لوله کلیسترون: این چیست؟ (نوع‌ها و کاربردها)

لوله کلیسترون چیست؟

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

کلیسترون از انرژی جنبشی پرتو الکترون استفاده می‌کند. عموماً، کلیسترون‌های با قدرت کم به عنوان نوسان‌سازها و کلیسترون‌های با قدرت بالا به عنوان لوله‌های خروجی در UHF استفاده می‌شوند.

دو نوع کلیسترون با قدرت کم وجود دارد. یکی کلیسترون بازتابی (کلیسترون نوسان‌ساز میکروویو با قدرت کم) و دیگری کلیسترون تقویت‌کننده میکروویو با قدرت کم (کلیسترون دو حفره‌ای یا چند حفره‌ای).

کلیسترون بازتابی نوسان‌ساز چیست؟

قبل از پاسخ به این سوال، باید بدانیم که چگونه نوسان‌ها ایجاد می‌شوند. برای ایجاد نوسان‌ها، باید بازخورد مثبت از خروجی به ورودی داده شود. با محدودیتی که ضریب حلقه واحد است.

برای کلیسترون، نوسان‌ها ایجاد خواهند شد اگر بخشی از خروجی به عنوان بازخورد به حفره ورودی استفاده شود و ضریب حلقه واحد باقی بماند. تغییر 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 کنار آند قرار دارد. این حفره به عنوان حفره تمرکز برای الکترون‌های حرکتی به جلو و حفره جذب برای الکترون‌های حرکتی به عقب عمل می‌کند.

مدولاسیون سرعت و جریان در شکاف حفره اتفاق می‌افتد. این شکاف برابر با فاصله 'd' است.

صفحه بازتاب‌دهنده 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 طریق آند شتاب‌دهنده عبور می‌کند. الکترون‌ها با سرعت یکنواخت در لوله حرکت می‌کنند تا به حفره برسند.

سرعت الکترون‌ها در شکاف حفره مدوله می‌شود و این الکترون‌ها تلاش می‌کنند به صفحه بازتاب‌دهنده برسند.

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

انرژی جنبشی الکترون‌ها در فضای صفحه بازتاب‌دهنده کاهش می‌یابد و در نقطه‌ای خاص به صفر می‌رسد. پس از آن، الکترون به حفره باز می‌گردد. و در مسیر بازگشت، تمام الکترون‌ها در یک نقطه جمع می‌شوند.

مدولاسیون جریان به دلیل تشکیل دسته‌های الکترونی اتفاق می‌افتد. انرژی الکترون‌ها به صورت RF تبدیل می‌شود و خروجی RF از حفره گرفته می‌شود. برای کارایی بیشتر کلیسترون، دسته‌بندی الکترون‌ها باید در مرکز شکاف 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 سمت آند حرکت می‌کنند. سپس الکترون‌ها از شکاف حفره عبور می‌کنند. سرعت الکترون‌ها بر اساس ولتاژ شکاف حفره تغییر می‌کند.

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

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

این الکترون‌ها بر اساس سرعت حرکت می‌کنند. هرچه سرعت بیشتر باشد، الکترون فاصله بیشتری را در فضای صفحه بازتاب‌دهنده طی می‌کند و هرچه سرعت کمتر باشد، الکترون فاصله کمتری را طی می‌کند.

همه این الکترون‌ها به حفره بازمی‌گردند و در مرکز شکاف حفره جمع 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 شکاف حفره و زمانی است که الکترون در فضای صفحه بازتاب‌دهنده می‌گذرد.

الکترون‌های مختلف مسیرهای مختلفی را بر اساس سرعت‌های خود دنبال می‌کنند. سرعت الکترون‌ها به ولتاژ شکاف حفره بستگی دارد.

به عنوان مثال، سه الکترون را در نظر بگیرید. الکترون مرجع (e0) وقتی وارد شکاف حفره می‌شود که ولتاژ شکاف حفره صفر است. بنابراین، سرعت تغییر نمی‌کند. این الکترون فاصله L0 را در فضای صفحه بازتاب‌دهنده طی می‌کند و به حفره بازمی‌گردد. به دلیل صفحه بازتاب‌دهنده که بسیار منفی است و انرژی جنبشی الکترون ر