Электроника

ЭЛЕКТРОННЫЙ ПОТОК. совокупность свободных электронов, имеющих одно или неск. преимуществ, направлений движения. Эл-ны, эмитируемые катодом электронной пушки, формируются в Э. п с помощью статич. или (и) перем. электрич. и магн. полей. При этом электрич. поле изменяет скорость зл-нов как по величине, так и по направлению, магнитное — только по направлению (см. Лоренца сила). Э. п., в частности электронные пучки, электронные лучи, создаются и применяются в электронных приборах раз л. типа и назначения: СВЧ ЭВП (магнетронах, клистронах, лампах бегущей волны, лампах обратной волны и др.); лазерах с накачкой электронным лучом, лазерах на свободных электронах; ускорителях эл-нов и др. Э. п. могут возникать также и в естеств. условиях, нвпр. в ионосферной плазме. Динамич. не ламинарные многоскоростные Э. п. описывают при помощи модели крупных частиц. Э. п. представляют в виде большого числа (от неск. десятков до неск. тысяч) заряженных частиц, каждая из к-рык имеет конечный объём, заряд, эквивалентный суммарному заряду эл-нов в данном объёме, и определённое (обычно равномерное) респределение плотности пространств, заряда по объёму частицы. При описании движения центров крупных частиц учитывают электрич. и магн. поля, являющиеся суперпозицией трёх полей: 1) внеш. электростатического (фокусирующего); 2) переменного во времени ВЧ поля электродинамической системы; 3) пост, и перем. составляющих поля пространств, заряда. Математически модель крупных частиц описывается системой из уравнений движения центров частиц, закона сохранения заряда и Максвелла уравнений, причём последние чаще всего заменяются их следствиями — уравнениями возбуждения ВЧ поля электродинамич. системы и уравнением Пуассона для поля пространств, заряда. Её решение проводится численными методами. На основе модели крупных частиц исследуются динамич процессы в Э. л. — его группирование (см. Группирование электронов) и взаимодействие с эл.-магн. полем в приборах О- и М-типа — динамическое токооседание; онв используется также для описания статич. трёхмерных Э. п. — ленточных конечной ширины, Э. п. с азимутальными неоднородностями фокусирующего магн. поля и др.
Взаимодействие электронных потоков с электромагнитными полями. В общем случае такое взаимодействие включает в себя два процесса: воздействие полей на движение эл-нов (этот процесс описывается уравнениями движения заряженных частиц); возбуждение эл.-магн. поля движущимися эл-нами (описывается уравнениями Максвелла). Связанное с этим взаимодействием преобразование кинетич. и потенциальной энергий эл-нов в энергию эл.-магн. поля либо обратное преобразование лежат в основе работы ЭВП и ускорителей заряженных частиц.
Возбуждение эл.-магн. полей движущимися эл-нами основано на явлении излучения. Согласно классич. электродинамике, всякий ускоренно движущийся эл-н излучает эл.-магн. энергию- Напр., заряженная частица, движущаяся по круговой траектории, является источником циклотронного излучения (см. Циклотронная волна), а при релятивистских скоростях — еннхротронного излучения. Если эл-н, движущийся в прозрачной для эл.-мвгн. волны среде (или в замедляющей системе), имеет скорость, ббльшую, чем скорость распространения эл.-маги. волны в данной среде, то он испускает эл.-магн. волны (черепковское излучение). Качественно объяснение этого явления сводится к тому, что эл-н при движении поляризует частицы среды, к-рые т. о. получают энергию поля приближающегося эл-на. При удалении эл-на поляризация прекращается и поляризованные частицы излучают полученную энергию. Излучённые с отд. участков траектории эл-на   поля   складываются   в   фазе   под   нек-рым   углом   к траектории движения, определяемым превышением скорости эл-на над скоростью волны в среде (см. Синхронизм электронов и волн). Если же скорость эл-на меньше скорости волны, то поля с отд. участков траектории взаимно уничтожаются и эл-н не излучает.
К важным видам излучения относятся также переходное излучение, появляющееся (напр., в резонаторе клистрона) при пролёте эл-нов мимо к.-л. тела или оседании на нём, и тормозное излучение, возникающее при торможении (рассеянии) в электрич. поле.
Использование разл. видов излучения для генерирования и усиления эл.-магн. колебаний основано на когерентном сложении излучений, при к-ром фазы отд, полей, излучаемых разными эл-нами, согласованы (см. Когерентность). Такое сложение возможно только при фазовой фокусировке эл-нов, приводящей к образованию сгустков эл-нов. Если излучение эл-нов «накапливать» в соответствующем устр-ве, напр. резонаторе или замедляющей системе, и использовать для фазовой фокусировки эл-нов, то эл-ны начинают излучать когерентно, а само излучение получается более интенсивным. В этом случае возникает индуцированное излучение (вынужденное излучение), отличит, св-вом к-рого является коллективный, когерентный характер излучения ансамбля эл-нов. Индуцированное излучение широко используется в СВЧ ЭВП. Так, в ЛЕВ, ЛОВ используется индуцированное черенковское излучение, в клистронах — индуцированное переходное излучение, в электронных приборах с криволинейными траекториями эл-нов (мазерах на циклотронном резонансе) — индуцированное циклотронное излучение.
