 | Эта статья требует дополнительных ссылок для проверки . ( январь 2013 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения ) |
Клистрона представляет собой специализированный линейно-лучевой вакуумной трубки , изобретенный в 1937 году американские электротехники Расселом и Sigurd Varian , [1] , который используется в качестве усилителя для высоких радиочастот , от УВЧ вверх в СВЧ диапазоне. 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 , а также для генерации мощности привода для современныхускорители частиц .
В клистроне электронный луч взаимодействует с радиоволнами, проходя через резонансные полости , металлические коробки по длине трубки. [2] Электронный луч сначала проходит через резонатор, на который подается входной сигнал. Энергия электронного луча усиливает сигнал, и усиленный сигнал берется из полости на другом конце трубки. Выходной сигнал может быть возвращен во входной резонатор, чтобы электронный генератор генерировал радиоволны. Коэффициент усиления клистронов может быть высоким, 60 дБ (один миллион) или более, с выходной мощностью до десятков мегаватт , но полоса пропусканияузкий, обычно несколько процентов, хотя на некоторых устройствах он может достигать 10%. [2]
Рефлекс клистрона является устаревшим типом , в котором электронный пучок отражалось назад вдоль его пути высоким потенциалом электрода, используемого в качестве генератора.
Название клистрон происходит от греческого глагола κλύζω ( klyzo ), относящегося к действию волн, разбивающихся о берег, и суффикса -τρον («трон»), означающего место, где происходит действие. [3] Название «клистрон» было предложено Германом Френкелем , профессором кафедры классики Стэнфордского университета, когда клистрон находился в стадии разработки. [4]
История [ править ]
Клистрон был первым достаточно мощным источником радиоволн в микроволновом диапазоне; до его изобретения единственными источниками были лампа Баркгаузена-Курца и магнетрон с расщепленным анодом , которые были ограничены очень малой мощностью. Его изобрели братья Рассел и Сигурд Вариан из Стэнфордского университета . 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 американских и британских исследователей, работающих над радиолокационным оборудованием. Варианцы основали компанию Varian Associates.для коммерциализации технологии (например, для создания небольших линейных ускорителей для генерации фотонов для лучевой терапии с использованием внешнего луча ). Их работе предшествовало описание модуляции скорости А. Арсеньевой-Хейлем 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 цели, можно было бы использовать точно так же, чтобы замедлить электроны (то есть передать их кинетическую энергию радиочастотной энергии 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 Gyroscope 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 полагались в основном на клистронную технологию (тогда маломощную и длинноволновую) для генерации микроволновых радиолокационных систем, в то время как союзники использовали гораздо более мощную, но дрейфующую по частоте технологию резонаторного магнетрона для гораздо более коротких. -длина волны одного сантиметра генерации микроволн. С тех пор были разработаны технологии клистронных трубок для очень мощных приложений, таких как синхротроны и радарные системы.
Сразу после войны AT&T использовала клистроны мощностью 4 Вт в своей новой сети микроволновых ретрансляционных каналов, охватывавших континент США. [7] Сеть обеспечивала междугородную телефонную связь, а также передавала телевизионные сигналы для основных телевизионных сетей. Компания Western Union Telegraph также построила двухточечные микроволновые каналы связи с использованием промежуточных ретрансляционных станций с интервалами примерно в 40 миль в то время, используя рефлекторные клистроны 2K25 как в передатчиках, так и в приемниках.
Операция [ править ]
Клистроны усиление РЧ сигналов пути преобразования кинетической энергии в DC электронного пучка в радиочастотную мощность. В вакууме пучок электронов испускается электронной пушкой или термоэмиссионным катодом (нагретая таблетка из материала с низкой работой выхода ) и ускоряется высоковольтными электродами (обычно в десятки киловольт).
Этот луч проходит через входной объемный резонатор . Радиочастотная энергия подается во входную полость на резонансной частоте или около нее , создавая стоячие волны , которые создают колебательное 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 находится в том же направлении, ускоряются, в результате чего формируется непрерывный электронный пучок. сгустки на входной частоте.
Для усиления группирования в клистроне могут быть дополнительные полости «группировки».
Затем луч проходит через «дрейфующую» трубку, в которой более быстрые электроны догоняют более медленные, создавая «сгустки», а затем через полость «ловушки».
В выходной полости "ловушки" каждый сгусток входит в резонатор 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 . Возбужденные в полости ловителя колебания выводятся через коаксиальный кабель или волновод .
