Клістрон

Не слід плутати з Крайтрон.
Клістрон в Космічному дослідницькому центрі в Канберрі

Клістрон - електровакуумний прилад, в якому перетворення постійного потоку електронів в змінний відбувається шляхом модуляції швидкостей електронів електричним полем СВЧ (при прольоті їх крізь зазор об'ємного резонатора) та подальшої угруповання електронів в згустки (через різниці їх швидкостей) в просторі дрейфу, вільному від НВЧ поля.


1. Класифікація

Клістрони підрозділяються на 2 класи: пролітні і відбивні.

У пролетном клістроні електрони послідовно пролітають крізь зазори об'ємних резонаторів. У простому випадку резонаторів 2: вхідний і вихідний. Подальшим розвитком пролітних клістронів є каскадні багаторезонаторні клістрони, що мають один або кілька проміжних резонаторів, розташованих між вхідним і вихідним резонаторами.

У відбивної клістроне використовується один резонатор, через який електронний потік проходить двічі, відбиваючись від спеціального електроду - відбивача.


2. Історія

Перші конструкції прогонових клістронів були запропоновані і здійснені в 1938 Расселом Варіані і Сігуртом Варіані.

Відбивний клістрон був розроблений в 1940 Н. Д. Девяткова, Е. Н. ДАНІЛЬЦЕВА, І. В. Піскуновим і незалежно В. Ф. Коваленко.

3. Пролітні клістрони

3.1. Пристрій і принцип дії

Пристрій пролітного клістрона

У клістроні є два об'ємних резонатора з ємнісними сітковими зазорами. Перший резонатор називають вхідним, або модулятором; другий - вихідним. Простір між ними називають простором дрейфу або групування.

Електрони, емітуються катодом, прискорюються постійним напругою U_0 другого електрода і потрапляють у вузький сітковий зазор першого резонатора, в якому є поздовжнє НВЧ полі. Це поле періодично прискорює і уповільнює електрони, модулюючи електронний потік по швидкості. Рухаючись далі в просторі дрейфу, електрони поступово утворюють згустки за рахунок того, що швидкі електрони наздоганяють повільні. Цей модульований по щільності електронний потік потрапляє у другий резонатор і створює в ньому наведений ток тієї ж частоти, що і частота вхідного модулюючого поля. В результаті між сітками резонатора з'являється високочастотне електричне поле, яке починає взаємодіяти з потоком електронів. Необхідні параметри клістрона підбираються таким чином, щоб електричне поле другого резонатора гальмувало згустки електронної щільності і прискорювало її розрядження. У результаті в середньому за період одного коливання поля гальмується більше число електронів, ніж прискорюється. Кінетична енергія електронів перетворюється в енергію НВЧ коливань електромагнітного поля другого резонатора, а електрони, пройшовши резонатор, осідають на колекторі, розсіюючи залишилася частина кінетичної енергії у вигляді тепла.


3.2. Параметри і характеристики

3.2.1. ККД

Під ККД клістрона зазвичай розуміється електронний ккд \ Eta_ {el} :

\ Eta_ {el} = \ frac {P_ {2n}} {P_0}

тобто відношення потужності P_ {2n} , Відданої електронним потоком СВЧ полю в вихідному резонаторі на n-ій гармоніці, до підведеної потужності P_0

Вирішуючи задачу про наведенні потужності в навантаженні вихідного резонатора із загальних принципів наведення струму електронним потоком, можна отримати, що максимум P_ {2n} , А значить і максимум ККД визначається максимумом функції Бесселя : \ Eta_ {el max} = {J_n (nX)} _ {max}

де J_n - Функція Бесселя першого роду n-го порядку, n - Номер гармоніки, X - Так званий параметр угруповання.

У таблиці представлені максимальний електронний ККД двухрезонаторного клістрона і оптимальна величина параметра угруповання для різних гармонік.

n \ Eta_ {el max},% X_ {max}
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

Якщо зменшувати параметр X , Наприклад, зменшуючи амплітуду вхідного сигналу, або збільшуючи амплітуду прискорюючої напруги, то електронний потік виявиться недогруппірованним. ККД та вихідна потужність при цьому падають. Те ж відбувається і в перегрупувати потоці.

