Klystron
Un klystron es un tubo de vacío de haz lineal especializado, inventado en 1937 por los ingenieros eléctricos estadounidenses Russell y Sigurd Varian, que se utiliza como amplificador de frecuencias de radio altas, desde UHF hasta microondas. rango. Los klystrons de baja potencia se utilizan como osciladores en enlaces de comunicaciones de retransmisión de microondas terrestres, mientras que los klystrons de alta potencia se utilizan como tubos de salida en transmisores de televisión UHF, comunicaciones por satélite, transmisores de radar y para generar la potencia de accionamiento de los aceleradores de partículas modernos.
En un klystron, un haz de electrones interactúa con ondas de radio cuando pasa a través de cavidades resonantes, cajas de metal a lo largo de un tubo. El haz de electrones pasa primero a través de una cavidad a la que se aplica la señal de entrada. La energía del haz de electrones amplifica la señal y la señal amplificada se toma de una cavidad en el otro extremo del tubo. La señal de salida se puede acoplar de nuevo a la cavidad de entrada para hacer un oscilador electrónico para generar ondas de radio. La ganancia de klystrons puede ser alta, 60 dB (un aumento en la potencia de la señal por un factor de un millón) o más, con una potencia de salida de hasta decenas de megavatios, pero el ancho de banda es estrecho, generalmente un pequeño porcentaje, aunque puede ser superior. al 10% en algunos dispositivos.
Un klystron reflejo es un tipo obsoleto en el que el haz de electrones se reflejaba a lo largo de su trayectoria mediante un electrodo de alto potencial, utilizado como oscilador.
El nombre klystron proviene del verbo griego κλύζω (klyzo) que hace referencia a la acción de las olas rompiendo contra la orilla, y el sufijo -τρον (" tron") que significa el lugar donde sucede la acción. El nombre "klystron" fue sugerido por Hermann Fränkel, profesor en el departamento de clásicos de la Universidad de Stanford cuando el klystron estaba en desarrollo.
Historia
El klystron fue la primera fuente significativamente poderosa de ondas de radio en el rango de microondas; antes de su invención, las únicas fuentes eran el tubo de Barkhausen-Kurz y el magnetrón de ánodo dividido, que estaban limitados a muy baja potencia. Fue inventado por los hermanos Russell y Sigurd Varian en la Universidad de Stanford. Su prototipo se completó y demostró con éxito el 30 de agosto de 1937. Tras su publicación en 1939, las noticias del klystron influyeron de inmediato en el trabajo de los investigadores de EE. UU. y el Reino Unido que trabajaban en equipos de radar. Los Varian fundaron Varian Associates para comercializar la tecnología (por ejemplo, para fabricar pequeños aceleradores lineales para generar fotones para radioterapia de haz externo). Su trabajo fue precedido por la descripción de la modulación de la velocidad por parte de A. Arsenjewa-Heil y Oskar Heil (esposa y esposo) en 1935, aunque los Varian probablemente desconocían la Heils' trabajar.
El trabajo del físico W. W. Hansen fue fundamental en el desarrollo del klystron y fue citado por los hermanos Varian en su artículo de 1939. Su análisis del resonador, que se ocupó del problema de acelerar los electrones hacia un objetivo, también podría usarse para desacelerar electrones (es decir, transferir su energía cinética a energía de RF en un resonador). Durante la Segunda Guerra Mundial, Hansen dio conferencias en los laboratorios de radiación del MIT dos días a la semana, viajando a Boston desde Sperry Gyroscope Company en Long Island. Su resonador se llamaba "rhumbatron" por los hermanos Varian. Hansen murió de la enfermedad del berilio en 1949 como resultado de la exposición al óxido de berilio (BeO).
Durante la Segunda Guerra Mundial, las potencias del Eje se basaron principalmente en la tecnología klystron (entonces de baja potencia y longitud de onda larga) para la generación de microondas de su sistema de radar, mientras que los aliados utilizaron la tecnología mucho más poderosa pero de desviación de frecuencia del magnetrón de cavidad. para la generación de microondas centimétricas de longitud de onda mucho más corta. Desde entonces, se han desarrollado tecnologías de tubos Klystron para aplicaciones de muy alta potencia, como sincrotrones y sistemas de radar.
Inmediatamente después de la guerra, AT&T usó klystrons de 4 vatios en su nueva red de enlaces de retransmisión de microondas que cubría el continente estadounidense. La red brindaba servicio telefónico de larga distancia y también transmitía señales de televisión para las principales cadenas de televisión. Western Union Telegraph Company también construyó enlaces de comunicación de microondas punto a punto utilizando estaciones repetidoras intermedias en intervalos de aproximadamente 40 millas en ese momento, utilizando klistrones reflejos 2K25 tanto en los transmisores como en los receptores.
