Где находится клистрон в ускорителе частиц

Клистрон: устройство и принцип работы.

Уступив полупроводниковым транзисторам по многим направлениям, радиолампы удержали плацдарм в области огромных энергий и сверхвысоких частот. Отсюда они начали наступление и поныне успешно работают в радиолокаторах, системах космической связи, микроволновых печах.

Физические принципы работы транзисторов не позволяют создать мощные полупроводниковые приборы, работающие на сверхвысоких частотах. Для отвода тепла нужно иметь довольно большую площадь р-n перехода. Это в свою очередь увеличивает емкость, и на высоких частотах коэффициент усиления падает. Кроме того, чем больше мощность, тем больший заряд возникает в области р-n перехода, и за время периода колебаний он не успевает рассасываться, то есть носители его — электроны и дырки — не успевают, говоря на профессиональном языке, рекомбинировать.
У обычных электровакуумных триодов, как и у транзисторов, верхняя рабочая частота ограничена. Ведь несмотря на высокую скорость электронам требуется какое-то время, чтобы пролететь от катода до сетки. Если это время больше периода изменения напряжения на сетке, то электрон не успеет добраться до анода. Кроме того, на высоких частотах начинают играть роль межэлектродные емкости и индуктивности выводов, искажая сигнал.
Традиционный способ модуляции электронного пучка по интенсивности на определенном этапе себя исчерпал. Требовалось нетривиальное решение.
Выход нашли изобретатели братья Р. и З. Варианы, В. Хан и Г. Метклаф, наблюдая на море за накатывающими на берег волнами прибоя. Поэтому придуманную ими лампу они назвали клистроном, что в переводе с греческого означает «удар волны».
По законам физики переменный электрический ток возбуждает в пространстве электромагнитное поле, которое в свою очередь наводит эдс в расположенном поблизости проводнике. На явлении электромагнитной индукции построена вся радиосвязь. Это же явление положено в основу работы клистрона.
Так в 30 — 40-х годах появились лампы — клистроны, которые оказались способны генерировать и усиливать сигналы с частотой в сотни мегагерц.
Далее приводится статья «Что такое клистрон» автора Я.И. Эфрусси из журнала «Радио» за . 1946 год (!). Эта статья просто и доходчиво рассказывает о том, как устроен клистрон и принцип его действия. А конструкция клистрона и физические процессы в нем, несмотря на прошедшие десятилетия, остались прежними.

«Что такое клистрон.»

Электронная лампа в течение долгих лет после ее изобретения считалась единственным реле, не имеющим инерции. Это значит, что электронная лампа мгновенно, без всякого запаздывания реагирует на все изменения напряжения, подведенного к ее сетке.
Электронная лампа вполне оправдывала свою репутацию мгновенно действующего прибора, пока радиотехника оперировала частотами, соответствующими длинным, средним и коротким волнам. Но в последние годы, когда в связи с развитием различных специальных отраслей радиотехники, и в первую очередь радиолокации, совершался переход ко все более коротким волнам, выяснилось, что электронную лампу уже нельзя считать прибором, срабатывающим мгновенно. Поэтому в частности обычные генераторные лампы оказались непригодными для генерирования таких сверхбыстрых колебаний, которые соответствуют дециметровым и в особенности сантиметровым волнам.
Например, длине волны 3 см соответствует частота 1Х10 10 Гц, т. е. период в одну десятимиллиардную долю секунды. Как ни быстро движутся электроны от катода к аноду лампы, все же время, в течение которого они достигают анода, оказывается уже больше, чем этот период колебаний. Поэтому для генерирования подобных сверхбыстрых колебаний надо так изменить самый принцип возбуждения колебаний, чтобы время пролета электронов не препятствовало действию лампы.
Этот новый принцип генерации сверхвысоких частот осуществляется при помощи специальной лампы — клистрона.
Клистрон — это электронная лампа, в которой применен новый метод управления электронным потоком и, если воспользоваться военным термином, — новое «построение» электронов. Чтобы понять работу клистрона, нужно рассмотреть отдельные его элементы и явления, в них происходящие.

1. «Электронная пушка» представляет собою катод и систему электродов, имеющих заданную форму и находящихся под определенными потенциалами. Электронная пушка создаст пучок электронов, летящих в определенном направлении. Появились такие пушки вместе с катодными трубками, применяемыми в осциллографах и телевизорах. Катодные трубки предъявляют к электронным пушкам очень высокие требования, ибо для получения достаточно малого и яркого пятна на экране трубки необходимо сконцентрировать большое количество электронов в очень узком пучке. Поэтому разработка электронных пушек развилась в целую науку, получившую название электронной оптики.
В клистроне электронная пушка служит для той же цели, что и в осциллографе, она создает пучок электронов, летящих с большой и одинаковой скоростью в нужном направлении. Высоких требований к фокусировке электронной пушки при этом не предъявляется и более глубокое ознакомление с ней нам не потребуется.
2. «Модуляция скорости» — периодическое изменение скорости электронов в ту и другую сторону от ее среднего значения, аналогичное изменениям амплитуды тока высокой частоты при амплитудной модуляции.
3. «Пространство дрейфа» — пространство, в котором электроны движутся с постоянной скоростью или с постоянным ускорением. В зависимости от конструкции лампы в этом пространстве либо нет никакого электромагнитного поля, либо имеется постоянное электрическое поле. Характерной особенностью пространства дрейфа является отсутствие в нем поля высокой частоты.
4. «Группирование» электронов — периодическое уплотнение потока электронов в пучке. Определение это достаточно кратко и точно, но для многих может показаться непонятным. Здесь мы позволили себе им ограничиться, так как по существу все дальнейшее изложение посвящено разъяснению этого процесса, являющегося основой работы клистрона.
5. «Объемный резонатор» — объем, ограниченный металлическими стенками, в котором происходят электрические колебания. При этом внутренняя поверхность стенок резонатора сама служит и токонесущей поверхностью. Этот термин также будет разъяснен более подробнее в дальнейшем.

С чем же сравнить работу клистрона? Нам кажется вполне допустимым искать аналогию ей. в цирке среди мастеров циркового искусства. Итак, мы отправляемся в цирк.
Ловкий жонглер играет разноцветными шарами. Он бросает вверх синие, красные, зеленые шары. Сперва он бросает их через равные промежутки времени и с одинаковой начальной скоростью (т. е. прикладывая одинаковую силу). И шары падают на землю равномерно, через одинаковые промежутки времени. Потом он меняет тактику: первый (синий) шар он бросает сильнее, второй (красный) — с такой же силой, как и раньше, а третий (зеленый) — с меньшей, чем раньше, начальной скоростью. И что же мы видим? Хотя жонглер и бросает шары попрежнему через равные промежутки времени, но падают они уже неравномерно, а группами, по три сразу.
Как же это случилось? Синий шар был брошен сильнее; поэтому он поднялся выше, проделал большой путь и запоздал — упал одновременно с брошенным позже красным. Зеленый был брошен с меньшей начальной скоростью, он взлетел менее высоко, проделал, меньший путь и нагнал брошенный ранее красный шар. В результате все три шара упали одновременно. Это же случилось и со следующими тремя разноцветными шарами, и со следующими за ними и т. д. Шары, которые жонглер бросает по одному через равные промежутки времени, падают группами, по три штуки вместе. Переводя весь процесс на радиотехнический язык, мы скажем, что вследствие «модуляции скорости» бросаемых вверх шаров и в результате последующих нагона и отставания в «пространстве дрейфа» получилось «группирование шаров».
Точно такое же явление происходит в отражательном клистроне. Роль шаров в нем играют электроны, роль жонглера — пара управляющих (или «группирующих») сеток, роль поля тяготения земли в «пространстве дрейфа» — электрическое поле, создаваемое отражателем.

Разрез отражательного клистрона мы видим на рис.1.
Источником электронов служит электронная пушка. Посылаемый ею пучок электронов ускоряется положительным полем сеток, к которым приложен положительный потенциал. Набрав скорость, они пролетают через две близко расположенные сетки, возвращаются назад отрицательным полем отражателя и падают на сетки или опять пролетают через сетки, для того чтобы совершить вторичное путешествие.
Мы не видим пока оснований для возникновения генерации. Но предположим, что какой-нибудь толчок напряжения вызвал модуляцию скорости электронов при пролете ими сеток. Мы знаем уже, что это приведет — на пути к отражателю и назад — к группированию электронного пучка, так как электроны, получившие дополнительное ускорение, больше углубятся в отрицательное поле отражателя, проделают больший путь и запоздают, а, наоборот, электроны, замедленные полем группирующих сеток, меньше углубятся в отрицательное поле отражателя, сделают меньший путь и вернутся назад скорее.
Группированный электронный пучок, проходя через сетки, создает на них переменное напряжение. И если знак, т. е. фаза этого напряжения, будет таким, что оно усилит модуляцию скорости, это ведет к дальнейшему группированию, и процесс этот будет нарастать, пока не установятся незатухающие колебания.
Что же требуется для того, чтобы на сетке возникало напряжение в нужной фазе? Мы найдем ответ на этот вопрос, если рассмотрим, что влияет на фазу группированного электронного пучка.
Прежде всего на нее влияет скорость электронов в пучке, определяемая напряжением на сетках.
Далее влияет напряжение на отражателе, от которого зависит длина пути электронов в пространстве дрейфа.
Наконец, существенное значение имеет настройка контура, включенного межцу сетками. Эти же факторы определяют частоту колебаний.
При одной и той же настройке контура частота колебаний может изменяться в определенных пределах. Поэтому клистрон особенно удобен для станций с частотной модуляцией (или в качестве гетеродина в приемниках с автоматическим регулированием частоты).
Рассмотрим теперь, что представляет собою колебательный контур отражательного клистрона.

