Klystron: 7 wichtige Faktoren, die damit zusammenhängen

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Deckung durch : Danielkühler, Bahngleise in Zürich, CC BY-SA 4.0

Diskussionspunkte

Einführung in Mikrowellenröhren und Klystron

Mikrowellenröhren: Mikrowellenröhren sind Geräte, die Mikrowellen erzeugen. Sie sind die Elektronenkanonen, die lineare Strahlröhren erzeugen.

660px Klystronröhre 1952

Mikrowelle

Bildnachweis: Unbekannter AutorUnbekannter Autor, Klystronrohr 1952, als gemeinfrei gekennzeichnet, weitere Details zu Wikimedia Commons

Mikrowellenröhren werden im Allgemeinen nach der Art der Elektronenstrahl-Feld-Wechselwirkung in Kategorien unterteilt. Die Typen sind -

  • Linearstrahl oder Typ "O"
  • Kreuzfeld- oder M-Typ

Linearstrahl: Bei diesem Röhrentyp durchläuft der Elektronenstrahl die Länge der Röhre und verläuft parallel zum elektrischen Feld.

Gekreuztes Feld: Bei diesem Röhrentyp ist das Fokussierungsfeld senkrecht zum beschleunigenden elektrischen Feld.

Mikrowellenröhren können auch in Verstärker oder Oszillatoren eingeteilt werden.

Klystron: Klystron ist eine Art Mikrowellenröhre, die den höheren Frequenzbereich verstärken kann, insbesondere von Radiofrequenzen bis zu ultrahohen Frequenzen. Klystrons können auch als Oszillator verwendet werden.

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Klystron-Verstärker

In einem Verstärker wird der Elektronenstrahl durch zwei oder mehr Resonanzhohlräume gesendet. Der allererste Hohlraum empfängt den HF-Eingang und bündelt ihn in Bereiche mit hoher und niedriger Dichte, um das Signal zu modulieren. Der gebündelte Strahl geht dann zum nächsten Hohlraum, der den Bündeleffekt betont. In der folgenden oder letzten Kavität wird die HF-Leistung auf einem stark verstärkten Niveau extrahiert.

Die zwei Hohlräume erzeugen eine Verstärkung von etwa 20 dB, und die Verwendung von vier Hohlräumen kann eine Verstärkung von bis zu 80 bis 90 dB erzeugen. Klystron-Verstärker können Spitzenleistungen im Megawattbereich erzielen. Es hat Wirkungsgrade der Leistungsumwandlung von etwa 30% bis 50%.

Betrieb des Klystron-Verstärkers

Klystron-Verstärker verstärken das Rf-Signal. Es wandelt die kinetische Energie des Signals in einem Gleichstrom-Elektronenstrahl in HF-Leistung um. Innerhalb eines Vakuums sendet eine Elektronenkanone einen Elektronenstrahl aus, und die Hochspannungselektroden beschleunigen den Elektronenstrahl.

Dann nimmt ein Resonator mit Eingangshohlraum den Strahl auf. Hier tritt eine Reihe von Operationen auf. Zunächst wird der Eingangshohlraum mit HF-Energie gespeist. Es entstehen stehende Wellen. Die stehende Welle erzeugt ferner oszillierende Spannungen, die auf den Strahl eines Elektrons wirken. Das elektrische Feld bündelte die Elektronen.

Jedes Bündel tritt in den Ausgangshohlraum ein, wenn das elektrische Feld den Strahl verlangsamt, indem es der Bewegung des Elektrons entgegenwirkt. Auf diese Weise erfolgt die Umwandlung von kinetischer Energie in die potentielle Energie der Elektronen.

Reflex Klystron und Arbeiten von Reflex Klystron

Reflex-Klystron: Reflex-Klystron ist ein Klystron mit einem einzelnen Hohlraum, der als Oszillator fungiert, indem eine Reflektorelektrode neben dem Hohlraum verwendet wird, um eine positive Rückkopplung durch den Elektronenstrahl zu liefern. Reflex-Klystrons können mechanisch abgestimmt werden, um die Größe des Hohlraums anzupassen.