Operación
Los klistrones amplifican las señales de RF convirtiendo la energía cinética de un haz de electrones de CC en potencia de radiofrecuencia. En el vacío, un cañón de electrones o un cátodo termoiónico emite un haz de electrones y se acelera con electrodos de alto voltaje (típicamente en decenas de kilovoltios).
Este haz pasa a través de un resonador de cavidad de entrada. La energía de RF ha sido alimentada a la cavidad de entrada en su frecuencia resonante o cerca de ella, creando ondas estacionarias que producen un voltaje oscilante que actúa sobre el haz de electrones. El campo eléctrico hace que los electrones se "amontonen": los electrones que pasan cuando el campo eléctrico se opone a su movimiento se ralentizan, mientras que los electrones que pasan cuando el campo eléctrico está en la misma dirección se aceleran, provocando el efecto anterior. haz de electrones continuo para formar racimos a la frecuencia de entrada.
Para reforzar el agrupamiento, un klystron puede contener "agrupadores" cavidades
Luego, el rayo pasa a través de una "deriva" tubo, en el que los electrones más rápidos alcanzan a los más lentos, creando los "racimos", luego a través de un "receptor" cavidad.
En la salida "catcher" cavidad, cada grupo entra en la cavidad en el momento del ciclo cuando el campo eléctrico se opone a los electrones' movimiento, decelerándolos. Así, la energía cinética de los electrones se convierte en energía potencial del campo, aumentando la amplitud de las oscilaciones. Las oscilaciones excitadas en la cavidad del receptor se acoplan a través de un cable coaxial o guía de ondas.
El haz de electrones gastado, con energía reducida, es capturado por un electrodo colector.
Para hacer un oscilador, la cavidad de salida se puede acoplar a la(s) cavidad(es) de entrada con un cable coaxial o una guía de ondas. La retroalimentación positiva excita oscilaciones espontáneas a la frecuencia de resonancia de las cavidades.
Klystron de dos cavidades
El tubo klystron más simple es el klystron de dos cavidades. En este tubo hay dos resonadores de cavidad de microondas, el "catcher" y el "apilador". Cuando se usa como amplificador, la señal de microondas débil que se amplifica se aplica a la cavidad del agrupador a través de un cable coaxial o una guía de ondas, y la señal amplificada se extrae de la cavidad del receptor.
En un extremo del tubo se encuentra el cátodo caliente que produce electrones cuando se calienta con un filamento. Los electrones son atraídos y pasan a través de un cilindro de ánodo con un alto potencial positivo; el cátodo y el ánodo actúan como un cañón de electrones para producir una corriente de electrones de alta velocidad. Un devanado de electroimán externo crea un campo magnético longitudinal a lo largo del eje del haz que evita que el haz se propague.
El rayo pasa primero a través del "apilador" resonador de cavidad, a través de rejillas unidas a cada lado. Las rejillas del agrupador tienen un potencial de CA oscilante a través de ellas, producido por oscilaciones de ondas estacionarias dentro de la cavidad, excitadas por la señal de entrada a la frecuencia resonante de la cavidad aplicada por un cable coaxial o una guía de ondas. La dirección del campo entre las rejillas cambia dos veces por ciclo de la señal de entrada. Los electrones que entran cuando la rejilla de entrada es negativa y la rejilla de salida es positiva encuentran un campo eléctrico en la misma dirección que su movimiento y son acelerados por el campo. Los electrones que entran medio ciclo después, cuando la polaridad es opuesta, encuentran un campo eléctrico que se opone a su movimiento y se desaceleran.
Más allá de las rejillas del agrupador hay un espacio llamado espacio de deriva. Este espacio es lo suficientemente largo para que los electrones acelerados alcancen a los electrones que fueron desacelerados en un momento anterior, formando "racimos" longitudinalmente a lo largo del eje de la viga. Su longitud se elige para permitir el máximo agrupamiento en la frecuencia resonante y puede tener varios pies de largo.
Luego, los electrones pasan a través de una segunda cavidad, llamada "receptor", a través de un par de rejillas similares a cada lado de la cavidad. La función de las rejillas receptoras es absorber energía del haz de electrones. Los grupos de electrones que pasan excitan ondas estacionarias en la cavidad, que tiene la misma frecuencia de resonancia que la cavidad del grupo. Cada grupo de electrones pasa entre las rejillas en un punto del ciclo cuando la rejilla de salida es negativa con respecto a la rejilla de entrada, por lo que el campo eléctrico en la cavidad entre las rejillas se opone al movimiento de los electrones. Así, los electrones realizan trabajo sobre el campo eléctrico y son desacelerados, su energía cinética se convierte en energía potencial eléctrica, aumentando la amplitud del campo eléctrico oscilante en la cavidad. Así, el campo oscilante en la cavidad del receptor es una copia amplificada de la señal aplicada a la cavidad del agrupador. La señal amplificada se extrae de la cavidad del receptor a través de un cable coaxial o guía de ondas.
