Lampa klystronowa: Co to jest? (Typy i zastosowania)

Co to jest lampa klystronowa?

Lampa klystronowa (znana również jako lampa klystronowa lub wzmocniacz klystronowy) to lampa próżniowa używana do oscylacji i wzmocnienia sygnałów o częstotliwości mikrofalowej. Została wynaleziona przez amerykańskich inżynierów elektryków Russella i Sigurda Varian.

Klystron wykorzystuje energię kinetyczną wiązki elektronowej. Ogólnie rzecz biorąc, lampy klystronowe o niskiej mocy są używane jako oscylatory, a lampy klystronowe o wysokiej mocy są używane jako lampy wyjściowe w UHF.

Istnieją dwie konfiguracje dla lampy klystronowej o niskiej mocy. Pierwsza to niskomocny mikrofalowy oscylator (Reflex Klystron), a druga to niskomoczy mikrofalowy wzmocniacz (Dwuprzestrzeniowy Klystron lub Wieloprzestrzeniowy Klystron).

Co to jest Reflex Klystron Oscylator?

Zanim odpowiemy na to pytanie, musimy wiedzieć, jak powstają oscylacje. Aby wygenerować oscylacje, potrzebujemy podać dodatnią sprzężenie zwrotne od wyjścia do wejścia. Pod warunkiem, że wzmocnienie pętli wynosi jedność.

Dla klystronu oscylacje powstaną, jeśli część sygnału wyjściowego zostanie użyta jako sprzężenie zwrotne do przestrzeni wejściowej, a wzmocnienie pętli będzie miało wartość jedności. Przesunięcie fazowe ścieżki sprzężenia zwrotnego wynosi jeden cykl (2π) lub wielokrotność cykli (wielokrotność 2π).

Konstrukcja Reflex Klystron

Wiązka elektronów jest wprowadzana z katody. Następnie znajduje się anoda, znana jako anoda skupiająca lub anoda akcelerująca. Ta anoda służy do zwężenia wiązki elektronowej. Anoda jest połączona z dodatnim polarnością źródła napięcia DC.

Reflex klystron ma tylko jedną przestrzeń, która znajduje się obok anody. Ta przestrzeń działa jako przestrzeń skupiająca dla elektronów poruszających się w przód i przestrzeń zbierająca dla elektronów poruszających się w tył.

Modulacja prędkości i prądu następuje w szczelinie przestrzeni. Szerokość szczeliny wynosi odległość ‘d’.

Płyta repulsyjna jest połączona z ujemną polarnością napięcia źródła Vr.

Zasada działania Reflex Klystron

Reflex Klystron działa na zasadzie modulacji prędkości i prądu.

Wiązka elektronów jest wprowadzana z katody. Wiązka elektronów przechodzi przez anodę akcelerującą. Elektrony poruszają się w rurze z równomierną prędkością, dopóki nie dotrą do przestrzeni.

Prędkość elektronów jest modulowana w szczelinie przestrzeni, a te elektrony próbują dotrzeć do płyty repulsywnej.

Płyta repulsyjna jest połączona z ujemną polarnością źródła napięcia. Dlatego, ze względu na tę samą polarność, przeciwstawia się sile elektronów.

Energia kinetyczna elektronów maleje w przestrzeni repulsywnej, a w pewnym momencie będzie wynosić zero. Po tym elektrony wracają do przestrzeni. W drodze powrotnej wszystkie elektrony gromadzą się w jednym punkcie.

W wyniku gromadzenia elektronów występuje modulacja prądu. Energia elektronów jest przekształcana w formę RF, a sygnał RF jest pobierany z przestrzeni. Dla maksymalnej efektywności klystronu, gromadzenie elektronów musi odbywać się w środku szczeliny przestrzeni.

Jak poruszają się elektrony w rurze klystronowej?

Z pistoletu elektronowego (katody) wiązka elektronów jest wprowadzana do rury. Te elektrony poruszają się w kierunku anody z równomierną prędkością. Następnie elektrony przechodzą przez szczelinę przestrzeni. Prędkość elektronów zmienia się w zależności od napięcia w szczelinie przestrzeni.

Jeśli napięcie w szczelinie przestrzeni jest dodatnie, elektrony będą przyspieszone, a jeśli napięcie w szczelinie przestrzeni jest ujemne, elektrony będą spowolnione. Jeśli napięcie wynosi zero, prędkość elektronów nie zmieni się.

Gdy elektrony opuszczą szczelinę przestrzeni, wszystkie mają różne prędkości i te elektrony podróżują w przestrzeni repulsywnej.

Te elektrony podróżują odległość w zależności od prędkości. Im większa prędkość, tym dalej elektron przebędzie dystans, a im mniejsza prędkość, tym krócej elektron przebędzie dystans w przestrzeni repulsywnej.

Wszystkie te elektrony wrócą do przestrzeni i zgromadzą się w środku szczeliny przestrzeni. Energia elektronów przeniesiona z przestrzeni nazywana jest sygnałem RF.

Diagram Apple-gate

Diagram Apple-gate to wykres między odległością od szczeliny przestrzeni a czasem, jaki upłynął elektronowi w przestrzeni repulsywnej.

Różne elektrony podążają różnymi ścieżkami w zależności od ich prędkości. Prędkość elektronów zależy od napięcia w szczelinie przestrzeni.

Weźmy przykład trzech elektronów. Referencyjny elektron (e