9.5. Генераторы свч, клистрон

В диапазоне СВЧ время пролета электронов в электровакуумном приборе или время прохождения неосновных носителей заряда через базу транзистора становится соизмеримым с периодом колебаний, поэтому понятия «активный элемент» и «электрическая цепь» в определенной степени теряют смысл, так как эти элементы трудно выделить, и генераторы СВЧ в целом представляют собой системы с распределенными параметрами. Во многих из них (например, в клистронах) используется принцип динамического управления электронным потоком, а перестройка по частоте осуществляется механическим изменением размеров колебательной системы.

С хематически устройство отражательного клистрона показано на рис. 9.9. Его колебательной системой является объемный резонатор, в некоторой мере напоминающий контур с сосредоточенными постоянными: емкость контура образуют сетки, а индуктивность - один «виток» тороида вращения. Колебания возбуждаются и поддерживаются в резонаторе электронным потоком, испускаемым раскаленным катодом и ускоряемым и формируемым в пучок электродами, присоединенными к источнику питания.

Рис. 9.5. Структура и принцип действия отражательного клистрона

Пройдя через сетки, электронный поток попадает в зону действия отражателя. Из-за отрицательного потенциала на отражателе по отношению к катоду и сеткам резонатора электроны не достигают отражателя, а меняют направление своего движения на обратное («отражаются») и снова пролетают через сетки резонатора, но уже в обратном направлении.

Предположим, что по какой-то причине, например из-за скачка тока электронов при включении питания, в резонаторе возбудились электрические колебания. Скорость электронов в потоке, прошедшем в разные моменты времени через сетки резонатора, окажется вследствие этого различной.

Одни электроны будут ускорены высокочастотным полем резонатора, другие, наоборот, замедлены, так как они окажутся между сетками резонатора в полупериод высокочастотных колебаний резонатора, когда его поле оказывает тормозящее действие на электроны. Ускоренные электроны получают энергию от поля резонатора, замедленные — отдают энергию резонатору. Если пучок электронов однороден, то в среднем за целое число периодов колебаний резонатора нет отдачи энергии потока электронов высокочастотному полю резонатора.

В пространстве между резонатором и отражателем промодулированные по скоростям электроны группируются по плотности и явно неоднородный поток электронов, состоящий из чередования «сгустков» с повышенной плотностью электронов и «разрежений», снова проходит через сетки резонатора. Если время нахождения электронов в пространстве между отражателем и резонатором таково, что «сгустки» электронов тормозятся высокочастотным полем резонатора, а «разрежения» ускоряются, то происходит передача энергии электронного потока полю резонатора. Таким образом, за счет образовавших электронный поток источников постоянного напряжения происходит генерация колебаний СВЧ. Энергия высокочастотных колебаний из резонатора выводится с помощью связанной с коаксиальной линией петли, которую пронизывают магнитные силовые линии высокочастотного поля резонатора.

Мощность отражательных клистронов — от единиц милливатт в миллиметровом диапазоне до долей и единиц ватт в сантиметровом диапазоне. В экспериментальной физике такие клистроны широко применяются в качестве источников высокочастотной энергии в спектрометрах электронного парамагнитного резонанса. Небольшая перестройка частоты генерации отражательного клистрона производится изменением напряжения на отражателе.

Более высокие уровни высокочастотной мощности получают при помощи пролетных клистронов, в которых поток электронов модулируется по скоростям одним резонатором, «сгустки» и «разрежения» образуются в этом потоке на пути его движения к другому резонатору, которому он отдает часть своей энергии. Резонаторы электрически связаны между собой коаксиальной линией или каким-нибудь иным способом. Для пролетных клистронов требуются более высокие по сравнению с отражательными клистронами уровни питающих напряжений и взаимная подстройка резонаторов. В физических исследованиях они применяются в качестве источников высокочастотного напряжения для линейных ускорителей заряженных частиц.