Klystron - Klystron

400 kW klystron používaný pro komunikaci kosmických lodí v komunikačním komplexu Canberra Deep Space . Toto je rezerva ve skladu.
5 kW klystronová trubice používaná jako výkonový zesilovač v UHF televizním vysílači, 1952. Po instalaci trubice vyčnívá otvory ve středu dutých rezonátorů, přičemž boky dutin jsou v kontaktu s kovovými kroužky na trubici.

Klystron je specializovaný lineární paprsek elektronka , vynalezený v roce 1937 amerických elektrotechniků Russell a Sigurd Varian , který se používá jako zesilovač pro vysoké rádiových frekvencí , z UHF nahoru do mikrovlnné oblasti. Nízkoenergetické klystrony se používají jako oscilátory v pozemních mikrovlnných reléových komunikačních spojích, zatímco vysoce výkonné klystrony se používají jako výstupní trubice v UHF televizních vysílačích , satelitní komunikaci , radarových vysílačích a k generování hnacího výkonu pro moderní urychlovače částic .

V klystronu elektronový paprsek interaguje s rádiovými vlnami, když prochází rezonančními dutinami , kovovými boxy po délce trubice. Elektronový paprsek nejprve prochází dutinou, do které je aplikován vstupní signál. Energie elektronového paprsku zesiluje signál a zesílený signál je odebírán z dutiny na druhém konci trubice. Výstupní signál lze spojit zpět do vstupní dutiny a vytvořit elektronický oscilátor pro generování rádiových vln. Gain of klystrons může být vysoká, 60 dB (jeden milion) nebo více, s výstupním výkonem až desítek megawattů , ale šířka pásma je úzký, obvykle několik procent, i když to může být až o 10% v některých zařízeních.

Reflexní klystron je zastaralý typu, ve kterém elektronový paprsek se odrazí zpět podél své dráhy od vysokém potenciálu elektrody, který se používá jako oscilátor.

Název klystron pochází z řeckého slovesa κλύζω ( klyzo ), které označuje působení vln narážejících na břeh, a přípona -τρον („tron“) znamená místo, kde se děj odehrává. Název „klystron“ navrhl Hermann Fränkel , profesor na katedře klasiky na Stanfordské univerzitě, když byl klystron ve vývoji.

Dějiny

První komerční klystron, vyráběný firmou Westinghouse v roce 1940. Část trubky je odříznuta, aby ukázala vnitřní konstrukci. Vlevo jsou katoda a urychlovací anoda, které vytvářejí elektronový paprsek. Uprostřed mezi dřevěnými podpěrami je driftová trubice, obklopená dvěma dutinkovými dutinkovými rezonátory: „bunkerem“ a „lapačem“. Výstupní terminál je viditelný nahoře. Vpravo je sběratelská anoda ve tvaru kužele, která absorbuje elektrony. Mohlo by to generovat 200 W výkonu na vlnové délce 40 centimetrů (750 MHz) s 50% účinností.

Klystron byl prvním výrazně silným zdrojem rádiových vln v mikrovlnném rozsahu; před jeho vynálezem byly jediným zdrojem Barkhausen-Kurzova trubice a magnetron s dělenou anodou , které byly omezeny na velmi nízký výkon. Vynalezli ho bratři Russell a Sigurd Varianovi ze Stanfordské univerzity . Jejich prototyp byl dokončen a úspěšně předveden 30. srpna 1937. Po zveřejnění v roce 1939 zprávy o klystronu okamžitě ovlivnily práci amerických a britských výzkumníků pracujících na radarovém vybavení. Varianové pokračovali v zakládání Varian Associates pro komercializaci technologie (například vyrábět malé lineární urychlovače pro generování fotonů pro terapii radiačním zářením z externího paprsku ). Jejich práci předcházel popis modulace rychlosti A. Arsenjewa-Heil a Oskar Heil (manželka a manžel) v roce 1935, ačkoli Varianové pravděpodobně nevěděli o Heilsově práci.

