Радиотолқындарды күшейтуге арналған вакуумдық түтікше - Клистрон

Кіріспе

Радио толқындарын күшейтуге арналған вакуумдық түтік.

Клистрон – 1937 жылы американдық инженерлер Расселл мен Сигурд Вариан тапқан, арнайы сызықтық сәулелі вакуумдық түтік. Ол ЖЖТ (UHF) жоғары радио жиіліктерін, тіпті микротолқындық диапазондарды күшейту үшін қолданылады. Төмен қуатты клистрондар жердегі микротолқындық релелік байланыс желілерінде генератор ретінде, ал жоғары қуатты клистрондар ЖЖТ теледидарлық хабар таратушыларында, спутниктік байланыста, радарларда және қазіргі заманғы бөлшектерді үдеткіштерін басқару үшін қолданылады. Клистронда электрондық сәуле түтік бойындағы резонанстық қуыстар арқылы өтеді, олар металл қораптар түрінде болады, және радио толқындарымен әрекеттеседі. Электрондық сәуле алдымен кіріс сигналы берілетін қуыстан өтеді. Электрондық сәуленің энергиясы сигналды күшейтеді, ал күшейтілген сигнал түтіктің екінші жағындағы қуыстан алынады. Шығу сигналын кіріс қуысына қайтару арқылы радио толқындарын жасайтын электрондық осциллятор құруға болады. Клистронның күшейту коэффициенті жоғары болуы мүмкін – 60 дБ (сигнал амплитудасының миллион есеге артуы) немесе одан да көп, шығыс қуаты ондаған мегаватқа жетеді, бірақ жолақтың ені тар, әдетте бірнеше пайыз, бірақ кейбір құрылғыларда 10%-ға дейін жетеді. "Клистрон" атауын Стэнфорд университетінің классика кафедрасының профессоры Герман Френкель клистрон әзірленген кезде ұсынған.

Тарих

Клистрон – микротолқындық диапазондағы радио толқындардың алғашқы, айтарлықтай қуатты көзі болды; оның ойлап табылуына дейін Бархаузен-Курц түтігі және өте төмен қуаттылықпен шектелген бөлінген анодты магнитрон ғана қолданылды. Оны Стэнфорд университетінде Рассел мен Сигурд Вариан ағайындылары ойлап тапты. Олардың прототипі 1937 жылғы 30 тамызда аяқталып, сәтті көрсетілді. 1939 жылы жарияланғанда физик В.В. Хансеннің жұмысы клистронның дамуына зор үлес қосты және Вариан ағайындылары 1939 жылғы мақаласында оны атап өтті. Оның резонаторлық талдауы, электронды нысанаға қарай үдету мәселесімен айналысқандықтан, электронды баяулату үшін де (яғни, олардың кинетикалық энергиясын резонатордағы радиожиіліктік энергияға беру үшін) қолданылуы мүмкін еді. Екінші дүниежүзілік соғыс кезінде Хансен аптасына екі күн MIT сәулелену зертханаларында дәріс оқыды, Лонг-Айлендтегі Sperry Gyroscope Company компаниясынан Бостонға қатынайтын. Вариан ағайындылары оның резонаторын «рхумбатрон» деп атады. Бұл желі алыс қашықтықтағы телефон байланысын қамтамасыз етті, сондай-ақ ірі телеарналар үшін теледидар сигналдарын таратты. Western Union Telegraph Company сол кезде шамамен 40 миль аралықта орналасқан орталық ретрансляциялық станцияларды пайдалана отырып, микротолқынды байланыс желілерін де құрды, оларда таратушылар мен қабылдағыштарда 2K25 рефлекстік клистрондары қолданылды. Кейбір қолданыстарда клистрондар қатты күйдегі транзисторлармен алмастырылды. Жоғары тиімділіктегі клистрондар дәстүрлі клистрондарға қарағанда 10%-ға тиімдірек.

