Клистрон — это специализированная вакуумная лампа с линейным лучом, изобретенная в 1937 году американскими инженерами - электриками Расселом и Сигурдом Варианом [1] и используемая в качестве усилителя высоких радиочастот , от УВЧ до микроволнового диапазона. Клистроны малой мощности используются в качестве генераторов в наземных микроволновых релейных линиях связи, а клистроны большой мощности используются в качестве выходных ламп в телевизионных передатчиках УВЧ , спутниковой связи , радиолокационных передатчиках , а также для генерации энергии привода современных ускорителей частиц .
В клистроне электронный луч взаимодействует с радиоволнами, проходя через резонансные полости — металлические коробки по длине трубки. [2] Электронный луч сначала проходит через полость, к которой подается входной сигнал. Энергия электронного луча усиливает сигнал, и усиленный сигнал берется из полости на другом конце трубки. Выходной сигнал может быть подан обратно во входной резонатор, чтобы создать электронный генератор для генерации радиоволн. Коэффициент усиления 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 может быть и до 10% в некоторых устройствах. [2]
Рефлекторный клистрон — устаревший тип, в котором электронный луч отражался обратно на своем пути от высокопотенциального электрода, используемого в качестве генератора колебаний.
Название клистрон происходит от греческого глагола κλύζω ( клизо ), обозначающего действие волн, разбивающихся о берег, и суффикса -τρον («трон»), означающего место, где происходит действие. [3] Название «клистрон» было предложено Германом Френкелем , профессором классического факультета Стэнфордского университета, когда клистрон находился в стадии разработки. [4]
Клистрон был первым значительно мощным источником радиоволн микроволнового диапазона ; до его изобретения единственными источниками были трубка Баркгаузена-Курца и магнетрон с разделенным анодом , мощность которых была ограничена. Его изобрели братья Рассел и Сигурд 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 сразу же повлияли на работу исследователей США и Великобритании, работающих над радиолокационной аппаратурой. Варианцы основали компанию Varian Associates для коммерциализации этой технологии (например, для создания небольших линейных ускорителей для генерации фотонов для дистанционной лучевой терапии ). Их работе предшествовало описание модуляции скорости А. Арсеньевой-Хайль и Оскаром Хейлом (женой и мужем) 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 резонаторный анализ, который касался проблемы ускорения электронов по направлению к мишени, мог быть использован с таким же успехом и для замедления электронов (т. е. для передачи их кинетической энергии в радиочастотную энергию в резонаторе). Во время Второй мировой войны Хансен читал лекции в радиационной лаборатории Массачусетского технологического института два дня в неделю, добираясь до Бостона из компании Sperry Gyrscope Company на Лонг-Айленде. Его резонатор братья Вариан назвали «румбатроном». [1] Хансен умер от бериллиевой болезни в 1949 году в результате воздействия оксида бериллия (BeO).
Во время Второй мировой войны державы Оси в основном полагались на (тогда маломощную и длинноволновую) клистронную технологию для генерации микроволнового излучения в своих радиолокационных системах, в то время как союзники использовали гораздо более мощную, но дрейфующую по частоте технологию резонаторного магнетрона для гораздо более короткого периода времени. -генерация СВЧ сантиметрового диапазона длины волны. С тех пор были разработаны технологии клистронных трубок для приложений очень высокой мощности, таких как синхротроны и радиолокационные системы.
Сразу после войны AT&T использовала 4-ваттные клистроны в своей новой сети микроволновых ретрансляционных линий, охватывающей американский континент. [7] Сеть обеспечивала междугороднюю телефонную связь, а также передавала телевизионные сигналы для основных телевизионных сетей. Компания Western Union Telegraph в то время также построила двухточечные линии микроволновой связи с использованием промежуточных ретрансляционных станций с интервалом примерно в 40 миль, используя рефлекторные клистроны 2K25 как в передатчиках, так и в приемниках. В некоторых приложениях клистроны были заменены твердотельными транзисторами. [8] Были разработаны высокоэффективные клистроны, эффективность которых на 10% выше, чем у обычных клистронов. [9]
Клистроны усиливают радиочастотные сигналы путем преобразования кинетической энергии электронного луча постоянного тока в радиочастотную мощность. В вакууме пучок электронов испускается электронной пушкой или термоэлектронным катодом и ускоряется высоковольтными электродами (обычно в десятки киловольт).
