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Klystron

Figura 1: Tipo Klystron NSN 662-5861 de English Electric Valve Co Ltd.
(Cortesía de OSTRON, www.ostron.de)

Figura 1: Tipo Klystron NSN 662-5861 de English Electric Valve Co Ltd.
(Cortesía de OSTRON)

Índice „Klystron”
  1. Klystron de dos cavidades
  2. Klystron multicavidad
  3. Klystron multihaz
  4. Klystron haz de placas
  5. Klystrón reflejo
  6. Aplicaciones
  7. Historia del desarrollo

¿Qué es un klystron?

Klystron

Los klystrons son tubos de vacío de microondas de alta potencia. Son tubos de velocidad modulada que se utilizan en radares como amplificadores u osciladores. Un klystron utiliza la energía cinética de un haz de electrones para amplificar una señal de alta frecuencia. Los klystrons aprovechan el efecto del tiempo de tránsito variando la velocidad de un haz de electrones. Se trata de un dispositivo de haz lineal; es decir, el flujo de electrones se encuentra en línea recta enfocado por un campo magnético axial. El campo magnético sólo se utiliza para enfocar el haz de electrones. Un klystron tiene una o más cavidades resonantes especiales alrededor del eje del tubo que modulan el campo eléctrico. Debido al número de cavidades resonantes, los klystrons se dividen en kystrons de dos cavidades, kystrons de múltiples cavidades y klystrons de repulsión.

La ganancia de los amplificadores de klystron puede ser muy alta (más de 60 dB), con potencias de salida de hasta decenas de megavatios. Pero los klystrons tienen un ancho de banda limitado (menos del 2%) debido al uso de cavidades resonantes. Requieren altas tensiones de alimentación, del orden de cientos de kilovoltios. Como cabe esperar de los tubos de vacío, su fiabilidad es menor: entre 5 000 y 75 000 horas de tiempo medio entre fallos.

Klystron de dos cavidades

El klystron de dos cavidades es un amplificador de microondas muy utilizado que funciona según los principios de modulación de velocidad y densidad. También se puede fabricar un oscilador electrónico a partir de un tubo klystron cuando el resonador de la segunda cavidad se devuelve al primero con un cable coaxial o una guía de ondas. Esta conexión debe tener un retardo definido para que las oscilaciones estén en fase. Sin embargo, un oscilador klystron de dos cavidades no es adecuado en la estructura porque, cuando se varía la frecuencia de oscilación, la frecuencia de resonancia de cada cavidad y el desplazamiento de fase de la trayectoria de realimentación deben reajustarse mecánicamente para obtener una realimentación positiva. (Un klystrón reflejo es más adecuado para estos casos).

Diseño

El tamaño del klystron viene determinado por el tamaño de las cavidades de la agrupación. Los componentes físicos de un klystron de dos cavidades consisten en un emisor de electrones, dos cavidades resonantes, un circuito magnético solenoide para enfocar el haz de electrones y una estructura de depresión del colector. Para alcanzar potencias elevadas, este emisor de electrones debe emitir un gran número de electrones. Un klystron de dos cavidades utiliza dos cavidades resonantes alrededor del eje del tubo que modulan el campo eléctrico. En medio de estas cavidades hay una rejilla que permite el paso de los electrones. La primera cavidad con el primer dispositivo de acoplamiento se denomina “buncher”, mientras que la segunda cavidad con su dispositivo de acoplamiento se denomina “catcher”. La zona situada más allá de las rejillas del buncher se denomina „espacio de deriva“. El colector recoge la energía del haz de electrones y la transforma en calor.

El colector está conectado al potencial de tierra. Entre el cátodo y el colector se aplica una tensión de haz de hasta varios cientos de kilovoltios, razón por la cual el colector genera interferencias de rayos X y debe blindarse con plomo.

espacio de deriva
densidad de
electrones
cavidad de
resonancia
cavidad de
resonancia
colector
bucle de acoplamiento
cátodo
filamento
ánodo
haz de electrones
sistema magnético
entrada de microondas
salida de microondas

Figura 2: Modo de funcionamiento de un klystron de dos cavidades

espacio de deriva
densidad de
electrones
cavidad de
resonancia
cavidad de
resonancia
colector
bucle de acoplamiento
cátodo
filamento
ánodo
haz de electrones
sistema magnético
entrada de microondas
salida de microondas

Figura 2: Modo de funcionamiento de un klystron de dos cavidades

cátodo magnet magnet buncher ánodo beam catcher coll.
espacio de deriva
densidad de
electrones
cavidad de
“buncher”
cavidad de
“catcher”
colector
bucle de
acoplamiento
cátodo
filamento
ánodo
haz de electrones
sistema magnético
entrada de microondas
salida de microondas

