10. Ускорение и модуляция электронов по скорости в двухрезонаторном пролетном клистроне

Ускорение электронов происходит под действием статического электрического поля, возникающего при приложении между катодом и ускоряющим электродом напряжения U o источника постоянного тока. Это напряжение создает в промежутке между катодом и ускоряющим электродом электрическое поле с напряженностью , где d – расстояние между катодом и ускоряющим электродом. Если принять заряд электрона e, то поле будет действовать на электрон с силой = e . Под действием этой силы электроны увеличивают свою скорость, приобретая дополнительную кинетическую энергию: , где m- масса электрона. Можно найти скорость электронов м/с. В процессе ускорения электроны приобретают от источника питания кинетическую энергию, преобразуемую в дальнейшем в энергию СВЧ колебаний. Ускорение электронов способствует уменьшению угла пролета электрона через зазор резонатора. Под действием входной СВЧ мощности между сетками входного резонатора появляется СВЧ напряжение u(t) = sin(ω ), которое создает в зазоре резонатора напряженность поля: , где - расстоянии между сетками входного резонатора, - амплитуда СВЧ напряжения, прикладываемого к зазору входного резонатора. В результате взаимодействия электронов, проходящих через зазор входного резонатора с переменным полем резонатора, их скорость на выходе резонатора становится периодической функцией времени. Скорость электронов после пролета зазора резонатора состоит из постоянной величины Vo и переменной составляющей, меняющейся во времени по закону синуса в зависимости от момента времени пролета электроном середины зазора резонатора. Коэффициент взаимодействия сложным образом зависит от угла пролета . Коэффициент взаимодействия увеличивается при уменьшении угла пролета. При угле пролета = 2π, значение = 0, в этом случае время пролета электронов равно периоду СВЧ напряжения на зазоре, поэтому действие ускоряющего полупериода на электроны компенсируется действием тормозящего полупериода, т.е. для электронов СВЧ напряжение как бы отсутствует. Коэффициент взаимодействия увеличивается при уменьшении угла пролета . Получить небольшой угол пролета трудно, так как для этого необходимо увеличивать скорость электронов V0(увеличивать напряжение U0 ) или уменьшать величину зазора , что приводит к снижению добротности резонатора. В реальных резонаторах клистронов угол пролета равен 90..180градусов. Для таких углов пролета коэффициент взаимодействия = 0,6..0,9.

11. Группирование электронов в сгустки по скорости в двухрезонаторном пролетном клистроне

Процесс группирования электронного потока в пролетном клистроне можно наглядно иллюстрировать пространственно-временной диаграммой (ПВД) - семейством кривых, изображающих изменение координат электронов во времени. Координата Z=0 соответствует середине зазора входного резонатора. Синусоида изображает переменное напряжение U1, между сетками этого резонатора. Электроны 1, 5, 9, 13, 17 не изменяют своих скоростей и двигаются в пространстве дрейфа со скоростью Vo. Эти электроны называются невозмущенными электронами. Угол наклона прямой к оси времени всегда меньше 90, т.к. скорость электронов не может достигать бесконечно большой величины.Скорость электронов 2, 3, 4 после прохождения тормозящего высокочастотного поля зазора станет меньше, чем невозмущенных. Поэтому равномерное движение этих электронов после прохождения резонатора изображается прямыми линиями с меньшим углом наклона. Электроны 6, 7, 8, пролетевшие резонатор в ускоряющем полупериоде, свою начальную скорость увеличат, что приведет к увеличению наклона прямых на ПВД. Таким образом, через плоскость пространства дрейфа, лежащей на расстоянии Z = от середины зазора входного резонатора, будет проходить периодическая (с частотой входного сигнала ω0 ) последовательность сгустков со средней скоростью электронов V 0 . При дальнейшем движении происходит перегруппировка сгустка, ускоренные, позднее вылетевшие электроны (например электрон 6) проходят вперед, обгоняя невозмущенный электрон (электрон 5), образуя передний фронт сгустка (точка A'), а замедленные, ранее вылетевшие, - задний фронт (точка A''), сгусток начинает раздваиваться. Как видно из ПВД, через плоскость Z = a, находящуюся вблизи к плоскости, проходящей через середину зазора резонатора, электроны проходят почти равномерно, т.е. слабосгруппированными. Это означает, что для образования сгустков принципиально необходима конечная протяженность пространства группировки.