Этот луч проходит через резонатор входной полости . Радиочастотная энергия подается во входной резонатор на ее резонансной частоте или близкой к ней , создавая стоячие волны , которые создают осциллирующее напряжение, которое действует на электронный луч. Электрическое поле заставляет электроны «группироваться»: электроны, которые проходят, когда электрическое поле противодействует их движению, замедляются, в то время как электроны, которые проходят, когда электрическое поле действует в том же направлении, ускоряются, в результате чего формируется ранее непрерывный электронный пучок. сгустки на входной частоте.
Чтобы усилить группировку, клистрон может содержать дополнительные полости «группировки».
Затем луч проходит через «дрейфовую» трубку, в которой более быстрые электроны догоняют более медленные, создавая «сгустки», а затем через полость «ловушки».
В выходной полости «ловушки» каждый сгусток попадает в полость в тот момент цикла, когда электрическое поле противодействует движению электронов, замедляя их. При этом кинетическая энергия электронов преобразуется в потенциальную энергию поля, увеличивая амплитуду колебаний . Колебания, возбуждаемые в резонаторе ловушки, выводятся через коаксиальный кабель или волновод .
Отработанный электронный пучок с пониженной энергией захватывается коллекторным электродом.
Чтобы создать генератор , выходной резонатор можно соединить с входным резонатором (резонаторами) с помощью коаксиального кабеля или волновода . Положительная обратная связь возбуждает самопроизвольные колебания на резонансной частоте резонаторов.
Простейшая клистронная трубка — двухполостный клистрон. В этой трубке расположены два резонатора СВЧ-резонатора: «ловец» и «группировщик». При использовании в качестве усилителя слабый микроволновый сигнал, подлежащий усилению, подается в полость группировщика через коаксиальный кабель или волновод, а усиленный сигнал извлекается из полости улавливателя.
На одном конце трубки находится горячий катод , который производит электроны при нагревании нитью накала. Электроны притягиваются к анодному цилиндру и проходят через него под высоким положительным потенциалом; катод и анод действуют как электронная пушка , создавая поток электронов с высокой скоростью. Внешняя обмотка электромагнита создает вдоль оси луча продольное магнитное поле , препятствующее его растеканию.
Пучок сначала проходит через резонатор полости «группировщика», через решетки, прикрепленные с каждой стороны. Сетки группировщика имеют на себе колеблющийся переменный потенциал, создаваемый колебаниями стоячей волны внутри резонатора, возбуждаемыми входным сигналом на резонансной частоте резонатора, подаваемым через коаксиальный кабель или волновод. 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 полпериода позже, когда полярность противоположна, сталкиваются с электрическим полем, противодействующим их движению, и замедляются.
За сетками группировки находится пространство, называемое пространством дрейфа . Это пространство достаточно длинное, чтобы ускоренные электроны догоняли тормозящиеся ранее электроны, образуя «сгустки» продольно вдоль оси пучка. Его длина выбрана так, чтобы обеспечить максимальное группирование на резонансной частоте, и может составлять несколько футов.
Затем электроны проходят через вторую полость, называемую «ловушкой», через аналогичную пару решеток на каждой стороне полости. Функция улавливающих решеток — поглощать энергию электронного луча. Пучки электронов, проходя сквозь них, возбуждают в резонаторе стоячие волны, имеющие ту же резонансную частоту, что и резонатор банчера. Каждый сгусток электронов проходит между сетками в такой момент цикла, когда выходная сетка отрицательна по отношению к входной, поэтому электрическое поле в полости между сетками противодействует движению электронов. Электроны, таким образом, работают над электрическим полем и замедляются, их кинетическая энергия преобразуется в электрическую потенциальную энергию , увеличивая амплитуду колеблющегося электрического поля в полости. Таким образом, колебательное поле в полости ловушки является усиленной копией сигнала, приложенного к полости банчера. Усиленный сигнал выводится из резонатора ловушки через коаксиальный кабель или волновод.
