www.radartutorial.eu www.radartutorial.eu Radar Temelleri

Klistron

Resim 1: İngiliz Electric Valve Co Ltd. firmasının NSN 662-5861 tipi klistronu
(OSTRON firmasının izniyle)

Resim 1: İngiliz Electric Valve Co Ltd. firmasının NSN 662-5861 tipi klistronu
(OSTRON firmasının izniyle)

„Klistron“ içeriği
  1. İki-odacıklı klistron
  2. Çok-odacıklı klistron
  3. Çok-demetli klistron
  4. Plaka- demet klistron
  5. Yansımalı klistron
  6. Kullanım yerleri
  7. Klistronun tarihçesi

Klistron nedir?

Klistron

Klistron mikrodalga bölgesi için geliştirilmiş yüksek güç tüpleridir. Bunlar radar aygıtlarında yükselteç ya da osilatör olarak kullanılan hız modülasyonlu elektron tüpleridir. Bir klistron, bir yüksek frekanslı salınımı yükseltmek için elektronların kinetik enerjisini kullanır. Bir klistronun içinde elektron demetindeki elektronların hızı değiştirilerek geçiş zamanı etkisi (transit time effect) kullanılır. Bir manyetik alanın görevi yalnızca bir elektron demetini tüm demet boyunca odaklamaktır. Bu manyetik alan elektron demetine paralel olarak konumlanmıştır, bu nedenle klistron da Doğrusal Demetli Tüpler sınıfında yer alır. Klistron, tüpün uzun ekseninin çevresinde yer alan ve ilaveten statik elektrik alanını modüle eden, bir ya da daha fazla sayıda kovuklu çınlayıcıya sahiptir. Klistronlar tipik olarak tek bir sabit frekansta çalışacak şekilde tasarlanmıştır. Frekansın değeri, çınlama hacimlerinde mekanik şekil değişikleri yapılarak dar sınırlar içerisinde ayarlanabilir. Klistronlar, kovuklu çınlayıcı sayısına bağlı olarak iki- odacıklı klistron, çok- odacıklı klistron ya da yansımalı klistron olabilir.

Birkaç on megavata varan olası çıkış gücü ile yükseltici olarak kullanılan klistronların kazanç katsayısı çok yüksek (bazen 60 dB den daha fazla) olabilir. Ancak klistronlar çınlayıcı bileşenleri kullandıklarında bant genişlikleri sınırlıdır (genellikle % 2 den az). Yüz kilovolt seviyesinde yüksek besleme gerilimine ihtiyaç duyarlar. Vakum tüplerinde de beklendiği gibi ortalama arıza süreleri 5 000 ila 75 000 çalışma saati arasındadır.

İki-odacıklı klistron

İki-odacıklı klistron, esas olarak askeri radar aygıtlarında yükselteç tüpü olarak kullanılır. Eğer, yüksek frekans ikinci kovuklu çınlayıcıdan birinci çınlayıcıya eşeksenel kablo veya dalga kılavuzu ile tekrardan besleniyorsa osilatör olarakta kullanılır. Bununla birlikte, bu bağlantının hassas tanımlanmış bir gecikmeye sahip olması gerekir, böylece kovuklu çınlayıcılardaki salınımlar birbirlerine göre aynı faza sahip olurlar ve sonuçta pozitif bir geri besleme meydana gelir. Ancak, bir frekans değişimi sırasında her bir kovuklu çınlayıcının tınlaşım frekansının ve keza geri besleme hattının, faz kaymasının mekanik olarak ayarlanması gerekmesi nedeniyle, bir klistron osilatör olarak kullanımı pratik değildir. Bu gibi durumlarda bir yansımalı klistron daha uygundur.

Yapısı

Bir klistronun mekanik boyutunu kovuklu çınlayıcıların boyutu belirler. İki-odacıklı klistron; bir elektron tabancası, iki kovuklu çınlayıcı, elektron demetini odaklayan bir mıknatıs sistemi ve toplayıcıdan meydana gelir. Yüksek güçlere ulaşabilmek için elektron tabancasının çok sayıda elektron yayması gerekir. İki-odacıklı bir klistron, elektrik alanını modüle eden tüp ekseni etrafında yer alan iki adet kovuklu çınlayıcı kullanır. Bu boşlukların ortasında elektron demetinin geçmesine izin veren bir ızgara veya delik düzeni bulunur. Yükseltilecek işareti kapan birinci kovuğa kontrol çınlayıcısı (buncher) denilir. Yükseltilmiş işareti alan ikinci kovuğa ise yakalayıcı (catcher) denilir. Kovuklu çınlayıcılar arasındaki bölge "sürüklenme alanı" (drift space) veya "etkileşim alanı" (interaction space) olarak adlandırılır. Toplayıcı, elektron demetinin kalan enerjisini soğurur ve onu ısıya dönüştürür.

