Введение. Устройство и принцип действия пролетного клистрона

КЛИСТРОН

Устройство и принцип действия пролетного клистрона.

Введение

Специальные электронные приборы СВЧ делятся на две группы: 0-типа и М-типа. В приборах 0-типа постоянное магнитное поле отсутствует или применяется только для фокусировки электронного потока, а для приборов М-типа характерно наличие так называемых скрещенных, т.е. взаимно перпендикулярных, постоянных электрического и магнитного полей. Именно совместное действие этих полей в значительной мере определяет траекторию движения электронов, и механизм передачи их энергии полю СВЧ.

Исторически первыми представителями приборов 0-типа стали клистроны, широко используемые в качестве СВЧ-генераторов и в настоящее время.

Принцип действия клистронного генератора основан на взаимодействии электронного потока с переменным полем в резонаторе. В результате взаимодействия кинетическая энергия электронов, полученная от источника постоянного напряжения, преобразуется в энергию высокочастотных колебаний. В клистронах чаще всего используются резонаторы тороидального типа, имеющие в центральной части емкостной зазор, ограниченный почти прозрачными для электронов сетками (рис. 1) В емкостном зазоре резонатора локализуется интенсивное электрическое поле, с которым взаимодействует электронный поток. В течение одного полупериода поле ускоряет электроны, и энергия СВЧ колебаний расходуется на увеличение кинетической энергии электронов, в течение следующего полупериода ВЧ электрическое поле тормозит электроны, и кинетическая энергия электронов превращается в энергию высокочастотных колебаний.

Рис.1. Тороидальный резонатор.

Если зазор пересекает поток, плотность которого постоянна во времени, то число ускоренных полем электронов в среднем равно числу замедленных и энергия, отбираемая электронами в ускоряющем полупериоде напряжения, равна энергии, отдаваемой в тормозящем полупериоде. Средняя за период энергия поля и потока не меняется, а, следовательно, мощность взаимодействия переменного поля с потоком постоянной плотности равна нулю.

Для преобразования кинетической энергии электронного потока в энергию поля нужно создать поток, модулированной по плотности, т.е. имеющий в одних местах сгустки электронов, а в других разрежения, и обеспечить прохождение этих сгустков сквозь зазор резонатора в тормозящие полупериоды напряжения. При этом плотность потока должна быть промодулирована с частотой, равной или кратной частоте переменного напряженна.

В клистронах используется так называемый динамический принцип управления электронным потоком, реализация которого требует длительного движения электронов. Суть его в том, что управляющее напряжение создает периодическое изменение скорости электронов в потоке таким образом, что одни электроны оказываются ускоренными, а другие - замедленными. В процессе движения быстрые электроны догоняют медленные и в потоке образуются электронные уплотнения (сгустки). Этот процесс получил название группировки потока. Сгруппированный поток затем приводится во взаимодействие с переменным полем.

В клистронах функции модулятора потока и отбора мощности от потока могут выполняться либо разными резонаторами, либо они могут быть совмещены в одном резонаторе. В последнем случае электронный поток проходит через этот резонатор дважды. В первом случае клистрон называется пролетным или многорезонаторным, а во втором – отражательным.