Klistron - Klystron

400 kW klystron, uzay aracı iletişimi için kullanılır. Canberra Derin Uzay İletişim Kompleksi. Bu, depodaki bir yedek.
UHF televizyon vericisinde güç amplifikatörü olarak kullanılan 5 kW'lık klistron tüp, 1952. Takıldığında, tüp, tüp üzerindeki metal halkalarla temas eden boşlukların kenarları ile boşluk rezonatörlerinin ortasındaki deliklerden çıkıntı yapar.

Bir klistron özel bir doğrusal kiriştir vakum tüpü, 1937'de Amerikan elektrik mühendisleri tarafından icat edildi Russell ve Sigurd Varian,[1] olarak kullanılan amplifikatör yüksek için radyo frekansları, şuradan UHF kadar mikrodalga Aralık. Düşük güçlü klistronlar, karasal alanda osilatör olarak kullanılır. mikrodalga rölesi iletişim bağlantıları, yüksek güçlü klistronlar UHF'de çıkış tüpleri olarak kullanılırken televizyon vericileri, uydu iletişimi, radar vericiler ve modern için tahrik gücü üretmek parçacık hızlandırıcılar.

Bir klistronda Elektron demeti içinden geçerken radyo dalgalarıyla etkileşime girer rezonans boşlukları, bir tüpün uzunluğu boyunca metal kutular.[2] Elektron ışını ilk önce giriş sinyalinin uygulandığı bir boşluktan geçer. Elektron ışınının enerjisi sinyali güçlendirir ve yükseltilen sinyal, tüpün diğer ucundaki bir boşluktan alınır. Çıkış sinyali, giriş boşluğuna geri bağlanarak bir elektronik osilatör radyo dalgaları oluşturmak için. kazanç klystronların sayısı 60 dB (bir milyon) veya daha fazla olabilir ve onlarca megavat, ama Bant genişliği dar, bazı cihazlarda% 10'a kadar çıkabilmesine rağmen genellikle yüzde birkaç.[2]

Bir refleks klistron eski bir türdür ve Elektron demeti osilatör olarak kullanılan yüksek potansiyelli bir elektrot tarafından yolu boyunca geri yansıtıldı.

İsim klistron dan geliyor Yunan fiil κλύζω (Klyzo) bir kıyıya karşı kırılan dalgaların hareketine ve -τρον ("tron") son ekine, eylemin gerçekleştiği yer anlamına gelir.[3] "Klystron" adını öneren Hermann Fränkel, Stanford Üniversitesi'nde klasikler bölümünde bir profesör olan klystron geliştirilme aşamasındayken.[4]

Tarih

1940 yılında Westinghouse tarafından üretilen ilk prototip klystron. Tüpün bir kısmı iç yapıyı göstermek için kesildi. Solda, elektron ışınını oluşturan katot ve hızlandırıcı anot var. Tahta destekler arasındaki merkezde, halka şeklindeki iki boşluk rezonatörü, "demetleyici" ve "yakalayıcı" ile çevrelenen sürüklenme borusu bulunur. Çıkış terminali üstte görülebilir. Sağda elektronları emen koni şeklindeki toplayıcı anot yer alır. % 50 verimlilikle 40 santimetrede (750 MHz) 200 W güç üretebilir.

Klystron, dünyadaki ilk önemli ölçüde güçlü radyo dalgası kaynağıydı. mikrodalga Aralık; icat edilmeden önce tek kaynak Barkhausen-Kurz tüpü ve ayrık anot magnetron, çok düşük güçle sınırlıydı. Kardeşler tarafından icat edildi Russell ve Sigurd Varian -de Stanford Üniversitesi. Prototipleri tamamlandı ve 30 Ağustos 1937'de başarıyla sergilendi.[5] 1939'da yayınlandıktan sonra,[3] klystron haberleri, üzerinde çalışan ABD ve Birleşik Krallık araştırmacılarının çalışmalarını hemen etkiledi. radar ekipman. Varians bulunmaya devam etti Varian Associates teknolojiyi ticarileştirmek (örneğin, küçültmek doğrusal hızlandırıcılar harici ışın için fotonlar üretmek için radyasyon tedavisi ). Çalışmalarından önce A. Arsenjewa-Heil tarafından hız modülasyonunun tanımı yapıldı ve Oskar Heil (karısı ve koca) 1935'te, ancak Varians Heils'in işinden muhtemelen habersizdi.[6]

