Клайстрон: усилитель радиоволн высокой частоты.

Введение

Вакуумная трубка, используемая для усиления радиоволн

Клайстрон – это специализированная вакуумная трубка с линейным пучком, изобретенная в 1937 году американскими инженерами-электриками Расселом и Сигурдом Варианами, которая используется в качестве усилителя для высоких радиочастот, от UHF и до микроволнового диапазона. Клайстроны малой мощности применяются в качестве генераторов в наземных микроволновых релейных линиях связи, а клайстроны большой мощности – в качестве выходных ламп в UHF телевизионных передатчиках, системах спутниковой связи, радиолокационных передатчиках и для создания мощности возбуждения современных ускорителей частиц. В клайстроне электронный пучок взаимодействует с радиоволнами при прохождении через резонансные резонаторы – металлические камеры вдоль трубки. Электронный пучок сначала проходит через резонатор, к которому приложен входной сигнал. Энергия электронного пучка усиливает сигнал, а усиленный сигнал извлекается из резонатора на другом конце трубки. Выходной сигнал может быть возвращен во входной резонатор для создания электронного генератора радиоволн. Коэффициент усиления клайстронов может быть высоким, 60 дБ (увеличение амплитуды сигнала в миллион раз и более), при выходной мощности до десятков мегаватт, однако полоса пропускания узкая, обычно несколько процентов, хотя в некоторых устройствах она может достигать 10%. Название "клайстрон" было предложено Германом Фрэнкелем, профессором классической филологии в Стэнфордском университете, во время разработки клайстрона.

История

Клайстрон был первым значительно мощным источником радиоволн в микроволновом диапазоне; до его изобретения единственными источниками были трубка Бархаузена-Курца и разделенный анодный магнитрон, которые были ограничены очень низкой мощностью. Его изобрели братья Рассел и Сигурд Вариан в Стэнфордском университете. Их прототип был завершен и успешно продемонстрирован 30 августа 1937 года. После публикации в 1939 году, работа физика В. В. Хансена сыграла важную роль в разработке клистрона и была упомянута братьями Варианами в их статье 1939 года. Его резонаторный анализ, посвященный проблеме ускорения электронов к мишени, мог быть столь же успешно использован для замедления электронов (то есть для передачи их кинетической энергии в радиочастотную энергию в резонаторе). Во время Второй мировой войны Хансен читал лекции в лабораториях радиации MIT два дня в неделю, добираясь в Бостон из компании Sperry Gyroscope на Лонг-Айленде. Братья Вариан назвали его резонатор "rhumbatron". Сеть обеспечивала междугороднюю телефонную связь и также передавала телевизионные сигналы для основных телесетей. Western Union Telegraph Company также построила микроволновые линии связи точка-точка с использованием промежуточных ретрансляторных станций через каждые 40 миль, применяя рефлекторные клистроны 2K25 как в передатчиках, так и в приемниках. В некоторых областях применения клистроны были заменены твердотельными транзисторами. Были разработаны высокоэффективные клистроны, эффективность которых на 10% выше, чем у традиционных клистронов.

Операция

Клистроны усиливают радиочастотные сигналы, преобразуя кинетическую энергию пучка электронов постоянного тока в радиочастотную мощность. В вакууме пучок электронов испускается электронным пистолетом или термоионным катодом и ускоряется электродами высокого напряжения (обычно в десятки киловольт). Этот пучок проходит через резонатор входной полости. Радиочастотная энергия подается во входную полость на резонансной частоте или вблизи нее, создавая стоячие волны, которые генерируют колеблющееся напряжение, воздействующее на электронный луч. Электрическое поле заставляет электроны "группироваться": электроны, проходящие через область, где электрическое поле направлено против их движения, замедляются, а электроны, проходящие в направлении поля, ускоряются, в результате чего ранее непрерывный электронный луч формирует группы на входной частоте. Для усиления группировки клистрон может содержать дополнительные "формирующие" полости. Затем луч проходит через "дрейфовую" трубку, где более быстрые электроны догоняют более медленные, формируя "группы", а затем через "улавливающую" полость. В выходной "улавливающей" полости каждая группа электронов входит в полость в момент цикла, когда электрическое поле противодействует их движению, замедляя их. Таким образом, кинетическая энергия электронов преобразуется в потенциальную энергию поля, увеличивая амплитуду колебаний. Колебания, возбуждаемые в улавливающей полости, выводятся через коаксиальный кабель или волновод. Отработанный электронный луч с уменьшенной энергией улавливается коллекторным электродом. Для создания генератора выходная полость может быть связана с входной полостью (или полостями) через коаксиальный кабель или волновод. Положительная обратная связь возбуждает спонтанные колебания на резонансной частоте полостей.

