Generátor založený na podobném principu jako permaktron – dlouhodobá interakce elektronového svazku se zpomalenou elektromagnetickou vlnou by měl široké pásmo laditelnosti frekvence změnou rychlosti elektronového svazku. Z různých typů takových generátorů zde pojednáme o karcinotronu.
K pochopení činnosti tohoto generátoru jest však třeba doplniti si základní znalosti o vlastnostech periodických struktur, které zpomalují elektromagnetické vlny. Seznámili jsme se zatím s takovými strukturami u válcového magnetronu, kde zpomalené vlny „rotovaly“ a u rovinného magnetronu, kde zpomalené vlny postupovaly (běžely). Na obr. 9.1.1 jest na ukázku několik dalších způsobů realizace periodických struktur.
Obr. 9.1.1 Periodické struktury
Význačnou vlastností periodické struktury jest závislost fázové rychlosti na frekvenci (disperze), a závislost všech složek elektromagnetického pole na prostorové periodě struktury l. Jestliže se šíří vlna ve směru osy z, pak
a platí, že
takže
Protože E0 (z) jest periodická funkce s prostorovou periodou l může se vyjádřit pomocí Fourierovy řady jako
Z posledního výrazu jest patrno, že pole se skládá z nekonečného množství postupujících vln s amplitudami ak a konstantami šíření
(9.1.1)
Tyto vlny se nazývají prostorové harmonické a jim odpovídají fázové rychlosti
(9.1.2)
Z (9.1.2) plyne, že čím vyšší harmonická, tím nižší fázová rychlost a tím kratší vlnová délka zpomalené vlny. Všechny prostorové harmonické mají stejnou frekvenci. Samostatně se nemohou jednotlivé harmonické realizovat, protože by nebylo možné splniti složité okrajové podmínky periodické struktury. Fázové rychlosti mohou být jak kladné tak i záporné. Kladná fázová rychlost znamená směr totožný s grupovou rychlostí:, záporná směr opačný. V prvém případě jest vlna přímá, v druhém případě zpětná (není to vlna odražená!).
Podobně jako v permaktronu může principielně každá prostorová harmonická vstoupit do interakce se svazkem elektronů, jejichž rychlost jest přibližně stejná jako příslušná fázová rychlost vlny. Elektrony zde mají funkci jakési pohyblivé sondy, neboť mají definovanou rychlost a mohou reagovat na jednotlivé harmonické složky, z nichž se skládá postupující vlna. Může se použít synchronizace rychlosti elektronů se základní harmonickou, avšak jest možno použít i vyšších harmonických. V generátorech lze využíti interakce elektronů se zpětnými vlnami („zápornými“ harmonickými složkami). Zpětné harmonické složky mají zápornou disperzi, tj. jejich fázová rychlost vzrůstá s frekvencí. Zároveň jest zajištěna vnitřní zpětná vazba, neboť grupová rychlost a rychlost elektronů mají opačný směr. V karcinotronu se využívá interakce se zpětnou první harmonickou (k= ¯ 1), takže platí
a fázová rychlost
Při tom grupová
rychlost
jest stejná pro
všechny prostorové
harmonické složky. Fázová rychlost jest záporná.
Přivedením signálu na vstup (podle obr. 9.1.2) se
vzbudí vlna šířící se zprava doleva základní fázovou rychlostí
. Protože existuje prostorově periodická struktura, bude vlna
tvořená z nekonečného počtu prostorových
harmonických. První zpětná harmonická (k= ¯ 1)
se bude šířit zleva doprava
rychlostí
Nechť elektronový svazek má rychlost
. Pak v něm vznikne vlna (vlivem shlukování) postupující
zleva doprava rychlostí
a s
konstantou šíření
. Při snížení frekvence se musí rychlost
elektronového svazku změnit tak, aby byla stejná jako fázová rychlost první
zpětné prostorové harmonické. Toto se provede změnou anodového napětí.
Obr. 9.1.2 Princip činnosti karcinotronu
Při dostatečně velkém proudu svazku (podobně jako u reflexního klystronu) může nastat samobuzení na frekvenci dané rychlostí elektronů. Na rozdíl od jiných generátorů má karcinotron tu zvláštnost, že vysokofrekvenční energie se šíří ve směru opačném pohybu elektronů. Odtud název karcinotron (řecky karkinos = rak). Konstrukčně je třeba zajistit vývod VF energie na straně elektronové trysky a opačný konec elektronky zatížit tak, aby nenastával odraz a odstranila se možnost samobuzení přímé vlny.
Obr. 9.1.3 Schéma karcinotronu
Na obr. 9.1.3 jest schéma jedné možné varianty karcinotronu. Katoda emituje elektrony a anodový prstencový otvor vytváří dutý svazek, který se pohybuje vně šroubovice (periodické struktury) navinuté na keramickém nosníku. Účinnost karcinotronu souvisí s veličinou
,
kterou jsme zavedli
při zkoumání permaktronu a to jednoduchým vztahem
(prakticky ~ 5%). Vysokofrekvenční výkony se pohybují v rozmezí 10 – 1000mW (při proudech 20 - 60 mA). Karcinotrony pracují běžně v centimetrovém a decimetrovém pásmu, s laditelností přibližně v rozmezí oktávy. Experimentálně byly zkonstruovány generátory v milimetrovém oboru (4,8 – 7 mm) výkonu několika mW.