Пройдя через ловушку и отдав свою энергию, пучок электронов с меньшей энергией поглощается «коллекторным» электродом, вторым анодом, на котором поддерживается небольшое положительное напряжение.
Электронный генератор можно сделать из клистронной трубки, обеспечив путь обратной связи от выхода ко входу, соединив резонаторы «ловушки» и «группировщика» коаксиальным кабелем или волноводом . Когда устройство включено, электронный шум в резонаторе усиливается лампой и возвращается из выходного улавливателя в резонатор группировщика для повторного усиления. Из-за высокой добротности резонаторов сигнал быстро становится синусоидальным на резонансной частоте резонаторов.
Во всех современных клистронах количество полостей превышает две. Дополнительные полости «группировщика», добавленные между первым «группировщиком» и «улавливателем», могут использоваться для увеличения усиления клистрона или увеличения полосы пропускания. [10]
Остаточная кинетическая энергия электронного луча при попадании на коллекторный электрод представляет собой потерянную энергию, которая рассеивается в виде тепла, которое необходимо удалить с помощью системы охлаждения. Некоторые современные клистроны включают в себя депрессивные коллекторы, которые восстанавливают энергию пучка перед сбором электронов, что повышает эффективность. Многоступенчатые депрессивные коллекторы улучшают рекуперацию энергии, «сортируя» электроны в энергетических бункерах.
Рефлекторный клистрон (также известный как трубка Саттона в честь одного из ее изобретателей, Роберта Саттона) представлял собой клистрон малой мощности с одной полостью, который функционировал как генератор . Он использовался в качестве гетеродина в некоторых радиолокационных приемниках и модулятора в микроволновых передатчиках в 1950-х и 1960-х годах, но сейчас он устарел и заменен полупроводниковыми микроволновыми устройствами.
В рефлекторном клистроне электронный пучок проходит через единственную резонансную полость. Электроны выбрасываются в один конец трубки с помощью электронной пушки . После прохождения через резонансную полость они отражаются отрицательно заряженным электродом-отражателем и снова проходят через полость, где затем собираются. Скорость электронного пучка модулируется при первом прохождении через полость. Формирование электронных сгустков происходит в дрейфовом пространстве между отражателем и резонатором. Напряжение на отражателе необходимо отрегулировать так, чтобы группировка была максимальной при повторном входе электронного луча в резонансную полость, обеспечивая тем самым передачу максимума энергии от электронного луча к ВЧ - колебаниям в резонаторе. Напряжение отражателя может незначительно отличаться от оптимального значения, что приводит к некоторой потере выходной мощности, а также к изменению частоты. Этот эффект успешно используется для автоматического регулирования частоты в приемниках и частотной модуляции передатчиков. Уровень модуляции, применяемый для передачи, достаточно мал, чтобы выходная мощность оставалась практически постоянной. В областях, далеких от оптимального напряжения, колебания вообще не получаются. [12] Часто существует несколько областей напряжения отражателя, в которых рефлекторный клистрон будет колебаться; они называются режимами. Диапазон электронной настройки рефлекторного клистрона обычно называют изменением частоты между точками половинной мощности - точками в колебательном режиме, где выходная мощность составляет половину максимальной выходной мощности в этом режиме.
Современная полупроводниковая технология эффективно заменила рефлекторный клистрон в большинстве приложений.
Гироклистрон представляет собой СВЧ-усилитель, работа которого зависит от условия циклотронного резонанса . Подобно клистрону, его работа зависит от модуляции электронного пучка, но вместо осевой группировки силы модуляции изменяют циклотронную частоту и, следовательно, азимутальную составляющую движения, что приводит к образованию фазовых сгустков. В выходном резонаторе электроны, достигающие правильной замедляющейся фазы, передают свою энергию полю резонатора, и усиленный сигнал может быть выведен наружу. Гироклистрон имеет цилиндрические или коаксиальные полости и работает с поперечными модами электрического поля. Поскольку взаимодействие зависит от условий резонанса, можно использовать полости большего размера, чем у обычного клистрона. Это позволяет гироклистрону обеспечивать высокую мощность на очень высоких частотах, что сложно при использовании обычных клистронов.
