Ein klystron ist eine Spezialvakuumtube des geradlinigen Balkens (ausgeleerte Elektrontube). Klystrons werden als Verstärker an Mikrowellen- und Radiofrequenzen verwendet, um sowohl Bezugssignale der niedrigen Macht für superheterodyne Radarempfänger zu erzeugen als auch Hochleistungstransportunternehmen-Wellen für Kommunikationen und die treibende Kraft für moderne Partikel-Gaspedale zu erzeugen.

Verstärker von Klystron sind im Vorteil (gegenüber dem magnetron) davon, zusammenhängend ein Bezugssignal zu verstärken, so kann seine Produktion im Umfang, der Frequenz und der Phase genau kontrolliert werden. Viele klystrons haben einen Wellenleiter für die Kopplungsmikrowellenenergie in und aus dem Gerät, obwohl es auch für die niedrigere Macht und niedrigere Frequenz klystrons ziemlich üblich ist, koaxiale Kopplungen stattdessen zu verwenden. In einigen Fällen wird eine Kopplungsuntersuchung verwendet, um die Mikrowellenenergie von einem klystron in einen getrennten Außenwellenleiter zu verbinden.

Alle modernen klystrons sind Verstärker, seit dem Reflex klystrons, die als Oszillatoren in der Vergangenheit verwendet wurden, sind durch alternative Technologien übertroffen worden.

Der Name klystron kommt aus dem Stamm-Form-κλυσ-(klys) von einem griechischen Verb, das sich auf die Handlung von Wellen bezieht, die gegen eine Küste, und das Ende des Wortelektrons brechen.

Geschichte

Die Brüder Russell und Sigurd Varian von Universität von Stanford sind die Erfinder des klystron. Ihr Prototyp wurde im August 1937 vollendet. Laut der Veröffentlichung 1939 haben Nachrichten über den klystron sofort die Arbeit von Forschern der Vereinigten Staaten und Vereinigten Königreichs beeinflusst, die an der Radarausrüstung arbeiten. Der Varians hat zu gefundener Varian Associates fortgesetzt, die Technologie (zum Beispiel zu kommerzialisieren, um kleine geradlinige Gaspedale zu machen, um Fotonen für die Außenbalken-Strahlentherapie zu erzeugen). In ihrer 1939-Zeitung haben sie den Beitrag von A. Arsenjewa-Heil und Oskar Heil (Frau und Mann) für ihre Geschwindigkeitsmodulationstheorie 1935 anerkannt.

Die Arbeit des Physikers W.W. Hansen war in der Entwicklung des klystron instrumental und wurde von den Brüdern von Varian in ihrer 1939-Zeitung zitiert. Seine Resonator-Analyse, die sich mit dem Problem von beschleunigenden Elektronen zu einem Ziel befasst hat, konnte genauso gut verwendet werden, um Elektronen zu verlangsamen (d. h., ihre kinetische Energie der RF Energie in einem Resonator zu übertragen). Während des zweiten Weltkriegs hat Hansen an den MIT Strahlenlaboratorien zwei Tagen pro Woche Vorlesungen gehalten, nach Boston von der Gyroskop-Gesellschaft von Sperry auf der Langen Insel pendelnd. Sein Resonator wurde einen "rhumbatron" von den Brüdern von Varian genannt. Hansen ist an Beryllium-Krankheit 1949 infolge der Aussetzung von Beryllium-Oxyd (BeO) gestorben.

Während des Zweiten Weltkriegs haben sich die Achse-Mächte größtenteils auf (dann lange und Niedrigenergiewellenlänge) klystron Technologie für ihre Radarsystemmikrowellengeneration verlassen, während die Verbündeten die viel stärkere, aber frequenztreibende Technologie der Höhle magnetron für die viel kürzere Ein-Zentimeter-Mikrowellengeneration verwendet haben. Tube-Technologien von Klystron für sehr Hochleistungsanwendungen, wie Synchrotrons und Radarsysteme, sind seitdem entwickelt worden.

Direkt, nachdem der zweite Weltkrieg AT&T 4 Watt klystrons in seiner Marke neues Netz von Mikrowellenverbindungen verwendet hat, die den US-Kontinent bedeckt haben. Das Netz hat langen Entfernungstelefondienst zur Verfügung gestellt und hat auch Fernsehsignale für die Hauptfernsehnetze getragen.

