Klystron

Klystron es un dispositivo de electrovacío , en el que se produce la conversión de un flujo constante de electrones en uno variable mediante la modulación de las velocidades de los electrones mediante un campo eléctrico de microondas (cuando vuelan a través del espacio de una cavidad resonadora ) y la posterior agrupación de electrones en racimos. (debido a la diferencia de sus velocidades) en un espacio de deriva libre de campos de microondas.

Clasificación

Los klystrons se dividen en 2 clases: de tránsito y reflexivos .

En un klystron transitorio , los electrones vuelan secuencialmente a través de los huecos de los resonadores de cavidad. En el caso más simple, hay 2 resonadores: entrada y salida. Un desarrollo posterior de los klistrones transitorios son los klistrones de múltiples cavidades en cascada, que tienen uno o más resonadores intermedios ubicados entre los resonadores de entrada y salida.

El klystron reflectante usa un resonador, a través del cual el flujo de electrones pasa dos veces y se refleja desde un electrodo especial: el reflector.

Historia

Los primeros diseños de klystrons span fueron propuestos e implementados en 1938 por los ingenieros estadounidenses Russell y Sigurt Varian [1] .

El klistrón reflectante fue desarrollado en 1940 por N. D. Devyatkov , E. N. Daniltsev, I. V. Piskunov e, independientemente de ellos , V. F. Kovalenko .

Klistrones voladores

El principio de funcionamiento de un klystron transitorio (PC) se basa en el uso de la inercia de los electrones de un flujo de electrones rectilíneo extendido. La PC se utiliza como amplificador de potencia, cambiador de frecuencia y multiplicador de frecuencia. Rango de frecuencia de PC de 200 MHz a 100 GHz, potencia de salida de 1 W a 1 MW en modo continuo y hasta 100 MW en modo pulsado. La PC es el amplificador de microondas más poderoso.

Dispositivo y principio de funcionamiento

El klystron tiene dos resonadores de cavidad con espacios de rejilla capacitivos. El primer resonador se llama entrada o modulador, el segundo se llama salida. El espacio entre ellos se llama deriva o espacio de agrupación.

Los electrones emitidos por el cátodo son acelerados por un voltaje constante del segundo electrodo y entran en el estrecho espacio de rejilla del primer resonador, en el que hay un campo de microondas longitudinal al flujo de electrones. Este campo acelera y ralentiza periódicamente los electrones, modulando la velocidad de los electrones en el flujo de electrones. Moviéndose más en el espacio de deriva, los electrones forman grupos gradualmente debido al hecho de que los electrones rápidos superan a los lentos. Este flujo de electrones de densidad modulada ingresa al segundo resonador y crea en él una corriente inducida de la misma frecuencia que la frecuencia del campo de modulación de entrada y la tasa de repetición del grupo. Como resultado, aparece un campo eléctrico de alta frecuencia entre las rejillas del segundo resonador, que comienza a interactuar con el flujo de electrones. Los parámetros necesarios del klystron se seleccionan de tal manera que el campo eléctrico del segundo resonador ralentiza los racimos de densidad electrónica y acelera su rarefacción. Como resultado, en promedio, durante el período de una oscilación de campo, se desaceleran más electrones que se aceleran. En este caso, la energía cinética de los electrones se convierte en la energía de las oscilaciones de microondas del campo electromagnético del segundo resonador, y los electrones, habiendo pasado el resonador, se depositan en el colector, disipando el resto de la energía cinética en el forma de calor. $tu_{0}$

Parámetros y características

Eficiencia

La eficiencia de Klystron generalmente se entiende como eficiencia electrónica : ${\ estilo de visualización \ eta _ {el}}$

\eta_{el}={\frac {P_{2n}}{P_{0}}},

es decir, la relación de la potencia dada por el flujo de electrones al campo de microondas en el resonador de salida en el n-ésimo armónico a la potencia de entrada ${\ Displaystyle P_ {2n}}$ ${\ estilo de visualización P_ {0}.}$

Resolviendo el problema de la inducción de potencia en la carga del resonador de salida a partir de los principios generales de la inducción de corriente por un haz de electrones, se puede obtener que el máximo , y por tanto el máximo rendimiento, está determinado por el máximo de la función de Bessel : ${\ Displaystyle P_ {2n}}$

\eta_{elmax}={J_{n}(nX)}_{max},

donde es la función de Bessel de primera especie de orden n ,

{\ Displaystyle J_ {n}}

norte

es el número armónico,

X

- el llamado parámetro de agrupación .

$norte$	${\ estilo de visualización \ eta _ {elmax}, \%}$	${\ Displaystyle X_ {máx})$
una	58.2	1.84
2	48.7	1.53
3	43.4	1.40
ocho	32,0	1.22
dieciséis	26,0	1.13

La tabla muestra la eficiencia electrónica máxima de un klystron de dos resonadores y el parámetro de agrupación óptimo para varios armónicos.