Después de pasar por el receptor y ceder su energía, el haz de electrones de menor energía es absorbido por un "colector" electrodo, un segundo ánodo que se mantiene a un pequeño voltaje positivo.
Oscilador Klystron
Se puede fabricar un oscilador electrónico a partir de un tubo klystron proporcionando una ruta de retroalimentación desde la salida hasta la entrada conectando el "catcher" y "apilador" cavidades con un cable coaxial o guía de ondas. Cuando se enciende el dispositivo, el ruido electrónico en la cavidad es amplificado por el tubo y retroalimentado desde el receptor de salida a la cavidad del agrupador para ser amplificado nuevamente. Debido a la alta Q de las cavidades, la señal se convierte rápidamente en una onda sinusoidal a la frecuencia resonante de las cavidades.
Klystron multicavidad
En todos los klistrones modernos, el número de cavidades supera las dos. "agrupador" adicional cavidades añadidas entre el primer "buncher" y el "receptor" puede usarse para aumentar la ganancia del klystron o para aumentar el ancho de banda.
La energía cinética residual en el haz de electrones cuando golpea el electrodo colector representa energía desperdiciada, que se disipa en forma de calor, que debe eliminarse mediante un sistema de enfriamiento. Algunos klystrons modernos incluyen colectores deprimidos, que recuperan energía del haz antes de recolectar los electrones, lo que aumenta la eficiencia. Los colectores deprimidos multietapa mejoran la recuperación de energía al "clasificar" los electrones en contenedores de energía.
Klistrón reflejo
El klystron reflejo (también conocido como tubo de Sutton por uno de sus inventores, Robert Sutton) era un tubo klystron de baja potencia con una sola cavidad, que funcionaba como un oscilador. Se utilizó como oscilador local en algunos receptores de radar y como modulador en transmisores de microondas en las décadas de 1950 y 1960, pero ahora está obsoleto, reemplazado por dispositivos semiconductores de microondas.
En el klystron reflejo, el haz de electrones pasa a través de una única cavidad resonante. Los electrones son disparados en un extremo del tubo por un cañón de electrones. Después de pasar por la cavidad resonante, son reflejados por un electrodo reflector cargado negativamente para otro paso por la cavidad, donde luego son recolectados. La velocidad del haz de electrones se modula cuando pasa por primera vez a través de la cavidad. La formación de racimos de electrones tiene lugar en el espacio de deriva entre el reflector y la cavidad. El voltaje en el reflector debe ajustarse para que el agrupamiento sea máximo a medida que el haz de electrones vuelve a entrar en la cavidad resonante, asegurando así que se transfiera un máximo de energía desde el haz de electrones a las oscilaciones de RF en la cavidad. El voltaje del reflector puede variar ligeramente del valor óptimo, lo que resulta en alguna pérdida de potencia de salida, pero también en una variación en la frecuencia. Este efecto se utiliza con gran ventaja para el control automático de frecuencia en los receptores y en la modulación de frecuencia para los transmisores. El nivel de modulación aplicado para la transmisión es lo suficientemente pequeño como para que la potencia de salida permanezca esencialmente constante. En regiones alejadas del voltaje óptimo, no se obtienen oscilaciones en absoluto. A menudo hay varias regiones de voltaje del reflector donde oscilará el klystron reflejo; estos se conocen como modos. El rango de sintonización electrónica del klystron reflejo generalmente se conoce como la variación de frecuencia entre los puntos de potencia media, los puntos en el modo oscilante donde la salida de potencia es la mitad de la salida máxima en el modo.
La tecnología de semiconductores moderna ha reemplazado efectivamente al klystron reflejo en la mayoría de las aplicaciones.
Gyroklistrón
El gyroklystron es un amplificador de microondas cuyo funcionamiento depende de la condición de resonancia del ciclotrón. De manera similar al klystron, su funcionamiento depende de la modulación del haz de electrones, pero en lugar de agruparse axialmente, las fuerzas de modulación alteran la frecuencia del ciclotrón y, por lo tanto, el componente azimutal del movimiento, lo que da como resultado agrupamientos de fase. En la cavidad de salida, los electrones que llegan a la fase de desaceleración correcta transfieren su energía al campo de la cavidad y la señal amplificada puede acoplarse. El gyroklystron tiene cavidades cilíndricas o coaxiales y opera con modos de campo eléctrico transversal. Dado que la interacción depende de la condición de resonancia, se pueden usar dimensiones de cavidad más grandes que un klystron convencional. Esto permite que el gyroklystron entregue alta potencia a frecuencias muy altas, lo que es un desafío para los klystrons convencionales.
