3.2.4. Из истории создания пролетного клистрона
Предвестником клистрона был СВЧ генератор на коаксиальном резонаторе [11], разработанный супругами-физиками Арсеньевой и Хейль в СССР и Германии в 1933 г. Коаксиальный резонатор имел два зазора: в первом осуществлялась модуляция электронного потока по скорости, - за тем электронный поток влетал в трубу дрейфа; во втором зазоре модулированный по плотности электронный поток взаимодействовал с полем того же резонатора.
Клистрон был изобретен в Станфордском университете (США) в 1937 г братьями Вариан, которые приспособили к этому времени изобретенный Хансеном (США) объемный резонатор. Слово «Клистрон» происходит от греческого и означает «прибой».
В СССР в конце 30-х годов под руководством Н.Д. Девяткова были созданы пролетные клистроны сантиметрового диапазона длин волн. В то же время независимо работы проводились по созданию клистрона Ю.А. Кацманом в Ленинграде. В 1945 г сразу после победы Н.Д. Девятков был командирован в Берлин, где нашли остатки немецких СВЧ лабораторий. В последствии часть немецких специалистов по СВЧ электронике была вывезена в Советский Союз для помощи в организации производства СВЧ приборов. Через несколько лет они вернулись на родину.
Почему разработка клистрона вызвала особый интерес в ряде стран? Конструкция клистрона имеет ряд преимуществ перед ранее созданными СВЧ лампами (триодами, тетродами). Узел формирования пучка (электронная пушка) и узел утилизации (коллектор) вынесены из области взаимодействия с СВЧ полями, что позволяет их оптимизировать независимо от колебательной системы (резонаторов). Так, например, в пушке можно использовать компрессию пучка, то есть собрать электронный поток с большой поверхности катода в узкий канал, создав высокую плотность тока в пространствах взаимодействия. Коллектор можно создать сколь угодно большой по площади для оседания электронного потока и эффективно его охлаждать, что позволяет повысить среднюю мощность генерирования СВЧ колебаний до сотен киловатт (импульсная мощность может превышать 50МВт. Рекорд импульсной мощности клистрона достигает 2ГВт, а средний – 2МВт). Ничтожно малая связь между выходным и входным резонаторами позволяет обеспечить усиление до 40…60 дБ без опасности самовозбуждения. КПД клистрона в рекордных образцах превышает 90%, хотя типичным является величина 30…50%. Вся конструкция клистрона является цельнометаллической (за исключением электронной пушки и вывода энергии) и не содержит мелкоструктурных элементов, что улучшает технологичность и надежность. Клистрон является одним из наиболее надежных СВЧ приборов.
Такие преимущества клистрона достигаются за счет транспортировки электронного потока на большие расстояния от нескольких сантиметров до 2…3 метров. Это требует высоких напряжений питания от источников постоянного тока и довольно массивную магнитную фокусирующую систему. Кроме того, резонаторная колебательная система узкополосная (доли и единицы процентов). Высокая кинетическая энергия электронов, попадающих на коллектор, вызывает жесткое рентгеновское излучение и требует дополнительных мер защиты обслуживающего персонала. Тем не менее, в настоящее время клистроны широко применяются для усиления СВЧ колебаний в связи, радиолокации, ускорительной технике.
Увеличение мощности (3.16) и КПД (3.18) связаны с повышением напряжения U0 источника питания. В 50-е годы в СССР не удавалось создать надежные малогабаритные высоковольтные источники питания. По этой причине была предложена идея многолучевой конструкции клистрона, в которой несколько электронных потоков, изолированных друг от друга, проходят через общие резонаторы, что позволяет суммировать мощности, создаваемые ими. На рис. 3.10 показана схема многолучевого клистрона.
Рис. 3.10. Схема многолучевого клистрона с фокусировкой постоянными магнитами: 1 – катод; 2 – теневая сетка; 3 – анод; 4 – кольцевой постоянный магнит; 5,6 – кольцевые полюсные наконечники; 7 – магнитный экран – оболочка прибора; 8,9 – экраны пушки и коллектора; 10 – многоканальная труба дрейфа; 11 – объемный резонатор; 12 – коллектор
Многолучевая конструкция клистрона позволяет увеличивать генерируемую мощность увеличением тока, а не постоянного напряжения U0. При этом существенно уменьшаются продольные габариты клистрона, его масса и габариты источника питания. Расширяется рабочая полоса частот (до 10…17%).
Недостатком многолучевой конструкции клистрона является невозможность получить компрессию пучка в пушке. Из-за этого приходится сильно повышать плотность тока с поверхности катода увеличением его температуры, что сокращает срок службы прибора.
Следует заметить, что все генераторные приборы, в том числе и пролетные клистроны, постоянно совершенствуются, так как совершенствуются и создаются новые материалы для СВЧ электроники. Однако физические основы их работы остаются неизменными.