لوله کلیسترون: چیست؟ (انواع و کاربردها)

چه چیزی کلیسترون است؟

کلیسترون (که به عنوان لوله کلیسترون یا تقویت‌کننده کلیسترون نیز شناخته می‌شود) یک لوله خلاء است که برای ارتعاش و تقویت سیگنال‌های فرکانس میکروویو استفاده می‌شود. این دستگاه توسط مهندسان برق آمریکایی راسل و سیگورد واریان اختراع شد.

کلیسترون از انرژی کینتیکی پرتو الکترون استفاده می‌کند. معمولاً کلیسترون‌های با قدرت کم به عنوان اوسیلاتورها و کلیسترون‌های با قدرت بالا به عنوان لوله‌های خروجی در UHF استفاده می‌شوند.

دو نوع کلیسترون با قدرت کم وجود دارد. یکی اوسیلاتور میکروویو با قدرت کم (کلیسترون بازتابی) و دیگری تقویت‌کننده میکروویو با قدرت کم (کلیسترون دو حفره یا کلیسترون چند حفره) است.

چه چیزی کلیسترون بازتابی است؟

قبل از پاسخ به این سوال، باید بدانیم که چگونه ارتعاشات ایجاد می‌شوند. برای ایجاد ارتعاشات، باید بازخورد مثبتی از خروجی به ورودی اعمال شود. با محدودیتی که عامل حلقه یک است.

برای کلیسترون، ارتعاشات ایجاد می‌شوند اگر بخشی از خروجی به عنوان بازخورد به حفره ورودی استفاده شود و عامل حلقه یک باشد. اختلاف فاز مسیر بازخورد یک دور (2π) یا چند دور (مضرب 2π) است.

ساختار کلیسترون بازتابی

پرتو الکترون از کاتد تزریق می‌شود. سپس آندی وجود دارد که به آن آند تمرکز یا آند شتاب‌دهنده می‌گویند. این آند برای تنگ کردن پرتو الکترون استفاده می‌شود. آند به قطب مثبت منبع ولتاژ DC متصل است.

کلیسترون بازتابی فقط یک حفره دارد که در کنار آند قرار دارد. این حفره به عنوان حفره گروه‌بندی برای الکترون‌های حرکتی جلو و حفره جمع‌آوری برای الکترون‌های حرکتی عقب عمل می‌کند.

مدولاسیون سرعت و جریان در فاصله حفره انجام می‌شود. این فاصله برابر با فاصله 'd' است.

صفحه بازتابنده به قطب منفی منبع ولتاژ Vr متصل است.

اصول کار کلیسترون بازتابی

کلیسترون بازتابی بر اساس مدولاسیون سرعت و جریان کار می‌کند.

پرتو الکترون از کاتد تزریق می‌شود. پرتو الکترون از آند شتاب‌دهنده عبور می‌کند. الکترون‌ها با سرعت یکنواخت در لوله حرکت می‌کنند تا به حفره برسند.

سرعت الکترون‌ها در فاصله حفره مدوله می‌شود و این الکترون‌ها تلاش می‌کنند تا به صفحه بازتابنده برسند.

صفحه بازتابنده به قطب منفی منبع ولتاژ متصل است. بنابراین، به دلیل همان قطب، نیروی الکترون‌ها را مخالفت می‌کند.

انرژی کینتیکی الکترون‌ها در فضای صفحه بازتابنده کاهش می‌یابد و در نقطه‌ای خاص به صفر می‌رسد. پس از آن، الکترون به حفره بازمی‌گردد. و در مسیر بازگشت، تمام الکترون‌ها در یک نقطه گروه‌بندی می‌شوند.

مدولاسیون جریان به دلیل گروه‌بندی اتفاق می‌افتد. انرژی الکترون‌ها به صورت RF تبدیل می‌شود و خروجی RF از حفره گرفته می‌شود. برای کارایی بیشتر کلیسترون، گروه‌بندی الکترون‌ها باید در مرکز فاصله حفره اتفاق بیفتد.

چگونه الکترون‌ها در لوله کلیسترون حرکت می‌کنند؟

پرتو الکترون از تفنگ الکترون (کاتد) در لوله تزریق می‌شود. این الکترون‌ها با سرعت یکنواخت به آند حرکت می‌کنند. سپس الکترون‌ها از فاصله حفره عبور می‌کنند. سرعت الکترون‌ها طبق ولتاژ فاصله حفره متفاوت می‌شود.

اگر ولتاژ فاصله حفره مثبت باشد، الکترون شتاب می‌یابد و اگر ولتاژ فاصله حفره منفی باشد، الکترون کند می‌شود. اگر ولتاژ صفر باشد، سرعت الکترون‌ها تغییر نمی‌کند.

وقتی الکترون‌ها از فاصله حفره خارج می‌شوند، همه الکترون‌ها سرعت‌های مختلفی دارند و این الکترون‌ها در فضای صفحه بازتابنده حرکت می‌کنند.

این الکترون‌ها بر اساس سرعت خود فاصله‌ای را طی می‌کنند. با افزایش سرعت، الکترون فاصله بیشتری را در فضای صفحه بازتابنده طی می‌کند و با کاهش سرعت، الکترون فاصله کمتری را طی می‌کند.

تمام این الکترون‌ها به حفره بازمی‌گردند و در مرکز فاصله حفره گروه‌بندی می‌شوند. انرژی الکترون‌ها که از حفره منتقل می‌شود به عنوان خروجی RF شناخته می‌شود.

نمودار Apple-gate

نمودار Apple-gate یک نمودار بین فاصله از حفره و زمانی است که الکترون در فضای صفحه بازتابنده می‌گذرد.

الکترون‌های مختلف مسیرهای مختلفی را طی می‌کنند که بستگی به سرعت آنها دارد. سرعت الکترون‌ها بستگی به ولتاژ فاصله حفره دارد.

به عنوان مثال سه الکترون را در نظر بگیرید. الکترون مرجع (e0) وقتی وارد حفره می‌شود که ولتاژ فاصله حفره صفر است. بنابراین، سرعت تغییر نمی‌کند. آن در فضای صفحه بازتابنده فاصله L0 را طی می‌کند و به حفره بازمی‌گردد. چون صفحه بازتابنده بسیار منفی است و انرژی کینتیکی الکترون را مخالفت می‌کند.