Реальний ККД пролітного двухрезонаторного клістрона, що враховує втрати в коливальній системі, на сітках резонаторів і інші фактори, набагато менше і не перевищує 20%.


4. Багаторезонаторний клістрон

4.1. Пристрій і принцип дії

Пристрій багаторезонаторного клістрона

У багаторезонаторних клістронах між вхідним і вихідним резонаторами поміщають додаткові ненавантажені резонатори. Як приклад, пояснюючого особливості їх роботи, достатньо розглянути пролітний трехрезонаторний клістрон.

Припустимо, що проміжний резонатор точно налаштований на частоту вхідного сигналу. Як і в двухрезонаторном клістроні, у вхідному резонаторі електрони модулюються по швидкості і далі групуються в першому просторі дрейфу. Якщо на вхід надходить слабкий вхідний сигнал, то і модуляція електронного потоку буде незначною. При цьому величина наведеного струму в другому резонаторі також буде малою. Однак, оскільки ненавантажений проміжний резонатор є високодобротних системою, то навіть при малій амплітуді конвекційного струму напруга, створювана на його сітках, буде більшим. Цьому значною мірою сприяє та обставина, що другий резонатор не пов'язаний з зовнішнім навантаженням. Сумарна активна провідність другого резонатора визначається тільки втратами в самому резонаторі і електронної навантаженням затвора.

У сталому режимі струм і напруга в другому резонаторі мають ту ж частоту, що й частота вхідного сигналу. Напруга, наведене на другому резонаторі, викликає сильну модуляцію швидкості електронів і сильне угруповання електронного потоку в другому просторі дрейфу. У результаті розподіл електронів в згустках їх щільності буде визначається другим резонатором і залежність конвекційного струму в третьому резонаторі буде приблизно такою ж, як в двухрезонаторном клістроні, утвореному другим і третім резонаторами, але при модулюючого напруги набагато більшому, ніж модулююча напруга першого резонатора. При цьому коефіцієнт підсилення значно збільшиться, так як групування електронів здійснюється при значно меншій амплітуді вхідного сигналу, підводиться до першого резонатора. Аналогічні процеси протікають в кожному проміжному резонаторі багаторезонаторного клістрона.

З фізичної точки зору підвищення коефіцієнта посилення багаторезонаторного клістрона досягається не за рахунок збільшення ККД і вихідної потужності, а за рахунок зниження потужності сигналу, необхідної на вході підсилювача для керування електронним потоком.


4.2. Параметри і характеристики

4.2.1. ККД

У розглянутому вище ідеальному випадку (коли другий резонатор точно налаштований на частоту вхідного сигналу) максимальна вихідна потужність і електронний ККД залишаються такими ж, як і в двухрезонаторном клістроні, тобто граничне значення ККД становить 58%, оскільки залишається таким же максимальне значення амплітуди першої гармоніки конвекційного струму в останньому резонаторі.

Для збільшення ККД в багаторезонаторних клістронах проводиться расстройка проміжних резонаторів, де велике напруження, створюване наведеним струмом (зазвичай це передостанній резонатор). У той же час зменшення вихідний потужності і коефіцієнта посилення клістрона, що виникає при розладі резонаторів, компенсується збільшенням кількості резонаторів. (Коефіцієнт посилення приблизно дорівнює 15 +20 (N-2) дБ, де N - Число резонаторів.) Теоретичні розрахунки показують, що в цьому випадку електронний ККД можна збільшити до 75% і розширити смугу робочих частот до декількох відсотків. На практиці звичайно застосовують чотирьох-шестірезонаторние клістрони.


5. Відбивний клістрон

5.1. Пристрій і принцип дії

Пристрій відбивного клістрона

Відбивні клістрони призначені для генерування СВЧ коливань малої потужності.

Відбивний клістрон має один резонатор, двічі пронизує електронним потоком. Повернення електронів здійснюється за допомогою відбивача, що перебуває під негативним постійним потенціалом по відношенню до катода. Таким чином, резонатор грає роль группірователя при першому проходженні електронів і роль вихідного контуру при другому проходженні. Проміжок між резонатором і відбивачем грає роль простору дрейфу, де модуляція електронного потоку по швидкості переходить в модуляцію по щільності.

