fon1

Клистрон: устройство и принцип работы.

Уступив полупроводниковым транзисторам по многим направлениям, радиолампы удержали плацдарм в области огромных энергий и сверхвысоких частот. Отсюда они начали наступление и поныне успешно работают в радиолокаторах, системах космической связи, микроволновых печах.
Физические принципы работы транзисторов не позволяют создать мощные полупроводниковые приборы, работающие на сверхвысоких частотах. Для отвода тепла нужно иметь довольно большую площадь р-n перехода. Это в свою очередь увеличивает емкость, и на высоких частотах коэффициент усиления падает. Кроме того, чем больше мощность, тем больший заряд возникает в области р-n перехода, и за время периода колебаний он не успевает рассасываться, то есть носители его — электроны и дырки — не успевают, говоря на профессиональном языке, рекомбинировать.
У обычных электровакуумных триодов, как и у транзисторов, верхняя рабочая частота ограничена. Ведь несмотря на высокую скорость электронам требуется какое-то время, чтобы пролететь от катода до сетки. Если это время больше периода изменения напряжения на сетке, то электрон не успеет добраться до анода. Кроме того, на высоких частотах начинают играть роль межэлектродные емкости и индуктивности выводов, искажая сигнал.
Традиционный способ модуляции электронного пучка по интенсивности на определенном этапе себя исчерпал. Требовалось нетривиальное решение.
Выход нашли изобретатели братья Р. и З. Варианы, В. Хан и Г. Метклаф, наблюдая на море за накатывающими на берег волнами прибоя. Поэтому придуманную ими лампу они назвали клистроном, что в переводе с греческого означает «удар волны».
По законам физики переменный электрический ток возбуждает в пространстве электромагнитное поле, которое в свою очередь наводит эдс в расположенном поблизости проводнике. На явлении электромагнитной индукции построена вся радиосвязь. Это же явление положено в основу работы клистрона.
Так в 30 - 40-х годах появились лампы - клистроны, которые оказались способны генерировать и усиливать сигналы с частотой в сотни мегагерц.
Далее приводится статья "Что такое клистрон" автора Я.И. Эфрусси из журнала "Радио" за ... 1946 год (!). Эта статья просто и доходчиво рассказывает о том, как устроен клистрон и принцип его действия. А конструкция клистрона и физические процессы в нем, несмотря на прошедшие десятилетия, остались прежними.

"Что такое клистрон."