Задачи, связанные с описанием процессов взаимодействия Э. п. с эл.-магн. полем, являются самосогласованными (движение эл-нов согласовано с полем, а поле согласовано с движением). Поэтому при описании этих процессов уравнения Максвелла и уравнения движения эл-нов решаются совместно. Тип согласованного взаимодействия, его параметры (кпд, уровень усиления сигнала, широкополосность и т. д.) в каждом конкретном случае могут зависеть от мн. факторов: соотношения между периодом колебаний эл.-магн. поля, временем пролёта эл-нов и частотой следования электронных сгустков через область, занятую полем (см. Электронов угол пролёта); пространств, распределения пост, и перем. полей, действующих на эл-ны; напревления распространения Э. п. и эл.-магн. волн; характера движения эл-иов (прямолинейные или криволинейные траектории); плотности пространств, заряда эл-нов; синхронизма эл-нов и волн; способа фазировки эл-нов и др. Например, при совпадении направления распространения Э. п. и электромагнитной волны осуществляется т. н. взаимодействие на прямой волне, при противоположных направлениях — взаимодействие на обратной волне. Значительно более многообразны нелинейные преобразования сигнала электронным потоком, поскольку именно Э. п. является активным нелинейным элементом ЭВП. Процессы в теком элементе существенно зависят от мощности сигнала: с ростом мощности быстрее уменьшается скорость зл-нов при усилении сигнала, в Э. п. образуются плотные сгустки эл-нов и т. д., что приводит к нелинейности амплитудной характеристики ЭВП. При гармонич. входном сигнале с частотой to нелинейность амплитудной характеристики и наличие связанной с торможением зл-нов фазоамплитудной зависимости приводят (помимо очевидного ограничения выходной мощности) к изменению фазы сигнала на выходе усилит. ЭВП при изменении входной мощности, а также к появлению гармоник сигнала на частотах 2ш, 3«> и т. д. Последнее явление иногда используется для умножения частоты сигнала, однако чаще нелинейные эффекты в Э- п. являются вредными и приводят к искажению сигналов. Эти искажения качественно имеют тот же характер, что и в др. нелинейных усилителях или нелинейных системах вообще, но их величина существенно зависит от вида взаимодействия Э. п. с эл.-магн. полем, используемого в ЭВП. При нелинейном усилении многочастотного сигнала с дискретным спектром частот ил, oia, —, to„ возникают комбинац. составляющие с частотами miu>i-f-m2«02-f-—+mnwn(m,=0, ±1, ±2, ...), a спектр сигнала, как правило, расширяется; амплитудно-модулированные сигналы приобретают также паразитную фазовую модуляцию; происходит нелинейное искажение фронтов импульсных сигналов и т. д.
Возбуждение колебательны! систем электронным лото-ком. Взаимодействие Э. п. с эл.-магн. полями лежит также в основе возбуждения резонаторов, замедляющих систем и др. электродинамич. систем электронных приборов. Описание этого вида взаимодействия зависит от свойств системы. Напр., в колебат. системе (колебательном контуре, объёмном резонаторе и др.), имеющей дискретный спектр собств. частот ыш (s=1, 2, -..), возбуждаемое током заданной частоты ш эл.-магн. поле Е(х, у, г, t), Н(х, у, г. t) можно представить в виде суммы квазистатич. потенциального электрич. поля, связанного с пространств, зарядом, и вихревого эл.-магн. поля, представляемого в виде разложения по собств. ф-циям колебат. системы. Для интенсивного возбуждения определённых видов колебаний (мод колебаний) в резонаторе необходимо, чтобы собств. частота этих колебаний совпадала с частотой заданного конвекционного тока Э. п. (условие резонанса) и ток был направлен вдоль вектора напряжённости электрич. поля в области максимума этого поля. Обычно интенсивным является -только один резонансный вид колебаний, а остальные дают нерезонансный фон, определяющий т. н. динамич. поправки к квазистатич. полю Е(х, у, z); в ряде случаев нерезонансный фон становится существенным, приводя, напр., к возникновению неустойчивости Э. п. (в резонаторах с гофрированной стенкой).
Аналогичные закономерности характерны и для возбуждения электронным потоком волноводнык и замедляющих систем, однако вместо резонанса во времени в таких системах оказывается существенным резонанс в пространстве — совпадение волновых чисел волн тока и эл.-магн. волн системы.
Флуктуации в влектронных потоквж. К флуктуациям в Э. п. относятся случайные изменения характеристик Э. п. (плотности тока, плотности заряда и т. п.) и их эл.-магн. полей .