Отработанный электронный пучок с пониженной энергией улавливается коллекторным электродом.
Чтобы создать генератор , выходной резонатор может быть соединен с входным резонатором (ями) с помощью коаксиального кабеля или волновода . Положительная обратная связь возбуждает спонтанные колебания на резонансной частоте резонаторов.
Двухрезонаторный клистрон [ править ]
Простейшая трубка клистрона - это двухрезонаторный клистрон. В этой трубке есть два полостных СВЧ-резонатора, «улавливатель» и «группировщик». При использовании в качестве усилителя слабый микроволновый сигнал, который необходимо усилить, подается в полость группирующего устройства 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 с высоким положительным потенциалом; катод и анод действуют как электронная пушка, создавая высокоскоростной поток электронов. Обмотка внешнего электромагнита создает продольное магнитное поле вдоль оси луча, которое предотвращает распространение луча.
Луч сначала проходит через полостной резонатор «группирующий» через решетки, прикрепленные к каждой стороне. Решетки группирования имеют на них колеблющийся переменный потенциал, создаваемый колебаниями стоячей волны внутри полости, возбуждаемыми входным сигналом на резонансной частоте полости, 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 полупериод позже, когда полярность противоположна, сталкиваются с электрическим полем, которое препятствует их движению, и замедляются.
За решетками пакетирующего устройства находится пространство, называемое пространством дрейфа . Это пространство достаточно длинное, чтобы ускоренные электроны догоняли электроны, которые тормозились раньше, образуя «сгустки» в продольном направлении вдоль оси пучка. Его длина выбрана так, чтобы обеспечить максимальное группирование на резонансной частоте, и может достигать нескольких футов в длину.
Затем электроны проходят через вторую полость, называемую «ловушкой», через аналогичную пару решеток с каждой стороны полости. Функция улавливающих сеток состоит в поглощении энергии от электронного пучка. Пучки электронов, проходящие через них, возбуждают стоячие волны в полости, которая имеет ту же резонансную частоту, что и полость группирующего устройства. 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 препятствует движению электронов. Таким образом, электроны воздействуют на электрическое поле и замедляются, их кинетическая энергия преобразуется в электрическую потенциальную энергию., увеличивая амплитуду колеблющегося электрического поля в резонаторе. Таким образом, колеблющееся поле в полости улавливателя является усиленной копией сигнала, подаваемого в полость группирования. Усиленный сигнал выводится из полости ловушки через коаксиальный кабель или волновод.
Пройдя через уловитель и отдав свою энергию, электронный пучок с меньшей энергией поглощается «коллекторным» электродом, вторым анодом, на котором поддерживается небольшое положительное напряжение.
Клистронный осциллятор [ править ]
Электронный генератор может быть выполнен из клистрон трубки, путем предоставления обратной связи пути от выхода к входу путем подключения «ловителя» и «Buncher» полости с коаксиальным кабелем или волноводом . Когда устройство включено, электронный шум в полости усиливается трубкой и возвращается из выходного уловителя в полость группирующего устройства, где снова усиливается. Из-за высокой добротности резонаторов сигнал быстро становится синусоидальной волной на резонансной частоте резонаторов.
Многорезонаторный клистрон [ править ]
Во всех современных клистронах количество полостей превышает две. Дополнительные полости «группирования», добавленные между первым «группирующим устройством» и «улавливателем», могут использоваться для увеличения усиления клистрона или для увеличения полосы пропускания. [8]
Остаточная кинетическая энергия электронного луча, когда он попадает на коллекторный электрод, представляет собой потерянную энергию, которая рассеивается в виде тепла, которое необходимо отводить с помощью системы охлаждения. Некоторые современные клистроны включают в себя пониженные коллекторы, которые восстанавливают энергию пучка перед сбором электронов, повышая эффективность. Многоступенчатые пониженные коллекторы увеличивают регенерацию энергии за счет «сортировки» электронов в энергетических ячейках.
Рефлекторный клистрон [ править ]
Рефлекс клистрона (также известный как трубки Sutton после того, как один из ее изобретателей, Роберта Sutton) была низкой мощности клистрона трубка с одной полостью, которая функционирует в качестве генератора . 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 устройствами.
