Лабораторная работа №6

ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОЧИХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ОТРАЖАТЕЛЬНОГО КЛИСТРОНА

1. Цель работы.

Ознакомление с устройством и принципом действия отражательного клистрона. Изучение работы клистрона в различных режимах. Определение частоты колебаний и области напряжений на электродах, при которых имеет место самовозбуждение клистрона.

2. Устройство и назначение.

Отражательный клистрон является маломощным автогенератором сантиметровых и дециметровых волн. По диапазону рабочих частот клистроны бывают узкодиапазонные и микродиапазонные. Узкодиапазонные маломощные клистроны используются в качестве гетеродинов в приёмниках сантиметрового диапазона. Выходная мощность таких клистронов не превышает 100 мВт. Широкодиапазонные клистроны используются в качестве гетеродинов поисковых приёмников и для лабораторных целей. Они характеризуются малой выходной мощностью и широким диапазоном настройки.

П

Рис. 6.1. Устройство металлического отражательного клистрона: 1 – электронная пушка; 2 – резонатор; 3 – отражатель; 4 – внешний провод вывода энергии.

о конструктивным признакам отражательные клистроны делятся на стеклянные и металлические. Стеклянные клистроны применяются в диапазоне волн от 2,5 до 60 см, а металлические – короче 3 см. Это объясняется тем, что на волнах менее 3 см затруднена технология изготовления стеклянных клистронов из-за малых размеров резонаторов. Отражательный клистрон (рис. 6.1) состоит из электронной пушки, одного резонатора и отражателя. В электронную пушку обычно входит катод и ускоряющий электрод.

В некоторых конструкциях бывает и управляющий электрод, изменением потенциала которого регулируется ток луча и осуществляется фокусировка.

Настройка резонатора производится гибкой диафрагмой, деформация которой вызывает изменение объёма резонатора и расстояния между сетками. Вывод высокочастотной энергии осуществляется петлёй, расположенной в резонаторе.

Как генератор, превышающий энергию источника постоянного тока электромагнитные колебания сверхвысокой частоты, отражательный клистрон характеризуется двумя особенностями. Во-первых, его КПД очень мал и лежит в пределах 0,03-3 %. Это не позволяет использовать его в качестве мощного генератора, но не является препятствием для использования его как маломощного генератора. Во-вторых, отражательный клистрон может до 10⁷ раз в секунду изменять частоту при изменении напряжения на отражателе. При этом мощность, расходуемая на управление частотой, меньше, чем при любом другом способе.

3. Принцип действия.

Отражательный клистрон был изобретён В. ф. Коваленко в 1940 г. Его теория разработана В. Ф. Коваленко, С. Д. Гвоздовером, В. И. Калининым, Я. З. Цыпкиным.

Д

Рис. 6.2.

ля получения автоколебаний клистрон включается в схему, как показано на рис. 6.2. В этой схеме источник напряжения служит для создания ускоряющего поля, которое формирует луч электронов, движущихся от катода к отражателю. Ускоряющее поле действует на электроны в пространстве катод-ускоряющий электрод или катод-сетка С_1, если ускоряющий электрод отсутствует. В этом пространстве электроны движутся равноускоренном равномерным по плотности потоком. Ускоряющее поле сообщает электронам кинетическую энергию; они пролетают сетки резонатора и по инерции движутся к отражателю.

Первые электроны, пролетающие сетки резонатора, наводят в них импульс тока и возбуждают в резонаторе колебания. В дальнейшем колебания в резонаторе поддерживаются пульсирующим потоком электронов и превращаются в устойчивые незатухающие колебания, если выполняются условия самовозбуждения. Будем считать, что такие условия выполняются, и рассмотрим установившийся режим.

Под действием переменного напряжения на сетках резонатора происходит модуляция скорости электронов. Положительное напряжение ускоряет электроны, движущиеся к отражателю, а отрицательное – тормозит.

В пространство между сеткой С₂ и отражателем, называемое пространством группирования, входят электроны с различными скоростями. Там существует постоянное электрическое поле, напряжённость которого определяется напряжением . Это поле тормозит электроны, движущиеся от сетки С₂ к отражателю и ускоряет возвращающиеся электроны. Так как ускоряющим является напряжение E_a , а тормозящим большое напряжение E₁ , то на отражатель электроны не падают, а все возвращаются обратно (рис. 6.3).

Э

Рис. 6.3.

лектрическое поле между сеткой С₂ и отражателем должно быть таким, чтобы происходила фокусировка отражённых электронов. Это достигается выбором соответствующей формы отражателя.

На пути к отражателю и обратно электроны собираются в сгустки, т.е. Модуляция скорости электронов превращается в модуляцию плотности луча. Сгустки электронов проходят зазор резонатора в максимальном ускоряющем поле. Они получат максимальный прирост кинетической энергии, пройдут в пространстве группирования наибольший путь x₁ , т. е. Максимально приблизятся к отражателю, и возвратятся обратно в момент времени t₄ (рис. 6.3). Электроны группы 2 пролетают резонатор на четверть периода позже, полем резонатора не ускоряются и не замедляются. Они углубляются в пространство группирования на расстояние x₂ и возвращаются обратно в зазор резонатора вместе с электронами группы 1. Электроны группы 3 пролетают сетки резонатора на полпериода позже группы 1, полем резонатора они замедляются и, следовательно, углубляются в пространство группирования на ещё меньшее расстояние x₃ , а обратно возвращаются в тот же момент t₄ . Одновременный возврат в зазор резонатора трёх групп электронов можно обеспечить соответствующим выбором напряжений и . Следовательно, при благоприятных условиях все электроны, пролетающие зазор резонатора в течение половины периода, собираются в пространстве группирования в один сгусток и в обратном направлении пролетают зазор резонатора в максимальном тормозящем поле. Центрами группирования являются те электроны, которые пролетают зазор резонатора без изменения скорости при переходе напряжения от положительного значения к отрицательному.

На основании изложенного можно установить амплитудное и фазовое условие самовозбуждения клистрона.

Амплитудное условие самовозбуждения клистрона состоит в том, что электроны должны быть сгруппированы в сгустки, а плотность и количество электронов в сгустках не должны быть меньше некоторых минимумов. Фазовое условие состоит в том, что сгустки электронов должны пролетать зазор резонатора в тормозящем поле. При нормальной эмиссии катода и нормальном значении напряжения амплитудное условие выполняется автоматически при выполнении фазового условия. Рассмотрим поэтому более подробно фазовое условие возбуждения.