Un klistrón es un tubo de vacío de haz lineal especializado , inventado en 1937 por los ingenieros eléctricos estadounidenses Russell y Sigurd Varian , [1] que se utiliza como amplificador para altas frecuencias de radio , desde UHF hasta el rango de microondas . Los klistrones de baja potencia se utilizan como osciladores en enlaces de comunicaciones terrestres de retransmisión de microondas , mientras que los klistrones 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 impulsora de los modernos aceleradores de partículas .
En un klistrón, un haz de electrones interactúa con ondas de radio a medida que pasa a través de cavidades resonantes , cajas de metal a lo largo de un tubo. [2] 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 nuevamente a la cavidad de entrada para crear un oscilador electrónico que genere ondas de radio. La ganancia de los klistrones puede ser alta, 60 dB (un aumento en la amplitud de la señal en 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 hasta al 10% en algunos dispositivos. [2]
Un klistrón 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 se refiere a la acción de las olas rompiendo contra una orilla, y el sufijo -τρον ("tron") que significa el lugar donde ocurre la acción. [3] El nombre "klistrón" fue sugerido por Hermann Fränkel , profesor del departamento de clásicos de la Universidad de Stanford cuando el klistrón estaba en desarrollo. [4]
El klistrón fue la primera fuente significativamente poderosa de ondas de radio en el rango de las microondas ; antes de su invención, las únicas fuentes eran el tubo de Barkhausen-Kurz y el magnetrón de ánodo dividido , que estaban limitados a una potencia muy baja. 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. [5] Tras su publicación en 1939, [3] las noticias sobre el klistrón influyeron inmediatamente en el trabajo de los investigadores estadounidenses y británicos 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 A. Arsenjewa-Heil y Oskar Heil (esposa y marido) en 1935, aunque los Varian probablemente desconocían el trabajo de los Heil. [6]
El trabajo del físico WW Hansen fue decisivo en el desarrollo del klistrón y fue citado por los hermanos Varian en su artículo de 1939. Su análisis del resonador, que abordaba el problema de acelerar electrones hacia un objetivo, podría usarse igualmente 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. Los hermanos Varian llamaron a su resonador "rhumbatron". [1] Hansen murió de enfermedad de 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 del klistrón (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 del magnetrón de cavidad, mucho más poderosa pero con deriva de frecuencia, durante períodos mucho más cortos. -Generación de microondas de longitud de onda centimétrica. 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 utilizó klistrones de 4 vatios en su nueva red de enlaces de retransmisión de microondas que cubría el continente estadounidense. [7] La red proporcionó servicio telefónico de larga distancia y también transmitió señales de televisión para las principales cadenas de televisión. Western Union Telegraph Company también construyó enlaces de comunicación por microondas punto a punto utilizando estaciones repetidoras intermedias a intervalos de aproximadamente 40 millas en ese momento, utilizando klistrones reflejos 2K25 tanto en los transmisores como en los receptores. En algunas aplicaciones, los klistrones han sido reemplazados por transistores de estado sólido. [8] Se han desarrollado Klystrons de alta eficiencia que tienen un 10% más de eficiencia que los Klystrons convencionales. [9]
Los klistrones amplifican las señales de RF al convertir 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 lo aceleran electrodos de alto voltaje (normalmente de decenas de kilovoltios).
Este haz pasa a través de un resonador de cavidad de entrada . La energía de RF se ha introducido en la cavidad de entrada en su frecuencia de resonancia 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 "agrupen": 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 que se forme el haz de electrones que antes era continuo. racimos en la frecuencia de entrada.
Para reforzar el agrupamiento, un klistrón puede contener cavidades "agrupadoras" adicionales.
Luego, el haz pasa a través de un tubo de "deriva", en el que los electrones más rápidos alcanzan a los más lentos, creando los "racimos", y luego a través de una cavidad "receptora".
En la cavidad del "receptor" de salida, cada grupo ingresa a la cavidad en el momento del ciclo en el que el campo eléctrico se opone al movimiento de los electrones, desacelerándolos. 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 provoca oscilaciones espontáneas en la frecuencia de resonancia de las cavidades.
El tubo de klistrón más simple es el de dos cavidades. En este tubo hay dos resonadores de cavidad de microondas, el "receptor" y el "acumulador". Cuando se utiliza como amplificador, la débil señal de microondas que se va a amplificar se aplica a la cavidad del receptor a través de un cable coaxial o guía de ondas, y la señal amplificada se extrae de la cavidad del receptor.
En un extremo del tubo está el cátodo caliente que produce electrones cuando un filamento lo calienta. Los electrones son atraídos y pasan a través de un cilindro anódico con un alto potencial positivo; El cátodo y el ánodo actúan como un cañón de electrones para producir una corriente de electrones a 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 haz pasa primero a través de la cavidad del resonador "buncher", 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 onda estacionaria dentro de la cavidad, excitadas por la señal de entrada a la frecuencia resonante de la cavidad aplicada por un cable coaxial o 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 son desacelerados.
