Klystron Rør: Hvad er det? (Typer og Anvendelser)

Hvad er et Klystron Rør?

En Klystron (også kendt som et Klystron Rør eller Klystron Forstærker) er en vakuumrør, der anvendes til at oscillere og forstærke mikrobølgefrequenssignal. Den blev opfundet af de amerikanske elektriske ingeniører Russell og Sigurd Varian.

En klystron bruger den kinetiske energi i et elektronstråle. Generelt bruges lav effekt klystroner som oscillatorer, og høj effekt klystroner bruges som udgangsrør i UHF.

Der findes to konfigurationer for en lav effekt klystron. Den ene er en lav effekt mikrobølge oscillator (Reflex Klystron) og den anden er en lav effekt mikrobølge forstærker (To Cavity Klystron eller Multi Cavity Klystron).

Hvad er en Reflex Klystron Oscillator?

Før vi besvarer dette spørgsmål, skal vi vide hvordan oscillationerne genereres. For at generere oscillationer, skal vi give positiv feedback fra output til input. Med begrænsningen, at loop gain er enhed.

For en klystron vil oscillationerne genereres, hvis en del af outputtet bruges som feedback til indgangskavitet og behold loop gain magnitude enhed. Faseforskydningen af feedbackvejen er en cyklus (2π) eller flere cykler (multipel af 2π).

Konstruktion af Reflex Klystron

Elektronstrålen bliver indsprøjtet fra katoden. Derefter er der en anode, kendt som fokusanode eller accelereringsanode. Denne anode bruges til at formindske elektronstrålen. Anoden er forbundet med den positive polaritet af DC strømkilden.

Reflex klystronen har kun en kavitet, der ligger ved siden af anoden. Denne kavitet fungerer som en grupperingskavitet for fremadgående elektroner og fangstkavitet for bagudgående elektroner.

Hastigheds- og strømmodulation finder sted i kavitegapet. Gapet er lig med afstanden ‘d’.

Reppellerpladen er forbundet med den negative polaritet af spænding kilden Vr.

Arbejdss princip for Reflex Klystron

Reflex Klystron arbejder på princippet om hastigheds- og strømmodulation.

Elektronstrålen bliver indsprøjtet fra katoden. Elektronstrålen passerer gennem accelereringsanoden. Elektron bevæger sig i røret med ensartet hastighed, indtil det når kaviten.

Hastigheden af elektroner moduleres i kavitegapet, og disse elektroner forsøger at nå reppelleren.

Reppelleren er forbundet med den negative polaritet af en spændingskilde. Derfor modsætter den samme polaritet kraften af elektroner.

Den kinetiske energi af elektroner minker i reppellerspace, og på et tidspunkt vil den være nul. Efter det trækkes elektron tilbage til kaviten. Og under returturen grupperes alle elektroner på ét punkt.

Der vil være strømmodulation pga. grupperingen. Energien fra elektroner omdannes til RF-form, og RF-output tages fra kaviten. For maksimal effektivitet af klystronen, skal grupperingen af elektroner finde sted i midten af kavitegapet.

Hvordan bevæger elektroner sig i klystronrøret?

Fra elektronkanonen (katoden) bliver elektronstrålen indsprøjtet i røret. Disse elektroner bevæger sig mod anoden med ensartet hastighed. Derefter passerer elektroner gennem kavitegapet. Hastigheden af elektroner varierer i henhold til kavitegapets spænding.

Hvis kavitegapets spænding er positiv, vil elektronene blive accelereret, og hvis kavitegapets spænding er negativ, vil elektronene blive deaccelereret. Hvis spændingen er nul, vil hastigheden af elektroner ikke ændre sig.

Når elektroner forlader kavitegapet, har alle elektroner forskellige hastigheder, og disse elektroner vil rejse i reppellerspace.

Disse elektroner rejser afstand i henhold til hastighed. Jo højere hastighed, jo længere rejser elektron, og jo lavere hastighed, jo kortere rejser elektron i reppellerspace.

Alle disse elektroner vil vende tilbage til kaviten og grupperes i midten af kavitegapet. Energien fra elektroner, der overføres fra kaviten, kaldes RF-output.

Applegate-diagram

Applegate-diagram er et graf mellem afstanden fra kavitegapet og tiden, elektron bruger i reppellerspace.

Forskellige elektroner følger forskellige baner afhængigt af deres hastigheder. Hastigheden af elektroner afhænger af kavitegapets spænding.

Lad os tage eksemplet med tre elektroner. Referenceelektron (e0) går ind i kavitegapet, når kavitegapets spænding er nul. Derfor ændrer hastigheden sig ikke. Det rejser L0 afstand i reppellerspace og trækkes tilbage til kaviten. På grund af, at reppellerpladen er højst negativ, og den vil modvirke den kinetiske energi af et elektron.