Клистрон

Опубликовано 13.02.2010 Ведущий Антон Степанов

Клистрон является электровакуумным прибором. Его предназначение - генерация и усиление СВЧ колебаний. 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 СВЧ поля. В зависимости от наличия постоянного, элект-рич. поля в дрейфовом пространстве различают отражательные и пролётные. В первом случае используется не менее двух резонаторов, а в пролетном клистроне резонатор один, а электроны отражаются от отражателя.
В пролетном клистроне имеются два объемных резонатора с ёмкостными сеточными зазорами. Первый резонатор называют входным, или модулятором; второй - выходным. Пространство между ними называют пространством дрейфа или группирования. Электроны, испускаемые катодом, ускоряются постоянным напряжением второго электрода. Далее они попадают в сеточный зазор первого резонатора, где на него действует продольное СВЧ поле. Под воздействием этого поля происходит модуляция скорости электронов. Периодическое их ускорение и замедление. За счет различий в скорости отдельных электронов в пространстве дрейфа создаются их сгустки, происходит модуляция по плотности. Такой модулированный поток попадает на второй резонатор и создает в нем наведенный ток такой же частоты, что и частота входного модулирующего поля. Между сетками резонатора образуется электрическое поле высокой частоты, которое начинает взаимодействовать с потоком электронов. Необходимые параметры клистрона подбираются таким образом, чтобы электрическое поле второго резонатора тормозило сгустки электронной плотности и ускоряло её разряжения. В результате в среднем за период одного колебания поля тормозится большее число электронов, чем ускоряется. Кинетическая энергия электронов преобразуется в энергию СВЧ колебаний электромагнитного поля второго резонатора, а электроны, пройдя резонатор, оседают на коллекторе, рассеивая оставшуюся часть кинетической энергии в виде тепла.
Отражательные клистроны предназначены для генерирования СВЧ колебаний малой мощности.
Отражательный клистрон имеет один резонатор, дважды пронизываемый электронным потоком. Возвращение электронов осуществляется с помощью отражателя, находящегося под отрицательным постоянным потенциалом по отношению к катоду. Таким образом, резонатор играет роль группирователя при первом прохождении электронов и роль выходного контура при втором прохождении. Промежуток между резонатором и отражателем играет роль пространства дрейфа, где модуляция электронного потока по скорости переходит в модуляцию по плотности.
Для того чтобы клистрон мог генерировать СВЧ колебания необходимо, чтобы сгустки электронного потока, сформированные при первом прохождении сквозь резонатор, проходили через резонатор при обратном движении в те моменты, когда в нём имеется тормозящее высокочастотное электрическое поле.
Электронный КПД отражательных клистронов ниже, чем у пролётных клистронов, и его реально достижимое значение не превышает нескольких процентов. Тогда, когда у пролетных КПД доходит до 58%. Иногда, клистрон бывает тяжелым, массивным прибором, существуют так же малогабаритные варианты.
Клистроны применяют как генераторы и усилители СВЧ, кроме того как умножители частоты. А принцип их работы используется так же в других областях техники, в частности в ускорителях заряженных частиц. Пролётные клистроны являются основой всех мощных СВЧ передатчиков. Они используются в мощных локаторах, радиотелескопах. Но в настоящее время генераторы на отражательных клистронах вытесняются полупроводниковыми генераторами СВЧ