Клистрона - Klystron

Для высокоскоростной переключаемой трубки дугового разряда см. Krytron. Для клистрода см. Индуктивная выходная трубка.
Клистрон мощностью 400 кВт, используемый для связи космических кораблей на Комплекс связи в дальнем космосе Канберры. Это запасной на складе.
Клистронная трубка мощностью 5 кВт, используемая в качестве усилителя мощности в телевизионном передатчике УВЧ, 1952 г. При установке трубка выступает через отверстия в центре объемных резонаторов, при этом стороны полостей контактируют с металлическими кольцами на трубке.

А клистрон специализированный линейно-балочный вакуумная труба, изобретенный в 1937 году американскими инженерами-электриками Рассел и Сигурд Вариан,[1] который используется как усилитель мощности для высоких радиочастоты, из УВЧ вверх в микроволновая печь классифицировать. Маломощные клистроны используются в качестве генераторов в земных микроволновое реле каналов связи, а мощные клистроны используются в качестве выходных ламп в УВЧ телевизионные передатчики, спутниковая связь, радар передатчики, а также для создания движущей силы для современных ускорители частиц.

В клистроне электронный луч взаимодействует с радиоволнами, проходя через резонансные полости, металлические ящики по длине трубы.[2] Электронный луч сначала проходит через резонатор, к которому подается входной сигнал. Энергия электронного луча усиливает сигнал, и усиленный сигнал берется из полости на другом конце трубки. Выходной сигнал может быть возвращен во входную полость, чтобы создать электронный генератор для генерации радиоволн. В прирост клистронов могут быть высокими, 60 дБ (один миллион) и более, с выходной мощностью до десятков мегаватты, но пропускная способность узкий, обычно несколько процентов, хотя на некоторых устройствах он может достигать 10%.[2]

А рефлекторный клистрон это устаревший тип, в котором электронный луч отражался обратно по своему пути от высокопотенциального электрода, используемого в качестве генератора.

Название клистрон исходит из Греческий глагол κλύζω (клизо) относится к действию волн, разбивающихся о берег, а суффикс -τρον («трон») означает место, где происходит действие.[3] Название «клистрон» было предложено Герман Френкель, профессор кафедры классики Стэнфордского университета, когда клистрон находился в стадии разработки.[4]

История

Первый прототип клистрона, изготовленный Westinghouse в 1940 году. Часть трубки вырезана, чтобы показать внутреннюю конструкцию. Слева находятся катод и ускоряющий анод, которые создают электронный пучок. В центре между деревянными опорами находится дрейфовая труба, окруженная двумя полостными резонаторами в форме пончика, «группировщиком» и «ловушкой». Выходной терминал виден вверху. Справа - конусообразный анод коллектора, который поглощает электроны. Он мог генерировать 200 Вт мощности на 40 сантиметрах (750 МГц) с 50% эффективностью.

Клистрон был первым значительно мощным источником радиоволн в микроволновая печь классифицировать; до его изобретения единственными источниками были Трубка Баркгаузена-Курца и магнетрон с расщепленным анодом, которые были ограничены очень низкой мощностью. Это было изобретено братьями Рассел и Сигурд Вариан в Стэндфордский Университет. Их прототип был завершен и успешно продемонстрирован 30 августа 1937 года.[5] После публикации в 1939 г.[3] новости о клистроне сразу повлияли на работу исследователей из США и Великобритании, работающих над радар оборудование. Варианцы основали Varian Associates коммерциализировать технологию (например, сделать небольшие линейные ускорители для генерации фотонов для внешнего луча радиационная терапия ). Их работе предшествовало описание модуляции скорости A. Arsenjewa-Heil и Оскар Хайль (жена и муж) в 1935 году, хотя Варианцы, вероятно, не знали о работе Хейлов.[6]

Работа физика W.W. Хансен сыграл важную роль в разработке клистрона и был процитирован братьями Вариан в их статье 1939 года. Его резонаторный анализ, который касался проблемы ускорения электронов по направлению к цели, мог также использоваться для замедления электронов (то есть передачи их кинетической энергии радиочастотной энергии в резонаторе). Вовремя вторая мировая война, Хансен читал лекции в радиационной лаборатории Массачусетского технологического института два дня в неделю, добираясь до Бостона из Компания Sperry Gyroscope на Лонг-Айленде. Его резонатор братья Вариан назвали «румбатроном».[1] Хансен умер от бериллиевая болезнь в 1949 г. в результате воздействия оксид бериллия (BeO).