Figura 2: Modo de funcionamiento de un klystron de dos cavidades
(imagen interactiva)

Función

Los electrones inyectados en el cátodo son primero acelerados por la alta tensión continua antes de entrar en las rejillas del buncher y llegar a éste con velocidad uniforme. La señal presente en el buncher genera un campo eléctrico local adicional. La dirección del campo eléctrico cambia con la frecuencia de la señal en el buncher. Estos cambios aceleran y desaceleran alternativamente los electrones del haz que atraviesan las rejillas. Los electrones que atraviesan la primera cavidad en los puntos cero de la tensión de señal pasan con velocidad invariable; los que atraviesan los semiciclos positivos de la tensión de señal experimentan un aumento de velocidad; los que atraviesan las oscilaciones negativas de la tensión de señal experimentan una disminución de velocidad. La variación de la velocidad del electrón en el espacio de deriva se denomina modulación de velocidad. Los electrones más rápidos alcanzan a los más lentos y forman grupos. El haz de electrones se modula entonces espacialmente.

La función de la cavidad colectora es absorber la energía del haz de electrones. Las rejillas colectoras se colocan a lo largo del haz en un punto en el que los grupos están completamente formados. La ubicación viene determinada por el tiempo de tránsito de los cúmulos en la frecuencia de resonancia natural de las cavidades (la frecuencia de resonancia de la cavidad del colector es la misma que la de la cavidad del buncher). A continuación, los electrones abandonan el colector a velocidad reducida y llegan al buncher.

Características

El rendimiento del klystron es el resultado de la relación entre la energía suministrada al klystron (como fuente de alimentación de corriente continua) y la energía de salida de alta frecuencia. El rendimiento de un klystron de dos cavidades se sitúa en torno al 40%. Las pérdidas se deben principalmente a la agrupación no ideal de la densidad de electrones y a la energía restante de los electrones, que se convierte en calor en el colector. La potencia media de salida es de hasta 500 kW y la potencia pulsada de hasta 30 MW a 10 GHz. La amplificación de potencia es de hasta 30 dB.

Figura 3: Estructura de un klystron multicavidad

Figura 3: Estructura de un klystron multicavidad

cátodo magnet magnet buncher ánodo beam catcher coll. add.o add.u

Figura 3: Estructura de un klystron multicavidad
(imagen interactiva)

Amplificador de klystron multicavidad

La amplificación, potencia y eficiencia del klystron pueden mejorarse considerablemente añadiendo cavidades intermedias entre las cavidades de entrada y salida del klystron básico. Estas cavidades adicionales también se denominan „cavidades de ganancia“. Sirven para modular la velocidad del haz de electrones y producen un aumento de la energía disponible en la salida. Los haces de electrones se refuerzan. Los klystrons multicavidad pueden utilizarse para aumentar la ganancia del klystron o para aumentar el ancho de banda. A menudo funcionan con sus cavidades ajustadas de forma deflectora para obtener un mayor ancho de banda de hasta el 8% con una reducción de la ganancia.

Un nuevo concepto de klystron multicámara se denomina kladistron (derivado de klystron) adiabático). Los kladistrons son klystrons de alto rendimiento con un gran número de cavidades (al menos el doble que los klystrons convencionales). Los kladistrones no se utilizan en los radares.

Figura 4: Vista en corte de un MBK que utiliza cañones de 8 electrones fabricados por TESLA

Figura 4: Vista en corte de un MBK que utiliza cañones de 8 electrones fabricados por TESLA

Klystron de haz múltiple

Los klystrons de haz múltiple (MBK) son klystrons con múltiples haces de electrones, simplemente colocando varios klystrons de haz simple en paralelo con cavidades comunes de entrada y salida. Sus otras cavidades y sistemas de enfoque pueden ser comunes o separados. Los klystrons multihaz son capaces de suministrar cantidades inmensas de potencia de microondas a tensiones de haz más bajas (normalmente entre el 50 y el 80%). Esto también permite reducir la longitud del circuito (normalmente entre un 30% y un 60%), ya que los electrones tienen una velocidad media más lenta. Otra ventaja de los klystrons multihaz es que tienen un ancho de banda mucho mayor. Los klystrons multihaz se enfocan con campos magnéticos o enfoque electrostático.

Los klystrons multihaz alcanzan una eficacia de entre el 60% y el 80%. (En relación con el término klystron multihaz, los klystrons con un solo haz se denominan klystrons monohaz).

