Клистрон — это специализированная линейно-лучевая вакуумная лампа , изобретенная в 1937 году американскими инженерами-электриками Расселом и Сигурдом Варианом , [1] , которая используется в качестве усилителя для высоких радиочастот , от УВЧ до микроволнового диапазона. Маломощные клистроны используются в качестве генераторов в наземных микроволновых релейных линиях связи, в то время как мощные клистроны используются в качестве выходных ламп в телевизионных передатчиках УВЧ , спутниковой связи , радиолокационных передатчиках и для генерации мощности привода для современных ускорителей частиц .
В клистроне электронный луч взаимодействует с радиоволнами, проходя через резонансные полости , металлические коробки по длине трубки. [2] Сначала электронный луч проходит через полость, к которой прикладывается входной сигнал. Энергия электронного луча усиливает сигнал, и усиленный сигнал берется из полости на другом конце трубки. Выходной сигнал может быть связан обратно во входную полость, чтобы создать электронный генератор для генерации радиоволн. Коэффициент усиления мощности клистронов может быть высоким, до 60 дБ (увеличение мощности сигнала в миллион раз), с выходной мощностью до десятков мегаватт , но полоса пропускания узкая, обычно несколько процентов, хотя в некоторых устройствах она может достигать 10%. [2]
Отражательный клистрон — устаревший тип прибора, в котором электронный луч отражается обратно по своему пути высокопотенциальным электродом, используемым в качестве генератора.
Название «клистрон» происходит от греческого глагола κλύζω ( klyzo ), обозначающего действие волн, разбивающихся о берег, и суффикса -τρον («tron»), означающего место, где происходит действие. [3] Название «клистрон» было предложено Германом Френкелем , профессором кафедры классики Стэнфордского университета, когда клистрон находился в стадии разработки. [4]
Клистрон был первым достаточно мощным источником радиоволн в микроволновом диапазоне; до его изобретения единственными источниками были трубка Баркгаузена-Курца и магнетрон с разделенным анодом , которые были ограничены очень низкой мощностью. Он был изобретен братьями Расселом и Сигурдом Вариан в Стэнфордском университете . Их прототип был завершен и успешно продемонстрирован 30 августа 1937 года. [5] После публикации в 1939 году [3] новости о клистроне немедленно повлияли на работу американских и британских исследователей, работающих над радиолокационным оборудованием. Варианцы продолжили основывать Varian Associates , чтобы коммерциализировать технологию (например, для создания небольших линейных ускорителей для генерации фотонов для внешней лучевой терапии ). Их работе предшествовало описание модуляции скорости А. Арсеньевой-Хейл и Оскаром Хейлом (супругой) в 1935 году, хотя Варианцы, вероятно, не знали о работе Хейлов. [6]
Работа физика В. В. Хансена сыграла важную роль в разработке клистрона и была процитирована братьями Вариан в их статье 1939 года. Его анализ резонатора, который касался проблемы ускорения электронов по направлению к цели, мог быть использован с тем же успехом для замедления электронов (т. е. преобразования их кинетической энергии в радиочастотную энергию в резонаторе). Во время Второй мировой войны Хансен читал лекции в радиационных лабораториях Массачусетского технологического института два дня в неделю, добираясь в Бостон из компании Sperry Gyroscope Company на Лонг-Айленде. Его резонатор братья Вариан называли «румбатроном». [1] Хансен умер от бериллиевой болезни в 1949 году в результате воздействия оксида бериллия (BeO).
Во время Второй мировой войны страны Оси в основном полагались на (тогда маломощную и длинноволновую) технологию клистрона для генерации микроволн в своих радарных системах, в то время как союзники использовали гораздо более мощную, но частотно-дрейфующую технологию резонаторного магнетрона для генерации микроволн в сантиметровом диапазоне с гораздо более короткой длиной волны. С тех пор были разработаны технологии клистронных трубок для очень мощных приложений, таких как синхротроны и радарные системы.
Сразу после войны AT&T использовала 4-ваттные клистроны в своей новой сети микроволновых релейных линий связи, которая охватывала смежные Соединенные Штаты. [7] Сеть обеспечивала междугородную телефонную связь, а также передавала телевизионные сигналы для основных телевизионных сетей. Western Union Telegraph Company также построила двухточечные микроволновые линии связи с использованием промежуточных ретрансляционных станций с интервалом около 40 миль в то время, используя отражательные клистроны 2K25 как в передатчиках, так и в приемниках. В некоторых приложениях клистроны были заменены твердотельными транзисторами. [8] Были разработаны высокоэффективные клистроны, имеющие на 10% большую эффективность, чем обычные клистроны. [9]
Клистроны усиливают радиочастотные сигналы , преобразуя кинетическую энергию в постоянном электронном пучке в радиочастотную мощность. В вакууме пучок электронов испускается электронной пушкой или термоионным катодом и ускоряется высоковольтными электродами (обычно в десятках киловольт).
