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Klystron

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

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

Tabela de conteúdos “Klystron”
  1. Klystron de duas cavidades
  2. Multicavidade Klystron
  3. Klystron de feixe múltiplo
  4. Feixe de chapa Klystron
  5. Repeller Klystrons
  6. Aplicações
  7. História do desenvolvimento

O que é um klystron?

Klystron

Klystrons são tubos de vácuo de microondas de alta potência. São tubos com velocidade modulada que são usados em radares como amplificadores ou osciladores. Um klystron usa a energia cinética de um feixe de elétrons para a amplificação de um sinal de alta frequência. Klystrons fazem uso do efeito de tempo de trânsito variando a velocidade de um feixe de elétrons. É um dispositivo de feixe linear; isto é, o fluxo de elétrons está em uma linha reta focada por um campo magnético axial. O campo magnético é usado apenas para focalizar o feixe de elétrons. Um klystron possui uma ou mais cavidades especiais ao redor do eixo do tubo que modula o campo elétrico. Devido ao número de cavidades ressonantes, os klystrons são divididos em kystrons de duas cavidades, kystrons de múltiplas cavidades e klystrons de repulsão.

O ganho dos amplificadores klystron pode ser muito alto (mais de 60 dB), com potência de saída de até dezenas de megawatts. Mas os klystrons têm largura de banda limitada (menos de 2%) devido ao uso de cavidades ressonantes. Eles exigem altas tensões de alimentação na região de centenas de kilovolts. Como seria de esperar com os tubos de vácuo, eles têm menos confiabilidade de 5000 a 75000 horas do tempo médio entre falhas.

Klystron de duas cavidades

O klystron de duas cavidades é um amplificador de microondas amplamente utilizado, operado pelos princípios de velocidade e modulação de densidade. Um oscilador eletrônico também pode ser feito a partir de um tubo de klystron quando o segundo ressonador de cavidade é retornado ao primeiro com um cabo coaxial ou guia de ondas. Essa conexão deve ter um atraso definido para que as oscilações estejam em fase. No entanto, um oscilador de klystron de duas cavidades é inadequado na estrutura, porque, quando a frequência de oscilação é variada, a frequência de ressonância de cada cavidade e a mudança de fase do caminho de realimentação devem ser reajustadas mecanicamente para realimentação positiva. (Um repeller klystron é mais adequado para esses casos.)

Projeto

O tamanho de klystron é determinado pelo tamanho das cavidades de agrupamento. Os componentes físicos de um klystron de duas cavidades consistem em um emissor de elétrons, duas cavidades ressonantes, um circuito magnético solenóide para focalizar o feixe de elétrons e uma estrutura de depressão do coletor. Para atingir altas potências, esse emissor de elétrons deve emitir um grande número de elétrons. Um klystron de duas cavidades usa duas cavidades ressonantes ao redor do eixo do tubo que modula o campo elétrico. No meio dessas cavidades, existe uma grade que permite a passagem dos elétrons. A primeira cavidade com o primeiro dispositivo de acoplamento é chamada de „buncher“, enquanto a segunda cavidade com seu dispositivo de acoplamento é chamada de „catcher“. A área além das grades buncher é chamada de „espaço de deriva“. O coletor coleta a energia do feixe de elétrons e a transforma em calor.

O coletor está preso ao potencial de aterramento. Uma tensão de feixe de até várias centenas de kilovolts é aplicada entre o cátodo e o coletor, razão pela qual o coletor gera interferências de raios-X e deve ser protegido com chumbo.

espaço à deriva
densidade de elétrons
Cavidade
“Buncher”
Apanhador
cavidade
coletor
laço de
acoplamento
cátodo
filamento
ânodo
feixe de elétrons
sistema de ímã
entrada de microondas
saída por microondas

Figura 2: modo de operação de um klystron de duas cavidades

espaço à deriva
densidade de elétrons
Cavidade
“Buncher”
Apanhador
cavidade
coletor
laço de
acoplamento
cátodo
filamento
ânodo
feixe de elétrons
sistema de ímã
entrada de microondas
saída por microondas

Figura 2: modo de operação de um klystron de duas cavidades

kathode anode beam catcher coll.
espaço à deriva
densidade de elétrons
Cavidade
“Buncher”
Apanhador
cavidade
coletor
laço de
acoplamento
cátodo
filamento
ânodo
feixe de elétrons
sistema de ímã
entrada de microondas
saída por microondas

Figura 2: modo de operação de um klystron de duas cavidades
(imagem interativa)