Si el parámetro se reduce, por ejemplo, disminuyendo la amplitud de la señal de entrada o aumentando la amplitud del voltaje de aceleración, entonces el flujo de electrones se subagrupará . Como resultado, la eficiencia y la potencia de salida disminuyen. Lo mismo sucede en la corriente reagrupada . $X,$

La eficiencia real de un klystron transitorio de dos resonadores, teniendo en cuenta las pérdidas en el sistema oscilatorio, en las redes de resonadores y otros factores, es mucho menor y no supera el 20% .

klystron multicavidad

Dispositivo y principio de funcionamiento

En los klystrons de múltiples cavidades, se colocan resonadores descargados adicionales entre los resonadores de entrada y salida. Como ejemplo que explica las características de su trabajo, es suficiente considerar un klystron transitorio de tres resonadores.

Suponga que el resonador intermedio está sintonizado con precisión a la frecuencia de la señal de entrada. Al igual que en el klystron de dos resonadores, en el resonador de entrada los electrones se modulan en velocidad y luego se agrupan en el primer espacio de deriva. Si la entrada recibe una señal de entrada débil, la modulación del flujo de electrones será insignificante. En este caso, la magnitud de la corriente inducida en el segundo resonador también será pequeña. Sin embargo, dado que un resonador intermedio descargado es un sistema de alta calidad , incluso con una amplitud pequeña de la corriente de convección [2] , el voltaje creado en sus rejillas será grande. Esto se ve facilitado en gran medida por el hecho de que el segundo resonador no está conectado a una carga externa. Las pérdidas activas totales en el segundo resonador están determinadas solo por las pérdidas en el resonador mismo y la carga electrónica de la puerta.[ aclarar ] .

En estado estable, la corriente y el voltaje en el segundo resonador tienen la misma frecuencia que la frecuencia de la señal de entrada. El voltaje inducido entre las rejillas del segundo resonador provoca una fuerte modulación de la velocidad de los electrones y un fuerte agrupamiento del flujo de electrones en el segundo espacio de deriva. Como resultado, la distribución de electrones en racimos de su densidad estará determinada por el segundo resonador, y la dependencia de la corriente de convección en el tercer resonador será aproximadamente la misma que en el klistrón de dos resonadores formado por el segundo y el tercero. resonadores, pero a un voltaje de modulación mucho más alto que el voltaje de modulación del primer resonador. En este caso , la ganancia aumentará significativamente, ya que el agrupamiento de electrones se realiza a una amplitud mucho menor de la señal de entrada suministrada al primer resonador. Procesos similares tienen lugar en cada resonador intermedio de un klystron de múltiples cavidades.

Simplificado, el principio de funcionamiento del dispositivo se puede demostrar claramente en el ejemplo de una sección de carretera cargada bastante larga, equipada con semáforos. A pesar de que los coches tienen diferentes velocidades y aceleraciones durante la aceleración y desaceleración (similar a la distribución de las velocidades de los electrones) en las zonas siguientes a los semáforos, el flujo de coches estará claramente modulado con una frecuencia igual a la frecuencia de los semáforos. (análogo a un resonador), y esta modulación se conservará a cierta distancia de los semáforos. Si todos los semáforos funcionan en conjunto (el sistema de “ Onda Verde ”), entonces, en un cierto tramo de la carretera, las velocidades promedio de los automóviles se igualarán y la modulación del flujo se mantendrá en toda su longitud. Incluso si en el tramo inicial de la carretera la regulación del semáforo no afecta a todos los coches (algunos de ellos entran en intersecciones no reguladas), lo que es análogo a una señal débil en la entrada del primer resonador klystron, la sincronización de la velocidad se producirá en un sección relativamente pequeña.

Desde un punto de vista físico, un aumento en la ganancia de un klystron multicavidad no se logra aumentando la eficiencia y la potencia de salida, sino reduciendo la potencia de la señal requerida en la entrada del amplificador para controlar el flujo de electrones.

Parámetros y características

Eficiencia

En el caso ideal considerado anteriormente (cuando el segundo resonador está finamente sintonizado con la frecuencia de la señal de entrada), la potencia de salida máxima y la eficiencia electrónica siguen siendo las mismas que en un klistrón de dos cavidades, es decir, el límite de eficiencia es del 58 %. , ya que el valor máximo de la amplitud del primer armónico sigue siendo la misma corriente de convección en el último resonador.

