2 Клистрон

Клистрон. Клистроны получили свое название от слова «клизо», что в переводе с греческого означает «морской прибой». В этом названии удачно отражена основная особенность клистрона, связанная с модуляцией электронов по плотности, образованием волн конвекционного тока и отбором энергии от электронных сгустков, как прибой поступающих в зазор выходного резонатора.

В отличие от триодов и тетродов в СВЧ клистронах используют принцип динамического управления электронным потоком. Группировка электронов в плотные сгустки обеспечивается в них за счет скорост­ной модуляции электронного потока. Устройство для модуляции электронов по скорости показано на рис. 1.5. Оно содержит источник электронов 1 (катод или электронную пушку), ускоряющий электрод 2, обеспечивающий постоянную (среднюю) скорость электронов v₀, и резо­натор 3, в котором под действием высокочастотного электрического поля электроны модулируются по скорости в зависимости от того, в какую фазу поля (тормозящую или ускоряющую), они попали в зазоре резонатора. Частота модуляции ω_о соответствует частоте сигнала, поступающего на вход резонатора, и поэтому скорости модулированных электронов определяются выражением v=v₀ - H Vsin ω_оt, где V — амплитуда переменной составляющей скорости, зависящая от глу­бины модуляции.

После пролета резонатора модуляция электронов по скорости переходит в модуляцию по плотности, т. е. электроны группируются в сгустки. Глубина модуляции электронов по плотности определяется временем пролета электронов, покинувших резонатор, которое должно быть оптимальным.

Клистроны бывают двух основных разновидностей — пролетные и отражательные. Они отличаются способами группировки электронов, вылетевших из резонатора. В пролетном клистроне электроны группи­руются в расположенной после резонатора трубе дрейфа, в которой отсутствует электрическое поле, а в отражательном клистроне груп­пировка происходит в пространстве между резонатором и отрицатель­ным электродом — отражателем в постоянном тормозящем поле. При груп­пировке методом постоянного тормозящего поля электроны в виде сгустков возвращаются к модулятору и передают свою энергию тому же резонатору, которым они модулированы по скорости (Рис. 1.5) .

Рис. 1.5. Схема устройства для модуляции электронного потока

Для клистрона, основанного на несколько ином принципе по сравнению с магнетроном, не требуется внешнее магнитное поле. Например, в отражательном клистроне (рис.1.6) электроны движутся прямолинейно от катода к отражательной пластине, а затем обратно. При этом они пересекают открытый зазор объемного резонатора, выполненного в форме бублика. Управляющая сетка и сетки резонатора группируют электроны в отдельные "сгустки", так что электроны пересекают зазор резонатора только в определенные моменты времени. Промежутки между сгустками согласованы с резонансной частотой резонатора таким образом, что кинетическая энергия электронов передается резонатору, вследствие чего в нем устанавливаются мощные электромагнитные колебания. Этот процесс можно сравнить с ритмичным раскачиванием первоначально неподвижных качелей.

Рис. 1.6. Отражательный клистрон, электровакуумный прибор отражательного типа. Применяется в СВЧ технике. Изменяющиеся электрические поля периодически группируют электроны в "сгустки". Электронный пучок, модулированный по скорости, поступает в объемный резонатор, где и вызывает генерацию или усиление.

1 - катод; 2 - резонатор; 3 - отражательная пластина; 4 - резонаторные сетки; 5 - выходная петля связи; 6 - управляющая сетка.

Пролетные клистроны подразделяют на двух резонаторные и много резонаторные. Отражательные клистроны в основном имеют одно резонаторную кон­струкцию.

При группировке электронов методом дрейфа в конце трубы дрейфа размещают второй резонатор, которому электронные сгустки передают свою энергию. Принцип действия двух резонаторного клистрона поясняется рис. 1.7, где показано устройство двух резонаторного клистрона, состоящего из катода К, ускоряющего электрода УЭ, входного модулирующего резонатора Р₁ трубы дрейфа ТД, выход­ного резонатора Р₂ и коллектора Кл.

Рис. 1.7. Схема устройства двух резонаторного пролетного кли­строна

На катод подается постоянное отрицательное напряжение U_o. Ускоряющий электрод, труба дрейфа с резонаторами и коллектор обычно находятся под нулевым потенциа­лом (они заземлены). Это удобно, поскольку резонаторы связаны с линиями передачи, а коллекторы в мощных клистронах снабжены системами жидкостного охлаждения. Для удержания электронного потока на оси трубы дрейфа и преодоления сил поперечного расталкивания электро­нов обычно используют фокусирующее постоянное магнитное поле, направленное вдоль оси трубы дрейфа. Продольное магнитное поле создают с помощью соленоида или специальной магнитной системы, состоящей из постоянных магнитов.

Диаметр трубы дрейфа выбирают настолько малым, чтобы на рабочей частоте клистрона она была запредельным волноводом. В результате этого в канале трубы дрейфа, отсутствует высокочастотное поле. Электроны движутся по каналу со ско­ростью, определяемой постоянным напряжением на ускоряющем электроде - U_o.

Двух резонаторные пролётные клистроны часто используют в качестве умножителей частоты. Возможность эффективного умножения частоты обусловлена бога­тым содержанием высших гармоник в волне конвекционного и на­веденного токов в выходном резонаторе, причем электронный КПД довольно медленно уменьшается с ростом номера гармоники: вплоть до десятой гармоники КПД остаётся выше 30%.

На рис.1.8 представлена схема устройства умножителя на кли­строне с выходным резонатором, настроенным на частоту, кратную частоте входного сигнала.