Klystron

Reflex-Klystron

Bild-Kredit: Erbad, Varian V-260 Modell, CC BY-SA 3.0

Ein Reflex-Klystron wird oft nach dem Namen des Wissenschaftlers Robert Sutton, einem der Erfinder des Reflex-Klystrons, als „Sutton-Röhre“ bezeichnet. Es ist ein Klystron mit geringer Leistung und Anwendungen als lokaler Oszillator in einigen Radarempfängern.

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Arbeiten von Reflex Klystron

Klystron
Eine schematische Struktur, Bildnachweis: Reflex.sch.enp, CC BY-SA 3.0

In einem Reflex-Klystron wird der Elektronenstrahl durch den einzigen im Klystron vorhandenen Hohlraum geleitet. Nach dem Durchgang werden sie von einem Reflektor einer negativ geladenen Elektrode reflektiert. Sie machen einen weiteren Durchgang durch den Hohlraum. Dann werden sie gesammelt. Wenn der Elektronenstrahl seinen ersten Durchgang hat, sind sie geschwindigkeitsmoduliert. Die Elektronenbündel werden innerhalb des Driftraums der Reflektorelektrode und des Hohlraums gebildet.

Die Reflektorspannung wird so eingestellt, dass eine maximale Verzweigung gewährleistet ist. Der Elektronenstrahl wird vom Reflektor reflektiert und tritt wieder in den Hohlraum ein. Die maximale Verzweigung stellt sicher, dass die maximale Energiemenge vom Elektronenstrahl auf die Hochfrequenzschwingung übertragen wird. Der elektronische Abstimmbereich eines Reflex-Klystrons wird typischerweise als Frequenzänderung zwischen zwei halben PowerPoint bezeichnet.

Anwendungen von Reflex Klystron

Einige der Reflex-Klystrons sind unten aufgeführt.

  • Eine der bedeutenden Anwendungen von Reflex-Klystrons sind Radio- und RADAR-Systeme als Empfänger.
  • Sie werden auch als Signalgeneratoren verwendet.
  • Reflexklystrons können als Frequenzmodulatoren verwendet werden.
  • Sie können auch als Pumposzillator und lokale Oszillatoren verwendet werden.

Heutzutage wurden die meisten Anwendungen von Reflex-Klystron durch Halbleitertechnologien ersetzt.

Gyroklystron

Gyroklystron ist eine der Arten von Mikrowellenverstärkern, deren Funktionsweise fast der eines Klystrons entspricht. Bei einem Gyroklystron ist die Bündelung eines Elektrons im Gegensatz zu einem Klystron nicht axial. Stattdessen ändern die Modulationskräfte die Zyklotronfrequenz, und somit erzeugt der azimutale Teil der Bewegung die Phasenverzweigung.

Am letzten oder am Ausgangshohlraum übertragen die empfangenen Elektronen ihre Energien auf das elektrische Feld des Hohlraums, und das verstärkte HF-Signal kann vom Hohlraum abgekoppelt werden. Die Hohlraumstruktur eines Gyroklystrons ist zylindrisch oder koaxial. Der Hauptvorteil eines Gyroklystrons gegenüber einem normalen Klystron besteht darin, dass ein Gyroklystron eine hohe Leistung bei hohen Frequenzen liefern kann, was für ein typisches Klystron sehr schwierig ist.

Optischer Klystron

Optische Klystrons sind Geräte, bei denen die Methode der Verstärkung im Inneren dieselbe ist wie bei einem Klystron. Die Experimente werden hauptsächlich an Lasern mit optischen Frequenzen durchgeführt und sind als Freie-Elektronen-Laser bekannt. Diese Arten von Geräten verwenden "Undulatoren" anstelle von Mikrowellenhohlräumen.

Zwei Hohlräume Klystron

Klystron mit zwei Kavitäten ist der einfachste verfügbare Klystrontyp. Wie der Name schon sagt, hat diese Art von Klystron zwei Mikrowellenhohlräume. Sie sind als "Fänger" und "Buncher" bekannt. Wenn die beiden Hohlräume Klystron als Verstärker verwendet werden, empfängt der Buncher das schwache Mikrowellensignal und koppelt sich vom Fänger ab, und es wird verstärkt.