Erklärung

Klystrons verstärken RF-Signale durch das Umwandeln der kinetischen Energie in einem Gleichstrom-Elektronbalken in die Radiofrequenzmacht. Ein Balken von Elektronen wird durch eine thermionische Kathode (ein erhitztes Kügelchen des niedrigen Arbeitsfunktionsmaterials) erzeugt, und durch Hochspannungselektroden (normalerweise in den Zehnen von Kilovolt) beschleunigt. Dieser Balken wird dann durch eine Eingangshöhle passiert. RF Energie wird in die Eingangshöhle an, oder nahe, seine natürliche Frequenz gefüttert, um eine Stromspannung zu erzeugen, die dem Elektronbalken folgt. Das elektrische Feld veranlasst die Elektronen sich zu bauschen: Elektronen, die während eines gegenüberliegenden elektrischen Feldes durchgehen, werden beschleunigt, und spätere Elektronen werden verlangsamt, den vorher dauernden Elektronbalken veranlassend, Bündel an der Eingangsfrequenz zu bilden. Um das Bauschen zu verstärken, kann ein klystron zusätzliche "buncher" Höhlen enthalten. Der RF durch den Balken getragene Strom wird ein RF magnetisches Feld erzeugen, und das wird der Reihe nach eine Stromspannung über die Lücke von nachfolgenden widerhallenden Höhlen erregen. In der Produktionshöhle wird die entwickelte RF Energie verbunden. Der verausgabte Elektronbalken, mit der reduzierten Energie, wird in einem Sammler gewonnen.

Klystron Zwei-Höhlen-Verstärker

Im Zweikammerklystron wird der Elektronbalken in eine widerhallende Höhle eingespritzt. Der Elektronbalken, der durch ein positives Potenzial beschleunigt ist, wird beschränkt, durch eine zylindrische Antrieb-Tube in einem geraden Pfad durch ein axiales magnetisches Feld zu reisen. Während er die erste Höhle durchführt, ist der Elektronbalken durch das schwache RF-Signal abgestimmte Geschwindigkeit. Im bewegenden Rahmen des Elektronbalkens ist die Geschwindigkeitsmodulation zu einer Plasmaschwingung gleichwertig. Plasmaschwingungen sind schnelle Schwingungen der Elektrondichte im Leiten von Medien wie plasmas oder Metalle. (Die Frequenz hängt nur schwach von der Wellenlänge ab). So in einem Viertel einer Periode der Plasmafrequenz wird die Geschwindigkeitsmodulation zur Dichte-Modulation, d. h. Bündeln von Elektronen umgewandelt. Da die gebündelten Elektronen in den zweiten Raum eingehen, veranlassen sie stehende Wellen an derselben Frequenz wie das Eingangssignal. Das im zweiten Raum veranlasste Signal ist viel stärker als das im ersten.

Wenn die Tube gekräftigt wird, strahlt die Kathode Elektronen aus, die in einen Balken durch eine niedrige positive Stromspannung auf dem Kontrollbratrost eingestellt werden. Der Balken wird dann durch ein sehr hohes positives dc Potenzial beschleunigt, das im gleichen Umfang sowohl auf den Gaspedal-Bratrost als auch auf den buncher Bratrost angewandt wird. Der buncher Bratrost wird mit einem Höhle-Resonator verbunden, der ein ac Potenzial der dc Stromspannung superauferlegt. Potenziale von Ac werden durch Schwingungen innerhalb der Höhle erzeugt, die spontan beginnen, wenn die Tube gekräftigt wird. Die anfänglichen Schwingungen werden durch zufällige Felder und Stromkreis-Unausgewogenheit verursacht, die da ist, wenn der Stromkreis gekräftigt wird. Die Schwingungen innerhalb der Höhle erzeugen ein schwingendes elektrostatisches Feld zwischen dem buncher Bratrost, das an derselben Frequenz wie die natürliche Frequenz der Höhle ist. Die Richtung des Feldes ändert sich mit der Frequenz der Höhle. Diese Änderungen beschleunigen abwechselnd und verlangsamen die Elektronen des Balkens, der den Bratrost durchführt. Das Gebiet außer dem buncher Bratrost wird den ANTRIEB-RAUM genannt. Die Elektronen bilden Bündel in diesem Gebiet, wenn die beschleunigten Elektronen die verlangsamten Elektronen einholen.