Fizikçinin işi W.W. Hansen klistronun gelişiminde etkili oldu ve Varian kardeşler tarafından 1939 tarihli makalelerinde alıntı yapıldı. Elektronları bir hedefe doğru hızlandırma problemini ele alan rezonatör analizi, elektronları yavaşlatmak (yani kinetik enerjilerini bir rezonatördeki RF enerjisine aktarmak) için de kullanılabilir. Esnasında İkinci dünya savaşı Hansen haftada iki gün MIT Radyasyon laboratuarlarında konferans verdi ve Boston'a Sperry Jiroskop Şirketi Long Island'da. Onun rezonatörüne Varian kardeşler tarafından "rhumbatron" adı verildi.[1] Hansen öldü berilyum hastalığı 1949'da maruz kalmanın bir sonucu olarak berilyum oksit (BeO).

Esnasında İkinci dünya savaşı Eksen güçleri, radar sistemi mikrodalga üretimi için çoğunlukla (daha sonra düşük güçlü ve uzun dalga boylu) klystron teknolojisine güvenirken, Müttefikler, çok daha güçlü ancak frekans sürükleyen teknolojiyi kullanıyordu. boşluk magnetron çok daha kısa dalga boyu için bir santimetrelik mikrodalga üretimi. Klystron tüp teknolojileri gibi çok yüksek güçlü uygulamalar için senkrotronlar ve radar sistemleri, o zamandan beri geliştirilmiştir.

Savaştan hemen sonra AT&T yepyeni ağında 4 watt klistron kullandı mikrodalga rölesi ABD kıtasını kapsayan bağlantılar.[7] Ağ, uzun mesafeli telefon hizmeti sağladı ve ayrıca büyük TV ağları için televizyon sinyalleri taşıdı. Western Union Telgraf Şirketi ayrıca, hem vericilerde hem de alıcılarda 2K25 refleks klystron kullanarak, o sırada yaklaşık 40 mil aralıklarla ara tekrarlayıcı istasyonlarını kullanarak noktadan noktaya mikrodalga iletişim bağlantıları kurdu.

Operasyon

Klystronlar güçlendirir RF sinyalleri dönüştürerek kinetik enerji içinde DC Elektron demeti radyo frekansı gücüne. Bir vakumda, bir elektron tabancası tarafından bir elektron ışını yayılır veya termiyonik katot (ısıtılmış pelet düşük iş fonksiyonu malzeme) ve yüksek voltajlı elektrotlarla hızlandırılır (tipik olarak onlarca kilovolt cinsinden).

Bu ışın bir girişten geçer boşluk rezonatörü. RF enerjisi, giriş boşluğuna girdiği yerde veya yakınında beslenmiştir. rezonans frekansı, oluşturma duran dalgalar, elektron ışını üzerinde etki eden salınımlı bir voltaj üreten. Elektrik alanı, elektronların "toplanmasına" neden olur: elektrik alanı hareketlerine karşı çıktığında geçen elektronlar yavaşlarken, elektrik alanı aynı yöndeyken geçen elektronlar hızlandırılarak daha önce sürekli olan elektron ışınının oluşmasına neden olur. giriş frekansında demetler.

Demetlemeyi güçlendirmek için, bir klistron ek "demetleyici" boşluklar içerebilir.

Işın daha sonra, daha hızlı elektronların daha yavaş olanları yakalayıp "demetler" oluşturduğu ve ardından bir "yakalayıcı" boşluktan geçtiği bir "sürüklenme" tüpünden geçer.

Çıkış "yakalayıcı" oyuğunda, her demet, elektrik alanı elektronların hareketine karşı çıktığında, onları yavaşlatarak döngü sırasında boşluğa girer. Böylece elektronların kinetik enerjisi, alanın potansiyel enerjisine dönüştürülerek, salınımlar. Yakalayıcı oyukta heyecanlanan salınımlar, bir koaksiyel kablo veya dalga kılavuzu.

Azaltılmış enerjiye sahip harcanan elektron ışını bir kolektör elektrotu tarafından yakalanır.

Yapmak için osilatör çıkış boşluğu, giriş boşluğuna / boşluklarına bir koaksiyel kablo veya dalga kılavuzu. Olumlu geribildirim boşlukların rezonans frekansında kendiliğinden salınımları uyarır.