Клистрон с двумя полостями

Самая простая лампочка – двухрезонаторный клейстрон. В этой лампе есть два микроволновых резонатора: “уловитель” и “формирователь пучков”. При использовании в качестве усилителя слабый микроволновый сигнал, подлежащий усилению, подается в резонатор формирователя пучков через коаксиальный кабель или волновод, а усиленный сигнал извлекается из резонатора уловителя. На одном конце лампы находится горячий катод, который излучает электроны при нагреве нитью. Электроны притягиваются и проходят через цилиндрический анод, находящийся под высоким положительным потенциалом; катод и анод образуют электронную пушку, создающую поток электронов высокой скорости. Внешняя электромагнитная обмотка создает продольное магнитное поле вдоль оси пучка, предотвращающее его расхождение. Пучок сначала проходит через резонатор формирователя пучков, через сетки, прикрепленные к каждой стороне. Сетки формирователя пучков имеют переменный потенциал, создаваемый стоячими волнами внутри резонатора, возбуждаемыми входным сигналом на резонансной частоте резонатора, подаваемым коаксиальным кабелем или волноводом. Направление поля между сетками изменяется дважды за цикл входного сигнала. Электроны, входящие, когда входная сетка отрицательна, а выходная – положительна, испытывают воздействие электрического поля, направленного в ту же сторону, что и их движение, и ускоряются этим полем. Электроны, входящие на полцикла позже, когда полярность противоположна, испытывают воздействие электрического поля, которое противодействует их движению, и замедляются. За сетками формирователя пучков находится пространство, называемое зоной дрейфа. Это пространство достаточно длинное, чтобы ускоренные электроны догнали электроны, которые были замедлены ранее, формируя “пучки” вдоль оси пучка. Его длина выбирается для обеспечения максимального формирования пучков на резонансной частоте и может составлять несколько футов. Затем электроны проходят через второй резонатор, называемый “уловителем”, через аналогичную пару сеток по обе стороны резонатора. Функция сеток уловителя заключается в поглощении энергии от электронного пучка. Проходящие через них пучки электронов возбуждают стоячие волны в резонаторе, который имеет ту же резонансную частоту, что и резонатор формирователя пучков. Каждый пучок электронов проходит между сетками в момент цикла, когда выходная сетка отрицательна относительно входной, поэтому электрическое поле в резонаторе между сетками противодействует движению электронов. Таким образом, электроны совершают работу над электрическим полем и замедляются, их кинетическая энергия преобразуется в электрическую потенциальную энергию, увеличивая амплитуду колеблющегося электрического поля в резонаторе. Таким образом, колеблющееся поле в резонаторе уловителя является усиленной копией сигнала, подаваемого в резонатор формирователя пучков. Усиленный сигнал извлекается из резонатора уловителя через коаксиальный кабель или волновод. После прохождения через уловитель и отдачи своей энергии, электронный пучок с низкой энергией поглощается “коллекторным” электродом, вторым анодом, который поддерживается на небольшом положительном напряжении.

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.

Клайстровый осциллятор

Электронный осциллятор может быть создан на основе клистронной трубки, обеспечивая обратную связь от выхода к входу путем соединения резонаторов "уловителя" и "формирователя" коаксиальным кабелем или волноводом. При включении устройства электронный шум в резонаторах усиливается трубкой и возвращается от выходного уловителя к формирователю для повторного усиления. Благодаря высокому доброкачественному фактору резонаторов, сигнал быстро превращается в синусоидальную волну на резонансной частоте резонаторов.

Многокаменный клистрон

Во всех современных клистронах количество резонаторов превышает два. Дополнительные "бункерные" резонаторы, расположенные между первым "бункером" и "уловителем", могут использоваться для увеличения коэффициента усиления клистрона или для расширения полосы пропускания. Остаточная кинетическая энергия электронного пучка при ударе о коллекторный электрод представляет собой потерянную энергию, которая рассеивается в виде тепла и должна отводиться системой охлаждения. Некоторые современные клистроны оснащены депрессорными коллекторами, которые восстанавливают энергию из пучка перед сбором электронов, повышая эффективность. Многоступенчатые депрессорные коллекторы улучшают восстановление энергии, "разделяя" электроны по энергетическим уровням.

