что такое клистрон и какие функции он выполняет

Клистрон принцип работы

КЛИСТРОН

Раз­ли­ча­ют про­лёт­ные и от­ра­жа­тель­ные клис­тро­ны.

Схема многорезонаторного пролётного клистрона: 1 – электронная пушка; 2 – фокусирующий электрод; 3 – катод; 4 – входной активный резонатор; 5 – пассивные резонаторы

Клистрон

Большинство пролётных клис­тро­нов являются многорезонаторными усилительными клис­тро­нами.

При первом прохождении зазора его электрическое поле СВЧ модулирует скорости электронов.

При втором прохождении электроны прибывают в зазор сформированными в сгустки.

Поле СВЧ в зазоре тормозит эти сгустки и превращает часть кинетической энергии электронов в энергию колебаний СВЧ.

Отражательные клис­тро­ны являются самым массовым типом приборов СВЧ. Они выпускаются для работы в дециметровом, сантиметровом и миллиметровом диапазонах волн, имеют выходную мощность от 5 мвт до 5 вт, диапазон механической перестройки частоты до 10%.

Рис. 1. Схемы конструкции пролётных клистронов: а — усилительного, б — генераторного: 1 — катод; 2 — фокусирующий цилиндр; 3 — электронный поток; 4 — входной объёмный резонатор; 5 — отверстие для ввода энергии сверхвысоких частот; 6 — зазор объёмного резонатора; 7 — пространство дрейфа; 8 — выходной объёмный резонатор; 9 — отверстие для вывода энергии сверхвысоких частот; 10 — коллектор, принимающий электронный поток; 11 — промежуточные объёмные резонаторы; 12 — источник постоянного анодного напряжения; 13 — источник напряжения подогрева катода; 14 — первый объёмный резонатор; 15 — щель связи, через которую часть энергии сверхвысоких частот проходит из второго резонатора в первый; 16 — второй объёмный резонатор.

Рис. 2. Схема конструкции отражательного клистрона: 1 — катод; 2 — фокусирующий цилиндр; 3 — электронный поток; 4 — ускоряющая сетка; 5 — объёмный резонатор; 6 — зазор объёмного резонатора; 7 — отражатель; 8 — вторая сетка резонатора; 9 — первая сетка резонатора; 10 — вакуумноплотное керамическое окно вывода энергии сверхвысоких частот из объёмного резонатора; 11 — источник напряжения резонатора клистрона; 12 — источник напряжения подогрева катода; 13 — источник напряжения отражателя

Рис. 3. Зависимость частоты и выходной мощности отражательного клистрона от напряжения на отражателе: А — ширина зоны генерации; Б — ширина зоны генерации по уровню половинной мощности; f1 — частота колебаний в центре зоны; Δf — отклонение частоты от f1; В — диапазон электронной настройки по уровню половинной мощности.

Рис. 4. Способы механической перестройки частоты отражательного клистрона: а — прогибом мембраны, б — перемещением поршня съёмной части объёмного резонатора, в — перемещением штыря объёмного резонатора, находящегося вне вакуума; 1 — мембрана, прогибом которой меняют зазор объёмного резонатора (увеличение зазора увеличивает частоту колебаний); 2 — края металлических дисков клистрона, к которым присоединяют съёмную часть объёмного резонатора; 3 — съёмная часть объёмного резонатора; 4 — поршень объёмного резонатора (при опускании поршня длина объёмного резонатора уменьшается и частота генерируемых колебаний увеличивается); 5 — керамическое вакуумноплотное окно связи между объёмными резонаторами; 6 — штырь (подъём штыря увеличивает зазор объёмного резонатора и частоту колебаний); 7 — отверстие для вывода энергии сверхвысоких частот.

Принцип действия отражательного клистрона

В постоянном ускоряющем поде анода электроны от катода движутся в сторону резонатора, имеющего вид тела вращения. В центральной части его стенки, выполненные из металлических сеток, прозрачных дня электронов, сближаются, образуя узкий зазор.

В установившемся режиме в резонаторе существуют высокочастотные колебания, поле которых между сетками зазора направлено практически вдоль оси потока электронов. Под действием этого поля электроны, пролетающие через зазор, попеременно ускоряются или тормозятся, и лишь те, что проходят зазор в момент смены знака поля, продолжают путь с прежней скоростью (невозмущенные электроны). Таким образом, в зазоре происходит модуляция скорости электронов.

