Clistron

Klystron este un dispozitiv de electrovacuum , în care conversia unui flux constant de electroni într-o variabilă are loc prin modularea vitezelor electronilor printr-un câmp electric de microunde (când aceștia zboară prin golul unui rezonator cavitate ) și gruparea ulterioară a electronilor în mănunchiuri. (datorită diferenței dintre vitezele lor) într-un spațiu de deriva liber de câmpuri de microunde.

Clasificare

Klystronii sunt împărțiți în 2 clase: de tranzit și reflectorizant .

Într -un klystron tranzitoriu , electronii zboară secvenţial prin golurile rezonatoarelor din cavitate. În cel mai simplu caz, există 2 rezonatoare: intrare și ieșire. O dezvoltare ulterioară a klystronilor tranzitori sunt klystronii multicavitați în cascadă, care au unul sau mai mulți rezonatoare intermediare situate între rezonatoarele de intrare și de ieșire.

Klystronul reflectorizant folosește un rezonator, prin care fluxul de electroni trece de două ori, fiind reflectat de un electrod special - reflectorul.

Istorie

Primele modele de span klystrons au fost propuse și implementate în 1938 de inginerii americani Russell și Sigurt Varian [1] .

Klystronul reflectorizant a fost dezvoltat în 1940 de către N. D. Devyatkov , E. N. Daniltsev, I. V. Piskunov și, independent de ei , V. F. Kovalenko .

Klystroni zburători

Principiul de funcționare al unui klystron tranzitoriu (PC) se bazează pe utilizarea inerției electronilor unui flux de electroni rectilinii extins. PC-ul este folosit ca amplificator de putere, schimbător de frecvență și multiplicator de frecvență. Gama de frecvențe PC de la 200 MHz la 100 GHz, putere de ieșire de la 1 W la 1 MW în modul continuu și până la 100 MW în modul în impulsuri. PC-ul este cel mai puternic amplificator de microunde.

Dispozitiv și principiu de funcționare

Klystronul are două rezonatoare cu cavitate cu goluri capacitive ale rețelei. Primul rezonator se numește intrare sau modulator, al doilea se numește ieșire. Spațiul dintre ele se numește deriva sau spațiu de grupare.

Electronii emiși de catod sunt accelerați de o tensiune constantă a celui de-al doilea electrod și intră în decalajul îngust al rețelei al primului rezonator, în care există un câmp de microunde longitudinal pe fluxul de electroni. Acest câmp accelerează și încetinește periodic electronii, modulând viteza electronilor în fluxul de electroni. Deplasându-se mai departe în spațiul de deriva, electronii formează treptat aglomerări datorită faptului că electronii rapizi îi depășesc pe cei lenți. Acest flux de electroni cu densitate modulată intră în al doilea rezonator și creează în el un curent indus de aceeași frecvență cu frecvența câmpului modulator de intrare și rata de repetiție a grupului. Ca urmare, între grilele celui de-al doilea rezonator apare un câmp electric de înaltă frecvență, care începe să interacționeze cu fluxul de electroni. Parametrii necesari ai klystronului sunt selectați în așa fel încât câmpul electric al celui de-al doilea rezonator să încetinească mănunchiurile de densitate de electroni și să accelereze rarefacția acestuia. Ca rezultat, în medie, în timpul perioadei de oscilație a unui câmp, mai mulți electroni sunt decelerati decât accelerați. În acest caz, energia cinetică a electronilor este convertită în energia oscilațiilor cu microunde ale câmpului electromagnetic al celui de-al doilea rezonator, iar electronii, trecând de rezonator, se instalează pe colector, disipând restul energiei cinetice în formă de căldură. $U_{0}$

Parametri și caracteristici

Eficiență

Eficiența Klystron este de obicei înțeleasă ca eficiență electronică : $\eta _{el)$

\eta _{el}={\frac {P_{2n}}{P_{0}}},

adică raportul dintre puterea dată de fluxul de electroni și câmpul de microunde din rezonatorul de ieșire la a n- a armonică la puterea de intrare $P_{2n)$ $P_{0}.$

