РЕЛЯТИВИСТСКАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

РЕЛЯТИВИСТСКАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

- раздел высокочастотной электроники, посвящённый использованию релятивистских электронных пучков (РЭП) и (или) релятивистских эффектов для усиления, генерирования и преобразования эл.-магн. колебаний p волн. Релятивистские эффекты проявляются, как правило, при скоростях электронов v, соизмеримых со скоростью света с (и~с), когда энергия электронов

существенно отличается от их энергии покоя = m₀ с² = 0,511 МэВ, т. с. при где U - ускоряющий потенциал; однако роль этих эффектов может быть определяющей и в устройствах со слаборелятивистскими электронными пучками (напр., в мизерах на циклотронном резонансе- МЦР). Поскольку повышение ускоряющего потенциала является наиб. действенным способом увеличения мощности электронных пучков [макс. ток в вакуумном канале возрастает в нерелятивистском случае по закону "трёх вторых": а в ультрарелятивистском - пропорц. ускоряющему потенциалу I _макс = = BU], то Р. э. представляет собой прежде всего область электроники больших мощностей. Вместе с тем ряд релятивистских эффектов позволяет получать когерентное эл.-магн. излучение с очень высокими частотами, недоступными для обычной нерелятивистской вакуумной электроники [см. Лазеры на свободных электронах (ЛСЭ)].

В Р. э. используются те же синхронизмы между электронами и эл.-магн. волнами (или, в общем случае, между спектральными компонентами ВЧ-полей), т. е. те же типы индуциров. излучения электронов, что и в нерелятивистской классической электронике (табл.); однако особенности релятивистской кинематики в динамики релятивистского электрона приводят к радикальным различиям между законами, определяющими работу релятивистских и соответствующих нерелятивистских приборов, а также создают возможности реализации высокоэфф. приборов, не имеющих близких нерелятивистских аналогов. К числу важнейших эффектов, используемых Р. э., можно отнести следующие.

1. Поскольку при зависимость скорости электронов от их энергии становится всё более слабой:

то в системах с прямолинейными н слабоискривлённы-ми электронными пучками [напр., в генераторах, основанных на индуцированных Черепкова - Вавилова излучении и переходном излучении,- лампе бегущей волны (ЛБВ), лампе обратной волны (ЛОВ), твистроне, оротроне] группировка пучка электронов, модулированного ВЧ-полем, происходит на всё больших пространственных масштабах. В результате оптим. длина пространства взаимодействия L растёт пропорц. квадрату энергии электронов:а продольную составляющую электрич. поля синхронной волны нужно

ВЧ-приборы с релятивистскими электронными пучками
Тип индуцированного излучения	Синхронизмы	Тип генератора (усилителя)
Черепкова - Вавилова		ЛБВ ЛОВ Оротрон Магнетрон
Переходное		Клистрон Монотрон Твистрон
Тормозное		Гиротрон МЦАР Убитрон (ЛСЭ)
Рассеяние воли (параметрическое)		Скаттрон

Примечание: w и -частота волны и продольное волновое число, w_H - циклотронная частота, w_t и k_i - частота волны и продольное волновое число накачки. уменьшать, как (тогда как в слаборелятивистском случае обе эти величины пропорц. корню из величины энергии электронов). Такой закон подобия благоприятствует созданию мощных релятивистских электронных ВЧ-генераторов с высокоселективными пространственно-развитыми эл.-динамич. системами.

2. При тормозном излучении электронов с ростом их энергии максимум спектральной интенсивности смещается в область частот, существенно превосходящих частоты, представленные в неравномерном (напр., ос-цилляторном) движении частиц. Так, электрон, вращающийся с частотой W, излучает преим. на частотах (синхротронный эффект), а электрон, совершающий малые колебания с частотой W и обладающий релятивистской поступат. скоростью излучает в направлении своего поступат. движения на частотах (релятивистский Доплера эффект).

Аналогично этому при рассеянии волны на электроне, движущемся навстречу ей с релятивистской скоростью, частота рассеянного излучения в раз превышает частоту падающей волны (релятивистский Комптона эффект). Указанные эффекты открывают возможность для продвижения соответствующих ВЧ-генераторов - убитрона, мазера на циклотронном авторезонансе (МЦАР), скаттрона - в особо коротковолновые диапазоны.

