5.3. Дворезонаторні клістрони.

Клістроном називається електровакуумний прилад з динамічним управлінням електронним потоком. Конструктивно клістрон представляє собою скляну або металічну колбу, всередині якої створений вакуум і розміщені електроди. Відрізняють два типи клістронів:, прольотні і відбивні. Прольотні клістрони можуть працювати як підсилювачі, перемножувачі чи генератори. Зони використовуються в радіопередавачах дециметрового і сантиметрового діапазону в безперервному чи Імпульсному режимі до десятків мегават.

Будова підсилювального дворезонаторного клістрона показана на рис. 5.4а.

Рис. 5А. Конструкція дворезонаторного клістрону і його просторово-часова діаграма.

Конструкція пролітного клістрону має електронну гармату, в склад якої входить катод К з ниткою розжарення і додаткові прискорюючі і фокусуючи електроди, два об’ємні резонатори Р1і Р2 і колектор , на управляючу сітку С подається невелика негативна напруга для регулювання струму електронного променя. Між катодом і колектором прикладена значна позитивна напруга . Сформований вузький пучок електронів рухається зі значною швидкістю. Об’ємні резонатори Р1 і Р2 настроєні в резонанс з частотою підсилювального сигналу, який вводиться в резонатор Р1через петлю зв’язку . В середній частині для прольоту електронів в резонаторах є отвори, закриті сіткою. Резонатор собою представляє тороїд, який по суті є індуктивністю, а внутрішній опір якого з обох сторін прикритий сітками, які служать обкладинками конденсатора. Таким чином об’ємний резонатор є фактично коливальним контуром.

Принцип дії клістрона заснований на управлінні електронним потоком по швидкості. Електроди, які вилетіли з катода прискорюються великою постійною напругою , прямуючи до колектора послідовно пролітають між сітками першого резонатора Р1,простір між резонаторами, між сітками другого резонатора Р2 і попадають на колектор . На цій же ділянці проходить перетворення потенційної енергії електричного поля, створеного джерелом живлення в кінетичну енергію руху електронів.

Якщо в резонаторах немає змінної напруги, то електронний потік рухається до колектора з постійною швидкістю і постійною густиною.

Процес підсилення коливань НВЧ в дворезонаторному прольотному клістроні проходить таким чином. Коливання які потрібно підсилити (наприклад ) поступають від збуджувача на перший вхідний резонатор Р1через петлю зв’язку . Власна частота резонатора Р1 співпадає з частотою вхідного коливання. Силові лінії змінного електричного поля між сітками Р1 перпендикулярні площині сіток і співпадають з напрямком руху електронів. Тому електричне поле змінної напруги вхідного сигналу, впливаючи на електрони змінює їх швидкість. За час позитивного на півперіоду на електрони діє прискорюючи поле, збільшуючи їх швидкість на . За час дії негативного на півперіоду електрони гальмуються, їх швидкість змінюється на . В результаті з першого резонатора Р1 електрони вилітають з різними швидкостями. Процес зміни швидкості електронів під дією змінного електричного поля називають модуляцією по швидкості. Електрони, які мають більшу швидкість, будуть доганяти електрони, які рухаються з меншою швидкістю. В місцях «зустрічі» створюються згустки або відбувається групування електронів. Процес групування електронів ілюструється просторово-часовою діаграмою (рис.5.46). В її нижній частині зображена крива напруги а в верх­ній частині - графік залежності шляху, пройденого електронами в просторі першого резонатора, просторі між першим і другим резонато­ром. Для кожного електрона на графіках побудована окрема траєкторія шляху, відкладеного з моменту проходження ним сі ток першого резона­тора.

На .діаграмі видно точки перетину траєкторії електронів. З них проходять зустрічі електронів і створюються згустки. Оскільки напруга збудження змінюється по синусоїдальному закону, то через половину періода на місці згустка створюється розрідження електронів, через наступний напівперіод - знову згустки і розрідження і так далі.

В формі згустків електронний пучок пролітає через сітки друго­го резонатору Р2. , який розташований в місці створення першого згустку электронів. Згустки електронів наводять в резонаторі Р2 змінний струм , а його сітка - напругу зі значною амплітудою. Електричне поле, яке виникає при цьому між сітками, гальмує рух наступних електронних згустків, викликаючи в резонаторі підсилену коливальну потужність .

Клістрони і підсилювачі мають мають великі коефіцієнти підсилення І вихідна потужність відбирається петлею зв'язку . Електро­ни, які пролітають другий резонатор, осідають на колекторі. Відстань між резонаторами Р1 Р2 повинна бути вибрана такою, щоб в вхідний резонатор електронні згустки входили в момент гальмування поля.

Резонатор збуджувача Р1 розташований на значній відстані від вихідного резонатора Р2, тому паразитний зв'язок між входом і виходом клістрона відсутній і самозбудження стає неможливим.

Одним з основних недоліків дворезонаторних клістронів є низь­кий коефіцієнт корисної дії С 20 ... 25%). Це викликано недостатнім групуванням електронів в згустки, які одержуються при модуля­ції їх по швидкості тільки в одному резонаторі. Частина електронів в цьому випадку взагалі не попадає в згустки і, проходячи сітки другого резонатора при прискорюючій фазі напруги, поглинають коливальну потужність. Крім того, в просторі взаємодії, групування в де­якій мірі порушується Із-за взаємного відштовхування електронів. Значна потужність втрачається при ударах об проводи сіток, від чо­го вони розігріваються. Все це не тільки: знижує ККД, але і робить неможливим одержання великих потужностей від дворезонаторних клістронів. Тому дворезонаторні клістрони будуються на потужність, яка не перевищує кілька десятків ват.