Einführung in den Zweikammer-Klystron-Verstärker

KÖNIGIN UND SAMURAI - Eine Einführung in den Online Kurs - Andrea und Veit Lindau (Dezember 2018).

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Einführung in den Zweikammer-Klystron-Verstärker


Klystron-Verstärker werden in einer Vielzahl von Industrien verwendet, einschließlich Satellitensystemen, Fernsehsendungen, Radar, Teilchenbeschleunigern und im medizinischen Bereich. In diesem Artikel erfahren Sie mehr über den einzigartigen Aufbau des Klystrons mit zwei Kavitäten und das Konzept der Elektronenbündelung.

Das Klystron ist ein Gerät zum Verstärken von Mikrowellenfrequenzsignalen, das durch Anwendung von Vakuumröhrenprinzipien und dem Konzept des "Elektronenbündelns" eine hohe Leistungsverstärkung erreicht. Klystrons werden in Satellitensystemen, Fernsehübertragungen und Radar sowie in Teilchenbeschleunigern und in der Medizin verwendet.

Das Klystron wurde von den Brüdern Russell und Sigurd Varian an der Stanford University erfunden. Ihr Prototyp wurde am 30. August 1937 erfolgreich fertiggestellt und demonstriert.

Klystrons können im UHF-Bereich (300 MHz bis 3 GHz) bis 400 GHz verwendet werden. Es gibt verschiedene Arten von Klystron-Verstärkern. Ein Haupttyp ist das Reflexklystron, das hauptsächlich als Oszillator verwendet wird.

Für diesen Artikel konzentrieren wir uns jedoch auf einen anderen populären Typ: das Zwei-Hohlraum-Klystron.

Prinzipien von Zweikammer-Klystrons

Zweikammer-Klystron-Geometrie

Das Zwei-Hohlraum-Klystron verwendet eine Elektronenquelle (Heizer), eine Anode und eine Kathode wie eine herkömmliche Vakuumröhre. Es verwendet auch ein Kollektorelement am Ende des Elektronenstroms. Die Heizung kocht Elektronen aus, wenn sie erhitzt werden, und die Elektronen werden von der Kathode ausgestoßen und beschleunigen aufgrund des hohen Gleichspannungspotentials zwischen den beiden Elementen in Richtung der Anode. Ein fokussierter Elektronenstrahl wird somit erzeugt.

Im Fall des Zwei-Hohlraum-Klystrons durchläuft der Elektronenstrahl ein zentrales Loch in dem ersten toroidförmigen Hohlraum und durch einen ähnlichen zweiten Hohlraum, der an dem Kollektor endet.

Auf jeder Seite des Hohlraums befindet sich ein Gitter, durch das die Elektronen hindurchtreten. Es ist die Wechselwirkung der Hohlräume mit dem Strahl, die die hohe Verstärkung liefert, die das Gerät erzeugen kann.

Abbildung 2. Layout der Klystronröhre

Hohlraum

Vielleicht können wir einen Moment abschweifen, um über den Hohlraum zu sprechen, der im Bündel und im Fänger verwendet wird. Der Hohlraum in dieser Geschichte ist ein ringförmiges Objekt mit folgendem Querschnitt:

Abbildung 3. 3a) Resonanzhohlraum; 3b) Äquivalent in pseudoelektrischer Form; 3c) Ersatzschaltung; 3d) Frequenzgang.

Dies kann auch als eine resonante Schwingkreisschaltung mit dem Parallelbereich des Kondensators und dem kreisförmigen Teil eines Einturninduktors gezeigt werden, wie in 2b und 2c gezeigt.

Der Resonator kann in einem engen Frequenzbereich in Resonanz gebracht werden (Abbildung 2d), natürlich definiert durch seine Geometrie. Der zentrale Teil der Struktur wirkt wie ein Kondensator mit einem Loch, durch das der Elektronenstrahl hindurchtreten kann. Dieser Kondensator und somit die Ladung, die an etwas angelegt wird, das durch das zentrale Loch hindurchgeht, wird die Ladung bei der Resonanzfrequenz umschlagen.

