Klystron

Klystron är en elektrovakuumanordning , där omvandlingen av ett konstant flöde av elektroner till en variabel sker genom att modulera elektronernas hastigheter med ett elektriskt mikrovågsfält (när de flyger genom gapet i en kavitetsresonator ) och efterföljande gruppering av elektroner i buntar (på grund av skillnaden i deras hastigheter) i ett driftutrymme fritt från mikrovågsfält.

Klassificering

Klystroner är indelade i 2 klasser: transit och reflekterande .

I en transient klystron flyger elektroner sekventiellt genom mellanrummen i kavitetsresonatorerna. I det enklaste fallet finns det 2 resonatorer: ingång och utgång. En vidareutveckling av transienta klystroner är kaskad multikavitets klystroner, som har en eller flera mellanliggande resonatorer placerade mellan ingångs- och utgångsresonatorerna.

Den reflekterande klystronen använder en resonator, genom vilken elektronflödet passerar två gånger och reflekteras från en speciell elektrod - reflektorn.

Historik

De första designerna av span klystroner föreslogs och implementerades 1938 av amerikanska ingenjörer Russell och Sigurt Varian [1] .

Den reflekterande klystronen utvecklades 1940 av N. D. Devyatkov , E. N. Daniltsev, I. V. Piskunov och, oberoende av dem , V. F. Kovalenko .

Flygande klystroner

Funktionsprincipen för en transient klystron (PC) är baserad på användningen av trögheten hos elektronerna i ett utökat rätlinjigt elektronflöde. PC:n används som effektförstärkare, frekvensskiftare och frekvensmultiplikator. PC-frekvensområde från 200 MHz till 100 GHz, uteffekt från 1 W till 1 MW i kontinuerligt läge och upp till 100 MW i pulsläge. Datorn är den mest kraftfulla mikrovågsförstärkaren.

Enhet och funktionsprincip

Klystronen har två kavitetsresonatorer med kapacitiva gallergap. Den första resonatorn kallas ingången, eller modulatorn, den andra kallas utgången. Utrymmet mellan dem kallas drift eller gruppering utrymme.

Elektronerna som emitteras av katoden accelereras av en konstant spänning från den andra elektroden och går in i den första resonatorns smala rutnätsgap, i vilken det finns ett mikrovågsfält längs elektronflödet. Detta fält ökar och saktar ner elektronerna med jämna mellanrum, vilket modulerar hastigheten på elektronerna i elektronflödet. När de rör sig längre i driftrymden bildar elektroner gradvis klumpar på grund av att snabba elektroner tar om långsamma. Detta densitetsmodulerade elektronflödet kommer in i den andra resonatorn och skapar i den en inducerad ström av samma frekvens som frekvensen för det ingångsmodulerande fältet och gruppupprepningshastigheten. Som ett resultat uppstår ett högfrekvent elektriskt fält mellan den andra resonatorns rutnät, som börjar interagera med elektronflödet. De nödvändiga parametrarna för klystronen väljs på ett sådant sätt att det elektriska fältet hos den andra resonatorn saktar ner buntarna av elektrondensitet och accelererar dess sällsynthet. Som ett resultat, i genomsnitt, under perioden med en fältsvängning, bromsas fler elektroner in än accelereras. I det här fallet omvandlas elektronernas kinetiska energi till energin från mikrovågsoscillationer av det elektromagnetiska fältet i den andra resonatorn, och elektronerna, efter att ha passerat resonatorn, sätter sig på kollektorn och försvinner resten av den kinetiska energin i form av värme. $U_{0}$

Parametrar och egenskaper

Effektivitet

Klystron effektivitet förstås vanligtvis som elektronisk effektivitet : ${\displaystyle \eta _{el))$

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

det vill säga förhållandet mellan effekten som ges av elektronflödet och mikrovågsfältet i utgångsresonatorn vid den n :te övertonen till ineffekten ${\displaystyle P_{2n))$ $P_{0}.$

Genom att lösa problemet med effektinduktion i belastningen av utgångsresonatorn från de allmänna principerna för ströminduktion av en elektronstråle, kan det erhållas att maximum och därmed maximal effektivitet bestäms av maximum av Bessel-funktionen : ${\displaystyle P_{2n))$

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

var är Bessel-funktionen för den första typen av n :e ordningen,

{\displaystyle J_{n))

n

är övertonstalet,

X

- den så kallade grupperingsparametern .

$n$	$\eta _{elmax},\%$	${\displaystyle X_{max))$
ett	58,2	1,84
2	48,7	1,53
3	43,4	1,40
åtta	32,0	1.22
16	26,0	1.13

Tabellen visar den maximala elektroniska verkningsgraden för en klystron med två resonatorer och den optimala buntningsparametern för olika övertoner.

Om parametern reduceras, till exempel genom att minska amplituden för insignalen eller öka amplituden för accelerationsspänningen, kommer elektronflödet att undergrupperas . Verkningsgrad och uteffekt minskar som ett resultat. Samma sak händer i den omgrupperade strömmen. $x,$

Den verkliga effektiviteten för en transient tvåresonatorklystron, med hänsyn till förluster i det oscillerande systemet, på resonatornät och andra faktorer, är mycket mindre och överstiger inte 20% .