Afinación
Algunos klistrones tienen cavidades que se pueden sintonizar. Al ajustar la frecuencia de las cavidades individuales, el técnico puede cambiar la frecuencia operativa, la ganancia, la potencia de salida o el ancho de banda del amplificador. No hay dos klystrons exactamente idénticos (incluso cuando se comparan klystrons de número de pieza/modelo similares). Cada unidad tiene valores de calibración proporcionados por el fabricante para sus características de rendimiento específicas. Sin esta información, el klystron no sería sintonizable correctamente y, por lo tanto, no funcionaría bien, si es que lo hiciera.
La puesta a punto de un klystron es un trabajo delicado que, si no se hace correctamente, puede provocar daños en el equipo o lesiones al técnico debido a los altísimos voltajes que se pueden producir. El técnico debe tener cuidado de no exceder los límites de las graduaciones, o se puede dañar el klystron. Otras precauciones que se toman al ajustar un klystron incluyen el uso de herramientas no ferrosas. Algunos klistrones emplean imanes permanentes. Si un técnico utiliza herramientas ferrosas (que son ferromagnéticas) y se acerca demasiado a los intensos campos magnéticos que contienen el haz de electrones, dicha herramienta puede ser arrastrada hacia la unidad por la intensa fuerza magnética, aplastando los dedos, lesionando al técnico o dañando la unidad. Se han utilizado herramientas especiales livianas no magnéticas (o más bien muy débilmente diamagnéticas) hechas de aleación de berilio para ajustar los klystrons de la Fuerza Aérea de EE. UU.
Se toman precauciones de forma rutinaria cuando se transportan dispositivos klystron en aviones, ya que el intenso campo magnético puede interferir con los equipos de navegación magnética. Los sobreembalajes especiales están diseñados para ayudar a limitar este campo "en el campo," y así permitir que tales dispositivos sean transportados con seguridad.
Klistrón óptico
La técnica de amplificación utilizada en el klystron también se está aplicando de forma experimental a frecuencias ópticas en un tipo de láser denominado láser de electrones libres (FEL); estos dispositivos se denominan klistrones ópticos. En lugar de cavidades de microondas, estos usan dispositivos llamados onduladores. El haz de electrones pasa a través de un ondulador, en el que un haz de luz láser provoca la acumulación de electrones. Luego, el haz pasa a través de un segundo ondulador, en el que los racimos de electrones provocan una oscilación para crear un segundo haz de luz más potente.
Tubo de deriva flotante klystron
El tubo de deriva flotante klystron tiene una única cámara cilíndrica que contiene un tubo central eléctricamente aislado. Eléctricamente, esto es similar al oscilador de dos cavidades klystron con una retroalimentación considerable entre las dos cavidades. Los electrones que salen de la cavidad de la fuente son modulados en velocidad por el campo eléctrico a medida que viajan a través del tubo de deriva y emergen en la cámara de destino en grupos, entregando energía a la oscilación en la cavidad. Este tipo de klystron oscilador tiene una ventaja sobre el klystron de dos cavidades en el que se basa, ya que solo necesita un elemento de sintonización para efectuar cambios en la frecuencia. El tubo de deriva está aislado eléctricamente de las paredes de la cavidad y la polarización de CC se aplica por separado. La polarización de CC en el tubo de deriva puede ajustarse para alterar el tiempo de tránsito a través de él, lo que permite cierto ajuste electrónico de la frecuencia de oscilación. La cantidad de sintonía de esta manera no es grande y normalmente se usa para la modulación de frecuencia cuando se transmite.
Aplicaciones
Los Klystrons pueden producir salidas de potencia de microondas mucho más altas que los dispositivos de microondas de estado sólido como los diodos Gunn. En los sistemas modernos, se utilizan desde UHF (cientos de megahercios) hasta cientos de gigahercios (como en los Extended Interaction Klystrons del satélite CloudSat). Los klystrons se pueden encontrar trabajando en radares, satélites y comunicaciones de alta potencia de banda ancha (muy comunes en transmisiones de televisión y terminales satelitales EHF), medicina (oncología radioterápica) y física de alta energía (aceleradores de partículas y reactores experimentales). En SLAC, por ejemplo, se emplean habitualmente klystrons que tienen salidas en el rango de 50 MW (pulso) y 50 kW (promedio de tiempo) a 2856 MHz. El Radar Planetario de Arecibo usó dos klystrons que proporcionaron una potencia de salida total de 1 MW (continuo) a 2380 MHz.
Ciencia popular's "Best of What' s Nuevo 2007" describió una empresa, Global Resource Corporation, actualmente desaparecida, que usa un klystron para convertir los hidrocarburos en materiales cotidianos, desechos automotrices, carbón, esquisto bituminoso y arenas bituminosas en gas natural y combustible diesel.