Этот луч проходит через входной резонатор . Радиочастотная энергия подается во входной резонатор на его резонансной частоте или около нее , создавая стоячие волны , которые производят колебательное напряжение, которое действует на электронный луч. Электрическое поле заставляет электроны «сгущаться»: электроны, которые проходят, когда электрическое поле противодействует их движению, замедляются, в то время как электроны, которые проходят, когда электрическое поле имеет то же направление, ускоряются, заставляя ранее непрерывный электронный луч формировать сгустки на входной частоте.
Для усиления группировки клистрон может содержать дополнительные «группировочные» полости.
Затем пучок проходит через «дрейфовую» трубку, в которой более быстрые электроны догоняют более медленные, создавая «сгустки», а затем через полость-«ловушку».
В выходной полости "ловителя" каждый сгусток входит в полость в тот момент цикла, когда электрическое поле противодействует движению электронов, замедляя их. Таким образом, кинетическая энергия электронов преобразуется в потенциальную энергию поля, увеличивая амплитуду колебаний . Колебания, возбуждаемые в полости ловителя, выводятся наружу через коаксиальный кабель или волновод .
Отработанный электронный пучок с пониженной энергией улавливается коллекторным электродом.
Чтобы сделать генератор , выходной резонатор может быть соединен с входным резонатором(ами) с помощью коаксиального кабеля или волновода . Положительная обратная связь возбуждает спонтанные колебания на резонансной частоте резонаторов.
Простейшая клистронная трубка — двухполостной клистрон. В этой трубке есть два СВЧ-резонатора, «ловитель» и «банчер». При использовании в качестве усилителя слабый СВЧ-сигнал, который необходимо усилить, подается в полость банчера через коаксиальный кабель или волновод, а усиленный сигнал извлекается из полости ловителя.
На одном конце трубки находится горячий катод , который при нагревании нитью накала производит электроны. Электроны притягиваются и проходят через анодный цилиндр при высоком положительном потенциале; катод и анод действуют как электронная пушка , создавая высокоскоростной поток электронов. Внешняя обмотка электромагнита создает продольное магнитное поле вдоль оси пучка, что предотвращает его распространение.
Сначала пучок проходит через резонатор полости «группировщика», через сетки, прикрепленные к каждой стороне. Сетки группировщика имеют колеблющийся переменный потенциал на них, создаваемый колебаниями стоячей волны внутри полости, возбуждаемой входным сигналом на резонансной частоте полости , подаваемым коаксиальным кабелем или волноводом. Направление поля между сетками меняется дважды за цикл входного сигнала. Электроны, входящие, когда входная сетка отрицательна, а выходная сетка положительна, сталкиваются с электрическим полем в том же направлении, что и их движение, и ускоряются этим полем. Электроны, входящие на полцикла позже, когда полярность противоположна, сталкиваются с электрическим полем, которое противодействует их движению, и замедляются.
За сетками группировщиков находится пространство, называемое пространством дрейфа . Это пространство достаточно длинное, чтобы ускоренные электроны догоняли электроны, которые были замедлены ранее, образуя «сгустки» продольно вдоль оси пучка. Его длина выбирается так, чтобы обеспечить максимальную группировку на резонансной частоте, и может составлять несколько футов.
Затем электроны проходят через вторую полость, называемую «ловушкой», через аналогичную пару сеток с каждой стороны полости. Функция сеток- ловушки заключается в поглощении энергии из электронного пучка. Сгустки проходящих электронов возбуждают стоячие волны в полости, которая имеет ту же резонансную частоту, что и полость-группировщик. Каждый сгусток электронов проходит между сетками в точке цикла, когда выходная сетка отрицательна по отношению к входной сетке, поэтому электрическое поле в полости между сетками противодействует движению электронов. Таким образом, электроны выполняют работу над электрическим полем и замедляются, их кинетическая энергия преобразуется в электрическую потенциальную энергию , увеличивая амплитуду колеблющегося электрического поля в полости. Таким образом, колеблющееся поле в полости-ловушке является усиленной копией сигнала, подаваемого на полость-группировщик. Усиленный сигнал извлекается из полости-ловушки через коаксиальный кабель или волновод.