Вовремя Вторая мировая война, державы оси полагались в основном на клистронную технологию (тогда еще маломощную и длинноволновую) для генерации микроволновых радиолокационных систем, в то время как союзники использовали гораздо более мощную, но дрейфующую по частоте технологию резонаторный магнетрон для генерации более коротковолнового микроволнового излучения на один сантиметр. Технологии трубок клистрона для приложений с очень большой мощностью, таких как синхротроны и радиолокационные системы были разработаны.

Сразу после войны AT&T использовал клистроны мощностью 4 Вт в своей новой сети микроволновое реле ссылки, которые охватывают континент США.[7] Сеть обеспечивала междугородную телефонную связь, а также передавала телевизионные сигналы для основных телевизионных сетей. Телеграфная компания Western Union также построили двухточечные микроволновые каналы связи с использованием промежуточных ретрансляционных станций с интервалом примерно 40 миль в то время, используя рефлекторные клистроны 2K25 как в передатчиках, так и в приемниках.

Операция

Клистроны усиливают Радиочастотные сигналы путем преобразования кинетическая энергия в ОКРУГ КОЛУМБИЯ электронный луч в мощность радиочастоты. В вакууме пучок электронов испускается электронной пушкой или термоэмиссионный катод (нагретые гранулы низкой рабочая функция материала) и ускоряется высоковольтными электродами (обычно в десятки киловольт).

Этот луч проходит через вход объемный резонатор. Радиочастотная энергия подавалась во входной резонатор на или рядом с ним. резонансная частота, 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 колебания. Возбужденные в полости ловителя колебания выводятся через коаксиальный кабель или же волновод.

Отработанный электронный пучок с пониженной энергией захватывается коллекторным электродом.

Сделать осциллятор, выходной резонатор может быть соединен с входным (ыми) резонатором (ами) с помощью коаксиальный кабель или же волновод. Положительный отзыв возбуждает спонтанные колебания на резонансной частоте резонаторов.

Двухрезонаторный клистрон

Klystron.enp.gif

Простейшая трубка клистрона - это двухрезонаторный клистрон. В этой трубке есть два полых СВЧ-резонатора, «ловушка» и «группировщик». При использовании в качестве усилителя слабый микроволновый сигнал, который необходимо усилить, подается в полость группирования через коаксиальный кабель или волновод, а усиленный сигнал выводится из полости улавливателя.

На одном конце трубки находится горячий катод который производит электроны при нагревании нитью накала. Электроны притягиваются и проходят через анод цилиндр с высоким положительным потенциалом; катод и анод действуют как электронная пушка для создания высокоскоростного потока электронов. Внешний электромагнит намотка создает продольную магнитное поле вдоль оси луча, что предотвращает растекание луча.

Луч сначала проходит через полостной резонатор «группирующий» через решетки, прикрепленные к каждой стороне. Сетки группирования имеют на них осциллирующий потенциал переменного тока, создаваемый колебаниями стоячей волны внутри резонатора, возбуждаемыми входным сигналом на уровне резонатора. резонансная частота применяется коаксиальным кабелем или волноводом. Направление поля между сетками меняется дважды за цикл входного сигнала. Электроны, входящие, когда входная сетка отрицательная, а выходная сетка положительная, 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 пакетировщика есть пространство, называемое дрейфующее пространство. Это пространство достаточно длинное, чтобы ускоренные электроны догоняли электроны, которые тормозились раньше, образуя "сгустки" продольно вдоль оси пучка. Его длина выбирается так, чтобы обеспечить максимальное группирование на резонансной частоте, и может достигать нескольких футов в длину.

Генератор клистрона с 1944 года. Электронная пушка справа, коллектор слева. Два объемные резонаторы находятся в центре, соединены коротким коаксиальным кабелем для обеспечения положительной обратной связи.