Некоторые клистроны имеют перестраиваемые полости. Регулируя частоту отдельных резонаторов, техник может изменить рабочую частоту, усиление, выходную мощность или полосу пропускания усилителя. Не существует двух абсолютно идентичных клистронов (даже при сравнении клистронов с одинаковым номером детали/модели). Для каждого устройства имеются калибровочные значения, предоставленные производителем, для его конкретных рабочих характеристик. Без этой информации клистрон не будет правильно настраиваться и, следовательно, не будет работать хорошо, если вообще будет работать.
Настройка клистрона — это тонкая работа, которая, если ее не выполнить должным образом, может привести к повреждению оборудования или травме техника из-за очень высокого напряжения, которое может возникнуть. Техник должен соблюдать осторожность, чтобы не выйти за пределы шкалы, иначе это может привести к повреждению клистрона. Другие меры предосторожности, принимаемые при настройке клистрона, включают использование инструментов из цветных металлов. В некоторых клистронах используются постоянные магниты . Если техник использует инструменты из черных металлов (ферромагнитные ) и подходит слишком близко к интенсивным магнитным полям, содержащим электронный луч, такой инструмент может быть втянут в устройство под действием сильной магнитной силы, разбивая пальцы, травмируя техника или повреждая его . Единица. Для настройки клистронов ВВС США использовались специальные легкие немагнитные (вернее, очень слабодиамагнитные ) инструменты из бериллиевого сплава.
При транспортировке клистронов в самолетах обычно принимаются меры предосторожности, поскольку интенсивное магнитное поле может мешать работе магнитного навигационного оборудования. Специальные транспортные пакеты предназначены для ограничения этого поля «в полевых условиях» и, таким образом, позволяют безопасно транспортировать такие устройства.
Техника усиления, используемая в клистроне, также применяется экспериментально на оптических частотах в типе лазера , называемом лазером на свободных электронах (ЛСЭ); эти устройства называются оптическими клистронами . [13] Вместо микроволновых резонаторов в них используются устройства, называемые ондуляторами . Электронный луч проходит через ондулятор, в котором луч лазерного света вызывает группировку электронов. Затем луч проходит через второй ондулятор, в котором сгустки электронов вызывают колебания, создавая второй, более мощный световой луч. [13]
Клистрон с плавающей дрейфовой трубкой имеет одну цилиндрическую камеру, содержащую электрически изолированную центральную трубку. Электрически это похоже на клистрон двухрезонаторного генератора со значительной обратной связью между двумя полостями. Скорость электронов, выходящих из полости источника, модулируется электрическим полем, когда они проходят через дрейфовую трубку и выходят в камеру назначения сгустками, передавая мощность колебаниям в полости. Преимущество генераторного клистрона этого типа перед двухрезонаторным клистроном, на котором он основан, состоит в том, что для изменения частоты ему требуется только один настроечный элемент. Дрейфовая трубка электрически изолирована от стенок резонатора, а смещение постоянного тока подается отдельно. Смещение постоянного тока на дрейфовой трубке можно регулировать, чтобы изменить время прохождения через нее, что позволяет осуществлять некоторую электронную настройку частоты колебаний. Величина настройки таким образом невелика 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 расширенного взаимодействия на спутнике CloudSat ). Клистроны можно встретить в работе в радиолокации , спутниковой и широкополосной связи большой мощности (очень распространены в телевещании и спутниковых терминалах КВЧ ), медицине ( радиационная онкология ) и физике высоких энергий ( ускорители частиц и экспериментальные реакторы). В SLAC , например, обычно используются клистроны, мощность которых находится в диапазоне 50 МВт (импульсная) 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. [14]
В журнале Popular Science « Лучшее из нового 2007 года» [15] [16] описывается компания Global Resource Corporation, в настоящее время несуществующая, использующая клистрон для переработки углеводородов в повседневных материалах, автомобильных отходах, угле , горючих сланцах и нефтеносных песках. в природный газ и дизельное топливо . [17]
