Клистрон. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Клистрон (от греч.

- ударяю и . ..трон) - эл--вакуумный прибор, служащий для усиления и генерации эл--магп. СВЧ колебаний. Характеризуется локализацией взаимодействия электронов с электрич. СВЧ-полем (в узких зазорах резонаторов) и длительным группированием электронного пучка в сгустки в пространстве, где нет ВЧ-поля (дрейфовое пространство). Такой способ группирования отличает К. от др. приборов того же назначения, таких, напр., как лампа бегущей волны или лампа обратной волны.

К. используются как генераторы и усилители СВЧ-мощности, а также как умножители частоты. Метод клистронного группирования находит применение и в др. областях техники, в частности в ускорителях заряженных частиц. В зависимости от наличия пост, элект-рич. поля в дрейфовом пространстве различают отражательные и пролётные К. Последние могут быть двух-и многорезонаторными.

Пролётные К. Схема пролётного трёхрезонаторного К. для усиления СВЧ-мощности представлена на рис. 1. Электроны, эмитируемые катодом К, ускоряются постоянным анодным напряжением U_a, приложенным между катодом и ускоряющим электродом - сеткой С, и формируются в узкий пучок Э с почти однородной вдоль направления движения плотностью заряда и энергией частиц. Вылетев из электронной пушки ЭП, пучок попадает в зазор входного резонатора Р_вх, в к-ром усиливаемый сигнал, подводимый по фидеру Ф₁,возбуждает ВЧ-напряжение. Пройдя зазор, пучок оказывается промодулированным но скорости (рис. 2): электроны, прошедшие зазор в момент изменения поля Е от тормозящего к ускоряющему (точка В), скорости не меняют, прошедшие раньше (участок ВС) - уменьшают скорость, прошедшие позже (участок А В)- увеличивают. В свободном от электрич. ВЧ-поля дрейфовом пространстве Др₁ , куда пучок попадает, выйдя из резонатора Р_вх, скоростная модуляция преобразуется в модуляцию плотности. Электроны пучка группируются вокруг частиц, соответствующих точке В: задние частицы догоняют их, имея большую скорость, а передние приближаются к ним, т. к. скорость их меньше. Группирование пучка нарастает по мере удаления от зазора резонатора Р_вх и достигает максимума на нек-ром расстоянии, тем большем, чем меньше амплитуда усиливаемого сигнала. В каждом сечении ток пучка - периодич. функция времени с частотой первичного ВЧ-поля. Для повышения доли первой гармоники в токе пучка используется пассивный резонатор Р_п. При высокой добротности этого резонатора даже плохо сгруппированный пучок возбуждает в нём сильное электрич. поле, к-рое в свою очередь воздействует на электронный поток, приводя к дополнит, группированию во втором дрейфовом промежутке Др₂. Пассивный резонатор (их может быть несколько) вместе с входным резонатором Р_вх и дрейфовыми промежутками составляют т. н. группирователь К. Зазор выходного резонатора Р_вых располагается в месте, где группирование пучка максимально. Проходя через Р_вых, пучок возбуждает в нём эл--магн. поле, частота к-рого совпадёт с частотой следования сгустков, а амплитуда определяется настройкой резонатора и уровнем связи его с фидером Ф₂. Большая часть электронов, расположенная вблизи центра группирования, тормозится возбуждённым полем и отдаёт ему часть своей энергии, к-рая отводится фидером Ф₂ в согласованную нагрузку. Подбором уровня связи с фидером Ф₂ и настройкой резонатора Р_вых можно довести величину отводимой ВЧ-мощности до максимально возможной, определяемой степенью группировки пучка и энергией его частиц на выходе из пушки. Неиспользованная энергия электронов пучка выделяется в виде тепла на коллекторе (Кол.)- Т. о., в К. часть кинетич. энергии электронов пучка трансформируется в энергию ВЧ-поля, отводимую в нагрузку.

Рис. 1. Схема пролётного трёхрезонаторного клистрона

Рис. 2. Механизм группирования электронов в клистроне; Э - электронный пучок; В - центр группирования.

Характеристики пролётного К. Выходная мощность К--усилителя ограничена мощностью пучка, равной произведению тока пучка I на ускоряющее напряжение U_а пушки. Увеличению U_a препятствуют и трудности группирования электронов. Они становятся особенно значительными при тех энергиях электронов, когда начинают сказываться релятивистские эффекты, т. к. при этом быстро растёт необходимая длина дрейфового промежутка. Ограничения на ток I связаны с влиянием пространств. заряда: продольное расплывание сгустков из-за кулоновских сил затрудняет группирование электронов, рост поперечных сил расталкивания электронов приводит к необходимости использования сильного продольного магн. поля для фокусировки. В самых мощных К. U_a=300 кВ, I=300 А. При работе в импульсном режиме мощность на выходе К. достигает десятков МВт, а в непрерывном режиме не превышает сотен кВт, что связано с трудностью отвода тепла с коллектора.

Электронный кпд К. равен отношению ВЧ-мощности, отводимой в нагрузку, к мощности, отбираемой пучком у источника пост. напряжения. При правильной настройке выходного резонатора он определяется качеством группирования пучка в плоскости его зазора. Количеств. характеристикой степени группирования служит отношение амплитуды первой (рабочей) гармоники тока I₁ (в его разложении в ряд Фурье) к ср. току пучка I. При идеальном группировании в точечные сгустки это отношение для всех гармоник равно 2. Теоретич. анализ движения электронов в группирова-теле показывает, что в идеальном случае для двухрезо-наторного К. относит. амплитуда первой гармоники I₁=1,16, для трёхрезонаторного I₁=1,48 и т. д. Т. к. амплитуды гармоник с ростом их номера спадают медленно, то возможна эфф. работа К. в качестве умножителя частоты. Если разброс электронов по энергиям в сгустках, определяемый отношением ВЧ-напряжения в зазорах резонаторов группирователя к ускоряющему напряжению пушки, невелик (в реальных конструкциях К. это всегда имеет место), то электронный кпд можно считать равным

относит. амплитуды гармоники тока. Для двухрезонаторного К. электронный кпд может достигать 58%, для трёхрезонаторного - 74%, однако за счёт неизбежных дополнит. потерь полный кпд мощных многорезонаторных К. обычно 40%.

Коэф. усиления К. равен отношению мощности, отводимой в нагрузку, к мощности сигнала, поступающего во входной резонатор. Он достигает 60 дБ (10^е раз). Это обусловлено почти полным отсутствием во входном резонаторе затрат мощности сигнала на модуляцию электронов по скорости: однородно заряженный пучок половину периода потребляет мощность, а половину периода отдаёт её полю. Поэтому достаточно высокий уровень напряжения на зазоре, требуемый для эфф. модуляции, может быть получен и при малой мощности входного сигнала за счёт высокой добротности резонатора, настройки в резонанс и подбора уровня связи с входным фидером, обеспечивающим отсутствие отражения мощности.

К. являются узкополосными приборами, что обусловлено высокой добротностью резонаторов группирователя. При необходимости расширения рабочей полосы частот промежуточные резонаторы расстраиваются в обе стороны от осн. частоты в ущерб коэф. усиления и кпд. Тем не менее полоса усиливаемых частот К. обычно не превышает долей % от рабочей частоты, и это является осн. недостатком К. Многорезонаторные К--усилители работают в диапазоне дециметровых и сантиметровых волн и находят широкое применение в выходных каскадах радиолокаторов, телевизионных передатчиков, системах дальней связи, питания линейных ускорителей.

Отражательный К. Иногда в двухрезонаторных пролётных К. часть мощности из выходного резонатора подаётся с соответствующим сдвигом фазы во входной, тогда К. работает как автогенератор. Для этой цели, однако, чаще применяется отражательный К. (рис. 3).

Рис. 3. Схема отражательного клистрона: ЭП - электронная пушка; К - катод; С - ускоряющий электрод (сетка); Р - резонатор; О - отражатель; Ф - фидер; Э - электронный пучок.

Электроны, эмитируемые с катода К, ускоряются пост, напряжением и_а, приложенным между катодом и сеткой С, и попадают в зазор резонатора Р, где под действием ВЧ-напряжения приобретают модуляцию по скорости. Дальнейшее движение электронов в дрейфовом пространстве, простирающемся до отражателя О, на к-рый подаётся отрицательный относительно катода потенциал u₀, происходит в пост. тормозящем поле. При уменьшении скорости электронов до 0 они начинают двигаться обратно в сторону резонатора, группируясь в сгустки. В отличие от пролётного К., группирование здесь происходит вокруг частиц, к-рые прошли зазор резонатора при нулевом поле в момент перехода его с ускоряющего в тормозящее. Электроны, пролетевшие зазор раньше этих частиц, испытали ускорение. Имея большую нач. скорость, они проходят в дрейфовом пространстве Др больший путь до остановки и обратный путь к резонатору совершают дольше. Электроны, вылетевшие из зазора позже, испытывают торможение, скорость их меньше, они проходят в дрейфовом пространстве меньший путь и тратят на это меньшее время. Если образовавшиеся сгустки электронов пролетают зазор в обратном направлении при тормозящем ВЧ-поле, то пучок в среднем будет отдавать часть своей энергии полю, к-рая и отводится в нагрузку по фидеру Ф.

Поле в резонаторе выполняет одновременно неск. функций: модулирует влетающий со стороны катода пучок электронов по скорости (не затрачивая на это энергии), тормозит осн. массу частиц сгруппированного пучка, возвращающегося от отражателя (отбирая энергию пучка), возбуждает с помощью петли связи волну в передающей линии (отводя ВЧ-мощность в нагрузку). Для выполнения фазовых соотношений, обеспечивающих генерацию, время пребывания центр. частиц сгустков в дрейфовом пространстве должно составлять

Т+рТ, где р=0, 1, 2, . . ., а Т - период колебаний. Это достигается подбором потенциала отражателя, разного для каждого р. Условие генерации при данном р выполняется в нек-ром интервале напряжений и₀, а каждому и₀ соответствует своя частота генерации. Возможность такой электронной перестройки частоты, не требующей затраты энергии (электроны не попадают на отражатель), нашла применение на практике.

Поскольку резонатор выполняет неск. противоречивых функций, получить хорошее группирование пучка в отражат. К. не удаётся, кпд его мал, но это не так существенно, т. к. осн. применение отражат. К. находят в измерит. аппаратуре, гетеродина локац. приёмников и т. д., где их мощность колеблется от 0,01 до неск. Вт. Диапазон генерируемых частот 1-60 ГГц. Крутизна электронной настройки достигает 10 МГц/В.

Литература по клистронам

Знаете ли Вы, что в 1974 - 1980 годах профессор Стефан Маринов из г. Грац, Австрия, проделал серию экспериментов, в которых показал, что Земля движется по отношению к некоторой космической системе отсчета со скоростью 360±30 км/с, которая явно имеет какой-то абсолютный статус. Естественно, ему не давали нигде выступать и он вынужден был начать выпуск своего научного журнала "Deutsche Physik", где объяснял открытое им явление. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.