Клистрони

Антон Оруш

Май за клистроните само не сме писали досега в Сандъците – Sandacite.

Клистрони

Клистрони

Съединителните проводници между електродите на лампите и трептящите кръгове оказват вредно влияние върху действието на лампите, което е толкова гго-голямо, колкото по-висока е честотата. Това се дължи на следните причини:

  • Проводниците имат известна индуктивност.
  • Вследствие на излъчената енергия от проводниците се получа­ват загуби. Действително за вълна с 20 см дължина проводник, дълъг 5 см, е с антена с ¼ дължина на вълната.
  • Вследствие на капацитета, който образуват проводниците по­между си или с масата, се получават загуби. Така два съединителни проводника с диаметър 1 мм и дължина 25 мм, отдалечени един от друг на 2 см, образуват капацитет от около 25 пикофарада. За вълна с дъл­жина 15 см те представляват импеданс, равен на 320 ома. Следователно като че ли двата проводника са свързани със съпротивление 320 ома.
  • Бобината има собствен капацитет.

За да се избягнат тези недостатъци, за свръхвисока честота се употребяват специални лампи в съчетание с обемни резонатори, на­речени клистрони . При клистроните съединителните проводници са напълно избягнати. Названието клистрони произлиза от гръцкия глагол kliso — разтварям корабни платна.

Първите образци на клистрони са замислени и изработени през 1938 г. от американските инженери Ръсел и Сигурт Вариън. В Русия през 1940 г. е разработен първият отразяващ клистрон от два независими колектива.

Съществуват два вида клистрони: двукръгови и отразяващи (еднокръгови).

Клистрони

Клистрони

Двукръгови клистрони

Схематично такъв клистрон е показан на горната фиг. XI-15. Той е лампа със скоростна модулация. Крушката му е с безвъздушно простран­ство. Катодът К и решетката W (Венелтов цилиндър) са аналогични на катода и решетката на електроннолъчевата тръба. Те служат да излъчат и концентрират електронния лъч и се наричат елек тронно оръдие. След него следва ускорител­ният електрод р, на който се подава положително напрежение спрямо като­да. В неговата верига може да се включи модулиращо напрежение.

Към така устроената лампа са при­бавени два тороидални обемни резона­тора. Първият резонатор се нарича групировач, а вторият—у ловите л.

Противоположните стени на двата ре­зонатора по оста на лампата са направе­ни във вид на решетка (р1—р2 и р3—p4).

Групировачът и уловителят са свързани един с друг с метална тръба, която предпазва електронния поток от външни влияния. Пространството, затворено в нея, се нарича про­странство на групиране или на драйфа. На двата резонато­ра се подава еднакво положително напрежение спрямо катода Е0. Резонаторите имат куплиращи бримки за външно въздействие върху тях (вход и изход).

Накрая следва електродът А, който се нарича анод или ко­лектор. На него се прилага положително напрежение спрямо ка­тода Е0. Клистронът би могъл да се представи по аналогия на обик­новените схеми така, както е показано на фиг. XI-16.

Клистрони

Клистрони

Действието на клистрона може да се обясни по следния начин. Електроните, излъчени от катода и концентрирани във формата на лъч, получават ускорение от електри­ческото поле, създадено между ре­шетката р1 и катода от напрежение­то Е0, и достигат до първата решет­ка иа групировача р1 със скорост v0. След като преминат през решетките на първия резонатор (с изключение на известен брой електрони, които попадат върху същите решетки), пред пространството на групиране и ре­шетките на втория резонатор, те се отправят към колектора, който ги приема.

Ако обаче в първия резонатор (чрез неговата бримка) се възбудят от външен източник електромагнит­ни трептения с висока честота, вър­ху решетката р1 и р2 се появява променливо напрежение Uр =  sin ωt, а в пространството между тях — променливо електрическо поле (те представляват арматури на кондензатор). Tрябва да се отбележи, че вън от кухината на резонатора не съществува електромагнитно поле, тъй като неговите стени могат да се приемат за идеални про­водници.

В момента, когато променливото напрежение между решетките има положителен полупериод, т.е. решетката р2, има положителен потенциал, а решетката р1 — отрицателен, електрическото поле между тях има посока, обратна на посоката на скоростта на електроните, или, с други думи казано, полето е ускоряващо и електроните, пре­минавайки през групировача,получават известно ускорение Δv.