Обратимся к контуру рис.2, состоящему из конденсатора С и индуктивности L, образованной катушкой в один виток.
Для увеличения частоты будем добавлять параллельно такие же витки (как известно, при параллельном соединении катушек самоиндукции результирующая индуктивность уменьшается). В конечном итоге мы заполним все пространство вокруг конденсатора и получим замкнутый объем, т. е. объемный резонатор, показанный в разрезе на рис.3.
Контуры такого типа широко используются в диапазоне сантиметровых и дециметровых волн.
Их преимущества следующие: сосредоточение всего электромагнитного поля внутри металлической коробки устраняет потери на излучение и обеспечивает полную экранировку, чем облегчается борьба с паразитными связями. Большая поверхность, по которой текут токи, т. е малые плотности токов, уменьшают потери на джаулево тепло.
Благодаря этим особенностям в объемных резонаторах может быть достигнута очень высокая добротность (Q). которой никак нельзя было бы получить на этих (и даже более низких) частотах в обычных контурах.
Конструктивно такой контур легко объединяется с клистроном; разрез отражательного клистрона с контуром показан на рис 4.
Отражательные клистроны применяются в приемниках в качестве гетеродинов, в качестве маломощных генераторов, в особенности с частотной модуляцией.

В клистронах, применяемых для получения значительных мощностей (порядка киловатта), имеются две пары сеток и два полых резонатора. Модуляция скорости в них имеет обратную фазу по сравнению с отражательными клистронами.
Чтобы разобраться в этом, вернемся к нашему старому другу — жонглеру с его разноцветными шарами. На этот раз он бросает их не вверх, а вдоль земли; и наблюдать их мы будем не при падении их на землю, а в полете — в тот момент, когда они пролетают мимо нас. Пространством дрейфа будет являться тогда пространство между жонглером и нами.
Итак, жонглер снова бросает свои шары — сперва синий, потом красный, потом зеленый — с одинаковыми скоростями и через равные промежутки времени. И мимо нас они пролетают равномерно. Затем жонглер меняет тактику.
Первый (синий) шар он бросает с меньшей скоростью. Он летит медленнее второго (красного), брошенного с прежней силой. В результате оба шара пролетают мимо нас одновременно: красный догнал синий. Третий же шар (зеленый) жонглер бросает с очень большой силой, так что в пути он догоняет два других и все три шара пролетают мимо нас вместе. За нами же зеленый идет вперед, синий отстает, т. е. располагаются в обратном порядке.
Как видим, чтобы достичь группирования в этом случае, жонглеру пришлось изменить фазу модуляции скорости на обратную по сравнению с предыдущим случаем, когда он бросал шары вверх: тогда он первый (синий) шар бросал быстрее второго (красного), а третий (зеленый) — медленнее. Теперь же он бросает первый (синий) медленнее, а третий (зеленый) — быстрее.

Обратимся к двухконтурном клистрону, показанному на рис.5.
Он состоит из электронной пушки, двух пар сеток — каждая пара со своим резонатором — и анода.
Если между первыми сетками приложить напряжение высокой частоты, то скорость пролетающих через них электронов будет модулирована. В результате в пространстве дрейфа произойдет группирование и группированный электронный пучок вызовет на второй паре сеток напряжение высокой частоты, а пролетевшие через сетки электроны уйдут в анод. В таком виде клистрон может служить усилителем напряжения или мощности.
Если же устроить наружную связь между резонаторами, как показано на рис.5, то клистрон будет генерировать. Для этого оба резонатора должны быть настроены достаточно близко к резонансу, связь должна быть правильно подобрана и анодное напряжение должно быть точно установлено, так как оно определяет скорость электронов, а от их скорости зависит фаза.

В чем же принципиальная разница между отражательным и двухрезонаторным клистронами?
Первое: модуляция скорости в отражательном и двухрезонаторном клистронах имеет противоположные фазы.
Второе: в пространстве дрейфа в двухрезонаторном клистроне электрическое поле отсутствует.
В отражательном клистроне в пространстве дрейфа имеется электрическое поле.
Практически отражательные клистроны регулировать значительно легче, так как не требуется настраивать в резонанс два резонатора. Поэтому следует рекомендовать первое практическое знакомство с клистронами начинать именно с клистронов отражательного типа.
Образец современного отражательного клистрона показан на фото.

Как это работает. Ускоритель электронов

Ускорители частиц на протяжении последних десятилетий активно используются в фундаментальных исследованиях. Сегодня самый мощный ускоритель – Большой адронный коллайдер – известен во всем мире. С помощью таких устройств ученые ищут ответы на самые сложные вопросы: от возникновения Вселенной до возможности путешествий во времени.

Технология ускорения частиц и сами ускорители не только разгадывают загадки вселенского масштаба, но и присутствуют в нашей повседневной жизни. Например, благодаря таким устройствам ежегодно миллионы пациентов получают лечение от серьезных заболеваний. Ускорители играют важную роль и в вопросах безопасности – являются «сердцем» любого инспекционно-досмотрового комплекса.

История: начало «ускорительной» школы

Ускоритель частиц – устройство, которое разгоняет субатомные частицы до высоких скоростей, близких к скорости света. Такие устройства в основном разрабатывались для исследований свойств атомных ядер и элементарных частиц, а уже позже получили вполне прикладное назначение.

Первые успешные эксперименты с искусственно ускоренными ионами были проведены еще в начале 1930-х годов. Но настоящая революция в технологиях ускорения частиц до высоких энергий произошла после Второй мировой войны – ее героями стали американский физик Эдвин Макмиллан и советский физик Владимир Векслер, который считается основоположником «ускорительной» школы в нашей стране. В 1945 году они оба независимо друг от друга описали принцип фазовой стабильности.

Идея состояла в регулировке электрического поля так, чтобы отстающие частицы подогнать сильнее, а убежавшие вперед – слабее. В результате частицы всегда будут держаться в виде компактного, не расплывающегося сгустка. Обычно такой сгусток представляет собой «стрелу» из летящих частиц – от нескольких до десятков сантиметров в длину и шириной примерно в десять микронов. Ускорители такого типа получили название синхрофазотронов. В 1947 году под руководством Векслера был построен первый советский ускоритель такого типа.

В последующие годы ускорители совершенствовались, но даже в основе многих современных представителей лежит принцип синхрофазотрона, в том числе и в Большом адронном коллайдере.

Принцип действия: большая скорость для маленьких частиц

Основным компонентом любого из ускорителей является электрическое поле. Самое простое его определение – поле между положительным и отрицательным электрическими потенциалами, примерно, как в батарейке. В таких условиях отрицательно заряженный электрон стремится к положительному потенциалу. Сила поля ускоряет его, и, если нет никаких препятствий, скорость и энергия электрона возрастают. Напряжение между начальным и конечным положением электрона показывает приобретенную им энергию. Ускоренные частицы более низких энергий в основном применяются в прикладных целях – в телевизорах и электронных микроскопах, в рентгеновских аппаратах, в системах для уничтожения бактерий. В таких случаях энергия электронов исчисляется в киловольтах. Современные ускорители достигают гораздо более высоких энергий, измеряемых мега-, гига- и тера- электронвольтами. Такие установки нужны для изучения совсем маленьких объектов, например, атомных ядер, в научных исследованиях.

По своей конструкции ускорители разделяются на две большие группы. Во-первых, это линейные ускорители, в которых пучок частиц однократно проходит свой путь. Второй тип – это циклические ускорители, в которых пучки движутся по замкнутым кривым по многу раз, с каждым пролетом увеличивая свою энергию. В 1970-х годах были разработаны кольца, в которых два пучка циркулируют в противоположных направлениях и сталкиваются. Такой тип ускорителей стал особенно востребованным в фундаментальных исследованиях.

Ускорительный синхротрон в Институте Ядерной Физики им. Будкера, Новосибирск. Диапазон энергии 100-900 МэВ. Кольцо обладает 12-кратной периодичностью, каждый суперпериод включает поворотный магнит (голубого цвета).

По законам физики частицы в свободном состоянии стремятся двигаться по прямой, поэтому внутри кольцевого ускорителя их «ведет» по нужной траектории магнитное поле. Для этого вдоль ускорительного кольца устанавливают специальные поворотные магниты. Частицы с большой энергией сложнее заставить двигаться по заданному пути, поэтому магниты нужны посильнее. Например, в Большом адронном коллайдере (БАК) используются поворотные магниты с индукцией 8 Тесла – это примерно в 100 тыс. раз мощнее магнитного поля Земли. Такое сильное поле удается получить лишь при очень низкой температуре. Поэтому всю установку – кольцо длиной в 27 км – приходится охлаждать до экстремальных температур, почти до –300 градусов по Цельсию.

Применение: от загадок Вселенной до «открытий» таможни

В настоящее время Большой адронный коллайдер является самым мощным ускорителем частиц в мире. Энергия пучка протонов в этой гигантской машине исчисляется в тера-электронвольтах. Десять лет назад с помощью БАК было сделано величайшее открытие века – обнаружен бозон Хиггса, который иногда называют «частицей Бога». Физики уверены, что в ближайшие годы коллайдер поможет найти новые элементарные частицы, а также разгадать и другие загадки Вселенной.

Помимо научных исследований, ускорители частиц влияют и на повседневную жизнь людей. В первую очередь, это медицина. Ежегодно по всеми миру миллионы пациентов получают диагностику и лечение на основе современных ускорителей в клиниках по всему миру. Ускоренные частицы (протоны, электроны или более тяжелые заряженные частицы) используются для уничтожения раковых клеток. Ускорители частиц в настоящее время нужны и в промышленных процессах, например, при производстве электронных микросхем.