Пройдя через улавливатель и отдав свою энергию, электронный пучок с меньшей энергией поглощается «коллекторным» электродом — вторым анодом, на котором поддерживается небольшое положительное напряжение.
Электронный генератор можно сделать из клистронной трубки, обеспечив обратную связь от выхода ко входу, соединив полости «ловителя» и «группировщика» коаксиальным кабелем или волноводом . Когда устройство включено, электронный шум в полости усиливается трубкой и возвращается из выходного ловителя в полость группировщика для повторного усиления. Из-за высокой добротности полостей сигнал быстро становится синусоидой на резонансной частоте полостей.
Во всех современных клистронах число полостей превышает два. Дополнительные полости «группировщика», добавленные между первым «группировщиком» и «ловушкой», могут использоваться для увеличения усиления клистрона или для увеличения полосы пропускания. [10]
Остаточная кинетическая энергия в электронном пучке, когда он попадает на коллекторный электрод, представляет собой потерянную энергию, которая рассеивается в виде тепла, которое должно быть удалено системой охлаждения. Некоторые современные клистроны включают в себя депрессированные коллекторы, которые извлекают энергию из пучка перед сбором электронов, повышая эффективность. Многоступенчатые депрессированные коллекторы улучшают извлечение энергии, «сортируя» электроны по энергетическим ячейкам.
Рефлекторный клистрон (также известный как трубка Саттона по имени одного из его изобретателей, Роберта Саттона) был маломощной клистронной трубкой с одной полостью, которая функционировала как генератор . Он использовался в качестве локального генератора в некоторых радиолокационных приемниках и модулятора в микроволновых передатчиках в 1950-х и 1960-х годах, но в настоящее время устарел, замененный полупроводниковыми микроволновыми приборами.
В отражательном клистроне электронный пучок проходит через один резонансный резонатор. Электроны выстреливаются в один конец трубки электронной пушкой . После прохождения через резонансный резонатор они отражаются отрицательно заряженным электродом-отражателем для еще одного прохода через резонатор, где они затем собираются. Электронный пучок модулируется по скорости, когда он впервые проходит через резонатор. Формирование электронных сгустков происходит в пространстве дрейфа между отражателем и резонатором. Напряжение на отражателе должно быть отрегулировано таким образом, чтобы группировка была максимальной, когда электронный пучок снова входит в резонансный резонатор, тем самым обеспечивая передачу максимальной энергии от электронного пучка к радиочастотным колебаниям в резонаторе. Напряжение отражателя может немного отличаться от оптимального значения, что приводит к некоторой потере выходной мощности, а также к изменению частоты. Этот эффект с пользой используется для автоматического управления частотой в приемниках и в частотной модуляции для передатчиков. Уровень модуляции, применяемый для передачи, достаточно мал, чтобы выходная мощность по существу оставалась постоянной. В областях, далеких от оптимального напряжения, колебания вообще не возникают. [12] Часто существует несколько областей напряжения отражателя, где рефлекторный клистрон будет колебаться; они называются модами. Электронный диапазон настройки рефлекторного клистрона обычно называют изменением частоты между точками половинной мощности — точками в колебательном режиме, где выходная мощность составляет половину максимального выхода в режиме.
Современные полупроводниковые технологии эффективно заменили отражательный клистрон в большинстве приложений.
Гироклистрон — это микроволновый усилитель, работа которого зависит от условий циклотронного резонанса . [13] Подобно клистрону, его работа зависит от модуляции электронного пучка, но вместо аксиальной группировки силы модуляции изменяют циклотронную частоту и, следовательно, азимутальную составляющую движения, что приводит к фазовым сгусткам. В выходной полости электроны, которые достигают правильной фазы замедления, передают свою энергию полю полости, и усиленный сигнал может быть связан.
Гироклистрон имеет цилиндрические или коаксиальные полости и работает с поперечными модами электрического поля. Поскольку взаимодействие зависит от резонансного состояния, можно использовать полости большего размера, чем у обычного клистрона. Это позволяет гироклистрону выдавать большую мощность на очень высоких частотах, что является сложной задачей при использовании обычных клистронов. [14]
Некоторые клистроны имеют настраиваемые полости. Регулируя частоту отдельных полостей, техник может изменять рабочую частоту, усиление, выходную мощность или полосу пропускания усилителя. Нет двух абсолютно идентичных клистронов (даже при сравнении клистронов с одинаковым номером детали/модели). Каждое устройство имеет предоставленные производителем калибровочные значения для его конкретных рабочих характеристик. Без этой информации клистрон не будет настраиваться должным образом и, следовательно, не будет работать хорошо, если вообще будет.