През следващия полупериод полето между решетките е тормо­зно и намалява скоростта на електроните с величината Δv.

Електроните, които преминават през резонатора в момента, когато променливото напрежение променя своя знак (нулева фаза), про­дължават движението си с постоянна скорост v0.

Следователно електроните, които напускат резонатора през раз­лични времена, се движат в пространството на групиране с различни скорости, които остават постоянни, тъй като в това пространство няма електрическо поле (р2 и р3 имат един и същ потенциал). Вслед­ствие на това по-бързите електрони догонват по-бавните и в про­странството на групиране се образуват сгъстявания и разреждания на електроните. Получава се и групиране на електроните. Електронният лъч в пространството на групиране има променлива плътност на за­ряда в зависимост от честотата и амплитудата на променливото на­прежение между решетките на групировача. По такъв начин скорост­ната модулация се превръща в модулация по гъстота.

Клистрони

Клистрони

По-добре може да се представи този процес, ако разгледаме графично образуването на електронни групи. За тази цел пътя на електроните ще изразим в зависи­мост от времето (фиг. XI-17). Хо­ризонталните линии р1, р2, р3 и р4 са решетките на резонаторните ку­хини, а синусоидата иp — промен­ливото напрежение между решет­ките на групировача.

Тъй като скоростта на даден електрон в пространството на гру­пиране е постоянна, графиката на движението му е права линия, на­клонът на която е равен на ско­ростта му :

V = Δ S / Δ t

Електроните, които достигат групировача, когато променливото напрежение иР променя полупериода си от отрицателен на положите­лен, не получават ускорение и се движат с равномерна скорост в про­странството на групиране (фиг. XI-17 1, 3). Следователно графично тех­ният път се изразява с прави с еднакъв наклон. Електроните, които са достигнали до групировача в предшестващия четвърт период (1’—1 и 3’—3), са затормозени от полето между решетките на групи­ровача и.намаляват скоростта си. Пътят на тези електрони се изразява с по-наклонени прани. За електроните, излъчени в следващия чет­върт период (1—2′ и 3—4′), се получава обратното. По такъв начин за един полупериод (1’—2’/3’—4′) електроните се групират около елек­троните 1 и 3. Аналогични разсъждения показват, че електроните, които преминават през групировача йрез следващия полупериод (2’—3′), се разреждат около електрон 2, който е излъчен, когато напрежението променя своя полупериод от положителен на отрицателен.

Ако уловителят е поставен там, където има образуване на групи от електрони, както е показано на фиг. XI-17, тези импулси на кон­венционния ток индуктират в него заряди, които се повтарят с че­стотата на променливото напрежение на групировача. По такъв начин в уловителя се възбуждат колебания с висока честота.

Ако двата резонатора са настроени на една и съща честота и ако тези колебания имат такава фаза, че променливото електрическо поле между решетките затормозва електроните, те отдават енергия на полето и се получава усилване; колебанията в усилвателя имат макси­мална амплитуда. В такъв случай клистронът представлява резонан-
сов високочестотен усилвател. Енергията, която постъпва в усилвателя, се получава за сметка на източника на постоянното напрежение Е0, който създава ускоряващото поле, което увеличава кинетичната енер­гия на електроните. Отдаваната енергия е максимална още и при условие, че променливото електрическо поле има максимална стой­ност, когато центърът на групата елек­трони преминава през средата на раз­стоянието между решетките р3 и р4. Освен това напрегнатостта на електри­ческото поле трябва да е такава, че най-бавните електрови да не се отблъск­ват назад, тъй като в такъв случай те ще отнемат, енергия.

Клистроните могат да се използват и като умножители на честота, тъй като електронният поток, който преми­нава през уловителя, има несинусоидална форма. Приблизително може да се приеме, че той има импулсна форма, при която се образуват висши променливи. В такъв случай е необходимо обемният резонатор на уловителя да е настроен на една от честотите на променливото напрежение на групировача. Въз­можно е в уловителя да се получи вълна 10 см, ако на групировача се приложат трептения с дължина 1 м, и то стабилизирана с кварц след предварително умножаване.