Ускорители частиц играют важную роль и в вопросах безопасности – используются для сканирования контейнеров, помогают находить запрещенные и опасные материалы. В частности, линейный ускоритель электронов является сердцем инспекционно-досмотровых комплексов (ИДК). Благодаря современным ускорителям ИДК не просто дает изображение содержимого, а распознает атомный номер материала. Поэтому за считанные минуты возможно обнаружить наркотики, взрывчатку или другие запрещенные материалы.

Как помогают нести службу таможенникам инспекционно-досмотровые комплексы

В настоящее время российские таможенники переходят на ИДК отечественного производства с ускорителями электронов, созданными в России. Их созданием занимаются специалисты компании «Скантроник системс», входящей в Ростех.

Разработкой отечественного ВПК являются практически все центральные элементы ускорителя, начиная от клистрона (источника электромагнитного поля) и электронной пушки (источника ускоряемых электронов). Импортозамещение в этой сфере продолжается – недавно НИИ «Феррит-Домен» холдинга «Росэлектроника» разработал волноводный вентиль высокого уровня мощности для ускорителя электронов взамен применяемых сейчас импортных аналогов. Новое изделие благодаря высокой выходной мощности может использоваться в инспекционно-досмотровых комплексах.

Ускорители электронов, созданные на предприятиях Ростеха, могут работать не только в сфере безопасности, но и в других областях – это и дефектоскопия, и стерилизация овощей и продуктов. К примеру, пять лет назад в Калужской области был открыт первый в России промышленный центр антимикробной обработки продуктов, ключевым компонентом которого стал ускоритель электронов от Ростеха.

Что такое клистрон и как он работает

Создать клистрон пришло в голову Д. А. Рожанскому. Он разработал принципиальную схему пролетного клистрона, который был необходим для усиления сигналов, проходящих через него. Поток электронов между двумя электродами, анодом и катодом, проходит через специальные сетки, которые представляют собой объемные резонаторы. Один из резонаторов является входным контуром. Коаксиальной линией и витков к нему подводятся колебания, которые позже усиливаются им.

В статье будет рассказано все о клистронах, какую они имеют структуру, как используются и в каких сферах современной электрики и электроники они применяются и как именно. Статья содержит два видеоролика, где рассказывается об этих электронных устройствах, а также одна скачиваемая статья про структуру клистрона.

Пролетный клистрон.

Общие сведения

Диапазон сверхвысоких частот (СВЧ) занимает полосу частот от 300 МГц до 300 ГГц, что соответствует длинам волн от 1 м до 1 мм.

Диапазон СВЧ включает в себя:

• дециметровые волны (ДМВ) 300 МГц < f < 3 ГГц, 1 м > l > 10 см;
• сантиметровые волны (СМВ) 3 ГГц < f < 30 ГГц, 10 см > l > 1 см;
• миллиметровые волны (ММВ) 30 ГГц < f < 300 ГГц, 1 см > l .

Оптический диапазон -10 “ Гц < f < 10 15 Гц включает в себя:

• субмиллиметровые волны 1мм > l > 0,1 мм;
• инфракрасные волны 0,1 мм > l > 0,8 мкм;
• видимые волны 0,8 мкм > l > 0,4 мкм;
• ультрафиолетовые волны 0,4 мкм > l.

Клистрон [от греч. klýzo — ударять, окатывать (волной) и (элек) трон], электровакуумный прибор СВЧ, 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 поля СВЧ. Распространены 2 класса К. — пролётные и отражательные.

Схема строение клистрона.

Пролетный двухрезонаторный прибор

Принципиальная схема клистрона.

Двухрезонаторный клистрон схематически изображен на рисунке. В клистроне имеются два объемных резонатора с емкостными зазорами. Первый резонатор 3 называется входным, или модулятором, а второй 5 – выходным. Пространство 4 между ними называется пространством, дрейфа или группирования, Электроны эмитируемые катодом 1, ускоряются постоянным напряжением U электрода 2 и попадают в узкий зазор между сетками первого резонатора. Между ними имеется продольное высокочастотное электрическое поле, которое периодически ускоряет и замедляет электроны, т. е. модулирует скорость электронов.

Принцип работы

В пространстве дрейфа быстрые электроны догоняют медленные, обеспечивая группирование электронов, т. е. преобразование модуляции электронного потока по скорости в модуляцию по плотности. Модулированный электронный поток поступает во второй резонатор и создает в нем наведенный ток, протекающий по внутренней поверхности его стенок. В резонаторе возникают колебания, а между его сетками появляется электрическое высокочастотное поле, которое должно вызывать торможение сгруппированных электронов. В выходном резонаторе кинетическая энергия тормозящихся электронов преобразуется в энергию СВЧ колебаний. Электроны, прошедшие через второй резонатор и отдавшие СВЧ полю часть своей кинетической энергии, попадают на коллектор 6, где рассеивают оставшуюся часть кинетической энергии в виде тепла. Проанализируем подробнее процессы в пролетном клистроне.

Что такое клистрон

[stextbox модуляция электронов. К сетке резонатора все электроны подлетают с одинаковой скоростью, определяемой ускоряющим напряжением[/stextbox]

где е и т — заряд и масса электрона.

Пусть между сетками входного резонатора приложено переменное напряжение U₁sinωt Скорость электрона после прохождения зазора между сетками может быть определена решением уравнения движения

где напряженность переменного поля в зазоре с расстоянием между сетками d равна Е=[U₁ sin(ut)]/d. Будем считать, что амплитуда напряжения U₁ мала (U₁/U₂<<1), т. е. мало изменение скорости электронов. В этом случае время пролета всех электронов через зазор практически одинаково и составляет . Обозначим t₁ момент прохождения электроном середины зазора. Тогда t₁ – τ₁/2 – момент входа в зазор; t₁ + τ₁/2 —момент выхода. Скорости электрона в эти моменты времени равны V_e и V соответственно. Решая при указанных граничных условиях, дифференциальное уравнение (3.2), получим скорость электрона при выходе из резонатора

Используя условие U₁/U₂<<1, можно преобразовать эту формулу:

где М₁=(sin0,5θ₁)/0,5θ₁ – коэффициент эффективности электронного взаимодействия или коэффициента связи электронного пучка с полем зазора; θ₁=ωτ₁ – угол пролета электронов в зазоре.

Зависимость коэффициента М₁ от угла пролета показана на рис. 3.2. Уменьшениеθ₁ путем сближения сеток нецелесообразно из-за роста емкости резонатора и снижения благодаря этому его эквивалентного сопротивления. Типичные значения угла пролета лежат в пределах π/2 – π. Физический смысл коэффициента М₁ заключается в том, что он учитывает уменьшение глубины модуляции скорости при конечном угле пролета по сравнению с идеальным случаем бесконечного малого угла.

Группирование электронов. Рассмотрим пространственно-временную диаграмму электронов в двухрезонаторном клистроне. По вертикальной оси отложено расстояние г в пространстве дрейфа, а по горизонтальной — время. В нижней части рисунка изображено переменное высокочастотное напряжение u₁(t) на сетках входного резонатора. Будем считать движение электронов в пространстве дрейфа равномерным со скоростью, определяемой.

Такой “кинематический” анализ группировки дает наглядное представление о механизме процессов и объясняет его основные закономерности. График движения каждого электрона определяется скоростью электрона. [Пространственно-временные диаграммы для электронов на пути от катода до резонатора (z<0) на рис. 3.3 не показаны.] Точки пересечения прямых с осью времени определяют входную фазу электронов в пространстве дрейфа относительно напряжения на зазоре первого резонатора. Считаем, что электроны скачкообразно изменяют свою скорость в момент прохождения центра зазора.

Диаграмма наглядно показывает, что в потоке электронов образуются сгустки и разрежения. Для тех электронов, которые проходят высокочастотное поле, когда оно тормозящее, наклон прямых уменьшается, для других – увеличивается. В результате прямые расходятся или сходятся, чем объясняются группирование или фазовая фокусировка электронов. Последнее название объясняется аналогией с геометрической фокусировкой пучка света в оптике. В каждом периоде колебаний образуется один сгусток, в центре которого находится электрон, прошедший через зазор без изменения скорости, т. е. в момент перехода поля через нуль от тормозящего к ускоряющему полупериоду.

Группирование было бы идеальным, если бы все электроны, прошедшие через первый резонатор за полупериод, приходили ко второму резонатору одновременно. В этом случае конвекционный ток в сечении второго резонатора представлял бы периодическую последовательность δ-импульсов. Однако при синусоидальной скоростной модуляции группирование отличается от идеального. Рассмотрим, какая существует связь при синусоидальной скоростной модуляции между моментами прихода электронов t₂ во второй резонатор и моментом t₁ прохождения их через первый. Очевидно, что

где l—длина пространства дрейфа (см. рис. 3.1).

Подставляя (3.3) в (3.4), получим

В усилительных клистронах амплитуда входного напряжения U₁ много меньше U (U₁<<U ), поэтому, раскладывая в ряд по малому параметру MU₁/2U и оставляя в нем два первых члена, получим

Умножая обе части уравнения на со, получим

— параметр группирования; θ =ω/V_e — средний угол пролета в пространстве дрейфа, равный углу пролета электрона, не изменившего своей скорости при прохождении первого резонатора (невозмущенный электрон). Угол пролета 6о называют также невозмущенным углом пролета.

