НЕ ВЕРЬ ГЛАЗАМ СВОИМ!
О чём это я? Как о чём, об СВЧ. И? Тридцать одна мини-лекция и всё об СВЧ. А, СВЧ, это скока? Вот тут-то я почувствовал себя дураком, в смысле кому верить? Одна страна, один народ. Одни дети, школы, классы... Одни учебники, Физика 11 класс. Такое впечатление, что каждый автор живёт в своём мире и по своим понятиям?! Я понимаю, что ельцинский бардак никто не отменял... Но не до такой же степени?
А, о чём собственно базар? О том, что такое СВЧ С чего начинается Родина? Тут полны абзац! Харьковский университет. Там всё по импорту (они же всё косят под Эвропу). В эвропэ, СВЧ лишь маленький огрызочек от бесконечных понятий. Харьковские: «А, мы-то здесь причём, цэ ж усе Эвропа! А мы, нэ мы и хата нэ наша». Взять наши учебники там скромнее. СВЧ, это от сель и до сель и точка. Вот только по частотам одно, а по метрам совсем другое?! Обессилев от этого хаоса, я принял, на мой взгляд автора более серьёзного изложения темы, чем для 11-го класса. Вот оно.
Сверхвысокочастотными колебаниями (СВЧ) называют колебания с частотой f > 300 МГц или длиной волны менее 1 м. Принято следующее деление (СВЧ) на диапазоны по длине волны и частоте:
дециметровые волны 1 м — 10 см (300—3000 МГц)
сантиметровые волны 10 см — 1 см (3—30 ГГц)
миллиметровые волны 1 см — 1 мм (30—300 ГГц)
субмиллиметровые волны 1 мм — 0,1 мм (300—3000 ГГц
К субмиллиметровым волнам примыкает диапазон оптических волн (инфракрасное ИК, видимое и ультрафиолетовое излучения).
С инфракрасным вроде бы всё сходится, а, что ниже по частоте? У меня знак вопроса рис.1 Это как шутка в СССР! КПСС верный помощник Коммунистической Партии Советского Союза (КПСС) :-))) Вот так и у нас получается. По старым понятиям всё это было УЛЬТРАВЫСОКИЕ ЧАСТОТЫ, УВЧ. Помните как Вас грели в поликлиниках (больницах) этим УВЧ? А, что такое УЛЬТРА? Это от латинского ultra, СВЕРХ, свыше. То есть УВЧ и есть СВЧ?! А, в литературе СВЧ всего лишь часть УВЧ! Это про КПСС которое...
Вернёмся к началу. Итак, тридцать одна мини-лекция. Что мы узнали? Если пройтись по списку на ПРОЗе, то мы узнали:
1. Вкратце, что такое СВЧ?
2. Коротенько, что такое квантовая физика (квантовая механика).
3. Узнали, что такое лазер?!
4. Познакомились с электровакуумными приборами (лампами), как-то: сеточными (обычные радиолампы под СВЧ) и лампами-приборами с другими в отличие от сеточных, принципами работы. Такими как: клистроны, лампы бегущей и обратной волны ЛБВ и ЛОВ О-типа и ЛБВМ, ЛОВМ М-типа. Магнетроны и митроны. Амплитроны и Платинотроны. Гиротроны, совершенно нового типа СВЧ-приборы.
5. Конечно познакомились с СВЧ-антеннами, куда же без них? Казалось бы, что ещё надо?! Не торопитесь!
С одной стороны, лучшее-враг хорошего! С другой, человек, ненасытное существо (мягко говоря), которому всегда, всего мало... Давай больше, кидай дальше, лезь выше... В смысле по частоте, это про СВЧ которое... Поначалу всё шло как по маслу, но потом начались одни тормоза.
Первыми взбрыкнули приборы с замедляющей системой ЗС. Создать замедляющую систему для, скажем волн длиной в 1мм., однако! Да ещё рассчитанную на большие мощности? Так появились приборы без ЗС, работающие на принципе незамедленных волн. Приборы получили погоняло Мазер на Циклотронном Резонансе (МЦР)! Позже они получили название «гиротрон», а весь класс приборов, принцип работы которых основан на взаимодействии РЕЛЯТИВИСТСКИХ вращающихся электронных пучков с полем бегущей волны в волноводе, получил название «гироприборы» (гиротроны, гиромонотроны, гироклистроны, гиро-ЛБВ, гироконы). А, что значит релятивистский?
РЕЛЯТИВИСТСКИЙ, от латинского relativus «относительный» — относящийся к явлениям, рассматриваемым на основе частной теории относительности (теории движения тел со скоростями близкими к СКОРОСТИ СВЕТА) или общей теории относительности (теории тяготения) Альберта Эйнштейна.
