Klystronbuis: Wat is het? (Typen en toepassingen)

Wat is een Klystron Buizen?

Een Klystron (ook bekend als Klystron Buizen of Klystron Versterker) is een vacuümbuis die wordt gebruikt om microgolffrequenties te oscilleren en te versterken. Het werd uitgevonden door de Amerikaanse elektrici ingenieurs Russell en Sigurd Varian.

Een klystron maakt gebruik van de kinetische energie van een elektronenstraal. Over het algemeen worden laagvermogende klystrons gebruikt als oscillators en hoogvermogende klystrons als uitvoerbuis in UHF.

Er zijn twee configuraties voor een laagvermogend klystron. De ene is een laagvermogende microgolfoptillator (Reflex Klystron) en de andere is een laagvermogende microgolfversterker (Twee Cavity Klystron of Multi Cavity Klystron).

Wat is een Reflex Klystron Oscillator?

Voordat we deze vraag beantwoorden, moeten we weten hoe de oscillaties worden gegenereerd. Om oscillaties te genereren, moeten we positieve feedback geven van de uitvoer naar de ingang. Met de beperking dat de lusgain gelijk is aan één.

Voor een klystron zullen oscillaties ontstaan als een deel van de uitvoer wordt gebruikt als feedback naar de ingangscaviteit en de lusgain grootte gelijk is aan één. De faseverschuiving van het feedbackpad is één cyclus (2π) of meerdere cycli (meerdere van 2π).

Bouw van Reflex Klystron

De elektronenstraal wordt ingespoten vanaf de katode. Vervolgens is er een anode, bekend als focusanode of acceleratieanode. Deze anode wordt gebruikt om de elektronenstraal te vernauwen. De anode is verbonden met de positieve pool van de gelijkstroomspanningsbron.

De reflex klystron heeft slechts één caviteit, die naast de anode is geplaatst. Deze caviteit werkt als een bundlercaviteit voor voorwaartse bewegende elektronen en als catchercaviteit voor achterwaartse bewegende elektronen.

De snelheid en stromodulatie vinden plaats in de caviteitopening. De opening is gelijk aan de afstand ‘d’.

Het repellerplate is verbonden met de negatieve pool van de spanningsbron Vr.

Werkingsprincipe van Reflex Klystron

De Reflex Klystron werkt op het principe van snelheids- en stromodulatie.

De elektronenstraal wordt ingespoten vanaf de katode. De elektronenstraal passeert de acceleratieanode. De elektronen bewegen in de buis met constante snelheid totdat ze de caviteit bereiken.

De snelheid van de elektronen wordt gemoduleerd in de caviteitopening en deze elektronen proberen de repeller te bereiken.

De repeller is verbonden met de negatieve pool van een spanningsbron. Daarom weerstaat hij, vanwege dezelfde polariteit, de kracht van de elektronen.

De kinetische energie van de elektronen neemt af in de repellerspace en op een bepaald moment zal deze nul zijn. Daarna wordt het elektron teruggeduwd naar de caviteit. En tijdens de terugreis bollen alle elektronen op één punt samen.

Er zal stromodulatie optreden door de vorming van bundels. De energie van de elektronen wordt omgezet in RF-vorm en de RF-uitvoer wordt genomen uit de caviteit. Voor maximale efficiëntie van de klystron moet de bundeling van de elektronen plaatsvinden in het midden van de caviteitopening.

Hoe bewegen elektronen zich in de klystron buis?

Vanaf het elektronengeweer (katode) wordt de elektronenstraal in de buis ingespoten. Deze elektronen bewegen zich met constante snelheid naar de anode. Vervolgens passeren de elektronen de caviteitopening. De snelheid van de elektronen varieert afhankelijk van de spanning in de caviteitopening.

Als de spanning in de caviteitopening positief is, zal het elektron worden versneld en als de spanning in de caviteitopening negatief is, zal het elektron worden vertraagd. Als de spanning nul is, zal de snelheid van de elektronen niet veranderen.

Wanneer de elektronen de caviteitopening verlaten, hebben alle elektronen verschillende snelheden en deze elektronen reizen in de repellerspace.

Deze elektronen reizen afstanden afhankelijk van hun snelheid. Hoe hoger de snelheid, hoe verder het elektron zal reizen, en hoe lager de snelheid, hoe minder ver het elektron zal reizen in de repellerspace.

Al deze elektronen zullen terugkeren naar de caviteit en gebundeld zijn in het midden van de caviteitopening. De energie die van de elektronen naar de caviteit wordt overgedragen, staat bekend als de RF-uitvoer.

Apple-gate Diagram

Een Apple-gate diagram is een grafiek tussen de afstand van de caviteitopening en de tijd die de elektronen in de repellerspace nodig hebben.

Verschillende elektronen volgen verschillende paden afhankelijk van hun snelheden. De snelheid van de elektronen hangt af van de spanning in de caviteitopening.

Laten we het voorbeeld nemen van drie elektronen. Het referentie-elektron (e0) gaat de caviteitopening binnen wanneer de spanning in de caviteitopening nul is. Daarom zal de snelheid niet veranderen. Het reist L0 afstand in de repellerspace en trekt terug naar de caviteit. Omdat het repellerplate sterk negatief is, zal het de kinetische energie van het elektron tegenwerken.