Пролітні клістрони

Пролітний клістрон — електровакуумний прилад, що працює за принципом короткочасної взаємодії електронів з електромагнітним полем двох і більше резонаторів.

На рис. 1 показано пристрій і схема живлення пролітного дворезонаторного клістрона. Вхідний резонатор Р₁ клістрона служить для модуляції швидкості електронного пучка, а вихідний резонатор Р₂ перетворює енергію електронного пучка, що має модуляцію по щільності, в високочастотну енергію електромагнітних коливань власних частот резонатора.

Рисунок 1. Принципова схема дворезонаторного пролітного клістрона

Між резонаторами розташовується труба дрейфу, в якій відбувається групування і модуляція по щільності промодульованого за швидкістю електронного пучка. Металева труба дрейфу екранує простір дрейфу від зовнішніх електричних полів. На робочій частоті труба дрейфу має властивості позамежного хвилеводу і перешкоджає встановленню зворотного зв'язку між виходом і входом клістрона.

Максимально досяжна глибина модуляції в дворезонаторному клістроні обмежена явищем електростатичного розштовхування електронів в пучці. Використовуючи три і більше резонаторів з незначним роз‘юстуванням можна добитися значного збільшення глибини модуляції пучка по щільності і тим самим збільшити посилення, ККД і смугу робочих частот клістрона.

Рисунок 2. Трирезонаторний пролітний клістрон великої потужності:

1- катод; 2, 3, 4 - вхідний, проміжний і вихідний резонатори; 5 - колектор; 6 - прольотні труби; 7 - вихідне вікно; 8 - механізм налаштування; 9 - керамічна труба; 10 - вхідне вікно.

На рис.2 наведена загальна схема трирезонаторного пролітного клістрона. Вихідний резонатор завжди налаштовується на частоту вихідного сигналу. Якщо клістрон підсилювальний, то частоти налаштування вхідного і вихідного резонаторів однакові. У клістронах помножувачів частоти вихідний резонатор налаштовується на частоту заданої гармоніки вхідного сигналу.

Щоб клістрон працював в режимі генератора із самозбудженням, створюється внутрішній або зовнішній ланцюг зворотного зв'язку. Зовнішній ланцюг зворотного зв'язку зазвичай складається із пристрою зміщення фази коливань для створення умов балансу фаз і атенюатора, для підбору балансу амплітуд. У ланцюг зворотного зв'язку часто включається резонатор, налаштований на робочу частоту клістрона, який сприяє підвищенню стабільності частоти сигналу, що генерується.

Розглянемо основні параметри і характеристики пролітних клістронів.

Коефіцієнт посилення дворезонаторного клістрона порядку 10... 15 дБ. Приблизний максимальний коефіцієнт посилення (у децибелах) для N – резонаторного клістрона

К_у = 15 + 20 ( N — 2). (1.8)

Отримати коефіцієнт посилення багаторезонаторного клістрона більше 60 дБ важко із-за паразитних зворотних зв'язків і самозбудження коливань.

На рис.3а приведена амплітудна характеристика клістрона, з якої видно, що при малих сигналах (область 1), клістрон є лінійним пристроєм, в області II настає насичення, коефіцієнт посилення зменшується (рис. 3б), а вихідна потужність продовжує зростати.

Рисунок 3. Амплітудні характеристики пролітного дворезонаторного клістрона.

Вихідна потужністьзалежить від струму електронного пучка, напруги прискорення, потужності вхідного сигналу і налаштування резонаторів. Напруга прискорення підбирається таким чином, щоб забезпечити оптимальне групування електронного пучка в області вихідного резонатора.

Максимум характеристики рис.3а відповідає оптимальним умовам групування. Подальше збільшення вхідної потужності приводить до того, що в області вихідного резонатора відбувається розгрупування електронів, і потужність на виході падає. Вихідна потужність багаторезонаторних клістронів в режимі безперервного генерування доходить до 100 кВт, а в імпульсному режимі — до десятків мегават.

Смуга робочих частотв дворезонаторному клістроні залежить від смуги пропускання резонаторів і складає менше 1%. У багаторезонаторних клістронах при взаємному розладі резонаторів смуга пропускання досягає 10%. В цьому випадку вихідний резонатор також налаштовується на частоту коливань, що посилюються. Якщо попередні резонатори забезпечують смугу 5 - 10%, то навантажена добротність Q_н вихідного резонатора має бути не більше 10... 20. У меншій мірі смуга пропускання пролітного клістрона залежить від напруги прискорення, відстані між резонаторами і амплітудами вхідного сигналу.

Фазочастотна характеристика залежить від взаємного розладу резонаторів. Відповідним розладом резонаторів можна добитися досить лінійної фазочастотної характеристики клістрона, пульсації напруги прискорення приводять до паразитної фазової модуляції вихідного сигналу.

Електронний ККД дворезонаторного клістрона не перевищує 59%, в багаторезонаторних клістронах він може досягати 80%. У табл.1 приведені параметри типових підсилювальних пролітних клістронів.

Таблиця 1. Усереднені параметри пролітних клістронів.

Пролітні клістрони в основному застосовуються як вихідні підсилювачі радіолокаційних і телевізійних передавачів. Імпульсні клістрони великої потужності використовуються для живлення лінійних прискорювачів в плазматронах. Також широке застосування клістрони знайшли в технологічних процесах сушки діелектричних матеріалів, знезараження ґрунту та інших.

Клістрони помножувачі частоти використовуються головним чином в тих випадках, коли потрібно отримати НВЧ- коливання високої стабільності. Збудником помножувача частоти служить стабілізований кварцом генератор метрового діапазону. При коефіцієнті множення n = 10 і більш на виході помножувача можна отримати високостабільні коливання дециметрового і сантиметрового діапазонів.