KLYSTRON

El Klystron
Fundamentos de electricidad y magnetismo.
EL KLYSTRON
Karen Lizzette Velásquez Méndez. Cód. 174640. [email protected] (G4N34Karen)
Fundamentos de electricidad y magnetismo, Departamento de Física, Facultad de Ciencias, Universidad
Nacional de Colombia.
KLYSTRON
El Klistrón es un tubo o válvula al vacío, utilizado
en la generación y amplificación de señales de
muy altas frecuencias, inventado en 1937 por los
hermanos Russell y Sigurd Varian quienes
estudiaban y trabajaban en la universidad
estadounidense de Stanford. Se utiliza como
amplificador en la banda de microondas o como
oscilador.1
FUNCIONAMIENTO
El funcionamiento del klystron, tanto como
oscilador o como amplificador se basa en la
modulación de la velocidad de los electrones de
un haz, sometidos a aceleraciones y frenados
como consecuencia de la aplicación de una señal
variable en el tiempo. En la aplicación como
amplificador, la versión más simple de klystron es
la de un tubo electrónico con varias cavidades
como se muestra en la figura No. 2. Y en el que se
definen tres regiones: cátodo, ánodo y regiones o
tubos de arrastre, deriva o interacción de RF, a las
porciones intermedias entre las cavidades.2
La porción principal del tubo la constituye un
cierto número de cavidades resonantes (en la
figura 2, hay tres), de las que una es la cavidad de
entrada a la que se aplica la señal de RF y otra, la
de salida, de la que se extrae la señal amplificada.
Entre éstas pueden localizarse una o más
cavidades
intermedias,
todas
ellas
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El Klystron
interconectadas por secciones de tubo metálico
designadas como tubos de arrastre.
Las cavidades resonantes se diseñan de forma
que no propaguen energía electromagnética a la
frecuencia de funcionamiento del tubo, con lo que
se consigue un gran aislamiento entre las
cavidades de entrada y salida sin recurrir al
empleo de atenuadores en el interior del klystron,
característica muy importante y deseable en los
amplificadores de lata potencia.
En el cañón electrónico se origina un haz de
electrones, que es acelerado a través de un alto
voltaje aplicado al ánodo y que luego pasa a través
de los tubos de arrastre, frente a las cavidades,
hasta impactar en el colector. El cuerpo principal
del tubo, incluyendo el colector, se mantienen
generalmente a potencia de tierra, en tanto que al
cátodo y electrodos de enfoque del haz que
constituyen el cañón electrónico, se les aplica un
potencial negativo elevado, del orden de -20 a -30
KV.
En la cercanía del cátodo, un sistema de enfoque
electrostático confina el haz y lo dirige hacia el
interior del primer tubo de arrastre. Para
mantener el confinamiento del haz en el interior
del tubo de arrastre y evitar que se disperse hacia
las paredes, se aplica un campo magnético axial.
En un procedimiento de colimación, designado
como “enfoque de Brillouin”, el confinamiento del
haz se consigue haciéndolo pasar a través de una
placa magnética, que actúa como pantalla de
blindaje contra el campo magnético externo y
evita sus efectos en la región del cañón
electrónico. La componente del campo magnético
transversal en la abertura de la placa de Brillouin
proporciona al haz electrónico un movimiento de
rotación sobre su eje que al interactuar con el
campo magnético longitudinal ( axial) a lo largo
del tubo de arrastre, produce una fuerza
centrípeta sobre los electrones del haz en
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dirección al eje del tubo que, mediante el ajuste
adecuado de la intensidad del campo magnético
axial, actúa anulando a la fuerza centrifuga debida
a la repulsión producida por la carga de espacio en
el haz electrónico. Con este método, empleado
también en aceleradores de partículas, es posible
confinar el haz electrónico a lo largo de los
trayectos grandes con mínima intercepción de los
electrones del haz por las paredes del tubo. En los
klystrons prácticos esta intercepción representa
menos del 1% del haz electrónico. El ánodo
colector tiene, por lo general, forma escalonada o
dentada, para aumentar el área de disipación
térmica y reducir, además, la posibilidad de que
los electrones secundarios producidos por el
impacto del haz electrónico sobre el ánodo,
regresen al interior del tubo de arrastre. La
alimentación y extracción de las señales en las
cavidades puede hacerse mediante líneas
coaxiales terminadas en lazos acoplados o bien
con guías de onda.1
Se distinguen dos tipos de klystrons:
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

Klistrón de dos cavidades: en una cavidad
se modula el haz de electrones por la
señal de entrada, y en la segunda cavidad
se extrae la señal amplificada.
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EL
MAGNETRÓN
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

Klistrón réflex: sólo contiene una cavidad.
El haz de electrones la atraviesa dos
veces: en la primera se modula con la
señal; se refleja en un electrodo negativo,
llamado reflector, y regresa a la cavidad,
donde se extrae la señal. Fue de amplio
uso como oscilador de microondas en
radares y equipos de laboratorio.


Es un tubo de campo cruzado
Convierten energía de cc en energía de
RF por un proceso de conversión
electrónica de energía.
Son conversores de energía potencial.
Dispositivo de vacio para amplificación
a frecuencias de microondas en el cual
es posible reducir el tiempo de transito
y los efectos de los elementos
parásitos.
Utiliza el campo eléctrico producido
por la fuente de alimentación y el
campo magnético requerido para
enfocar el haz electrónico en la región
de interacción.
Su funcionamiento se basa en la
propagación de ondas en un campo
magnético.3
EL KLYSTRON

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
Fig. 4. Klistrón réflex de cavidad externa. Modelo RK5836.
Fig. 5. Klistrón utilizado en un centro de investigación
de comunicaciones espaciales en Camberra Australia.
TUBOS DE
ONDA
PROGRESIVA
(TWT)
Dispositivo de haz lineal
Conversor de energía cinética
Dispositivo de vacio para amplificación
a frecuencias de microondas en el cual
es posible reducir el tiempo de transito
y los efectos de los elementos
parásitos.
Se basa en la interacción de un haz
electrónico con campos eléctricos.
Se utiliza ampliamente a frecuencias
superiores a 500 MHz como
amplificadores de potencia en
transmisores
de
televisión,
transmisores de microondas, radares y
aceleradores de partículas.
 Dispositivo electrónico usado para
amplificar señales de radio frecuencia
(RF) mediante un montaje electrónico
llamado amplificador de tubo de onda
progresiva (TWTA).
 El rango de frecuencias se encuentra
comprendido entre los 300 MHz hasta
los 50 GHz
 Dispositivo de vacio para amplificación a
frecuencias de microondas en el cual es
posible reducir el tiempo de transito y
los efectos de los elementos parásitos.
 La invención del tubo de onda
progresiva es ampliamente atribuida a
Rudolf
Kompfner,
aunque
Nils
Lindenblad, trabajando en la Radio
Corporation of America (RCA) patentó
un dispositivo en mayo de 1940,
bastante similar al desarrollado por
Kompfner.
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BIBLIOGRAFÍA
1. http://200.69.103.48/comunidad/profesores/jruiz/jairocd
/texto/usm/cd/documento3.pdf
consultado
el
31/10/2012.
2. http://www.slac.stanford.edu/cgi-wrap/getdoc/slac-pub7731.pdf consultado el 31/10/2012.
3. http://www.gallawa.com/microtech/Magnetronbasico.html consultado el 31/10/2012.
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