Práce fyzika WW Hansena byla pomocná ve vývoji klystronu a byla citována bratry Varianovými v jejich článku z roku 1939. Jeho rezonátorovou analýzu, která se zabývala problémem zrychlování elektronů směrem k cíli, lze stejně dobře využít ke zpomalení elektronů (tj. Přenést jejich kinetickou energii na energii RF v rezonátoru). Během druhé světové války přednášel Hansen dva dny v týdnu v laboratořích MIT Radiation a dojížděl do Bostonu ze společnosti Sperry Gyroscope Company na Long Islandu. Jeho rezonátor byl bratry Varianovými nazýván „rhumbatron“. Hansen zemřel na beryliovou nemoc v roce 1949 v důsledku expozice oxidu berylnatého (BeO).

Během druhé světové války mocnosti Osy spoléhaly při generování mikrovlnného radaru na radarový systém většinou na technologii klystronu (tehdy s nízkým výkonem a dlouhou vlnovou délkou), zatímco spojenci používali mnohem výkonnější, ale frekvenčně driftující technologii dutinového magnetronu mnohem kratší dobu. -centimetrová mikrovlnná vlnová délka. Od té doby byly vyvinuty technologie trubek Klystron pro velmi výkonné aplikace, jako jsou synchrotrony a radarové systémy.

Hned po válce společnost AT&T použila 4wattové klystrony ve své zbrusu nové síti mikrovlnných reléových spojení, která pokrývala americký kontinent. Síť poskytovala dálkové telefonní služby a také přenášela televizní signály pro hlavní televizní sítě. Společnost Western Union Telegraph Company také v té době vybudovala mikrovlnná komunikační spojení point-to-point pomocí mezilehlých opakovačských stanic v intervalech asi 40 mil pomocí reflexních klystronů 2K25 ve vysílačích i přijímačích.

Úkon

Klystrony zesilují RF signály přeměnou kinetické energie v DC elektronovém paprsku na vysokofrekvenční výkon. Ve vakuu je paprsek elektronů emitován elektronovou pistolí nebo termionickou katodou (vyhřívaná peleta z materiálu s nízkou pracovní funkcí ) a urychlován vysokonapěťovými elektrodami (obvykle v desítkách kilovoltů).

Tento paprsek prochází rezonátorem vstupní dutiny . RF energie byla přiváděna do vstupní dutiny na její rezonanční frekvenci nebo v její blízkosti, což vytváří stojaté vlny , které produkují oscilační napětí, které působí na elektronový paprsek. Elektrické pole způsobuje, že se elektrony „shlukují“: elektrony, které procházejí, když se elektrické pole staví proti jejich pohybu, se zpomalí, zatímco elektrony, které procházejí, když je elektrické pole ve stejném směru, se zrychlí, což způsobí vytvoření dříve spojitého elektronového paprsku svazky na vstupní frekvenci.

K posílení svazkování může klystron obsahovat další dutiny „bunkru“.

Paprsek pak prochází „driftovou“ trubicí, ve které rychlejší elektrony dohánějí ty pomalejší a vytvářejí „svazky“, poté dutinou „chytače“.

Ve výstupní „lapací“ dutině každý svazek vstupuje do dutiny v době cyklu, kdy se elektrické pole staví proti pohybu elektronů a zpomaluje je. Kinetická energie elektronů je tedy převedena na potenciální energii pole, čímž se zvyšuje amplituda oscilací . Kmity buzené v dutině zachycovače jsou spojeny ven koaxiálním kabelem nebo vlnovodem .

Vyhořelý elektronový paprsek se sníženou energií je zachycen kolektorovou elektrodou.

Pro výrobu oscilátoru může být výstupní dutina spojena se vstupní dutinou (kouty) pomocí koaxiálního kabelu nebo vlnovodu . Pozitivní zpětná vazba budí spontánní oscilace na rezonanční frekvenci dutin.

Dvoudutinový klystron

Klystron.enp.gif

Nejjednodušší klystronovou trubicí je dvoudutinový klystron. V této trubici jsou dva rezonátory mikrovlnné dutiny, „lapač“ a „bunker“. Při použití jako zesilovač je slabý mikrovlnný signál, který má být zesílen, aplikován na dutinu zásobníku pomocí koaxiálního kabelu nebo vlnovodu a zesílený signál je extrahován z dutiny zachycovače.

