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 frecuencias de radio altas , desde UHF hasta el rango de microondas . Los klistrones de baja potencia se utilizan como osciladores en enlaces de comunicaciones de retransmisión de microondas terrestres , 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 de accionamiento para los aceleradores de partículas modernos .
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 la longitud 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 de nuevo en la cavidad de entrada para hacer un oscilador electrónico para generar ondas de radio. La ganancia de potencia de los klistrones puede ser alta, hasta 60 dB (un aumento de la potencia de la señal de un factor de un millón), con una potencia de salida de hasta decenas de megavatios , pero el ancho de banda es estrecho, generalmente un pequeño porcentaje aunque puede ser de hasta el 10% en algunos dispositivos. [2]
Un klistrón reflejo es un tipo obsoleto en el cual el haz de electrones se reflejaba a lo largo de su trayectoria mediante un electrodo de alto potencial, utilizado como oscilador.
El nombre klistrón proviene del verbo griego κλύζω ( klyzo ) que hace referencia a la acción de las olas rompiendo contra una orilla, y el sufijo -τρον ("tron") que significa el lugar donde sucede 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 de ondas de radio significativamente potente en el rango de las microondas ; antes de su invención, las únicas fuentes eran el tubo Barkhausen-Kurz y el magnetrón de ánodo partido , que estaban limitados a potencias muy bajas. 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 velocidad por A. Arsenjewa-Heil y Oskar Heil (esposa y esposo) en 1935, aunque los Varian probablemente desconocían el trabajo de los Heil. [6]
El trabajo del físico WW Hansen fue fundamental para 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 la aceleración de los electrones hacia un objetivo, también podía utilizarse para desacelerar los electrones (es decir, transferir su energía cinética a energía de radiofrecuencia en un resonador). Durante la Segunda Guerra Mundial, Hansen daba conferencias en los laboratorios de radiación del MIT dos días a la semana, y viajaba a Boston desde la Sperry Gyroscope Company en Long Island. Los hermanos Varian llamaban a su resonador "rhumbatron". [1] Hansen murió de enfermedad del berilio en 1949 como resultado de la exposición al óxido de berilio (BeO).
Durante la Segunda Guerra Mundial, las potencias del Eje recurrieron principalmente a la tecnología klistrón (que en aquel entonces era de baja potencia y gran longitud de onda) para la generación de microondas en sus sistemas de radar, mientras que los Aliados utilizaron la tecnología del magnetrón de cavidad, mucho más potente pero con mayor frecuencia , para la generación de microondas centimétricas de longitud de onda mucho más corta. Desde entonces se han desarrollado tecnologías de tubos klistrón 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 los Estados Unidos continentales. [7] La red proporcionaba servicio telefónico de larga distancia y también transmitía señales de televisión para las principales redes de televisión. La Western Union Telegraph Company también construyó enlaces de comunicación de microondas punto a punto utilizando estaciones repetidoras intermedias a intervalos de aproximadamente 40 millas en ese momento, utilizando klistrones reflex 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 klistrones de alta eficiencia que tienen un 10% más de eficiencia que los klistrones convencionales. [9]
Los klistrones amplifican las señales de radiofrecuencia convirtiendo la energía cinética de un haz de electrones de corriente continua en energía de radiofrecuencia. En el vacío, un haz de electrones se emite mediante un cañón de electrones o un cátodo termoiónico y se acelera mediante 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 a la 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, lo que hace que el haz de electrones, que antes era continuo, forme grupos a la frecuencia de entrada.
Para reforzar el agrupamiento, un klistrón puede contener cavidades "aglutinantes" adicionales.
El haz pasa luego a través de un tubo "de deriva", en el que los electrones más rápidos alcanzan a los más lentos, creando los "haces", y luego a través de una cavidad "receptora".
En la cavidad de salida del "captor", cada haz entra en la cavidad en el momento del ciclo en que el campo eléctrico se opone al movimiento de los electrones, desacelerándolos. De esta forma, 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 captador se desacoplan a través de un cable coaxial o una guía de ondas .
El haz de electrones gastado, con energía reducida, es capturado por un electrodo colector.
Para crear 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 resonante de las cavidades.
El tubo klistrón más simple es el klistrón de dos cavidades. En este tubo hay dos resonadores de cavidad de microondas, el "receptor" y el "agrupador". Cuando se utiliza como amplificador, la señal débil de microondas que se va a amplificar se aplica a la cavidad del agrupador 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 se encuentra el cátodo caliente , que produce electrones cuando se calienta mediante un filamento. Los electrones son atraídos hacia un cilindro anódico que pasa a través de él a 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 electromagnético externo crea un campo magnético longitudinal a lo largo del eje del haz que evita que este se propague.
El haz pasa primero a través del resonador de cavidad "agrupadora", a través de rejillas unidas a cada lado. Las rejillas agrupadoras 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 son desacelerados.
Más allá de las rejillas de agrupamiento 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 "agrupamientos" longitudinalmente a lo largo del eje del haz. Su longitud se elige para permitir el máximo agrupamiento a la frecuencia de resonancia y puede tener varios pies de largo.
Los electrones pasan entonces a través de una segunda cavidad, llamada "capturador", a través de un par de rejillas similares en cada lado de la cavidad. La función de las rejillas del captador es absorber energía del haz de electrones. Los haces de electrones que pasan a través de ellas excitan ondas estacionarias en la cavidad, que tiene la misma frecuencia de resonancia que la cavidad del agrupador. Cada haz 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. De este modo, los electrones realizan trabajo sobre el campo eléctrico y se desaceleran, su energía cinética se convierte en energía potencial eléctrica , lo que aumenta la amplitud del campo eléctrico oscilante en la cavidad. Por lo tanto, el campo oscilante en la cavidad del captador es una copia amplificada de la señal aplicada a la cavidad del agrupador. La señal amplificada se extrae de la cavidad del captador a través de un cable coaxial o una guía de ondas.