3. Поскольку поперечная масса электронов в g² раз меньше продольной, то в отсутствие статич. поля, к-рое ограничивало бы их поперечное движение, группировка электронного пучка под действием ВЧ-мо-дуляции развивается в поперечном направлении гораздо быстрее, чем в продольном. Этот эффект используется в секциониров. приборах с поперечным отклонением электронов - гироконе и оптич. клистроне.

4. В потоке электронов, вращающихся в однородном магн. поле Н₀, эл.-магн. волна вызывает инерционную группировку двух типов: а) продольную (относительно Н₀), обусловленную неоднородностью ВЧ-поля; б) орбитальную, обусловленную релятивистской зависимостью циклотронной частоты от энергии электронов. На этих эффектах основано действие МЦР, среди к-рых с точки зрения получения больших мощностей в диапазоне миллиметровых и субмиллиметровых волн наиб. перспективны при слабо- и умеренно-релятивистских энергиях электронов гиротроны (как генераторы, так и усилители), при ультра релятивистских - МЦАР.

Согласно теории, кпд электронных ВЧ-генераторов и усилителей сохраняется в принципе на уровне ~ 10% при любых, сколь угодно больших энергиях электронов.

Для практич. реализации мощных релятивистских электронных ВЧ-приборов необходимы прежде всего источники интенсивных РЭП с достаточно малой дисперсией параметров, а также эл.-динамич. системы с достаточными селективностью и электропрочностью. РЭП, появившиеся еще в 1930-х гг. благодаря изобретению ускорителей, из-за ограниченности тока для генерации когерентного (коллективного) излучения были непригодны. Традиционная ВЧ-электроника освоила режимы с U100 кВ, при к-рых релятивистские эффекты начинают заметно влиять на динамику электронов, в 1950-х гг.; теперь импульсная мощность усилит. клистронов и гирокоиов в диапазоне метровых и дециметровых волн достигает десятков МВт. С кон. 1950-х гг. в ВЧ-электронике начали использоваться и принципиально релятивистские эффекты. Первыми генераторами такого рода были МЦР (гиротроны); ныне непрерывная мощность гиротронов составляет величину ~ 300 кВт при l ~1 см и превышает 1 кВт при l ~ 1мм, мощность в импульсах длительностью 10^-4-10^-1 с составляет величину ~100 кВт при l ~ 0,7 мм и превышает 1 МВт при l 3 мм.

Возможность создания релятивистских электронных ВЧ-генераторов повыш. мощности с импульсом длительностью 10^-8-10^-6 с возникла в кон. 1960-х гг. благодаря появлению сильноточных электронных ускорителей. Для генерации используются пучки электронов с энергиями 0,5-2 МэВ и токами 1 - 100 кА. Наиб. внимание уделяется на относительно длинных (l3 мм) волнах генераторам, основанным на индуциров. черен-ковском излучении (релятивистским магнетрону, ЛОВ, оротрону и т. п.), а на относительно коротких (l3 мм) волнах - генераторам, основанным на индуциров. тормозном излучении и рассеянии волн (релятивистскому убитрону, МЦАР и т. п.). В этих генераторах применяются как вакуумные, так и плазменные эл.-динамич. системы. Достигнутая к настоящему времени ВЧ-мощность при укорочении волны от 10 см до 0,5 мм монотонно спадает от 10 ГВт до 1 МВт.

Мощность генераторов когерентного электромагнитного излучения в зависимости от длины волны; - непрерывный режим, - импульсный режим.

В кон. 1970-х гг. появились ВЧ-генераторы, использующие в качестве инжекторов электронов линейные ускорители с повыш. ср. мощностью и тактовой частотой, позволяющей реализовать синхронизм между импульсами тока и эл.-магн. импульсом, последовательно отражающимся от зеркал открытого резонатора. Такие генераторы, представляющие собой разновидность убитронов, работающие при g ~ 10², благодаря релятивистскому эффекту Доплера позволяют получать когерентное излучение в оптич. ("лазерном") диапазоне и поэтому получили назв. лазеров на свободных электронах (рис.).

Приборы Р. э. находят применение в физ. эксперименте (воздействие мощного излучения на вещество, в частности на плазму) и считаются перспективными для техн. (в частности, радиотехн.) приложений.

L. В. Гапонов-Грехов, М. И. Петелин.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988.