Die Funktion des FÄNGER-BRATROSTES ist, Energie vom Elektronbalken zu absorbieren. Der Fänger-Bratrost wird entlang dem Balken an einem Punkt gelegt, wo die Bündel völlig gebildet werden. Die Position wird durch die Transitzeit der Bündel an der natürlichen Resonanzfrequenz der Höhlen bestimmt (die Resonanzfrequenz der Fänger-Höhle ist dasselbe als die buncher Höhle). Die Position wird gewählt, weil die maximale Energieübertragung auf die Produktion (Fänger) Höhle kommt vor, wenn das elektrostatische Feld der richtigen Widersprüchlichkeit ist, um die Elektronbündel zu verlangsamen. Der Feed-Back-Pfad stellt Energie der richtigen Verzögerung und Phase-Beziehung zur Verfügung, um Schwingungen zu stützen. Ein am buncher Bratrost angewandtes Signal wird verstärkt, wenn der Feed-Back-Pfad entfernt wird.

Klystron Zwei-Höhlen-Oszillator

Der Zwei-Höhlen-Verstärker klystron wird in einen Oszillator klystron durch die Versorgung einer Feed-Back-Schleife zwischen dem Eingang und den Produktionshöhlen sogleich verwandelt. Zwei-Höhlen-Oszillator klystrons ist im Vorteil, unter den Niedrig-Geräuschmikrowellenquellen verfügbar zu sein, und ist häufig deshalb in den Illuminator-Systemen von Raketenzielen-Radaren verwendet worden. Der Zwei-Höhlen-Oszillator klystron erzeugt normalerweise mehr Macht als der Reflex klystron-normalerweise Watt der Produktion aber nicht milliwatts. Da es keinen Reflektor gibt, ist nur eine Hochspannungsversorgung notwendig, um die Tube zu veranlassen, zu schwingen, die Stromspannung muss einem besonderen Wert angepasst werden. Das ist, weil der Elektronbalken die gebündelten Elektronen in der zweiten Höhle erzeugen muss, um Produktionsmacht zu erzeugen. Stromspannung muss angepasst werden, um die Geschwindigkeit des Elektronbalkens (und so die Frequenz) zu einem passenden Niveau wegen der festen physischen Trennung zwischen den zwei Höhlen zu ändern. Häufig können mehrere "Weisen" der Schwingung in einem gegebenen klystron beobachtet werden.

Reflex klystron

Im Reflex klystron (auch bekannt als ein 'Sutton' klystron nach seinem Erfinder, Robert Sutton), führt der Elektronbalken eine einzelne widerhallende Höhle durch. Die Elektronen werden in ein Ende der Tube durch eine Elektronpistole angezündet. Nach dem Durchführen der widerhallenden Höhle werden sie durch eine negativ beladene Reflektor-Elektrode für einen anderen widerspiegelt führen die Höhle durch, wo sie dann gesammelt werden. Der Elektronbalken ist abgestimmte Geschwindigkeit, wenn es zuerst die Höhle durchführt. Die Bildung von Elektronbündeln findet im Antrieb-Raum zwischen dem Reflektor und der Höhle statt. Die Stromspannung auf dem Reflektor muss angepasst werden, so dass das Bauschen an einem Maximum ist, weil der Elektronbalken in die widerhallende Höhle wiedereingeht, so sicherstellend, dass ein Maximum der Energie vom Elektronbalken bis die RF Schwingungen in der Höhle übertragen wird. Die Stromspannung sollte immer vor der Versorgung des Eingangs zum Reflex klystron eingeschaltet werden, weil die ganze Funktion des Reflexes klystron zerstört würde, wenn die Versorgung nach dem Eingang zur Verfügung gestellt wird. Die Reflektor-Stromspannung kann ein bisschen vom optimalen Wert geändert werden, der auf einen Verlust der Produktionsmacht, sondern auch in einer Schwankung in der Frequenz hinausläuft. Diese Wirkung wird zum guten Vorteil für die automatische Frequenzkontrolle in Empfängern, und in der Frequenzmodulation für Sender verwendet. Das Niveau der Modulation hat sich um Übertragung beworben ist klein genug, dass die Macht-Produktion im Wesentlichen unveränderlich bleibt. An von der optimalen Stromspannung weiten Gebieten werden keine Schwingungen überhaupt erhalten. Diese Tube wird einen Reflex klystron genannt, weil sie die Eingangsversorgung zurücktreibt oder die entgegengesetzte Funktion eines klystron durchführt.