Na jednom konci trubice je horká katoda, která při zahřátí vláknem produkuje elektrony. Elektrony jsou přitahovány k anodovému válci a procházejí jím s vysokým kladným potenciálem; katoda a anoda fungují jako elektronová pistole k produkci vysokorychlostního proudu elektronů. Vnější elektromagnetické vinutí vytváří podélné magnetické pole podél osy paprsku, které brání šíření paprsku.

Paprsek nejprve prochází rezonátorem dutiny „bunkru“ skrz mřížky připevněné na každé straně. Mřížky bunkrů mají oscilační střídavý potenciál, který je produkován oscilacemi stojatých vln uvnitř dutiny, buzenými vstupním signálem na rezonanční frekvenci dutiny aplikované koaxiálním kabelem nebo vlnovodem. Směr pole mezi mřížkami se mění dvakrát za cyklus vstupního signálu. Elektrony vstupující, když je vstupní mřížka záporná a výstupní mřížka kladná, se setkávají s elektrickým polem ve stejném směru jako jejich pohyb a pole je zrychluje. Elektrony vstupující do půl cyklu později, když je polarita opačná, narazí na elektrické pole, které se postaví proti jejich pohybu, a zpomalí se.

Za mřížkami bunkru je prostor nazývaný driftový prostor . Tento prostor je dostatečně dlouhý na to, aby zrychlené elektrony dohnaly elektrony, které byly zpomaleny v dřívější době, a vytvořily tak „shluky“ podélně podél osy paprsku. Jeho délka je zvolena tak, aby umožňovala maximální shlukování na rezonanční frekvenci, a může být několik stop dlouhá.

Oscilátor Klystron z roku 1944. Elektronové dělo je vpravo, kolektor vlevo. Dva dutinové rezonátory jsou ve středu, propojeny krátkým koaxiálním kabelem, aby poskytovaly pozitivní zpětnou vazbu.

Elektrony pak procházejí druhou dutinou, nazývanou „chytač“, podobným párem mřížek na každé straně dutiny. Funkce záchytných mřížek je absorbovat energii z elektronového paprsku. Svazky elektronů procházející vzrušujícími stojatými vlnami v dutině, která má stejnou rezonanční frekvenci jako dutina bunkru. Každý svazek elektronů prochází mezi mřížkami v bodě cyklu, kdy je výstupní mřížka negativní vůči vstupní mřížce, takže elektrické pole v dutině mezi mřížkami je proti pohybu elektronů. Elektrony tedy pracují na elektrickém poli a jsou zpomaleny, jejich kinetická energie je přeměněna na elektrickou potenciální energii , což zvyšuje amplitudu oscilujícího elektrického pole v dutině. Oscilační pole v zachycovací dutině je tedy zesílenou kopií signálu aplikovaného do dutiny zásobníku. Zesílený signál je extrahován z dutiny zachycovače koaxiálním kabelem nebo vlnovodem.

Poté, co prošel lapačem a vzdal se své energie, elektronový svazek s nižší energií je absorbován „kolektorovou“ elektrodou, druhou anodou, která je udržována na malém kladném napětí.

Klystronův oscilátor

Oscilátor může být vyrobena z klystron trubice, tím, že poskytuje zpětnovazební cestu z výstupu na vstup připojením „koš“ a „Buncher“ dutin s koaxiálním kabelem nebo vlnovodu . Když je zařízení zapnuto, elektronický hluk v dutině je zesílen trubicí a přiváděn zpět z výstupního lapače do dutiny zásobníku, aby byl znovu zesílen. Vzhledem k vysokému Q dutin se signál rychle stává sinusovou vlnou na rezonanční frekvenci dutin.

Multicavity klystron

Ve všech moderních klystronech počet dutin přesahuje dvě. Ke zvýšení zisku klystronu nebo ke zvýšení šířky pásma lze použít další dutiny „bunkru“ přidané mezi první „bunker“ a „lapač“.

Zbytková kinetická energie v elektronovém paprsku při dopadu na kolektorovou elektrodu představuje zbytečnou energii, která se rozptyluje jako teplo, které musí být odstraněno chladicím systémem. Některé moderní klystrony obsahují deprimované kolektory, které získávají energii ze svazku před shromažďováním elektronů, což zvyšuje účinnost. Vícestupňové depresivní kolektory zvyšují využití energie „tříděním“ elektronů v energetických zásobnících.