Операция

Клистрондар радиосигналдарды күшейту үшін тұрақты ток электронды сәулесінің кинетикалық энергиясын радиожиілік қуатына айналдырады. Вакуумда электронды сәуле электрондық қару немесе термоиондық катод арқылы шығарылады және жоғары кернеулі электродтармен (әдетте ондаған киловольт) үдетіледі. Бұл сәуле кіріс қуыс резонаторы арқылы өтеді. Радиожиілік энергия кіріс қуысына оның резонанстық жиілігінде немесе оған жақын жіберіледі, бұл электрондық сәулеге әсер ететін тербелісті кернеуді тудыратын тұрақ толқындарды жасайды. Электр өрісі электрондардың "топқа" жиналуына себеп болады: электр өрісі олардың қозғалысына қарсы келгенде өтетін электрондар баяулайды, ал электр өрісі бір бағытта болғанда өтетін электрондар үдетіледі, нәтижесінде бұрынғы үздіксіз электронды сәуле кіріс жиілігінде топтарға бөлінеді. Топты нығайту үшін клистронда қосымша "топтайтын" қуыстар болуы мүмкін. Содан кейін сәуле "дрейф" түтігі арқылы өтеді, онда жылдам электрондар баяу электрондарға жетеді, "топтар" пайда болады, содан кейін "ұстау" қуысы арқылы өтеді. Шығыс "ұстау" қуысында әрбір топ циклдің сол уақытында қуысқа кіреді, когда электр өрісі электрондардың қозғалысына қарсы келіп, оларды баяулатады. Осылайша электрондардың кинетикалық энергиясы өрістің потенциалдық энергиясына айналады, бұл тербелістердің амплитудасын арттырады. Ұстау қуысындағы тербелістер коаксиалды кабель немесе толқын жетек арқылы шығарылады. Энергиясы азайған электронды сәуле коллекторлық электродпен ұсталады. Осциллятор жасау үшін шығыс қуысын кіріс қуысымен коаксиалды кабель немесе толқын жетек арқылы жалғауға болады. Оң кері байланыс қуыстардың резонанстық жиілігінде спонтанды тербелістерді тудырады.

Екі қуысты клистрон

Ең қарапайым клистрон түтігі – екі қуысты клистрон. Бұл түтікте екі микротолқынды резонатор бар: «тұтқыш» және «бунчер». Күшейткіш ретінде қолданылғанда, күшейтілмелі әлсіз микротолқынды сигнал коаксиалды кабель немесе толқын жетек арқылы бунчер қуысына беріледі, ал күшейтілген сигнал тұтқыш қуысынан алынады. Түтіктің бір жағында қыздырылған катод орналасқан, ол қызғанда электрондар шығарады. Электрондар жоғары оң потенциалды анод цилиндріне тартылып, одан өтеді; катод пен анод электрондардың жоғары жылдамдықты ағынын жасау үшін электрондық «зеңбірек» ретінде әрекет етеді. Сыртқы электромагниттік орау сәуле осі бойымен бойлық магнит өрісін жасайды, бұл сәуленің таралуына жол бермейді. Сәуле алдымен «бунчер» қуыс резонаторынан өтеді, оған әр жағынан торлар бекітілген. Бунчер торларында коаксиалды кабель немесе толқын жетек арқылы берілетін кіріс сигналдың қуыстың резонанстық жиілігінде қоздырылатын қуыс ішіндегі тұрған толқын тербелістерінен туындайтын осцилляциялық айнымалы потенциал бар. Торлар арасындағы өрістің бағыты кіріс сигналының әр жарты циклында екі рет өзгереді. Кіретін тор теріс, ал шығатын тор оң болғанда кіретін электрондар өз қозғалысының бағытындағы электр өрісіне тап болып, сол өріспен үдемеленеді. Полярлық қарама-қарсы болған жарты циклден кейін кіретін электрондар олардың қозғалысына қарсы электр өрісіне тап болып, тежеледі. Бунчер торларынан кейін «дрифт кеңістігі» деп аталатын кеңістік орналасқан. Бұл кеңістік үдемеленген электрондар бұрын тежелген электрондарға жететіндей және сәуле осі бойымен «шоғырларды» құрайтындей жеткілікті ұзын. Оның ұзындығы резонанстық жиілікте максималды шоғырлануға мүмкіндік беру үшін таңдалады және бірнеше футқа жете алады. Содан кейін электрондар екінші қуыстан өтеді, ол «тұтқыш» деп аталады, және қуыстың екі жағындағы ұқсас торлар арқылы өтеді. Тұтқыш торларының функциясы – электрондық сәуледен энергияны сіңіру. Электрондардың шоғырлары қуыста тұрған толқындарды қоздырады, олар бунчер қуысымен бірдей резонанстық жиілікке ие. Әрбір электрон шоғыры шығу торы кіретін торға қатысты теріс болатын циклдің сәтінде торлар арасынан өтеді, сондықтан торлар арасындағы қуыстағы электр өрісі электрондардың қозғалысына қарсы келеді. Электрондар осылайша электр өрісіне жұмыс істейді, олардың кинетикалық энергиясы электр потенциалдық энергиясына айналады, бұл қуыстағы тербелістік электр өрісінің амплитудасын арттырады. Осылайша, тұтқыш қуысындағы тербелістік өріс – бунчер қуысына берілген сигналдың күшейтілген көшірмесі. Күшейтілген сигнал тұтқыш қуысынан коаксиалды кабель немесе толқын жетек арқылы алынады. Тұтқыштан өтіп, энергиясын бергеннен кейін, төмен энергиялы электрондық сәуле «жинағыш» электродымен сіңіріледі, екінші анод кішкентай оң кернеуде ұсталады.