Multicavity klystron

Enhet och funktionsprincip

I klystroner med flera kaviteter placeras ytterligare olastade resonatorer mellan ingångs- och utgångsresonatorerna. Som ett exempel som förklarar funktionerna i deras arbete är det tillräckligt att överväga en transient tre-resonator klystron.

Antag att mellanresonatorn är exakt avstämd till insignalens frekvens . Liksom i klystronen med två resonatorer, i ingångsresonatorn är elektronerna hastighetsmodulerade och grupperas sedan i det första driftutrymmet. Om ingången tar emot en svag insignal, kommer moduleringen av elektronflödet att vara försumbar. I detta fall kommer storleken på den inducerade strömmen i den andra resonatorn också att vara liten. Men eftersom en obelastad mellanresonator är ett högkvalitativt system, även vid en liten amplitud av konvektionsströmmen [2] , kommer spänningen som skapas på dess nät att vara stor. Detta underlättas avsevärt av det faktum att den andra resonatorn inte är ansluten till en extern belastning. De totala aktiva förlusterna i den andra resonatorn bestäms endast av förlusterna i själva resonatorn och grindens elektroniska last[ förtydliga ] .

I stationärt tillstånd har strömmen och spänningen i den andra resonatorn samma frekvens som insignalens frekvens. Spänningen som induceras mellan den andra resonatorns galler orsakar en kraftig modulering av elektronhastigheten och en kraftig hopsamling av elektronflödet i det andra driftutrymmet. Som ett resultat kommer fördelningen av elektroner i buntar av deras densitet att bestämmas av den andra resonatorn, och beroendet av konvektionsströmmen i den tredje resonatorn kommer att vara ungefär detsamma som i klystronen med två resonatorer som bildas av den andra och tredje resonatorn. resonatorer, men vid en moduleringsspänning som är mycket högre än den första resonatorns moduleringsspänning. I detta fall kommer förstärkningen att öka avsevärt, eftersom grupperingen av elektroner utförs med en mycket lägre amplitud av insignalen som tillförs den första resonatorn. Liknande processer äger rum i varje mellanresonator i en klystron med flera kaviteter.

Förenklat kan enhetens funktionsprincip tydligt demonstreras på exemplet med en ganska lång lastad vägsektion, utrustad med trafikljus. Trots att bilar har olika hastigheter och accelerationer under acceleration och retardation (liknande fördelningen av elektronhastigheter) i zonerna efter trafikljus, kommer bilflödet att vara ganska tydligt modulerat med en frekvens som är lika med frekvensen av växlande trafiksignaler (analogt med en resonator), och denna modulering kommer att bevaras på ett visst avstånd från trafikljusen. Om alla trafikljus fungerar tillsammans (" Green Wave "-systemet), kommer bilarnas medelhastigheter att jämnas ut över en viss längd av vägen och moduleringen av flödet bibehålls över hela vägens längd. Även om trafikljusregleringen inte påverkar alla bilar (en del av dem kör in i oreglerade korsningar), vilket är analogt med en svag signal vid ingången till den första klystronresonatorn, kommer hastighetssynkronisering att ske i en relativt liten del.

Ur en fysisk synvinkel uppnås en ökning av förstärkningen hos en klystron med flera kaviteter inte genom att öka effektiviteten och uteffekten, utan genom att minska den signaleffekt som krävs vid förstärkarens ingång för att styra elektronflödet.

Parametrar och egenskaper

Effektivitet

I det idealiska fallet som betraktas ovan (när den andra resonatorn är finjusterad till insignalens frekvens), förblir den maximala uteffekten och elektroniska verkningsgraden desamma som i en klystron med två kaviteter, det vill säga effektivitetsgränsen är 58 % eftersom det maximala värdet för amplituden för den första övertonen förblir samma konvektionsström i den sista resonatorn.

För att öka effektiviteten i klystroner med flera kaviteter görs en liten avstämning i förhållande till den förstärkta frekvensen hos de mellanliggande resonatorerna, där spänningen som skapas av den inducerade strömmen är hög (vanligtvis är detta den näst sista resonatorn). Samtidigt kompenseras minskningen av klystronens uteffekt och förstärkning, som inträffar när resonatorerna avstäms, av en ökning av antalet resonatorer. (Förstärkningen är ungefär lika med dB, där är antalet resonatorer.) Teoretiska beräkningar visar att i detta fall kan den elektroniska verkningsgraden ökas till 75 % och driftfrekvensbandet kan utökas till flera procent. I praktiken används vanligtvis fyra-sex-resonator klystroner. $15+20(N-2)$ $N$

Reflekterande klystron

Enhet och funktionsprincip

Reflekterande klystroner är designade för att generera lågeffekts mikrovågsoscillationer.

