Стр.102-201 (1152179), страница 19
Текст из файла (страница 19)
В действительности, однако, плотность заряда в электронных сгустках существенно возрастает в сравнении с плотностью невозмущенного потока. Поэтому волновые свойства электронного потока в нелинейном режиме описываются более сложными соотношениями. Оптимальное расстояние между резонаторами обычно уменьшается при приближении к выходному зазору и составляет в типичных мощных клистронах от 0,2 до 0,1 плазменной длины волны.
Представляют интерес конструкции вакуумноплотных окон, используемых в волноводных выводах энергии клистронов с внутренними резонаторами П). Опыт показывает, что при высокой мощности может происходить разрушение этих окон, обусловленное нагревом за счет высокочастотных потерь в диэлектрике, бомбардировкой вторич- ными электронами либо электрическим пробоем за счет высокой напряженности электрического поля. Особенно хорошие результаты достигаются при использовании в окнах керамики и, в частности, окиси бериллия. Широкое применение в мощных и сверхмощных клистронах находят окна конического и «баночного» типов, а также блочное полуволновое окно !1). Электронные пушки, используемые в клистронах, должны иметь высокую проводимость и высокий первеанс Наиболее широкое применение находят /е йв акснально-симметричные магнитно.
экранированные пушки Пирса и нх разновидности со сходимостью луча по площади порядка 1Π— 50 и более [13 — 15). Максимальная удельная мощность электронного пучка клистрона -.ДППП может доходить до 1 Мгт на квадратный сантиметр поверхности катода Типичная величина микв шек мощных импульсных клистронов со сплошным цилиндрическим пучком составляет 2 — 3 мха/г / . Использование з/з 1 В полых (трубчатых) электрон- !~ 1 + В.« ВыхзВ ных потоков позволяет до- !!1 вести микропервеанс до !О— 20 мха/вз/зи более. Б связи с Рис. 5.21. Четырехрезонаторный усилитель.
этим представляет интерес ясный клистрон с периодической электростати- пользование электронных пу- ческой фокусировкой: шек магнгтронного типа, ка- Э-кольцевой Вевуснрующвй электрод тод и анод которых имеют ко- ническую форму. Работа таких устройств имеет много общего с приборами со скрещенными полями, рассматриваемыми в гл. 7. Находят применение также многогдеггыг конструкции клистронов, использующие несколько высокочастотных зазоров в каждом нз резонаторов. Электронные потоки, проходящие через эти зазоры, включены параллельно и питаются от общего источника ускоряющего напряжения бм Фокусировка электронного потока в клистронах производится обычно с помощью постоянного продольного магнитного поля, создаваемого соленоидами или постоянными магнитами. Большой интерес представляет разработка электростатической фокусировки, позволяющей резко сократить вес клистронных усилителей.
Пример такой конструкции показан на рис. 5.21 Одиночные электростатические линзы образованы здесь с помощью колец, расположенных меж. ду резонаторами клистрона и находящихся под потенциалом катода Интересно отметить, что клистроны с электростатической фокусировкой обладают более высоким электронным к. п. д., чем клистроны с магнитной фокусировкой электронного потока. Одной из немаловажных проблем, связанных с разработкой и применением мощных импульсных многорезонаторных клистронов, является создание импульсных модуляторов.
Аналогичная задача возникает при работе с импульсными магнетронамн, рассматриваемыми в гл, 7. Обычно используется метод анодной модуляции, при котором полное анодное напряжение подается отрицательным полюсом на катод клистрона или магнетрова короткими прямоугольными импульсамн. Аво !ный блок лампы при этом заземляется. Модуляторы, вырабатывающие импульсы мощностью в 100 и боле~ мегаватт при напряжениях порядка !00 — 400 кг*, являются весьма громоздкими.