Толщина зазора мала, а, следовательно, мало и время пролета электронов в зазоре, напряжение между сетками зазора также невелико. Все это позволяет считать, что плотность электронного потока на выходе из зазора практически не меняется. В таком виде электронный поток поступает в постоянное тормозящее электрическое поле между резонатором и отражателем. Электроны, двигаясь к отражателю, тормозятся вплоть до остановки (в окрестности точки 5 рис.76.), поворачивают обратно и вновь пролетают через зазор. При этом ускоренные электроны ближе подлетают к отражателю и затрачивают на весь путь в оба конца больше времени, чем замедленные.

Этот процесс приводит к тому, что возвращающийся в зазор поток представляет последовательность сгустков и разрежений, т.е. происходит группировка электронов. На рис.8 видно, что центр сгустка совпадает с положением невозмущениого электрона.

Если сгусток встретит в зазоре тормозящее ВЧ поле (например, точка θ6 на рис.8), то он передаст ему часть своей кинетической энергии, которая послужит поддержанию установившихся в резонаторе колебаний, т.е. клистрон будет генерировать. Начальные колебания в резонаторе, необходимые для модуляции электронов по скорости, возбуждаются за счет флюктуаций электронного потока (дробовой эффект).

Источник

Клистрон

Клистро́н — электровакуумный прибор, в котором преобразование постоянного потока электронов в переменный происходит путём модуляции скоростей электронов электрическим полем СВЧ (при пролёте их сквозь зазор объёмного резонатора) и последующей группировки электронов в сгустки (из-за разности их скоростей) в пространстве дрейфа, свободном от СВЧ поля.

Содержание

Классификация

Клистроны подразделяются на 2 класса: пролётные и отражательные.

В пролётном клистроне электроны последовательно пролетают сквозь зазоры объёмных резонаторов. В простейшем случае резонаторов 2: входной и выходной. Дальнейшим развитием пролётных клистронов являются каскадные многорезонаторные клистроны, которые имеют один или несколько промежуточных резонаторов, расположенных между входным и выходным резонаторами.

В отражательном клистроне используется один резонатор, через который электронный поток проходит дважды, отражаясь от специального электрода — отражателя.

История

Первые конструкции пролётных клистронов были предложены и осуществлены в 1938 Расселом Варианом и Сигуртом Варианом.

Отражательный клистрон был разработан в 1940 году Н. Д. Девятковым, Е. Н. Данильцевым, И. В. Пискуновым и независимо В. Ф. Коваленко.

Пролётные клистроны

Устройство и принцип действия

В клистроне имеются два объемных резонатора с ёмкостными сеточными зазорами. Первый резонатор называют входным, или модулятором; второй — выходным. Пространство между ними называют пространством дрейфа или группирования.

Электроны, эмитируемые катодом, ускоряются постоянным напряжением второго электрода и попадают в узкий сеточный зазор первого резонатора, в котором имеется продольное СВЧ поле. Это поле периодически ускоряет и замедляет электроны, модулируя электронный поток по скорости. Двигаясь далее в пространстве дрейфа, электроны постепенно образуют сгустки за счёт того, что быстрые электроны догоняют медленные. Этот модулированный по плотности электронный поток попадает во второй резонатор и создает в нем наведенный ток той же частоты, что и частота входного модулирующего поля. В результате между сетками резонатора появляется высокочастотное электрическое поле, которое начинает взаимодействовать с потоком электронов. Необходимые параметры клистрона подбираются таким образом, чтобы электрическое поле второго резонатора тормозило сгустки электронной плотности и ускоряло её разряжения. В результате в среднем за период одного колебания поля тормозится большее число электронов, чем ускоряется. Кинетическая энергия электронов преобразуется в энергию СВЧ колебаний электромагнитного поля второго резонатора, а электроны, пройдя резонатор, оседают на коллекторе, рассеивая оставшуюся часть кинетической энергии в виде тепла.

Параметры и характеристики

Под КПД клистрона обычно понимается электронный кпд :

то есть отношение мощности , отданной электронным потоком СВЧ полю в выходном резонаторе на n-ой гармонике, к подведённой мощности

Решая задачу о наведении мощности в нагрузке выходного резонатора из общих принципов наведения тока электронным потоком, можно получить, что максимум , а значит и максимум КПД определяется максимумом функции Бесселя:

где — функция Бесселя первого рода n-го порядка, — номер гармоники, — так называемый параметр группировки.

В таблице представлены максимальный электронный КПД двухрезонаторного клистрона и оптимальная величина параметра группировки для различных гармоник.

1	58,2	1,84
2	48,7	1,53
3	43,4	1,40
8	32,0	1,22
16	26,0	1,13

Если уменьшать параметр , например, уменьшая амплитуду входного сигнала, или увеличивая амплитуду ускоряющего напряжения, то электронный поток окажется недогруппированным. КПД и выходная мощность при этом падают. То же происходит и в перегруппированном потоке.

Реальный КПД пролётного двухрезонаторного клистрона, учитывающий потери в колебательной системе, на сетках резонаторов и другие факторы, гораздо меньше и не превышает 20 %.

Многорезонаторный клистрон

Устройство и принцип действия

В многорезонаторных клистронах между входным и выходным резонаторами помещают дополнительные ненагруженные резонаторы. В качестве примера, поясняющего особенности их работы, достаточно рассмотреть пролётный трёхрезонаторный клистрон.

Предположим, что промежуточный резонатор точно настроен на частоту входного сигнала. Как и в двухрезонаторном клистроне, во входном резонаторе электроны модулируются по скорости и далее группируются в первом пространстве дрейфа. Если на вход поступает слабый входной сигнал, то и модуляция электронного потока будет незначительной. При этом величина наведенного тока во втором резонаторе также будет малой. Однако, поскольку ненагруженный промежуточный резонатор является высокодобротной системой, то даже при малой амплитуде конвекционного тока напряжение, создаваемое на его сетках, будет большим. Этому в значительной мере благоприятствует то обстоятельство, что второй резонатор не связан с внешней нагрузкой. Суммарная активная проводимость второго резонатора определяется только потерями в самом резонаторе и электронной нагрузкой затвора.

В установившемся режиме ток и напряжение во втором резонаторе имеют ту же частоту, что и частота входного сигнала. Напряжение, наведенное на втором резонаторе, вызывает сильную модуляцию скорости электронов и сильную группировку электронного потока во втором пространстве дрейфа. В результате распределение электронов в сгустках их плотности будет определяться вторым резонатором и зависимость конвекционного тока в третьем резонаторе будет примерно такой же, как в двухрезонаторном клистроне, образованном вторым и третьим резонаторами, но при модулирующем напряжении гораздо большем, чем модулирующее напряжение первого резонатора. При этом коэффициент усиления значительно увеличится, так как группирование электронов осуществляется при значительно меньшей амплитуде входного сигнала, подводимого к первому резонатору. Аналогичные процессы протекают в каждом промежуточном резонаторе многорезонаторного клистрона.

С физической точки зрения повышение коэффициента усиления многорезонаторного клистрона достигается не за счёт увеличения КПД и выходной мощности, а за счёт снижения мощности сигнала, необходимой на входе усилителя для управления электронным потоком.

Параметры и характеристики

В рассматриваемом выше идеальном случае (когда второй резонатор точно настроен на частоту входного сигнала) максимальная выходная мощность и электронный КПД остаются такими же, как и в двухрезонаторном клистроне, то есть предельное значение КПД составляет 58 %, поскольку остается таким же максимальное значение амплитуды первой гармоники конвекционного тока в последнем резонаторе.

Для увеличения КПД в многорезонаторных клистронах производится расстройка промежуточных резонаторов, где велико напряжение, создаваемое наведенным током (обычно это предпоследний резонатор). В то же время уменьшение выходной мощности и коэффициента усиления клистрона, возникающее при расстройке резонаторов, компенсируется увеличением количества резонаторов. (Коэффициент усиления примерно равен дБ, где — число резонаторов.) Теоретические расчеты показывают, что в этом случае электронный КПД можно увеличить до 75 % и расширить полосу рабочих частот до нескольких процентов. На практике обычно применяют четырех-шестирезонаторные клистроны.

Отражательный клистрон

Устройство и принцип действия

Отражательные клистроны предназначены для генерирования СВЧ колебаний малой мощности.