The simplest klystron tube is the two cavity klystron. In this tube there are two microwave cavity resonators, the "catcher" and the "buncher". When used as an amplifier, the weak microwave signal to be amplified is applied to the buncher cavity through a coaxial cable or waveguide, and the amplified signal is extracted from the catcher cavity. At one end of the tube is the hot cathode which produces electrons when heated by a filament. The electrons are attracted to and pass through an anode cylinder at a high positive potential; the cathode and anode act as an electron gun to produce a high velocity stream of electrons. An external electromagnet winding creates a longitudinal magnetic field along the beam axis which prevents the beam from spreading. The beam first passes through the "buncher" cavity resonator, through grids attached to each side. The buncher grids have an oscillating AC potential across them, produced by standing wave oscillations within the cavity, excited by the input signal at the cavity's resonant frequency applied by a coaxial cable or waveguide. The direction of the field between the grids changes twice per cycle of the input signal. Electrons entering when the entrance grid is negative and the exit grid is positive encounter an electric field in the same direction as their motion, and are accelerated by the field. Electrons entering a half cycle later, when the polarity is opposite, encounter an electric field which opposes their motion, and are decelerated. Beyond the buncher grids is a space called the drift space. This space is long enough so that the accelerated electrons catch up with electrons that were decelerated at an earlier time, forming "bunches" longitudinally along the beam axis. Its length is chosen to allow maximum bunching at the resonant frequency, and may be several feet long. The electrons then pass through a second cavity, called the "catcher", through a similar pair of grids on each side of the cavity. The function of the catcher grids is to absorb energy from the electron beam. The bunches of electrons passing through excite standing waves in the cavity, which has the same resonant frequency as the buncher cavity. Each bunch of electrons passes between the grids at a point in the cycle when the exit grid is negative with respect to the entrance grid, so the electric field in the cavity between the grids opposes the electrons motion. The electrons thus do work on the electric field, and are decelerated, their kinetic energy is converted to electric potential energy, increasing the amplitude of the oscillating electric field in the cavity. Thus the oscillating field in the catcher cavity is an amplified copy of the signal applied to the buncher cavity. The amplified signal is extracted from the catcher cavity through a coaxial cable or waveguide. After passing through the catcher and giving up its energy, the lower energy electron beam is absorbed by a "collector" electrode, a second anode which is kept at a small positive voltage.

Клистрондық осциллятор

Электрондық осцилляторды клайстрон түтігінен "ұстағыш" және "жинақтағыш" қуыстарын коаксиалдық кабель немесе толқын жетек арқылы жалғау арқылы, шығыстан кіріске кері байланыс жасау арқылы құруға болады. Құрылғы қосылғанда, қуыстағы электрондық шу түтік арқылы күшейтіліп, шығыс ұстағыштан жинақтағыш қуысына қайта күшейтілу үшін жіберіледі. Қуыстардың жоғары сапа коэффициенті (Q) болғандықтан, сигнал тез арада қуыстардың резонанстық жиілігіндегі синусоидалық толқынға айналады.

Көп қуысты клистрон

Қазіргі заманғы барлық клистрондарда қуыстардың саны екіден аспайды. Бірінші "бунчер" және "капшық" арасына қосымша "бунчер" қуыстарын орнату арқылы клистронның күшейтуін немесе енірек жолақты қол жеткізуге болады. Электрондық сәуледегі қалдық кинетикалық энергия коллектор электродына тиген кезде ысырап болатын энергияны білдіреді, ол жылу түрінде тарап, оны салқындату жүйесімен шығару қажет. Кейбір заманауи клистрондарда төмендетілген коллекторлар қолданылады, олар электрондарды жинау алдында сәуледен энергияны қалпына келтіріп, тиімділікті арттырады. Көп сатылы төмендетілген коллекторлар энергия деңгейлері бойынша электрондарды "сұрыптап", энергияны қалпына келтіруді жақсартады.