Большим преимуществом гиротронов является возможность использования отрезков ВОЛНОВОДОВ (вместо сравнительно сложных замедляющих систем). Более того, в гиротронах нет необходимости добиваться согласования отрезка волновода на входе и выходе. Могут также использоваться резонансные отрезки волновода, в которых устанавливается режим СТОЯЧЕЙ волны. К недостаткам гиротронов следует отнести необходимость создания СИЛЬНЫХ магнитных полей.
Так как же устроен ГИРОТРОН? Гиротрон от греческого gyros «круг» + (элек) трон. Догадываюсь и очень надеюсь, что тот кто читает эту заключительную мини-лекцию те остальные тридцать одну мини-лекцию и в глаза не видел?! Для тех в трёх (почти) словах об устройстве и работе нашего гиротрона. Ключевое слово РЕЛЯТИВИСТСКИЙ!!! В обычной нашей жизни если допустить движущееся по кругу тело притормозить или наоборот ускорить, то ничего особого не произойдёт. Только, что снизит или увеличит свою скорость. Но, если его (тело) раскочегарить до скорости вращения близкой к световой, то? То вступит в действие тот самый РЕЛЯТИВИСТСКИЙ эффект!
Обратимся к рис.2. Это слишком схематично изображён тот самый странный гиротон. И хотя там всё вроде бы понятно, но всё же... B — индукция магнитного поля. Стрелочка, — направление силовых линий. Электронная пушка направляет поток электронов под углом к направлению линий В со скоростью V. Скорость в свою очередь разлагается на поперечную Vт и продольную Vz. Сила Лоренца закручивает траекторию в окружность, а Vz движет всё это хозяйство в направлении голубой линии. То есть вдоль стенок волновода. И стало быть весь процесс происходит в волноводе. В нашем случае в прямоугольном (разрез на рис.5). Так как толщина стенки волновода, грубо говоря никем и ничем не гарантируется, то оперируют размерами внутренних стенок. А, в волноводе , [а] длина широкой стенки, а [b] узкой. Остановимся на рис.5. В волноводе условно стоячая волна Н10. Что это для нас значит?
В общем виде волны в волноводе обозначают так: Hmn и Emn. Где m и n числа (0,1,2,3...) количество стоячих полуволн на сторонах волновода: m на стороне [a], а n на стороне [b]. Так волне Н10 соответствует m = 1, а n = 0 как на рис.5. Густоту силовых линий Е отображено в виде знакомой кривой и красного цвета отрезки, символизирующие силовые линии! Числа m и n показывают какое количество стоячих полуволн расположено на внутренних стенках волновода. Такое разнообразие волн в волноводах называют ТИПАМИ или МОДАМИ.
Итак, в волноводе существует магнитное поле силовые линии параллельно стенкам волновода и направлены «от нас», крестик в кружочке. Электромагнитная волна типа Н10. Будем полагать, что электронный пучок вводится в волновод в центральной области, там, где электрическое поле Н10 можно считать однородным а, в точках А и Б напряженность поля одинакова. Считая при этом, что в точках А и Б, так ещё через каждые пол-оборота, через половину циклотронного периода, траектории электрона параллельны силовым линиям. Электронный поток ЭП движется по спирали по часовой стрелке.
Если мы упрёмся в классику и как бы электронные бараны движутся с малой скоростью, то результат будет, как минимум, нулевой. Нам же нужно всех баранов собрать в сгустки и только потом... Поэтому всё, что происходит внутри волновода нужно (можно) рассматривать с учётом РЕЛЯТИВИСТСКОГО ЭФФЕКТА! И тогда всё станет на свои места... Забудем про все волноводы и?
Осталось дело за малым, как собрать электроны до кучи, то бишь сгусток? Вот тут-то нам и поможет тот самый РЕЛЯТИВИСТСКИЙ эффект. А, это как? Посмотрите на рис.6. Там окружность и восемь пробных электрона. Условно эта окружность соответствует орбите электронов с энергией в 50 кэВ (50 килоэлектроноВольт). На рис.7 три окружности нужные нам для мысленного эксперимента. Каждой окружности присвоена величина энергии в кэВ: 60 кэВ и 40 кэВ. Это физики придумали такую меру энергии. Возьмём за исходное состояние среднюю окружность с энергией в 50 кэВ и на ней как вороны равномерно распределившись сидят те самые пробные 8 электронов. Окружность это траектория движения электронов по спирали, той, что на рис.2. Что происходит? Электроны 1, 2, 8 попав в ускоряющее поле пополняют свою энергию и переходят на более высокие орбиты, а электроны 4, 5, 6 наоборот находятся в тормозящее поле. Эти электроны отдают часть своей энергии переходят на низкие орбиты. Электроны-сачки 3 и 7 не участвуют в этих обменах так как их направление движения перпендикулярно силовым линиям Еy. Вот только всю эту красивую картинку портит поведение электронов (хотя, это нам даже выгодно). Так электроны 1,2,8 в нашей «замёрзшей» картинке встречу с полем волны испытывают по-разному. В большей степени только №1, а 2 и 8 так себе. А это значит, что №1 оказывается на самой высокой орбите (60 кэВ), а 2 и 8 на промежуточной (между 60 кэВ и 50 кэВ). Что и можно видеть на рис.7. Примерно тоже самое происходит с электронами 4, 5, 6 с учётом торможения полем. №5 испытав наибольшее воздействие переходит на самый низ, орбиту 40 кэВ. Электроны 4 и 6 застревают между 40 кэВ и 50 кэВ.