Rezolvând problema inducției puterii în sarcina rezonatorului de ieșire din principiile generale ale inducției curentului de către un fascicul de electroni, se poate obține că maximul și, prin urmare, eficiența maximă este determinată de maximul funcției Bessel : $P_{2n)$

\eta _{elmax}={J_{n}(nX)}_{max},

unde este funcția Bessel de primul fel de ordinul al n -lea ,

J_{n)

n

este numărul armonic,

X

- așa-numitul parametru de grupare .

$n$	$\eta _{elmax},\%$	$X_{max}$
unu	58.2	1,84
2	48,7	1,53
3	43.4	1.40
opt	32,0	1.22
16	26.0	1.13

Tabelul arată eficiența electronică maximă a unui klystron cu două rezonatoare și parametrul optim de grupare pentru diferite armonice.

Dacă parametrul este redus, de exemplu, prin scăderea amplitudinii semnalului de intrare sau creșterea amplitudinii tensiunii de accelerare, atunci fluxul de electroni va fi subgrupat . Ca rezultat, eficiența și puterea de ieșire scad. Același lucru se întâmplă și în fluxul regrupat . $X,$

Eficiența reală a unui klystron tranzitoriu cu două rezonatoare, ținând cont de pierderile din sistemul oscilator, pe grile de rezonatoare și alți factori, este mult mai mică și nu depășește 20% .

klystron multicavitate

Dispozitiv și principiu de funcționare

În klystronii cu mai multe cavități, rezonatoare suplimentare descărcate sunt plasate între rezonatoarele de intrare și de ieșire. Ca exemplu care explică caracteristicile muncii lor, este suficient să luăm în considerare un klystron tranzitoriu cu trei rezonatoare.

Să presupunem că rezonatorul intermediar este reglat precis la frecvența semnalului de intrare. Ca și în klystronul cu două rezonatoare, în rezonatorul de intrare electronii sunt modulați în viteză și apoi grupați în primul spațiu de deriva. Dacă intrarea primește un semnal de intrare slab, atunci modularea fluxului de electroni va fi neglijabilă. În acest caz, mărimea curentului indus în al doilea rezonator va fi, de asemenea, mică. Cu toate acestea, deoarece un rezonator intermediar neîncărcat este un sistem de înaltă calitate , chiar și la o amplitudine mică a curentului de convecție [2] , tensiunea creată pe rețelele sale va fi mare. Acest lucru este mult facilitat de faptul că al doilea rezonator nu este conectat la o sarcină externă. Pierderile totale active în al doilea rezonator sunt determinate numai de pierderile din rezonatorul însuși și de sarcina electronică a porții.[ clarifica ] .

În stare staționară, curentul și tensiunea din al doilea rezonator au aceeași frecvență ca și frecvența semnalului de intrare. Tensiunea indusă între grilele celui de-al doilea rezonator determină o modulare puternică a vitezei electronilor și o grupare puternică a fluxului de electroni în al doilea spațiu de deriva. Ca urmare, distribuția electronilor în mănunchiuri a densității lor va fi determinată de al doilea rezonator, iar dependența curentului de convecție în al treilea rezonator va fi aproximativ aceeași ca și în klystronul cu două rezonatoare format de al doilea și al treilea. rezonatoare, dar la o tensiune de modulare mult mai mare decât tensiunea de modulare a primului rezonator. În acest caz , câștigul va crește semnificativ, deoarece gruparea electronilor se realizează la o amplitudine mult mai mică a semnalului de intrare furnizat primului rezonator. Procese similare au loc în fiecare rezonator intermediar al unui klystron multicavitate.