Затем электроны проходят через вторую полость, называемую «ловушкой», через аналогичную пару решеток на каждой стороне полости. Функция улавливающие решетки заключается в поглощении энергии электронного луча. Пучки электронов, проходящие через них, возбуждают стоячие волны в полости, которая имеет ту же резонансную частоту, что и полость группирования. 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 действуют на электрическое поле и замедляются, их кинетическая энергия преобразован в электрический потенциальная энергия, увеличивая амплитуду колеблющегося электрического поля в резонаторе. Таким образом, осциллирующее 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 более низкой энергией поглощается «коллекторным» электродом, вторым анодом, на котором поддерживается небольшое положительное напряжение.

Клистронный генератор

An электронный генератор может быть изготовлен из клистроновой трубки, обеспечив Обратная связь путь от выхода к входу, соединив полости «улавливатель» и «упаковщик» с коаксиальный кабель или же волновод. Когда устройство включено, электронный шум в полости усиливается трубкой и возвращается из выходного уловителя в полость группирующего устройства для повторного усиления. Из-за высокого Q полостей сигнал быстро становится синусоидальной волной на резонансная частота полостей.

Многопрезонный клистрон

Во всех современных клистронах количество полостей превышает две. Дополнительные полости «группирования», добавленные между первым «группирующим устройством» и «улавливателем», могут быть использованы для увеличения усиления клистрона или для увеличения полосы пропускания.[8]

Остаточная кинетическая энергия в электронном луче, 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 рекуперацию энергии за счет «сортировки» электронов в энергетических ячейках.

Рефлекторный клистрон

Маломощный российский рефлекторный клистрон 1963 года выпуска. объемный резонатор с которого снимается вывод, крепится к электродам с маркировкой Резонатор Экстернера. Рефлекторные клистроны сейчас практически устарели.
Reflex.sch.enp.svg
вырез рефлекторного клистрона
в разрезе: рефлекторный клистрон[9]
Основная статья: Трубка Саттона

В рефлекторный клистрон (также известный как Трубка Саттона в честь одного из его изобретателей Роберта Саттона) представляла собой клистронную трубку малой мощности с единственным резонатором, которая функционировала как осциллятор. Он использовался как гетеродин в некоторых радиолокационных приемниках и модулятор в микроволновых передатчиках 1950-х и 1960-х годов, но сейчас они устарели и заменены полупроводниковыми микроволновыми устройствами.

В рефлекторном клистроне электронный пучок проходит через одиночный резонатор. Электроны выстреливаются в один конец трубки при помощи электронная пушка. После прохождения через резонаторную полость они отражаются отрицательно заряженным отражающим электродом для следующего прохождения 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. В Напряжение на отражателе необходимо отрегулировать так, чтобы группировка была максимальной при повторном входе электронного луча в резонатор, обеспечивая тем самым передачу максимальной энергии от электронного луча к РФ колебания 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, а также в модуляция частоты для передатчиков. Уровень модуляции, применяемый для передачи, достаточно мал, чтобы выходная мощность оставалась практически постоянной. В областях, далеких от оптимального напряжения, колебания вообще не возникают.[10]Часто бывает 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.

Современное полупроводник Технология эффективно заменила рефлекторный клистрон в большинстве приложений.

Тюнинг

Большие клистроны, используемые в кольцо для хранения из Австралийский синхротрон для поддержания энергии электрон луч

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). Каждое устройство 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 проявлять осторожность, 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. Некоторые клистроны используют постоянные магниты. Если техник использует железо инструменты (которые ферромагнитный ) и приближается слишком близко к сильным магнитным полям, которые содержат электронный луч, такой инструмент может быть втянут в устройство под действием сильной магнитной силы, сломав пальцы, травмировав техника или повредив устройство. Особый легкий немагнитный (а точнее очень слабый диамагнитный ) инструменты из бериллий Сплав использовался 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

Техника усиления, используемая в клистроне, также экспериментально применяется на оптических частотах в виде лазер называется лазер на свободных электронах (FEL); эти устройства называются оптические клистроны.[11] Вместо микроволновых резонаторов в них используются устройства, называемые ондуляторы. 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]

Плавающая дрейфовая трубка клистрона

Клистрон с плавающей дрейфовой трубкой имеет единственную цилиндрическую камеру, содержащую электрически изолированную центральную трубку. Электрически он аналогичен клистрону 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, что позволяет осуществлять некоторую электронную настройку частоты колебаний. Объем настройки таким образом невелик и обычно используется для частотной модуляции при передаче.