Aus einer elektrischen Perspektive definieren die Kapazität und die Induktivität die elektrische Resonanzfrequenz der Struktur. Ein Anregungssignal wird extern über eine Koaxialverbindung, die oben in 2a gezeigt ist, in den Resonator eingespeist. Diese Koaxialverbindung erregt den Hohlraum bei der Resonanzfrequenz.

Elektronenbündelung

Das Klystron verwendet ein Phänomen, das als Elektronenbündelung bezeichnet wird und das wie folgt aussieht:

Elektronen in einem Strahl, die eine Quelle mit hoher Geschwindigkeit verlassen, haben alle eine ungefähr gleiche Geschwindigkeit in der Bewegungsrichtung. Ohne angelegte Wechselwirkung entlang des Pfades werden die Elektronen im Strahl diesen Weg fortsetzen, bis sie am Kollektor enden. Wenn jedoch eine Struktur entlang des Pfades existiert, die der Bewegung der Elektronen entgegenwirken kann, kann dies dazu führen, dass einige von ihnen ihre Geschwindigkeit verringern. Dies tritt auf, wenn das linke Gitter negativ ist.

Die negative Ladung des Gitters drückt die Elektronen zurück, wenn sie durch das negative linke Gitter laufen, was sie verlangsamt. Während sie durch den Raum zwischen den Gittern hindurch und über das am weitesten rechts liegende positive Gitter hinausgehen, werden die Elektronen durch das positive Gitter weiter abgebremst, wenn sie an ihnen ziehen, wenn sie die Öffnung verlassen.

Beim entgegengesetzten elektrischen Zyklus der Platten treffen die Elektronen zunächst auf ein positives Gitter, das an ihnen zieht und sie durch die Bündelgitter beschleunigt. Das jetzt negative Gitter ganz rechts drückt sie schneller, als es sie beim Verlassen abstößt.

Stellen Sie sich vor, Sie sind ein Elektron, der durch den Buncher geht und Sie werden vom Buncher verlangsamt. Du würdest mitfahren und sanft verlangsamen, damit sich alle anderen Elektronen um dich herum ausbreiten (in Fahrtrichtung). Das Leben ist gut - viel Platz im Voraus. Aber warte! Eine ganze Reihe von Elektronen hinter dir wurde auf eine höhere Geschwindigkeit beschleunigt und jetzt holen sie dich ein, wenn du langsamer wirst! Jetzt sind wir in einem großen Haufen unterwegs durch den Driftraum.

Abbildung 3. Dieses Diagramm zeigt das Elektronen-Bündelungsverhalten, wenn Elektronen den Driftraum durchqueren. A zeigt eine Momentaufnahme zu Beginn des Transits. Während wir uns durch B nach D bewegen, wird die langsamere Elektronengruppe (blau) zunehmend von der schnelleren Elektronengruppe (rot) überholt, was zu einer Periode hoher Elektronendichte am Rahmen D führt.

Das Ergebnis ist eine Dichtemodulation oder Bündelung, die proportional zur aufgebrachten Kraft auf die Elektronen ist, wie sie durch den Resonator des Buncher erzeugt wird (klingt das sinnvoll? "Ok, na und?", Könnten Sie sagen. Nun, wenn wir einen ähnlichen Resonator nehmen B. die exakte Entfernung für eine optimale Bündelung und eine Koaxverbindung zum Resonator herstellen und das Signal als Ausgang anstelle eines Eingangs extrahieren, können wir nun ein Signal erhalten, das eine Kopie des Eingangssignals ist (die Bündeln) und wird stark verstärkt!

Nun haben wir einen Mikrowellenleistungsverstärker, der darauf basiert, dass weniger Elektronen in das Gerät eintraten und viele mehr proportional zum Eingangssignal gebündelt wurden und über den Fängerhohlraum ausgegeben werden.