Reflexní klystron

Nízkoenergetický sovětský reflexní klystron z roku 1963. Dutinový rezonátor, ze kterého je odebírán výstup, je připevněn k elektrodám označeným Externer Resonator . Reflexní klystrony jsou nyní téměř zastaralé.
Reflex.sch.enp.svg
výřez reflexního klystronu
výřez: reflexní klystron

Reflexní klystron (také známý jako Sutton trubice po jednom z vynálezců, Robert Sutton) byl nízký výkon klystron trubka s jedinou dutinou, která fungovala jako oscilátor . Byl použit jako místní oscilátor v některých radarových přijímačích a modulátor v mikrovlnných vysílačích v 50. a 60. letech 20. století, ale nyní je zastaralý a nahrazen polovodičovými mikrovlnnými zařízeními.

V reflexním klystronu prochází elektronový paprsek jedinou rezonanční dutinou. Elektrony jsou vypalovány do jednoho konce elektronky elektronovou pistolí . Po průchodu rezonanční dutinou jsou odraženy záporně nabitou reflektorovou elektrodou pro další průchod dutinou, kde jsou následně shromážděny. Elektronový paprsek je modulován rychlostí, když poprvé prochází dutinou. Tvorba svazků elektronů probíhá v driftovém prostoru mezi reflektorem a dutinou. Napětí na reflektoru musí být nastaven tak, že shlukování je na maximu jako elektronového paprsku znovu vstupuje do rezonanční dutiny, čímž se zajistí maximální energie se přenáší z elektronového paprsku na RF oscilace v dutině. Napětí reflektoru se může mírně lišit od optimální hodnoty, což má za následek určitou ztrátu výstupního výkonu, ale také kolísání frekvence. Tento efekt se s výhodou využívá pro automatické řízení frekvence v přijímačích a při frekvenční modulaci pro vysílače. Úroveň modulace použitá pro přenos je dostatečně malá, aby výstupní výkon v podstatě zůstal konstantní. V oblastech daleko od optimálního napětí nedochází k žádným oscilacím. Často existuje několik oblastí napětí reflektoru, kde bude klystron reflexu oscilovat; tyto jsou označovány jako režimy. Rozsah elektronického ladění reflexního klystronu se obvykle označuje jako kolísání frekvence mezi polovičními výkonovými body - body v oscilačním režimu, kde je výstupní výkon poloviční oproti maximálnímu výkonu v režimu.

Moderní polovodičová technologie ve většině aplikací efektivně nahradila reflexní klystron.

Gyroklystron

Gyroklystron je mikrovlnný zesilovač, jehož provoz závisí na podmínkách rezonance cyklotronu . Podobně jako u klystronu závisí jeho činnost na modulaci elektronového paprsku, ale místo axiálního svazkování mění modulační síly cyklotronovou frekvenci a tím i azimutální složku pohybu, což má za následek fázové svazky. Ve výstupní dutině elektrony, které dorazí do správné zpomalující fáze, přenesou svoji energii do dutinového pole a zesílený signál lze odpojit. Gyroklystron má válcové nebo koaxiální dutiny a pracuje s režimy příčného elektrického pole. Protože interakce závisí na rezonančním stavu, lze použít větší rozměry dutiny než konvenční klystron. To umožňuje gyroklystronu dodávat vysoký výkon na velmi vysokých frekvencích, což je při použití konvenčních klystronů náročné.

Ladění

Velké klystrony, jak je používán v úložné kruhu v australské synchrotronu udržovat energii elektronového paprsku

Některé klystrony mají dutiny, které jsou laditelné. Úpravou frekvence jednotlivých dutin může technik změnit provozní frekvenci, zisk, výstupní výkon nebo šířku pásma zesilovače. Žádné dva klystrony nejsou úplně totožné (dokonce i při porovnání klystronů jako číslo dílu/modelu). Každá jednotka má výrobcem dodané kalibrační hodnoty pro své specifické výkonnostní charakteristiky. Bez těchto informací by klystron nebyl správně laditelný, a proto by nefungoval dobře, pokud vůbec.

