Клистрон

КЛИСТРОН (от греческого κλύζω - ударять, окатывать волной и ...трон), электровакуумный СВЧ-прибор, работа которого основана на взаимодействии потока электронов с электрическими СВЧ-полями объёмных резонаторов, группировании электронов в сгустки и последующем преобразовании кинетической энергии электронов в энергию СВЧ-колебаний. Различают пролётные и отражательные клистроны.

Большинство пролётных клистронов предназначены для усиления СВЧ-колебаний. В многорезонаторном пролётном клистроне (получили наибольшее распространение) электроны последовательно пролетают сквозь зазоры объёмных резонаторов (рис.). Однородный по скорости электронный поток, сформированный электронной пушкой, поступает в зазор входного резонатора, где под действием продольного электрического СВЧ-поля, возбуждаемого с помощью внешнего задающего генератора, происходит модуляция скоростей электронов. СВЧ-поле в течение одной половины периода ускоряет, а в течение другой - замедляет движение электронов. За входным резонатором электроны попадают в пространство дрейфа, свободное от СВЧ-поля, где ускоренные электроны догоняют замедленные. Происходит группирование электронов и формирование периодических электронных сгустков, т. е. модуляция электронного потока по скорости переходит в модуляцию по плотности. В зазоре выходного резонатора сгруппированные в сгустки электроны взаимодействуют с наведённым ими электрическим СВЧ-полем, большинство электронов тормозится, и часть их кинетической энергии преобразуется в энергию СВЧ-колебаний. Затем электроны оседают на коллекторе, рассеивая оставшуюся часть кинетической энергии в виде тепла. Пролётные клистроны обычно содержат от 4 до 8 резонаторов. Наличие промежуточных резонаторов, расположенных между входным и выходным, позволяет получить большее усиление, расширить полосу рабочих частот и повысить кпд клистронов. Многорезонаторные клистроны используются главным образом в качестве мощных усилителей радиолокационных станций, в устройствах спутниковой связи, радиоастрономии и др.; их выходная мощность обычно составляет от нескольких Вт до единиц МВт в непрерывном режиме и достигает сотен МВт в импульсном, коэффициент усиления 45-65 дБ и более, кпд до 70%.

В отражательном клистроне используется один объёмный резонатор, через зазор которого электронный поток проходит дважды - в прямом и обратном направлении. Возвращение электронов осуществляется с помощью специального электрода - отражателя, потенциал которого отрицателен относительно катода. Сформированный электронной пушкой поток электронов, проходя зазор объёмного резонатора, модулируется электрическим СВЧ-полем, далее попадает в тормозящее поле отражателя, где происходит образование электронных сгустков. При прохождении зазора объёмного резонатора в обратном направлении электроны отдают часть своей кинетической энергии СВЧ-полю. Отражательные клистроны предназначены для генерирования электромагнитных колебаний малой мощности (от единиц мВт до единиц Вт) в дециметровом, сантиметровом и миллиметровом диапазонах волн; их кпд, как правило, не превышает нескольких процентов, диапазон электронной перестройки частоты (осуществляется изменением напряжения на отражателе) составляет от долей до 1%. Применяются в качестве гетеродинов радиоприёмников, задающих генераторов радиопередатчиков, в измерительной аппаратуре и др.

Идея разделения скоростной и плотностной модуляции электронов впервые рассмотрена Д. А. Рожанским в 1932. Первые пролётные клистроны были созданы в 1938 американскими физиками В. Ханом и Г. Меткалфом и независимо от них братьями Р. и 3. Вариан. Отражательный клистрон  разработан в СССР в 1940 году группой учёных и инженеров - Н. Д. Девятковым, Е. Н. Данильцевым и И. В. Пискуновым и независимо инженером В. Ф. Коваленко.

Лит.: Лебедев И. В. Техника и приборы СВЧ. 2-е изд. М., 1972. Т. 2; Хайков А. 3. Клистронные усилители. М., 1974; Мощные электровакуумные приборы СВЧ / Под редакцией Л. Кяэмпитта. М., 1974.