Тема 3.2. Відбивний клістрон

Призначений для генерування НВЧ коливань малої потужності. Він має один об’ємний резонатор 3, який виконує дві функції: модулює швидкість електронів і відбирає НВЧ енергію від модульованого за густиною електронного потока. За резонатором розташований відбивач 4 – електрод, на який відносно катода 1 подано негативну напругу . Потужність коливань, що генерує клістрон, виводиться з резонатора за допомогою петлі зв’язку 5, яка переходить у коаксіальну лінію 6. Швидкість електронів перед резонатором визначається напругою прискорюючого електрода 2.

Рис. 3.7

Розглянемо рух електронів з допомогою просторово-часової діаграми. Нехай в режимі стаціонарних коливань між сітками резонатора існує напруга . Електрони, прискорені напругою , входять в зазор резонатора і модулюються напругою за швидкістю і поступають в простір між резонатором і відбивачем. Оскільки на відбивач подано від’ємну напругу, електрони попадають у гальмівне електростатичне поле. Коли швидкість електронів зменшиться до нуля, вони почнуть зворотній рух до резонатора під дією того ж електростатичного поля, яке тепер для них є прискорюючим.

Рис. 3.8

В результаті руху електронів від резонатора до відбивача і назад відбувається їх групування навколо електронів 2, які виходять з резонатора в момент часу, коли при переході від прискорюючого до гальмівного поля. Електрон 1, що вийшов раніше, має більшу швидкість і пройде більшу відстань у гальмівному полі. Тобто буде довше летіти і повернеться в зазор майже одночасно з електроном 2. Електрон 3 має меншу швидкість і проникне в гальмівне поле відбивача на меншу відстань та повернеться в резонатор майже одночасно з електроном 2. На цій різниці часу прольоту прискорених і уповільнених електронів засноване групування електронного потока.

Згрупований електронний потік повинен повертатись в резонатор у межах такого напівперіода НВЧ напруги в зазорі, яке чинить гальмівну дію. Тоді він віддає частину своєї кінетичної енергії високочастотному полю резонатора і підтримує коливання в ньому (позитивний зворотний зв’язок). Напівперіод, що є прискорюючим для електронів, які йдуть від катода, одночасно буде гальмівним для електронів, які повертаються в резонатор під дією напруги відбивача.

Рис. 3.9

Змінюючи напругу , можна регулювати час прольоту електронів у гальмівному полі відбивача.

Тема 3.3. Лампа біжучої хвилі типу о

У клістроні електрони віддають НВЧ полю частину кінетичної енергії протягом короткого проміжку часу, тому для підвищення потужності взаємодії в прольотних клістронах необхідно збільшувати амплітуду високочастотного електричного поля в зазорі резонатора. Для цього слід збільшувати добротність резонаторів, що звужує робочу смугу частот.

Для створення широкосмугових приладів використовують принцип неперервної тривалої взаємодії електронного потоку з полем біжучої електромагнітної хвилі в нерезонансній коливній системі. В приладах з тривалою взаємодією використовується модуляція швидкості електронів і густини електронного потоку при відносно слабому вхідному сигналі.

Для ефективної взаємодії електронів з біжучою хвилею потрібно, щоб швидкість електрона була приблизно рівною фазовій швидкості електромагнітної хвилі у напрямі руху електронів. Це називається умовою фазового синхронізму:

Оскільки швидкість електрона завжди менша швидкості світла у вільному просторі, тому для виконання умови синхронізму необхідно зменшити фазову швидкість хвилі, що взаємодіє з електронами. Для цього використовуються спеціальні пристрої, які називаються сповільнюючими системами. Найпростішим прикладом такої системи може служити звичайна спіраль.

Розглянемо розповсюдження електромагнітних хвиль вздовж провідника, скрученого у спіраль. У першому наближенні можна вважати, що електромагнітна хвиля розповсюджується вздовж провідника так, що струми, які протікають у сусідніх витках, не впливають на проходження струму на даній ділянці кола; швидкість хвилі вздовж провідника дорівнює швидкості світла .

Рис. 3.10

При переміщенні на один виток спіралі хвиля буде проходити вздовж провідника шлях

,

де – довжина одного витка спіралі провідника, – крок спіралі. Відповідно швидкість переміщення вздовж осі спіралі буде в раз менше швидкості вздовж провідника спіралі. Звідси фазова швидкість хвилі вздовж осі .

Сповільнення хвилі

,

де – кут намотки спіралі.

Оскільки , тоді можна вважати

Конфігурація електричного поля в спіралі показана на рис. 3.11.

Рис. 3.11

Електричне поле має повздовжню складову , з якою може взаємодіяти електронний пучок, що рухається вздовж осі спіралі. Довжина хвилі в спіралі , де – довжина електромагнітної хвилі у вільному просторі.

Розглянемо принцип роботи ЛБХ якісно на основі руху електронів у повздовжньому полі сповільненої електромагнітної хвилі.