Отражательный клистрон имеет один резонатор, дважды пронизываемый электронным потоком. Возвращение электронов осуществляется с помощью отражателя, находящегося под отрицательным постоянным потенциалом по отношению к катоду. Таким образом, резонатор играет роль группирователя при первом прохождении электронов и роль выходного контура при втором прохождении. Промежуток между резонатором и отражателем играет роль пространства дрейфа, где модуляция электронного потока по скорости переходит в модуляцию по плотности.

Для того чтобы клистрон мог генерировать СВЧ колебания необходимо, чтобы сгустки электронного потока, сформированные при первом прохождении сквозь резонатор, проходили через резонатор при обратном движении в те моменты, когда в нём имеется тормозящее высокочастотное электрическое поле.

Параметры и характеристики

Электронный КПД отражательных клистронов ниже, чем у пролётных клистронов, и его реально достижимое значение не превышает нескольких процентов.

Диапазон перестройки частот

В пределах каждой зоны генерации возможна электронная перестройка частоты. На практике её осуществляют изменением напряжения на отражателе, так как ток в цепи отражателя равен нулю и управление частотой генерации происходит без затрат мощности.

Диапазон электронной перестройки частоты у отражательных клистронов обычно не превышает 0,5% от среднего значения частоты.

Также возможна механическая перестройка частоты. Она осуществляется путём изменения добротности резонатора. Различают два вида механической перестройки: индуктивную и емкостную. Первая осуществляется посредством настроечных винтов и поршней. Вторая имеет место, когда вторая сетка резонатора посажена на упругую мембрану, воздействуя на которую, можно изменять зазор между сетками резонатора. Диапазон механической перестройки составляет примерно 25 % от средней частоты, что значительно больше диапазона электронной перестройки. Но при этом скорость перестройки невелика.

Применение

Пролётные клистроны являются основой всех мощных СВЧ передатчиков когерентных радиосистем, где реализуется стабильность и спектральная чистота высокостабильных водородных стандартов частоты. В частности, в выходных каскадах самых мощных в мире радиолокаторов для исследования астероидов и комет (радиолокационные телескопы, планетные и астероидные радары), которые расположены в обсерваториях Аресибо (Пуэрто-Рико), Голдстоуне (Калифорния) и Евпатории (Крым), используются именно пролетные клистроны с водяным охлаждением.

Отражательные клистроны применяются в различной аппаратуре в качестве маломощных генераторов. Вследствие низкого КПД их не используют для получения больших мощностей и применяют в качестве гетеродинов СВЧ приемников, в измерительной аппаратуре и в маломощных передатчиках. Их основные преимущества заключаются в конструктивной простоте и наличии электронной перестройки частоты. Отражательные клистроны имеют высокую надежность и не требуют применения фокусирующей системы.

В настоящее время, в тех применениях, где не требуется высокая стойкость к ионизирующим излучениям, генераторы на отражательных клистронах вытесняются полупроводниковыми генераторами СВЧ.

Источник

Клистрон

Полезное

Смотреть что такое «Клистрон» в других словарях:

КЛИСТРОН — (от греч. klyzo ударяю и (элек)трон), электронный прибор для усиления и генерирования колебаний СВЧ. Существуют прямопролётные К. (двух и многорезонаторные) и отражательные К.; сверхминиатюрные отражательные К. наз. м и н и т р о н а м и. Рис. 1 … Физическая энциклопедия

КЛИСТРОН — КЛИСТРОН, ЭЛЕКТРОННАЯ ТРУБКА, в которой поток электронов движется с контролируемой скоростью. Используется в радио и микроволновых схемах, работающих на УВЧ, таких как РАДАРНЫЕ передатчики, где они работают на частотах до 400 000 МГц … Научно-технический энциклопедический словарь

клистрон — сущ., кол во синонимов: 1 • фотоклистрон (1) Словарь синонимов ASIS. В.Н. Тришин. 2013 … Словарь синонимов

клистрон — а, м. klystron < klyzo о волнах: бью, ударяю, плещу + (électron). физ. Один из типов сверхвысокочастотных электронных ламп. Крысин 1998. Лекс.СИС 1964: клистро/н … Исторический словарь галлицизмов русского языка

клистрон — клистрон; отрасл. лампа со скоростной модуляцией Электронная лампа, в которой вследствие предварительной модуляции скоростей электронов происходит преобразование постоянного потока электронов в переменный по плотности в пространстве, свободном от … Политехнический терминологический толковый словарь