İki boşluklu klistron

Klystron.enp.gif

En basit klystron tüpü iki boşluklu klistrondur. Bu tüpte iki mikrodalga boşluklu rezonatör vardır, "yakalayıcı" ve "toplayıcı". Bir amplifikatör olarak kullanıldığında, güçlendirilecek zayıf mikrodalga sinyali bir koaksiyel kablo veya dalga kılavuzu aracılığıyla demet boşluğuna uygulanır ve yükseltilen sinyal yakalayıcı boşluğundan çıkarılır.

Tüpün bir ucunda sıcak katot bir filaman tarafından ısıtıldığında elektron üretir. Elektronlar çekilir ve bir anot yüksek pozitif potansiyelde silindir; katot ve anot bir elektron silahı yüksek hızda elektron akışı üretmek için. Harici elektromanyetik sargı uzunlamasına bir manyetik alan kirişin yayılmasını önleyen kiriş ekseni boyunca.

Kiriş ilk önce her iki tarafa bağlanan ızgaralardan "demetleyici" boşluklu rezonatörden geçer. Bunker ızgaraları, boşluk içinde duran dalga salınımları tarafından üretilen, boşluktaki giriş sinyaliyle uyarılan, aralarında salınan bir AC potansiyeline sahiptir. rezonans frekansı koaksiyel kablo veya dalga kılavuzu ile uygulanır. Izgaralar arasındaki alanın yönü, giriş sinyalinin döngüsü başına iki kez değişir. Giriş ızgarası negatif ve çıkış ızgarası pozitif olduğunda giren elektronlar, hareketleriyle aynı yönde bir elektrik alanıyla karşılaşırlar ve alan tarafından hızlandırılırlar. Yarım döngüye daha sonra giren elektronlar, kutup tersi olduğunda, hareketlerine karşı çıkan ve yavaşlayan bir elektrik alanıyla karşılaşırlar.

Demetleyici ızgaraların ötesinde, sürüklenme alanı. Bu boşluk yeterince uzundur, böylece hızlandırılmış elektronlar, ışın ekseni boyunca uzunlamasına "demet" oluşturarak daha erken bir zamanda yavaşlamış elektronları yakalarlar. Uzunluğu, rezonans frekansında maksimum demetlemeye izin verecek şekilde seçilir ve birkaç fit uzunluğunda olabilir.

1944 tarihli Klystron osilatörü. Elektron tabancası sağda, kolektör solda. İki boşluk rezonatörleri ortada, olumlu geri bildirim sağlamak için kısa bir koaksiyel kabloyla bağlanır.

Elektronlar daha sonra "yakalayıcı" adı verilen ikinci bir boşluktan, boşluğun her iki tarafındaki benzer bir çift ızgaradan geçer. İşlevi yakalayıcı ızgaraları elektron demetinden gelen enerjiyi absorbe etmektir. İçinden geçen elektron demetleri, demet boşluğu ile aynı rezonans frekansına sahip olan boşlukta duran dalgaları uyarır. Her elektron demeti, çıkış ızgarası giriş ızgarasına göre negatif olduğunda döngüdeki bir noktada ızgaralar arasından geçer, bu nedenle ızgaralar arasındaki boşluktaki elektrik alanı, elektron hareketine karşı gelir. Elektronlar bu nedenle elektrik alanı üzerinde çalışırlar ve yavaşlarlar. kinetik enerji elektriğe dönüştürülür potansiyel enerji boşlukta salınan elektrik alanının genliğini arttırmak. Böylelikle yakalayıcı boşluğundaki salınım alanı, buncher boşluğuna uygulanan sinyalin güçlendirilmiş bir kopyasıdır. Güçlendirilmiş sinyal, bir koaksiyel kablo veya dalga kılavuzu aracılığıyla yakalayıcı boşluğundan çıkarılır.

Yakalayıcıdan geçtikten ve enerjisini bıraktıktan sonra, düşük enerjili elektron ışını, küçük bir pozitif voltajda tutulan ikinci bir anot olan "toplayıcı" bir elektrot tarafından emilir.