' При столь высоких аиачевиах ускоряющего аапражвиия расчет клистрона влвдуат производить с релятввистскйми поправка»/и, нв учитывавшимися в предыдущих раздвлах. 170 В связи с этим мощные клнстроны иногда снабжаются модулирующим анодом, расположенным между катодом н основным ускоряющим электродом (резонаторной системой). На модулнрующнй анод подается управляющий импульс несколько поннженного напряжения. К резонаторной снстеме по отношению к катоду в этом случае прикладывается постоянное напряжение номннальной величины.
Мощность, требуемая от модулятора, значительно снижается, так как ток в цепи модулнрующего анода много меньше основного анодного тока клнстрона. Заканчивая краткий обзор направлений конструирования пролетных клистронов, следует отметить еще одно важное направление, связанное с созданием «листронов с распределенным взаимодействием.
На рис. 5.22 схематически изображен многозазорный резонатор, представляющий собой цепочку однозазорных резона- У торов, связанных через от- ) верстия в общих стенках. Такая цепочка, содержащая от > ! ! ! 2 до 5 и более резонаторов, может рассматриваться как у резонансный отрезок замед. ляющей системы типа диафрагмированного волновода [[1.
Электронный поток, проходящий через многозазор- рнс, б 22 Многозазорный резонатор, ясный резонатор, периодически пользуемый в мощных н сверхмощных клнвзаимодействует с СВЧ по- стронах; ЛЕМ Отдазая Еыу СВОГО КИНЕ ! — бессегсчныа зазор' 2 — нрелетныа канал; «в отверстие связи; 4 †выв внергнн тическую энергию. Многозазорные резонаторы могут применяться в качестве выходного резонатора клистрона, имеющего «обычныеэ (однозазорные) предыдущие резонаторы.
Возможно также создание клистронов, у которых входной, промежуточный и выходной резонаторы имеют вид, показанный на рис. 5.22. Преимуществами клистронов с распределенным взаимодействием являются более высокий к. п. д. и более высокое произведение коэффициента усиления на ширину полосы частот. Использование многозазорных резонаторов облегчает также достижение весьма высоких выходных мощностей. К. п.
д. многорезонаторных клистронов с магнитной фокусировкой, рассчитанных на высокие и сверхвысокие мощности, доходит в настоящее время до 50 — 60% и более. Выходные мощности в импульсном режиме могут составлять 30 — 50 Мат; в непрерывном режиме получена мощность, приближающаяся к 1 Мвт. Клистроны с электростатической фокусировкой имеют пока мощности, не превышающие в импульсе единиц мегаватт. В табл. 5.2 приведены основные параметры нескольких типичных многорезонаторных усилительных клистронов непрерывного и импульсного режимов. Лля сравнения указаны параметры типичного 2-резонаторного клистронного усилителя.
Внешний вид типичных клистронов показан на рис. 5.23. 171 Параметры, приводимые в таблице, подчеркивают особенности многорезонаторных клистронов, как мощных источников СВЧ колебаний. В этом отношении они превосходят все другие существующие сейчас приборы, в том числе приборы магнетронного типа и мощные лампы бегущей волны. Несмотря на некоторые недостатки (высокие ! ! Ы* а) б) в) Рис. 5.23. Внешний вид четырехрезонзторных усилительных клнстронов с внутренними (а, б) и внешними (в) резонаторами питающие напряжения, большие габариты, менее высокий к. п. д., чем у приборов магнетронного типа), развитие и применение мощных пролетных клистронов происходит возрастающими темпами.
й 5.7. ОТРАЖАТЕЛЬНЫЕ КЛИСТРОНЫ а. Канественное рассмотрение. Фазовое условие самовозбужденил отражательного нлистрони Основное назначение отражательных клистронов — генерирование СВЧ колебаний малой мощности, Принципиальная схема отражательного клистрона изображена на рис. 5.24. Идеализированная схема и график распределения постоянного потенциала между электродами клистрона показаны на рис. 5.25. Клистрон имеет один полый резонатор, дважды пронизываемый электронным потоком. Возвращение электронов в зазор резонатора обеспечивается с помощью отражателя, находящегося под отрицатель- 172 Таблица 5.2 Параметры типичных усилительных нрамопролетных клнстроиов Лвухрезонаторный клистрон непрерывного режима с внутренними резонаторами Четырехрезонаторный клистрон импульсного режима с внутренними резонаторами (рис.