Para aumentar la eficiencia en los klistrones multicavidad, se realiza una ligera desafinación respecto a la frecuencia amplificada de los resonadores intermedios, donde la tensión creada por la corriente inducida es alta (normalmente este es el penúltimo resonador). Al mismo tiempo, la disminución de la potencia de salida y la ganancia del klystron, que se produce cuando se desafinan los resonadores, se compensa con un aumento del número de resonadores. (La ganancia es aproximadamente igual a dB, donde es el número de resonadores). Los cálculos teóricos muestran que, en este caso, la eficiencia electrónica se puede aumentar al 75 % y la banda de frecuencia operativa se puede extender a varios porcentajes. En la práctica, generalmente se utilizan klystrons de cuatro-seis resonadores. ${\ estilo de visualización 15+20 (N-2)}$ $norte$

Klystron reflectante

Dispositivo y principio de funcionamiento

Los klistrones reflectantes están diseñados para generar oscilaciones de microondas de baja potencia.

El klystron reflectante tiene un resonador, que está doblemente atravesado por un haz de electrones. El retorno de los electrones se realiza mediante un reflector, que se encuentra bajo un potencial constante negativo con respecto al cátodo. Así, el resonador desempeña el papel de un agrupador durante el primer paso de electrones y el papel de un circuito de salida durante el segundo paso. El espacio entre el resonador y el reflector juega el papel de un espacio de deriva, donde la modulación de velocidad del haz de electrones se convierte en modulación de densidad.

Para que el klystron pueda generar oscilaciones de microondas, es necesario que los haces de electrones formados durante el primer paso por el resonador pasen por el resonador durante el movimiento inverso en aquellos momentos en que hay un retardo de alta frecuencia. campo eléctrico en él.

Parámetros y características

Eficiencia

La eficiencia electrónica de los klistrones reflectantes es menor que la de los klistrones transitorios, y su valor realmente alcanzable no supera un pequeño porcentaje.

Rango de sintonización de frecuencia

Dentro de cada zona de generación, es posible la sintonización electrónica de frecuencia. En la práctica, se realiza cambiando el voltaje en el reflector, ya que la corriente en el circuito del reflector es cero y la frecuencia de generación se controla sin consumo de energía.

El rango de sintonización de frecuencia electrónica para klystrons reflectantes generalmente no excede el 0,5% del valor de frecuencia promedio.

También es posible la sintonización de frecuencia mecánica. Se lleva a cabo cambiando la frecuencia del resonador. Hay dos tipos de sintonización mecánica: inductiva y capacitiva. El primero se lleva a cabo por medio de tornillos de ajuste y pistones, con la ayuda de los cuales se cambia el volumen de la cavidad del resonador. En la segunda variante, la segunda rejilla resonadora se estira sobre un diafragma corrugado elástico, al doblarlo es posible cambiar la distancia entre las rejillas resonadoras y, por lo tanto, la capacitancia eléctrica entre rejillas. El rango de sintonía mecánica es aproximadamente el 25% de la frecuencia central, que es mucho mayor que el rango de sintonía electrónica. Pero al mismo tiempo, la tasa de reestructuración es pequeña y está determinada por la velocidad del movimiento mecánico.

Aplicación

Los klystrons voladores son la base de todos los transmisores de microondas potentes de los sistemas de radio coherentes , donde se realizan la estabilidad de frecuencia y la pureza espectral de los estándares de frecuencia de hidrógeno altamente estables. En particular, en las etapas de salida de los radares más potentes del mundo para el estudio de asteroides y cometas (telescopios de radar, radares planetarios y de asteroides), que se encuentran en Arecibo ( Puerto Rico ), Goldstone ( California ) y Evpatoria ( Crimea ). observatorios, son los klystrons refrigerados por agua de sobrevuelo.

Los klistrones reflectantes se utilizan en varios equipos como generadores de microondas de baja potencia. Debido a su baja eficiencia, no se utilizan para obtener potencias elevadas y suelen emplearse como osciladores locales en receptores de microondas, en equipos de medida y en transmisores de baja potencia. Sus principales ventajas radican en la sencillez del diseño y la posibilidad de sintonización electrónica de frecuencia. Los klistrones reflectantes son muy fiables y no requieren el uso de un sistema de enfoque de haz de electrones .

Actualmente, en aquellas aplicaciones donde no se requiere alta resistencia a la radiación ionizante , los generadores basados en klystrons reflectantes están siendo reemplazados por generadores de microondas semiconductores - diodos de Gunn y diodos de tránsito de avalanchas .

Véase también

magnetrón
klistrón óptico

Notas

↑ Kuleshov, 2008 , pág. 314.
↑ Si la corriente no fluye en una sustancia, sino en el espacio libre, a menudo se usa el término "corriente de transferencia" en lugar del término "corriente de conducción". En otras palabras, la corriente de transferencia o corriente de convección se debe a la transferencia de cargas eléctricas en el espacio libre por parte de partículas o cuerpos cargados bajo la acción de un campo eléctrico. Ver artículo Corriente de polarización (electrodinámica)#Corriente de polarización y corriente de conducción

Literatura

Kuleshov V. N., Udalov N. N., Bogachev V. M. et al Generación de oscilaciones y formación de señales de radio. - M. : MPEI, 2008. - 416 p. - ISBN 978-5-383-00224-7 .

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