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 , 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. Ландау 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 уровне Ландау (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.

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:

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 _с компенсируется 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.

Лит.: 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; Гапонов-Грехов А. В., Петелин M. И., Мазеры на циклотронном резонансе, в кн.: Наука и человечество, M., 1980, с. 283; Гиротрон. Сб. науч. трудов, под ред. А. В. Гапонова-Грехова, Горький, 1981.

В. Л. Братман, H. С. Гинзбург.

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