Klisztron

A Klystron egy elektrovákuum készülék , amelyben az elektronok állandó áramlásának változóvá alakítása az elektronok sebességének mikrohullámú elektromos térrel történő modulálásával ( amikor átrepülnek egy üreges rezonátor résén ), majd az elektronok csokorba csoportosításával történik. (sebességük különbsége miatt) mikrohullámú mezőktől mentes sodródó térben.

Osztályozás

A klistronok 2 osztályba sorolhatók: tranzit és fényvisszaverő .

Egy tranziens klisztronban az elektronok szekvenciálisan repülnek át az üregrezonátorok résein. A legegyszerűbb esetben 2 rezonátor van: bemenet és kimenet. A tranziens klistronok további fejlesztése a kaszkádos többüregű klistronok, amelyek egy vagy több közbenső rezonátorral rendelkeznek a bemeneti és kimeneti rezonátor között.

A visszaverő klistron egy rezonátort használ, amelyen az elektronáramlás kétszer halad át, és egy speciális elektródáról - a reflektorról - visszaverődik.

Történelem

A span klystronok első terveit Russell és Sigurt Varian amerikai mérnökök javasolták és valósították meg 1938 -ban [1] .

A fényvisszaverő klisztront 1940-ben fejlesztette ki N. D. Devyatkov , E. N. Daniltsev, I. V. Piskunov és tőlük függetlenül V. F. Kovalenko .

Repülő klistronok

A tranziens klystron (PC) működési elve egy kiterjesztett egyenes vonalú elektronáramlás elektronjainak tehetetlenségének felhasználásán alapul. A számítógépet teljesítményerősítőként, frekvenciaváltóként és frekvenciaszorzóként használják. PC frekvenciatartomány 200 MHz -től 100 GHz-ig, kimenő teljesítmény 1 W -tól 1 MW -ig folyamatos üzemmódban és 100 MW -ig impulzus üzemmódban. A PC a legerősebb mikrohullámú erősítő.

Eszköz és működési elv

A klystron két üreges rezonátorral rendelkezik kapacitív rácsrésekkel. Az első rezonátort bemenetnek vagy modulátornak, a másodikat kimenetnek nevezzük. A köztük lévő teret sodródási vagy csoportosító térnek nevezzük.

A katód által kibocsátott elektronok a második elektród állandó feszültségével felgyorsulnak, és belépnek az első rezonátor szűk rácsrésébe, amelyben az elektronáramhoz képest hosszanti mikrohullámú tér van. Ez a mező periodikusan felgyorsítja és lelassítja az elektronokat, módosítva az elektronok sebességét az elektronáramlásban. A sodródó térben tovább haladva az elektronok fokozatosan csomókat képeznek, mivel a gyors elektronok megelőzik a lassúakat. Ez a sűrűségmodulált elektronáramlás belép a második rezonátorba, és abban a bemeneti moduláló mező frekvenciájával és a köteg ismétlési sebességével azonos frekvenciájú indukált áramot hoz létre. Ennek eredményeként a második rezonátor rácsjai között nagyfrekvenciás elektromos tér jelenik meg, amely kölcsönhatásba lép az elektronáramlással. A klistron szükséges paramétereit úgy választjuk meg, hogy a második rezonátor elektromos tere lelassítsa az elektronsűrűség kötegeit, és felgyorsítsa annak ritkulását. Ennek eredményeként átlagosan egy mezőrezgés időtartama alatt több elektron lassul, mint gyorsul. Ebben az esetben az elektronok kinetikus energiája a második rezonátor elektromágneses terének mikrohullámú rezgésének energiájává alakul, és az elektronok, miután áthaladtak a rezonátoron, a kollektoron ülepednek, és a mozgási energia többi részét eloszlatják a rezonátorban. hő formája. $U_{0}$

Paraméterek és jellemzők

Hatékonyság

A Klystron hatékonyságát általában elektronikus hatásfokon értjük : ${\displaystyle \eta _{el))$

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

azaz az elektronáram által a kimenő rezonátorban az n- edik felharmonikuson lévő mikrohullámú térnek adott teljesítmény és a bemeneti teljesítmény aránya ${\displaystyle P_{2n))$ $P_{0}.$

Megoldva a teljesítményindukció problémáját a kimeneti rezonátor terhelésében az elektronsugárral történő áramindukció általános elvei alapján, megkaphatjuk, hogy a maximumot , és így a maximális hatásfokot a Bessel-függvény maximuma határozza meg : ${\displaystyle P_{2n))$

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

hol van az n- edik rendű első fajtájú Bessel-függvény ,

{\displaystyle J_{n))

n

a harmonikus szám,

x

- az úgynevezett csoportosítási paraméter .