Es gibt häufig mehrere Gebiete der Reflektor-Stromspannung, wo der Reflex klystron schwingen wird; diese werden Weisen genannt. Der elektronische Abstimmbereich des Reflexes klystron wird gewöhnlich die Schwankung in der Frequenz zwischen der Hälfte von Steckdosen - die Punkte in der schwingenden Weise genannt, wo die Macht-Produktion Hälfte der maximalen Produktion in der Weise ist. Die Frequenz der Schwingung ist von der Reflektor-Stromspannung abhängig, und das ändernd, stellt eine grobe Methode der Frequenz zur Verfügung, die die Schwingungsfrequenz, obgleich mit der Begleitumfang-Modulation ebenso abstimmt.

Moderne Halbleiter-Technologie hat den Reflex klystron in den meisten Anwendungen effektiv ersetzt.

Mehrhöhle klystron

Im ganzen modernen klystrons geht die Zahl von Höhlen zwei zu weit. Eine größere Zahl von Höhlen kann verwendet werden, um den Gewinn des klystron zu vergrößern, oder die Bandbreite zu vergrößern.

Einstimmung eines klystron

Einige klystrons haben Höhlen, die stimmbar sind. Einstimmung eines klystron ist feine Arbeit, die, wenn nicht getan richtig, der Ausrüstung oder Verletzung dem Techniker Schaden verursachen kann. Indem er die Frequenz von individuellen Höhlen anpasst, kann der Techniker die Betriebsfrequenz, den Gewinn, die Produktionsmacht oder die Bandbreite des Verstärkers ändern. Der Techniker muss sich davor hüten, die Grenzen der Graduierungen zu überschreiten, oder der Schaden am klystron kann resultieren.

Hersteller senden allgemein eine Karte mit den einzigartigen Kalibrierungen für Leistungseigenschaften eines klystron, die die Graduierungen verzeichnet, die zu veranlassen sind, einige von einer Reihe von verzeichneten Frequenzen zu erreichen. Keine zwei klystrons sind (selbst wenn genau identisch, sich wie Zahl des Teils/Modells klystrons vergleichend), und so ist jede Karte zur individuellen Einheit spezifisch. Klystrons haben Seriennummern auf jedem von ihnen, um jede Einheit einzigartig zu identifizieren, und für den Hersteller (hoffentlich) die Leistungseigenschaften in einer Datenbank haben können. Wenn nicht, der Verlust der Kalibrierungskarte kann ein wirtschaftlich unlösliches Problem sein, das klystron unbrauchbare machend, oder geringfügig ungestimmt leisten.

Andere genommene Vorsichtsmaßnahmen, wenn sie einen klystron abstimmen, schließen verwendende nicht eisenhaltige Werkzeuge ein. Einige klystrons verwenden dauerhafte Magnete. Wenn ein Techniker Eisenwerkzeuge, verwendet (die eisenmagnetisch sind), und zu nahe zu den intensiven magnetischen Feldern kommt, die den Elektronbalken enthalten, kann solch ein Werkzeug in die Einheit durch die intensive magnetische Kraft gezogen werden, Finger zerschlagend, den Techniker verletzend, oder die Einheit beschädigend. Spezieller Leichtgewichtler nichtmagnetisch (auch bekannt als diamagnetic) aus der Beryllium-Legierung gemachte Werkzeuge ist verwendet worden, um amerikanische Luftwaffe klystrons abzustimmen.

Vorsichtsmaßnahmen werden alltäglich genommen, wenn man klystron Geräte im Flugzeug transportiert, weil das intensive magnetische Feld magnetische Navigationsausrüstung stören kann. Spezielle Übersätze werden entworfen, um zu helfen, dieses Feld "im Feld," zu beschränken und so solchen Geräten zu erlauben, sicher transportiert zu werden.

Optischer klystron

In einem optischen klystron werden die Höhlen durch undulators ersetzt.