Simplificat, principiul de funcționare al dispozitivului poate fi demonstrat clar pe exemplul unui tronson de drum încărcat destul de lung, dotat cu semafoare. În ciuda faptului că mașinile au viteze și accelerații diferite în timpul accelerării și decelerației (similar cu distribuția vitezelor electronilor) în zonele care urmează semaforului, fluxul mașinilor va fi destul de clar modulat cu o frecvență egală cu frecvența de comutare a semnalelor de circulație. (analog unui rezonator), iar această modulație se va păstra la o oarecare distanță de semafoare. Dacă toate semafoarele funcționează în mod concertat (sistemul „ Unda verde ”), atunci pe o anumită lungime a drumului vitezele medii ale mașinilor se vor egaliza și modulația fluxului se va menține pe toată lungimea sa. Chiar dacă la tronsonul inițial de drum reglementarea semaforului nu afectează toate mașinile (unele dintre ele intră în intersecții nereglementate), ceea ce este analog cu un semnal slab la intrarea primului rezonator klystron, sincronizarea vitezei se va produce într-un secțiune relativ mică.

Din punct de vedere fizic, o creștere a câștigului unui klystron multicavitate se realizează nu prin creșterea eficienței și a puterii de ieșire, ci prin reducerea puterii semnalului necesară la intrarea amplificatorului pentru a controla fluxul de electroni.

Parametri și caracteristici

Eficiență

În cazul ideal considerat mai sus (când al doilea rezonator este reglat fin la frecvența semnalului de intrare), puterea maximă de ieșire și eficiența electronică rămân aceleași ca într-un klystron cu două cavități, adică limita de eficiență este de 58% , deoarece valoarea maximă a amplitudinii primei armonice rămâne același curent de convecție în ultimul rezonator.

Pentru a crește eficiența în klystronii cu mai multe cavități, se face o ușoară deacordare în raport cu frecvența amplificată a rezonatoarelor intermediare, unde tensiunea creată de curentul indus este mare (de obicei acesta este penultimul rezonator). În același timp, scăderea puterii de ieșire și a câștigului klystronului, care apare atunci când rezonatoarele sunt detonate, este compensată de o creștere a numărului de rezonatoare. (Câștigul este aproximativ egal cu dB, unde este numărul de rezonatoare.) Calculele teoretice arată că în acest caz eficiența electronică poate fi crescută la 75% și banda de frecvență de funcționare poate fi extinsă la câteva procente. În practică, se folosesc de obicei klystroni cu patru-șase rezonatoare. $15+20(N-2)$ $N$

Klystron reflectorizant

Dispozitiv și principiu de funcționare

Klystronii reflectorizanti sunt proiectați pentru a genera oscilații cu microunde de putere redusă.

Klystronul reflectorizant are un rezonator, care este dublu străpuns de un fascicul de electroni. Returul electronilor se realizează folosind un reflector, care se află sub un potențial constant negativ față de catod. Astfel, rezonatorul joacă rolul unui grupator în timpul primei treceri de electroni și rolul unui circuit de ieșire în timpul celui de-al doilea pasaj. Decalajul dintre rezonator și reflector joacă rolul unui spațiu de deriva, unde modulația vitezei fasciculului de electroni se transformă în modulație de densitate.

Pentru ca klystronul să poată genera oscilații de microunde, este necesar ca mănunchiurile fasciculului de electroni formate în timpul primului trecere prin rezonator să treacă prin rezonator în timpul mișcării inverse în acele momente când există o frecvență înaltă retardantă. câmp electric din el.

Parametri și caracteristici

Eficiență

Eficiența electronică a klystronilor reflectorizante este mai mică decât cea a klystronilor tranzitori, iar valoarea sa efectiv realizabilă nu depășește câteva procente.

Gama de reglare a frecvenței

În fiecare zonă de generație, este posibilă reglarea electronică a frecvenței. În practică, se realizează prin schimbarea tensiunii de pe reflector, deoarece curentul din circuitul reflectorului este zero și frecvența de generare este controlată fără consum de energie.

Intervalul de reglare a frecvenței electronice pentru klystron-urile reflectorizante nu depășește de obicei 0,5% din valoarea medie a frecvenței.

