Теоретические сведения. Отражательные клистроны используются в качестве генераторов маломощных СВЧ - колебаний в измерительной аппаратуре

Отражательные клистроны используются в качестве генераторов маломощных СВЧ - колебаний в измерительной аппаратуре, радиолокационных и других приемных устройства.

В отличие от пролетного клистрона отражательный клистрон имеет один резонатор, который одновременно модулирует поток электронов, летящих от катода к отражателю, и отбирает энергию от отраженных электронов.

Важнейшими преимуществами отражательного клистрона (рисунок 1) являются простота схемы питания и устройства, наличие электронной перестройки и широкий диапазон механической перестройки генерируемой частоты.

В вакуумном баллоне отражательного клистрона располагаются катод, ускоряющий электрод, объемный перестраиваемый резонатор, сетки которого пронизывает электронный поток. На некотором расстоянии за сетками резонатора расположен отражатель, на который подается отрицательное напряжение порядка U_ОТР = — (100... 300) В. Пространством дрейфа здесь является объем заключенный между резонатором и отражателем.

Принцип действия отражательного клистрона.

Поток электронов, эмитируемых катодом, разгоняются полем ускоряющего электрода, проходит через сетки резонатора. В резонаторе наводятся слабые колебания (эти начальные колебания возникают от неравномерности, флуктуации электронного потока, эмитируемого катодом). Под действием этих колебаний электронный поток модулируется по скорости. Пролетев сетки резонатора в одном направлении (как было сказано выше с разными скоростями), электроны тормозятся полем отражателя, при этом происходит их группировка, и возвращаются назад полем отражателя уже в виде сгустков. Внешний вид клистрона приведен на рисунке 2.

Рисунок 1. Устройство отражательного клистрона.

Рисунок 2. Внешний вид клистрона.

Группировка происходит относительно невозмущенных электронов (пролетевших через резонатор в момент t₂ на рисунке 3, когда в нем E_рез = 0). Электрон, вышедший раньше (t₁ на рисунке 3) и имеющий большую скорость, проникает в тормозящее поле отражателя глубже, следовательно, летит дольше невозмущенного и может вернуться в зазор резонатора почти одновременно вместе с ним. Электрон, вышедший позже невозмущенного электрона (t₃ на рисунке 3) и имеющий меньшую скорость, проникает в тормозящее поле на меньшее расстояние, и велика вероятность, что он вернется в резонатор вместе с невозмущенным электроном.

Рисунок 3. Процесс формирования сгустков.

При этом время пролета электронов должно быть та­ким, чтобы в момент возвращения в зазор резонатора (t₄ на рисунке 3) там существовало для них тормозящее поле. В этом случае электроны отдают энергию СВЧ полю резонатора, т. е. полю того же самого контура, при прохождении которого они модулировались по скорости (образуется положительная обратная связь, энергия возвращенного сгустка частично идет на модуляцию новых электронов).

Подобрав значения U₀ и U_ОТР, можно добиться, чтобы сгусток отраженных электронов приходил к сеткам резонатора в тот момент, когда поле в зазоре тормозящее. В силу того, что вектор скорости возвращающихся электронов противоположен вектору скорости электронов, движущихся от катода, поле в зазоре будет тормозить сгусток, когда СВЧ -потенциал второй сетки по отношению к первой будет положительным. Пролетая между сетками резонатора в тормозящем поле, сгусток электронов отдает энергию СВЧ и поддерживает возникшие в резонаторе колебания.