Tubo Klystron: ¿Qué es? (Tipos y Aplicaciones)

¿Qué es un tubo Klystron?

Un Klystron (también conocido como Tubo Klystron o Amplificador Klystron) es un tubo de vacío que se utiliza para oscilar y amplificar señales de frecuencia de microondas. Fue inventado por los ingenieros eléctricos estadounidenses Russell y Sigurd Varian.

El klystron utiliza la energía cinética de un haz de electrones. Generalmente, los klystrones de baja potencia se utilizan como osciladores y los de alta potencia como tubos de salida en UHF.

Existen dos configuraciones para un klystron de baja potencia. Una es un oscilador de microondas de baja potencia (Klystron Reflexivo) y la segunda es un amplificador de microondas de baja potencia (Klystron de Dos Cavitades o Klystron de Múltiples Cavitades).

¿Qué es un Oscilador Klystron Reflexivo?

Antes de responder a esta pregunta, necesitamos saber cómo se generan las oscilaciones. Para generar las oscilaciones, necesitamos proporcionar retroalimentación positiva desde la salida a la entrada. Con la restricción de que el ganancia del bucle sea unidad.

Para un klystron, las oscilaciones se generarán si una parte de la salida se utiliza como retroalimentación a la cavidad de entrada y se mantiene la magnitud de la ganancia del bucle en unidad. El desplazamiento de fase de la ruta de retroalimentación es un ciclo (2π) o múltiples ciclos (múltiplos de 2π).

Construcción del Klystron Reflexivo

El haz de electrones se inyecta desde el cátodo. Luego hay un ánodo, conocido como ánodo de enfoque o ánodo acelerador. Este ánodo se utiliza para estrechar el haz de electrones. El ánodo está conectado con la polaridad positiva de la fuente de voltaje DC.

El klystron reflexivo tiene solo una cavidad, que se coloca junto al ánodo. Esta cavidad funciona como cavidad de agrupamiento para los electrones que se mueven hacia adelante y cavidad de captura para los electrones que se mueven hacia atrás.

La modulación de velocidad y corriente ocurre en el espacio de la cavidad. La brecha es igual a la distancia ‘d’.

La placa repulsora está conectada con la polaridad negativa de la fuente de voltaje Vr.

Principio de funcionamiento del Klystron Reflexivo

El Klystron Reflexivo funciona según el principio de modulación de velocidad y corriente.

El haz de electrones se inyecta desde el cátodo. El haz de electrones pasa a través del ánodo acelerador. Los electrones se mueven en el tubo con velocidad uniforme hasta que llegan a la cavidad.

La velocidad de los electrones se modula en la brecha de la cavidad y estos electrones intentan llegar a la placa repulsora.

La placa repulsora está conectada con la polaridad negativa de una fuente de voltaje. Por lo tanto, debido a la misma polaridad, se opone a la fuerza de los electrones.

La energía cinética de los electrones disminuye en el espacio de la placa repulsora y en algún punto será cero. Después de eso, el electrón se devuelve a la cavidad. Y en el viaje de regreso, todos los electrones se agrupan en un solo punto.

Habrá modulación de corriente debido a la formación de grupos. La energía de los electrones se convierte en forma de RF y la salida de RF se toma de la cavidad. Para la máxima eficiencia del klystron, el agrupamiento de los electrones debe ocurrir en el centro de la brecha de la cavidad.

¿Cómo se mueven los electrones en el tubo klystron?

Desde el cañón de electrones (cátodo), el haz de electrones se inyecta en el tubo. Estos electrones se mueven hacia el ánodo con velocidad uniforme. Luego, los electrones pasan a través de la brecha de la cavidad. La velocidad de los electrones varía según el voltaje de la brecha de la cavidad.

Si el voltaje de la brecha de la cavidad es positivo, el electrón se acelerará y si el voltaje de la brecha de la cavidad es negativo, el electrón se desacelerará. Si el voltaje es cero, la velocidad de los electrones no cambiará.

Cuando los electrones salen de la brecha de la cavidad, todos los electrones tienen diferentes velocidades y estos electrones viajarán en el espacio de la placa repulsora.

Estos electrones recorren distancias según la velocidad. Cuanto mayor sea la velocidad, más lejos viajará el electrón y cuanto menor sea la velocidad, menos distancia viajará el electrón en el espacio de la placa repulsora.

Todos estos electrones regresarán a la cavidad y se agruparán en el centro de la brecha de la cavidad. La energía de los electrones transferida desde la cavidad se conoce como la salida de RF.

Diagrama de Apple-gate

El diagrama de Apple-gate es un gráfico entre la distancia desde la brecha de la cavidad y el tiempo que tarda el electrón en el espacio de la placa repulsora.

Diferentes electrones siguen diferentes caminos dependiendo de sus velocidades. La velocidad de los electrones depende del voltaje de la brecha de la cavidad.

Tomemos el ejemplo de tres electrones. El electrón de referencia (e0) entra en la brecha de la cavidad cuando el voltaje de la brecha de la cavidad es cero. Por lo tanto, la velocidad no cambiará. Recorre una distancia L0 en el espacio de la placa repulsora y vuelve a la cavidad. Debido a que la placa repulsora es muy negativa y se opone a la energía cinética del electrón.