Відбивні клістрони

Відбивний клістрон — електровакуумний прилад, що працює за принципом короткочасної взаємодії електронів з електричним полем одного резонатора в якому електрони, пролетівши в одному напрямку, повертаються гальмівним полем відбивача і повторно пролітають зазор резонатора.

На рис.4 наведена загальна схема відбивного клістрона. Роботу відбивного клістрона можна пояснити таким чином. Електрони, прискорені напругою U_рез, потрапляють у резонатор, де вони модулюються за швидкістю коливаннями високочастотного електричного поля. Пролетівши резонатор, електрони потрапляють в простір між резонатором і відбивачем. Останній, маючи негативний потенціал, гальмує електрони і повертає їх назад в резонатор. При гальмуванні і поверненні електрони формуються в згустки.

Рисунок 4. Загальна схема конструкції відбивного клістрона

Розгледимо процес групування електронів в згустки за допомогою просторово-часової діаграми, представленої на рисунку 5. Електрони пучка влітають в резонатор з однаковою швидкістю v₀і в різний час t. Електрон 1, що вилетів з резонатора у момент часу t₁і зазор резонатора, що пролетів, в прискорювальному НВЧ - полі u₁, збільшує свою швидкість (v₁> v₀). Електрон 2, що влетів у резонатор трохи пізніше (момент часу t₂) і зазор, що пролетів, у той момент, коли високочастотне поле було дорівнює нулю, не змінює свою швидкість (v₂= v₀). Електрон 3, що влетів у резонатор ще пізніше (момент часу t₃) і резонатор, що пролетів, у гальмуючому НВЧ- поле, зменшує свою швидкість (v₃ < v₀). Як показано на рис. 5, електрони 1, 2, 3 залежно від часу вильоту пройдуть різні шляхи z і затратять на це різний час, але при певній напрузі на відбивачі можуть вернутися в резонатор у один і той же час t_n.

Рисунок 5. Просторово-часова діаграма руху електронів у відбивному клістроні.

Для того, щоб клістрон зміг генерувати незгасаючі НВЧ - коливання, згустки електронів, при зворотному русі, повинні проходити через резонатор в гальмівну фазу високочастотного поля. Цьому режиму відповідають оптимальний час прольоту t_опт електронів в просторі групування і оптимальний кут прольоту:

q _опт = t_опт w = 3/2 p (2)

Зміна кута прольоту приводить до зменшення часу ефективної взаємодії електронів, що повертаються зі НВЧ- полем резонатора і, як наслідок, зменшення амплітуди коливань і, нарешті, зриву генерації. Природно, що зміна кута прольоту на 2 p знову відновлює оптимальну умову генерації. Таким чином, оптимальний кут прольоту

q _опт = t_опт w = 3/2 p + 2 pn (1.9)

де п =1, 2, 3...—ціле число, що визначає номер зони генерації.

Кут прольоту міняється регулюванням напруги U_відб на відбивачі.

Розгледимо основні параметри і характеристики відбивних клістронів.

Вихідна потужністьвідбивних клістронів не перевищує декількох ватів. На рис. 6,а показана залежність цієї потужності від напруги на відбивачі в різних зонах генерації. Чим вище номер зони, тобто чим менше напруга на відбивачі, тим менша вихідна потужність клістрона. Пояснюється це зменшенням модуляції пучка по щільності із-за взаємного розштовхування електронів. Відбивні клістрони мають малий ККД (1... 3%), тому не можуть розроблятися на великі потужності.

Рисунок 6. Характеристики відбивного клістрона: а — зміна потужності в зоні генерації; б — зміна частоти в зоні генерації.

Частота коливаньклістрона може мінятися в широких межах механічною перебудовою резонатора і у вузькому діапазоні частот в межах зони генерації шляхом зміни напруги на відбивному електроді (рис. 6б). Відхилення частоти генерації клістрона, при зміні напруги на відбивачі, пояснюється зміною реактивної провідності, при проходженні електронного потоку резонатора клістрона.

Клістрони, що випускаються промисловістю, мають діапазон електронної перебудови Df = 10.-..20 МГц на хвилях l₀ = 10 см і Df = 20-.50 МГц на хвилях l₀ = 3 см. Діапазон механічної перебудови частоти в межах однієї зони генерації не перевищує ±25% середньої частоти. При зміні зони генерації діапазон механічної перебудови частоти можна збільшити до октави і більше. У таблиці. 2 приведені параметри типових відбивних клістронів.

Таблиця 2. Усереднені параметри відбивних клістронів

Відбивні клістрони застосовуються як гетеродини НВЧ - приймачів, задавальні генератори передавачів, малопотужні однокаскадні генератори передавачів і у вимірювальній техніці.

Можливість електронної перебудови частоти клістрона дозволяє відносно просто вирішувати завдання автоматичного налаштування частоти гетеродина і стабілізації частоти задавального генератора передавача.

Відбивні клістрони можуть бути виконані в металевому оформленні з внутрішнім резонатором і в скляному балоні із зовнішнім резонатором. Найчастіше використовуються зовнішні резонатори тороподібної форми.