В рефлекторном клистроне электронный пучок проходит через единственную резонансную полость. Электроны выстреливаются в один конец трубки из электронной пушки . После прохождения через резонаторную полость они отражаются отрицательно заряженным отражающим электродом для другого прохода через полость, где они затем собираются. Электронный луч модулируется по скорости, когда он впервые проходит через резонатор. Формирование электронных сгустков происходит в дрейфовом пространстве между отражателем и резонатором. Напряжения на отражателе должен быть отрегулирован таким образом , что группировка имеет максимальное значение в качестве электронного пучка повторно входит в резонансную полость, тем самым обеспечивая максимум энергии передается от электронного луча в РФколебания в полости. Напряжение на отражателе может незначительно отличаться от оптимального значения, что приводит к некоторой потере выходной мощности, а также к изменению частоты. Этот эффект хорошо используется для автоматической регулировки частоты в приемниках и при 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. [10]Часто есть несколько областей напряжения отражателя, где 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 режиме.
Современная полупроводниковая технология заменила рефлекторный клистрон в большинстве приложений.
Гироклистрон [ править ]
Гироклистрон - это СВЧ-усилитель, работа которого зависит от циклотронного резонанса.условие. 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 группам. В выходном резонаторе электроны, которые достигают правильной фазы замедления, передают свою энергию полю резонатора, и усиленный сигнал может выводиться. Гироклистрон имеет цилиндрические или коаксиальные резонаторы и работает с поперечными модами электрического поля. Поскольку взаимодействие зависит от условий резонанса, можно использовать полость большего размера, чем у обычного клистрона. Это позволяет гироклистрону выдавать высокую мощность на очень высоких частотах, что затруднительно при использовании обычных клистронов.
Тюнинг [ править ]
Некоторые клистроны имеют настраиваемые полости. Регулируя частоту отдельных резонаторов, технический специалист может изменить рабочую частоту, усиление, выходную мощность или полосу пропускания усилителя. Нет двух абсолютно идентичных клистронов (даже при сравнении клистронов с одинаковым номером детали / модели). Каждый блок имеет поставляемые производителем калибровочные значения для его конкретных рабочих характеристик. Без этой информации клистрон не мог бы быть настроен должным образом и, следовательно, не работал бы хорошо, если бы вообще.
Настройка клистрона - это деликатная 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 быть осторожен, чтобы не выйти за пределы деления шкалы, иначе это может привести к повреждению клистрона. Другие меры предосторожности при настройке клистрона включают использование инструментов из цветных металлов. В некоторых клистронах используются постоянные магниты . Если техник использует инструменты из железа (которые являются ферромагнитными ) и подходит слишком близко к интенсивным магнитным полям, содержащим электронный луч, такой инструмент может быть втянут в устройство сильной магнитной силой, сломав пальцы, травмировав техника или повредив его. Единица. Специальные легкие немагнитные (а точнее очень слабыедиамагнитные ) инструменты из бериллиевого сплава использовались для настройки клистронов ВВС США.
При транспортировке клистронов в самолетах обычно принимаются меры предосторожности, поскольку сильное 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.
Оптический клистрон [ править ]
Техника усиления, используемая в клистроне, также экспериментально применяется на оптических частотах в лазере, называемом лазером на свободных электронах (ЛСЭ); эти устройства называются оптическими клистронами . [11] Вместо микроволновых резонаторов в них используются 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. [11]
Плавающий клистрон с дрейфовой трубкой [ править ]
Клистрон с плавающей дрейфовой трубкой имеет единственную цилиндрическую камеру, содержащую электрически изолированную центральную трубку. В электрическом отношении это похоже на клистрон с двумя резонаторами осциллятора со значительной обратной связью между двумя резонаторами. Скорость электронов, покидающих полость источника, модулируется электрическим полем, когда они проходят через дрейфовую трубку и выходят в камеру назначения сгустками, передавая энергию колебаниям в полости. Этот тип клистрона генератора имеет преимущество перед клистроном с двумя резонаторами, на котором он основан, в том, что ему нужен только один настраивающий элемент для изменения частоты. Дрейфовая трубка электрически изолирована от стенок резонатора, и смещение постоянного тока прикладывается отдельно. Смещение постоянного тока на дрейфовой трубке можно отрегулировать, чтобы изменить время прохождения через нее,тем самым позволяя некоторую электронную настройку частоты колебаний. Объем настройки таким образом невелик и обычно используется для частотной модуляции при передаче.