Sürüklenme bölgesi
Yoğunluk
modülasyonu
Kontrol-
çınlayıcısı
Yükseltme-
çınlayıcısı
Toplayıcı
Bağlaşım
halkası
Katot
Isıtma
Anot
Elektron demeti
Mıknatıs sistemi
YF-girişi
YF-çıkışı

Resim 2: Bir klistronun çalışma prensibi

Sürüklenme bölgesi
Yoğunluk
modülasyonu
Kontrol-
çınlayıcısı
Yükseltme-
çınlayıcısı
Toplayıcı
Bağlaşım
halkası
Katot
Isıtma
Anot
Elektron demeti
Mıknatıs sistemi
YF-girişi
YF-çıkışı

Resim 2: Bir klistronun çalışma prensibi

Sürüklenme bölgesi
Yoğunluk
modülasyonu
Kontrol-
çınlayıcısı
Yükseltme-
çınlayıcısı
Toplayıcı
Bağlaşım
halkası
Katot
Isıtma
Anot
Elektron demeti
Mıknatıs sistemi
YF-girişi
YF-çıkışı

Resim 2: Bir klistronun çalışma prensibi
(etkileşimli resim)

Çalışma prensibi

Toplayıcı toprak klemensine bağlıdır. Buna karşılık, katot ve anot, demet gerilimi denilen birkaç yüz kilovoltu bulan bir gerilime ulaşır, bu yüzden toplayıcı X-ışın paraziti yayar ve tehlike yaratmaması için kurşunla kaplanması gerekir.

Katottan yayılan elektronlar kontrol çınlayıcısına varmadan önce anot ve katot arasındaki bölgede yüksek DC geriliminin etkisi altında eşit bir hıza kavuşacak şekilde hızlanırlar. Kontrol çınlayıcısı tarafından kapılan işaret bir ilave yerel elektrik alanı meydana getirir. Elektrik alanının yönü kontrol çınlayıcısındaki işaretin frekansı ile değişir. Bu değişiklikler dönüşümlü olarak elektron demetindeki elektronları hızlandırır ve geciktirirler. Kontrol çınlayıcısını işaret geriliminin sıfır noktasında geçen elektronlar, aynı hızda geçerler; burayı, işaret geriliminin pozitif yarı dalgasında geçenler hızlanırlar; negatif yarı dalgasında geçenler ise frenlerler. Sürüklenme bölgesindeki elektronların bu hız değişikliğine Hız Modülasyonu denilir. Hızlı elektronlar, daha yavaş elektronları yakalarlar. Bu noktada, elektronlar birikir ve bir yoğunluk modülasyonu meydana gelir.

İkinci kovuklu çınlayıcının (yükseltme çınlayıcısı) işlevi elektron demetinde var olan kinetik enerjiyi sağmaktır. Yükseltme çınlayıcısı elektron demetinin ekseni boyunca yoğunluk modülasyonun bir en büyük değer aldığı yere yerleştirilir. Bu konum, demetlerin kovukları özgün tınlaşım frekansındaki geçiş süresi ile belirlenir. Elektronlar daha sonra yükselme çınlayıcısını daha düşük hızda terk eder ve toplayıcıya ulaşır. Toplayıcıda, bu elektronlardan kalan enerji ısı enerjisine dönüştürülür. Toplayıcı, herhangi bir elektronun etkileşim bölgesine yansıyarak geri dönememesi için sıkça çok karmaşık bir içyapıyla tasarlanır.

Teknik veriler

Bir iki-odacıklı klistronun verimliliği, klistrona (DC-gerilim olarak) beslenen gücün, elde edilen yüksek frekanslı çıkış gücüne oranıdır. Bir iki-odacıklı klistronda bu değer yaklaşık % 40 kadardır. Kayıplar, elektronların ideal olmayan yoğunluğundan ve toplayıcıda ısıya dönüştürülen geriye kalan enerjiden kaynaklanır. Ortalama çıkış gücü 500 kW ve darbe gücü 30 MW a kadar ulaşabilir. 30 dB e kadar bir güç kazancı elde edilebilir.

