Лабораторна робота № 3

«ВІДБИВАЛЬНИЙ КЛІСТРОН»

 

Виконав:

студентка групи РП-119 Костанянць І.В.

 

 

Перевірив: Фарафонов О. Ю.

 

Запоріжжя

Мета роботи - вивчити конструкцію, принцип роботи і дослідити основні характеристики типового відбивального клістрона з зовнішнім резонатором.

1.Хід роботи

Відбивальні клістрони широко використовуються в діапазоні НВЧ як генератори малої і середньої потужності.

Є два види відбивальних клістронів: із змінним зовнішнім і внутрішнім резонаторами.

Конструкція відбивального клістрона з зовнішнім резонатором показана на рис.3.1. У середині скляного корпусу 1 змонтована електронна гармата 2, відбивач 3, сітки 5, що є анодом і центральною частиною зовнішнього резонатора 4. Вся конструкція відбивального клістрона вакуумована.

Потік електронів, що вилетіли з катода під дією анодної напруги, пронизае сітки резонатора. При цьому в міжсітковому зазорі під дією ВЧ-поля відбувається модуляція електронів по швидкості.

Швидкісна модуляція перетворюється в модуляцію по густині в просторі групування між вихідною сіткою резонатора і відбивачем. Електронний потік повертається до сіток резонатора у вигляді послідовності згустків.

Генерація ВЧ-коливань відбувається за умови проходження резонатора згустками електронів у гальмуючу фазу ВЧ-поля. При цьому кінетична енергія електронів, одержувана ними від поля джерела анодної напруги, перетвориться в енергію ВЧ-коливань. Схема включення відбивального клистрона показана на рис.3.2.

Принцип роботи відбивального клистрона можна усвідомити при розгляді діаграми руху електронів у просторі групування, зо­браженої на рис.3.3.

Розглянемо рух електронів, що вилетіли з об'ємного резонатора в простір групування в різні моменту часу. Електрони, що вилетіли в момент часу і2, одержують додаткове прискорення за рахунок ВЧ-поля, що діє між сітками об'ємного резонатора. Тому вони мають найбільшу швидкість і підлітають ближче до відбивача в порівнянні з іншими електронами. В міру руху електронів у гальмуючому полі, що діє між об'ємним резонатором і відбивачем, їхня швидкість зменшується, і вони повертаються до резонатора в момент часу t7. Електрони, що вилетіли з об'ємного резонатора в момент часу t3, не відчувають додаткового прискорення за рахунок ВЧ-поля. Ці електрони віддаляться від об'ємного резонатора на меншу відстань і знаходяться у просторі угруповання менший час, а потім також повертаються до об'ємного резонатора в момент часу t7.

Електрони, що вилетіли з об'ємного резонатора в момент часу t4, мають мінімальну швидкість. Отже, вони пробудуть у просторі групування найменший час (в порівнянні з іншими електронами) і також повернуться до об'ємного резонатора в момент часу t7.

Проте не всі електрони, що пролетіли через резонатор, беруть участь у процесі угруповання. Наприклад, електрони, що вилітають у момент часу tb не групуються з електронами, що вилітають в інші моменти часу.

Незатухаючі коливання в об'ємному резонаторі будуть існувати тільки в тих випадках, коли згустки електронів, що повертаються з простору групування, віддають свою енергію полю резонатора. Інакше кажучи, поле об'ємного резонатора повинно бути для них гальмуючим (на рис. 3.3 такими моментами час) є t5, t7, t9.)

Час перебування електронів у просторі групування, а отже, у момент часу, у який сформовані згустки електронів пролітають через резонатор, залежать від розміру негативної напруги на відбивачі. В розглянутому випадку напруга на відбивачі вибрана так, що згустки повертаються до об'ємного резонатора в момент часу t7. При збільшенні негативної напруги на відбивачі можна домогтися того, що згустки електронів будуть повертатися до об'ємного резонатора в момент часу і5. При зменшенні напруги на відбивачі електронні згустки можуть повернутися до об'ємного резонатора в момент час) tg і при цьому також будуть виконуватися умови само­збудження клістронів. Отже, ВЧ-коливання у відбивальному клістроні виникають не при одній напрузі на відбивачі, а при декіль­кох.

Аналіз умови генерації клістрона показує, що ВЧ-коливання можливі в порівняно вузьких діапазонах зміни напруги відбивача. Ці діапазони одержали назву зон або областей генерації. Поло­ження максимумів зон генерації визначається з такого співвідно­шення:

Залежність генероуємої потужності і частоти від напруги відбивача при незмінній напрузі на резонаторі і постійному навантаженні показана на рис.3.4.

Потужність, що виділяється в навантаженні клістрона, не для всіх зон генерації однакова. Це пояснюється наступними причинами. При великій негативній напрузі на відбивачі час перебування електронів у просторі групування настільки малий, що вони не встигають сформуватися в густі згустки, унаслідок чого зменшуються генеруєма потужність і ККД. При малій негативній напрузі відбивача частина електронів, що мали великий запас кінетичної енергії, долітає до відбивача і, вдарюючись об нього, втрачають енергію, внаслідок чого потужність генерованих коливань також зменшується.

Слід зазначити, що при зміні напруги на відбивачі ПОТУЖНІСТЬ, що виділяється в навантаженні клістрона, не залишається постійною, а зменшується. Пояснюється це тим, що електронні згустки проходять у цьому випадку через сітки об'ємного резонатора в ті моменти часу, коли гальмуюче ВЧ-поле в ньому відрізняється від максимального значення. Електрони відчувають менше гальмування при взаємодії з ВЧ-полем резонатора і віддають меншу частину своєї кінетичної енергії.

Частота генерованих коливань відповідно до вираження (3.5) визначається власною частотою резонатора f0 і напругою відбивача.

Власна частота резонатора f0 може змінюватися механічним засобом.

Вихідна потужність клістрона залежить від навантаження. Існує визначене для даного клістрона значення навантаження, при якому вихідна потужність досягає максимуму. Це навантаження називають оптимальним.