Конструкция, принцип действия и параметры двухрезонаторного пролетного клистрона.

Клистронами наз-ют ЭВП СВЧ, использующие принцип динамического управления -ным потоком и содержащие один или несколько объемных резонаторов(рез-ров). К. бывают 2 основных разновидностей: пролетные и отражательные. В пролётных К. может быть более 2 резонаторов, поэтому их подразделяют на двухрезонаторные и многорезонаторные. Отражательные К. в основном имеют однорезонаторную конструкцию. К. применяются для усиления, генерирования и умножения частоты СВЧ-колебаний. К. являются приборами О-типа с кратковременным взаимодействием.

Рассмотрим принцип действия К. на примере усилительного двухрезонаторного пролётного К., схема устройства и включения которого представлена на рис.

-ы, эмиттируемые подогревным катодом 1, ускоряются полем ускоряющего электрода 2, на который подаётся положительное ускоряющее напряж-е U₀. Этот электрод также несколько фокусирует -ный поток 4, движущийся далее к входному рез-ру 3. Это же напряж-е прикладывается к рез-рам 3, трубе дрейфа 5 и коллектору К. 7, которые обычно заземляются для удобства охлаждения,т.к. рез-ры связаны с линиями передачи, а коллекторы в мощных К. охлаждаются жидкостью.

К входному рез-ру 3 (модулятор) через коаксиальную линию или волновод и петлю связи подводятся СВЧ-колебания, подлежащие усилению.

Наводимое входным сигналом между сетками входного рез-ра переменное напряж-е U₁=U_m1sinωt имеет амплитуду, значительно меньшую ускоряющего напряж-я U_m1<U₀. Поэтому -ный поток, проходя промежуток между сетками рез-ра, под воздействием перемен. напряж-я почти не изменяет своей плотности, но после прохождения рез-ра -ны будут иметь различные скорости. Время прохождения -нами через зазор рез-ра много меньше периода колебания из-за достаточно большой скорости электронов V₀, т. е. τ₁< Т. Т.к. перемен. напряж-е между сетками рез-ра мало, то и различие в скоростях -ов, прошедших входной резонатор, будет небольшим. Дальнейшее движение -нов в трубе дрейфа 5 будет проходить в отсутствии электрич. поля под действием сил инерции. Эту область, где -ны движутся по инерции, но с различными начальными скоростями, называют пространством дрейфа.

Время движения -нов в пространстве дрейфа велико по сравнению с периодом колебаний, поэтому быстрые -ны успевают догнать медленные, образуя сгустки и разрежения -нов.

Т.о., небольшие изменения по скорости -нов, происходящие в рез-те воздействия перем. напряж-я между сетками входного рез-ра, приводят к изменениям плотности электрич. потока. Непрерывный -ный поток превращается в прерывистый, состоящий из сгустков и разряжений -нов. Сгустки -нов поступают в выходной рез-р 6 с частотой, равной частоте вход. сигнала, и наводят в нем импульсы тока. В резонаторе возникают СВЧ-колебания с частотой, равной частоте колебаний, подводимых к входному рез-ру.

Появляющееся между сетками рез-ра электрич. поле тормозит сгруппированные -ны, кинетич. эн-я, полученная ими от источника ускоряющего напряж-я U₀, передается перемен. электрич. полю рез-ра, поддерживая т.о. возникшие в рез-ре колебания, отводимые в нагрузку через вывод энергии рез-ра.

-ны, прошедшие выходной рез-р и отдавшие часть своей энергии СВЧ-полю рез-ра, попадают на коллектор 7, где рассеивают оставшуюся часть кинетич. эн-и в виде тепла.

Мощность колебаний, установившихся в выход. рез-ре, превышает мощность колебаний, подводимых к вход. рез-ру. Расход энергии источника усиливаемых колебаний на группирование -нов близок к 0, поскольку в течение одной половины периода при ускорении -ны отбирают энергию от переменного электрич. поля, в течение другой - тормозятся и отдают свою энергию. При этом обмен энергией в выходном рез-ре происходит в одном направлении (от -нов к полю) из-за того, что сгустки -нов попадают в вых. рез-р в моменты времени, когда поле в зазоре рез-ра является тормозящим. Т. о., мощность колебаний увеличивается за счёт отбора энергии от источника пост. напряж-я. -ный поток служит лишь для передачи этой энергии переменному полю выходного рез-ра, а процесс модуляции -нов по скорости и группирование их в сгустки необходим для рациональной передачи этой энергии.

Ускорение -нов происходит под действием статич. электрич. поля, возникающего при приложении между катодом и ускоряющим электродом напряж-я U₀ источника постоянного тока. Это напряж-е создает в промежутке между катодом и ускоряющим электродом электрич. поле с напряж-тью E₀ = U₀/d, где d - расстояние между катодом и ускоряющим электродом.

Если принять заряд электрона q, то поле будет действовать на -н с силой F₀=qE₀. Под действием этой силы -ны увеличивают свою скорость, приобретая дополнительную кинетическую энергию: mV₀/2 = qU₀,где m - масса -на.

Подставив в это ур-е значения m=9,11*10^-31 кг и q=1,6*10^-19 Кл, можно найти скорость -нов: V₀= =5,95*10⁵* [м/с].

В процессе ускорения электроны приобретают от источника питания ки­нетическую энергию, преобразуемую в дальнейшем в энергию СВЧ-колебаний. Ускорение электронов способствует уменьшению угла пролета электрона через зазор резонатора. Величина постоянного тока, протекающего через клистрон, зависит от ускоряющего напряжения:

I_K=I₀=A*U^3/2, где I_K - ток катода(пост. ток пролетающий через К.);

А - коэффициент (первеанс), зависящий от геометрии, формы, размеров, катода, ускоряющего электрода, расстояния между ними; I₀ - ток луча (коллектора).

В зазоре резонатора:

E(t)=-U₁/d₁*sinωt