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Klystron

Chambre
d’interaction
Densité d’électrons
Résonateur
d’entrée
Dernière
cavité
Collecteur
Boucle de
couplage
Cathode
Filament
Anode
electron beam
Entrée micro-onde
Sortie micro-onde

Figure 1 : Diagramme des composantes d’un klystron.

Chambre
d’interaction
Densité d’électrons
Résonateur
d’entrée
Dernière
cavité
Collecteur
Boucle de
couplage
Cathode
Filament
Anode
electron beam
Entrée micro-onde
Sortie micro-onde

Figure 1 : Diagramme des composantes d’un klystron.

Chambre
d’interaction
Densité d’électrons
Résonateur
d’entrée
Dernière
cavité
Collecteur
Boucle de
couplage
Cathode
Filament
Anode
Faisceau d’électrons
Entrée micro-onde
Sortie micro-onde

Figure 1 : Diagramme des composantes d’un klystron.

Klystron

Le klystron est un tube à vide amplificateur de haute puissance utilisant des cavités résonantes spéciales. Le signal haute fréquence en entrée d'un klystron est amplifié de manière cohérente grâce à un faisceau d'électrons, produit par un filament chauffé, qu’il modulera en vitesse lors de son passage à travers une série de cavités résonnantes.

Fonctionnement

Le faisceau d'électrons, émis par la cathode chauffée, est focalisé par des électrodes où règne un champ magnétique intense. Il est ensuite accéléré par une tension d'accélération appliquée sur la cathode. L'anode de contrôle permet de moduler le faisceau en intensité et détermine donc le courant du faisceau.

Le faisceau traverse une première cavité résonante. Cette cavité est reliée à la source à amplifier et elle est excitée par celle-ci. Cette excitation génère un champ électrique variable dans la cavité, dirigé parallèlement à la direction des électrons. Selon le moment où les électrons traversent la cavité, certains sont accélérés et d'autres sont ralentis. La vitesse des électrons est alors modulée en traversant la cavité. Cette modulation de vitesse se transforme en une modulation de densité, c'est-à-dire en une modulation de courant.

Le faisceau traverse ensuite d'autres cavités résonantes. Celles-ci sont excitées par les variations de courant du faisceau. Lors du passage du faisceau dans ces cavités, le phénomène de modulation de la vitesse du faisceau est amplifié selon le même fonctionnement que dans la première cavité. Ce mécanisme se poursuit jusqu'à la cavité de sortie. Tout au long du parcours, le faisceau est focalisé grâce à des bobines d’électroaimants.

Dans la dernière cavité, les électrons cèdent partiellement leur énergie cinétique sous forme de rayonnement électromagnétique, qui est cette fois-ci récupérée grâce à une sonde ou une boucle de couplage reliée à la cavité. L’onde induite dans la sonde varie comme l’onde initiale mais son amplitude est plus grande, d’où l’amplification.

Les klystrons se divisent en différent types, selon le nombre de cavités résonantes:

Klystron à deux cavités

Un klystron utilise des cavités résonantes spéciales pour moduler le changer électrique le long de l’axe du faisceau d’électrons. Au milieu de ces cavités, il y a une grille qui contrôle le passage des électrons. La première cavité est appelé « résonateur d’entrée » et la seconde, ou dernière cavité, est parfois appelée « cavité réceptrice ».

La cavité réceptrice est placée à une distance où les paquets d’électrons sont devenus stables, là où elle peut absorber leur énergie grâce à l’induction de courant qu’ils produisent dans ses parois. La distance entre ces cavités dépend de la fréquence de résonances du résonateur d’entrée et de la cavité réceptrice, les deux étant identiques. L’onde amplifiée sera captée par une sonde, ou une boucle de fil électrique, dans les parois de cette cavité. Le faisceau d’électron termine son trajet dans un collecteur où le reste de son énergie se dissipe en chaleur et en rayons X.

L’amplification d’un klystron, puissance du signal de sortie et efficacité, peut être augmentée en ajoutant des cavités intermédiaires. Celles-ci servent à augmenter la concentration des électrons ce qui augmente l’énergie transférable à la sortie.

Klystron à réflecteur
Cathode
Ligne coaxial avec
boucle de couplage
Cavité
résonante
Électrons passant dans
les trous de la cavité

Figure 2 : Cavité d’un klystron à réflecteur

Cathode
Ligne coaxial avec
boucle de couplage
Cavité
résonante
Électrons passant dans
les trous de la cavité

Figure 2 : Cavité d’un klystron à réflecteur

Un autre type de klystron est celui à réflecteur, aussi appelé klystron réflex à cause de la réflexion interne du faisceau d’électrons. Le résonateur d’entrée sert à moduler la vitesse des électrons dans le faisceau afin de former des paquets. Cependant, dans ce cas, le klystron comporte une plaque appelée le réflecteur au lieu de la cavité réceptrice.

Après être sorti du résonateur, le faisceau se dirige vers la plaque en s’organisant en paquets mais il est repoussé vers le résonateur en arrivant près de la plaque qui est chargé négativement. Cela allonge son trajet et donc la concentration des électrons. Il repasse donc une seconde fois dans le résonateur où il transfert son énergie, et l’onde amplifiée, à une sonde.

Grille
d’accélération
Cathode
Boucle de
couplage
Chambre
d’interaction
Réflecteur
Cavité
résonante

Figure 3 : Diagramme d’un klystron réflex.

Grille
d’accélération
Cathode
Boucle de
couplage
Chambre
d’interaction
Réflecteur
Cavité
résonante

Figure 3 : Diagramme d’un klystron réflex.

Trois sources d’alimentation électriques sont nécessaires au fonctionnement d’un klystron:

  1. Courant pour le filament de la cathode
  2. Tension positive pour le résonateur, souvent appelée tension du faisceau, pour accélérer les électrons à travers la grille de la cavité résonante;
  3. Tension négative pour la plaque de réflexion.

Les électrons sont concentrés en un faisceau par le champ électrostatique créé par le résonateur (U2) dans le corps du tube à vide.

Figure 4 : Klystron à réflecteur, ou réflex, K-806