1.5.    Особенности динамического принципа преобразованнием

Идея динамического управления процессом преобразования энергии предполагает возможность управления эффективностью энергообмена между электронным потоком, пронизывающем область локализации выходного электромагнитного поля и этим полем. При этом управление производится путем воздействия на электронный поток со стороны входного электромагнитного поля,  локализованное в другом или том же самом межэлектродном промежутке. 

Значит носителем первичной энергии, за счет, которой формируется выходной сигнал, является сам электронный поток.   Источник питания служит лишь для сообщения электронному потоку необходимой энергии.  Во-вторых,  предполагается,  что как управляющее  (входное), так и управляемое  (выходное) электромагнитное поле могут быть локализованы в элементах объема электронного прибора.  Отсюда следует,  что динамический принцип управления может быть реализован только на сверхвысоких частотах (длина волны не  более 1м). 

Так же  электронный поток рассматривается не как простая совокупность движущихся электронов,  а как некий целостный ансамбль, и именно энергообмен этого ансамбля с полем имеет решающее значение. 

Возможность управления энергообменом ансамбля с электромагнитным полем заключается в зависимости как знака энергообмена, так и его величины от состояния ансамбля.  Если ансамбль находится в равновесном состоянии,  то при его взаимодействии с электромагнитным полем энергообмена  происходить практически не будет. Энергии как ансамбля электронов, так и поля будут оставаться неизменными. Если же с полем взаимодействует ансамбль, находящийся в неравновесном состоянии, то происходит энергообмен,  причем тем более интенсивный, чем в большей степени состояние ансамбля отличается от равновесного. Эта особенность, является  общей для взаимодействия с электромагнитных полем любых ансамблей.

Рис.1.3. Распределение плотности электронного пучка при динамическом управлении.

Равновесным состоянием потока электронов является такое состояние, при котором скорости всех электронов будут одинаковыми, а плотность электронов вдоль потока постоянной.

Предположим, что такой поток пронизывает область между электродами АВ (рис.1.3.),  в которой локализовано электромагнитное поле типа стоячей волны.

Допустим, что скорость v электронов в потоке  настолько велика, что время пролета  электронов через промежуток АВ ничтожно мало  по сравнению с периодом изменения напряжения на этом промежутке. Тогда за время пролета электрона через промежуток напряжение на промежутке практически не изменится, и электрон будет двигаться так, как двигался бы в постоянном поле с напряженностью, равной мгновенному значению напряженности переменного поля в момент пролета электрона. Электроны, пролетевшие промежуток за положительный полупериод, ускоряются (каждый по-своему), а электроны, пролетевшие промежуток за отрицательный полупериод, замедляются (опять каждый по-своему). Поскольку, однако, плотность электронов в пучке всюду одинакова, то количества электронов, проходящих промежуток АВ за положительный и отрицательный полупериоды,  будут одинаковы. Половина электронов ансамбля ускоряется и увеличивает свою энергию за счет энергии поля, половина электронов ансамбля замедляется и уменьшает свою энергию, отдавая ее полю. Ни энергия ансамбля, ни энергия поля не изменяются. Энергообмен незначителен по величине и практически равен нулю.

При прохождении пучка через область электромагнитного поля происходит изменение скорости электронов - одни электроны ускоряется, другие - замедляются. Но как только скорости электронов станут неодинаковыми возникнет причина, приводящая к нарушению равномерного их пространственного распределения вдоль пучка. Начнут  образовываться сгустки и разрежения, периодически расположенные вдоль пучка.

Электронный поток пронизывает промежуток АВ, в котором электромагнитное поле связано с входным сигналом и которое требуется, например, усилить. Это поле, воздействуя на поток электронов, модулирует электроны пучка по скоростям, выводя, тем самым, ансамбль электронов из равновесия. Далее этот, уже неравновесный поток электронов, пронизывает второй промежуток А'В', в котором локализовано поле индуцированное этим неравновесным потоком, поддерживая его на некотором уровне путем непрерывной передачи части своей энергии. Чем больше амплитуда поля в промежутке АВ (амплитуда входного сигнала) тем большей будет амплитуда модуляции скорости электронов в пучке, а значит тем большей будет доля энергии, передаваемой от электронного пучка электромагнитному полю в промежутке А'В', тем большей будет амплитуда установившегося поля в этом промежутке.

Таким образом, особенности динамического  управления электронным потоком состоят в  модуляции электронов по скорости, превращении модуляции по скорости в модуляцию по плотности  и передаче энергии колебаний от модулированного по плотности потока колебательной системе.  При этом время пролета  имеет решающее значение, так как  только в процессе движения электронов  происходит их группирование.

Динамическое управление преобразованием энергии электронного пучка в энергию СВЧ поля обязательно включает в себя, три процесса:

-модуляцию электронов по скорости полем входного сигнала;

-пространственную группировку электронов в пучке, обеспечивающую положительный энергообмен с СВЧ полем выходного сигнала;

-отбор энергии от неоднородного по плотности пучка и формирование СВЧ поля выходного сигнала.

Эти три   процесса могут протекать в раздельных элементах объема прибора и в указанной временной последовательности (клистрон), или в одном к том же элементе объема и налагаясь друг на друга во времени (лампы бегущей волны).