Клистроны. 
Электроника. 
Часть 1 вакуумная и плазменная электроника

Клистрон (от греческого кКусо — ударять) — электровакуумный СВЧ-прибор, работа которого основана на модуляции по скорости электронного потока электрическими СВЧполями резонансных колебательных систем, группированием электронов в сгустки и последующим преобразованием кинетической энергии сгруппированных электронов в энергию СВЧ-колебаний.

Клистроны предназначены для генерации и усиления электромагнитных колебаний.

По способу преобразования энергии источника питания в энергию СВЧ-колебаний клистроны относятся к приборам О-типа или приборам с динамическим управлением электронным потоком.

Идея по плотностной модуляции электронов была впервые предложена советским физиком Д. А. Рожанским в 1932 году, а первые клистроны были созданы американцами В. Ханом, Г. Мектолфом и братьями Р. и 3. Варианами в 1938 году.

Принцип группирования электронов в сгустки лежит в основе физики работы клистронов. На рис. 4.11, а приведена схема группирования электронов в пространстве резонатора. Электроны, для которых выполняется соотношение U sincot > 0, получают дополнительное ускорение. Электроны, для которых справедливо U • sinco/ < 0, — замедляются. Электроны /, 2, 3 одновременно возвращаются в резонатор и вместе с электронами от / до 3 образуют сгусток электронов.

Следует особо отметить тот факт, что в приборах этого типа носителями информационного сигнала являются уже не электроны, а так называемые динамические неоднородности. В данном случае это сгустки электронов.

Формирование сгустков электронов ухудшают как кулоновские силы, так и конечное время пролета электронов между сетками резонатора.

На рис. 4.11,6 представлена конструкция клистрона. Пучок электронов, формируемый электронной пушкой /, ускоряется полем электрода 2 и пронизывает узкий зазор А между стенками входного тороидального резонатора (группирователь электронов) 4 и движется в трубке дрейфа 6. В трубке дрейфа электрические поля отсутствуют, и в ней происходит преобразование скоростной модуляции потока в модуляцию по плотности. Далее поток из сгустков электронов попадает в выходной резонатор 5.

Рис. 4.11. Схема образования сгустков (а) и устройство двухрезонаторного пролетного клистрона (б): 1 — катод; 2 — ускоряющий электрод; 3 — коллектор; 4 — входной резонатор; 5 — выходной резонатор; б — трубка дрейфа; 7 — электронный поток; 8— положительная обратная связь:

А — 1-й зазор. В — 2-й зазор Второй резонатор служит для отбора высокочастотной энергии из потока электронов. Частота поступлений сгустков электронов во второй резонатор равна частоте входного сигнала. Ток наводится на внутренней поверхности стенок второго (выходного) резонатора. Появляющееся между сетками резонатора электрическое поле тормозит электроны. Кинетическая энергия электронов, полученная от источника, ускоряющего напряжения преобразуется в энергию СВЧ-колебаний. Электроны, прошедшие второй зазор, попадают на коллектор и рассеиваются на нем в виде тепла.

Клистрон обладает рядом преимуществ по сравнению с приборами типа лампы СВЧдиапазона. Среди них:

• ? отказ от электростатического управления электронным потоком;
• ? использование динамического управления, основанного на скоростной модуляции и группировке электронов;
• ? использование принципа наведения тока в выходном зазоре В и разделение функций выходного зазора и коллектора электронов;
• ? применение полых резонаторов, отвечающих требованиям СВЧ-диапазона;
• ? выделение катода из состава высокочастотной цепи и расположение ускоряющего промежутка перед высокочастотным управляющим зазором.

Клистрон из усилителя может быть преобразован в автогенератор путем введения положительной обратной связи между выходным и входным резонаторами. Одним из способов повышения коэффициента усиления клистрона является их каскадное соединение или создание многорезонаторных конструкций с периодической электростатической фокусировкой электронного пучка.

Клистрон отражательного типа имеет один полевой резонатор, который дважды пронизывается электронным потоком.

Резонатор играет роль группирователя электронов при первом прохождении элекгронов через зазор и роль выходного контура при повторном прохождении зазора.

Для того чтобы клистрон мог генерировать СВЧ-колебания, сгустки электронов должны проходить через зазор при обратном движении в те моменты, когда в нем имеется тормозящее высокочастотное электрическое поле. С этой целью одновременно регулируются напряжения на ускоряющем электроде и на отражателе.

Основным назначением отражательных клистронов является генерирование СВЧколебаний малой мощности. Их преимущество состоит в простоте конструкции и настройки, а также в хороших модуляционных характеристиках. Важным их достоинством является высокая механическая прочность и надежность.

Возврат электронов в зазор резонатора А обеспечивается с помощью отражателя, находящегося под отрицательным потенциалом по отношению к катоду (рис. 4.12).

При использовании отражательного клистрона в качестве усилителя ток в пучке делают меньше пускового и модулированный по скорости пучок электронов в отраженном потоке превращается в модулированный пучок по плотности. При этом в резонаторе возбуждается усиленный сигнал.

Различают отражательные клистроны с внешними и внутренними резонаторами. Широкое распространение получили клистроны с интегральной перестройкой частоты, создание которых стало возможным благодаря разработанной технологии изготовления скользящих электрических контактов в вакууме. Диапазон перестройки составляет 10—15% и КПД свыше 40%. На рис. 4.13 показан широкий спектр отечественных клистронов.

Рис. 4.12. Конструкция отражательного клистрона: 1 — катод; 2 — ускоряющий электрод; 3— резонатор;

• 4 — отражатель;
• 5 — вывод энергии;
• 6 — электронный поток;

А — зазор

Рис. 4.13. Номенклатура отечественных клистронов.