5.23, б) Четырехрезонаторный клистрои непрерывного режима с внутренними резонаторами Четырехрезонаторный клистрон непрерывного режима с внешними резонаторами (рис.5.23, в) Пятирезонаторный клистрон непрерывного режима с внутренними резонаторами 0,004 0,6 0,16 25 7 — 10 3000 57 40 15 20 21 3,! !0000-: 11 000 19* 30е» 57" 50*' 11 11,5 2,3 40 2650 †39 500 63 140 В режиме синхронной настройки. '* При настройке не максимальный к. п.
и. ным постоянным потенциалом по отношению к катоду. Таким образом, резонатор отражательного клистрона играет роль группирователя при первом прохождении электронов через зазор и роль выходного контура при втором прохождении. Промежуток между зазорами резонатора и отражателем играет роль пространства группировки, где происходит преобразование модуляции электронного потока по скорости в модуляцию по плотности. Физические особенности группировки электронного потока при использовании метода постоянного тормозящего электрического поля рассматривались в 9 2.8, в.
Электронные сгустки образуются относительно электронов, прошедших в первый раз зазор в моменты перехода поля через нуль от ускоряющего к тормозящему. Для того чтобы клистрон мог генерировать незатухающие СВЧ колебания, сгустки должны проходить через зазор при обратном движении в моменты, когда в нем имеется тормозящее высокочастотное электрическое поле. Пространственно-временнйе диаграммы, соответствующие прохождению центра сгустка в наиболее благоприятных условиях— в моменты максимального тормозя!цего поля — показаны на рис. 5.26. При построении подобных диаграмм следует учитывать изменение направления движения электронов, в результате чего меняются ролями ускоряющие и тормозящие полупериоды поля в зазоре. На рнс. 5.26 видно, что оптимальная величина времени пролета центра электронного сгустка т,„, в пространстве группировки по отношению к центру высокоСатла частотного зазора в общем слуроаолатаро чае составляет и 0 ртраэсатоле "опт — ~ +аз = г ~п + )> з г з 4 (5.62) где Т вЂ” период СВЧ колебания и и — целое число, равное п=0,1,2,3...
1041 В Ч д о Втралотаое Зазор цФ Рнс. 5,24. Схема устройства н включения отражательного клнстрона: 2 — кягод: 2 — ускоряющий электрод; Π— резонатор; 4— огрвжэтелгн Б — вывод энер. гии; а-электронный поток Рнс. 6.25. Идеализированная схема н распределение постоянного потенциала в отражательном ил нстроне. Потенциал резонатора принят равным нулю Вычислим полное время пролета электронов т в пространстве группировки в зависимости от междуэлектродных расстояний и постоянных напряжений У, и У„р, приложенных к клистрону (рис, 5.25). Все электроды будем счйтать плоскими; от краевых эффектов и от действия пространственного заряда отвлечемся. Допустим, что колебания в клистроне уже возникли.
Тогда мгновенное высокочастотное напряжение на зазоре можно записать в виде и = — У,з(пют, (5.63) причем У, с(; Уо. Таким образом, дальнейшее рассмотрение будет ограничено случаем малых колебаний, подобно всем приводившимся расчетам. Частота колебаний ю предполагается близкой к собственной частоте полого резонатора оза на используемом виде колебаний. Отрицательный знак в выражении (5.63) означает, что отсчет времени 174 будет вестись относительно электрона, становящегося впоследствии центром сгустка (см. рис. 2.30 н 5.26).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
