1.5. Клистронный механизм взаимодействия

Для осуществления этого типа взаимодействия требуется полый резонатор с отверстием, через которое пропускается электронный поток (рис. 1.10). В двухсеточном зазоре резонатора сосредоточено электрическое поле с направлением силовых линий,

Рис. 1.10. Полый резонатор для скоростной модуляции электронного пучка

параллельных потоку электронов. Задача данного устройства, так же как и в триоде, – получение сгруппированных в сгустки электронов, от которых можно отбирать кинетическую энергию в выходном контуре и преобразовывать ее в электромагнитные колебания заданной частоты. Взаимодействие происходит в узком зазоре резонатора. Используется принцип скоростной модуляции. В зазоре имеется переменное СВЧ напряжение U=U_msinwt. Все пространство зазора пронизывается электронным потоком, источником которого является электронная пушка, а ускоряющим электродом – проводящие стенки зазора с приложенным к ним ускоряющим напряжениемU₀. Допустим, что начальные скорости одинаковы и электроны подлетают к зазору все время с одинаковой скоростью, т. е.v₀ =. Электроны, влетающие в зазор в тормозящий полупериод СВЧ поля, будут выходить с уменьшенными скоростями, а электроны, попадающие в ускоряющий полупериод, – с увеличенными скоростями. Таким образом, односкоростной поток электронов постоянной плотности после пролета через зазор будет содержать электроны со скоростями в пределах отv₀ –Dvдоv₀ +Dv, гдеDv– изменение скорости электронов при прохождении через зазор.

На рис. 1.11 изображена пространственно-временная диаграмма – график зависимости координаты электрона хот времениtв пространстве группировки. Именно в этом пространстве происходит интересующее нас преобразование модуляции по скорости в модуляцию по плотности. Если электроны под номерами 1,2,3 на рис.1.11 после прохождения модулирующего зазора не будут подвергаться действию электрических полей, то в дальнейшем более быстрые электроны, попадающие в ускоряющее поле, будут догонять более медленные, и на некотором расстоянииsот зазора все три электрона сойдутся в одну точку, т. е. произойдет их группировка. Таким образом, модуляция потока электронов по скорости превращается в модуляцию по плотнос- ти, и в области группирования, следующей за зазором, образуются

Рис. 1.11. Пространственно-временная диаграмма преобразования модуляции по скорости в модуляцию по плотности методом дрейфа

электронные сгустки, период следования которых совпадает с периодомпеременного напряжения в зазоре. Если на дальнейшем пути электронов поместить коллектор, то в нем будут возникать импульсы тока с частотойfприложенного напряжения. Таково качественное представление о принципе скоростной модуляции электронного потока, приводящей к группированию электронов в сгустки и являющейся основой работы клистронов (и пролетных, и отражательных).

В прямопролетном двухрезонаторном клистроне (рис. 2.1,а) электроны, сгруппированные полем входного СВЧ сигнала, вводимого в первый резонатор, пролетают далее через зазор второго резонатора, настроенного в резонанс с первым. В СВЧ поле второго резонатора электроны тормозятся и усиливают в нем СВЧ колебания частотой f, теряя при этом свою энергию.

В отражательном клистроне (рис. 2.18) используется только один резонатор, а роль пролетного пространства, в котором формируются сгустки электронов, выполняет объем, заключенный между резонатором и отражателем, находящимся под отрицательным потенциалом. Сам резонатор выполняет две функции: модуляцию электронного потока и преобразование его кинетической энергии в электромагнитную. В пространстве между резонатором и отражателем электроны движутся сначала в направлении отражателя, а затем под влиянием тормозящего поля изменяют направление на обратное и пересекают зазор между сетками резонатора. К моменту этого пересечения электроны группируются в сгустки и, если фаза высокочастотного напряжения на сетках резонатора будет тормозящей, они отдадут свою кинетическую энергию высокочастотному полю резонатора, который через вывод энергии связан с внешней линией передачи.