Klystron - Klystron
Un klystron este un tub de vid specializat cu fascicul liniar , inventat în 1937 de inginerii electrici americani Russell și Sigurd Varian , care este folosit ca amplificator pentru frecvențe radio înalte , de la UHF până la gama de microunde . Klystronii de putere redusă sunt utilizați ca oscilatori în legăturile de comunicații terestre cu releu cu microunde , în timp ce klystronii de putere mare sunt folosiți ca tuburi de ieșire în emițătoarele de televiziune UHF , comunicațiile prin satelit , emițătoarele radar și pentru a genera puterea de acționare pentru acceleratoarele moderne de particule .
Într-un clistron, un fascicul de electroni interacționează cu undele radio când trece prin cavități rezonante , cutii metalice de-a lungul lungimii unui tub. Fasciculul de electroni trece mai întâi printr-o cavitate pe care este aplicat semnalul de intrare. Energia fasciculului de electroni amplifică semnalul, iar semnalul amplificat este preluat dintr-o cavitate de la celălalt capăt al tubului. Semnalul de ieșire poate fi cuplat înapoi în cavitatea de intrare pentru a face un oscilator electronic pentru a genera unde radio. Câștigul de clistroane poate fi ridicat, 60 dB (un milion) sau mai mult, cu o putere de ieșire de până la zeci de megawați , dar lățimea de bandă este îngustă, de obicei câteva procente , deși poate fi de până la 10% în unele dispozitive.
Un clistron reflex este un tip învechit în care fasciculul de electroni a fost reflectat înapoi de-a lungul căii sale de un electrod cu potențial ridicat, folosit ca oscilator.
Numele klystron provine de la verbul grecesc κλύζω ( klyzo ) care se referă la acțiunea valurilor care se sparg pe un țărm, iar sufixul -τρον („tron”) care înseamnă locul unde se întâmplă acțiunea. Numele „klystron” a fost sugerat de Hermann Fränkel , profesor în departamentul de clasică de la Universitatea Stanford, când klystronul era în curs de dezvoltare.
Istorie
Klystron a fost prima sursă semnificativ puternică de unde radio din gama microundelor ; înainte de invenția sa, singurele surse erau tubul Barkhausen-Kurz și magnetronul cu anod divizat , care erau limitate la o putere foarte mică. A fost inventat de frații Russell și Sigurd Varian de la Universitatea Stanford . Prototipul lor a fost finalizat și demonstrat cu succes la 30 august 1937. La publicarea în 1939, știrile despre klystron au influențat imediat activitatea cercetătorilor americani și britanici care lucrează la echipamente radar . Varians au continuat să fondeze Varian Associates pentru a comercializa tehnologia (de exemplu, pentru a face mici acceleratoare liniare pentru a genera fotoni pentru radioterapia cu fascicul extern ). Lucrarea lor a fost precedată de descrierea modulației vitezei de către A. Arsenjewa-Heil și Oskar Heil (soție și soț) în 1935, deși Varians probabil nu erau conștienți de munca lui Heils.
Opera fizicianului WW Hansen a fost esențială în dezvoltarea clistronului și a fost citată de frații Varian în lucrarea lor din 1939. Analiza rezonatorului său, care se ocupa de problema accelerării electronilor către o țintă, ar putea fi utilizată la fel de bine pentru a decelera electronii (de exemplu, pentru a transfera energia lor cinetică la energia RF într-un rezonator). În timpul celui de- al doilea război mondial , Hansen a ținut prelegeri la laboratoarele de radiații MIT două zile pe săptămână, făcând naveta la Boston de la Sperry Gyroscope Company din Long Island. Rezonatorul său a fost numit „rhumbatron” de către frații Varian. Hansen a murit din cauza bolii de beriliu în 1949 ca urmare a expunerii la oxidul de beriliu (BeO).
În timpul celui de- al doilea război mondial , puterile Axei s-au bazat în cea mai mare parte pe tehnologia klystron (atunci cu putere redusă și lungime de undă lungă) pentru generarea sistemului lor de radar cu microunde, în timp ce aliații au folosit tehnologia mult mai puternică, dar cu frecvență de frecvență a magnetronului cavității pentru mult mai scurt timp -generare centimetrică cu lungime de undă cu microunde. De atunci au fost dezvoltate tehnologiile cu tuburi Klystron pentru aplicații de mare putere, precum sincrotroni și sisteme radar.
Chiar după război, AT&T a folosit klystroni de 4 wați în noua sa rețea de legături cu releu cu microunde care acoperea continentul SUA. Rețeaua furniza servicii de telefonie pe distanțe lungi și transporta, de asemenea, semnale de televiziune pentru rețelele TV principale. Compania Western Union Telegraph a construit, de asemenea, legături de comunicații punct-la-punct cu microunde folosind stații de repetare intermediare la intervale de aproximativ 40 de mile în acel moment, folosind 2K25 reflex kllystroni atât în emițătoare, cât și în receptoare.
Operațiune
Klystrons amplifică semnalele RF prin conversia energiei cinetice într-un fascicul de electroni DC în putere de frecvență radio. În vid, un fascicul de electroni este emis de un pistol de electroni sau de un catod termionic (o peletă încălzită din material cu funcție redusă de lucru ) și accelerat de electrozi de înaltă tensiune (de obicei în zeci de kilovolți).
Acest fascicul trece printr-un rezonator de cavitate de intrare . Energia RF a fost alimentată în cavitatea de intrare la sau aproape de frecvența sa rezonantă , creând unde staționare , care produc o tensiune oscilantă, care acționează asupra fasciculului de electroni. Câmpul electric determină electronii să „se adune”: electronii care trec atunci când câmpul electric se opune mișcării lor sunt încetiniți, în timp ce electronii care trec prin câmpul electric în aceeași direcție sunt accelerați, determinând formarea fasciculului de electroni continuu anterior. ciorchini la frecvența de intrare.
Pentru a consolida grămada, un clistron poate conține cavități suplimentare „grămadă”.
Fasciculul trece apoi printr-un tub de „drift”, în care electronii mai rapizi se prind până la cei mai lent, creând „ciorchini”, apoi printr-o cavitate „catcher”.
În cavitatea „catcher” de ieșire, fiecare grămadă intră în cavitate în momentul ciclului în care câmpul electric se opune mișcării electronilor, decelerându-i. Astfel energia cinetică a electronilor este convertită la energia potențială a câmpului, crescând amplitudinea oscilațiilor . Oscilațiile excitate în cavitatea captatorului sunt cuplate printr-un cablu coaxial sau un ghid de undă .
Fasciculul de electroni consumat, cu energie redusă, este captat de un electrod colector.
Pentru a face un oscilator , cavitatea de ieșire poate fi cuplată la cavitatea (cavitățile) de intrare cu un cablu coaxial sau un ghid de undă . Feedbackul pozitiv excită oscilații spontane la frecvența de rezonanță a cavităților.
Klystron cu două cavități
Cel mai simplu tub de clistron este clistronul cu două cavități. În acest tub există doi rezonatori cu cavitate cu microunde, „catcher” și „buncher”. Atunci când este utilizat ca amplificator, semnalul slab de microunde care trebuie amplificat se aplică cavității buncher printr-un cablu coaxial sau ghid de undă, iar semnalul amplificat este extras din cavitatea receptorului.
La un capăt al tubului se află catodul fierbinte care produce electroni atunci când este încălzit de un filament. Electronii sunt atrași și trec printr-un cilindru anodic cu un potențial pozitiv ridicat; catodul și anodul acționează ca un pistol de electroni pentru a produce un flux de electroni cu viteză mare. O înfășurare externă a electromagnetului creează un câmp magnetic longitudinal de -a lungul axei fasciculului, care împiedică răspândirea fasciculului.
Fasciculul trece mai întâi prin rezonatorul cavității „buncher”, prin grilele atașate de fiecare parte. Grilele buncherului au un potențial de curent alternativ oscilant între ele, produs de oscilațiile undei staționare din interiorul cavității, excitate de semnalul de intrare la frecvența de rezonanță a cavității aplicată de un cablu coaxial sau un ghid de undă. Direcția câmpului dintre rețele se schimbă de două ori pe ciclu al semnalului de intrare. Electronii care intră atunci când grila de intrare este negativă și grila de ieșire este pozitivă întâlnesc un câmp electric în aceeași direcție cu mișcarea lor și sunt accelerați de câmp. Electronii care intră într-un semiciclu mai târziu, când polaritatea este opusă, întâlnesc un câmp electric care se opune mișcării lor și sunt decelerați.
Dincolo de grilele buncher se află un spațiu numit spațiu de derivare . Acest spațiu este suficient de lung, astfel încât electronii accelerați să ajungă din urmă cu electronii care au fost decelerați mai devreme, formând „ciorchini” longitudinal de-a lungul axei fasciculului. Lungimea sa este aleasă pentru a permite adunarea maximă la frecvența de rezonanță și poate avea o lungime de câțiva metri.
Electronii trec apoi printr-o a doua cavitate, numită „captator”, printr-o pereche similară de grile de pe fiecare parte a cavității. Funcția rețelelor de captare este de a absorbi energia din fasciculul de electroni. Ciorchinii de electroni care trec prin excită unde staționare în cavitate, care are aceeași frecvență de rezonanță ca și cavitatea buncher. Fiecare grămadă de electroni trece între rețele într-un punct al ciclului când rețeaua de ieșire este negativă față de rețeaua de intrare, astfel încât câmpul electric din cavitatea dintre rețele se opune mișcării electronilor. Astfel, electronii funcționează pe câmpul electric și sunt decelerați, energia lor cinetică fiind convertită în energie electrică potențială , crescând amplitudinea câmpului electric oscilant din cavitate. Astfel, câmpul oscilant din cavitatea captatorului este o copie amplificată a semnalului aplicat cavității buncher. Semnalul amplificat este extras din cavitatea captatorului printr-un cablu coaxial sau ghid de undă.
După trecerea prin receptor și renunțarea la energia sa, fasciculul de electroni cu energie inferioară este absorbit de un electrod „colector”, un al doilea anod care este menținut la o mică tensiune pozitivă.
Oscilator Klystron
Un oscilator electronic poate fi realizat dintr-un tub de clistron, oferind o cale de feedback de la ieșire la intrare prin conectarea cavităților „catcher” și „buncher” cu un cablu coaxial sau un ghid de undă . Când dispozitivul este pornit, zgomotul electronic din cavitate este amplificat de tub și alimentat înapoi de la receptorul de ieșire în cavitatea buncherului pentru a fi amplificat din nou. Datorită Q-ului ridicat al cavităților, semnalul devine rapid o undă sinusoidală la frecvența de rezonanță a cavităților.
Klystron multicavitate
În toate glitronele moderne, numărul de cavități depășește două. Alte cavități „buncher” adăugate între primul „buncher” și „catcher” pot fi folosite pentru a crește câștigul klystron-ului sau pentru a crește lățimea de bandă.
Energia cinetică reziduală din fasciculul de electroni când lovește electrodul colector reprezintă energie irosită, care este disipată sub formă de căldură, care trebuie îndepărtată de un sistem de răcire. Unele glistroni moderni includ colectoare deprimate, care recuperează energia din fascicul înainte de colectarea electronilor, sporind eficiența. Colectoarele depresive multietajate îmbunătățesc recuperarea energiei prin „sortarea” electronilor din coșurile de energie.
Klystron reflex
Clistron reflex ( de asemenea , cunoscut ca un tub Sutton după unul dintre inventatori, Robert Sutton) a fost un tub de joasă putere clistron cu o singură cavitate, care a funcționat ca un oscilator . A fost folosit ca oscilator local în unele receptoare radar și modulator în transmițătoarele cu microunde în anii 1950 și 1960, dar este acum depășit, înlocuit cu dispozitive cu microunde semiconductoare.
În clistronul reflex, fasciculul de electroni trece printr-o singură cavitate rezonantă. Electronii sunt trageți într-un capăt al tubului printr-un pistol de electroni . După trecerea prin cavitatea rezonantă, acestea sunt reflectate de un electrod reflector încărcat negativ pentru o altă trecere prin cavitate, unde sunt apoi colectate. Fasciculul de electroni este modulat la viteză când trece prima dată prin cavitate. Formarea ciorchinilor de electroni are loc în spațiul de derivare dintre reflector și cavitate. Tensiunea pe reflector trebuie reglată astfel încât acumularii este maxim ca fasciculul de electroni re-intră în cavitatea rezonantă, asigurând astfel un maxim de energie este transferată de la fasciculul de electroni la RF oscilații în cavitatea. Tensiunea reflectorului poate varia ușor față de valoarea optimă, ceea ce duce la o pierdere de putere de ieșire, dar și la o variație a frecvenței. Acest efect este folosit cu un avantaj bun pentru controlul automat al frecvenței la receptoare și la modularea frecvenței pentru emițătoare. Nivelul de modulație aplicat pentru transmisie este suficient de mic încât puterea de ieșire să rămână în mod constant constantă. La regiuni departe de tensiunea optimă, nu se obțin deloc oscilații. Există adesea mai multe regiuni ale tensiunii reflectorului în care clistronul reflex va oscila; acestea sunt denumite moduri. Gama de reglare electronică a clistronului reflex este denumită de obicei variația frecvenței între jumătăți de puncte de putere - punctele din modul oscilant unde puterea de ieșire este la jumătate din ieșirea maximă din modul.
Tehnologia modernă a semiconductoarelor a înlocuit efectiv clistronul reflex în majoritatea aplicațiilor.
Gyroklystron
Giroklystronul este un amplificator cu microunde cu funcționare dependentă de starea de rezonanță a ciclotronului . În mod similar cu clistronul, funcționarea sa depinde de modulația fasciculului de electroni, dar în loc de grupare axială forțele de modulație modifică frecvența ciclotronului și, prin urmare, componenta azimutală a mișcării, rezultând ciorchini de fază. În cavitatea de ieșire, electronii care ajung la faza corectă de decelerare își transferă energia în câmpul cavității și semnalul amplificat poate fi cuplat. Giroklystronul are cavități cilindrice sau coaxiale și funcționează cu moduri de câmp electric transversal. Deoarece interacțiunea depinde de starea de rezonanță, pot fi utilizate dimensiuni ale cavității mai mari decât un klistron convențional. Acest lucru permite giroklystronului să furnizeze o putere mare la frecvențe foarte ridicate, ceea ce este o provocare folosind klystrons convenționali.
Tuning
Unele glistroni au cavități reglabile. Prin ajustarea frecvenței cavităților individuale, tehnicianul poate modifica frecvența de funcționare, câștigul, puterea de ieșire sau lățimea de bandă a amplificatorului. Nu există doi klystrons sunt exact identici (chiar și atunci când se compară klystrons ca număr de piesă / model). Fiecare unitate are valori de calibrare furnizate de producător pentru caracteristicile sale specifice de performanță. Fără aceste informații, klystron-ul nu ar putea fi reglat în mod corespunzător și, prin urmare, nu ar funcționa bine, deloc.
Reglarea unui klystron este o lucrare delicată care, dacă nu este realizată corect, poate provoca deteriorarea echipamentului sau rănirea tehnicianului din cauza tensiunilor foarte mari care ar putea fi produse. Tehnicianul trebuie să aibă grijă să nu depășească limitele de absolvire, sau poate duce la deteriorarea klystron-ului. Alte măsuri de precauție luate la reglarea unui klistron includ utilizarea instrumentelor neferoase. Unii klystroni folosesc magneți permanenți . Dacă un tehnician folosește unelte feroase (care sunt feromagnetice ) și se apropie prea mult de câmpurile magnetice intense care conțin fasciculul de electroni, un astfel de instrument poate fi tras în unitate prin forța magnetică intensă, zdrobind degetele, rănind tehnicianul sau deteriorând unitatea. Unelte speciale ușoare nemagnetice (sau mai degrabă foarte slab diamagnetice ) fabricate din aliaj de beriliu au fost utilizate pentru reglarea glicronelor forțelor aeriene americane.
Precauțiile sunt luate în mod obișnuit atunci când se transportă dispozitive klystron în aeronave, deoarece câmpul magnetic intens poate interfera cu echipamentele de navigație magnetică. Rucsacurile speciale sunt concepute pentru a ajuta la limitarea acestui câmp „în câmp” și astfel permit transportarea în siguranță a acestor dispozitive.
Klystron optic
Tehnica de amplificare utilizată în clistron este de asemenea aplicată experimental la frecvențe optice într-un tip de laser numit laser cu electroni liberi (FEL); aceste dispozitive se numesc glitroni optici . În loc de cavități cu microunde, acestea folosesc dispozitive numite ondulatoare . Fasciculul de electroni trece printr-un ondulator, în care un fascicul de lumină laser determină adunarea electronilor. Apoi fasciculul trece printr-un al doilea ondulator, în care ciorchinii de electroni determină oscilația pentru a crea un al doilea fascicul de lumină mai puternic.
Tub plutitor de drift klystron
Klystronul tubului plutitor de drift are o singură cameră cilindrică care conține un tub central izolat electric. Electric, acest lucru este similar cu oscilatorul cu două cavități klystron, cu un feedback considerabil între cele două cavități. Electronii care ies din cavitatea sursă sunt modulați de viteza câmpului electric în timp ce se deplasează prin tubul de derivare și ies la camera de destinație în ciorchini, oferind putere oscilației din cavitate. Acest tip de clistron oscilator are un avantaj față de clistronul cu două cavități pe care se bazează, în sensul că are nevoie de un singur element de reglare pentru a efectua schimbări de frecvență. Tubul de derivare este izolat electric de pereții cavității și polarizarea continuă se aplică separat. Biasul de curent continuu al tubului de derivare poate fi ajustat pentru a modifica timpul de tranzit prin acesta, permițând astfel o anumită reglare electronică a frecvenței oscilante. Cantitatea de reglare în acest mod nu este mare și este utilizată în mod normal pentru modularea frecvenței la transmisie.
Aplicații
Klystronii pot produce ieșiri de putere cu microunde mult mai mari decât dispozitivele cu microunde cu stare solidă , cum ar fi diodele Gunn . În sistemele moderne, acestea sunt utilizate de la UHF (sute de megahertz) până la sute de gigahertz (ca în Klystrons de interacțiune extinsă din satelitul CloudSat ). Klystronii pot fi găsiți la locul de muncă în radar , satelit și comunicații de bandă largă de mare putere (foarte frecvente în transmisiile de televiziune și terminalele de satelit EHF ), medicină ( radioterapie oncologică ) și fizica energiei înalte ( acceleratoare de particule și reactoare experimentale). La SLAC , de exemplu, se folosesc în mod obișnuit klystroni care au ieșiri în intervalul de 50 MW (impuls) și 50 kW (mediat în timp) la 2856 MHz. Arecibo planetar radar folosit doua clistroane care au furnizat o putere totală de 1 MW (continuă) la 2380 MHz.
Popular Science ' s «Cel mai bun a noutăților 2007»descris o companie, Resource Corporation Global,prezent desființată, folosind un clistron pentru a transforma hidrocarburile din materialezizi, deșeuriautomobile, cărbune , șisturi bituminoase și nisipurile bituminoase în gaze naturale și motorină .
Vezi si
Referințe
linkuri externe
- Animație a modului în care funcționează un Klystron
- (Klystron cu două cavități)
- (Klystron multicavitate)
- (Klystron reflex)
- (Putere mare pentru accelerator liniar)
- Istoria Klystron-ului din Varian
- Stanford Linear Accelerator Center (249) Klystron Gallery Pictures
- Colecția Klystron din Muzeul Virtual Valve
- Amplificator Klystron
- Klystron-ul „Microwave Gun” s-a dezvoltat la SLAC