Klystron osilatörü

Bir elektronik osilatör bir klystron tüpünden yapılabilir. geri bildirim "yakalayıcı" ve "demetleyici" boşlukları bir ile bağlayarak çıktıdan girişe giden yol koaksiyel kablo veya dalga kılavuzu. Cihaz açıldığında, elektronik gürültü Boşluktaki tüp tarafından büyütülür ve çıkış yakalayıcıdan yeniden amplifiye edilmek üzere buncher boşluğuna geri beslenir. Yüksek yüzünden Q boşluklardan sonra sinyal hızla sinüs dalgasına dönüşür. rezonans frekansı boşlukların.

Çok boşluklu klistron

Tüm modern klistronlarda, boşlukların sayısı ikiyi aşıyor. İlk "toplayıcı" ve "yakalayıcı" arasına eklenen ek "gruplayıcı" boşlukları, klistronun kazancını artırmak veya bant genişliğini artırmak için kullanılabilir.[8]

Elektron ışını kolektör elektroduna çarptığında kalan kinetik enerji, bir soğutma sistemi tarafından uzaklaştırılması gereken ısı olarak dağıtılan boşa harcanan enerjiyi temsil eder. Bazı modern klistronlar, elektronları toplamadan önce ışından enerji geri kazanarak verimliliği artıran bastırılmış toplayıcılar içerir. Çok aşamalı depresif toplayıcılar, enerji kutularındaki elektronları "ayırarak" enerji geri kazanımını artırır.

Refleks klistron

Düşük güçlü Rus refleks klystronu, 1963'ten. boşluk rezonatörü çıkışın alındığı, etiketli elektrotlara takılır Externer Rezonatör. Refleks klistronlar artık neredeyse modası geçmiş durumda.
Reflex.sch.enp.svg
bir refleks klistronun kesiti
kesit: refleks klistron[9]

refleks klistron (olarak da bilinir Sutton tüp mucitlerinden biri olan Robert Sutton'dan sonra), tek boşluklu, düşük güçlü bir klistron tüpüydü ve bir osilatör. Olarak kullanıldı yerel osilatör bazı radar alıcılarında ve modülatör mikrodalga vericilerinde 1950'ler ve 1960'lar, ancak artık modası geçmiş, yerini yarı iletken mikrodalga aygıtları almıştır.

Refleks klistronda elektron ışını tek bir rezonant boşluktan geçer. Elektronlar, tüpün bir ucuna bir elektron silahı. Rezonans boşluğundan geçtikten sonra, negatif yüklü bir reflektör elektrotu tarafından boşluktan başka bir geçiş için yansıtılır ve daha sonra burada toplanırlar. Elektron ışını, boşluktan ilk geçtiğinde hız modüle edilir. Elektron demetlerinin oluşumu, reflektör ile boşluk arasındaki sürüklenme alanında gerçekleşir. Voltaj reflektör üzerindeki, elektron ışını rezonans boşluğuna yeniden girerken demetlenme maksimumda olacak ve böylece elektron ışınından elektron ışınına maksimum enerji aktarımı sağlanacak şekilde ayarlanmalıdır. RF boşluktaki salınımlar. Reflektör voltajı, optimum değerden biraz farklı olabilir, bu da bir miktar çıkış gücü kaybına ve ayrıca frekansta bir değişikliğe neden olur. Bu etki, alıcılarda ve alıcılarda otomatik frekans kontrolü için iyi bir avantaj sağlamak için kullanılır. frekans modülasyonu vericiler için. İletim için uygulanan modülasyon seviyesi, güç çıkışının esasen sabit kalmasını sağlayacak kadar küçüktür. Optimum gerilimden uzak bölgelerde hiçbir salınım elde edilmez.[10]Genellikle refleks klistronun salınacağı birkaç reflektör voltajı bölgesi vardır; bunlara modlar denir. Refleks klistronun elektronik ayar aralığı genellikle yarım güç noktaları arasındaki frekanstaki değişim olarak adlandırılır - güç çıkışının moddaki maksimum çıkışın yarısı olduğu salınımlı moddaki noktalar.

Modern yarı iletken teknoloji, çoğu uygulamada refleks klistronun yerini etkili bir şekilde almıştır.