Más allá de las rejillas del apilador hay un espacio llamado espacio de deriva . Este espacio es lo suficientemente largo como para que los electrones acelerados alcancen a los electrones que fueron desacelerados en un momento anterior, formando "racimos" longitudinalmente a lo largo del eje del haz. Su longitud se elige para permitir la máxima agrupación a la frecuencia de resonancia y puede tener varios pies de largo.
Luego, los electrones pasan a través de una segunda cavidad, llamada "receptor", a través de un par similar de rejillas a cada lado de la cavidad. La función de las rejillas receptoras es absorber energía del haz de electrones. Los haces de electrones que pasan excitan ondas estacionarias en la cavidad, que tiene la misma frecuencia de resonancia que la cavidad del agrupador. Cada grupo de electrones pasa entre las rejillas en un punto del ciclo en el que 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. Los electrones así trabajan 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. Por tanto, el campo oscilante en la cavidad del receptor es una copia amplificada de la señal aplicada a la cavidad del apilador. La señal amplificada se extrae de la cavidad del receptor a través de un cable coaxial o guía de ondas.
Después de pasar a través del receptor y ceder su energía, el haz de electrones de menor energía es absorbido por un electrodo "colector", un segundo ánodo que se mantiene a un pequeño voltaje positivo.
Se puede fabricar un oscilador electrónico a partir de un tubo de klystron, proporcionando una ruta de retroalimentación desde la salida a la entrada conectando las cavidades "captador" y "agrupador" 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 devuelto desde el receptor de salida a la cavidad del apilador para ser amplificado nuevamente. Debido al alto Q de las cavidades, la señal se convierte rápidamente en una onda sinusoidal a la frecuencia de resonancia de las cavidades.
En todos los klistrones modernos, el número de cavidades supera las dos. Se pueden usar cavidades de "acumulador" adicionales agregadas entre el primer "acumulador" y el "receptor" para aumentar la ganancia del klistrón o aumentar el ancho de banda. [10]
La energía cinética residual en el haz de electrones cuando incide en el electrodo colector representa energía desperdiciada, que se disipa en forma de calor y debe eliminarse mediante un sistema de refrigeración. Algunos klistrones modernos incluyen colectores deprimidos, que recuperan energía del haz antes de recolectar los electrones, lo que aumenta la eficiencia. Los colectores deprimidos de varias etapas mejoran la recuperación de energía al "clasificar" los electrones en contenedores de energía.
El klistrón reflejo (también conocido como tubo de Sutton en honor a uno de sus inventores, Robert Sutton) era un tubo de klistrón de baja potencia con una sola cavidad, que funcionaba como oscilador . Se utilizó como oscilador local en algunos receptores de radar y modulador en transmisores de microondas en las décadas de 1950 y 1960, pero ahora está obsoleto y ha sido reemplazado por dispositivos semiconductores de microondas.
En el klistrón reflejo, el haz de electrones pasa a través de una única cavidad resonante. Los electrones son disparados hacia un extremo del tubo mediante un cañón de electrones . Después de pasar a través de la cavidad resonante, son reflejados por un electrodo reflector cargado negativamente para pasar nuevamente a través de la cavidad, donde luego se recogen. La velocidad del haz de electrones se modula cuando pasa por primera vez a través de la cavidad. La formación de haces de electrones tiene lugar en el espacio de deriva entre el reflector y la cavidad. El voltaje en el reflector debe ajustarse para que la agrupación sea máxima cuando el haz de electrones vuelva 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 cierta pérdida de potencia de salida, pero también en una variación de frecuencia. Este efecto se utiliza con gran ventaja para el control automático de frecuencia en receptores y en la modulación de frecuencia para 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. [12] A menudo hay varias regiones de voltaje del reflector donde el klistrón reflejo oscilará; estos se conocen como modos. El rango de sintonización electrónica del klistrón réflex generalmente se conoce como la variación de frecuencia entre los puntos de media potencia, los puntos en el modo oscilante donde la salida de potencia es la mitad de la salida máxima en el modo.
La tecnología moderna de semiconductores ha reemplazado efectivamente al klistrón reflejo en la mayoría de las aplicaciones.
