Клістрон – електровакуумна лампа з модуляцією швидкості електронів . Він використовується для посилення та генерації мікрохвильових сигналів (з частотами від сотень мегагерц і вище). Він складається з катода, що посилає електрони , набору електродів, що фокусують випущені електрони у вузький пучок, прискорювального анода і щонайменше двох резонаторів і колектора.
Катод клістрона випромінює електрони, які, формуючись у вузький пучок, прискорюються високовольтним анодом кіловольтного діапазону. Пройшовши анод, електрони летять в область першого резонатора, який є вхідним резонатором – до нього підключається вхідний сигнал. Електрони, що потрапляють в резонатор, мають постійну швидкість, що залежить від прискорюючої анодної напруги. Сигнал, що подається на вхідний резонатор, збуджує в ньому електромагнітне полена частоті сигналу, електрична складова якого паралельна напрямку впливає на електрони, змінюючи їх швидкість. В результаті електрони, що виходять з вхідного резонатора, мають різну швидкість – коли електричне поле знаходиться в напрямку руху електронів, вони додатково прискорюються, інакше сповільнюються. Електрони рухаються далі до другої групи резонаторів разом – швидші електрони наздоганяють повільніших – відбувається фазова фокусування і вони досягають вихідного резонатора «пакетами», а не одним безперервним потоком.
Потік електронів змінної інтенсивності у вихідному колі індукує електромагнітне поле за рахунок своєї енергії , яку можна вивести як посилений корисний сигнал. Після виходу з вихідного резонатора електрони досягають колектора. У зв’язку з тим, що вхідні та вихідні ланцюги є резонаторами, клістрон є вузькосмуговою лампою – вона може працювати лише на частоті, близькій до тієї, на яку розрахований. Один або кілька проміжних резонаторів можна вставити між вхідним і вихідним резонаторами, щоб збільшити коефіцієнт посилення клістрона. Така схема еквівалентна двом (або більше) двоконтурним клістронам, з’єднаним послідовно, причому проміжний резонатор є одночасно вихідним ланцюгом першого клістрона і вхідним ланцюгом наступного. Таку конструкцію називають багатоконтурним (багатопорожнинним) клістроном.
Основні властивості клістронів
- Максимальний ККД 40% (максимальний теоретичний ККД 58%)
- Діапазон робочих частот – від сотень МГц до приблизно 10 ГГц .
- Діапазон частот знизу обмежений розміром (вони збільшуються при зменшенні частоти) і тим, що сітчасті лампи працюють краще в цих діапазонах частот.
- Діапазон частот зверху також обмежений зменшенням ККД, розміром і (через розмір) – зменшенням максимальної потужності.
- Підсилення коливається від десятка децибел для двоконтурних клістронів до кількох десятків для багатоконтурних.
- Вихідна потужність може варіюватися від одного ват до декількох десятків кіловат в безперервній роботі і навіть декількох мегават в імпульсному режимі.
Клістрони поділяються на 2 класи: пролітні та відбивні. У пролітному клістроні електрони послідовно пролітають через зазори об’ємних резонаторів. У найпростішому випадку резонаторів 2: вхідний та вихідний. Подальшим розвитком пролітних клістронів є каскадні багаторезонаторні клістрони, які мають один або кілька проміжних резонаторів, що розташовані між вхідним та вихідним резонаторами.
У рефлектроному клістроні використовується один резонатор, через який електронний потік проходить двічі, відбиваючись від спеціального електрода – відбивача.
Історія клістрона
Перші конструкції пролітних клістронів були запропоновані і здійснені в 1938 американськими інженерами Расселом і Сігуртом Варіаном.Перші конструкції пролітних клістронів були запропоновані і здійснені в 1938 американськими інженерами Расселом і Сігуртом Варіаном.
Застосування клістронів
- Потужні радари. У вихідних каскадах найпотужніших у світі радіолокаторів для дослідження астероїдів та комет (радіолокаційні телескопи, планетні та астероїдні радари), які розташовані в обсерваторіях Аресібо ( Пуерто-Ріко ), Голдстоуні ( Каліфорнія ) та Євпаторії ( Україна ) клістрони з водяним охолодженням.
- Телевізійні передавачі
- Прискорювачі частинок
Оптичний клістрон
Техніка посилення, що використовується в клістроні, також експериментально застосовується на оптичних частотах у типі лазера, який називається лазером на вільних електронах; ці пристрої називаються оптичними клістронами. Замість мікрохвильових резонаторів вони використовують пристрої, які називаються ондуляторами . Електронний промінь проходить через ондулятор, в якому промінь лазерного світла викликає групування електронів. Потім промінь проходить через другий ондулятор, в якому згустки електронів викликають коливання для створення другого, більш потужного світлового променя.