3.3. Отражательный клистрон

В отличие от пролетного клистрона отражательный клистрон представляет собой маломощный автогенератор, в котором модуляция электронов по скорости и взаимодействие сгруппированного потока с СВЧ полем происходит в единственном резонаторе. В отражательном клистроне процесс перехода скоростной модуляции в модуляцию по плотности, то есть образование электронных сгустков, происходит в пространстве торможения. В этом пространстве более медленные электроны догоняют более быстрые, так как траектории быстрых электронов будут выше траекторий медленных электронов. Для создания пространства торможения на специальный электрод – отражатель подается отрицательный потенциал относительно потенциала катода. Для преобразования энергии источника питания в кинетическую энергию электронов, вылетевших с катода, на резонатор подается положительный потенциал. Схематическое изображение отражательного клистрона и распределение потенциала вдоль оси симметрии клистрона (вдоль оси х) показаны на рис. 3.11.

а)

б)

Рис. 3.11. Отражательный клистрон: а – упрощенное конструктивное представление,

б - схематическое изображение отражательного клистрона

На рис. 3.12 показаны гармонические зависимости изменения зарядов на сетках резонатора. Эти заряды создают токи смещения и, следовательно, СВЧ поле между сетками. Электроны влетают в пространство взаимодействия с СВЧ полем со скоростью , где U₀ = U_рез – постоянное положительное напряжение источника питания, подаваемое на резонатор. Электроны 2, 6 и т.д. попадают в тормозящую фазу СВЧ поля и их скорость уменьшится, а высота траекторий будет наименьшая. Электроны 1, 3, 5, 7 и т.д. попадают в момент времени, когда значение СВЧ поля равно нулю, и их скорости практически не изменятся , если время пролета (или угол пролета ). Электроны 4, 8 и т.д. попадают в ускоряющую фазу СВЧ поля, их скорость увеличивается, а высота траекторий будет наибольшей. Изменением отрицательного напряжения на отражателе добиваются, чтобы электроны 1, 5, 9 и т.д. возвращались из пространства торможения в пространство взаимодействия с СВЧ полем в максимальную тормозящую фазу. В окрестности этих электронов создаются электронные сгустки, а в окрестности электронов 3, 7 и т.д. образуются разряжения электронного потока. Таким образом, в пространстве торможения между второй сеткой резонатора и отражателем скоростная модуляция переходит в модуляцию по плотности электронного потока.

Рис. 3.12. Пространственно-временная диаграмма, поясняющая группировку электронов в пространстве торможения

На рис. 3.13. показана зависимость СВЧ поля в пространстве взаимодействия и траектории электрона, в окрестности которого формируется сгусток. Центром сгруппированных сгустков становятся электроны, вылетевшие из модулятора с неизменившейся скоростью и пролетающие зазор в тот момент времени, когда фаза СВЧ поля изменяется с ускоряющей на тормозящую, то есть электроны 1, 5, 9 и т.д.

Рис. 3.13. К пояснению образования зон генерации

При обратном движении потока от отражателя к зазору резонатора поле, которое при прямом движении было ускоряющим, становится для электрона тормозящим. Центр сгустка будет попадать в максимум тормозящего поля зазора резонатора, если невозмущенный угол пролета электрона в тормозящем поле отражателя будет равен следующим значениям:

, (3.19)

где n = 1, 2, 3,… – номер зоны генерации.

Зона генерации – это область значений напряжения на отражателе, в пределах которой генерируются колебания. Границы зоны генерации определяются значениями угла пролета (рис. 3.13):

(3.20)

На рис. 3.13 показаны зависимости генерируемой мощности Р и частоты колебаний f от напряжения на отражателе для нескольких зон генерации. Максимум мощности имеет место при , то есть в центре зоны генерации. Для оптимального угла пролета частота СВЧ колебаний равна частоте резонатора f = f₀. При изменении напряжения на отражателе относительно значения, при котором генерируемая мощность максимальная, мощность уменьшается, что связано с недогруппировкой ( ) или перегруппировкой ( ) сгустков электронов. В пределах каждой зоны частота изменяется по закону

, (3.21)

где Q – добротность резонатора;

.

С увеличением значения отрицательного напряжения на отражателе сгустки несколько чаще приходят к зазору резонатора и, следовательно, f увеличивается. С уменьшением отрицательного значения U_отр траектории электронов становятся несколько выше и сгустки реже приходят к зазору резонатора и f уменьшается. Таким образом, в отражательном клистроне имеет место электронная перестройка частоты, составляющая единицы процентов от f₀. Для увеличения перестройки частоты применяется механическая перестройка, связанная с изменением геометрии резонатора. На рис. 3.13 показан тот факт, что электронная перестройка частоты уменьшает генерируемую мощность. Из всех зон генерации имеет место зона, в центре которой мощность будет наибольшей. Эта зона является рабочей. Обычно число зон генерации n = 3…5. Рабочая зона соответствует наилучшим условиям группирования электронов в сгустки.

Вывод энергии из резонатора отражательного клистрона осуществляется с помощью индуктивной петли или емкостного штыря, переходящих в коаксиальный кабель. Отражательные клистроны находят применение в качестве возбудителей мощных генераторов (например, пролетных клистронов) или источников СВЧ колебаний в измерительных приборах сантиметрового и более коротковолнового диапазона длин волн.

Электронной промышленностью выпускаются отражательные клистроны, работающие в дециметровом, сантиметровом и миллиметровом диапазонах длин волн. Выходная мощность отражательных клистронов колеблется от единиц милливатт до нескольких ватт, а КПД не превышает 5%. Низкий КПД объясняется трудностью получения хорошей группировки электронов в сгустки, а также малым временем взаимодействия сгустков с тормозящим СВЧ полем резонатора. На рис. 3.14 показаны конструкции отражательных клистронов с узлами механической перестройки частоты и выводом СВЧ сигнала.

Рис. 3.14. Конструкции отражательных клистронов: 1 – узлы механической перестройки частоты; 2 – волноводный выход энергии; 3 – коаксиальный вывод; 4 – дисковые контакты для подключения резонатора