Клистрони

Клистрони

Формата на клистроните, конто се използвани през ,,златните години“ на електровакуумната промишленост – 40-те, 50-те, 60-те г. на ХХ век – е показана на фиг. XI-18. Резонаторите не се правят от два кухи пръ­стена, както е показано на фиг. XI 15, а образуват метален цилиндър, който отвътре е така устроен, че кухините R1 и R2 образуват тръба Т. Този метален цилиндър завършва със стъклени продължения; в ед­ната страна се поставя електронното оръдие, а в другата — колекто­рът А. S е изходният край, а С — куплиращите бримки

Клистронът може да се използва и като осцилатор. За тази цел е необходимо да се създаде обратна връзка между уловителя и гру­пировача. Това се постига, като двете бримки С на резонаторите се съединят с подходящ по дължина коаксиален кабел (фиг. XI-18) или като се направи директно съобщение между двете кухини.

Коефициентът на полезно действие на клистроните, който е отно­шение между променливата мощност на уловителя и изразходваната постояннотокова мощност на анодния източник на ток, практически не надвишава 20 %

Ниският к.п.д. се дължи на следните причини:

  • Безполезно изразходване на голяма част от енергията на елек­троните като топлина в решетките и анода.
  • В момента, когато електроните преминават през групировача, те нямат еднаква скорост поради това, че се излъчват от катода с раз­лични начални скорости, и групирането им няма да става правилно в зависимост от променливото напрежение на групировача.
  • Част от електроните въобще не участват в сгъстяванията поради недоброто концентриране на електронния лъч.
  • Част от колебателната енергия на електроните на уловител се отнема от електроните, които преминават през него.
  • Част от електроните попадат върху решетките на уловителя, без да са отдали енергия на уловителя.

За да се получи максимален к.п.д. и за да може лампата да осцилира в известна лента честоти, в клистрона може да се направят  следните настройки:

  • Да се измени електронният поток, като се измени напреже­нието на Венелтовия цилиндър.
  • Да се измени скоростта на електродите в пространството на плъзгане, като се измени ускорителното напрежение, от което зависи времето за преминаване на пространството на плъзгане.
  • Електроните да се концентрират вторично, като се приложат различни напрежения на електродите р1 и R1, с което електроните, които достигат напречно първата кухина, се ограничават и следова­телно не вземат участие в получаването на скоростна модулация.
  • Напрежението на колектора трябва да се избере така, че за­губената мощност да е малка. Това се .постига, когато електроните достигат до колектора със скорост, почти равна на нула.
  • Тъй като двете кухини са два твърде селективни кръга, необходимо е те да са настроени на една и съща честота, в проти­вен случай се получава голямо намаление на усилването. Настрой­ката става, като се изменя вътрешността на кухините посредством някакъв елемент.

Трябва да се отбележи, че клистроните дават голямо ниво на собствените шумове. Това обстоятелство не дава възможност да се подобри значително к.п.д., защото с увеличаване на електронния поток се увеличават и шумовете.


Отразяващ (рефлекторен) клистрон

За да се избегне неудобството, което съществува при клистро­ните с два резонатора с настройката на двете кухини, са създадени отразяващите (рефлекторните) клистрон и, наречени още е д н о кръгови клистрони. Те се отличават в конструктивно отношение от клистроните с два кръга по това, че имат само един резонатор, който служи едновременно и като групировач, и като уловител (фиг. XI-19). Това се постига, като групите електрони, преминали през„ре- шетките на обемния резонатор, се отразяват така, че да се върнат отново през същите решетки. За тази цел на колектора се подава отрицателно напрежение спрямо катода, поради което той се нарича отразител или рефлектор. Отразителят трябва да има такава форма, че електроните да се отразяват също така в сноп.

Клистрони

Клистрони

Принципно действието на отразяващия клистрон е подобно на действието при двукръговия клистрон. Електронният лъч, излъчен от катода под действието на ускорителното електрическо поле между peзонатора и катода, преминава през решетките на резонатора като непрекъснат поток. Ако в резонатора има високочестотни трептения, променливото електрическо поле между решетките му увеличава скоростта на елек­троните през положителния полупериод и ги забавя през отрицателния полупериод: електроните се модулират по скорост. След преминаването им през резонатора електро­ните продължават своя път към отразителя.

