Reflexní klystron

Reflexní klystron pracuje jako generátor. Od dvouokruhového klystronu se liší tím, že má pouze jeden rezonátor, který zastává zároveň funkci shlukovače a zachycovače.

Obr. 6.2.1  Schéma uspořádání reflexního klystronu

Každý elektron projde rezonátorem dvakrát, v přímém směru je rychlostně modulován. Ve shlukovacím prostoru D nastává shlukování elektronů a zároveň jsou brzděny elektrickým polem mezi rezonátorem, který je stejnosměrný na potenciálu anody, a reflektorem R, jehož potenciál je záporný vůči katodě, takže na tuto elektrodu elektrony nedopadají. V určité vzdálenosti se jejich pohyb zastaví a v opačně orientovaném, nyní urychlujícím poli se pohybují zpět směrem k rezonátoru, do něhož vstupují při zpětném pohybu shluky vytvořené ve shlukovacím prostoru a rezonátor budí. Při správné volbě parametrů vstupují shluky do rezonátoru v okamžiku, kdy vysokofrekvenční pole, které je brzdí, prochází maximem (obr. 6.2.2). 

Obr. 6.2.2  Při správné volbě parametrů vstupují shluky do rezonátoru v okamžiku, kdy VF pole, které je brzdí prochází maximem.

Jak je patrno, nastává tato situace pro průletovou dobu T takovou, že

kde n čísluje oscilační zónu. 

Obr. 6.2.3  trajektorie referenčních elektronů pro nultou až třetí oscilační zónu

Na obr. 6.2.3 jsou znázorněny trajektorie referenčních elektronů pro nultou až třetí oscilační zónu. Z důvodů, které ozřejmíme později, se obvykle budí v zónách 2 až 3.

V kinematické teorii reflexního klystronu můžeme použít výsledků, které jsme dostali pro dvouokruhový klystron. Proto si všimněme nejdříve pohybu elektronu v poli reflektoru, tj. ve shlukovacím prostoru mezi výstupem z rezonátoru a elektrodou R. Tam je intenzita pole

takže zrychlení elektronu ve shlukovacím prostoru je

Počáteční rychlost elektronu, který vstupuje v okamžiku t₀ do pole reflektoru je stejná jako u dvouokruhového klystronu

V prostoru reflektoru se však na rozdíl od dvouokruhového klystronu pohybuje elektron se zrychlením a, takže platí obecně

Do doby než se elektron zastaví, tj.  uplyne čas . Jelikož stejnou dobu potřebuje k návratu do rezonátoru, je vztah mezi okamžikem vstupu do shlukovacího prostoru t₀ a okamžikem návratu do rezonátoru t dán (po vynásobení w)

Po úpravě dostaneme

          (6.2.1)

kde  (jako u dvouokruhového klystronu)

avšak

Při správné volbě veličin v poslední rovnici můžeme docílit toho, že

a dosáhneme generování v zóně s indexem n.

Rovnice (6.2.1) se shoduje až na znaménko u X s obdobnou rovnicí (6.1.1) pro dvouokruhový klystron. Nemusíme tedy opakovat úvahy, které vedou k výpočtu vodivého proudu a můžeme přímo vyjádřit proud první harmonické

neboť , avšak  i₀ = -i₀ neboť proud teče opačným směrem.

Výkon se opět stanoví jako

          (6.2.2)

a má aktivní a reaktivní část.

Aby nastalo buzení oscilací je třeba, aby

          (6.2.3)

tj. .

Největší výkon se odevzdá rezonátoru zřejmě pro  

Podle (6.2.3) může reflexní klystron kmitat v určitém intervalu, tj. bude-li se při pevném V₀ měnit napětí reflektoru V_D . Optimální výkon odpovídá středu příslušné oscilační zóny. Aby však oscilace nasadily, je třeba určitého minimálního proudu i₀ .

Předpokládejme, že ztráty v rezonátoru se dají vyjádřit nějakým  R_ekv, potom

          (6.2.4)

Vzhledem k tomu, že oscilace nasazují s malou amplitudou  U, můžeme

a dostaneme pro proud

 pro

což jest nejmenší proud potřebný k vyvolání oscilací a nazývá se startovní proud. Nejmenší hodnotu nabývá ve středu zóny pro

Je vidět, že čím vyšší je zóna, tím menší je potřebný startovní proud. Proto je výhodné pracovat v zóně s vyšším indexem (n=2,3), ale při zachování rozumných rozměrů shlukovacího prostoru. Zároveň se můžeme přesvědčit, že se stoupajícím indexem oscilační zóny klesá účinnost

Maximum  X.J₁(X)=1,248 takže

Pro n=2 vychází účinnost  Ve skutečnosti je asi 2%. To je vyvoláno jevy, které nebyly zahrnuty do kinematické teorie (zachycování elektronů na mřížkách nebo štěrbinách, vliv sekundárních elektronů, vliv prostorového náboje, nedokonalé přizpůsobení zátěže). Malá účinnost reflexního klystronu není v praxi na závadu, neboť reflexní klystron se používá jako generátor malých výkonů, zejména k měrným účelům. Při výkonu řádově 10 mW nehraje účinnost nijakou roli.

Frekvence samobuzených kmitů v reflexním klystronu se dá v určitém rozmezí měnit tím, že se mění napětí reflektoru - tzv. elektronické ladění, což má velký praktický význam. Abychom dostali závislost rezonanční frekvence systému tj. rezonátoru buzeného elektronovým svazkem na napětí reflektoru, použijeme náhradního rezonančního LRC obvodu (= rezonátor) a určíme reaktivní výkon jako

kde

a

takže

V okolí rezonance můžeme

takže

Nyní porovnáme tento výraz s reaktivní složkou výkonu  pro elektronový svazek (6.2.2) a dostaneme

Použitím rovnosti středních hodnot aktivních výkonů (6.2.4):

dostaneme

a zavedením činitele jakosti rezonátoru

získáme

          (6.2.5)

vztah mezi frekvencí samobuzených kmitů a rezonanční frekvencí rezonátoru v závislosti na průletovém úhlu , který je funkcí napětí reflektoru. Na obr. 6.2.4 je graf závislosti výkonu a frekvence na napětí reflektoru pro oscilační zóny 1 až 3.

Obr. 6.2.4  Graf závislosti výkonu a frekvence na napětí reflektoru pro oscilační zóny 1 až 3

Ve středu oscilační zóny je odevzdaný výkon maximální a oscilace se budí na rezonanční frekvenci. Elektronické ladění se projevuje po obou stranách středu zóny. Při rezonanci jsou totiž napětí a proud v náhradním obvodu v opačné fázi. Na rozdíl od generátorů pracujících v kvazistacionárním režimu je změna frekvence úměrná první mocnině převrácené hodnoty činitele jakosti. Mechanizmus elektronického ladění je v podstatě velmi prostý: jestliže frekvence samobuzených kmitů odpovídá rezonanční frekvenci w, přicházejí shluky elektronů vždy do rezonátoru v okamžiku, kdy brzdící pole má maximální hodnotu. Jestliže se sníží napětí V_D, bude shluk elektronů vstupovat do rezonátoru „předčasně“, což zvýší frekvenci samobuzených kmitů. Zvýšené napětí V_D má analogický účinek při snižování frekvence. Elektronickým laděním je prakticky možné měnit frekvenci řádově o 1 % základní frekvence. Větší změny (až 20 %) je možné dosáhnout mechanickým laděním rezonátoru. Obvod s reflexním klystronem je nejobvyklejším signálním generátorem v oblasti velmi vysokých frekvencí.

<<< předchozí | hlavní stránka