Ayarlama

Büyük klystronlar, saklama halkası of Avustralya Senkrotronu enerjisini korumak için elektron ışın

Bazı klystronların ayarlanabilir boşlukları vardır. Tek tek boşlukların frekansını ayarlayarak, teknisyen amplifikatörün çalışma frekansını, kazancını, çıkış gücünü veya bant genişliğini değiştirebilir. Hiçbir iki klistron tam olarak aynı değildir (benzer parça / model numarası klistronları karşılaştırırken bile). Her birim, kendine özgü performans özellikleri için üretici tarafından sağlanan kalibrasyon değerlerine sahiptir. Bu bilgi olmadan klystron düzgün bir şekilde ayarlanamaz ve bu nedenle hiç de iyi performans gösteremez.

Bir klistronun ayarlanması hassas bir iştir ve doğru şekilde yapılmazsa, üretilebilecek çok yüksek voltajlar nedeniyle ekipmana zarar verebilir veya teknisyenin yaralanmasına neden olabilir. Teknisyen, derecelendirme sınırlarını aşmamaya dikkat etmelidir, aksi takdirde klistron hasar görebilir. Bir klystronu ayarlarken alınan diğer önlemler arasında demir içermeyen aletlerin kullanılması yer alır. Bazı klystronlar kalıcı kullanır mıknatıslar. Bir teknisyen kullanırsa demirli araçlar (bunlar ferromanyetik ) ve elektron demetini içeren yoğun manyetik alanlara çok yaklaşırsa, böyle bir alet yoğun manyetik kuvvetle, parmakları parçalayarak, teknisyeni yaralayarak veya üniteye zarar vererek ünite içine çekilebilir. Özel hafif, manyetik olmayan (veya oldukça zayıf diyamanyetik ) yapılmış aletler berilyum ABD Hava Kuvvetleri klystronlarını ayarlamak için alaşım kullanılmıştır.

Yoğun manyetik alan manyetik navigasyon ekipmanına müdahale edebileceğinden, klystron cihazları uçakta taşınırken rutin olarak önlemler alınır. Özel dış ambalajlar, bu alanın "sahada" sınırlandırılmasına yardımcı olmak ve böylece bu tür cihazların güvenli bir şekilde taşınmasına izin vermek için tasarlanmıştır.

Optik klistron

Klystronda kullanılan amplifikasyon tekniği, bir tür optik frekanslarda deneysel olarak da uygulanmaktadır. lazer aradı serbest elektron lazeri (FEL); bu cihazlar denir optik klistronlar.[11] Mikrodalga boşlukları yerine, bunlar dalgalanmalar. Elektron ışını, bir lazer ışınının elektronların toplanmasına neden olduğu bir dalgalanma düzeninden geçer. Ardından ışın, elektron demetlerinin ikinci, daha güçlü bir ışık ışını oluşturmak için salınıma neden olduğu ikinci bir dalgalanandan geçer.[11]

Yüzer sürüklenme tüpü klistron

Yüzer sürüklenme tüpü klistron, elektriksel olarak izole edilmiş bir merkezi tüp içeren tek bir silindirik bölmeye sahiptir. Elektriksel olarak, bu, iki boşluk arasında hatırı sayılır geri bildirim sağlayan iki boşluklu osilatör klistronuna benzer. Kaynak boşluğundan çıkan elektronlar, sürüklenme tüpünden geçerken ve hedef bölmede demetler halinde ortaya çıkarken, boşluktaki salınıma güç iletirken elektrik alanı tarafından hız modüle edilir. Bu tip osilatör klistronu, temel aldığı iki boşluklu klistrona göre bir avantaja sahiptir, çünkü frekanstaki değişiklikleri etkilemek için yalnızca bir ayar elemanına ihtiyaç duyar. Sapma borusu, boşluk duvarlarından elektriksel olarak yalıtılmıştır ve DC öngerilimi ayrı olarak uygulanır. Akıntı borusundaki DC önyargı, içinden geçiş süresini değiştirecek şekilde ayarlanabilir, böylece salınım frekansının bazı elektronik ayarlarına izin verilir. Bu şekilde ayarlama miktarı büyük değildir ve normal olarak iletim sırasında frekans modülasyonu için kullanılır.