Figura 5: Media cáscara fresada en una chapa de colada continua para un klystron de haz de placas

espacio de deriva
colector
salida de microondas
entrada de microondas

Figura 5: Media cáscara fresada en una chapa de colada continua para un klystron de haz de placas

Haz de placas de klystron

En los klystrons considerados hasta ahora, la sección transversal del haz de electrones era redonda. También se denominan tubos de haz en lápiz. En un klystron de haz de láminas, el haz de electrones es plano. Esto se consigue mediante una forma especial del cañón de electrones.

Los klystrons de haz laminar tienen haces con una densidad de corriente mucho menor. Como la carga del cátodo es mucho más ligera, cabe esperar que tengan una vida útil mucho más larga. También pueden construirse como un klystron de haces múltiples, por ejemplo, colocando dos haces uno encima del otro para obtener un klystron de doble hoja (DSBK).

La fabricación de un klystron de haz de láminas es mucho más sencilla y requiere un número considerablemente menor de piezas. Todos los resonadores de la cavidad, el hueco de deriva y el colector se integran (por ejemplo, mediante fresado) en una varilla plana de material sólido. Esta varilla y una varilla espejada se colocan una encima de la otra. Así se crea la estructura de resonancia completa del klystron de haz de láminas. Es posible una refrigeración mucho más eficaz que la disponible en el tubo de lápiz.

Klystrón reflejo
cátodo
línea coaxial con
bucle de acoplamiento
cavidad de
resonancia
electrones disparados
a través de agujeros

Figura 7: Esquema del circuito con un klystrón reflejo

cátodo
línea coaxial con
bucle de acoplamiento
cavidad de
resonancia
electrones disparados
a través de agujeros

Figura 7: Esquema del circuito con un klystrón reflejo

Otro tubo basado en la modulación de velocidad y utilizado para generar energía de microondas es el klystrón reflejo. El klystrón reflejo contiene una placa reflectora, denominada repulsor, en lugar de la cavidad de salida utilizada en otros tipos de klystrons. El haz de electrones se modula como en otros tipos de klystrons haciéndolo pasar a través de una cavidad resonante oscilante, pero aquí termina la similitud. La realimentación necesaria para mantener las oscilaciones dentro de la cavidad se obtiene invirtiendo el haz y enviándolo de nuevo a través de la cavidad. La velocidad de los electrones del haz se modula antes de que el haz atraviese la cavidad por segunda vez y libere la energía necesaria para mantener las oscilaciones.

El resonador de cavidad debe ser flexible al menos en una pared debido a las tolerancias del fabricante del tubo. No hay dos Klystron reflex idénticos, aunque se fabriquen en la misma serie. Por lo tanto, cada Klystrón reflejo tiene su propio protocolo de calibración.

Beschleu-
nigungsánodo
cátodo
bucle de acoplamiento
Reflexions-
raum
Reflektor
Cavidad de
resonancia

Figura 8: Klystrón reflejo K-806

ánodo de
aceleración
cátodo
bucle de acoplamiento
sala de
reflexión
repelente
Cavidad de
resonancia

Figura 8: Klystrón reflejo K-806

Para el funcionamiento del klystrón reflejo se necesitan tres fuentes de alimentación

  1. tensión del filamento,
  2. tensión positiva del resonador (a menudo llamada tensión del haz) utilizada para acelerar los electrones a través del hueco de la rejilla de la cavidad resonante, y
  3. tensión negativa de repulsión, utilizada para hacer retroceder el haz de electrones.

Los electrones son enfocados en un haz por los campos electrostáticos creados por el potencial del resonador en el tubo.

La tensión del reflector debe ajustarse de modo que el haz sea máximo cuando el haz de electrones entre en la cavidad resonante, asegurando así que se transfiera la máxima energía del haz de electrones a las oscilaciones de RF en la cavidad. La tensión puede variar ligeramente con respecto al valor ideal, lo que se traduce en una pequeña variación de la frecuencia (en torno al 1 o 2%), pero también en una pérdida de potencia de salida. De ahí que este tubo funcionara como un oscilador controlado por voltaje.

Aplicaciones

Figura 8: Klystrón reflejo K-806

Figura 8: Klystrón reflejo K-806

Los Klystrons tienen una amplia gama de aplicaciones en la tecnología de alta frecuencia, ya que el rendimiento que se puede alcanzar con los Klystrons no se puede conseguir con componentes semiconductores. Por lo tanto, se acepta la baja fiabilidad de los tubos de vacío.