Электронная лампа в течение долгих лет после ее изобретения считалась единственным реле, не имеющим инерции. Это значит, что электронная лампа мгновенно, без всякого запаздывания реагирует на все изменения напряжения, подведенного к ее сетке.
Электронная лампа вполне оправдывала свою репутацию мгновенно действующего прибора, пока радиотехника оперировала частотами, соответствующими длинным, средним и коротким волнам. Но в последние годы, когда в связи с развитием различных специальных отраслей радиотехники, и в первую очередь радиолокации, совершался переход ко все более коротким волнам, выяснилось, что электронную лампу уже нельзя считать прибором, срабатывающим мгновенно. Поэтому в частности обычные генераторные лампы оказались непригодными для генерирования таких сверхбыстрых колебаний, которые соответствуют дециметровым и в особенности сантиметровым волнам.
Например, длине волны 3 см соответствует частота 1Х1010 Гц, т. е. период в одну десятимиллиардную долю секунды. Как ни быстро движутся электроны от катода к аноду лампы, все же время, в течение которого они достигают анода, оказывается уже больше, чем этот период колебаний. Поэтому для генерирования подобных сверхбыстрых колебаний надо так изменить самый принцип возбуждения колебаний, чтобы время пролета электронов не препятствовало действию лампы.
Этот новый принцип генерации сверхвысоких частот осуществляется при помощи специальной лампы — клистрона.
Клистрон — это электронная лампа, в которой применен новый метод управления электронным потоком и, если воспользоваться военным термином, — новое «построение» электронов. Чтобы понять работу клистрона, нужно рассмотреть отдельные его элементы и явления, в них происходящие.
1. «Электронная пушка» представляет собою катод и систему электродов, имеющих заданную форму и находящихся под определенными потенциалами. Электронная пушка создаст пучок электронов, летящих в определенном направлении. Появились такие пушки вместе с катодными трубками, применяемыми в осциллографах и телевизорах. Катодные трубки предъявляют к электронным пушкам очень высокие требования, ибо для получения достаточно малого и яркого пятна на экране трубки необходимо сконцентрировать большое количество электронов в очень узком пучке. Поэтому разработка электронных пушек развилась в целую науку, получившую название электронной оптики.
В клистроне электронная пушка служит для той же цели, что и в осциллографе, она создает пучок электронов, летящих с большой и одинаковой скоростью в нужном направлении. Высоких требований к фокусировке электронной пушки при этом не предъявляется и более глубокое ознакомление с ней нам не потребуется.
2. «Модуляция скорости» — периодическое изменение скорости электронов в ту и другую сторону от ее среднего значения, аналогичное изменениям амплитуды тока высокой частоты при амплитудной модуляции.
3. «Пространство дрейфа» — пространство, в котором электроны движутся с постоянной скоростью или с постоянным ускорением. В зависимости от конструкции лампы в этом пространстве либо нет никакого электромагнитного поля, либо имеется постоянное электрическое поле. Характерной особенностью пространства дрейфа является отсутствие в нем поля высокой частоты.
4. «Группирование» электронов — периодическое уплотнение потока электронов в пучке. Определение это достаточно кратко и точно, но для многих может показаться непонятным. Здесь мы позволили себе им ограничиться, так как по существу все дальнейшее изложение посвящено разъяснению этого процесса, являющегося основой работы клистрона.
5. "Объемный резонатор" - объем, ограниченный металлическими стенками, в котором происходят электрические колебания. При этом внутренняя поверхность стенок резонатора сама служит и токонесущей поверхностью. Этот термин также будет разъяснен более подробнее в дальнейшем.
С чем же сравнить работу клистрона? Нам кажется вполне допустимым искать аналогию ей... в цирке среди мастеров циркового искусства. Итак, мы отправляемся в цирк.
Ловкий жонглер играет разноцветными шарами. Он бросает вверх синие, красные, зеленые шары. Сперва он бросает их через равные промежутки времени и с одинаковой начальной скоростью (т. е. прикладывая одинаковую силу). И шары падают на землю равномерно, через одинаковые промежутки времени. Потом он меняет тактику: первый (синий) шар он бросает сильнее, второй (красный) - с такой же силой, как и раньше, а третий (зеленый) - с меньшей, чем раньше, начальной скоростью. И что же мы видим? Хотя жонглер и бросает шары попрежнему через равные промежутки времени, но падают они уже неравномерно, а группами, по три сразу.
Как же это случилось? Синий шар был брошен сильнее; поэтому он поднялся выше, проделал большой путь и запоздал — упал одновременно с брошенным позже красным. Зеленый был брошен с меньшей начальной скоростью, он взлетел менее высоко, проделал, меньший путь и нагнал брошенный ранее красный шар. В результате все три шара упали одновременно. Это же случилось и со следующими тремя разноцветными шарами, и со следующими за ними и т. д. Шары, которые жонглер бросает по одному через равные промежутки времени, падают группами, по три штуки вместе. Переводя весь процесс на радиотехнический язык, мы скажем, что вследствие «модуляции скорости» бросаемых вверх шаров и в результате последующих нагона и отставания в «пространстве дрейфа» получилось «группирование шаров».
Точно такое же явление происходит в отражательном клистроне. Роль шаров в нем играют электроны, роль жонглера — пара управляющих (или «группирующих») сеток, роль поля тяготения земли в «пространстве дрейфа» — электрическое поле, создаваемое отражателем.
Разрез отражательного клистрона мы видим на рис.1.
klistron1 Источником электронов служит электронная пушка. Посылаемый ею пучок электронов ускоряется положительным полем сеток, к которым приложен положительный потенциал. Набрав скорость, они пролетают через две близко расположенные сетки, возвращаются назад отрицательным полем отражателя и падают на сетки или опять пролетают через сетки, для того чтобы совершить вторичное путешествие.
