электронов. Так первоначальная соответствовала энергии 50 кэВ. Если вы на досуге, так между делом, не занимались частицами, то Вам непонятны эти кэВ?! Это придумали хонурики-физики. Один электроновольт это энергия частицы при движении поля образованного напряжением в 1В ! Добавив к этому К получим 50 килоэлектроновольт.
Теперь перейдя к рис.11 увидим как через порядка 10 оборотов нашей винтовой линии произойдёт начало образования сгустков. Электроны 4, 5 и 6 собираются вблизи 7. И вот уже на рис.12 сближение достигнет максимума. Сгусток образовался! Мне лишь осталось привести небольшие цифорки! Так, при разгоне электронов напряжением в 100 кВ дробь V/C = 0,625. При 50кВ 0,442. При V=C Напряжение разгона должно быть 255,9 кВ! Но согласно теории относительности это не произойдёт так как масса электрона устремится в бесконечность! Вот такая сказка получается...
Казалось бы такая простецкая задача оказалась практически далеко не такой?! Все эти гиро с тронами для нужного нам эффекта требуют огромных величин магнитных полей. Сумасшедший разгон ведёт к постоянному присутствию рентгеновских излучений!!! А, далее самое интересное! Вумные книги как сговорились говорят нам, что? По мнению украинского учебного пособия, гироприборы широко используются, а белорусского не получили широкого применения?!! Ну, у каждого своя правда!!! :-))) Правда же, как всегда посередине!