Рефлекстік клистрон

Рефлекстік клайстрон (оның бір ойлап тапқан иесі Роберт Саттонның атымен Саттон түтігі деп те аталады) – бір қуысы бар, осциллятор ретінде жұмыс істейтін, төмен қуатты клайстрон түтігі. 1950-1960 жылдары кейбір радиолокациялық қабылдағыштарда жергілікті осциллятор ретінде және микротолқынды таратушыларда модулятор ретінде қолданылды, бірақ қазір қолданыстан шығып, жартылай өткізгіш микротолқынды құрылғылармен алмастырылды. Рефлекстік клайстронда электрондық сәуле бір резонанстық қуыстан өтеді. Электрондар электрондық тапанша арқылы түтіктің бір жағынан шығарылады. Резонанстық қуыстан өткеннен кейін, олар теріс зарядталған рефлектор электродымен кері қайтарылып, тағы бір рет қуыстан өтеді, содан кейін жиналады. Электрондық сәуле алғаш рет қуыстан өткенде жылдамдық бойынша модуляцияланады. Электрондық шоғырлардың қалыптасуы рефлектор мен қуыс арасындағы бос кеңістікте жүзеге асады. Рефлектордағы кернеу электрондық сәуле резонанстық қуысқа қайта кіргенде шоғырланудың максималды болуы үшін реттелуі керек, осылайша электрондық сәуледен қуыстағы радиожиілік тербелістерге максималды мөлшерде энергия беріледі. Рефлектор кернеуі оңтайлы мәннен сәл ауытқуы мүмкін, бұл шығыс қуатының жоғалуына, сонымен қатар жиіліктің өзгеруіне әкеледі. Бұл эффект қабылдағыштарда автоматты жиілік реттеу және таратушыларда жиілік модуляциясы үшін тиімді пайдаланылады. Тарату үшін қолданылатын модуляция деңгейі соншалықты аз, қуат шығысы негізінен тұрақты болып қалады. Оптималды кернеуден алыс аймақтарда тербеліс мүлдем болмайды. Көбінесе рефлекстік клайстрон тербелетін рефлектор кернеуінің бірнеше аймақтарына ие, олар режимдер деп аталады. Рефлекстік клайстронның электрондық реттеу диапазоны әдетте жартылай қуат нүктелері арасындағы жиілік өзгеруі ретінде сипатталады – бұл режимде қуат шығысы максималды қуаттың жартысына тең болатын нүктелер. Қазіргі заманғы жартылай өткізгіш технология көптеген қолданыстарда рефлекстік клайстронды тиімді түрде алмастырды.

The reflex klystron (also known as a Sutton tube after one of its inventors, Robert Sutton) was a low power klystron tube with a single cavity, which functioned as an oscillator. It was used as a local oscillator in some radar receivers and a modulator in microwave transmitters in the 1950s and 1960s, but is now obsolete, replaced by semiconductor microwave devices. In the reflex klystron the electron beam passes through a single resonant cavity. The electrons are fired into one end of the tube by an electron gun. After passing through the resonant cavity they are reflected by a negatively charged reflector electrode for another pass through the cavity, where they are then collected. The electron beam is velocity modulated when it first passes through the cavity. The formation of electron bunches takes place in the drift space between the reflector and the cavity. The voltage on the reflector must be adjusted so that the bunching is at a maximum as the electron beam re enters the resonant cavity, thus ensuring a maximum of energy is transferred from the electron beam to the RF oscillations in the cavity. The reflector voltage may be varied slightly from the optimum value, which results in some loss of output power, but also in a variation in frequency. This effect is used to good advantage for automatic frequency control in receivers, and in frequency modulation for transmitters. The level of modulation applied for transmission is small enough that the power output essentially remains constant. At regions far from the optimum voltage, no oscillations are obtained at all. There are often several regions of reflector voltage where the reflex klystron will oscillate; these are referred to as modes. The electronic tuning range of the reflex klystron is usually referred to as the variation in frequency between half power points—the points in the oscillating mode where the power output is half the maximum output in the mode. Modern semiconductor technology has effectively replaced the reflex klystron in most applications.

