Клистрон
Устройство и принцип действия пролетного клистрона.
Введение
Специальные электронные приборы СВЧ делятся на две группы: 0-типа и М-типа. В приборах 0-типа постоянное магнитное поле отсутствует или применяется только для фокусировки электронного потока, а для приборов М-типа характерно наличие так называемых скрещенных, т.е. взаимно перпендикулярных, постоянных электрического и магнитного полей. Именно совместное действие этих полей в значительной мере определяет траекторию движения электронов, и механизм передачи их энергии полю СВЧ.
Исторически первыми представителями приборов 0-типа стали клистроны, широко используемые в качестве СВЧ-генераторов и в настоящее время.
Принцип действия клистронного генератора основан на взаимодействии электронного потока с переменным полем в резонаторе. В результате взаимодействия кинетическая энергия электронов, полученная от источника постоянного напряжения, преобразуется в энергию высокочастотных колебаний. В клистронах чаще всего используются резонаторы тороидального типа, имеющие в центральной части емкостной зазор, ограниченный почти прозрачными для электронов сетками (рис. 1) В емкостном зазоре резонатора локализуется интенсивное электрическое поле, с которым взаимодействует электронный поток. В течение одного полупериода поле ускоряет электроны, и энергия СВЧ колебаний расходуется на увеличение кинетической энергии электронов, в течение следующего полупериода ВЧ электрическое поле тормозит электроны, и кинетическая энергия электронов превращается в энергию высокочастотных колебаний.
Рис.1. Тороидальный резонатор.
Если зазор пересекает поток, плотность которого постоянна во времени, то число ускоренных полем электронов в среднем равно числу замедленных и энергия, отбираемая электронами в ускоряющем полупериоде напряжения, равна энергии, отдаваемой в тормозящем полупериоде. Средняя за период энергия поля и потока не меняется, а, следовательно, мощность взаимодействия переменного поля с потоком постоянной плотности равна нулю.
Для преобразования кинетической энергии электронного потока в энергию поля нужно создать поток, модулированной по плотности, т.е. имеющий в одних местах сгустки электронов, а в других разрежения, и обеспечить прохождение этих сгустков сквозь зазор резонатора в тормозящие полупериоды напряжения. При этом плотность потока должна быть промодулирована с частотой, равной или кратной частоте переменного напряженна.
В клистронах используется так называемый динамический принцип управления электронным потоком, реализация которого требует длительного движения электронов. Суть его в том, что управляющее напряжение создает периодическое изменение скорости электронов в потоке таким образом, что одни электроны оказываются ускоренными, а другие - замедленными. В процессе движения быстрые электроны догоняют медленные и в потоке образуются электронные уплотнения (сгустки). Этот процесс получил название группировки потока. Сгруппированный поток затем приводится во взаимодействие с переменным полем.
В клистронах функции модулятора потока и отбора мощности от потока могут выполняться либо разными резонаторами, либо они могут быть совмещены в одном резонаторе. В последнем случае электронный поток проходит через этот резонатор дважды. В первом случае клистрон называется пролетным или многорезонаторным, а во втором – отражательным.
Рассмотрим устройство и принцип действия пролетного клистрона подробнее.
Пролетный клистрон состоит из электронного прожектора, входного и выходного резонаторов, пространства группировки (трубки дрейфа) и коллектора (рис.2).
Рис.2.
Электронный поток фокусируется и ускоряется в электронном прожекторе, состоящем из подогревного катода, фокусирующего электрода и ускоряющей сетки (анода электронного прожектора, напряжение на котором и определяет в основном рабочий ток клистрона).
Резонаторы пролетного клистрона представляют собой объемные СВЧ контуры. В центральной их части, расположенной по оси симметрии клистрона, стенки резонаторов сближаются, образуя своего рода конденсаторы - входной и выходной зазоры. В зазорах концентрируются электрические поля колебаний, существующих в резонаторах, и осуществляется взаимодействие этих полей с электронным потоком.
Для прохода электронов сквозь резонатор в области зазора делают либо отверстие в стенках (безсеточный зазор - обычно во входном резонаторе), либо выполняют стенки из металлической сетки (сетчатый зазор, обычно - в выходном резонаторе).
Ускоренный и сфокусированный прожектором электронный поток попадает в зазор входного резонатора, настроенного на частоту усиливаемого сигнала ω. Источник сигнала создает во входном резонаторе колебания, электрическое поле которых в зазоре можно считать направленным вдоль оси электронного потока. В зазоре происходит модуляция скорости электронов в зависимости от фазы поля. Ввиду малости времени пролета электронов в зазоре можно считать плотность потока на выходе из зазора
Рис 3
постоянной. Промодулированный по скорости и имеющий постоянную плотность поток поступает в пространство группировки (трубку дрейфа). Так как это пространство свободно от постоянных и переменных электрических полей, электроны здесь движутся по инерции, причем те, что были ускорены, но вышли из зазора позднее, догоняют вышедшие ранее, но с меньшей скоростью, т.е. происходит группировка потока. Этот процесс проиллюстрирован на рис. За показано напряжение на входном зазоре, причем положительным его значениям соответствует ускорение, а отрицательным - замедление электронов, проходящих через зазор. Рис. Зб дает картину мгновенных значений тока в различных сечениях пространства группировки. На выходе из него электронный поток представляет собой последовательность разрежении и сгустков электронов. Таким образом, образуемый электронами конвекционный ток содержит значительную переменную составляющую. Проходя зазор выходного резонатора, этот конвекционный ток возбудит в нем колебания с частотой ω, амплитуда которых может значительно превосходить амплитуду входного колебания.