Под влияние на спира­щото действие на електриче­ското поле между резонато­ра и отразителя електрони­те намаляват скоростта си, спират за един.момент и започват да се връщат към решетките. Точ­ката, до която електроните достигат по посока на рефлектора, зависи от скоростта на елетроните, която те имат след напускане на резо­натора, и от напрежението на отразителя (спиращото поле). Напрег­натостта на спиращото поле може да се избере така, че електро­ните, които излизат от резонатора с различни скорости и изминават различни пътища в спиращото поле, да се групират и връщат до решетките едновременно, т.е. да се модулират по плътност на заряда.. Ако при това в момента, когато електронните групи преминават през пространството между решетките, променливото електрическо поле е спиращо (решетка р2 — положителна, а решетка р1 — отрицателна), те му отдават енергия и поддържат колебанията в резонатора.

И тук по-добре ще си представим групирането, ако пътят на електроните се изрази графично. Ако по абсцисата нанасяме времето, а по ординатата — изминатия от електроните път, графиката на дви­жението на електроните представлява парабола поради това, че дви­жението им е неравномерно.

Клистрони

Клистрони

Кривата U, показана на фиг. XI-20, променливото напрежение между решетките на обемния резонатор. Електронът (например 1), който преминава през решетките в момента, когато високочестотното напрежение преминава от положителен към отрицателен полупериод, т.е. когато е равно на нула, няма да получи допълнително ускорение, тъй като електрическото поле е нула. Същият, електрон се движи към отразителя в спиращото поле, поради което скоростта му на­малява дотогава, докато в даден момент той започва да се връща. Тъй като при връщането полето е ускорително, електронът достигат до решетките със същата скорост, с каквато ги, е напуснал.

Електронът 2, който е преминал през решетките четвърт период ло-рано от електрона 1, се е движил в ускорително поле между ре­шетките, добил е по-голяма скорост и следователно повече се е доближил до отразителя. Поради това той е изминал по-голям път, но въпреки това се връща едновременно с електрона 1. Подобни разсъждения показват, че електронът 3 изминава по-къс път поради спиращото поле между решетките и се връща обратно пак в съ­щото време като електрона 1. Така електроните, излъчени в промеж­дутъка от четвърт период преди средния електрон 1 и четвърт пе­риод след него, се завръщат обратно през решетките едновременно, т.е. групират се. По такъв начин модулираните, по скорост електрони, преминавайки през решетките и резонатора, се завръщат по обратния път, модулирани по плътност на заряда (по гъстота). Електроните, излъчени в промеждутъка 3—4, няма да се групират.

Моментът на връщането на електроните зависи от променливото напрежение и, както и от спиращото напрежение между резона­тора и отразителя. Електроните отдават енергия на променливото на­прежение само ако то е спиращо за връщащите се електроди. Понеже електроните, които се връщат, се движат в обратна посока между решетките, за да се отдава енергия от електроните на полето, е необходимо променливото напрежение и да има същата посока както при първото преминаване (р1 — отрицателна, а р2 — поло­жителна). Очевидно електроните отдават максимум от своята кине­тична енергия, ако полето е достигнало своята амплитудна стой­ност, когато електроните преминават през пространството между решетките.


Литepaтypa:

Боянов, Йордан. Справочник по електронни лампи /. София :, Техника,, 1962., 568 с. :

Кръстев, Теньо Н.,  Тодоров, Огнемир Г.. Слаботокова техника :. Учебник за I и II курс на професионално-техническите училища по електротехника, специалност Електромонтьори и слаботокови инсталации, уреди и апарати /. 2. изд.. София :, Техника,, 1962., 324 с., 1 л. черт

Toпaлoв, Mинĸo Ц. Eлeĸтpoнни и йoнни лaмпи : Зa cтyдeнтитe oт Дъpжaвния пoлyвиcш инcтитyт нa cъoбщeниятa / Mинĸo Ц. Toпaлoв, Юлиaн Mapинoв, Ивaн Beлчeв. –  Coфия : Texниĸa, 1963. – 326 c. : c чepт. ; 25 cм.

https://www.sandacite.bg/%d0%b5%d0%bb%d0%b5%d0%ba%d1%82%d1%80%d0%be%d0%bd%d0%bd%d0%b8-%d0%bb%d0%b0%d0%bc%d0%bf%d0%b8-%d1%81-%d0%bf%d1%80%d0%be%d0%bc%d0%b5%d0%bd%d0%bb%d0%b8%d0%b2%d0%b0-%d1%81%d1%82%d1%80%d1%8a%d0%bc%d0%bd/

Вашият коментар

Your message*

You may use these HTML tags and attributes: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>

Name*
Email*
Url