Соотношение (3.5) можно с учетом (3.6) записать

Это уравнение определяет фазу прибытия ωt₂ электрона ко второму зазору. Если отсутствует модулирующее напряжение (U₁=0), то X=0. В этом случае ωt₂-θ =ωt₁ и фаза прибытия электрона во второй зазор линейно связана с фазой прохождения его через первый зазор. Электроны не группируются, и имеет место только одинаковое запаздывание всех электронов по фазе. Зависимость величины (ωt₂-θ ω), характеризующей фазу появления электрона в зазоре второго резонатора, от фазы прохождения через зазор первого резонатора приведена на рис. 3.4.Чем больше параметр группирования, тем сильнее кривые отклоняются от прямой линии, соответствующей значению Х=0.

Идеальному группированию, т. е. одновременному приходу электронов на рис. 3.4 соответствует ступенчатая функция. Следовательно, группирование электронов в двухрезонаторном клистроне сильно отличается от идеального. Рассмотрим способ определения формы импульсов конвекционного тока.

Конвекционный ток. Пусть через входное сечение трубки дрейфа проходит группа электронов с зарядом Δq₁ за время Δt₁. В этом сечении конвекционный ток

Аналогично в выходном сечении трубки дрейфа конвекционный ток

где Δq₂ – заряд группы электронов, пролетающих выходной резонатор за время Δt₂.

Если рассматривается одна и та же группа электронов, а перехват электронов в трубке дрейфа отсутствует, то

Используя (3.8), (3.9) и (3.10), получим

Ток i₁ равен постоянному току I , так как в первом резонаторе еще не происходит группирования электронов. Производную в. (3.12) можно определить из (3.7):

Зависимости конвекционного тока от времени t₂ при нескольких значениях параметра группирования Х показаны на рис. 3.5. Ток i₂ обращается в бесконечность при значениях t₂, для которых производная (3.13) dt₂/dt₁=0. На рис. 3.4 при Х=1 нулевая производная имеется только в одной точке ωt₁=0, а при Х >1 – в двух. С увеличением Х интервал времени и провал между бесконечными пиками тока увеличиваются.

Ток i₂ является периодической несинусоидальной функцией времени и может быть представлен рядом Фурье [3]:

где амплитуда гармоники тока с номером m

выражается через функции Бесселя первого рода т-го порядка. Выражения (3.14) и (3.15) справедливы при любых значениях параметра группирования.

Через зазор выходного резонатора проходит сгруппированный поток электронов и наводит в нем ток. Если выходной резонатор настроен на частоту модулирующего напряжения ц”, то мощность в нем будут создавать только колебания этой частоты и напряжение между его сетками будет практически синусоидальным. Следовательно, из членов ряда (3.14) можно взять только первую гармонику электронного тока, амплитуда которой

Максимальное значение амплитуды первой гармоники соответствует максимуму функции Бесселя J₁(X), т. е. получается при Х=1,84:

Так как в клистроне длина пространства дрейфа l фиксирована, а напряжение питания U определено паспортными данными, то параметр группирования (3.6) можно регулировать изменением амплитуды входного сигнала U₁.

Наведенный ток и электронная мощность. Вычисление амплитуды первой гармоники наведенного тока по

приводит к следующему результату:

где M₂ — коэффициент электронного взаимодействия во втором резонаторе, аналогичный коэффициенту M₁ в (3.3). В выходном резонаторе, настроенном на частоту сигнала, с учетом (3.18) и (3.16) электронная мощность

Потребляемая клистроном мощность P =I U , поэтому электронный КПД

Электронная мощность (3.19) растет при увеличении тока I и напряжения на выходном резонаторе U₂. Обычно для оценки максимальной мощности и электронного КПД принимают . Ограничение напряжения объясняется следующим образом.

Таблица характеристик мощных клистронов.

Средняя кинетическая энергия электронов, входящих в резонатор, определяется ускоряющим напряжением и равна eU . Если предположить, что амплитуда напряжения U₂>U , то кинетическая энергия некоторых электронов будет недостаточна для преодоления тормозящего действия поля в зазоре резонатора. Эти электроны вернутся обратно в пространство дрейфа, что приведет к уменьшению мощности колебаний в резонаторе.

Определяемый из (3.20) при максимальный электронный КПД

Самое большое теоретическое значение η_э будет при X=1,84:

Полный КПД клистрона, учитывающий потери в колебательной системе, потерю электронов на сетках резонаторов и другие факторы, гораздо меньше и составляет 15—20%.

Оптимальное значение параметра группирования X, обеспечивающее максимальный КПД клистрона, оказывается больше единицы, и оптимальная форма импульса конвекционного тока в двухрезонаторном клистроне при синусоидальной модуляции должна содержать два пика (рис. 3.5, снизу).

Рассмотрим амплитудную (рис. З.6а) и амплитудно-частотную (рис. 3.6 б) характеристики пролетного клистрона. Выходная мощность вначале линейно растет с увеличением Р_вх, а затем наступает насыщение. Максимальное значение выходной мощности достигается при X=1,84. Коэффициент усиления К_у максимален на линейном участке характеристики (при X<<1) и при увеличении P_вх уменьшается.

Увеличению коэффициента усиления в двухрезонаторном клистроне препятствует влияние пространственного заряда, мешающего группированию электронов. Расталкивание одноименно заряженных электронов в сгустке приводит к увеличению скорости электронов, летящих перед центральным электроном, и к уменьшению ее у остальных. Группирование в пролетном клистроне возможно, если спереди летят медленные, а сзади быстрые электроны.

Продольные силы расталкивания приводят на некотором расстоянии к выравниванию скоростей электронов сгустка, что эквивалентно уменьшению глубины скоростной модуляции и значения параметра группирования. Это ограничивает коэффициент усиления двухрезонаторного клистрона. При заданном режиме работы существует определенная длина трубки дрейфа, соответствующая максимальному коэффициенту усиления.

Его значение мало и обычно составляет 10—15 дБ. Кроме того, двухрезонаторный клистрон — это узкополосный усилитель, так как в нем используются высокодобротные резонаторы. Относительная полоса пропускания обычно несколько десятых процента. По этим причинам двухрезонаторные усилительные клистроны практически не используются. Значительное расширение полосы пропускания, увеличение коэффициента усиления и КПД достигнуты в многорезонаторных клистронах, которые будут рассмотрены ниже.

Двухрезонаторные генераторы

Рассмотрим схему двухрезонаторного клистронного генератора

Между входным и выходным резонаторами клистронного генератора есть цепь обратной связи. Для самовозбуждения клистрона и поддержания стационарных колебаний необходимо выполнить баланс фаз и баланс амплитуд.

Рассмотрим кривые напряжений на зазоре входного (рис, 3.8а) и выходного (рис. 3.8б) резонаторов клистронного генератора. Сдвиг фазы в цепи обратной связи. Для отдачи максимальной энергии сгустки электронов должны проходить выходной резонатор в момент максимального тормозящего поля.

Центром сгустка будет электрон, который проходит первый зазор в момент перехода от тормозящего поля к ускоряющему. Из рис. 3.8 видно, что в этом случае оптимальный угол пролета в пространстве дрейфа при наличии запаздывания на угол φ_о.с в линии обратной связи θ_{0 опт}+φ_о.с=2π(n+3/4).

Так как угол пролета между резонаторами

то, считая 6о=0оопт, получим

Существует множество дискретных областей значений U , в которых возможны автоколебания. Эти области называются зонами генераций.

[stextbox вариациях ускоряющего напряжения U в пределах зоны для выполнения баланса фаз автоматически должна изменяться частота колебаний. Это явление называется электронной перестройкой частоты.[/stextbox]

Вторым необходимым условием самовозбуждения двухрезонаторного клистрона является баланс амплитуд. Клистрон может генерировать колебания только в том случае, если ток электронного луча /о превосходит некоторое определенное значение, называемое пусковым током. При токе, меньшем пускового, электронный луч передает в выходной резонатор энергию, не достаточную для покрытия потерь во входном и выходном резонаторах.

Максимальная выходная мощность и КПД клистронных генераторов такие же, как в двухрезонаторных пролетных усилителях. В настоящее время они находят сравнительно узкое применение как генераторы средней мощности самой коротковолновой части сантиметрового диапазона и в миллиметровом диапазоне, где создание полупроводниковых генераторов соответствующей мощности затруднено.

Основное назначение клистронных генераторов—получение колебаний высокой стабильности. Для повышения стабильности частоты в цепь обратной связи включают высокодобротную колебательную систему (один или несколько резонаторов). Клистронные генераторы используются в диапазоне частот 5,5—44 ГГц. Их выходная мощность лежит в пределах 0,2—200 Вт. Они применяются в системах связи, доплеровской радиолокации, радиомаяках, а также для накачки параметрических усилителей.

Таблица сравнительных характеристик различных моделей клистронов.

Многорезонаторные устройства

Двухрезонаторные клистроны не обеспечивают больших коэффициентов усиления и КПД. Для достижения большого усиления можно применять последовательное соединение нескольких клистронов, однако гораздо выгоднее использовать многорезонаторные клистроны, которые имеют большой коэффициент усиления и высокий КПД.

Рассмотрим особенности работы многорезонаторных клистронов на примере трехрезонаторного. Между входным 1 и выходным 3 резонаторами располагается еще один промежуточный ненагруженный резонатор:

Схема выгоднее, чем усилитель из двух двухрезонаторных клистронов, так как в ней необходим только один электронный пучок, что позволяет сократить мощность источников питания. Кроме того, из-за уменьшения числа резонаторов упрощается их настройка и снижаются потери. Возможность увеличения коэффициента усиления удобно пояснить на пространственно-временной диаграмме

Рассмотрим случай, когда все резонаторы настроены на частоту сигнала (синхронная настройка). Как и в двухрезонаторном клистроне, во входном резонаторе многорезонаторного клистрона электроны модулируются по скорости. В пространстве дрейфа между входным и промежуточным резонаторами происходит группирование электронного потока, однако при слабом входном сигнале оно незначительно: электроны 1 и 2 лишь немного смещаются по направлению к невозмущенному электрону О.