Den reflekterande klystronen har en resonator, som är dubbelt genomborrad av en elektronstråle. Returen av elektroner utförs med hjälp av en reflektor, som har en negativ konstant potential med avseende på katoden. Således spelar resonatorn rollen som en grouper under den första passagen av elektroner och rollen som en utgångskrets under den andra passagen. Gapet mellan resonatorn och reflektorn spelar rollen som ett driftutrymme, där elektronstrålens hastighetsmodulering övergår i densitetsmodulering.

För att klystronen ska kunna generera mikrovågsoscillationer är det nödvändigt att buntarna av elektronstrålen som bildas under den första passagen genom resonatorn passerar genom resonatorn under den omvända rörelsen i de ögonblick då det finns en retarderande högfrekvens elektriskt fält i den.

Parametrar och egenskaper

Effektivitet

Den elektroniska effektiviteten för reflekterande klystroner är lägre än den för transienta klystroner, och dess faktiskt uppnåbara värde överstiger inte några få procent.

Frekvensinställningsområde

Inom varje generationszon är elektronisk frekvensinställning möjlig. I praktiken utförs det genom att ändra spänningen på reflektorn, eftersom strömmen i reflektorkretsen är noll och genereringsfrekvensen styrs utan strömförbrukning.

Området för elektronisk frekvensinställning för reflekterande klystroner överstiger vanligtvis inte 0,5 % av det genomsnittliga frekvensvärdet.

Mekanisk frekvensinställning är också möjlig. Det utförs genom att ändra frekvensen på resonatorn. Det finns två typer av mekanisk avstämning: induktiv och kapacitiv. Den första utförs med hjälp av inställningsskruvar och kolvar, med hjälp av vilka volymen i resonatorns hålighet ändras. I den andra varianten sträcks det andra resonatorgallret över ett elastiskt korrugerat membran, genom böjning, varvid det är möjligt att ändra avståndet mellan resonatorgallren och därigenom den intergrid-elektriska kapacitansen. Det mekaniska inställningsområdet är cirka 25 % av mittfrekvensen, vilket är mycket större än det elektroniska avstämningsområdet. Men samtidigt är omstruktureringshastigheten liten och bestäms av hastigheten på mekanisk rörelse.

Applikation

Flygande klystroner är grunden för alla kraftfulla mikrovågssändare av koherenta radiosystem , där frekvensstabilitet och spektral renhet av mycket stabila vätefrekvensstandarder realiseras. I synnerhet i slutskedet av världens mest kraftfulla radar för studier av asteroider och kometer (radarteleskop, planet- och asteroidradar), som finns i Arecibo ( Puerto Rico ), Goldstone ( Kalifornien ) och Evpatoria ( Krim ) observatorier, det är de förbiflygande vattenkylda klystronerna.

Reflekterande klystroner används i olika utrustningar som mikrovågsgeneratorer med låg effekt. På grund av sin låga verkningsgrad används de inte för att få höga effekter och används vanligtvis som lokaloscillatorer i mikrovågsmottagare, i mätutrustning och i lågeffektsändare. Deras främsta fördelar ligger i designens enkelhet och möjligheten till elektronisk frekvensinställning. Reflekterande klystroner är mycket pålitliga och kräver inte användning av ett elektronstrålefokuseringssystem .

För närvarande, i de applikationer där hög motståndskraft mot joniserande strålning inte krävs , ersätts generatorer baserade på reflekterande klystroner med halvledarmikrovågsgeneratorer - Gunn-dioder och lavintransitdioder .

Se även

Magnetron
Optisk klystron

Anteckningar

↑ Kuleshov, 2008 , sid. 314.
↑ Om strömmen inte flyter i ett ämne, utan i fritt utrymme, används ofta termen "överföringsström" istället för termen "ledningsström". Med andra ord, överföringsströmmen eller konvektionsströmmen beror på överföringen av elektriska laddningar i fritt utrymme av laddade partiklar eller kroppar under inverkan av ett elektriskt fält. Se artikel Förspänningsström (elektrodynamik)#Förspänningsström och ledningsström

Litteratur

Kuleshov V. N., Udalov N. N., Bogachev V. M. et al. Generering av oscillationer och bildning av radiosignaler. - M. : MPEI, 2008. - 416 sid. - ISBN 978-5-383-00224-7 .

Vakuum elektroniska enheter (förutom katodstråle )
Generator och förstärkarlampor	Triod tetrode stråltetrode Pentode hexod heptod Pentagrid Octod Nonod Magnetron Amplitron Platinotron Virkator Klystron Resande våglampa Bakvågslampa Gyrotron
Övrig	Elektrovakuumdiod Kenotron röntgenrör Vakuum fluorescerande indikator Magiskt öga Vakuum fotocell bildförstärkarrör Fotomultiplikator Sekundär elektronmultiplikator Selectron mekatron
Typer av prestanda	Octal Finger stång Nuvistor ekollon Mayachkovaya Metall-keramik Kombinerad
Strukturella element	Anod Katod direkt glöd Indirekt glöd fältutsläpp Fotokatod Dinod Värmare Rutnät chef Antidynatron Avskärmning katodisk Getter plint