$n$	$\eta _{elmax},\%$	${\displaystyle X_{max))$
egy	58.2	1.84
2	48.7	1.53
3	43.4	1.40
nyolc	32.0	1.22
16	26.0	1.13

A táblázat egy kétrezonátoros klystron maximális elektronikus hatásfokát és a különféle harmonikusok optimális kötözési paraméterét mutatja.

Ha a paramétert csökkentjük, például a bemeneti jel amplitúdójának csökkentésével vagy a gyorsító feszültség amplitúdójának növelésével, akkor az elektronáramlás alulcsoportosodik . Ennek eredményeként csökken a hatásfok és a kimeneti teljesítmény. Ugyanez történik az átcsoportosított adatfolyamban is. $x,$

A tranziens, kétrezonátoros klystron valós hatásfoka, figyelembe véve az oszcillációs rendszerben, a rezonátorrácsokon és egyéb tényezőkön fellépő veszteségeket, sokkal kisebb, és nem haladja meg a 20%-ot .

Multicavity klystron

Eszköz és működési elv

A többüreges klystronokban további terheletlen rezonátorok vannak elhelyezve a bemeneti és kimeneti rezonátorok között. Munkájuk jellemzőit magyarázó példaként elég egy tranziens háromrezonátoros klisztront figyelembe venni.

Tegyük fel, hogy a közbenső rezonátor pontosan a bemeneti jel frekvenciájára van hangolva. Akárcsak a kétrezonátoros klystronban, a bemeneti rezonátorban is az elektronokat sebességmodulálják, majd az első sodródási térben csoportosítják. Ha a bemenet gyenge bemeneti jelet kap, akkor az elektronáramlás modulációja elhanyagolható lesz. Ebben az esetben a második rezonátorban indukált áram nagysága is kicsi lesz. Mivel azonban a terheletlen közbenső rezonátor jó minőségű rendszer, a konvekciós [2] áram kis amplitúdója mellett is nagy lesz a rácsokon keletkező feszültség. Ezt nagyban megkönnyíti, hogy a második rezonátor nincs külső terhelésre csatlakoztatva. A második rezonátor teljes aktív veszteségét csak a rezonátor veszteségei és a kapuelektronikus terhelés határozza meg[ pontosítás ] .

Állandósult állapotban a második rezonátor áramának és feszültségének a frekvenciája megegyezik a bemeneti jel frekvenciájával. A második rezonátor rácsai között indukált feszültség az elektronsebesség erős modulációját és az elektronáramlás erős csomósodását okozza a második sodródási térben. Ennek eredményeként az elektronok sűrűségcsoportokban való eloszlását a második rezonátor határozza meg, és a konvekciós áram függősége a harmadik rezonátorban megközelítőleg megegyezik a második és harmadik rezonátor által alkotott kétrezonátoros klisztronnal. rezonátorok, de sokkal nagyobb modulációs feszültségen, mint az első rezonátor modulációs feszültsége. Ebben az esetben az erősítés jelentősen megnő, mivel az elektronok csoportosítása az első rezonátorhoz továbbított bemeneti jel sokkal alacsonyabb amplitúdóján történik. Hasonló folyamatok mennek végbe egy többüregű klistron minden közbenső rezonátorában.