Из-за малого параметра группирования амплитуда первой гармоники конвекционного тока i₍₁₎, Изображенного штрихпунктирной кривой, в сечении z₂ промежуточного резонатора будет также небольшой. Так как промежуточный резонатор не нагружен и является высокодобротным, то даже при малой амплитуде конвекционного тока напряжение U₂, создаваемое наведенным током, будет большим.

Это напряжение вызывает сильную модуляцию скорости электронов, пролетающих через промежуточный резонатор. Следовательно, во втором пространстве дрейфа (между вторым и третьим резонаторами) произойдет основное группирование электронов. При синхронной настройке напряжение во втором резонаторе U₂(t) противоположно по фазе первой гармонике конвекционного тока i₍₁₎.

Для второго резонатора электрон О’, приходящий позже электрона О, будет невозмущенным, около него должно происходить основное группирование. Поэтому распределение электронов в сгустке при слабом входном сигнале практически будет определяться этим резонатором и зависимость конвекционного тока в третьем резонаторе от времени будет примерно такой же, как в двухрезонаторном клистроне, образованном вторым и третьим резонаторами, но при модуляции скорости напряжением U₂.

[stextbox коэффициент усиления в трехрезонаторном клистроне сильно увеличивается, так как группирование электронов получается при существенно меньшей мощности сигнала, подводимой к входному резонатору.[/stextbox]

Проведенное рассмотрение объясняет возможность получения большого коэффициента усиления в трехрезонаторном клистроне. Однако максимальное значение амплитуды первой гармоники конвекционного тока, а следовательно, максимальные выходная мощность и электронный КПД, получаемые в оптимальном режиме при синхронной настройке, остаются практически такими же, как в двухрезонаторном клистроне, и предельное теоретическое значение КПД составляет 58%.

Для увеличения КПД в многорезонаторных клистронах производится расстройка тех промежуточных резонаторов, на которых велико переменное напряжение, создаваемое наведенным током. Поясним это с помощью пространственно-временной диаграммы.

Входной сигнал u₁(t) взят достаточно большим, чтобы обеспечить при синхронной настройке резонаторов хорошее группирование электронов. Первая гармоника конвекционного тока в сечении второго резонатора i₍₁₎(t) проходит через амплитудное значение в момент прихода центрального электрона сгустка О.

Существенно, что во втором резонаторе этот электрон перестает быть невозмущенным, так как таким становится электрон О’, приходящий на четверть периода позже, когда u₂(t)=0. Значительное смещение центра сгустка на рис. 3.10б относительно нового центра группирования О’ не позволяет электронам сгустка эффективно сгруппироваться около электрона О’, а следовательно, не позволяет получить возможные максимальные значения амплитуды первой гармоники тока и электронного КПД.

Если же центральный электрон сгустка О придет во второй резонатор в момент нулевого напряжения u₂(t), то он останется невозмущенным. Тогда к пришедшему сгустку будут симметрично догруппировываться другие электроны, что вызовет увеличение числа сгруппированных электронов и амплитуды первой гармоники тока. Такое “совмещение” электронов О и О’ можно получить, создавая между напряжением и током i₍₁₎(t) сдвиг фазы 90°.

Однако при этом из-за уменьшения эквивалентного сопротивления резонатора напряжение между сетками станет настолько малым, что даже приведет к ухудшению группирования. Поэтому приходится создавать сдвиг фазы меньше 90°, а уменьшение напряжения компенсировать соответствующим увеличением амплитуды входного сигнала или введением дополнительных промежуточных резонаторов.

Теоретические расчеты показывают, что в трехрезонаторном клистроне по сравнению с двухрезонаторным можно увеличить амплитуду первой гармоники конвекционного тока до значения, при котором электронный КПД достигает 75%. Дальнейшее увеличение числа резонаторов не приводит к значительному росту электронного КПД, но увеличивает коэффициент усиления и изменяет амплитудно-частотную характеристику. Наиболее распространены четырех — шестирезонаторные клистроны.

Параметры и характеристики. Максимальный коэффициент усиления трехрезонаторного клистрона достигает примерно 35 дБ вместо 15 дБ в двухрезонаторном клистроне. Теоретически можно создать клистронный усилитель с любым коэффициентом усиления.

Однако по мере возрастания числа резонаторов, т. е. увеличения числа каскадов усиления, труднее исключить самовозбуждение усилителя из-за наличия паразитной обратной связи. Коэффициент усиления N-резонаторного клистрона можно ориентировочно определить с помощью следующего эмпирического соотношения, в децибелах

Вид характеристик изменяется в зависимости от настройки промежуточных резонаторов. Кривая 1 соответствует режиму синхронной настройки резонаторов, а кривая 2 режиму получения максимальных мощности и КПД. Начальный участок характеристики 1 имеет большую крутизну, и она достигает максимума при малой входной мощности P_вх. Затем при увеличении Р_вх выходная мощность резко падает.

Эта характеристика соответствует режиму максимального коэффициента усиления. Кривая 2 соответствует расстройке промежуточных резонаторов. Она имеет более пологий начальный участок, что свидетельствует о малом коэффициенте усиления клистрона. Область насыщения—более широкая. Благодаря лучшим условиям группирования в этом режиме достигается большая выходная мощность и выше значение электронного КПД.

Ширина полосы пропускания многорезонаторного клистрона в режиме синхронной настройки в основном определяется добротностью резонаторов. При расстройке резонаторов полоса пропускания увеличивается. Путем расстройки резонаторов относительно средней частоты полосы пропускания и подбора их добротностей удается синтезировать амплитудно-частотную характеристику и расширить полосу усиливаемых частот до нескольких процентов при уменьшении коэффициента усиления и выходной мощности.

Для оценки искажений широкополосных сигналов, усиливаемых клистроном, необходимо знать также фазовые характеристики, определяющие зависимость разности фаз между колебаниями на входе и выходе от различных факторов, например от ускоряющего напряжения и амплитуды входного сигнала. Ускоряющее напряжение влияет на угол пролета электронов, а увеличение сигнала приводит к асимметрии формы сгустка и, следовательно, к изменению фазового сдвига первой гармоники тока, возбуждающей выходной резонатор.

Применение многорезонаторных устройств

Многорезонаторные клистроны можно разделить на клистроны непрерывного действия и импульсные. Многорезонаторные клистроны широко применяются в выходных каскадах мощных передатчиков дециметровых и сантиметровых волн. Большое усиление, свойственное таким клистронам, позволяет использовать маломощные входные каскады, энергетические показатели которых незначительно влияют на общий КПД передатчика. Характеристики передатчика в основном определяются характеристиками оконечного каскада на клистроне.

Обычно клистроны в непрерывном режиме применяются в качестве передатчиков тропосферной связи с уровнями мощности 1—20 кВт и систем связи “Земля—спутник” с уровнями мощности до 50 кВт. Клистроны непрерывного режима работы мощностью от 50 до 500 кВт (сверхмощные) применяются для передатчиков радиолокационных станций и станций управления на межпланетных расстояниях. Клистроны для телевизионных передатчиков работают на уровнях мощности до 50 кВт*. В установках промышленного нагрева используются мощности от 1 до 50 кВт.

Многорезонаторные усилительные клистроны получили широкое распространение в качестве оконечных импульсных усилителей в передатчиках радиолокационных станций с мощностью в импульсе до 200 кВт. Сверхмощные импульсные клистроны (от 200 кВт до 30 МВт) применяются в ускорителях заряженных частиц и в системах сверхдальней локации. Коэффициент полезного действия мощных клистронов уже достигает 70 – 80% в дециметровом диапазоне. Поэтому все больший интерес приобретает проблема передачи энергии в свободном пространстве с помощью колебаний СВЧ диапазона.

В клистронных передатчиках практически возможны все виды модуляции. В многоканальных передатчиках для тропосферной связи используются как частотная, так и амплитудная модуляции. При передаче телевизионного сигнала по тропосферным радиорелейным линиям применяется частотная модуляция.

В вещательных телевизионных передатчиках на клистроне используется амплитудная модуляция, а в радиолокационных — импульсная. В клистронных передатчиках модуляция может осуществляться либо в возбудителе до клистрона и тогда клистрон является только усилителем модулированных колебаний, либо непосредственно в самом клистроне. В последнем случае на вход клистрона подаются немодулированные колебания.

Для фокусировки электронного потока чаще всего используют постоянное магнитное поле соленоида. Однако фокусирующие системы такого типа громоздки и имеют большую массу. Например, клистрон непрерывного действия мощностью 50 кВт для телевизионного передатчика имеет длину примерно 1,8 м я массу 90 кг. Масса фокусирующей системы 270 кг.

Перспективнее применять периодическую фокусировку с использованием как электростатических, так и магнитных линз, это позволяет уменьшить массу приборов. В настоящее время стали широко применяться для фокусировки постоянные магниты из высококоэрцитивных самарий- кобальтовых сплавов, что позволило существенно уменьшить массу и габариты клистронов.

Для снижения ускоряющего напряжения были разработаны многолучевые клистроны (рис. 3.13). Каждый электронный поток взаимодействует с СВЧ полем общих резонаторов. Многолучевой клистрон может быть предназначен также для получения большой мощности при заданном рабочем напряжении.

В оконечных каскадах усилителей мощности в современном телевизионном передатчике ИЛЬМЕНЬ, работающем в дециметровом диапазоне с выходной мощностью 20 кВт, использованы мощные четырех резонаторные клистроны [II].