Мы не видим пока оснований для возникновения генерации. Но предположим, что какой-нибудь толчок напряжения вызвал модуляцию скорости электронов при пролете ими сеток. Мы знаем уже, что это приведет — на пути к отражателю и назад — к группированию электронного пучка, так как электроны, получившие дополнительное ускорение, больше углубятся в отрицательное поле отражателя, проделают больший путь и запоздают, а, наоборот, электроны, замедленные полем группирующих сеток, меньше углубятся в отрицательное поле отражателя, сделают меньший путь и вернутся назад скорее. Группированный электронный пучок, проходя через сетки, создает на них переменное напряжение. И если знак, т. е. фаза этого напряжения, будет таким, что оно усилит модуляцию скорости, это ведет к дальнейшему группированию, и процесс этот будет нарастать, пока не установятся незатухающие колебания.
Что же требуется для того, чтобы на сетке возникало напряжение в нужной фазе? Мы найдем ответ на этот вопрос, если рассмотрим, что влияет на фазу группированного электронного пучка.
Прежде всего на нее влияет скорость электронов в пучке, определяемая напряжением на сетках. Далее влияет напряжение на отражателе, от которого зависит длина пути электронов в пространстве дрейфа. Наконец, существенное значение имеет настройка контура, включенного межцу сетками. Эти же факторы определяют частоту колебаний. При одной и той же настройке контура частота колебаний может изменяться в определенных пределах. Поэтому клистрон особенно удобен для станций с частотной модуляцией (или в качестве гетеродина в приемниках с автоматическим регулированием частоты).
Рассмотрим теперь, что представляет собою колебательный контур отражательного клистрона. klistron Обратимся к контуру рис.2, состоящему из конденсатора С и индуктивности L, образованной катушкой в один виток. Для увеличения частоты будем добавлять параллельно такие же витки (как известно, при параллельном соединении катушек самоиндукции результирующая индуктивность уменьшается). В конечном итоге мы заполним все пространство вокруг конденсатора и получим замкнутый объем, т. е. объемный резонатор, показанный в разрезе на рис.3.
klistron3 Контуры такого типа широко используются в диапазоне сантиметровых и дециметровых волн. Их преимущества следующие: сосредоточение всего электромагнитного поля внутри металлической коробки устраняет потери на излучение и обеспечивает полную экранировку, чем облегчается борьба с паразитными связями. Большая поверхность, по которой текут токи, т. е малые плотности токов, уменьшают потери на джаулево тепло.
Благодаря этим особенностям в объемных резонаторах может быть достигнута очень высокая добротность (Q). которой никак нельзя было бы получить на этих (и даже более низких) частотах в обычных контурах.
Конструктивно такой контур легко объединяется с клистроном; разрез отражательного клистрона с контуром показан на рис 4.
klistron4 Отражательные клистроны применяются в приемниках в качестве гетеродинов, в качестве маломощных генераторов, в особенности с частотной модуляцией.
В клистронах, применяемых для получения значительных мощностей (порядка киловатта), имеются две пары сеток и два полых резонатора. Модуляция скорости в них имеет обратную фазу по сравнению с отражательными клистронами.
Чтобы разобраться в этом, вернемся к нашему старому другу — жонглеру с его разноцветными шарами. На этот раз он бросает их не вверх, а вдоль земли; и наблюдать их мы будем не при падении их на землю, а в полете — в тот момент, когда они пролетают мимо нас. Пространством дрейфа будет являться тогда пространство между жонглером и нами. Итак, жонглер снова бросает свои шары — сперва синий, потом красный, потом зеленый — с одинаковыми скоростями и через равные промежутки времени. И мимо нас они пролетают равномерно. Затем жонглер меняет тактику. Первый (синий) шар он бросает с меньшей скоростью. Он летит медленнее второго (красного), брошенного с прежней силой. В результате оба шара пролетают мимо нас одновременно: красный догнал синий. Третий же шар (зеленый) жонглер бросает с очень большой силой, так что в пути он догоняет два других и все три шара пролетают мимо нас вместе. За нами же зеленый идет вперед, синий отстает, т. е. располагаются в обратном порядке.
Как видим, чтобы достичь группирования в этом случае, жонглеру пришлось изменить фазу модуляции скорости на обратную по сравнению с предыдущим случаем, когда он бросал шары вверх: тогда он первый (синий) шар бросал быстрее второго (красного), а третий (зеленый) — медленнее. Теперь же он бросает первый (синий) медленнее, а третий (зеленый) — быстрее.
Обратимся к двухконтурном клистрону, показанному на рис.5.
klistron5 Он состоит из электронной пушки, двух пар сеток — каждая пара со своим резонатором — и анода. Если между первыми сетками приложить напряжение высокой частоты, то скорость пролетающих через них электронов будет модулирована. В результате в пространстве дрейфа произойдет группирование и группированный электронный пучок вызовет на второй паре сеток напряжение высокой частоты, а пролетевшие через сетки электроны уйдут в анод. В таком виде клистрон может служить усилителем напряжения или мощности.
Если же устроить наружную связь между резонаторами, как показано на рис.5, то клистрон будет генерировать. Для этого оба резонатора должны быть настроены достаточно близко к резонансу, связь должна быть правильно подобрана и анодное напряжение должно быть точно установлено, так как оно определяет скорость электронов, а от их скорости зависит фаза.
В чем же принципиальная разница между отражательным и двухрезонаторным клистронами?
Первое: модуляция скорости в отражательном и двухрезонаторном клистронах имеет противоположные фазы.
Второе: в пространстве дрейфа в двухрезонаторном клистроне электрическое поле отсутствует. klistron В отражательном клистроне в пространстве дрейфа имеется электрическое поле.
Практически отражательные клистроны регулировать значительно легче, так как не требуется настраивать в резонанс два резонатора. Поэтому следует рекомендовать первое практическое знакомство с клистронами начинать именно с клистронов отражательного типа.
Образец современного отражательного клистрона показан на фото.

<< Предыдущая Cледующая >>

Вверх

radionet