Настройка клистрона — тонкая работа, которая, если ее не выполнить должным образом, может привести к повреждению оборудования или травме техника из-за очень высокого напряжения, которое может быть получено. Техник должен быть осторожен, чтобы не превысить пределы градуировки, иначе может быть поврежден клистрон. Другие меры предосторожности, принимаемые при настройке клистрона, включают использование цветных инструментов. В некоторых клистронах используются постоянные магниты . Если техник использует железные инструменты (которые являются ферромагнитными ) и подходит слишком близко к интенсивным магнитным полям, содержащим электронный луч, такой инструмент может быть втянут в устройство интенсивной магнитной силой, разбив пальцы, травмировав техника или повредив устройство. Специальные легкие немагнитные (или, скорее, очень слабо диамагнитные ) инструменты из бериллиевого сплава использовались для настройки клистронов ВВС США.
Меры предосторожности обычно принимаются при транспортировке клистронных устройств в самолетах, поскольку интенсивное магнитное поле может мешать работе магнитного навигационного оборудования. Специальные внешние упаковки предназначены для ограничения этого поля «в полевых условиях» и, таким образом, позволяют безопасно перевозить такие устройства.
Метод усиления, используемый в клистроне, также применяется экспериментально на оптических частотах в типе лазера , называемом лазером на свободных электронах (ЛСЭ); эти устройства называются оптическими клистронами . [15] Вместо микроволновых резонаторов они используют устройства, называемые ондуляторами . Электронный луч проходит через ондулятор, в котором лазерный световой луч вызывает группировку электронов. Затем луч проходит через второй ондулятор, в котором электронные сгустки вызывают колебания, создавая второй, более мощный световой луч. [15]
Плавающий дрейфовый трубчатый клистрон имеет одну цилиндрическую камеру, содержащую электрически изолированную центральную трубку. Электрически это похоже на двухполостной осцилляторный клистрон со значительной обратной связью между двумя полостями. Электроны, выходящие из исходной полости, модулируются по скорости электрическим полем, когда они проходят через дрейфовую трубку и выходят в камеру назначения пучками, передавая мощность колебаниям в полости. Этот тип осцилляторного клистрона имеет преимущество перед двухполостным клистроном, на котором он основан, в том, что ему нужен только один элемент настройки для изменения частоты. Дрейфовая трубка электрически изолирована от стенок полости, и смещение постоянного тока применяется отдельно. Смещение постоянного тока на дрейфовой трубке может быть отрегулировано для изменения времени прохождения через нее, что позволяет выполнять некоторую электронную настройку частоты колебаний. Объем настройки таким образом невелик и обычно используется для частотной модуляции при передаче.
Клистроны могут производить гораздо более высокую выходную микроволновую мощность, чем твердотельные микроволновые устройства, такие как диоды Ганна . В современных системах они используются от УВЧ (сотни мегагерц) до сотен гигагерц (как в клистронах Extended Interaction в спутнике CloudSat ). Клистроны можно найти в работе радаров , спутниковой и широкополосной связи высокой мощности (очень распространено в телевизионном вещании и спутниковых терминалах EHF), медицине ( радиационная онкология ) и физике высоких энергий ( ускорители частиц и экспериментальные реакторы). В SLAC , например, обычно используются клистроны, которые имеют выходную мощность в диапазоне 50 МВт (импульс) и 50 кВт (усредненная по времени) на частоте 2856 МГц. Планетарный радар Аресибо использовал два клистрона, которые обеспечивали общую выходную мощность 1 МВт (непрерывную) на частоте 2380 МГц. [16]
В статье журнала Popular Science «Лучшее из новинок 2007 года» [17] [18] описывается компания Global Resource Corporation, в настоящее время не существующая, которая использовала клистрон для преобразования углеводородов из повседневных материалов, автомобильных отходов, угля , горючих сланцев и нефтеносных песков в природный газ и дизельное топливо . [19]
{{cite book}}: CS1 maint: date and year (link){{cite book}}: CS1 maint: date and year (link)