Função

Os elétrons injetados no cátodo são primeiro acelerados pela alta tensão DC antes de entrar nas redes de buncher e chegar ao buncher com velocidade uniforme. O sinal presente no buncher gera um campo elétrico local adicional. A direção do campo elétrico muda com a frequência do sinal no buncher. Essas mudanças aceleram e desaceleram alternadamente os elétrons do feixe que passam pelas grades. Os elétrons que passam pela primeira cavidade em pontos zero da tensão do sinal passam com velocidade inalterada; aqueles que passam pelos meios ciclos positivos da tensão do sinal sofrem um aumento na velocidade; aqueles que passam pelas oscilações negativas da tensão do sinal sofrem uma diminuição na velocidade. A variação da velocidade do elétron no espaço de deriva é chamada de modulação de velocidade. Os elétrons mais rápidos alcançam os elétrons mais lentos e formam grupos. O feixe de elétrons é então modulado espacialmente.

A função da cavidade coletor é absorver a energia do feixe de elétrons. As grades coletoras são colocadas ao longo da viga em um ponto em que os grupos estão totalmente formados. A localização é determinada pelo tempo de trânsito dos grupos na frequência ressonante natural das cavidades (a frequência ressonante da cavidade coletor é a mesma da cavidade buncher). Os elétrons então deixam o coletor em uma velocidade reduzida e alcançam o coletor.

Características

A eficiência do klystron resulta da proporção da energia fornecida ao klystron (como fonte de alimentação DC) e da saída de energia de alta frequência. A eficiência de um klystron de duas cavidades é de cerca de 40%. As perdas ocorrem principalmente devido a um agrupamento não ideal da densidade de elétrons e da energia restante dos elétrons, que é convertida em calor no coletor. A potência média de saída é de até 500 kW e a potência pulsada é de até 30 MW a 10 GHz. A amplificação de potência é de até 30 dB.

Figura 3: Estrutura de um klystron multicavidade

Figura 3: Estrutura de um klystron multicavidade

kathode anode beam catcher coll. add.o add.u

Figura 3: Estrutura de um klystron multicavidade
(imagem interativa)

Amplificador Multicavidade Klystron

A amplificação, a potência e a eficiência do Klystron podem ser bastante aprimoradas pela adição de cavidades intermediárias entre as cavidades de entrada e saída do klystron básico. Essas cavidades adicionais também são chamadas de „Cavidades de ganho“. Elas servem para modular a velocidade do feixe de elétrons e produzir um aumento na energia disponível na saída. Os feixes de elétrons se fortalecem. Os klystrons multicavidades podem ser usados para aumentar o ganho do klystron ou para aumentar a largura de banda. Eles são freqüentemente operados com suas cavidades ajustadas de forma desconcertante, a fim de obter uma largura de banda maior de até 8% com uma redução no ganho.

Um novo conceito de klystrons de múltiplas câmaras é chamado kladistron (derivado do klystron adiabático). Kladistrons são klystrons de alto desempenho com um grande número de cavidades (pelo menos duas vezes mais que os klystrons convencionais). Kladistrons não são usados em conjuntos de radar.

Figura 4: Vista em corte de um MBK usando pistolas de 8 elétrons fabricadas pela TESLA

Figura 4: Vista em corte de um MBK usando pistolas de 8 elétrons fabricadas pela TESLA

Klystron de feixe múltiplo

Os klystrons de feixe múltiplo (MBK) são klystrons com múltiplos feixes de elétrons, basta colocar um número de klystrons de feixe único em paralelo com cavidades comuns de entrada e saída. Suas outras cavidades e sistemas de focagem podem ser comuns ou separados. Os klystrons de feixe múltiplo são capazes de fornecer imensas quantidades de potência de microondas em tensões de feixe mais baixas (normalmente de 50 a 80%). Isso também leva a um menor comprimento do circuito (geralmente de 30 a 60%), pois os elétrons têm uma velocidade média mais lenta. Outra vantagem dos klystrons de feixe múltiplo é que eles têm largura de banda muito maior. Clístrons de feixe múltiplo são focados com campos magnéticos ou com foco eletrostático.

Os klystrons de feixe múltiplo atingem uma eficiência de 60 a 80%. Eles são comumente usados para aplicativos de aceleração. (Em conexão com o termo klystron de feixe múltiplo, os klystrons com apenas um feixe são chamados de klystron de feixe mono.)

