Клистрон

Итак, электрон при воздействии на него силы электрического поля начинает двигаться. Пусть поле создано положительно заряженным электродом. Притягиваясь к нему, электрон все время набирает скорость. Вместе со скоростью растет и его кинетическая энергия. Электрическое поле в этом случае служит источником, питающим электрон энергией. Но вот на каком-то участке своего пути электрон попадает в местное отталкивающее, замедляющее поле. Начинается торможение. Вместе со скоростью «исчезает» и часть кинетической энергии. Но мы хорошо знаем — энергия не может исчезнуть бесследно. В данном случае она лишь передается полю, тормозящему электрон.

Ускорение и торможение электронов — это основа работы клистрона.

В нем, так же как и в обычной лампе, источником электронов служит катод. С помощью специального приспособления электроны {76} собираются (фокусируются) в узкий луч и направляются к аноду. Но на пути их расставлен ряд преобразующих элементов. Прежде всего электроны встречают первую сетку. На ней — постоянный положительный заряд. Поэтому она еще больше разгоняет электроны. Они направляются дальше со скоростью, значительно более высокой, чем в обычных лампах. После первой сетки начинается «рабочая» часть прибора. Электроны подходят еще к двум сеткам,

Схема устройства и работы клистрона.

расположенным совсем близко одна к другой. Эти сетки — пластины «конденсатора» объемного контура.

Пусть в этом контуре имеются колебания. Тогда направление поля между пластинами-сетками все время меняется с частотой колебаний. Движение попадающих в междусеточное пространство

Группирование электронов в рабочей части клистрона.

электронов будет то ускоряться, то замедляться. Вышедшие из этой области электроны входят в сравнительно длинный участок без всяких «препятствий». Но ведь теперь их скорость неодинакова. Заторможенные электроны отстают, ускоренные догоняют летящие впереди. Образуются группы электронов, следующие одна за другой, как волны морского прибоя (клистрон — по-гречески морской прибой). Сгруппировавшиеся электроны встречают на своем пути вторую пару сеток. Это тоже «конденсатор» объемного контура. Приближение к сеткам пространственного отрицательного заряда {77} (группы электронов) не остается «незамеченным». Возникающий в контуре (под влиянием пространственного заряда) ток уносит с более близкой сетки отрицательные заряды. Между сетками образуется отрицательное, тормозящее поле. Теперь объемный контур готов к встрече электронов. Как только группа их влетает в междусеточное пространство, ее движение замедляется. Отобранная у электронов энергия воспринимается объемным контуром и идет на поддержание колебаний. Направление поля между сетками все время меняется. Если контур правильно отрегулирован, то каждая следующая группа электронов будет подходить в такой момент, когда между сетками действует тормозящее поле. Использованные, «выжатые» электроны выходят из междусеточного пространства и принимаются анодом. Затем с помощью анодной батареи они переходят обратно на катод.

Так, черпая в ускоряющем электрическом поле энергию анодной батареи, электроны отдают ее колебательному контуру, беспрерывно поддерживая его колебания. Эти колебания можно отобрать из объемного контура и использовать по назначению.

Итак, клистрон может быть хорошим генератором колебаний сверхвысокой частоты, но для этого надо предварительно как-то возбудить колебания в первом контуре. Как самый обычный ламповый генератор, клистрон может выделить первому, управляющему контуру часть энергии второго контура. Так же как и в обычном ламповом генераторе, управляемый поток электронов возместит все необходимые затраты.

У читателя может возникнуть вопрос, почему же в клистроне не сказывается время пролета между сетками? Дело в том, что эти затруднения появляются при значительно более высоких частотах: ведь расстояние между сетками контура очень мало, а скорость электронов значительно выше, чем в обычных лампах. На частотах сантиметрового диапазона электронный поток между сетками успевает подчиняться управляющему контуру.

Приспособление обыкновенных электронных ламп к сверхвысоким частотам сопровождалось уменьшением электродов, сокращением размеров между ними. Малые расстояния между электродами ставили непреодолимую преграду для использования больших напряжений (из-за возможности электрического пробоя между электродами). Все это и ряд других причин приводили к падению мощности ламп на сверхвысоких частотах, к уменьшению их коэффициента полезного действия. Производство пригодных для ультракоротких радиоволн обычных ламп становилось очень сложным.

Использование клистрона обещало преодоление части этих затруднений. Здесь уже катод находится вне зоны действия высокочастотного поля, а потому он может быть достаточно большим. Да и расстояния между электродами позволяют использовать высокие напряжения. Значит, и мощность может быть получена большей.

Вот почему разработка различных конструкций клистронов привлекла усиленное внимание радиоинженеров. {78}

В настоящее время используются клистроны нескольких типов. Среди них имеются одноконтурные, двухконтурные и даже трехконтурные. Мощность этих приборов колеблется в очень больших пределах — от единиц до сотен и даже нескольких тысяч ватт. Сравнительно мощные клистроны используются в телевизионных передатчиках.

Для передатчика радиолокатора был предложен другой прибор — магнетрон, специально предназначенный для создания мощных колебаний за короткий промежуток импульса. Его создание позволило строить мощные станции сантиметрового диапазона.