Tubo Klystron: O que é? (Tipos e Aplicações)

O que é um Tubo Klystron?

Um Klystron (também conhecido como Tubo Klystron ou Amplificador Klystron) é um tubo de vácuo usado para oscilar e amplificar sinais de frequência de microondas. Foi inventado pelos engenheiros elétricos americanos Russell e Sigurd Varian.

Um klystron usa a energia cinética de um feixe de elétrons. Geralmente, klystrons de baixa potência são usados como osciladores e klystrons de alta potência são usados como tubos de saída em UHF.

Existem duas configurações para um klystron de baixa potência. Uma é um oscilador de microondas de baixa potência (Klystron Reflexivo) e a segunda é um amplificador de microondas de baixa potência (Klystron de Duas Câmaras ou Klystron de Múltiplas Câmaras).

O que é um Oscilador Klystron Reflexivo?

Antes de responder a esta pergunta, precisamos saber como as oscilações são geradas. Para gerar as oscilações, precisamos fornecer feedback positivo da saída para a entrada. Com a restrição de que o ganho do loop seja unidade.

Para um klystron, as oscilações serão geradas se uma parte da saída for usada como feedback para a câmara de entrada e mantendo o ganho do loop com magnitude unidade. O deslocamento de fase do caminho de feedback é um ciclo (2π) ou múltiplos ciclos (múltiplos de 2π).

Construção do Klystron Reflexivo

O feixe de elétrons é injetado a partir do cátodo. Então há um ânodo, conhecido como ânodo de foco ou ânodo acelerador. Este ânodo é usado para estreitar o feixe de elétrons. O ânodo está conectado à polaridade positiva da fonte de tensão DC.

O klystron reflexivo tem apenas uma câmara, que é colocada ao lado do ânodo. Esta câmara funciona como uma câmara de aglomerado para elétrons em movimento para frente e câmara de captura para elétrons em movimento para trás.

A modulação de velocidade e corrente ocorre na lacuna da câmara. A lacuna é igual à distância ‘d’.

A placa repelente está conectada à polaridade negativa da tensão Vr.

Princípio de Funcionamento do Klystron Reflexivo

O Klystron Reflexivo funciona no princípio de modulação de velocidade e corrente.

O feixe de elétrons é injetado a partir do cátodo. O feixe de elétrons passa pelo ânodo acelerador. Os elétrons se movem no tubo com velocidade uniforme até atingir a câmara.

A velocidade dos elétrons é modulada na lacuna da câmara e esses elétrons tentam chegar ao repelente.

O repelente está conectado à polaridade negativa de uma fonte de tensão. Portanto, por causa da mesma polaridade, ele opõe-se à força dos elétrons.

A energia cinética dos elétrons diminui no espaço do repelente e em algum ponto será zero. Depois disso, o elétron é puxado de volta à câmara. E na viagem de retorno, todos os elétrons se agrupam em um único ponto.

Haverá modulação de corrente devido à formação do agrupamento. A energia dos elétrons é convertida na forma de RF e a saída de RF é retirada da câmara. Para máxima eficiência do klystron, o agrupamento dos elétrons deve ocorrer no centro da lacuna da câmara.

Como os elétrons se movem no tubo klystron?

Do canhão de elétrons (cátodo), o feixe de elétrons é injetado no tubo. Esses elétrons se movem em direção ao ânodo com velocidade uniforme. Em seguida, os elétrons passam pela lacuna da câmara. A velocidade dos elétrons varia de acordo com a tensão na lacuna da câmara.

Se a tensão na lacuna da câmara for positiva, o elétron será acelerado e, se a tensão na lacuna da câmara for negativa, o elétron será desacelerado. Se a tensão for zero, a velocidade dos elétrons não mudará.

Quando os elétrons deixam a lacuna da câmara, todos têm diferentes velocidades e esses elétrons viajarão no espaço do repelente.

Esses elétrons viajam uma distância de acordo com a velocidade. Quanto maior a velocidade, mais longe o elétron viajará e, quanto menor a velocidade, menos distância o elétron viajará no espaço do repelente.

Todos esses elétrons retornarão à câmara e se agruparão no centro da lacuna da câmara. A energia transferida dos elétrons para a câmara é conhecida como a saída de RF.

Diagrama Apple-gate

O diagrama Apple-gate é um gráfico entre a distância da lacuna da câmara e o tempo levado pelo elétron no espaço do repelente.

Diferentes elétrons seguem diferentes caminhos dependendo de suas velocidades. A velocidade dos elétrons depende da tensão na lacuna da câmara.

Vamos tomar o exemplo de três elétrons. O elétron de referência (e0) entra na lacuna da câmara quando a tensão na lacuna da câmara é zero. Portanto, a velocidade não mudará. Ele viaja L0 de distância no espaço do repelente e retorna à câmara. Porque a placa repelente é altamente negativa e oporá a energia cinética do elétron.