Resim 3: Çok- odacıklı bir klistronun yapısı

Resim 3: Çok- odacıklı bir klistronun yapısı

Resim 3: Çok- odacıklı bir klistronun yapısı
(etkileşimli resim)

Çok-odacıklı klistron

Klistronların kazancı, gücü ve verimliliği, bir iki-odacıklı klistronun kovuklu çınlayıcının giriş- ve çıkış çınlayıcısı arasına odacık ilaveleri yapılarak bir hayli iyileştirilebilir. İlave kovuklu çınlayıcılar elektron demetine ilave hız modülasyonu sağlar ve çıkış gücünü arttırır. Elektron demetindeki elektron paketleri daha belirgin şekilde ayrışır. Çok-odacıklı klistronlar, tüplerin kazancını ya da bant genişliğini arttırmak için kullanılabilirler. Bunlar, böylece % 8 i bulan (hatta daha düşük kazançlarda bile) daha büyük bant genişliği elde etmek için sıkça tınlaşım ayarı hafifçe kaçmış kovuklu çınlayıcılarla çalıştırılırlar.

Bir yeni kavram, Kladistron („adiabatisches Klystron“ kelimelerinden türetilmiş) çok sayıda kovuklu çınlayıcıya sahip (geleneksel klistronun iki katı) yüksek güçlü klistronları ifade eder. Ancak bu tür kladistronlar radar aygıtlarında kullanılmazlar.

Resim 4: TESLA firmasının 8-elektron tabancalı, çok-demetli bir klistronunun kesiti

Resim 4: TESLA firmasının 8-elektron tabancalı, çok-demetli bir klistronunun kesiti

Çok-demetli klistronlar

Çok-demetli klistronlar, basit bir anlatımla, her bir elektron demeti paralel çalışan, ortak giriş- ve çıkış çınlayıcı kullanan bir dizi klistrondur. Diğer kovuklu çınlayıcılar ve odaklandırma sistemleri ortak ya da ayrı olabilir. Çok-demetli klistronlar yüksek frekanslı gücü, düşük DC-gerilimlerde (tipik % 50 ila 80 arasında) sağlayabilir. Bunların, elektronların düşük ortalama hızları nedeniyle de devre uzunlukları daha kısadır (tipik % 30 ila 60 arasında). Çok-demetli klistronların bir diğer üstünlüğü de, daha büyük bir bant genişliğine sahip olmalarıdır. Çok-demetli klistronlar ya manyetik ya da elektrostatik olarak odaklanırlar.

Çok demetli klistronların verimliliği % 60 ila 80 e ulaşmaktadır. Bunlar çoğunlukla parçacık hızlandırıcılarındaki araştırmalarda kullanılırlar (Çok-demetli klistron terimi bağlamında, sadece bir elektron demeti olan klistronlara tek-demetli klistron denir).

Sürüklenme bölgesi
Toplayıcı
YF-çıkışı
YF-girişi

Resim 5: Sürekli döküm plaka freze edilerek üretilen bir plaka-demet klistronun yarısı

Sürüklenme bölgesi
Toplayıcı
YF-çıkışı
YF-girişi

Resim 5: Sürekli döküm plaka freze edilerek üretilen bir plaka-demet klistronun yarısı

Plaka-demetli klistron

Şimdiye kadar bahsedilen klistronlardaki elektron demetinin kesiti yuvarlak idi. Bu klistronlara kalem-demetli tüplerde denmektedir. Buna karşılık bir plaka-demetli klistronun kesiti yassıdır. Bu biçim elektron tabancasının bir özel yapısı ile sağlanmaktadır.

Plaka-demetli klistronun demetlerinin akım yoğunluğu bir hayli azdır. Katodun yükü oldukça düşüktür ve beklenen çalışma ömrü de çok daha uzundur. Bunlar, iki adet yassı elektron demetini bir tüp içine üst üste yerleştirerek çok-demetli klistron (Double-sheet Beam Klystron, DSBK) olarakta tasarlanabilir.

Bir plaka-demetli klistronun üretimi çok basittir ve çok daha az sayıda parça gerektirir. Yekpare bir yassı çubuk malzeme işlenerek (örneğin frezeleyerek) kovuklu çınlayıcılar, sürüklenme hacmi ve toplayıcının tamamı bir gövde içinde toplanır. Bu çubuğun ayrıca simetriği (aynalanmış biçimi) üretilir ve diğer yapının üstüne yerleştirilir. Her ikisi birlikte plaka-demet klistronun tüm tınlaşım yapısını meydana getirir. Bu tür klistronlarda klasik klistronlara göre çok daha etkili bir soğutma yapmak mümkündür.