Leegyszerűsítve a készülék működési elve egy meglehetősen hosszú terhelt, közlekedési lámpával felszerelt útszakasz példáján jól szemléltethető. Annak ellenére, hogy az autók különböző sebességgel és gyorsulással rendelkeznek gyorsításkor és lassításkor (hasonlóan az elektronsebesség eloszlásához) a közlekedési lámpákat követő zónákban, az autók áramlása egyértelműen a közlekedési jelzőlámpák váltási frekvenciájával lesz modulálva. (a rezonátorhoz analóg), és ez a moduláció a közlekedési lámpáktól bizonyos távolságban megmarad. Ha az összes közlekedési lámpa összehangoltan működik (a „ Zöld Hullám ” rendszer), akkor az út egy bizonyos hosszán az autók átlagsebessége kiegyenlítődik, és az áramlás modulációja teljes hosszában megmarad. Még ha az út kezdeti szakaszán a jelzőlámpás szabályozás nem érint minden autót (egyesek szabályozatlan kereszteződésekben is bemennek), ami hasonló az első klystron rezonátor bemeneténél lévő gyenge jelhez, a sebesség szinkronizálása megtörténik egy viszonylag kis szakasz.

Fizikai szempontból a többüregű klistron erősítésének növelése nem a hatásfok és a kimeneti teljesítmény növelésével érhető el, hanem az erősítő bemenetén az elektronáramlás szabályozásához szükséges jelteljesítmény csökkentésével.

Paraméterek és jellemzők

Hatékonyság

A fent vizsgált ideális esetben (amikor a második rezonátor finoman be van hangolva a bemeneti jel frekvenciájára) a maximális kimeneti teljesítmény és az elektronikus hatásfok ugyanaz marad, mint egy kétüreges klistronnál, vagyis a hatásfok határa 58% . , mivel az első harmonikus amplitúdójának maximális értéke ugyanaz a konvekciós áram marad az utolsó rezonátorban.

A többüreges klisztronok hatékonyságának növelése érdekében a köztes rezonátorok felerősített frekvenciájához képest enyhe detuningolás történik, ahol az indukált áram által keltett feszültség magas (általában ez az utolsó előtti rezonátor). Ugyanakkor a klystron kimenő teljesítményének és erősítésének csökkenését, amely a rezonátorok elhangolásakor következik be, a rezonátorok számának növekedése kompenzálja. (Az erősítés megközelítőleg egyenlő dB-lel, ahol a rezonátorok száma.) Az elméleti számítások azt mutatják, hogy ebben az esetben az elektronikai hatásfok 75%-ra növelhető, a működési frekvenciasáv pedig több százalékra bővíthető. A gyakorlatban általában négy-hat rezonátoros klistronokat használnak. $15+20(N-2)$ $N$

Fényvisszaverő klystron

Eszköz és működési elv

A fényvisszaverő klistronokat úgy tervezték, hogy kis teljesítményű mikrohullámú rezgéseket generáljanak.

A visszaverő klistronnak egy rezonátora van, amelyet kétszeresen átszúr egy elektronsugár. Az elektronok visszatérése egy reflektor segítségével történik, amely a katódhoz képest negatív állandó potenciál alatt van. Így a rezonátor az elektronok első áthaladásakor csoportosító, a második áthaladás során pedig a kimeneti áramkör szerepét tölti be. A rezonátor és a reflektor közötti rés egy sodródási tér szerepét tölti be, ahol az elektronsugár sebességmodulációja sűrűségmodulációvá alakul át.

Ahhoz, hogy a klystron mikrohullámú rezgéseket tudjon generálni, szükséges, hogy a rezonátoron való első áthaladás során keletkezett elektronnyaláb csokorjai a rezonátoron átmenjenek a fordított mozgás során azokban a pillanatokban, amikor késleltető nagyfrekvenciás van. elektromos mező benne.

Paraméterek és jellemzők

Hatékonyság

A reflektív klistronok elektronikus hatásfoka alacsonyabb, mint a tranziens klistronoké, és ténylegesen elérhető értéke nem haladja meg a néhány százalékot.

Frekvencia hangolási tartomány

Minden generációs zónán belül lehetséges az elektronikus frekvencia hangolás. A gyakorlatban ezt a reflektor feszültségének megváltoztatásával hajtják végre, mivel a reflektor áramkörében az áram nulla, és a generálási frekvenciát energiafogyasztás nélkül szabályozzák.

A visszaverő klistronok elektronikus frekvenciahangolási tartománya általában nem haladja meg az átlagos frekvenciaérték 0,5% -át.