Figura 5: Meia concha moída em uma folha de fundição contínua para um Klystron de viga em chapa

espaço à deriva
coletor
Saída RF
Entrada RF

Figura 5: Meia concha moída em uma folha de fundição contínua para um Klystron de viga em chapa

Feixe de chapa Klystron

Nos klystrons considerados até agora, a seção transversal do feixe de elétrons era redonda. Eles também são chamados de tubos com feixe de lápis. Em um klystron de feixe de folhas, o feixe de elétrons é plano. Isto é conseguido através de um formato especial da pistola de elétrons.

Os klystrons de feixe de chapa têm feixes de densidade de corrente muito menor. Como a carga de cátodo é muito mais leve, pode-se esperar que eles tenham uma vida muito mais longa. Eles também podem ser construídos como Klystron de feixe múltiplo, por exemplo organizando duas vigas umas sobre as outras para um Klystron de dupla folha de viga (DSBK).

A fabricação de um klystron de viga em chapa é muito mais simples e requer consideravelmente menos peças. Todos os ressonadores de cavidade, o espaço de deriva e o coletor são integrados (por exemplo, por fresagem) em uma haste plana feita de material sólido. Esta haste e uma haste espelhada são colocadas umas sobre as outras. Isso cria a estrutura de ressonância completa do klystron de feixe de folhas. Um resfriamento muito mais eficaz é possível do que o disponível no tubo de lápis.

Repeller Klystron
cátodo
linha coaxial
com loop de
captação
cavidade
ressonante
elétrons disparados
através de orifícios

Figura 6: Ressonador de cavidade do repeller klystron

cátodo
linha coaxial
com loop de
captação
cavidade
ressonante
elétrons disparados
através de orifícios

Figura 6: Ressonador de cavidade do repeller klystron

Outro tubo baseado na modulação de velocidade, e usado para gerar energia de microondas, é o klystron reflexo (repeller klystron). O Klystron reflexo contém uma placa refletora, chamada repeller, em vez da cavidade de saída usada em outros tipos de Klystrons. O feixe de elétrons é modulado como nos outros tipos de klystrons, passando-o através de uma cavidade ressonante oscilante, mas aqui a semelhança termina. O feedback necessário para manter as oscilações dentro da cavidade é obtido revertendo o feixe e enviando-o de volta através da cavidade. Os elétrons no feixe são modulados em velocidade antes que o feixe passe pela cavidade pela segunda vez e liberará a energia necessária para manter as oscilações. O feixe de elétrons é girado por um eletrodo carregado negativamente que repele o feixe („repeller“). Esse tipo de oscilador de klystron é chamado de klystron reflexo devido à ação reflexa do feixe de elétrons.

O ressonador de cavidade deve ser flexível em pelo menos uma parede devido às tolerâncias do fabricante do tubo. Não existem dois Klystrons de reflexo idênticos, mesmo que sejam fabricados na mesma série. Cada Klystron reflexo, portanto, possui seu próprio protocolo de calibração.

acelerando
grade
cátodo
loop de captação
sala de
reflexão
repelente
cavidade
ressonante

Figura 7: diagrama de circuito com um repeller klystron

acelerando
grade
cátodo
loop de captação
sala de
reflexão
repelente
cavidade
ressonante

Figura 7: diagrama de circuito com um repeller klystron

São necessárias três fontes de energia para a operação reflex klystron:

  1. poder do filamento,
  2. tensão de ressonador positiva (geralmente chamada de tensão de feixe) usada para acelerar os elétrons através do intervalo da grade da cavidade ressonante, e
  3. tensão negativa do repelente usada para voltar o feixe de elétrons.

Os elétrons são focados em um feixe pelos campos eletrostáticos configurados pelo potencial ressonador (U2) no tubo.

A tensão do refletor deve ser ajustada para que o agrupamento esteja no máximo quando o feixe de elétrons entrar na cavidade ressonante, garantindo assim que uma energia máxima seja transferida do feixe de elétrons para as oscilações de RF na cavidade. A tensão pode variar um pouco do valor ideal, o que resulta em uma pequena variação na frequência (cerca de 1%), mas também na perda de potência de saída.

Aplicações

Figura 8: Repeller klystron K-806

Figura 8: Repeller klystron K-806

Os Klystrons têm uma ampla gama de aplicações na tecnologia de alta frequência, pois o desempenho alcançável com os Klystrons não pode ser alcançado com os componentes semicondutores. Portanto, a baixa confiabilidade dos tubos de vácuo é aceita.


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