Область применения техники СВЧ

При дальнейшем уменьшении ширины зазора d₂ уменьшается сначала ток I_1max/I₀ , а затем и электронный КПД h_е12 . Уменьшение тока можно объяснить, тем что сгусток от второго зазора группируется ближе, чем сгусток от первого. Поэтому происходит размывание максимума тока и он снижается.

Снижение электронного КПД происходит при меньших значениях d₂ , чем снижение тока I_1max/I₀ . Это объясняется тем, что КПД зависит от того какую часть энергии отдадут электроны с зазор. Она тем больше, чем больше коэффициент взаимодействия, т.е. чем меньше зазор. Поэтому при уменьшении d₂ электронный КПД возрастает. Причиной его падения при дальнейшем уменьшении d₂ является появление колеблющихся электронов во втором зазоре ,  но это происходит при малых d₂, которые не имеют практического применения.

Влияние амплитуды  на втором зазоре x₂ аналогично влиянию ширины  зазора d₂ . В первом приближении увеличение амплитуды схоже по своему действию с уменьшением зазора. Влияние амплитуды x₂   лучше рассмотреть на примере резонатора “0” - типа, так как в резонаторе “p“ - типа изменять амплитуду только на втором зазоре невозможно. Зависимости параметров электронного потока от x₂   представлены на рис.3.12. Видно ,что изменение амплитуды значительно меньше меньше влияет на электронные процессы, чем изменение ширины зазора, поэтому может служить для окончательной оптимизации прибора.

Суммируя вышесказанное  о втором зазоре надо еще раз подчеркнуть, что его параметры надо выбирать не только из соображений высокого тока I_1max/I₀ и приемлемого КПД h_е12  =2¸3%, но и подбирая Z_opt > 56 мм. для клистрона с резонатором “p“ - типа.

Рис.3.11. Зависимость I_1max/I₀ и h_е12  от ширины второго зазора d₂   

Рис.3.12. Зависимость I_1max/I₀ и h_е12  от амплитуды на втором зазоре x₂

5.1.2. Расчет процессов  в выходном резонаторе

       Выходной  резонатор должен обеспечить максимально  эффективное, равномерное торможение всех электронов. При этом не желательно иметь обратно выброшенные электроны.

       Второй  резонатор надо располагать на 1¸4 мм. ближе максимума тока I_1max/I₀ . При этом достигается максимальный КПД. Типичное взаимное расположение тока и КПД в пространстве представлено на рис.13. Необходимость ставить резонатор в месте где ток не достигает максимума, объясняется тем , что в максимуме происходит перегон. При перегоне быстрые электроны догоняют и перегоняют медленные. До перегона медленные электроны шли впереди быстрых и поэтому входили в зазор когда напряжение на нем не достигало минимума, а быстрые попадали в минимум напряжения. Это позволяло равномерно затормозить все электроны. При перегоне и быстрые, и медленные электроны тормозятся одним напряжением. Поэтому либо медленные выбросятся их зазора, либо быстрые затормозятся не достаточно эффективно.

       Выходной  резонатор является обычным узким  с углом пролета меньше p/2. С точки зрения эффективности взаимодействия лучше брать, как можно более узкий зазор. Но минимальная ширина зазора ограничивается величиной емкости зазора. Исходя из этих противоречивых требований в данном дипломе используется выходной зазор шириной 4 мм.

       Амплитуда напряжения на выходном зазоре подбирается  в каждом случае эмпирически по наибольшему  КПД. Надо стараться сделать максимальную амплитуду, но чтобы не было обратных электронов. Увеличение амплитуды на 0.1 увеличивает выходной КПД примерно на 0.5% ( рис.3.14 ) до тех пор пока не появятся обратновыброшенные электроны. На рис.3.14 точка А соответствует появлению обратновыброшенных электронов.

Рис.3.14. Зависимость выходного КПД h_е3 от амплитуды x₃

       Очень большое значение для процессов  в выходном резонаторе играет соотношение фаз тока и напряжения . Электронный КПД третьего зазора определяется по формуле:

       где  x₃ - амплитуда напряжения третьего зазора

               I_н3 = I_н3 / Io -наведенный ток третьего зазора

               f  - угол между током и напряжением

Исходя из формулы, можно решить, что нужно стремиться к f = 0, при этом cos f = 1 и h_е3=max . На самом деле  при f=0 наведенный ток небольшой и растет с уменьшением f ( рис.3.15). Поэтому произведение I_н3 и cos f становится наибольшим при f = -(0.3¸0.4).

