Клистрон

КЛИСТРОН (от греч.

- ударяю и . ..трон) - эл-вакуумный прибор, служащий для усиления и генерации эл-магнитных 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.

Клистроны 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 по 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. ф-ция 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 дополнительному 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 скоростные 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 группирователе показывает, что в идеальном случае для двухрезонаторного клистрона относительная 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. ф-ций: 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 ф-ций, 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.

Знаете ли Вы, что в 1965 году два американца Пензиас (эмигрант из Германии) и Вильсон заявили, что они открыли излучение космоса. Через несколько лет им дали Нобелевскую премию, как-будто никто не знал работ Э. Регенера, измерившего температуру космического пространства с помощью запуска болометра в стратосферу в 1933 г.? Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.