Для того щоб клістрон міг генерувати НВЧ коливання необхідно, щоб згустки електронного потоку, сформовані при першому проходженні крізь резонатор, проходили через резонатор при зворотному русі в ті моменти, коли в ньому є гальмуючий високочастотне електричне поле.


5.2. Параметри і характеристики

5.2.1. ККД

Електронний ККД відбивних клістронів нижче, ніж у пролітних клістронів, і його реально досяжне значення не перевищує декількох відсотків.

5.2.2. Діапазон перебудови частот

У межах кожної зони генерації можлива електронна перебудова частоти. На практиці її здійснюють зміною напруги на відбивачі, так як струм в ланцюзі відбивача дорівнює нулю і керування частотою генерації відбувається без витрат потужності.

Діапазон електронної перебудови частоти у відбивних клістронів зазвичай не перевищує 0,5% від середнього значення частоти.

Також можлива механічна перебудова частоти. Вона здійснюється шляхом зміни добротності резонатора. Розрізняють два види механічної перебудови: індуктивну і ємнісну. Перша здійснюється за допомогою настроювальних гвинтів і поршнів. Друга має місце, коли друга сітка резонатора посаджена на пружну мембрану, впливаючи на яку, можна змінювати зазор між сітками резонатора. Діапазон механічної перебудови становить приблизно 25% від середньої частоти, що значно більше діапазону електронної перебудови. Але при цьому швидкість перебудови невелика.


6. Застосування

Передавач планетного радара РТ-70 використовує клістрони КУ-342

Пролітні клістрони є основою всіх потужних НВЧ передавачів когерентних радіосистем, де реалізується стабільність і спектральна частота високостабільних водневих стандартів частоти. Зокрема, у вихідних каскадах найпотужніших у світі радіолокаторів для дослідження астероїдів і комет (радіолокаційні телескопи, планетні і астероїдні радари), які розташовані в обсерваторіях Аресібо ( Пуерто-Ріко), Голдстоуні ( Каліфорнія) і Євпаторії ( Крим), використовуються саме пролітні клістрони з водяним охолодженням.

Відбивні клістрони застосовуються в різній апаратурі в якості малопотужних генераторів. Внаслідок низького ККД їх не використовують для отримання великих потужностей і застосовують як гетеродинів НВЧ приймачів, у вимірювальній апаратурі і в малопотужних передавачах. Їх основні переваги полягають в конструктивній простоті і наявності електронної перебудови частоти. Відбивні клістрони мають високу надійність і не вимагають застосування фокусуючої системи.

В даний час, в тих застосуваннях, де не потрібна висока стійкість до іонізуючим випромінюванням, генератори на відбивних клістронах витісняються напівпровідниковими генераторами НВЧ.


Пасивні твердотільні Резистор Змінний резистор Підлаштування резистор Варистор Конденсатор Змінний конденсатор Конденсатори підлаштування Котушка індуктивності Кварцовий резонатор Запобіжник Самовідновлюється запобіжник Трансформатор Мемристор
Активні твердотільні Діод Світлодіод Фотодіод Напівпровідниковий лазер Діод Шотткі Стабілітрон Стабистор Варикап Варікондамі Діодний міст Лавинно-пролітний діод Тунельний діод Діод Ганна
Транзистор Біполярний транзистор Польовий транзистор КМОП-транзистор Одноперехідного транзистора Фототранзистор Складовою транзистор Балістичний транзистор
Інтегральна схема Цифрова інтегральна схема Аналогова інтегральна схема
Тиристор Сімістор Динистор
Пасивні вакуумні Бареттера
Активні вакуумні та газорозрядні Електронна лампа Електровакуумний діод Тріод Тетрод Пентод Гексод Гептод Пентагрид Октод Нонод Механотрон Клістрон Магнетрон Амплітрон Платінотрон Електронно-променева трубка Лампа біжучої хвилі
Пристрої відображення Електронно-променева трубка РК-дисплей Світлодіод Газорозрядний індикатор Вакуумно-люмінесцентний індикатор Прапорцевий індикатор Семисегментний індикатор
Акустичні пристрої і датчики Мікрофон Гучномовець Тензорезистор
Термоелектричні пристрої Термістор Термопара Елемент Пельтьє