Después de pasar por el captador 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 klistrón, proporcionando una ruta de retroalimentación desde la salida a la entrada conectando las cavidades "captora" y "agrupadora" con un cable coaxial o una guía de ondas . Cuando se enciende el dispositivo, el ruido electrónico en la cavidad es amplificado por el tubo y realimentado desde la salida del receptor 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.
En todos los klistrones modernos, el número de cavidades es superior a dos. Se pueden utilizar cavidades "apiladoras" adicionales añadidas entre la primera "apiladora" y la "capturadora" para aumentar la ganancia del klistrón o para aumentar el ancho de banda. [10]
La energía cinética residual del haz de electrones cuando llega al electrodo colector representa energía desperdiciada, que se disipa en forma de calor, que debe eliminarse mediante un sistema de refrigeración. Algunos klistrones modernos incluyen colectores deprimidos, que recuperan energía del haz antes de recoger 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 Sutton en honor a uno de sus inventores, Robert Sutton) era un tubo klistrón de baja potencia con una única cavidad, que funcionaba como 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 de microondas semiconductores.
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 por un cañón de electrones . Después de pasar a través de la cavidad resonante, son reflejados por un electrodo reflector cargado negativamente para pasar otra vez a través de la cavidad, donde luego son recogidos. El haz de electrones se modula en velocidad 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 de modo que el agrupamiento sea máximo 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 con respecto al valor óptimo, lo que da como resultado cierta pérdida de potencia de salida, pero también una variación en la frecuencia. Este efecto se utiliza con 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 las 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; estas se conocen como modos. El rango de sintonización electrónica del klistrón reflejo generalmente se conoce como la variación en 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 giroklystron es un amplificador de microondas cuyo funcionamiento depende de la condición de resonancia del ciclotrón . [13] De manera similar al klystron, su funcionamiento depende de la modulación del haz de electrones, pero en lugar de agrupamiento axial, 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 se puede acoplar.
El giroklystron tiene cavidades cilíndricas o coaxiales y funciona con modos de campo eléctrico transversal. Dado que la interacción depende de la condición de resonancia, se pueden utilizar cavidades de dimensiones mayores que las de un klystron convencional. Esto permite que el giroklystron suministre alta potencia a frecuencias muy altas, lo que supone un desafío para los klystrons convencionales. [14]
Algunos klistrones tienen cavidades que se pueden ajustar. Al ajustar la frecuencia de cada cavidad, 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 exactamente idénticos (incluso cuando se comparan klistrones con el mismo número de pieza o modelo). Cada unidad tiene valores de calibración proporcionados por el fabricante para sus características de rendimiento específicas. Sin esta información, el klistrón no se podría ajustar correctamente y, por lo tanto, no funcionaría bien, si es que funcionaba.
La afinación de un klistrón es un trabajo delicado que, si no se realiza correctamente, puede causar daños al equipo o lesiones al técnico debido a los voltajes muy altos que podrían producirse. El técnico debe tener cuidado de no exceder los límites de las graduaciones, ya que puede dañar el klistrón. Otras precauciones que se toman al afinar un klistrón incluyen el uso de herramientas no ferrosas. Algunos klistrones emplean imanes permanentes . Si un técnico usa herramientas ferrosas (que son ferromagnéticas ) y se acerca demasiado a los intensos campos magnéticos que contienen el haz de electrones, dicha herramienta puede ser atraída hacia la unidad por la intensa fuerza magnética, aplastando los dedos, lesionando al técnico o dañando la unidad. Se han utilizado herramientas especiales no magnéticas ligeras (o más bien muy débilmente diamagnéticas ) hechas de aleación de berilio para afinar los klistrones de la Fuerza Aérea de los EE. UU.
Se toman precauciones rutinariamente al transportar dispositivos klistrón en aeronaves, 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, de esta manera, permitir que dichos dispositivos se transporten de manera 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 denominan klistrones ópticos . [15] 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 haz de luz láser provoca el agrupamiento de los 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. [15]
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 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 klistrón oscilador tiene una ventaja sobre el klistrón de dos cavidades en el que se basa, en que necesita solo 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 se puede ajustar para alterar el tiempo de tránsito a través de él, lo que permite cierta sintonización electrónica de la frecuencia oscilante. La cantidad de sintonización de esta manera no es grande y normalmente se utiliza para la modulación de frecuencia durante la transmisión.
Los klistrones 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 klistrones de interacción extendida en el satélite CloudSat ). Los klistrones se pueden encontrar en funcionamiento en radares , satélites y comunicaciones de banda ancha de alta potencia (muy comunes en la transmisión 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 rutinariamente klistrones que tienen salidas en el rango de 50 MW (pulso) y 50 kW (promedio temporal) a 2856 MHz. El radar planetario de Arecibo utilizó dos klistrones que proporcionaron una salida de potencia total de 1 MW (continua) a 2380 MHz. [16]
"Lo mejor de lo nuevo de 2007" de Popular Science [17] [18] describió una empresa, Global Resource Corporation, actualmente desaparecida, que utiliza un klistrón para convertir los hidrocarburos presentes en materiales de uso diario, desechos automotrices, carbón , esquisto bituminoso y arenas petrolíferas en gas natural y combustible diésel . [19]
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