Гироклистрон

Гироклистрон – циклотрондық резонанс шартына байланысты жұмыс істейтін микротолқындық күшейткіш. Клистрон сияқты, оның жұмысы электрондық сәуленің модуляциясына тәуелді, бірақ осьтік шоғырландырудың орнына модуляциялық күштер циклотрон жиілігін өзгертеді, соның салдарынан қозғалыстың азимутальды компоненті өзгереді және фазалық шоғырлар пайда болады. Шығару қуысында дұрыс тежелу фазасына келген электрондар өз энергиясын қуыс өрісіне беріп, күшейтілген сигналды шығаруға болады. Гироклистрон цилиндрлік немесе коаксиалды қуыстармен жабдықталған және көлденең электр өрісі режимдерінде жұмыс істейді. Резонанс шартына байланысты болғандықтан, дәстүрлі клистронға қарағанда үлкен қуыс өлшемдерін пайдалануға болады. Бұл гироклистронға өте жоғары жиіліктерде жоғары қуатты жеткізуге мүмкіндік береді, бұл дәстүрлі клистрондарды қолдану арқылы қиынға соғады.

Тюнинг

Кейбір клистрондарда реттелетін қуыстар бар. Жеке қуыстардың жиілігін реттеу арқылы техник күшейткіштің жұмыс жиілігін, күшейтуін, шығыс қуатын немесе енін өзгерте алады. Екі клистрон бірдей болмайды (бірдей бөлік нөмірімен немесе модель нөмірімен клистронды салыстырғанда да). Әрбір құрылғы өндіруші ұсынған, оның ерекше өнімділік сипаттамаларына сәйкес калибрлеу мәндерімен жабдықталған. Бұл ақпарат болмаса, клистронды дұрыс реттеу мүмкін болмайды, демек, ол тиімді жұмыс істемейді немесе мүлдем жұмыс істемейді. Клистронды реттеу – бұл аса нәзік жұмыс, егер дұрыс орындалмаса, жабдыққа зақым келтіруі немесе техникке жоғары кернеуден жарақат тигізуі мүмкін. Техник реттеу шкаласының шектерін асырмау үшін сақ болуы керек, әйтпесе клистрон зақымдануы мүмкін. Клистронды реттеу кезіндегі басқа да сақтық шаралары – темір емес құралдарды пайдалану. Кейбір клистрондар тұрақты магниттерді қолданады. Егер техник ферромагниттік құралдарды пайдаланып, электрондық сәулені ұстап тұратын күшті магниттік өріске тым жақын келсе, магниттік күш құралды құрылғының ішіне тартып, саусақтарды жарақаттауы, техникке зиян келтіруі немесе құрылғыны зақымдауы мүмкін. АҚШ Әуе күштері клистрондарын реттеу үшін бериллий қорытпасынан жасалған жеңіл, магниттік емес (немесе өте әлсіз диамагниттік) құралдар қолданылған. Клистронды құрылғыларды ұшақтармен тасымалдағанда қауіпсіздік шаралары міндетті түрде сақталады, себебі күшті магниттік өріс магниттік навигациялық жабдыққа кедергі келтіруі мүмкін. Арнайы қаптамалар осы өрісті шектеу үшін жасалған, соның арқасында мұндай құрылғыларды қауіпсіз тасымалдауға болады.

Оптикалық клистрон

Клистронда қолданылатын күшейту техникасы еркін электронды лазер (FEL) деп аталатын лазер түрінде оптикалық жиіліктерде де тәжірибелік түрде қолданылуда; осы құрылғылар оптикалық клистрондар деп аталады. Микротолқынды қуыстардың орнына, оларда толқындыратын құрылғылар пайдаланылады. Электрондық сәуле толқындыратын құрылғы арқылы өтеді, онда лазер сәулесі электрондардың жиналуына себеп болады. Содан кейін сәуле екінші толқындыратын құрылғы арқылы өтеді, онда электрондық жиынтықтар тербеліске келіп, күшті жарық сәулесін жасайды. Popular Sciences журналының "Жылдың жаңалығы 2007" санында қазіргі кезде жұмыс істемейтін Global Resource Corporation компаниясы күнделікті қолданыстағы материалдардағы көмірсутектерді, автокөлік қалдықтарын, көмірді, мұнай тақтатасын және мұнай құмдарын табиғи газ бен дизель отынына айналдыру үшін клистронды қолданғаны туралы мәлімет келтірілген.