Sehr Hochspannungen sind erforderlich. Die Elektronpistole, die Antrieb-Tube und der Sammler werden noch verwendet.

Das Schwimmen der Antrieb-Tube klystron

Die Schwimmantrieb-Tube klystron hat einen einzelnen zylindrischen Raum, der eine elektrisch isolierte Haupttube enthält. Elektrisch ist das dem zwei Höhle-Oszillator klystron mit viel Feed-Back zwischen den zwei Höhlen ähnlich. Elektronen, die über die Quellhöhle herrschen, sind durch das elektrische Feld abgestimmte Geschwindigkeit, als sie durch die Antrieb-Tube reisen und am Bestimmungsort-Raum in Bündeln erscheinen, Macht zur Schwingung in der Höhle liefernd. Dieser Typ des Oszillators klystron ist im Vorteil gegenüber dem Zwei-Höhlen-klystron, auf dem es basiert. Man braucht nur ein stimmendes Element, um Änderungen in der Frequenz zu bewirken. Die Antrieb-Tube wird von den Hohlmauern elektrisch isoliert, und Gleichstrom-Neigung wird getrennt angewandt. Die Gleichstrom-Neigung auf der Antrieb-Tube kann angepasst werden, um die Transitzeit dadurch zu verändern, so etwas elektronische Einstimmung der schwingenden Frequenz erlaubend. Der Betrag, diese Weise einzuschalten, ist nicht groß und wird normalerweise für die Frequenzmodulation verwendet, wenn er übersendet.

Sammler

Nachdem die RF Energie aus dem Elektronbalken herausgezogen worden ist, wird der Balken in einem Sammler zerstört. Einige klystrons schließen deprimierte Sammler ein, die Energie vom Balken vor dem Sammeln der Elektronen wieder erlangen, Leistungsfähigkeit vergrößernd. Deprimierte Mehrstufensammler erhöhen die Energiewiederherstellung, indem sie die Elektronen in Energiebehältern "sortieren".

Anwendungen

Klystrons kann viel höhere Mikrowellenmacht-Produktionen erzeugen als Mikrowellengeräte des festen Zustands wie Dioden von Gunn. In modernen Systemen werden sie von der UHF (Hunderte des MHZ) durch Hunderte des Gigahertz (als in der Verlängerten Wechselwirkung Klystrons im Satelliten von CloudSat) verwendet. Klystrons kann bei der Arbeit im Radar, Satelliten- und Breitbandhochleistungskommunikation (sehr üblich im Fernsehrundfunk und den EHF Satellitenterminals), Medizin (Radiation oncology), und energiereiche Physik (Partikel-Gaspedale und experimentelle Reaktoren) gefunden werden. An SLAC, zum Beispiel, werden klystrons alltäglich verwendet, die Produktionen im Rahmen 50 Megawatt (Puls) und 50 Kilowatt haben, die auf Frequenzen (zeitdurchschnittlich) sind, die sich 3 GHz nähern.

Populäre Wissenschaft "Am besten dessen, Was Neuer 2007 ist", hat eine Gesellschaft, Global Resource Corporation, zurzeit verstorben mit einem klystron beschrieben, um die Kohlenwasserstoffe in täglichen Materialien, Automobilverschwendung, Kohle, Ölschieferton und Ölsanden in Erdgas und Diesel umzuwandeln.

Siehe auch

• Verstärker des durchquerten Feldes
• Elektromagnetische Radiation
• Freier Elektronlaser
• Gyrotron
• Induktive Produktionstube
• Geradliniges Gaspedal
• Magnetron
• Rückwärts gerichteter Welle-Oszillator
• Partikel-Gaspedal
• Reisen-Welle-Tube
• Wellenleiter

Außenverbindungen

• Zeichentrickfilm dessen, wie Klystron arbeitet
• (Zwei Höhle klystron)
• (Mehrhöhle klystron)
• (Reflex klystron)
• (Hohe Macht für das geradlinige Gaspedal)
• Geschichte von Klystron von Varian

• Stanford geradliniges Gaspedal-Zentrum (249) Bilder der Galerie Klyston

• Sammlung von Klystron im Virtuellen Klappe-Museum
• Klystron Verstärker
• "Mikrowellenpistole" klystron hat sich am SLAC entwickelt