Este posibil și reglarea mecanică a frecvenței. Se realizează prin schimbarea frecvenței rezonatorului. Există două tipuri de reglaj mecanic: inductiv și capacitiv. Primul se realizează cu ajutorul șuruburilor și pistoanelor de reglare, cu ajutorul cărora se modifică volumul cavității rezonatorului. În a doua variantă, a doua grilă de rezonanță este întinsă peste o diafragmă ondulată elastică, prin îndoire care este posibilă modificarea distanței dintre grilele de rezonanță și, prin urmare, a capacității electrice intergrid. Gama de acordare mecanică este de aproximativ 25% din frecvența centrală, ceea ce este mult mai mare decât intervalul de acordare electronică. Dar, în același timp, rata de restructurare este mică și este determinată de viteza mișcării mecanice.

Aplicație

Klistronii zburători sunt baza tuturor emițătoarelor puternice cu microunde ale sistemelor radio coerente , în care se realizează stabilitatea frecvenței și puritatea spectrală a standardelor de frecvență a hidrogenului foarte stabile. În special, în etapele de ieșire ale celor mai puternice radare din lume pentru studiul asteroizilor și cometelor (telescoape radar, radare planetare și asteroizi), care sunt situate în Arecibo ( Porto Rico ), Goldstone ( California ) și Evpatoria ( Crimeea ) observatoare, este vorba despre klystroni răciți cu apă.

Klystronele reflectorizante sunt utilizate în diverse echipamente ca generatoare de microunde de putere redusă. Datorita randamentului lor scazut, ele nu sunt folosite pentru a obtine puteri mari si sunt folosite de obicei ca oscilatori locali in receptoarele cu microunde, in echipamente de masura si in transmitatoarele de putere mica. Principalele lor avantaje constă în simplitatea designului și posibilitatea de reglare electronică a frecvenței. Klistronii reflectorizați sunt foarte fiabili și nu necesită utilizarea unui sistem de focalizare cu fascicul de electroni .

În prezent, în acele aplicații în care nu este necesară rezistența ridicată la radiațiile ionizante , generatoarele bazate pe klystroni reflectorizați sunt înlocuite cu generatoare de microunde cu semiconductor - diode Gunn și diode de tranzit de avalanșă .

Vezi și

Magnetron
Klystron optic

Note

↑ Kuleshov, 2008 , p. 314.
↑ Dacă curentul nu curge într-o substanță, ci în spațiul liber, termenul „curent de transfer” este adesea folosit în locul termenului „curent de conducere”. Cu alte cuvinte, curentul de transfer sau curentul de convecție se datorează transferului de sarcini electrice în spațiul liber de către particule sau corpuri încărcate sub acțiunea unui câmp electric. Vezi articolul Curent de polarizare (electrodinamică)#Curentul de polarizare și curent de conducție

Literatură

Kuleshov V. N., Udalov N. N., Bogachev V. M. et al. Generarea de oscilații și formarea semnalelor radio. - M. : MPEI, 2008. - 416 p. - ISBN 978-5-383-00224-7 .

Dispozitive electronice de vid (cu excepția fasciculului catodic )
Lămpi generatoare și amplificatoare	Triodă tetrodă tetroda fasciculului Pentodă hexod heptode Pentodă Octod Nonod Magnetron Amplitron Platinotron Virkator Clistron Lampă cu val de călătorie Lampă cu undă inversă Gyrotron
Alte	Dioda electrovacuum Kenotron tub cu raze X Indicator fluorescent în vid Ochi magic Fotocelula de vid tub intensificator de imagine Fotomultiplicator Multiplicator secundar de electroni Selectron mechatron
Tipuri de performanță	Octal Deget tijă Nuvistor ghindă Mayachkovaya Metal-ceramic Combinate
Elemente structurale	Anod Catod strălucire directă Strălucire indirectă emisie de câmp Fotocatod Dinod Încălzitor Grilă administrator Antidinatron Ecranarea catodic Getter soclu