Большой интерес представляют клистроны с распределенным взаимодействием, конструкция которых отличается тем, что выходной резонатор многорезонаторного клистрона (а иногда и промежуточные резонаторы) заменен системой из двух или нескольких связанных резонаторов. Получается многозазорный резонатор, с полей которого взаимодействует электронный поток. Клистроны с распределенным взаимодействием имеют более высокий КПД, а также более высокое произведение коэффициента усиления на ширину полосы частот.

Развитие клистронов в ближайшие годы будет иметь некоторые особенности. Так, клистроны начинают оценивать не по выходным параметрам и характеристикам, а в совокупности с устройствами, необходимыми для эксплуатации. В связи с этим проводятся исследования по уменьшению массы магнитной фокусирующей системы, которая во многих случаях на порядок тяжелее клистрона – ведутся работы по снижению напряжения и тока управляющей сетки, вводимой в импульсный клистрон, так как это снижает габариты, массу и мощность модулятора, без которого не может работать импульсный клистрон.

Большое внимание уделяется повышению надежности и долговечности. Разрабатываются устройства, предохраняющие мощные клистроны от случайного и преждевременного выхода из строя во время эксплуатации. Для систем тропосферной и космической связи создаются клистроны с программированной механической перестройкой резонаторов на ряд фиксированных частот при относительно узкой ширине полосы пропускания, но с большой выходной мощностью и КПД.

Отражательный вид устройства

Отражательные клистроны предназначены для генерирования СВЧ колебаний малой мощности.

Клистрон имеет только один объемный резонатор 3, который должен выполнять две функции: модулировать скорость электронов и отбирать СВЧ энергию от модулированного по плотности электронного потока. За резонатором расположен отражатель 4 — электрод, на который относительно катода 1 подано отрицательное напряжение U_отр. Мощность колебаний, генерируемых клистроном, выводится из резонатора с помощью петли связи 5, переходящей в коаксиальную линию 6. Скорость электронов перед резонатором определяется напряжением U ускоряющего электрода 2.

Рассмотрим движение электронов с помощью пространственно-временной диаграммы

Пусть в режиме стационарных колебаний между сетками резонатора существует напряжение u₁(t). Электроны, ускоренные напряжением U , входят в зазор резонатора, модулируются по скорости электрическим полем этих колебаний и поступают в пространство между резонатором и отражателем.

Так как на отражатель подано отрицательное постоянное напряжение, электроны попадают в тормозящее электростатическое поле. Когда скорость электронов уменьшится до нуля, они начнут обратное движение к резонатору под действи того же электростатического поля, которое для них теперь является ускоряющим.

В результате движения электронов от резонатора к отражателю и обратно происходит их группирование. Электронные сгyстки образуются относительно невозмущенных электронов 2, выходящих из резонатора в момент времени, когда u₁=0 при переходе от ускоряющего к тормозящему полупериоду СВЧ напряжения.

Электрон 1, вышедший раньше и имеющий большую скорость, проникает в тормозящее поле на большее расстояние z, т. е. летит большее время, чем электрон 2, и может вернуться в зазор почти одновременно с ним. Электрон 3, выйдя из зазора позже электрона 2 и с меньшей скоростью, проникает в тормозящее поле на меньшее расстояние. Из-за уменьшения времени пролета он может вернуться в резонатор почти одновременно с электроном 2. На этом различии времен пролета ускоренных и замедленных электрон основано группирование электронного потока в отражательно клистроне.

Сгруппированный электронный поток должен возвращаться в резонатор в пределах того полупериода СВЧ напряжения на зазоре, который оказывает тормозящее действие. Тогда он отдаст часть своей кинетической энергии высокочастотному полю резонатора и поддерживает колебания в резонаторе (положительная обратная связь). Следует заметить, что полупериод, названный ускоряющим для электронов, идущих от катода, одновременно будет тормозящим для электронов, возвращающихся в резонатор под действием напряжения на отражателе.

Если электрон возвращается в резонатор при амплитудном значении тормозящего поля, то отдаваемая им кинетическая энергия максимальна. Очевидно, что сгусток отдаст наибольшую энергию СВЧ полю, если центральный его электрон (невозмущенный) приходит в момент максимума поля. Следовательно, как видно из рис. 3.15, для обеспечения этого требования для невозмущенного электрода угол пролета

где n=0, 1, 2, …— целое число, называемое номером зоны генерации, О_{о опт} — оптимальный угол пролета невозмущенного электрона в пространстве группирования.

Скорость электрона на выходе из зазора резонатора определяется уравнением скоростной модуляции:

где v₁=M₁U₁v_e/2U ; t₁ — момент прохождения электрона через центр зазора в “прямом” направлении; U₁ — амплитуда синусоидального напряжения между сетками резонатора.

Электрон со скоростью и попадает в пространство между резонатором и отражателем, где на него действует электрическое поле напряженностью Е. Считая поле между сеткой резонатора и отражателем однородным, находим напряженность электрического поля

где U — постоянное напряжение между катодом и резонатором; U_отр<0 — напряжение на отражателе; s — расстояние между второй сеткой резонатора и отражателем.

Под действием поля напряженностью Е электрон двигается равнозамедленно до определенной точки z=z’, в которой скорость его станет равной нулю и начнется движение в обратном направлении. Уравнение движения электрона для данного случая (электрон движется вдоль силовых линий электрического поля по оси z) можно записать

m(d 2 z/dt 2 ) = -eE. (3.27)

Поместим начало координат z=0 в плоскости второй сетки. Интегрируя (3.27) и используя начальные условия: t=t₁, dz/dt=v, получим

где v — скорость электрона в плоскости второй сетки, которая определяется (3.25). Время пролета электрона в пространстве группирования от второй сетки до точки поворота и обратно можно найти из условий z=0, t=t₂. Через t₂, обозначим время возвращения электрона в плоскость рассматриваемой сетки. Применяя эти условия к (3.28), получаем два решения:

первое решение тривиально, а второе позволяет определить время пролета электронов

τ = (t2 – t1) = 2mv/eE (3.29)

Подставив в (3.29) значение Е из (3.26), получаем

Так как скорость невозмущенного электрона, находящегося в центре сгустка, не изменяется при первом прохождении высокочастотного зазора, то вместо v можно в (3.30) подставить v_e. Подставляя затем (3.30) в (3.24), получаем

где f — частота генерируемых колебаний.

Формула (3.31) позволяет при данных f, s и U определить ряд значений U_отр, необходимых для получения оптимальных углов пролета, соответствующих различным номерам n. С ростом номера n необходимое абсолютное значение напряжения |U_отр| уменьшается. Этот вывод очевиден, так как, чем больше номер n, т.е. больше угол пролета θ , тем слабее должно быть тормозят поле (3.26), создаваемое отражателем. На рис. 3.16, а показаны пространственно-временные диаграммы, соответствующие оптимальным углам пролета при n=3, 2 и 1.

Передача энергии от электронного сгустка СВЧ полю резонатора должна ухудшаться, если угол пролета отличается от оптимального, и полностью прекратится, если невозмущенный электрон, являющийся центром сгустка, возвращается в резонатор в моменты нулевого поля, т. е. при θ_{0 опт} —π/2 θ или θ_{0 опт}+π/2. Β этих случаях половина электронов попадает в ускоряющее поле резонатора, а вторая половина — в тормозящее: в среднем, сколько энергии отбирается от поля, столько же передается ему потоком электронов.

Таким образом, вблизи каждого оптимального угла пролета имеется область значений ±π/2, в пределах которой возможна передача энергии от электронного тока СВЧ полю и генерация колебаний. Следовательно имеется ряд областей значений U_отр, соответствующих различным номерам n, в которых в возможна генерация колебаний. Поэтому зависимость мощности колебаний напряжения отражателя имеет зонный характер (рис. 3.16б), а номер n называется номером зоны генерации.

Параметры и характеристики. На рис. 3.16, б представлена зависимой генерируемой клистроном мощности от напряжения на отражателе. В центре каждой зоны мощность колебаний максимальна и соответствует прохождению сгустка электронов в момент максимального тормозящего поля между сутками резонатора. Из (3.31) можно получить выражение для напряжения отражателя, при котором выходная мощность максимальна (центры зон).

Вычислим разность фаз вылета электрона и его возвращения в центр зазора, воспользовавшись (3.29) и (3.26):

Подставляя в (3.32) значение v из (3.25), имеем

Первый член в правой части (3.33) — невозмущенный угод пролета θ , соответствующий движению от второй сетки к отражателю и обратно. Тогда (3.33) можно представить в виде

где параметр группирования с учетом v₁ из (3.25)

Соотношение (3.34) аналогично по форме (3.7), полученному для двухрезонаторного клистрона, но отличается от него знаком перед последним слагаемым.

Отличие в знаке объясняется тем, что группирование идет около невозмущенного электрона, смещенного на полпериода по сравнению с пролетным клистроном (см. рис. 3.3 и 3.15). Конвекционный ток отражательного клистрона рассчитывается, как в пролетном клистроне, и изменяется во времени так же, как показано на рис. 3.5. Спектр конвекционного тока аналогичен (3.14):

Как и в теории пролетного клистрона, получаем выражение для амплитуды первой гармоники конвекционного тока

амплитуда первой гармоники наведенного тока в выходном резонаторе

где M₁ — коэффициент электронного взаимодействия.

При оптимальном угле пролета (в центре зоны) максимальная мощность электронного взаимодействия

Подставляя в (3.39) амплитуду (3.38), получим

Используя (3.6), выразим U₁ через параметр группирования:

Подставляя в (3.40) величину (3.41) и принимая θ = θ_{0 опт}=2π(n+3/4), получим

Соответственно в центре зоны максимальный электронный КПД

Однако (3.42) и (3.43) дают большую ошибку при малых номеpax зон (n=0; 1), так как принятое в теории предположение U₁<<U в этом случае не выполняется.

