Повышение интенсивности взаимодествия электронов с электромагнитным полем в зазоре взаимодействия резонатора за счет увеличения диаметра отверстия пролетного канала

Актуальность и цели. В лампах бегущей волны на цепочке связанных резонаторов диапазона 30...120 ГГц высокие величины коэффициента усиления (КУ) и электронного коэффициента полезного действия (КПД) обеспечиваются при диаметре d отверстия пролетного канала (ПК) резонаторов, равном 0,75...1,5 ширины $\Delta$ зазора взаимодействия (ЗВ). В диапазоне 200...300 ГГц для реализации приемлемых КУ и КПД электронный пучок с плотностью тока до 500 А/см$^{2}$ и с потенциалом до 25 кВ необходимо пропускать через отверстия с d<0,2 мм, чтобы сохранить оптимальное $d / \Delta$. Однако в этом случае конструкция электронно-оптической системы очень сложна, а изготовление таких отверстий проблематично, потому что невозможно применить технологию сверления и трудно применить электроэрозионную технологию. Теоретически показано, что лампs бегущей волны на цепочке связанных резонаторов диапазона 200...300 ГГц будут иметь КПД <1%. Поэтому при их разработке целесообразно стремиться к увеличению интенсивности взаимодействия (ИВ) электронов с высокочастотным полем в ЗВ, а не к увеличению КПД. В этом случае КУ и выходная высокочастотная мощность будут расти, так как ИВ происходит на периферийной части сечения пучка, увеличивающейся с ростом $d / \Delta$. Цель исследований - теоретически рассмотреть основные закономерности роста ИВ электронов с высокочастотным полем в ЗВ за счет увеличения $d / \Delta$. Материалы и методы. Для анализа основных закономерностей поставленной задачи используется математический аппарат, где взаимодействие электронов и высокочастотного поля в ЗВ рассматривается в рамках линейного приближения, а электродинамическая часть задачи - в рамках квазиэлектростатического приближения. Рассматривается модель в виде зазора шириной $\Delta$ между плоскими границами проводящих полупространств, в которых расположены соосно два круглых ПК диаметром d. Полагается, что действующий в зазоре электрический высокочастотный потенциал $V_{\Delta}$, изменяется в поперечном направлении по закону, соответствующему изменению в этом направлении компонент напряженности высокочастотного поля (КНП) в цилиндрическом резонаторе. Аналитическое описание распределения КНП в ЗВ проводится с помощью функциональных рядов, составленных из собственных решений уравнения Лапласа. Коэффициенты в рядах находятся из решения системы линейных уравнений, полученной в результате приравнивания продольных и поперечных КНП на общей цилиндрической границе диаметром d и последующего разложения получаемых выражений в ряды Фурье по тригонометрическим функциям. Для анализа ИВ в ЗВ применяются интегральные выражения для сгруппированного тока в пучке и для мощности его взаимодействия с высокочастотными полями. Результаты. Рассчитано распределение КНП в пространстве ЗВ, которое использовано для расчета зависимости коэффициента ИВ ( $K_{инт}$) от $d / \Delta$. Выводы. Показано, что $K_{инт}$ растет при увеличении $d / \Delta$ и имеет максимум при $d / \Delta$, равных 4,25...4,75. Эти величины $K_{инт}$ превышают в 3...5 раз величину $K_{инт}$ для $d / \Delta$, равных 0,75...1,5. Наибольшего значения максимальное значение $K_{инт}$ достигает при угле пролета электронов через ЗВ, равном 3p/8. Значения $d / \Delta$, равные 4,25...4,75, меньше, чем критический размер $d_{кр} / \Delta$ в ПК, при котором возникает электродинамическая связь между смежными резонаторами.