Приложения [ править ]
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 используются в радарах , спутниковой и широкополосной связи с высокой мощностью (очень часто используются в телевизионных передачах и спутниковых терминалах КВЧ ), медицине ( радиационная онкология ) и физике высоких энергий ( ускорители элементарных частиц и экспериментальные реакторы). В SLACнапример, обычно используются клистроны, которые имеют выходную мощность в диапазоне от 50 МВт (импульс) до 50 кВт (усредненное по времени) на частоте 2856 МГц. Радар Аресибо Планетарный использовал два клистроны , которые обеспечили полную выходную мощность 1 МВт (непрерывных) при 2380 МГц. [12]
Популярная наука ' s „Лучший Что нового 2007 года“ [13] [14] описал компанию Global Corporation ресурсов,настоящее время несуществующей, используя клистрона для преобразования углеводородов в каждодневных материалов, автомобильных отходов, угля , горючих сланцев и нефтеносных песков в природный газ и дизельное топливо . [15]
См. Также [ править ]
- Усилитель с перекрещенными полями
- Электромагнитное излучение
- Лазер на свободных электронах
- Гиротрон
- Индуктивная выходная трубка
- Линейный ускоритель
- Магнетрон
- Генератор обратной волны
- Ускоритель частиц
- Лампа бегущей волны
- Волновод
- Генератор расширенного взаимодействия
Ссылки [ править ]
- ^ a b Пруд, Норман Х. "Парни из трубки". Расс Кокран, 2008, стр.31-40
- ^ a b Гилмор, AS (2011). Клистроны, трубки бегущей волны, магнетроны, усилители кросс-поля и гиротроны . Артек Хаус. С. 3–4. ISBN 978-1608071845.
- ^ a b Вариан, RH; Вариан, С.Ф. (1939). «Высокочастотный генератор и усилитель». Журнал прикладной физики . 10 (5): 321. Bibcode : 1939JAP .... 10..321V . DOI : 10.1063 / 1.1707311 .
- ↑ Вариан, Дороти. «Изобретатель и летчик». Pacific Books, 1983, стр. 189
- ↑ Вариан, Дороти. «Изобретатель и летчик». Pacific Books, 1983, стр. 187
- ^ Джордж Caryotakis (18 ноября 1997). «Приглашенный доклад: Клистрон: микроволновый источник удивительного диапазона и выносливости» (PDF) . Американское физическое общество: Отделение конференции по физике плазмы, Питтсбург, Пенсильвания . Стэнфорд, Калифорния: Стэнфордский SLAC. Архивировано из оригинального (PDF) 24 сентября 2015 года . Проверено 18 сентября 2012 года .
- ↑ Джеральд Брок, «Вторая информационная революция», издательство Harvard University Press, 2009, ISBN 0674028791 , стр. 122,123
- ^ Микроволновые устройства и схемы , Дорлинг Киндерли, сентябрь 1990 г., стр. 380, ISBN 978-81-7758-353-3
- ^ "V-260, Tube V-260; Röhre V-260 ID35571, Reflex Klystron" . www.radiomuseum.org . Проверено 3 декабря 2019 .
- ↑ Reflex klystron , Dorling Kinderley, сентябрь 1990 г., стр. 391, 392, ISBN 978-81-7758-353-3
- ^ a b Bonifacio, R .; Corsini, R .; Пиерини, П. (15 марта 1992 г.). «Теория оптического клистрона с высоким коэффициентом усиления» (PDF) . Physical Review . 45 (6): 4091–4096. Bibcode : 1992PhRvA..45.4091B . DOI : 10.1103 / physreva.45.4091 . PMID 9907460 . Проверено 24 июня 2014 года .
- ^ Кэмпбелл, DB; Хадсон, РС; Марго, JL (2002). "Достижения планетарной радиолокационной астрономии". Обзор радионауки . 1999–2002: 869–899.
- ^ "Лучшее из новинок 2007 года от PopSci" . Popsci.com . Проверено 28 февраля 2010 .
- ^ "Лучшее из новинок 2007 года от PopSci" . Popsci.com . Проверено 28 февраля 2010 .
- ^ Патент США 7629497 - Микроволновые восстановление на основе углеводородов и ископаемого топлива архивированных 2011-05-07 на Wayback Machine Изданы 8 декабря 2009
Внешние ссылки [ править ]
- Анимация работы клистрона
- (Двухрезонаторный клистрон)
- (Многопрезонный клистрон)
- (Рефлекторный клистрон)
- (Высокая мощность для линейного ускорителя)
- История клистрона от Varian
- Стэнфордский центр линейных ускорителей (249): изображения Klystron Gallery
- Коллекция клистронов в виртуальном музее клапанов
- Клистронный усилитель
- Клистрон "СВЧ-пушка", разработанный в SLAC