Электронный КПД отражательных клистронов в различны зонах оказывается неодинаковым и уменьшается с ростом номера зоны n. Максимальный электронный КПД отражательны клистронов оказывается ниже, чем у пролетных клистронов. Реально достижимые значения полного коэффициента полезного действия отражательного клистрона не превышают нескольких процентов.

Одно из замечательных свойств отражательного клистрона, определивших широкое использование его в различных радиотехнических устройствах, — электронная перестройка частоты — явление изменения частоты генерируемых колебаний при изменения напряжения на отражателе или ускоряющего напряжения (рис 3.16 б).

Изменение напряжения на отражателе приводит к изменению угла пролета невозмущенного электрона и фазового сдвига между первой гармоникой конвекционного тока и напряжением на резонаторе, т.е. к изменению сдвига фазы между гармоникой, наведенного тока и напряжением. Последнее эквивалентно изменению активной и реактивной проводимостей, вносимых в резонатор электронным потоком.

Выше был рассмотрен случай, когда угол пролета был равен θ =2πn+3/4). При этом первая гармоника наведенного тока совпадает по фазе с напряжением между сетками резонатора, реактивная составляющая электронной проводимости равна нулю и частота совпадает с собственной частотой резонатора. Таким образом в центре зон частота равна собственной частоте резонатора ω

Очевидно, что изменение частоты ∆ω от значения в центре зоны ω₀ определяется фазо-частотной характеристикой резонатора, который должен скомпенсировать фазовый сдвиг, вносимый электронным потоком; ФЧХ определяется нагруженной добротностью Q_н. Чем больше Q_н, тем при меньшем изменении ∆ω можно получить то же значение реактивной проводимости, вызванное изменением напряжения на отражателе. Расчет показывает, что зависимость ∆ω от добротности и изменения напряжения отражателя, а также от значения напряжения в центре зоны U_отр для различных номеров зоны n представляется формулой,

На практике используется только электронная перестройка частоты путем изменения напряжения на отражателе. Это объясняется тем, что ток в цепи отражателя равен нулю, и поэтому частотой клистрона можно управлять без затраты мощности.

Электронная перестройка характеризуется крутизной — отношением изменения частоты генерируемых колебаний к изменению напряжения на отражателе.

Из рис. 3.16 видно, что с увеличением номера зоны снижается максимальная электронная мощность в ней и возрастает крутизна кривой электронной перестройки. Электронная перестройка практически безынерционна, скорость изменения частоты ограничивается лишь переходными процессами в резонаторе и электронном потоке.

Важным параметром электронной перестройки является ее диапазон ∆f (т. е. область частот), в пределах которого электронная мощность изменяется на 3 дБ относительно максимального значения мощности в данной зоне (рис. З.16 б, в). Диапазон электронной перестройки отражательных клистронов обычно составляет около 0,5% средней частоты. Увеличить линейный участок характеристики электронной перестройки частоты около центра зоны можно путем введения дополнительного резонатора, связанного с основным.

Применение отражательных клистронов. Отражательные клистроны широко используются в различной аппаратуре в качестве маломощных генераторов. Основные преимущества их в сравнении с другими маломощными генераторами СВЧ заключаются в конструктивной простоте и наличии электронной перестройки частоты. Отражательные клистроны имеют также высокую надежность и не требуют применения фокусирующих систем.

Вследствие низкого КПД отражательные клистроны не используются для получения больших мощностей. Они применяются в качестве гетеродинов СВЧ приемников, в измерительной аппаратуре, в маломощных передатчиках, в радиорелейной, радионавигационной и телевизионной аппаратуре. В настоящее время отражательные клистроны вытесняются полупроводниковыми генераторами СВЧ, Для генераторов радиорелейных станций они имеют повышенную выходную мощность (1—10 Вт). Для диапазона волн от 60 до 4 см изготавливаются стеклянные клистроны с внешним резонатором с широким диапазоном перестройки частоты.

Для сантиметровых и миллиметровых волн выпускаются металлические клистроны с внутренним резонатором, диапазон перестройки которых не превышает ±10%. Некоторые металлические клистроны имеют устройство для быстрой механической перестройки частоты в виде кулачкового механизма, меняющего конфигурацию стенок резонатора. Внешний вид клистрона К-108 с внутренним резонатором и волноводным выводом энергии показан на рис. 3.17. Используется в передвижных маломощных телевизионных передатчиках.

Отражательные клистроны часто используются в режимах амплитудной или частотной модуляции. Наиболее распространенным и удобным способом модуляции в отражательных клистронах является изменение напряжения на отражателе, поскольку его цепь практически не потребляет мощности. При этом ускоряющее напряжение и ток пучка могут оставаться неизменными. Переменное модулирующее напряжение подается да отражатель клистрона.

Получение только ЧМ при изменении напряжения на отражателе, как видно из рис. 3.16 — затруднительно. При изменении напряжения на отражателе наряду с частотой изменяется также и выходная мощность. Только при весьма неглубокой ЧМ в середине зоны, вблизи максимального значения выходной мощности, изменения амплитуд колебаний оказываются сравнительно небольшими. В противном случае необходим амплитудный ограничитель.

Указанных трудностей можно избежать, если для управления амплитудой и частой колебаний одновременно использовать изменение напряжений на отражателе и резонаторе. Так как частота генерируемых, колебаний зависит не только от напряжения на отражателе U_отр, но и от ускоряющего напряжения на резонаторе U , то представляется возможным при AM путем одновременного изменения по соответствующему закону напряжений резонатора и отражателя существенно снизить или даже практически устранить нежелательные изменения частоты. Однако это требует применения достаточно сложных схем.

[stextbox повышения стабильности частоты отражательных клистронов используются стабилизирующие резонаторы с очень высокой добротностью, в том числе сверхпроводящие.[/stextbox]

В настоящее время клистронов малой мощности коснулась тенденция миниатюризации. Реализация этого направления связана не только с решение конструктивно-технологических задач, но и с освоением новых режимов работы приборов. Миниатюризация — это не только уменьшение размеров прибора, но и снижение питающих напряжений, что позволяет уменьшить габариты и массу источников питания.

Как показали исследования, для каждого значения подводимой к клистрону мощности питания Р существует низковольтная граница питающего напряжения U_{0 гр}, за которой принципиально меняется характер процессов в электронных потоках клистронов. Величина U_{0 гр} определяется формулой

Физически это объясняется тем, что при заданной мощности снижение напряжения надо компенсировать увеличением тока, которое приведет к росту плотности пространственного заряда. При этом если не принять специальных мер, возникают специфические явления, связанные с недопустимо большим провисанием статического потенциала в потоке, нарушающим нормальную работу приборов.

Исследование природы этих ограничений позволило ученым разработать более совершенные конструкции миниатюрных пролетных и отражательных клистронов (последние получили название минитронов). Эти приборы имеют более высокие электрические параметры, чем их неминиатюрные аналоги, отличаются существенно меньшими габаритами и массой (единицы кубических сантиметров и грамм) и работают при существенно более низких напряжениях питания (десятки вольт при уровне выходной мощности в десятки милливатт).

Рассмотрение этих особенностей показывает важность и необходимость освоения диапазонов СВЧ и оптического для целей многих областей науки и техники и, в частности, для целей связи. Для освоения какого-либо диапазона необходимо уметь:

• генерировать монохроматические колебания достаточной мощности;
• улавливать и усиливать радиоволны очень малой мощности, несущие полезную информацию;
• преобразовывать электромагнитные колебания одной частоты в колебания другой частоты;
• модулировать генерируемые колебания данного диапазона волн колебаниями, несущими полезную информацию;
• демодулировать принятые и усиленные радиоволны с целью выделения из них модулирующих колебаний, несущих полезную информацию.

В диапазоне СВЧ эти функции выполняют электронные и квантовые приборы СВЧ, изучение которых и является задачей данного курса. Электронными приборами СВЧ называются приборы для генерации усиления или преобразования электромагнитных колебаний СВЧ диапазона посредством взаимодействия электромагнитного поля с потоками электронов, движущимися в вакууме или твердом теле. В основе электронных приборов СВЧ лежит тот же принцип взаимодействия движущихся электронов с электромагнитным полем, что и у электронных приборов низких частот.

Но устройства этих приборов существенно различны (показать) параметры обычных электронных радиоламп с повышением частоты становятся все более неудовлетворительными из-за роста потерь мощность в проводниках и диэлектриках, из-за воздействия паразитных емкостей и индуктивностей, а также из-за возрастающего влияния электронов. Этим объясняется вынесение изучения электронных приборов СВЧ совместно с квантовыми приборами и в отдельный курс.

[stextbox приборами называются приборы для генерации усиления или преобразования электромагнитных колебаний СВЧ и оптического диапазона посредством взаимодействия электромагнитного поля с атомами, молекулами или ионами вещества. В квантовых приборах происходит передача СВЧ полю внутренней энергии атомов, молекул или ионов.[/stextbox]

Электронные и квантовые приборы СВЧ несмотря на свою молодость – история развития насчитывает соответственно около 50 и 35 лет – нашли широкое применений в радиолокационной технике и технике связи. Эти приборы работают в телевизионных передатчиках, в передатчиках и приемниках радиорелейных линий связи, в спутниковых системах связи и телевидения.

Уже сейчас сеть приемных станций “Орбита” довольно широка, широкое распространение получили спутниковые системы связи, позволяющие избирательно устанавливать двусторонние связи между любыми пунктами нашей планеты. Многим из вас как будущим инженерам радиосвязи и радиовещания придется разрабатывать, строить и обслуживать технику СВЧ. Отсюда вытекает важность изучения курса “Электронные и квантовые приборы СВЧ” в стенах нашего института.

