КЛИСТРОН
[от греч. klyzo -
ударять,< окатывать (волной) и (элек)трон], электровакуумный
прибор СВЧ, в к-ром преобразование постоянного потока электронов в переменный
происходит путём модуляции скоростей электронов электрич. 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.
Пролётный К.-К., в к-ром электроны
последовательно пролетают сквозь зазоры объёмных резонаторов (ОР) (рис.
1).
Рис. 1. Схемы конструкции пролётных
клистронов: а - усилительного, 6 - генераторного; 1 - катод;
2
- фокусирующий цилиндр; 3 - электронный поток; 4 - входной
объёмный резонатор; 5 - отверстие для ввода энергии сверхвысоких
частот; 6 - зазор объёмного резонатора; 7 - пространство дрейфа;
8
- выходной объёмный резонатор; 9 - отверстие для вывода энергии
сверхвысоких частот; 10 - коллектор, принимающий электронный поток;
11
- промежуточные объёмные резонаторы; 12 - источник постоянного
анодного напряжения; 13 - источник напряжения подогрева катода;
14
- первый объёмный резонатор; 15 - щель связи, через которую
часть энергии сверхвысоких частот проходит из второго резонатора в первый;
16-второй
объёмный резонатор.
Рис. 2. Схема конструкции отражательного
клистрона: 1 - катод;2 - фокусирующий цилиндр; 3 - электронный
поток; 4 - ускоряющая сетка; 5 - объёмный резонатор; 6
-
зазор объёмного резонатора; 7 - отражатель; 8 - вторая сетка резонатора;
9-первая
сетка резонатора; 10- вакуумноплотное керамическое окно вывода энергии
сверхвысоких частот из объёмного резонатора;
11 - источник напряжения
резонатора клистрона; 12 - источник напряжения подогрева катода;
13 - источник напряжения отражателя.
В зазоре входного ОР происходит модуляция
скоростей электронов: электрич. поле СВЧ в нём периодически полпериода
ускоряет, а следующие полпериода замедляет движение электронов. В пространстве
дрейфа ускоренные электроны догоняют замедленные, в результате чего образуются
сгустки электронов. Проходя сквозь зазор выходного ОР, сгустки электронов
взаимодействуют с его электрическим полем СВЧ, большинство электронов тормозится
и часть их кинетич. энергии преобразуется в энергию колебаний СВЧ.
Идея преобразования постоянного noj
тока электронов в поток переменной плотности за счёт того, что ускоренные
электроны догоняют замедленные, рассматривалась сов. физиком Д. А. Рожанским
в 1932, метод получения мощных колебаний СВЧ, основанный на этой идее,
был предложен совместно сов. физиком А. Н. Арсеньевой и нем. физиком О.
Хайлем в 1935, первые конструкции пролётных К. были предложены и осуществлены
в 1938 амер. физиками В. Ханом, Г. Меткалфом и независимо от них Р. Варианом
и 3. Варианом.
Большинство пролётных К. являются
многорезонаторными усилительными К. (рис. 1, а). Промежуточные ОР,
расположенные между входным и выходным ОР, дают возможность расширить полосу
пропускания частот, повысить кпд и коэфф. усиления. Усилит. К. выпускаются
для работы в узких участках частот дециметрового и сантиметрового диапазонов
волн с выходной мощностью от неск. сотен вт до 40 Мет в импульсном
и от неск. вт до 1 Мет в непрерывном режиме работы. Коэфф.
усиления К. обычно от 35 до 60 дб, кпд от 40 до 60%, полоса пропускания
менее 1% в непрерывном режиме и до 10% в импульсном режиме. Осн. области
их применения: доплеровская радиолокация, связь с искусств, спутниками
Земли, радиоастрономия, телевидение (К. непрерывного режима работы)
и
линейные ускорители элементарных частиц, оконечные усилители мощности радиолокац.
станций дальнего действия и высокой разрешающей способности (К. импульсного
режима работы).
Небольшую часть выпускаемых пром-стью
пролётных К. составляют генераторные К. непрерывного режима работы. Обычно
они имеют 2 ОР (рис. 1, б). Небольшая доля мощности колебаний СВЧ,
создаваемых во втором ОР, передаётся через щель связи в первый ОР для модуляции
скоростей электронов. Их выходная мощность примерно от 1 до 10 вт, кпд
- менее 10%. Генераторные К. применяются гл. обр. в параметрических
усилителях, радиомаяках сантиметрового и миллиметрового диапазонов
волн.