Arbeiten eines Klystrons mit zwei Hohlräumen

In diesem Klystron befindet sich eine Elektronenkanone, die Elektronen erzeugt. Eine Anode befindet sich in einem bestimmten Abstand von ihnen. Elektronen werden von der Anode angezogen und passieren sie mit hohem positiven Potential. Ein externes Magnetfeld außerhalb der Röhren erzeugt ein longitudinales Magnetfeld entlang der Strahlachse. Es hilft, die Ausbreitung des Strahls zu stoppen.

Der Elektronenstrahl geht zuerst durch den Hasenhohlraum. Auf beiden Seiten des Hohlraums befinden sich Gitter. Der Elektronenstrahl erzeugt eine Anregung zu den Stehwellenschwingungen, was ferner ein oszillierendes Wechselstrompotential über die Gitter verursacht. Die Richtung des Feldes variiert zweimal für einen einzelnen Zyklus. Elektronen treten in den Hohlraum ein, wenn das Eingangsgitter negativ ist, und treten aus, wenn das Austrittsgitter positiv ist. Das Feld beeinflusst die Bewegung, wenn es sie beschleunigt. Nach der Richtungsänderung des Feldes wird die Bewegung der Elektronen abgebremst.

Nach dem 'Buncher'-Hohlraum kommt der Driftraum '. Das Bündeln von Elektronen tritt hier auf, wenn die beschleunigten Elektronen mit den verlangsamten Elektronen gebündelt werden. Die Länge ist genau so eingestellt, dass die maximale Verzweigung auftritt.

Dann kommt der "Fänger" -Hohlraum. Es hat ähnliche Gitter auf jeder Seite. Die Gitter

absorbiert die Energie aus den Elektronenstrahlen. Wie der "Buncher" hier bewegt sich das Elektron aufgrund der Richtungsänderung des elektrischen Feldes und somit arbeiten die Elektronen. Hier wird die durch ihre Bewegung erzeugte kinetische Energie in potentielle Energien umgewandelt. Dazu wird die Amplitude des oszillierenden elektrischen Feldes erhöht. Auf diese Weise wird das Signal des "Buncher" -Hohlraums im "Catcher" -Hohlraum verstärkt. Spezifizierte Arten von Wellenleitern und Übertragungsleitungen werden verwendet, um aus dem Auffanghohlraum heraus zu koppeln.

Klystron vs Magnetron (Unterschied zwischen Klystron und Magnetron)

Um die Unterschiede zwischen dem Klystron und herauszufinden Mikrowelle, wir müssen etwas über das Magnetron wissen.

Mikrowelle: Magnetron ist eine Art Vakuumröhre, die mit Hilfe von Wechselwirkungen zwischen Magnetfeld und Elektronenstrahlen Signale im Mikrowellenfrequenzbereich erzeugt.

DiskussionspunkteKlystronMikrowelle
DefinitionKlystron ist eine Art Mikrowellenröhre, die den höheren Frequenzbereich verstärken kann, insbesondere von Radiofrequenzen bis zu ultrahohen Frequenzen.Das Magnetron ist eine Art Vakuumröhre, die mit Hilfe von Wechselwirkungen zwischen Magnetfeld und Elektronenstrahlen Signale des Mikrowellenfrequenzbereichs erzeugt.
BetriebsfrequenzDer Betriebsfrequenzbereich für Klystron beträgt 1 GHz bis 25 GHz.Der Arbeitsfrequenzbereich liegt zwischen 500 MHz und 12 GHz.
effizienzDer Wirkungsgrad liegt bei 10% bis 20%.Der Wirkungsgrad des Magnetrons ist relativ hoch und liegt bei 40% bis 70%.
AusgangsleistungDie Ausgangsleistung liegt zwischen 1 Milliwatt und 2.5 Watt.Die Ausgangsleistung liegt zwischen 2 mW und 250 kW.
Injektion von ElektronenElektronen werden normalerweise von außen injiziert.Elektronen werden von außen kräftig injiziert.
Verfahrweg der ElektronenElektronen bewegen sich linear entlang der Achse.Elektronen wandern spiralförmig entlang der Achse.
HandhabungKann sowohl als Verstärker als auch als Oszillator verwendet werden.Kann nur als Oszillator verwendet werden.
AnwendungenKlystrons werden in RADARS wie Teilchenbeschleunigern, Sendern usw. verwendet.Magnetrons werden in vielen Arten von Haushaltsgeräten verwendet, einschließlich Mikrowellenherden und Spezialheizungen.