5.2. Электронные процессы  в резонаторе "0" типа

5.3. Влияние магнитного  поля на процессы  в клистроне 

       Как известно магнитное поле используется для ограничения поперечного  размера электронного пучка, что  позволяет увеличить токопрохождение, и как следствие снизить нагрев и потери мощности. Вместе с этим сильное магнитное поле ухудшает характеристики клистрона. Было замечено, уменьшение напряжения магнитного поля увеличивает конвекционный ток первой гармоники I_1max/I₀ и расстояние на котором этот ток становится максимальным Z_opt . На рис.3.19 представлены зависимости I_1max/I₀  и Z_opt  от магнитного поля B²/U₀ . Увеличение тока I_1max/I₀  и расстояния Z_opt  позволяет увеличить КПД прибора. Из вышесказанного понятно что для получения оптимальных параметров прибора магнитное поле должно быть минимальным, но обеспечивать приемлемое токопрохождение.

Рис.3.19. Зависимость I_1max/I₀ и Z_opt от магнитного поля B²/U₀  

       В процессе разработки прибора использовалось поле величиной B²/U₀=70-180. Это достаточно сильное поле особенно при B²/U₀>100. Оно очень сильно влияет на электронный поток. Достаточно сказать, что при начальном радиусе пучка 1.05 мм через 10 мм пролета в резонаторе его радиус становится равным 0.1 мм. При этом коэффициент пульсаций достигает 10.5.

       Величина  поля необходимого для фокусировки  зависит в основном от двух факторов: напряженности поля и силы расталкивания  пространственного заряда. Напряженность  электрического поля в выходном зазоре в выходном зазоре в несколько  раз больше чем во входном, т.к. входные зазоры широкие, а выходные узкие.

       Исходя  из этого можно в начале прибора  использовать меньшее магнитное  поле, а затем увеличить его  до номинального. Было рассчитано несколько  вариантов такой схемы. Наиболее хороший результат дал вариант с резонатором "p"-вида с параметрами: d₁=15.5 мм, d₂=10 мм, L₁₂=27 мм, x₁=1.5, x₂=-1.5, на интервале 0-30 мм поле равно B²/U₀ =84, а дальше поле равно B²/U₀=140. Полученные результаты приведены в табл.3.11. Для сравнения там же приведены результаты для такого же клистрона , но с равномерным магнитным полем. Полученный I_1max/I₀ является лучшим за весь период расчета. Видно, что с равномерным полем результат хуже как по току так и по расстоянию Z_opt .

                                       Таблица 3.11.

Сравнительные результаты  при  неравномерном и  равномерном магнитном  поле

       Полученные  результаты надо рассматривать, как  прикидочные, т.к. малый объем расчетов не позволяет говорить о том, что был достигнут максимум. Вероятнее всего можно получить еще больший ток. Но поскольку получение неоднородного магнитного поля вызовет усложнение конструкции было решено пока остановиться на варианте с рвномерным магнитным полем. К тому же рассматриваемое неравномерное магнитное поле имеет нереальное распределение по Z в виде ступеньки. Поэтому полученные результаты лишь показывают возможность улучшения параметров клистрона за счет применения неоднородного магнитного поля.

             В

            1 

          0.6 
 

            0

      30 Z

Рис.3.20. Схематическое изображение двухрезонаторного  клистрона 
с резонатором "p" - вида с q₁»3/2p, с неоднородным магнитным полем

Зависимость угла пролета от ширины зазора.

угол пролета  зазора для характерных точек; во втором столбике ширина реального зазора, соответствующего данному углу пролета; и в третьем столбике ширина зазора, соответствующая данному углу пролета, рассчитанная теоретически по формуле: d=qv/w

На рис.3.8. изображен  график зависимости эквивалентного угла пролета от ширины зазора, построенный по данным таблицы 3.2. Пользуясь этим графиком можно ориентировочно определять угол пролета и электронный КПД зазора. Для этого для исходной ширины зазора определяется эквивалентный угол по графику на рис.3.8 . Затем по формуле: