Tub de còctron: Què és? (Tipus i aplicacions)

Què és un tub de klystron

Un klystron (també conegut com a tub de klystron o amplificador de klystron) és un tub de buit que s'utilitza per oscil·lar i amplificar senyals de freqüència de microones. Va ser inventat pels enginyers elèctrics americans Russell i Sigurd Varian.

El klystron utilitza l'energia cinètica d'un raig d'electrons. Generalment, els klystrons de baixa potència es fan servir com oscil·ladors i els klystrons de alta potència com a tubs de sortida en UHF.

Hi ha dues configuracions per a un klystron de baixa potència. Una és un oscil·lador de microones de baixa potència (Klystron Reflex) i la segona és un amplificador de microones de baixa potència (Klystron de Dues Cavitats o Klystron de Múltiples Cavitats).

Què és un oscil·lador de klystron reflex?

Abans de respondre a aquesta pregunta, cal saber com es generen les oscil·lacions. Per generar les oscil·lacions, cal proporcionar una retroalimentació positiva des de la sortida a l'entrada. Amb la restricció que el guany de bucle sigui unitari.

Per al klystron, les oscil·lacions es generaran si una part de la sortida s'utilitza com a retroalimentació a la cavitat d'entrada i es manté el guany de bucle amb magnitud unitària. El desplaçament de fase del camí de retroalimentació és un cicle (2π) o múltiples cicles (múltiples de 2π).

Construcció del klystron reflex

El raig d'electrons es injecta des de la càtode. A continuació, hi ha una anòda, coneguda com a anòda focalitzadora o anòda acceleradora. Aquesta anòda s'utilitza per estreure el raig d'electrons. L'anòda està connectada amb la polaritat positiva de la font de tensió CC.

El klystron reflex té només una cavitat, que es troba a prop de l'anòda. Aquesta cavitat funciona com a cavitat agrupadora per als electrons que es mouen endavant i com a cavitat capturadora per als electrons que es mouen enrere.

La modulació de velocitat i corrent es produeix en la brecha de la cavitat. La brecha és igual a la distància ‘d’.

La placa repel·lent està connectada amb la polaritat negativa de la tensió Vr.

Principi de funcionament del klystron reflex

El klystron reflex funciona segons el principi de modulació de velocitat i corrent.

El raig d'electrons es injecta des de la càtode. El raig d'electrons passa a través de l'anòda acceleradora. Els electrons es mouen al tub amb velocitat uniforme fins que arriben a la cavitat.

La velocitat dels electrons es modula en la brecha de la cavitat i aquests electrons intenten arribar a la placa repel·lent.

La placa repel·lent està connectada amb la polaritat negativa d'una font de tensió. Per tant, degut a la mateixa polaritat, s'oposa a la força dels electrons.

L'energia cinètica dels electrons disminueix en l'espai de la placa repel·lent i en algun moment serà zero. Després, l'electron torna a la cavitat. I en el retorn, tots els electrons es grupegen en un sol punt.

Hi haurà una modulació de corrent deguda a la formació del grup. L'energia dels electrons es converteix en forma de RF i la sortida de RF es pren de la cavitat. Per a la màxima eficiència del klystron, el grupeig dels electrons ha de produir-se al centre de la brecha de la cavitat.

Com es mouen els electrons al tub de klystron?

Des de l'arma electrònica (càtode), el raig d'electrons es injecta al tub. Aquests electrons es mouen cap a l'anòda amb velocitat uniforme. Després, els electrons passen a través de la brecha de la cavitat. La velocitat dels electrons varia segons la tensió de la brecha de la cavitat.

Si la tensió de la brecha de la cavitat és positiva, l'electron serà accelerat i si la tensió de la brecha de la cavitat és negativa, l'electron serà desaccelerat. Si la tensió és zero, la velocitat dels electrons no canviarà.

Quan els electrons deixen la brecha de la cavitat, tots tenen diferents velocitats i aquests electrons viatjaran en l'espai de la placa repel·lent.

Aquests electrons viatgen la distància segons la velocitat. Quan la velocitat és més gran, l'electron viatjarà més lluny i quan la velocitat és menor, l'electron viatjarà menys lluny en l'espai de la placa repel·lent.

Tots aquests electrons tornaran a la cavitat i es grupegaran al centre de la brecha de la cavitat. L'energia dels electrons transferida de la cavitat és coneguda com a sortida de RF.

Diagrama Apple-gate

El diagrama Apple-gate és un gràfic entre la distància de la brecha de la cavitat i el temps que triga l'electron en l'espai de la placa repel·lent.

Diferents electrons segueixen diferents camins depenent de les seves velocitats. La velocitat dels electrons depèn de la tensió de la brecha de la cavitat.

Prenguem l'exemple de tres electrons. L'electron de referència (e0) entra a la brecha de la cavitat quan la tensió de la brecha de la cavitat és zero. Per tant, la velocitat no canviará. Viageja una distància L