Introduksjon til Klystronforsterkeren med to hulrom

Introduksjon til motiverende intervju (MI) for helsepersonell (Juni 2019).

$config[ads_text] not found
Anonim

Introduksjon til Klystronforsterkeren med to hulrom


Klystronforsterkere brukes i en rekke bransjer, blant annet satellittsystemer, tv-kringkasting, radar, partikkelakseleratorer og i det medisinske feltet. I denne artikkelen lærer vi om to-hulroms klystrons unike bygg og konseptet med elektronbunking.

Klystronen er en enhet for forsterkning av mikrobølgefrekvenssignaler som oppnår høye nivåer av effektforsterkning ved å bruke vakuumrørprinsipper og begrepet "elektronbunching". Klystrons brukes i satellittsystemer, tv-kringkastning og radar, samt partikkel akseleratorer og medisin.

Klystronen ble oppfunnet av brødrene Russell og Sigurd Varian ved Stanford University. Deres prototype ble fullført og demonstrert med hell 30. august 1937.

Klystrons kan brukes i UHF-regionen (300 MHz til 3 GHz) opp til 400 GHz. Det finnes flere smaker av klystronforsterkere. En stor type er refleks klystron, som primært brukes som oscillator.

For denne artikkelen vil vi imidlertid fokusere på en annen populær type: Klystron med to hulrom.

Prinsipper for to-hulrom Klystrons

Klystron geometri med to hulrom

Klystronet med to hulrom benytter en elektronkilde (varmeapparat), en anode og en katode som et vanlig vakuumrør. Det benytter også et kollektorelement på slutten av elektronstrømmen. Varmeapparatet koker av elektroner ved oppvarming og elektronene utkastes fra katoden og akselererer mot anoden på grunn av det høye potensialet mellom de to elementene. En fokusert stråle av elektroner blir således fremstilt.

Når det gjelder to-hulrom klystron, går elektronstrålen gjennom et sentralt hull i det første toroidformede hulrommet og gjennom et lignende andre hulrom, som avsluttes ved oppsamleren.

På hver side av hulrommet er et rutenett som elektronene passerer gjennom. Det er samspillet mellom hulrommene med strålen som gir de høye nivåene av forsterkning som enheten kan produsere.

Figur 2. Layout av klystronrør

hulrom

Kanskje vi kan avlede et øyeblikk for å diskutere hulrommet som brukes i buncher og catcher. Hulrommet i denne historien er et toroidformet objekt med følgende tverrsnitt:

Figur 3. 3a) Resonant hulrom; 3b) Ekvivalent i pseudo elektrisk form; 3c) ekvivalent krets; 3d) Frekvensrespons.

Dette kan også vises som en resonanttankkrets med parallellområdet kondensatoren og den sirkulære delen en enkelt sving induktor som vist på figur 2b og 2c.

Hulrommet kan gjøres til å resonere ved et smalt frekvensområde (Figur 2d), definert av geometrien, selvfølgelig. Den sentrale delen av strukturen virker som en kondensator med et hull i det som er hvor elektronstrålen kan passere gjennom. Denne kondensatoren og dermed ladningen påføres noe som passerer gjennom det sentrale hullet vil vende på ladning ved resonansfrekvensen.

Fra et elektrisk perspektiv definerer kapasitansen og induktansen den elektriske resonansfrekvensen av strukturen. Et spennende signal blir matet inn i resonatoren eksternt via en koaksial forbindelse vist øverst på figur 2a. Denne koaksjonen kobler opp hulrommet ved resonansfrekvensen.

Electron Bunching

Klystronen utnytter et fenomen som kalles elektronbunking som går som følger:

Elektroner i en stråle som forlater en kilde ved høy hastighet har alle en omtrentlig hastighet i kjøreretningen. Med ingen påvirket interaksjon langs banen vil elektronene i strålen fortsette denne måten til terminering ved oppsamleren. Hvis det imidlertid finnes en struktur langs veien som kan motvirke bevegelsen av elektronene, kan det føre til at noen av dem reduserer hastigheten. Dette skjer når venstre sidegitter er negativt.

Gitterets negative ladning skyver tilbake på elektronene når de passerer gjennom det negative venstre rutenettet, og bremser dem ned. Når de passerer gjennom mellomromet mellom gridene og forbi det høyeste positive gridet, blir elektronene ytterligere redusert av det positive gridet som det trekker på dem når de går ut av åpningen.

På motsatt elektrisk syklus av platene møtes elektronene i utgangspunktet et positivt rutenett, som trekker på dem og akselererer dem gjennom buncher-ristene. Det nå negative høyeste rutenettet skyver dem raskere da det avviser dem ved utgang.

Tenk deg at du er et elektron som går gjennom buncheren, og du blir bremset av buncheren. Du vil krysse sammen og forsiktig sakte ned slik at alle de andre elektronene rundt deg ville spre seg ut (i retning av reise). Livet er bra, masse rom foran. Men vent! En hel masse elektroner bak deg har akselerert til en høyere hastighet, og nå kommer de til deg når du senker deg i dem! Nå er vi i en stor gjeng som reiser ned i drivrommet.

Figur 3. Dette diagrammet viser elektronens bunteadferd som elektroner som går over drivrommet. A viser et øyeblikksbilde ved begynnelsen av transitten. Når vi beveger seg gjennom B til D, blir den langsommere elektrongruppen (blå) gradvis overhalet av den raskere elektrongruppen (rød), noe som resulterer i en periode med høy elektrondensitet ved ramme D.

Resultatet er en tetthetsmodulasjon eller en bunksjon som er proporsjonal med den påførte kraften på elektronene som overføres av buncher resonant hulrommet (begynner det å høres nyttig "Ok, så hva?" Du kanskje sier. Vel, hvis vi tar en lignende resonator og plasser den, si den nøyaktige avstanden for optimal bunking, og lag en koaksial forbindelse til resonatoren og trekk ut signalet som en utgang i stedet for en inngang, kan vi nå få et signal ut som er en kopi av inngangssignalet (den bunchings) og er sterkt forsterket!

Nå har vi en mikrobølgeeffektforsterker basert på at færre elektroner kom inn i enheten, og mange flere har blitt bunket proporsjonal med inngangssignalet og utgir via fangsthulen.