Klystron-Röhre: Was ist das? (Arten und Anwendungen)

Was ist eine Klystronröhre?

Ein Klystron (auch bekannt als Klystronröhre oder Klystronverstärker) ist eine Vakuumröhre, die zur Oszillation und Verstärkung von Mikrowellenfrequenzsignalen verwendet wird. Es wurde von den amerikanischen Elektroingenieuren Russell und Sigurd Varian erfunden.

Ein Klystron nutzt die kinetische Energie eines Elektronenstrahls. Im Allgemeinen werden Niederleistungsklystrons als Oszillatoren und Hochleistungsklystrons als Ausgangsröhren im UHF-Bereich eingesetzt.

Es gibt zwei Konfigurationen für ein Niederleistungsklystron. Eine ist ein Niederleistungs-Mikrowellen-Oszillator (Reflexklystron) und die zweite ist ein Niederleistungs-Mikrowellen-Verstärker (Zwei-Hohlraum-Klystron oder Mehr-Hohlraum-Klystron).

Was ist ein Reflexklystron-Oszillator?

Bevor wir diese Frage beantworten, müssen wir wissen, wie die Oszillationen erzeugt werden. Um Oszillationen zu erzeugen, müssen wir positive Rückkopplung vom Ausgang zum Eingang geben. Unter der Bedingung, dass der Schleifenverstärkungsfaktor gleich eins ist.

Für ein Klystron entstehen Oszillationen, wenn ein Teil des Ausgangssignals als Rückkopplung an den Eingangshohlraum gegeben wird und der Schleifenverstärkungsfaktor gleich eins ist. Die Phasenverschiebung des Rückkopplungspfades beträgt einen Zyklus (2π) oder mehrere Zyklen (mehrere 2π).

Aufbau des Reflexklystrons

Der Elektronenstrahl wird von der Kathode injiziert. Dann gibt es eine Anode, die als Fokusierungsanode oder Beschleunigungsanode bekannt ist. Diese Anode wird verwendet, um den Elektronenstrahl einzuschränken. Die Anode ist mit der positiven Polung der Gleichspannungsquelle verbunden.

Das Reflexklystron hat nur einen Hohlraum, der neben der Anode platziert ist. Dieser Hohlraum dient als Bündelungshohlraum für vorwärts bewegende Elektronen und als Auffanghohlraum für rückwärts bewegende Elektronen.

Die Geschwindigkeits- und Strommodulation erfolgen in der Hohlraumlücke. Die Lücke entspricht dem Abstand 'd'.

Die Rückstoßplatine ist mit der negativen Polung der Spannungsquelle Vr verbunden.

Arbeitsprinzip des Reflexklystrons

Das Reflexklystron arbeitet nach dem Prinzip der Geschwindigkeits- und Strommodulation.

Der Elektronenstrahl wird von der Kathode injiziert. Der Elektronenstrahl passiert die Beschleunigungsanode. Die Elektronen bewegen sich im Rohr mit konstanter Geschwindigkeit, bis sie den Hohlraum erreichen.

Die Geschwindigkeit der Elektronen wird in der Hohlraumlücke moduliert und diese Elektronen versuchen, den Rückstoß zu erreichen.

Die Rückstoßplatine ist mit der negativen Polung einer Spannungsquelle verbunden. Daher widersetzt sie sich aufgrund der gleichen Polarität der Kraft der Elektronen.

Die kinetische Energie der Elektronen nimmt im Bereich der Rückstoßplatine ab und an einem Punkt wird sie null. Danach werden die Elektronen zurück in den Hohlraum gezogen. Und auf dem Rückweg bündeln sich alle Elektronen an einem Punkt.

Es findet eine Strommodulation aufgrund der Bündelung statt. Die Energie der Elektronen wird in Form von RF umgewandelt und das RF-Ausgangssignal wird aus dem Hohlraum entnommen. Für die maximale Effizienz des Klystrons muss die Bündelung der Elektronen in der Mitte der Hohlraumlücke stattfinden.

Wie bewegen sich die Elektronen im Klystron-Rohr?

Vom Elektronengeschütz (Kathode) wird der Elektronenstrahl in das Rohr injiziert. Diese Elektronen bewegen sich mit konstanter Geschwindigkeit in Richtung der Anode. Dann passieren die Elektronen die Hohlraumlücke. Die Geschwindigkeit der Elektronen variiert je nach Spannung in der Hohlraumlücke.

Wenn die Spannung in der Hohlraumlücke positiv ist, werden die Elektronen beschleunigt, und wenn die Spannung negativ ist, werden die Elektronen verlangsamt. Wenn die Spannung null ist, ändert sich die Geschwindigkeit der Elektronen nicht.

Wenn die Elektronen die Hohlraumlücke verlassen, haben alle Elektronen unterschiedliche Geschwindigkeiten und diese Elektronen reisen im Raum der Rückstoßplatine.

Diese Elektronen reisen eine Entfernung entsprechend ihrer Geschwindigkeit. Je höher die Geschwindigkeit, desto weiter reisen die Elektronen, und je niedriger die Geschwindigkeit, desto kürzer reisen die Elektronen im Raum der Rückstoßplatine.

Alle diese Elektronen kehren in den Hohlraum zurück und bündeln sich in der Mitte der Hohlraumlücke. Die Energie, die die Elektronen an den Hohlraum abgeben, wird als RF-Ausgang bezeichnet.

Apple-Gate-Diagramm

Das Apple-Gate-Diagramm ist ein Graph zwischen der Entfernung vom Hohlraum und der Zeit, die die Elektronen im Raum der Rückstoßplatine benötigen.

Verschiedene Elektronen folgen verschiedenen Pfaden abhängig von ihrer Geschwindigkeit. Die Geschwindigkeit der Elektronen hängt von der Spannung in der Hohlraumlücke ab.

Nehmen wir drei Elektronen als Beispiel. Das Referenzelektron (e0) betritt die Hohlraumlücke, wenn die Spannung in der Hohlraumlücke null ist. Daher ändert sich die Geschwindigkeit nicht. Es reist eine Entfernung L0 im Raum der Rückstoßplatine und kehrt in den Hohlraum zurück. Da die Rückstoßplatine stark negativ geladen ist, widersteht sie der kinetischen Energie des Elektrons.