Tuyau à klystron : Qu'est-ce que c'est ? (Types et applications)

Qu'est-ce qu'un tube Klystron?

Un Klystron (également connu sous le nom de tube Klystron ou amplificateur Klystron) est un tube à vide utilisé pour osciller et amplifier des signaux de fréquence micro-onde. Il a été inventé par les ingénieurs électriques américains Russell et Sigurd Varian.

Le klystron utilise l'énergie cinétique d'un faisceau d'électrons. Généralement, les klystrons de faible puissance sont utilisés comme oscillateurs et les klystrons de haute puissance sont utilisés comme tubes de sortie en UHF.

Il existe deux configurations pour un klystron de faible puissance. L'une est un oscillateur micro-onde de faible puissance (Klystron réflexe) et la seconde est un amplificateur micro-onde de faible puissance (Klystron à deux cavités ou Klystron à plusieurs cavités).

Qu'est-ce qu'un oscillateur Klystron réflexe?

Avant de répondre à cette question, nous devons savoir comment les oscillations sont générées. Pour générer les oscillations, nous devons fournir un retour positif de la sortie vers l'entrée. Avec la contrainte que le gain en boucle est unitaire.

Pour un klystron, les oscillations se produiront si une partie de la sortie est utilisée comme retour à la cavité d'entrée et que le gain en boucle reste unitaire. Le déphasage du chemin de retour est d'un cycle (2π) ou de multiples cycles (multiples de 2π).

Construction d'un Klystron réflexe

Le faisceau d'électrons est injecté depuis la cathode. Ensuite, il y a une anode, appelée anode de focalisation ou anode d'accélération. Cette anode est utilisée pour réduire le faisceau d'électrons. L'anode est connectée à la polarité positive de la source de tension continue.

Le klystron réflexe n'a qu'une seule cavité, qui est placée à côté de l'anode. Cette cavité fonctionne comme une cavité de regroupement pour les électrons se déplaçant vers l'avant et comme une cavité de capture pour les électrons se déplaçant vers l'arrière.

La modulation de vitesse et de courant se produit dans l'espace de la cavité. L'espace est égal à la distance 'd'.

La plaque repousseuse est connectée à la polarité négative de la tension Vr.

Principe de fonctionnement du Klystron réflexe

Le Klystron réflexe fonctionne sur le principe de la modulation de vitesse et de courant.

Le faisceau d'électrons est injecté depuis la cathode. Le faisceau d'électrons passe par l'anode d'accélération. Les électrons se déplacent dans le tube avec une vitesse uniforme jusqu'à ce qu'ils atteignent la cavité.

La vitesse des électrons est modulée dans l'espace de la cavité et ces électrons tentent d'atteindre la plaque repousseuse.

La plaque repousseuse est connectée à la polarité négative d'une source de tension. Par conséquent, en raison de la même polarité, elle s'oppose à la force des électrons.

L'énergie cinétique des électrons diminue dans l'espace de la plaque repousseuse et à un certain point, elle sera nulle. Après cela, l'électron est repoussé vers la cavité. Et lors du trajet de retour, tous les électrons se regroupent en un seul point.

Il y aura une modulation de courant due à la formation de groupes. L'énergie des électrons est convertie sous forme de RF et la sortie RF est prise de la cavité. Pour une efficacité maximale du klystron, le regroupement des électrons doit se produire au centre de l'espace de la cavité.

Comment les électrons se déplacent-ils dans le tube klystron?

Depuis le canon électronique (cathode), le faisceau d'électrons est injecté dans le tube. Ces électrons se déplacent vers l'anode avec une vitesse uniforme. Ensuite, les électrons passent par l'espace de la cavité. La vitesse des électrons varie en fonction de la tension de l'espace de la cavité.

Si la tension de l'espace de la cavité est positive, l'électron sera accéléré et si la tension de l'espace de la cavité est négative, l'électron sera décéléré. Si la tension est nulle, la vitesse des électrons ne changera pas.

Lorsque les électrons quittent l'espace de la cavité, tous les électrons ont des vitesses différentes et ces électrons voyageront dans l'espace de la plaque repousseuse.

Ces électrons voyagent sur une distance en fonction de leur vitesse. Plus la vitesse est élevée, plus l'électron voyagera sur une grande distance et moins la vitesse est élevée, plus l'électron voyagera sur une courte distance dans l'espace de la plaque repousseuse.

Tous ces électrons reviendront à la cavité et se regrouperont au centre de l'espace de la cavité. L'énergie des électrons transférée de la cavité est connue sous le nom de sortie RF.

Diagramme Apple-gate

Le diagramme Apple-gate est un graphique entre la distance de l'espace de la cavité et le temps pris par l'électron dans l'espace de la plaque repousseuse.

Les différents électrons suivent des chemins différents en fonction de leurs vitesses. La vitesse des électrons dépend de la tension de l'espace de la cavité.

Prenons l'exemple de trois électrons. L'électron de référence (e0) entre dans l'espace de la cavité lorsque la tension de l'espace de la cavité est nulle. Par conséquent, la vitesse ne changera pas. Il parcourt une distance L0 dans l'espace de la plaque repousseuse et revient à la cavité. En raison de la forte polarité négative de la plaque repousseuse, elle s'opposera à l'énergie cinétique de l'électron.