Особенности работы СВЧ приборов

Период колебаний в СВЧ диапазон мал, и имеет порядок 10 -9 сек. Время движения носителей зарядов между рабочими электродами приборов t, и имеет такой же порядок 10 -9 сек. Таким образом, время пролета сравнимо с периодом колебаний – электронный прибор становится инерционным (причем, если t³T, то прибор становится неуправляемый).

Таким образом, время пролета необходимо делать меньше, но есть предел: уменьшение расстояния между электродами увеличивает емкость: во избежании увеличения С необходимо уменьшать площадь электронов, но это приведет к уменьшению тока и выходной мощности. Необходимо разрабатывать приборы в которых время пролета не играло вредной роли.

Любой ЭП имеет межэлектродные емкости, а любой проводник обладает индуктивностью (1 см = 10 -7 Гн). Поэтому с ростом f растут паразитные реактивные составляющие, которые приводят:

• к уменьшению входного сопротивления;
• образованию паразитных каналов (путей) прохождения сигналов по прибору, нарушающих его нормальную работу.
• специальные виды керамики с малыми диэлектрическими потерями;
• серебрение и золочение электродов.

В СВЧ диапазоне в качестве резонансных колебательных систем используют отрезки линий или полые резонаторы, которые нужно соединять с ЭП. При соединении возникают проблемы, как сделать прибор, чтобы он легко соединялся с колебательной системой? Многие приборы изготавливают с внутренней колебательной системой.

Устаревший клистрон советского производства.[stextbox ток возникает, как только электронный слои появляется в промежутке между электродами, и исчезает, когда электронный слой достигает второго электрода. Длительность импульса наведенного тока равна времени пролета электронов. При постоянной скорости электронов (υ = const) импульс i_нав был бы прямоугольным, при линейной зависимости скорости от времени – треугольным.[/stextbox]

Каждая кривая строится по результатам решения уравнения движения электронов в лампе. Тангенс угла наклона касательной в любой точке пространственно-временной диаграммы определяет скорость электрона, необходимую для расчета наведенного тока.

Будем считать, что управляющая сетка настолько густа, что анод с потенциалом U_a не вызывает появления электрического поля в пространстве сетка – катод. Тогда движение электронов в этом пространстве будет определяться только напряжением на сетке Суммарное напряжение на сетке u_c(t) проходит через нулевое значение (рис. 2.2, б) в моменты t и t₃.

Предположим, что лампа отпирается при суммарном напряжении U_c1>0, т. е. ток эмиссии существует в интервале времени t₃ — t₀ . Электрон, вылетевший из катода в момент времени t , будет двигаться к сетке в ускоряющем электрическом поле (u_c > 0). И его скорость по мере приближения к сетке будет возрастать. В некоторый момент времени t₁ первый электрон достигает сетки и входит в пространство сетка – анод, где имеется ускоряющее поле, так как напряжение на аноде U_a положительно и велико. Первый электрон попадает на анод в момент времени t₂ .

На анод будут попадать также те из последующих электронов, вылетевшие из катода при положительном напряжении на сетке, которые подлетают к сетке с некоторой скоростью. Уменьшение скорости происходит вследствие уменьшения напряжения на сетке и изменения его знака после момента времени t₃. Электрон, подошедший к сетке в момент времени t₄ с нулевой скоростью (υ=dz/dt=0), начнет обратное движение к катоду, потенциал которого теперь выше потенциала сетки.

Клистрон

В момент времени t₅ на анод пришел последний электрон. Этот электрон прошел сетку в момент времени t₄, позже которого электроны возвращаются к катоду. Таким образом, не все электроны, начавшие движение при положительном напряжении на сетке (u_c>0), долетают до анода, часть их возвращается на катод. Чем больше время пролета электронов от катода до сетки (больше расстояние сетка – катод), тем больше электронов возвращается на катод.

[stextbox помощью пространственно-временной диаграммы, рассчитанной для большого числа электронов, отличающихся моментом вылета из катода, можно в любом- сечении лампы в любой момент времени определить число и скорость электронов, а следовательно, и конвекционный ток. Затем можно вычислить наведенный ток во внешней цепи электрода.[/stextbox]

Как только первый электрон начинает в момент времени t движение от катода к сетке, во внешней цепи промежутка катод – сетка появляется наведенный ток i_к.с.нав, текущий в этой цепи от катода к сетке. Ток i_к.с.нав возрастает по мере .увеличения числа электронов в промежутке и достигает максимального значения.

Последующее убывание тока связано с уменьшением скорости электронов, а затем с изменением ее направления. Электроны, начинающие движение к катоду, создают наведенный ток другого направления (от сетки к катоду во внешней цепи). В некоторый момент времени результирующий наведенный” ток равен нулю, а затем меняет направление из-за возвращения электронов к катоду.

Клистрон: вид с двух сторон

Аналогично наведенный ток i_к.с.нав во внешней цепи промежутка сетка – анод появляется, когда электроны начинают поступать в этот промежуток через сетку. Этот ток растет, достигает максимального значения, убывает и обращается в нуль, когда последний электрон промежутка сетка – анод достигает анода в момент времени t₅.

Проведенное приближенное рассмотрение показывает, что, если время пролета электронов сравнимо с периодом переменного напряжения, наведенный ток становится несимметричным по форме и имеет отрицательный выброс. Импульс наведенного тока в цепи анода не повторяет формы сеточного напряжения, а “затягивается” на значительную часть периода переменного напряжения, что вызывает уменьшение амплитуды первой гармоники анодного тока.

Последнее приводит к снижению полезной мощности в нагрузке на частоте приложенного сигнала или на частоте генерируемых колебаний, если лампа используется в схеме генератора. В тетроде на экранирующую сетку, расположенную между управляющей сеткой и анодом, подается положительное напряжение, сравнимое с анодным.

Поэтому электроны, прошедшие через управляющую сетку, ускоряются в промежутке между сетками, и полное время пролета от управляющей сетки до анода уменьшается. Импульс анодного тока при этом менее растянут, а электронный КПД выше, чем в триоде.

Металлические выводы ламп изготавливаются также из титана. Такие лампы называются титанокерамическими. Применение титана позволило улучшить характеристики приборов, так как при высоких температурах, развивающихся при их работе, титан обладает хорошими абсорбционными свойствами, т. е. поглощает выделяемые в лампе газы и в приборе поддерживается все время рабочий вакуум. Титанокерамические триоды имеют меньшие размеры, чем металлокерамические, при равных значениях выходной мощности.

Размеры и габариты клистрона

Современные пролетные клистроны

Различаются по режиму работы (импульсный или непрерывный), выходной мощности, типу и числу резонаторов, способам фокусировки электронного потока, ввода и вывода энергии СВЧ, перестройки частоты, охлаждения и по другим особенностям. При импульсной работе частота следования импульсов обычно бывает от десятков до тысяч герц, а длительность импульса — от долей микросекунды до миллисекунд.

Пролетные клистроны разделяются на маломощные, средней мощности, мощные и сверхмощные. Мощность в импульсе у них соответственно менее 10 кВт, от 10 кВт до 1 МВт, от 1 до 100 МВт и свыше 100 МВт. Для режима непрерывной работы мощности в 1000 раз меньше. Приведенные значения мощности относятся к пролетным клистронам дециметрового диапазона волн.

На сантиметровом диапазоне они снижаются. Фокусировка электронного потока может быть электростатическая, электромагнитная (фокусирующей катушкой) или с помощью постоянных магнитов. Ввод и вывод энергии СВЧ делают коаксиальным, волноводным или комбинированным (коаксиально-волноводным). Резонаторы бывают внутренние, смонтированные в самом клистроне, и внешние.

Наиболее распространены пролетные клистроны на фиксированную частоту, но изготовляются также и перестраиваемые клистроны с механической настройкой резонаторов на различные частоты. Однако такая перестройка сложна и позволяет изменять частоту не более чем на 15%. Охлаждение мощных пролетных клистронов бывает естественным или принудительным (воздухом или водой).

Коэффициент полезного действия многорезонаторных пролетных клистронов достигает 50%, но у многих типов он заметно меньше. А коэффициент усиления мощности у таких клистронов составляет иногда несколько десятков тысяч. Практически трудно получить усиление более чем в 10 6 раз. Для мощных клистронов, особенно импульсных, требуется напряжение питания в десятки и даже сотни киловольт.

Пролетные клистроны имеют очень узкую полосу частот пропускаемых колебаний, что объясняется наличием нескольких настроенных резонаторов. Обычно полоса частот не превышает нескольких мегагерц. Путем расстройки резонаторов возможно расширение полосы частот, но с неизбежным снижением усиления. Для увеличения выходной мощности делают многолучевые клистроны, в которых через поле одних и тех же резонаторов проходят параллельно несколько электронных потоков.

Пролетный клистрон можно превратить в генератор с самовозбуждением, если установить обратную связь между выходным и входным резонаторами, соединив их коаксиальной линией. Длина линии подбирается такой, чтобы получилась нужная фаза колебаний, подводимых обратно к входному резонатору.

При этом электронные сгустки проходят через выходной резонатор за полупериоды, соответствующие тормозящему полю, и поддерживают колебания. А при противоположной фазе электронный поток будет отбирать энергию от выходного резонатора и колебания быстро затухнут.

Иногда в двухрезонаторных клистронах с общей стенкой у резонаторов Р₁ и Р₂ создают дифракционную обратную связь с пймощью отверстия в этой стенке. Однако пролетные клистроны сравнительно редко используются в качестве генераторов с самовозбуждением. А для маломощных генераторов (гетеродинов) более удобны отражательные клистроны, имеющие только один резонатор.

клистрон в стеклянном корпусе