Это всё экспериментальные факты. Посмотрим на всё с другой стороны, чтобы понять почему так происходит? Посмотрите на симпатичные формулы рис.4a,b,c. Они (формулы) показывают зависимости массы электронов от их скорости; радиусы орбит вращения электронов и циклотронной частоты. При малых скоростях отношением V/C можно пренебречь и тем самым не учитывать влияние РЕЛЯТИВИСТСКОГО ЭФФЕКТА. Вот только при скоростях электронов приближающихся к скорости света пренебречь уже не получится!!! Так при ускоряющем напряжении в 50 кВ. отношение V/C = 0,442! И естественно всё сразу же придёт в движение. Масса электрона mо увеличится, радиус орбиты R увеличится, а циклотронная частота наоборот уменьшится, что повлечёт за собой уменьшению скорости движения электрона по орбите. Теперь понятно почему наши бараны начали разбредаться?
И вот продолжая вращаться электроны получившие разные скорости начнут группироваться. одни отстают, другие догоняют. И это на фоне двух сачков №3 и №7. И согласившись с авторами мы получим картинку рис.8. Произошло сгруппирование электронов около №7. У меня это подкрашено в розовый цвет. Все эти догонялки-отставанки приведут систему изменяющую скорости электронов к плотности, или как по науке к модуляции по плотности. И теперь сгруппировавшийся поток при очередной встрече с тормозящим полем отдаст ему свою энергию тем самым усиливая его.
И чего я Вам всё пытаюсь втюхать эти МЦР? Потому как это перспективное направление в области освоения СВЧ. Недаром же подхватили идею и как только, так сразу появились разновидности как отдельные виды МЦР, так и аналоги прежних СВЧ приборов, но уже с применения этих принципов МЦР. Сегодня гиротроны используются в виде нескольких разновидностей, среди которых основными являются гиромонотрон, гироклистрон и гиро-ЛБВ. Гиромонотрон – это генератор с одним резонатором.
Если вдуматься, то для жизни нужно то, что необходимо для той самой жизни. А необходимы приборы большой мощности (пить, так пить?!) А вот с этим получился облом. И чем дальше в лес (по частоте), тем меньше мощность...
Вот на рис.1 все проблемы с мощностью в виде графиков. Конечно это из литературы 70-х... Но не думаю, что со старыми СВЧ-приборами (с которыми мы и познакомились), что что-то очень сильно изменилось? И та яма выделенная мной стала менее глубокой?! И кстати про графики, подробней...
График зависимости выходной мощности СВЧ-приборов по частотам. Выходная мощность источников СВЧ колебаний в непрерывном режиме или средняя мощность в импульсном режиме. Где:
А — оптические квантовые генераторы;
В — электронные вакуумные приборы СВЧ;
С — твёрдотельные приборы СВЧ.
1. — тетрод СВЧ;
2. — платинотрон;
3. — клистрон с распределёнными резонаторами;
4, 5. — ЛБВ типа О;
6, 7. — ЛОВ типа О;
8. — мазер на циклотронном резонансе (МЦР);
9, 10. — СВЧ транзисторы;
11, 12, 13, 14. — лавинно-пролётные диоды;
15. — газовый лазер на СО2;
16. — газовый лазер на HCN;
Немного о газовых лазерах. Ведь он фигурирует в списке. На рис.3 упрощённая схема такого лазера. В отличие от знакомого нам рубинового в газовом, естественно активной средой является газ как одного вещества, так и смеси. Вот такой со смесью и на рис.3. Смесь трёх газов: углекислого, азота и гелия. На рис.3с газоразрядная трубка, где и происходят все квантовые баталии. Рис.3a,b это два контакта посредством которых возникает электрический разряд в газовой среде. Рис.3d, водяная рубашка для охлаждения трубки. БП, — блок питания для создания разряда. Остальное прямо на рисунке раскрыто. Единственно, принцип создания возбуждённых электронов несколько другой чем у рубинового?! И часть газов лишь посредники на подтанцовках. Объяснять думаю ни к чему. Слишком и так мини-лекция грозит стать макси... :-)))
Да, конечно ещё много чего не охвачено во всех мини-лекциях, но? Но я ведь придерживаюсь (пытаюсь) держаться в рамках школьной программы... Но, чёй-то никак не получается?! :-))) При всём надеюсь, что Вы Уважаемые читатели узнали много нового, а кому-то и полезного?! С уважением!!!