Рефлекторный клистрон

Рефлексный клайстрон (также известный как трубка Саттона по имени одного из его изобретателей, Роберта Саттона) был маломощным клайстроном с одной резонаторной полостью, функционирующим как генератор. Он использовался в качестве гетеродина в некоторых радиолокационных приемниках и модулятора в микроволновых передатчиках в 1950-х и 1960-х годах, но в настоящее время устарел и заменен полупроводниковыми микроволновыми приборами. В рефлексном клайстроне электронный луч проходит через одну резонаторную полость. Электроны испускаются из электронной пушки в один конец трубки. После прохождения через резонаторную полость они отражаются отрицательно заряженным отражателем для повторного прохождения через полость, где затем и собираются. Электронный луч подвергается скоростной модуляции при первом прохождении через полость. Формирование электронных пучков происходит в промежутке между отражателем и полостью. Напряжение на отражателе должно быть отрегулировано таким образом, чтобы группировка электронов была максимальной при повторном входе электронного луча в резонаторную полость, обеспечивая тем самым максимальную передачу энергии от электронного луча к ВЧ-колебаниям в полости. Напряжение на отражателе может незначительно отличаться от оптимального значения, что приводит к некоторой потере выходной мощности, но также и к изменению частоты. Этот эффект эффективно используется для автоматической регулировки частоты в приемниках и для частотной модуляции в передатчиках. Уровень модуляции, применяемый для передачи, достаточно мал, чтобы выходная мощность оставалась практически постоянной. В областях, значительно отличающихся от оптимального напряжения, колебания вообще не возникают. Часто существует несколько областей напряжения на отражателе, в которых рефлексный клайстрон может генерировать колебания; они называются модами. Электронный диапазон настройки рефлексного клайстрона обычно определяется как изменение частоты между точками половинной мощности – точками в колебательном режиме, где выходная мощность составляет половину максимальной выходной мощности в этом режиме. Современные полупроводниковые технологии эффективно заменили рефлексный клайстрон в большинстве применений.

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 – это микроволновой усилитель, работа которого зависит от условия циклотронного резонанса. Подобно клистрону, его работа основана на модуляции электронного пучка, но вместо осевой группировки модулирующие силы изменяют циклотроновую частоту и, следовательно, азимутальную составляющую движения, формируя фазовые пучки. В выходной резонаторе электроны, прибывающие в нужной фазе замедления, передают свою энергию полю резонатора, и усиленный сигнал может быть извлечен. Гироклистрон имеет цилиндрические или коаксиальные резонаторы и работает в поперечных режимах электрического поля. Поскольку взаимодействие зависит от резонансного условия, можно использовать резонаторы большего размера, чем в обычном клистроне. Это позволяет гироклистрону генерировать высокую мощность на очень высоких частотах, что сложно достичь с помощью традиционных клистронов.

Настройка

Некоторые клистроны имеют полости, которые можно настраивать. Регулируя частоту отдельных резонаторов, техник может изменить рабочую частоту, усиление, выходную мощность или полосу пропускания усилителя. Никакие два клистрона не являются абсолютно идентичными (даже при сравнении клистронов с одинаковым номером детали/модели). Каждый прибор имеет калибровочные значения, предоставленные производителем, для его конкретных характеристик. Без этой информации клистрон не будет настроен должным образом и, следовательно, не будет работать эффективно, если вообще будет работать. Настройка клистрона – это деликатная работа, которая, если выполнена неправильно, может привести к повреждению оборудования или травмам техника из-за очень высоких напряжений, которые могут возникнуть. Техник должен быть осторожен, чтобы не превысить пределы шкалы, иначе может быть поврежден клистрон. Другие меры предосторожности при настройке клистрона включают использование неферромагнитных инструментов. Некоторые клистроны используют постоянные магниты. Если техник использует ферромагнитные инструменты и приблизится слишком близко к сильным магнитным полям, удерживающим электронный луч, такой инструмент может быть притянут к прибору силой магнитного поля, что может привести к травме пальцев, повреждению техника или повреждению прибора. Для настройки клистронов ВВС США использовались специальные легкие немагнитные (точнее, очень слабо диамагнитные) инструменты из бериллового сплава. При транспортировке клистронов в самолетах обычно принимаются меры предосторожности, поскольку сильное магнитное поле может создавать помехи для магнитного навигационного оборудования. Специальные транспортные контейнеры разработаны для ограничения этого поля и обеспечения безопасной транспортировки приборов.

Оптический клистрон

Техника усиления, используемая в клистроне, также экспериментально применяется на оптических частотах в типе лазера, называемом лазером на свободных электронах (FEL); эти устройства называют оптическими клистронами. Вместо микроволновых резонаторов в них используются устройства, называемые виглерами. Электронный луч проходит через виглер, в котором лазерный луч вызывает сгущение электронов. Затем луч проходит через второй виглер, в котором электронные пучки вызывают колебания, создавая второй, более мощный световой луч. Журнал Popular Science в выпуске "Лучшее из нового 2007 года" описывал компанию Global Resource Corporation, которая в настоящее время прекратила свою деятельность, использовавшую клистрон для преобразования углеводородов, содержащихся в обычных материалах, автомобильных отходах, угле, сланцевой нефти и нефтяных песках, в природный газ и дизельное топливо.