Mechanikus frekvenciahangolás is lehetséges. Ezt a rezonátor frekvenciájának változtatásával hajtják végre. Kétféle mechanikus hangolás létezik: induktív és kapacitív. Az elsőt hangolócsavarok és dugattyúk segítségével hajtják végre, amelyek segítségével a rezonátor üregének térfogata megváltozik. A második változatnál a második rezonátorrácsot egy rugalmas hullámos membránra feszítik, amelynek meghajlításával megváltoztatható a rezonátorrácsok közötti távolság és ezáltal a rácsközi elektromos kapacitás. A mechanikus hangolási tartomány a középfrekvencia körülbelül 25% -a, ami sokkal nagyobb, mint az elektronikus hangolási tartomány. Ugyanakkor az átstrukturálás mértéke kicsi, és a mechanikai mozgás sebessége határozza meg.

Alkalmazás

A repülő klistronok képezik a koherens rádiórendszerek összes erős mikrohullámú adójának alapját , ahol a frekvenciastabilitás és a spektrális tisztaság a rendkívül stabil hidrogénfrekvencia szabványoknak megfelelően megvalósul. Különösen a világ legerősebb kisbolygók és üstökösök tanulmányozására szolgáló radarjainak (radarteleszkópok, bolygó- és aszteroidaradarok) kimeneti szakaszaiban, amelyek az Arecibóban ( Puerto Rico ), Goldstone -ban ( Kalifornia ) és Evpatoriában ( Krím -félszigeten ) találhatók. obszervatóriumok, ez a vízhűtéses klistronok.

A fényvisszaverő klistronokat különféle berendezésekben használják kis teljesítményű mikrohullámú generátorként. Alacsony hatásfokuk miatt nem használják nagy teljesítmény elérésére, és általában helyi oszcillátorként használják mikrohullámú vevőkészülékekben, mérőberendezésekben és kis teljesítményű adókban. Fő előnyük a tervezés egyszerűségében és az elektronikus frekvenciahangolás lehetőségében rejlik. A fényvisszaverő klistronok rendkívül megbízhatóak, és nem igényelnek elektronsugaras fókuszáló rendszert .

Jelenleg azokban az alkalmazásokban, ahol nem szükséges az ionizáló sugárzással szembeni nagy ellenállás, a fényvisszaverő klistronokon alapuló generátorokat félvezető mikrohullámú generátorokra - Gunn diódákra és lavina tranzitdiódákra - váltják fel .

Lásd még

Magnetron
Optikai klistron

Jegyzetek

↑ Kuleshov, 2008 , p. 314.
↑ Ha az áram nem egy anyagban folyik, hanem a szabad térben, akkor a "vezetőáram" kifejezés helyett gyakran az "átviteli áram" kifejezést használják. Más szavakkal, az átviteli áram vagy a konvekciós áram az elektromos töltések szabad térben történő átviteléből adódik, amelyet töltött részecskék vagy testek elektromos tér hatására továbbítanak. Lásd: Előfeszítő áram (elektrodinamika)#Előfeszítő áram és vezetési áram

Irodalom

Kuleshov V. N., Udalov N. N., Bogachev V. M. et al., Lengések generálása és rádiójelek kialakulása. - M. : MPEI, 2008. - 416 p. - ISBN 978-5-383-00224-7 .

Vákuumos elektronikus eszközök (kivéve a katódsugár )
Generátor és erősítő lámpák	Trióda tetróda gerenda tetróda Háromrácsos cső hexod heptóda Pentagrid okt Nonod Magnetron Amplitron Platinotron Virkator Klisztron Utazó hullám lámpa Hátsó hullám lámpa Gyrotron
Egyéb	Elektrovákuum dióda Kenotron röntgencső Vákuum fluoreszcens jelző Mágikus szem Vákuumos fotocella képerősítő cső Fotósokszorozó Másodlagos elektronsokszorozó Selectron mechatron
A teljesítmény típusai	Octal Ujj Rúd Nuvistor makk Majacskovaja Fém-kerámia Kombinált
Szerkezeti elemek	Anód Katód közvetlen ragyogás Közvetett ragyogás terepi kibocsátás Fotokatód Dinod Fűtő Rács menedzser Antidynatron Árnyékolás katódos Getter lábazat