Отражательный К.- К., в к-ром поток
электронов, пройдя зазор ОР, попадает в тормозящее поле отражателя, отбрасывается
этим полем назад и вторично проходит зазор ОР в обратном направлении (рис.
2). При первом прохождении зазора его электрич. поле СВЧ модулирует
скорости электронов. При втором прохождении (в обратном направлении)
электроны
прибывают в зазор сгруппированными в сгустки; поле СВЧ в зазоре тормозит
эти сгустки и превращает часть кинетич. энергии электронов в энергию колебаний
СВЧ. Сгустки электронов образуются в результате того, что ускоренные электроны
в пространстве между ОР ц отражателем проходят более длинный путь и находятся
дольше, чем замедленные. При изменении отрицательного напряжения
на отражателе меняются время пролёта электронов, фаза прибытия сгустков
в зазор и частота генерируемых колебаний (рис. 3). Последнее используется
для т. н. электронной настройки, позволяющей практически безынерционно
и без затраты мощности управлять частотой генерируемых колебаний при частотной
модуляции и автоматич. подстройке частоты. Механич. перестройка частоты
производится изменением зазора путём прогиба торцевой стенки (мембраны)
металлич.
корпуса К. (рис. 4, a) или посредством перемещения настраивающего
поршня съёмной части ОР, присоединяемой к краям металлич. дисков, выходящим
из стеклянного или керамич. корпуса К. (рис. 4, б).
Многие отражат.
К., кроме осн. ОР, имеют второй ОР, находящийся вне вакуума (рис. 4, в).
Механическая перестройка частоты таких К. производится перемещением штыря,
изменяющего зазор второго ОР. Такие конструкции обеспечивают неограниченное
число перестроек частоты. Присоединение высокодобротного резонатора повышает
стабильность частоты, но снижает выходную мощность К.
Рис. 3. Зависимость частоты
и выходной мощности отражательного клистрона от напряжения на отражателе:
А-
ширина
зоны генерации; Б - ширина зоны генерации по уровню половинной мощности;
fi - частота колебаний в центре зоны; Д1 - отклонение частоты от
f,; В - диапазон электронной настройки по уровню половинной мощности.
Рис. 4. Способы механической перестройки
частоты отражательного клистрона: а - прогибом мембраны, б - перемещением
поршня съёмной части объёмного резонатора, в - перемещением штыря
объёмного резонатора, находящегося вне вакуума; 1 - мембрана, прогибом
которой меняют зазор объёмного резонатора (увеличение зазора увеличивает
частоту колебаний); 2 - края металлических дисков клистрона, к которым
присоединяют съёмную часть объёмного резонатора; 3 - съёмная часть
объёмного резонатора; 4 - поршень объёмного резонатора (при опускании
поршня длина объёмного резонатора уменьшается и частота генерируемых колебаний
увеличивается); 5 - керамическое вакуумноплотное окно связи между объёмными
резонаторами; 6 - штырь (подъём штыря увеличивает зазор объёмного
резонатора и частоту колебаний); 7 - отверстие для вывода энергии сверхвысоких
частот.
Отражат. К. был разработан в 1940
группой советских инженеров - Н. Д. Девятковым, Е. Н. Данильцевым, И. В.
Пискуновым, и независимо от них советским инженером В. Ф. Коваленко. Первые
работы по теории отражат. К. были опубликованы советскими физиками Я. П.
Терлецким в 1943 и С. Д. Гвоздовером в 1944.
Отражат. К. являются самым массовым
типом приборов СВЧ. Они выпускаются для работы в дециметровом, сантиметровом
и миллиметровом диапазонах волн, имеют выходную мощность от 5 мет до
5 вт, диапазон механич. перестройки частоты до 10% (у К. со съёмной
частью ОР - неск. десятков процентов), диапазон электронной настройки
обычно менее 1%, кпд ок. 1%. Отражат. К. применяются в качестве гетеродина
супергетеродинного
радиоприёмника, как задающий генератор радиопередатчиков, как генератор
малой мощности в радиолокации, радионавигации, измерительной технике и
т. д.
Лит.: Коваленко В. Ф., Введение
в электронику сверхвысоких частот, 2 изд., М., 1955; Лебедев И. В., Техника
и приборы СВЧ, 2 изд., т. 2, М., 1972; Гайдук В. И., Палатов К. И., П е
тр о в Д. М., Физические основы электроники сверхвысоких частот, М., 1971;
Microwave Tube DATA Book, 28 ed., [N. J.], 1972. В. Ф. Коваленко.
А Б В Г Д Е Ё Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ъ Ы Ь Э Ю Я