Приложения

Клистроны могут производить гораздо более высокую выходную микроволновую мощность, чем твердое состояние микроволновые устройства, такие как Диоды Ганна. В современных системах они используются от УВЧ (от сотен мегагерц) до сотен гигагерц (как в клистронах с расширенным взаимодействием в CloudSat спутник). Клистроны можно найти в работе в радар, спутниковая и широкополосная мощная связь (очень часто встречается в телевидение вещание и КВЧ спутник терминалы), лекарства (Радиационная Онкология ), и физика высоких энергий (ускорители частиц и экспериментальные реакторы). В SLAC например, обычно используются клистроны, которые имеют выходную мощность в диапазоне от 50 МВт (импульс) до 50 кВт (усредненное по времени) на частоте 2856 МГц. В Планетарный радар Аресибо использует два клистрона, которые обеспечивают общую выходную мощность 1 МВт (непрерывная) на частоте 2380 МГц.[12]

Популярная наука's «Лучшее из новинок 2007 года»[13][14] описал компанию Global Resource Corporation, в настоящее время несуществующую, использующую клистрон для преобразования углеводороды в бытовых материалах, автомобильных отходах, каменный уголь, горючие сланцы, и нефтеносные пески в натуральный газ и дизельное топливо.[15]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б Пруд, Норман Х. «Парни из трубки». Расс Кокран, 2008, стр.31-40
  2. ^ а б Гилмор, А. С. (2011). Клистроны, трубки бегущей волны, магнетроны, усилители кросс-поля и гиротроны. Артек Хаус. С. 3–4. ISBN  978-1608071845.
  3. ^ а б Varian, R.H .; Вариан, С. Ф. (1939). «Генератор и усилитель высокой частоты». Журнал прикладной физики. 10 (5): 321. Bibcode:1939JAP .... 10..321В. Дои:10.1063/1.1707311.
  4. ^ Вариан, Дороти. «Изобретатель и летчик». Pacific Books, 1983, стр. 189
  5. ^ Вариан, Дороти. «Изобретатель и летчик». Pacific Books, 1983, стр. 187
  6. ^ Джордж Кариотакис (18 ноября 1997 г.). «Приглашенный доклад: Клистрон: микроволновый источник удивительного диапазона и выносливости» (PDF). Американское физическое общество: Подразделение конференции по физике плазмы, Питтсбург, Пенсильвания.. Стэнфорд, Калифорния: Стэнфордский SLAC. Архивировано из оригинал (PDF) 24 сентября 2015 г.. Получено 18 сентября, 2012.
  7. ^ Джеральд Брок, "Вторая информационная революция", издательство Гарвардского университета, 2009 г., ISBN  0674028791, стр. 122, 123
  8. ^ Микроволновые устройства и схемы, Дорлинг Киндерли, сентябрь 1990 г., стр. 380, ISBN  978-81-7758-353-3
  9. ^ "V-260, трубка V-260; Röhre V-260 ID35571, Reflex Klystron". www.radiomuseum.org. Получено 2019-12-03.
  10. ^ Рефлекторный клистрон, Дорлинг Киндерли, сентябрь 1990 г., стр. 391, 392, ISBN  978-81-7758-353-3
  11. ^ а б Bonifacio, R .; Corsini, R .; Пиерини, П. (15 марта 1992 г.). «Теория оптического клистрона с большим усилением» (PDF). Физический обзор A. 45 (6): 4091–4096. Bibcode:1992ПхРвА..45.4091Б. Дои:10.1103 / Physreva.45.4091. PMID  9907460. Получено 24 июня, 2014.
  12. ^ Кэмпбелл, Д. Б.; Hudson, R. S .; Марго, Дж. Л. (2002). "Достижения планетарной радиолокационной астрономии". Обзор радионауки. 1999-2002: 869–899.
  13. ^ «Лучшие из новинок 2007 года от PopSci». Popsci.com. Получено 2010-02-28.
  14. ^ «Лучшие из новинок 2007 года от PopSci». Popsci.com. Получено 2010-02-28.
  15. ^ Патент США 7629497 - Извлечение углеводородов и ископаемого топлива с помощью СВЧ В архиве 2011-05-07 на Wayback Machine Выдан 8 декабря 2009 г.

внешняя ссылка