Yansımalı klistron
Katot
Sağma halkalı
eşeksenel kablo
Kovuklu
çınlayıcı
Elektronlar delikten
geçiyorlar

Resim 6: Yansımalı klistronun kovuklu çınlayıcısı

Katot
Sağma halkalı
eşeksenel kablo
Kovuklu
çınlayıcı
Elektronlar delikten
geçiyorlar

Resim 6: Yansımalı klistronun kovuklu çınlayıcısı

Sıkça yüksek frekans osilatörü olarak kullanılan bir diğer hız modülasyon tüpü ise Yansımalı Klistrondur (reflex klystron). Yansımalı klistronlarda, çok-odacıklı klistronlarda kullanılan toplayıcıların yerine, itici olarakta adlandırılan, negatif yüklü bir yansıtıcı plaka kullanılır. Elektron demeti, kendi özgün frekansıyla salınan bir çınlayıcıda hızı bilinen bir şekilde modüle edilir. Sönmemiş bir salınım için gerekli geri besleme, hız modülasyonu ile ortaya çıkan elektron demetlerinin, negatif yansıtıcı plakadan, enerjilerini yeniden bıraktıkları kovuklu çınlayıcıya geri gönderilmeleri ile gerçekleşir. Bu negatif yüklü plakaya İngilizce yayınlarda „repeller“ denilmektedir. Elektron demetinin yansımasından esinlenerek bu tip klistron osilalatöre „Yansımalı Klistron“ adı verilmiştir.

Tüpün üretim toleransları nedeniyle, kovuklu çınlayıcının en azından bir duvarının esnek olması gerekir. Aynı seri üretim ürünü olsa bile, hiçbir yansımalı klistron birbirinin aynı değildir. Bu nedenle her yansımalı klistronun kendisine özgü bir ölçümleme protokolü (calibration protocol) vardır.

Hızlandırma
anodu
Katot
Sağma halkası
Yansıma
hacmi
Yansıtıcı
Kovuklu
çınlayıcı

Resim 7: Yansımalı klistron devresi

Hızlandırma
anodu
Katot
Sağma halkası
Yansıma
hacmi
Yansıtıcı
Kovuklu
çınlayıcı

Resim 7: Yansımalı klistron devresi

Yansımalı klistronun çalışması için üç gerilim kaynağı gereklidir:

  1. Isıtma gerilimi
  2. kovuklu çınlayıcıda elektron demetlerinin hızlandırılması için pozitif anot gerilimi (sıkça demet gerilimi olarakta adlandırılır) ve
  3. yansıtıcı plakada elektron demetlerini kovuklu çınlayıcıya yansıtmak için negatif gerilim.

Elektronların bir keskin demete odaklanması, benzeri şekilde, tüpün içinde pozitif çınlayıcı gerilimi ile yaratılan elektrostatik alanla gerçekleşir. Elektron demetinin nispeten kısa boyu nedeniyle bu keskinlik ayarında bir sıkıntı oluşmaz.

Yansıtıcıdaki negatif gerilim, elektronların hız modülasyonları sonucu meydana gelen demetin kovuklu çınlayıcıya tekrardan isabet ettiği nokta bir en büyük değer olacak şekilde ayarlanmalıdır. O zaman elektron demetinden kovuklu çınlayıcıdaki YF-salınıma en büyük miktarda enerji aktarılır. Bu gerilim, en uygun değerinden kolayca sapabilir ve çıkış gücünün azalmasına neden olan bir hafif frekans değişikliği (% 1 ila 2 arasında) meydana gelir. Bu durum, tüpleri alıcı devrelerinde, özellikle frekans ayarlamak için osilatör olarak kullanılmaya çok uygun hale getirmiştir.

Kullanım yerleri

Resim 8: Bir ölçü aygıtındaki K-806 yansımalı klistron

Resim 8: Bir ölçü aygıtındaki K-806 yansımalı klistron

Klistronlar yüksek frekans teknolojisinde geniş bir uygulama alanına sahiptir, çünkü klistronlarla ulaşılabilen güçler yarıiletken aygıtlarla elde edilememektedir. Bu nedenle, vakum tüplerinin bozulma olasılığının yüksek olduğu kabul edilir.