1) Нехай фазова швидкість хвилі дорівнює швидкості електронів . Прослідкуємо за групою електронів, яка вилетіла з гармати протягом одного періоду коливань і попадає на ділянку хвилі abc, що зображена на рис. 3.12. Координата Z тут пов’язана з хвилею і рухається відносно спостерігача, який знаходиться у спокої, зі швидкістю . Електрони на ділянці ab прискорюються полем хвилі, їх швидкість збільшується і «підганяє» їх вперед. На ділянці bc електрони гальмуються електричним полем і вони переміщуються назад по відношенню до хвилі. В результаті всі електрони з ділянки abc зсуваються до точки b, і біля цієї точки формується електронний згусток.

Найкраще групування досягається на деякій відстані з виходу гармати. В подальшому буде відбуватись перегрупування електронного потоку, яке буде супроводжуватись «розпливанням» згустку, що утворився.

Якщо , електрони збираються у згусток в області, де електричне поле хвилі близьке до нуля. Кількість електронів, які прискорюються і гальмуються, рівні їх спільна енергія залишається незмінною.

Рис.3.12 Рис.3.13

2) Розглянемо випадок, коли . Нехай, наприклад, . Процес групування в загальному буде проходити так само, як і раніше, але згусток, що утворився, почне трохи відставати від хвилі (рис.3.13 а).

В результаті центр згустку переміститься в область, де електричне поле хвилі прискорююче. Електрони в основній масі будуть прискорюватись і відбирати енергію від хвилі. Амплітуда поля хвилі повинна при цьому послаблюватись. Прискорення електронів буде продовжуватись до тих пір, поки їх швидкість не зрівняється зі швидкістю хвилі.

3) Коли ж , тоді згусток електронів, що утворюється, навпаки, переміщується вперед, в область, де поле хвилі гальмівне (рис.3.13 б). Основна маса електронів буде відчувати дію імпульсу сили, направленого назустріч їх руху. Вони будуть гальмуватись, втрачати швидкість, і їх кінетична енергія почне потроху переходити в енергію хвилі, амплітуда якої повинна відповідно зростати.

Перекачка енергії від електронного потоку до хвилі супроводжується збільшенням амплітуди електромагнітного поля хвилі. В свою чергу. Збільшення амплітуди поля приводить до підсилення групування. В результаті цього процеси росту амплітуди хвилі і ступінь групування повинні проходити паралельно, наростаючи по експоненті при просуванні електронів уздовж сповільнюючої системи.

Принцип дії лампи біжучої хвилі заснований на механізмі тривалої взаємодії електронного потоку з полем біжучої електромагнітної хвилі.

Рис.3.14

На рис.3.14 схематично наведено будову ЛБХ. Електронна гармата 1 формує електронний пучок з певним поперечним перерізом та інтенсивністю. Швидкість електронів визначається прискорюючим потенціалом. За допомогою фокусуючої системи 3 створюється повздовжнє магнітне поле, яке забезпечує необхідний поперечний переріз пучка вздовж сповільнюючої системи 2. Електронна гармата, спіральна затримуюча система 2 і колектор 5 розміщені в металоскляному балоні 7, а фокусуючий соленоїд 3 розташований зовні. На вході і виході затримуючої системи є спеціальний пристрій 4 для узгодження її з лініями передачі. На вхід поступає НВЧ сигнал, який підсилюється в приладі і з виходу передається в навантаження. Для усунення самозбудження вводиться поглинач 6.

При написанні конспекту лекцій з дисципліни «Вакуумна і плазмова електроніка» були використані наступні навчальні посібники:

1. Герасимов С.М. Физические основы электронной техники; учебн. Пособие для вузов / С.М. Герасимов, М.В. Белоус, В.А. Москалюк. – К.: Вища школа. Головное издательство, 1981. – 368 с.

2. Москалюк В.А. Генерация и рекомбинация подвижных носителей заряда: текст лекций / В.А. Москалюк, И.Д. Шовкун. – К.: КПИ, 1985. – 60 с.

3. Москалюк В.А. Физика электронных процессов: учебн. пособие. Ч.1. Электронные состояния / В.А. Москалюк, Ю.С. Синкоп, Р. Кассинг. – К.: Укр. ИНТЭИ, 2001. – 148 с.

4. Сушков А.Д. Вакууумная электроника. Физико-технические основы. – СПб: Лань, 2004. – 464 с.

5. Морозова И.Г. Фізика электронных приборов. Учебник для вузов. – М.: Атомиздат, 1980. – 392 с.

6. Гершунский Б.С. Основы электронной и полупроводниковой техники. «Вища школа», 1971, стр. 416 (на украинском языке)

7. Фриндихов С.А., Мовнин С.М. Физические основы электронной техники. Учебник для вузов. – М.: Высш. школа, 1982. – 608 с.

8. Андрушко Л.М., Федоров Н.Д. Электронные и квантове приборы СВЧ. Учебник для вузов связи. – М.: Радио и связь, 1981. – 208 с.

9. Епифанов Г.И., Мома Ю.А. Физические основы конструирования и технологи РЭА и ЭВА. Учебное пособие для вузов. – М.: Сов. Радио, 1979. – 352 с.

46