Циклотронно-резонансен мазер

Циклотронният резонансен мазер (MCR) е микровълнов генератор (усилвател), в който се използва стимулирано излъчване на лъч от електрони, движещ се по винтови траектории в хомогенен магнит. поле (или по трохоидални траектории в кръстосани електрическо и магнитно поле). Когато електроните се движат в магнит. поле H0 по спирални траектории взаимодействие на електрони с електрони. вълна, разпространяваща се по магнитното поле Е, възниква, когато е изпълнено условието на циклотронния резонанс (синхронност), което, като се вземе предвид корекцията на Дозлер (вж. афекта на Доплер), има вид

Тук - постулатът, скоростта на електрона по магнит. поле H11, е честотата на вълната, е компонентът на вълновия вектор k, е дългоциклотронната честота, е общата енергия и e е електронният заряд. От (1) става ясно, че при s> = 1 не е необходимо да се забавя вълната в MCR. Именно това обстоятелство доближава ICR до квантовите генератори и определя предимствата му при милиметрови и субмилиметрови вълни пред традиционните. Микровълнови генератори - магнетрон, тръба с пътуваща вълна (LEV) и др., Където за синхронизъм е необходимо да се движат електрони в близост до забавящата система.

Както и в други класически. В микровълновите генератори, в MCR, превръщането на енергията на стационарен електронен лъч в радиация става възможно поради групирането на частици в полето на "семената" вълна. Получените електронни снопове усилват първичната вълна (нестабилност на циклотрон). Това предизвиква. процесът възниква в MCR поради: 1) зависимостта на w, от електронната енергия (неизохронизъм на въртене), което води до азимутално групиране на частици, които променят енергията си в процеса на взаимодействие с вълната; 2) ще се появят разлики. изместванията, до-ръж се придобиват от електрони, уловени в различни фази на пространствено нехомогенна вълна; този механизъм води до надлъжно (по H0) групиране на частици.

С квантова интерпретация се дава отговор на тези механизми: неликвидността е енергична. нива на електрони в магнит. поле (виж квантовите нива) и "откат", когато се излъчва фотон, което също води до разлика в честотите на вълните, излъчвани и погълнати от електрона. Първият от тези механизми е специфичен и има фундаментално релативистки характер, докато вторият е по-универсален и освен MCR действа в много микровълнови генератори, по-специално в LEV.

Класическа интерпретация. Помислете за взаимодействието на електроните, първоначално равномерно разпределени в циклотронния кръг, с електрическите. поле Е на вълната, което има компонент, въртящ се с честота, равна на електронната циклотронна честота (фиг. 1а). В резултат на взаимодействието циклотронната честота на електрон В, която отнема енергия от вълната, намалява и той започва да се върти по-бавно, докато циклотронната честота на електрон В, която отдава енергия на вълната, се увеличава и той се върти по-бързо. Следователно, куп електрони се образуват близо до електрон А, въртящ се с необезпокоявана честота. За да могат електроните да отдават енергията си средно на вълната, купчината трябва да се движи синхронно с фазата на забавяне на вълната. За това честотата на въртене на вълната (като се вземе предвид доплеровата корекция) трябва леко да надвишава първоначалната циклотронна честота на електроните.

Квантова интерпретация. Нека в начално състояние всички електрони са на p-то квантово ниво (фиг. 1.6). Тъй като нееквидистанцията на нивата е малка, вълната може да предизвика преходи от нивото на pth към по-ниски (стимулирана емисия) и по-високи (резонансна абсорбция) нива. За да доминира лъчението над поглъщането, интензивността на вълновия спектър на честотата трябва да бъде по-висока, отколкото на честотата, което се реализира

Поради малката нееквидистанция, електронът може последователно да преминава към все по-ниски нива, излъчвайки много кванти.

Както и за устройства, базирани на стимулирано излъчване на електрони, движещи се по праволинейни траектории, за MCR има много опции за конструиране като генератори (MCR монотрон, където обратната връзка се осигурява чрез отражение на вълните от краищата на резонатора; MCR с противоположна вълна е аналог на лампа с обратна вълна и др.), и усилватели външ. сигнал (MCR-TWT и MCR-клистрон).

Жиротрон. От многото. варианти на MCR при слабо релативистки енергии на електрони naib, генераторът и усилващите версии на жиротрона станаха широко разпространени (фиг. 2). В жиротрон електроните взаимодействат слабо с полето на неправилен вълновод при честота, близка до критичната, когато фазовата скорост на вълната.При такива условия се увеличава доплеровата корекция на честотата, която е електронната ефективност. Липсата на забавяща система и възможността за използване на отворени резонатори правят жиротроните мощни генератори и усилватели за милиметрови и субмилиметрови вълни.

Фигура: 2. Схема на жиротрон - автогенератор.

Според условие (1) дължината на вълната на слабо релативисткия гиротрон, работещ на база. циклотронния резонанс (s = 1), е свързан с величината на магнита. полета по съотношение:

Следователно е ясно, че са необходими интензивни магнити, за да се реализират ВЧ жиротроните от милиметровия и субмилиметровия диапазон. полета H0

100 kOe, до ръж са снабдени с криомагнит. системи или импулсни соленоиди.

Жиротроните направиха възможно овладяването на целия диапазон от милиметрови вълни при високи нива на мощност (

1 MW в импулсен и стотици kW в непрекъснати режими) с ефективност

30-40%. Това ги прави перспективни за редица енергични. приложения, по-специално за нагряване на плазма в контролирани термоядрени термоядрени инсталации.

Първите предложения за използването на стимулирано циклотронно излъчване за генериране на микровълни са изразени през 1959 г. независимо от А. В. Гапонов-Грехов, Й. Шнайдер и П. Пантел, а гиротрона е предложен и изпълнен за всички R. 60-те в СССР.