El giroclistrón es un amplificador de microondas cuyo funcionamiento depende de las condiciones de resonancia del ciclotrón . De manera similar al klistrón, su funcionamiento depende de la modulación del haz de electrones, pero en lugar de agrupaciones axiales, las fuerzas de modulación alteran la frecuencia del ciclotrón y, por tanto, el componente azimutal del movimiento, lo que da como resultado agrupaciones de fases. En la cavidad de salida, los electrones que llegan a la fase de desaceleración correcta transfieren su energía al campo de la cavidad y se puede acoplar la señal amplificada. El giroclistrón tiene cavidades cilíndricas o coaxiales y funciona con modos de campo eléctrico transversal. Dado que la interacción depende de las condiciones de resonancia, se pueden utilizar dimensiones de cavidad más grandes que las de un klistrón convencional. Esto permite que el giroclistrón entregue alta potencia a frecuencias muy altas, lo que supone un desafío al utilizar klistrones convencionales.
Algunos klistrones tienen cavidades sintonizables. Al ajustar la frecuencia de las cavidades individuales, el técnico puede cambiar la frecuencia de funcionamiento, la ganancia, la potencia de salida o el ancho de banda del amplificador. No hay dos klistrones que sean exactamente idénticos (incluso cuando se comparan klistrones con números de pieza/modelo similares). Cada unidad tiene valores de calibración proporcionados por el fabricante para sus características de rendimiento específicas. Sin esta información, el klistrón no sería adecuadamente sintonizable y, por lo tanto, no funcionaría bien, si es que lo hace.
La puesta a punto de un klistrón es un trabajo delicado que, si no se realiza correctamente, puede provocar daños en el equipo o lesiones al técnico debido a los altísimos voltajes que se podrían producir. El técnico debe tener cuidado de no exceder los límites de las graduaciones, o se pueden producir daños al klistrón. Otras precauciones que se toman al ajustar un klistrón 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, rompiendo dedos, hiriendo al técnico o dañando. la unidad. Para afinar los klistrones de la Fuerza Aérea de EE. UU. se han utilizado herramientas especiales, ligeras y no magnéticas (o más bien, muy débilmente diamagnéticas ), fabricadas con una aleación de berilio .
Rutinariamente se toman precauciones al transportar dispositivos klystron en aviones, ya que el intenso campo magnético puede interferir con el equipo de navegación magnética. Se han diseñado sobreembalajes especiales para ayudar a limitar este campo "en el campo" y así permitir que dichos dispositivos se transporten de forma segura.
La técnica de amplificación utilizada en el klistrón también se está aplicando experimentalmente a frecuencias ópticas en un tipo de láser llamado láser de electrones libres (FEL); estos dispositivos se llaman klistrones ópticos . [13] En lugar de cavidades de microondas, estos utilizan dispositivos llamados onduladores . El haz de electrones pasa a través de un ondulador, en el que un rayo de luz láser provoca la acumulación de electrones. Luego, el haz pasa a través de un segundo ondulador, en el que los haces de electrones provocan una oscilación para crear un segundo haz de luz más potente. [13]
El klistrón de tubo de deriva flotante tiene una única cámara cilíndrica que contiene un tubo central aislado eléctricamente. Eléctricamente, esto es similar al klistrón oscilador de dos cavidades con una retroalimentación considerable entre las dos cavidades. Los electrones que salen de la cavidad fuente tienen una velocidad modulada 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 klistrón oscilador tiene una ventaja sobre el klistrón de dos cavidades en el que se basa, ya que sólo necesita un elemento de sintonización para efectuar cambios de frecuencia. El tubo de deriva está eléctricamente aislado de las paredes de la cavidad y la polarización de CC se aplica por separado. La polarización de CC en el tubo de deriva se puede ajustar para alterar el tiempo de tránsito a través de él, permitiendo así cierta sintonización electrónica de la frecuencia oscilante. La cantidad de sintonización de esta manera no es grande y normalmente se usa para modulación de frecuencia al transmitir.
Los klistrones pueden producir potencias de microondas mucho mayores 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 Klystrons de interacción extendida en el satélite CloudSat ). Los klistrones se pueden encontrar en funcionamiento en radares , satélites y comunicaciones de alta potencia de banda ancha (muy comunes en transmisiones de televisión y terminales de satélites EHF ), medicina ( oncología radioterápica ) y física de alta energía ( aceleradores de partículas y reactores experimentales). En SLAC , por ejemplo, se emplean habitualmente klistrones que tienen potencias en el rango de 50 MW (pulso) y 50 kW (promedio de tiempo) a 2856 MHz. El radar planetario de Arecibo utilizó dos klistrones que proporcionaron una potencia total de 1 MW (continuo) a 2380 MHz. [14]
"Lo mejor de lo nuevo de 2007" de Popular Science [15] [16] describió una empresa, Global Resource Corporation, actualmente desaparecida, que utiliza un klistrón para convertir los hidrocarburos en materiales cotidianos, residuos de automóviles, carbón , esquisto bituminoso y arenas bituminosas. en gas natural y diésel . [17]
