Определение термина Электроника

Отличия и достоинства плазменной электроники. Подобно вакуумной и квантовой электронике плазменная электроника основана на явлении индуцированного (вынужденного) излучения и поглощения электромагнитных волн заряженными частицами в плазме. Но если вакуумная электроника рассматривает излучение потоков заряженных частиц, движущихся в электродинамических структурах - металлических либо диэлектрических волноводах и резонаторах, то плазменная электроника исследует излучение потоков заряженных частиц, движущихся в плазме, в плазменных волноводах и резонаторах. Частота электромагнитные излучения в вакуумной электронике определяется конечными геометрическими размерами волноводов и резонаторов, а в квантовой электронике - дискретностью энергетических уровней излучателей (возбуждённых атомов и молекул); поэтому генераторы когерентного электромагнитного излучения в вакуумной и в квантовой электронике узкополосны, менять их частоту плавно практически невозможно. В плазменных приборах частота зависит не только от геометрических размеров волноводов и резонаторов, но и от плотности плазмы, поэтому излучатели в плазменной электронике многомодовые; меняя плотность плазмы, можно менять частоты в широком интервале. В этом заключается одно из существенных отличий и преимуществ плазменной электроники. Так, например, частота продольных ленгмюровских колебаний холодной изотропной плазмы (в системе ед. CGSE) где n_р - плотность плазмы. При изменении реально используемой плотности плазмы в пределах (10¹⁰ - 1C¹⁹) см^-3 можно возбуждать волны длиной (10^-3 - 10²) см, что перекрывает всю полосу СВЧ от субмиллиметрового и до дециметрового диапазона. При наложении на плазму внешнего магнитного поля диапазон частот собственных люд электромагнитных колебаний плазмы расширяется.
Дисперсионное уравнение, описывающее возбуждение волн моноэнергетическим перелятивистским электронным пучком в простейшем случае холодной изотропной плазмы, записывается в виде



Здесь - ленгмюровская частота электронов пучка, n_b - плотность, и - скорость пучка, k - волновой вектор, - комплексная частота, действительная часть которой представляет частоту возбуждённых продольных колебаний поля, а мнимая часть - инкремент нарастания их амплитуды.
Если п_р п_ь, то, как следует из решения уравнения (1), частота нарастающих во времени колебаний

Из соотношения (2) видно, что механизмом раскачки колебаний является эффект Черенкова - скорость пучка находится в резонансе с фазовой скоростью волны, но несколько больше последней. Раскачка колебаний происходит с инкрементом, равным до тех пор, пока скорость пучка не уменьшится до скорости волны. Отсюда можно найти амплитуду насыщения поля волны:

Второе отличие плазменной электроники от вакуумной состоит в том, что если в последней возбуждаются поверхностные волны, либо основные моды электромагнитных колебаний диэлектрических волноводов и резонаторов, то в плазменной электронике происходит также эффект возбуждение высоких объёмных мод с намного меньшей геом. размеров плазменных волноводов и резонаторов. Максимальная достижимая напряжённость электрического поля в плазме (с - скорость света) и при плотности плазмы n_p (10¹⁴ 10¹⁸)см^-3 составляет 10⁷ 10⁹ В/см. В таком поле весьма эффективно будут ускоряться заряженные частицы до больших энергий на относительно малых длинах (на длине ~100 см частицы могут ускоряться до ~10³ МэВ). Существенно и то, что при возбуждении высоких мод объёмных колебаний ослабляется возможность пробоев на стенках плазменных волноводов и резонаторов.

Основное преимущество плазменной электроники перед вакуумной - пропускать пучки с большими токами. В вакуумных системах токи пучков ограничены сверху пространственным зарядом. Например, через вакуумный цилиндрический волновод радиуса R можно транспортировать трубчатый электронный пучок с током, не превышающим

Здесь - релятивистский фактор, - кинетическая энергия электрона, r_b - средний радиус пучка толщиной

При движении потоков заряженных частиц в плазме происходит компенсация объёмного заряда и тока индуцированными в плазме полями и токами. Благодаря этому в плазменных системах возможно достижение больших токов, но и здесь существует верхний предел, определяемый устойчивостью пучка

Из (5) видно, что для пучка с энергией 1 МэВ предельный плазменный ток I_п достигает 100 кА, а мощность пучка - 100 ГВт, что намного превышает предельные значения в вакуумных системах. При этом скомпенсированные по заряду пучки более однородны по сечению и поэтому более эффективно взаимодействуют с электромагнитными волнами в плазме. В результате существенно повышается эффективность возбуждения электромагнитных волн потоками заряженных частиц, и достигаются значительно большие мощности излучения, чем в вакуумной электронике. В 70-х гг. появились источники мощных высокоэнергетических электронных и ионных пучков (энергия частиц ~1 МэВ, токи ~10⁵ - 106 А). При длительности импульса ~10^-7 с полная энергия в таких пучках >10⁶ Дж, что вполне достаточно для инициирования термоядерной вспышки в дейтерий-тритиевых мишенях миллиметрового диаметра. Инерциальный УТС с использованием интенсивных ионных пучков считается одним из наиболее перспективных и интенсивно развивается.