Ламповый клистрон: что это такое? (Типы и применение)

Что такое клайстронная трубка?

Клайстрон (также известный как клайстронная трубка или усилитель клайстрон) — это вакуумная трубка, используемая для генерации и усиления сигналов микроволнового диапазона. Он был изобретен американскими электротехниками Расселлом и Сигурдом Вариан.

Клайстрон использует кинетическую энергию электронного пучка. Обычно низкомощные клайстроны используются как генераторы, а высокомощные клайстроны — как выходные лампы в УВЧ-диапазоне.

Существует две конфигурации низкомощных клайстронов. Одна — это низкомощный микроволновый генератор (рефлекс-клайстрон), а вторая — низкомощный микроволновый усилитель (двухполостной или многополостной клайстрон).

Что такое рефлекс-клайстронный генератор?

Прежде чем ответить на этот вопрос, нам нужно знать, как генерируются колебания. Для генерации колебаний необходимо обеспечить положительную обратную связь от выхода к входу, при условии, что коэффициент усиления в цепи обратной связи равен единице.

Для клайстрона колебания будут генерироваться, если часть выходного сигнала используется в качестве обратной связи к входной полости, и коэффициент усиления в цепи обратной связи равен единице. Фазовый сдвиг пути обратной связи составляет один цикл (2π) или несколько циклов (кратное 2π).

Конструкция рефлекс-клайстрона

Электронный пучок вводится из катода. Затем следует анод, известный как фокусирующий анод или ускоряющий анод. Этот анод используется для сужения электронного пучка. Анод подключен к положительному полюсу источника постоянного напряжения.

Рефлекс-клайстрон имеет только одну полость, которая расположена рядом с анодом. Эта полость работает как группирующая полость для движущихся вперед электронов и как собирающая полость для движущихся назад электронов.

Модуляция скорости и тока происходит в зазоре полости. Зазор равен расстоянию 'd'.

Пластина отражателя подключена к отрицательному полюсу источника напряжения Vr.

Принцип работы рефлекс-клайстрона

Рефлекс-клайстрон работает на принципах модуляции скорости и тока.

Электронный пучок вводится из катода. Электронный пучок проходит через ускоряющий анод. Электроны движутся в трубке с постоянной скоростью, пока не достигнут полости.

Скорость электронов модулируется в зазоре полости, и эти электроны пытаются достичь отражателя.

Отражатель подключен к отрицательному полюсу источника напряжения. Поэтому, из-за одинаковой полярности, он противодействует силе электронов.

Кинетическая энергия электронов уменьшается в пространстве отражателя, и в какой-то момент она станет равной нулю. После этого электроны возвращаются в полость. В процессе возврата все электроны группируются в одной точке.

Из-за группировки происходит модуляция тока. Энергия электронов преобразуется в виде радиочастотного сигнала, и радиочастотный выход берется из полости. Для максимальной эффективности клайстрона группировка электронов должна происходить в центре зазора полости.

Как движутся электроны в клайстронной трубке?

Электронный пучок вводится из электронного пистолета (катода). Эти электроны движутся к аноду с постоянной скоростью. Затем электроны проходят через зазор полости. Скорость электронов изменяется в зависимости от напряжения в зазоре полости.

Если напряжение в зазоре полости положительное, электроны будут ускоряться, если отрицательное, они будут замедляться. Если напряжение равно нулю, скорость электронов не изменится.

Когда электроны покидают зазор полости, у всех электронов разные скорости, и они перемещаются в пространство отражателя.

Эти электроны перемещаются на расстояние, зависящее от их скорости. Чем выше скорость, тем большее расстояние пройдет электрон, и наоборот, чем ниже скорость, тем меньшее расстояние пройдет электрон в пространстве отражателя.

Все эти электроны возвращаются в полость и группируются в центре зазора полости. Энергия, передаваемая электронами из полости, известна как радиочастотный выход.

Диаграмма Apple-gate

Диаграмма Apple-gate — это график между расстоянием от зазора полости и временем, затраченным электроном в пространстве отражателя.

Разные электроны следуют по разным траекториям в зависимости от их скоростей. Скорость электронов зависит от напряжения в зазоре полости.

Рассмотрим пример трех электронов. Опорный электрон (e0) входит в зазор полости, когда напряжение в зазоре равно нулю. Следовательно, скорость не изменится. Он проходит расстояние L0 в пространстве отражателя и возвращается в полость. Из-за того, что пластина отражателя сильно отрицательная, она противодействует кинетической энергии электрона.

Электрон, который входит раньше e0, называется ранним электроном (ee). Этот электрон входит в зазор полости, когда напряжение в зазоре положительное. Следовательно, скорость электрона увеличится. Он пройдет расстояние Le и вернется в полость.

Электрон, который входит позже e0, называется поздним электроном (e