к библиотеке   к оглавлению   FAQ по эфирной физике   ТОЭЭ   ТЭЦ   ТПОИ   ТИ  

РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА

Глоссарий по физике

А   Б   В   Г   Д   Е   Ж   З   И   К   Л   М   Н   О   П   Р   С   Т   У   Ф   Х   Ц   Ч   Ш   Э   Ю   Я  

Мазер на циклотронном резонансе

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 3004-116.jpg , происходит при выполнении условия циклотронного резонанса (синхронизма), к-рое с учётом доцлеровской поправки (см. Доплера аффект)имеет вид

3004-117.jpg

Здесь3004-118.jpg - постулат, скорость электрона вдоль магн. поля H11, 3004-119.jpg- частота волны, 3004-120.jpg - компонента волнового вектора k вдоль3004-121.jpg- циклотронная частота,3004-122.jpg- 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 электрона3004-123.jpg(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 поправки3004-124.jpg) 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 3004-125.jpgдолжна быть выше, чем на частоте 3004-126.jpg, что и реализуется при3004-127.jpg

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



3004-128.jpg


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 3004-130.jpg В таких условиях доплеровская поправка к частоте, равная3004-131.jpg 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.


3004-129.jpg

Рис. 2. Схема гиротрона - автогенератора.



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

3004-132.jpg

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 wс компенсируется соответствующим изменением допле-ровской поправки (авторезонанс). В таком МЦР частота генерации может во много раз превышать wс (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

  1. Гапонов А. В., Петелин M. И., Юлпатов В. К., Индуцированное излучение возбужденных классических осцилляторов и его использование в высокочастотной электронике, "Изв. ВУЗов. Радиофизика", 1967, т. 10, № 9/10, с. 1414;
  2. Гапонов-Грехов А. В., Петелин M. И., Мазеры на циклотронном резонансе, в кн.: Наука и человечество, M., 1980, с. 283;
  3. Гиротрон. Сб. науч. трудов, под ред. А. В. Гапонова-Грехова, Горький, 1981.

В. Л. Братман, H. С. Гинзбург

к библиотеке   к оглавлению   FAQ по эфирной физике   ТОЭЭ   ТЭЦ   ТПОИ   ТИ  

(время поиска примерно 20 секунд)


Знаете ли Вы, что низкочастотные электромагнитные волны частотой менее 100 КГц коренным образом отличаются от более высоких частот падением скорости электромагнитных волн пропорционально корню квадратному их частоты от 300 тысяч километров в секунду при 100 кГц до примерно 7 тыс км/с при 50 Гц.

НОВОСТИ ФОРУМА

Форум Рыцари теории эфира


Рыцари теории эфира
 26.11.2020 - 18:27: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Аманды Вольмер - Карим_Хайдаров.
26.11.2020 - 16:10: ЭКОЛОГИЯ - Ecology -> Биологическая безопасность населения - Карим_Хайдаров.
26.11.2020 - 16:09: ВОЙНА, ПОЛИТИКА И НАУКА - War, Politics and Science -> ПРАВОСУДИЯ.НЕТ - Карим_Хайдаров.
26.11.2020 - 15:34: ВОЙНА, ПОЛИТИКА И НАУКА - War, Politics and Science -> Проблема государственного терроризма - Карим_Хайдаров.
26.11.2020 - 15:32: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Амары Ельской - Карим_Хайдаров.
26.11.2020 - 12:07: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Александра Флоридского - Карим_Хайдаров.
25.11.2020 - 07:52: ЭКОНОМИКА И ФИНАНСЫ - Economy and Finances -> ПРОБЛЕМА КРИМИНАЛИЗАЦИИ ЭКОНОМИКИ - Карим_Хайдаров.
25.11.2020 - 07:51: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от проф. В.Ю. Катасонова - Карим_Хайдаров.
25.11.2020 - 07:37: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Александры Андерссон - Карим_Хайдаров.
25.11.2020 - 06:51: НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ - New Technologies -> "Зенит"ы с "Протон"ами будут падать - Карим_Хайдаров.
25.11.2020 - 06:47: ЭКОЛОГИЯ - Ecology -> ПРОБЛЕМЫ МЕДИЦИНЫ - Карим_Хайдаров.
24.11.2020 - 20:36: СОВЕСТЬ - Conscience -> РАСЧЕЛОВЕЧИВАНИЕ ЧЕЛОВЕКА. КОМУ ЭТО НАДО? - Карим_Хайдаров.

Боровское исследовательское учреждение - Bourabai Research Bourabai Research Institution