Başvurular

Klystronlar, çok daha yüksek mikrodalga güç çıkışları üretebilir. katı hal mikrodalga cihazlar gibi Gunn diyotları. Modern sistemlerde, UHF'den (yüzlerce megahertz) yüzlerce gigahertz'e kadar kullanılırlar (Genişletilmiş Etkileşim Klystron'larında olduğu gibi) CloudSat uydu). Klystronlar iş yerinde bulunabilir: radar, uydu ve geniş bant yüksek güçlü iletişim (çok yaygın televizyon yayın ve EHF uydu terminaller), tıp (radyasyon onkolojisi ), ve yüksek enerji fiziği (parçacık hızlandırıcılar ve deneysel reaktörler). Şurada: SLAC örneğin, 2856 MHz'de 50 MW (darbe) ve 50 kW (zaman ortalamalı) aralığında çıkışlara sahip olan klistronlar rutin olarak kullanılır. Arecibo Gezegen Radarı 2380 MHz'de toplam 1 MW (sürekli) güç çıkışı sağlayan iki klistron kullanır.[12]

Popüler Bilim's "En İyi Yenilikler 2007"[13][14] şu anda feshedilmiş, klystron kullanan Global Resource Corporation şirketi hidrokarbonlar günlük malzemelerde, otomotiv atıkları, kömür, petrol şist, ve petrol kumları içine doğal gaz ve dizel yakıt.[15]

Ayrıca bakınız

Referanslar

  1. ^ a b Pond, Norman H. "The Tube Guys". Russ Cochran, 2008 s. 31-40
  2. ^ a b Gilmour, A. S. (2011). Klystronlar, Gezici Dalga Tüpleri, Magnetronlar, Çapraz Alan Amplifikatörleri ve Gyrotronlar. Artech Evi. s. 3–4. ISBN  978-1608071845.
  3. ^ a b Varian, R. H .; Varian, S.F. (1939). "Yüksek Frekanslı Osilatör ve Yükseltici". Uygulamalı Fizik Dergisi. 10 (5): 321. Bibcode:1939JAP .... 10..321V. doi:10.1063/1.1707311.
  4. ^ Varian, Dorothy. "Mucit ve Pilot". Pacific Books, 1983 s. 189
  5. ^ Varian, Dorothy. "Mucit ve Pilot". Pacific Books, 1983 s. 187
  6. ^ George Caryotakis (18 Kasım 1997). "Davetli makale: Klystron: Şaşırtıcı menzil ve dayanıklılığa sahip bir mikrodalga kaynağı" (PDF). American Physics Society: Division of Plasma Physics Conference, Pittsburgh, PA. Stanford, CA: Stanford SLAC. Arşivlenen orijinal (PDF) 24 Eylül 2015. Alındı 18 Eylül 2012.
  7. ^ Gerald W Brock, "İkinci Bilgi Devrimi", Harvard University Press, 2009, ISBN  0674028791, s. 122,123
  8. ^ Mikrodalga Cihazlar ve DevrelerDorling Kinderley, Eylül 1990, s. 380, ISBN  978-81-7758-353-3
  9. ^ "V-260, Tüp V-260; Röhre V- 260 ID35571, Reflex Klystron". www.radiomuseum.org. Alındı 2019-12-03.
  10. ^ Refleks klistron, Dorling Kinderley, Eylül 1990, s. 391, 392, ISBN  978-81-7758-353-3
  11. ^ a b Bonifacio, R .; Corsini, R .; Pierini, P. (15 Mart 1992). "Yüksek kazançlı optik klistron teorisi" (PDF). Fiziksel İnceleme A. 45 (6): 4091–4096. Bibcode:1992PhRvA..45.4091B. doi:10.1103 / physreva.45.4091. PMID  9907460. Alındı 24 Haziran 2014.
  12. ^ Campbell, D. B .; Hudson, R. S .; Margot, J.L. (2002). "Gezegensel Radar Astronomisindeki Gelişmeler". Radyo Biliminin İncelenmesi. 1999-2002: 869–899.
  13. ^ "PopSci'nin En İyileri Yenilikler 2007". Popsci.com. Alındı 2010-02-28.
  14. ^ "PopSci'nin En İyileri Yenilikler 2007". Popsci.com. Alındı 2010-02-28.
  15. ^ ABD Patenti 7629497 - Hidrokarbonların ve fosil yakıtların mikrodalga esaslı geri kazanımı Arşivlendi 2011-05-07 de Wayback Makinesi 8 Aralık 2009 tarihinde yayınlandı

Dış bağlantılar