Ladění klystronu je choulostivá práce, která, pokud není provedena správně, může způsobit poškození zařízení nebo zranění technika kvůli velmi vysokému napětí, které by mohlo vznikat. Technik si musí dávat pozor, aby nepřekročil limity dílků, jinak může dojít k poškození klystronu. Další opatření přijatá při ladění klystronu zahrnují použití neželezných nástrojů. Některé klystrony používají trvalé magnety . Pokud technik používá železné nástroje (které jsou feromagnetické ) a dostane se příliš blízko k intenzivním magnetickým polím, která obsahují elektronový paprsek, lze takový nástroj vtáhnout do jednotky intenzivní magnetickou silou, rozbitím prstů, zraněním technika nebo poškozením jednotka. K ladění klystronů amerického letectva byly použity speciální lehké nemagnetické (nebo spíše velmi slabě diamagnetické ) nástroje ze slitiny berylia .

Při přepravě klystronových zařízení v letadle se běžně provádějí preventivní opatření, protože intenzivní magnetické pole může interferovat s magnetickým navigačním zařízením. Speciální přebaly jsou navrženy tak, aby pomohly omezit toto pole „na poli“ a umožnily tak bezpečnou přepravu takovýchto zařízení.

Optický klystron

Technika amplifikace použitá v klystronu je také experimentálně aplikována na optických frekvencích v typu laseru nazývaného laser s volnými elektrony (FEL); tato zařízení se nazývají optické klystrony . Místo mikrovlnných dutin používají zařízení zvaná zvlňovače . Elektronový paprsek prochází undulátorem, ve kterém paprsek laserového světla způsobuje svazkování elektronů. Poté paprsek projde druhým undulátorem, ve kterém svazky elektronů způsobí oscilací a vytvoří druhý, silnější světelný paprsek.

Plovoucí driftová trubice klystron

Klystron plovoucí driftové trubice má jedinou válcovou komoru obsahující elektricky izolovanou centrální trubku. Elektricky je to podobné klystronu dvou dutinového oscilátoru se značnou zpětnou vazbou mezi oběma dutinami. Elektrony opouštějící zdrojovou dutinu jsou rychlostí modulované elektrickým polem, když cestují driftovou trubicí a vycházejí v cílové komoře ve svazcích a dodávají energii oscilaci v dutině. Tento typ klystronu oscilátoru má výhodu oproti klystronu se dvěma dutinami, na kterém je založen, v tom, že ke změně frekvence potřebuje pouze jeden ladicí prvek. Driftová trubice je elektricky izolována od stěn dutiny a DC předpětí je aplikováno samostatně. Předpětí DC na driftové trubici lze upravit tak, aby se změnil čas průchodu skrz něj, což umožňuje určité elektronické ladění oscilační frekvence. Rozsah ladění tímto způsobem není velký a obvykle se používá pro frekvenční modulaci při vysílání.

Aplikace

Klystrony mohou produkovat mnohem vyšší mikrovlnné výkony než polovodičová mikrovlnná zařízení, jako jsou Gunnovy diody . V moderních systémech se používají od UHF (stovky megahertzů) až po stovky gigahertzů (jako v Klystronech rozšířené interakce v satelitu CloudSat ). Klystrony lze nalézt v práci v radaru , satelitu a širokopásmové vysokovýkonové komunikaci (velmi časté v televizním vysílání a satelitních terminálech EHF ), medicíně ( radiační onkologie ) a vysokoenergetické fyzice ( urychlovače částic a experimentální reaktory). Například u SLAC se běžně používají klystrony, které mají výkony v rozsahu 50 MW (puls) a 50 kW (časově zprůměrované) při 2856 MHz. Arecibo Planetární Radar použity dva klystrony, že za předpokladu, celkový výkon 1 MW (kontinuální) při 2380 MHz.

Popular Science " s‚Best of Co je nového 2007‘popsal společnost Global Resource Corporation, v současné době zaniklé, pomocí klystron pro konverzi uhlovodíků v každodenním materiálů, automobilového odpadu, uhlí , ropných břidlic a ropných písků do zemního plynu a nafty .

Viz také

Reference

externí odkazy