Рис. 1.8. Схема устройства умножителя частоты на двух резонаторном клистроне

Первый резонатор Р₁ настроенный на низ­кую частоту входного сигнала, имеет большие габариты в индуктив­ной части и малое расстояние между сетками для увеличения емкости резонатора. Входной сигнал поступает через коаксиальный ввод энергии. Второй резонатор Р₂ с волноводным выводом энергии имеет гораздо меньшие габариты и увеличенное расстояние, между сетками в целях уменьшения емкости для обеспечения высокой частоты выходного сигнала.

Первые клистроны были, довольно маломощными приборами, но позднее они побили все рекорды магнетронов, как СВЧ генераторов большой мощности. Были созданы клистроны, выдававшие до 10 МВт мощности в импульсе и до 100 кВт в непрерывном режиме. Система клистронов исследовательского линейного ускорителя частиц выдает 50 МВт СВЧ мощности в импульсе. Клистроны могут работать на частотах до 120 ГГц; однако, на таких частотах, их выходная мощность, как правило, не превышает одного ватта. Разрабатываются варианты конструкции клистрона, рассчитанного на большие выходные мощности в миллиметровом диапазоне. Клистроны могут также служить усилителями СВЧ сигналов. Для этого нужно входной сигнал подавать на сетки объемного резонатора, и тогда плотность электронных сгустков будет изменяться в соответствии с этим сигналом.

Если для маломощных электронных приборов значение коэффициента полезного действия, не имеет существенного значения, то для мощных приборов, КПД является одним из наиболее важных параметров. Отметим, что максимальное значение КПД (73,8 %), полученное из элементарной кинематической теории, оказы­вается существенно завышенным. Реальный КПД трех резонаторного клистрона, около 30%. Более высокие значения КПД многорезонаторных клистронов получают специальными методами.

Например, увеличение КПД достигается методом рекуперации, при котором не использованная электронами энергия возвращается в источник по­стоянного тока. Рекуперация в электронных приборах по своему фи­зическому смыслу аналогична возврату электрической энергии во внеш­нюю цепь электрической машиной, при её торможении. Когда, электрическая машина из двигательного режима, переходит в генераторный режим.

Торможение электронных сгустков в основном происходит в высо­кочастотном поле выходного резонатора, которому электроны передают кинетическую энергию, полученную от источника постоянного тока. Полная передача энергии (с КПД = 100 %) означает снижение скорости электронов до нуля на выходе из зазора резо­натора. Последнее условие обеспечить, естественно, не удается, и электроны вылетают из выходного резонатора к коллектору с конечными ско­ростями. Рекуперация достигается путем снижения потенциала кол­лектора по отношению к потенциалу резонаторной системы с тру­бами дрейфа, что обеспечивает дальнейшее торможение электронов на участке между выходным резонатором и коллектором, т. е. в цепи постоянного тока. При этом электронный поток возвращает часть энергии в источник питания.

На рис. 1.9 показано, как подается напряжение на коллектор много­резонаторного клистрона с рекуперацией. В схеме использованы два источника питания. Один из них подключен к ускоряющему электроду и многорезонаторной системе с трубами дрейфа, другой — к коллектору. Напряжение U = U_o первого источника определяет среднюю скорость электронов в группирующем устройстве, в состав которого входят все резонато­ры, кроме выходного. Постоянный ток I_р этого источника, возникаю­щий вследствие оседания электронов на стенках труб дрейфа и в резо­наторах, обычно невелик, если обеспечено высокое токопрохождение электронов на коллектор в основном за счет фокусирующего действия продольного магнитного поля.

Напряжение второго источника U_кл меньше U_o в соответствии с принципом рекуперации, а ток второго источника I₀ - это факти­чески постоянная составляющая тока электронного луча, достигающего коллектора.

Рис. 1.9. Схема устройства многорезонаторного клистрона с рекуперацией

Электронный КПД клистрона с рекуперацией определяется выра­жением:

где P₀₁ и Р₀₂ — мощности источников питания; Р_э — мощность, отда­ваемая электронным потоком. Так как I_р<<I_o, то P₀₁<<Р₀₂ и КПД приближенно можно представить в виде

_э.рек = Р_э /(U_клI_o)

Электронный КПД без рекуперации, когда U_кл = U_o,

_э. = Р_э /(U_оI_o)

На основании чего, получаем

_э.рек =_э,( U_кл/U_о)

откуда видно, что увеличение КПД по методу рекуперации опреде­ляется отношением ускоряющего напряжения к напряжению коллек­тора, которое называют глубиной рекуперации. Глубина рекуперации ограничивается тем, что при снижении напряжения коллектора воз­никает обратный поток электронов из коллекторной части в канал дрейфа, где возрастает положительный потенциал относительно потен­циала коллектора.

Для увеличения глубины рекуперации разрабатывают специальные конструкции коллекторов с электронными ловушками обратных электро­нов, а также многосекционные коллекторы с различными потенциа­лами в каждой секции для «перехвата» электронов, имеющих раз­ные скорости.

Таким образом, рекуперация связана не только с изменением схемы питания клистрона, но и с усложнением конструкции коллек­тора. Однако не следует считать, что схема питания при рекуперации усложняется. Она даже оказывается более экономичной, поскольку отпадает необходимость в стабилизации мощного источника питания. Стабилизация ускоряющего напряжения обеспечивается источником питания малой мощности P₀₁<<Р₀₂, а напряжение коллектора не тре­бует высокой стабилизации.

5