клистрон — Прибор О типа, в котором группирование электронов и передача их энергии СВЧ полю происходят в результате взаимодействия электронов с СВЧ полем, локализованном в одном или более зазорах резонаторов. Примечание Группирование электронов… … Справочник технического переводчика

Клистрон — Не следует путать с Крайтрон. Клистрон в Космическом исследовательском центре в Канберре Клистрон электровакуумный прибор, в котором преобразование постоянного потока электронов в переменный происходит п … Википедия

клистрон — klistronas statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. klystron vok. Klystron, n rus. клистрон, m pranc. klystron, m … Fizikos terminų žodynas

Источник

КЛИСТРОН

К. используются как генераторы и усилители СВЧ-мощности, а также как умножители частоты. Метод клистронного группирования находит применение и в др. областях техники, в частности в ускорителях заряженных частиц. В зависимости от наличия пост, элект-рич. поля в дрейфовом пространстве различают отражательные и пролётные К. Последние могут быть двух-и многорезонаторными.

Рис. 1. Схема пролётного трёхрезонаторного клистрона

Характеристики пролётного К. Выходная мощность К.-усилителя ограничена мощностью пучка, равной произведению тока пучка I на ускоряющее напряжение U а пушки. Увеличению U a препятствуют и трудности группирования электронов. Они становятся особенно значительными при тех энергиях электронов, когда начинают сказываться релятивистские эффекты, т. к. при этом быстро растёт необходимая длина дрейфового промежутка. Ограничения на ток I связаны с влиянием пространств. заряда: продольное расплывание сгустков из-за кулоновских сил затрудняет группирование электронов, рост поперечных сил расталкивания электронов приводит к необходимости использования сильного продольного магн. поля для фокусировки. В самых мощных К. U a =300 кВ, I=300 А. При работе в импульсном режиме мощность на выходе К. достигает десятков МВт, а в непрерывном режиме не превышает сотен кВт, что связано с трудностью отвода тепла с коллектора.

Коэф. усиления К. равен отношению мощности, отводимой в нагрузку, к мощности сигнала, поступающего во входной резонатор. Он достигает 60 дБ (10 е раз). Это обусловлено почти полным отсутствием во входном резонаторе затрат мощности сигнала на модуляцию электронов по скорости: однородно заряженный пучок половину периода потребляет мощность, а половину периода отдаёт её полю. Поэтому достаточно высокий уровень напряжения на зазоре, требуемый для эфф. модуляции, может быть получен и при малой мощности входного сигнала за счёт высокой добротности резонатора, настройки в резонанс и подбора уровня связи с входным фидером, обеспечивающим отсутствие отражения мощности.

К. являются узкополосными приборами, что обусловлено высокой добротностью резонаторов группирователя. При необходимости расширения рабочей полосы частот промежуточные резонаторы расстраиваются в обе стороны от осн. частоты в ущерб коэф. усиления и кпд. Тем не менее полоса усиливаемых частот К. обычно не превышает долей % от рабочей частоты, и это является осн. недостатком К. Многорезонаторные К.-усилители работают в диапазоне дециметровых и сантиметровых волн и находят широкое применение в выходных каскадах радиолокаторов, телевизионных передатчиков, системах дальней связи, питания линейных ускорителей.

Отражательный К. Иногда в двухрезонаторных пролётных К. часть мощности из выходного резонатора подаётся с соответствующим сдвигом фазы во входной, тогда К. работает как автогенератор. Для этой цели, однако, чаще применяется отражательный К. (рис. 3).

Поскольку резонатор выполняет неск. противоречивых ф-ций, получить хорошее группирование пучка в отражат. К. не удаётся, кпд его мал, но это не так существенно, т. к. осн. применение отражат. К. находят в измерит. аппаратуре, гетеродина локац. приёмников и т. д., где их мощность колеблется от 0,01 до неск. Вт. Диапазон генерируемых частот 1-60 ГГц. Крутизна электронной настройки достигает 10 МГц/В. Лит.: Хайков А. З., Клистронные усилители, М., 1974; Милованов О. С., С о б е в и н Н. П., Техника сверхвысоки): частот. М., 1980. В. Н. Курдюмое.

Источник