Bunching-Prozess bei Klystron

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Klystrons sind Laufzeitröhren, bei denen mithilfe eines Elektronenstrahls eine Umwandlung von Gleichstrom- in Hochfrequenzleistung erreicht wird.

4-Cavity Klystron THOMSON-CSF

Durch das Heizen der Kathode werden Elektronen emittiert.
Beim Durchgang des Elektronenstrahls durch das Eingangs-Cavity a) werden, durch die am Eingangs-Cavity angelegte Wechselspannung, den bis dahin mit gleicher Geschwindigkeit laufenden Strahlelektronen im Cavity-Gap in Abhängigkeit von der Polarität geringe Geschwindigkeitsunterschiede erteilt. Die kleine Koppelschleife, im Bild a) links neben dem unteren Driftrohrende, dient zur Einspeisung der Ansteuerleistung.
Die Elektronen, die während der positiven Halbwelle durch das Eingangs-Cavity laufen, werden etwas beschleunigt und die Elektronen, die es während der negativen Halbwelle passieren, werden etwas abgebremst. Damit erhält der Strahl eine Geschwindigkeitsmodulation. Beim Durchlaufen der anschließenden Driftstrecke verschieben sich die zunächst gleichmäßig längs des Strahls verteilten Elektronen relativ zueinander. Die etwas langsameren Elektronen der jeweils vorherigen (negativen) Wechselspannungshalbwelle im Cavity-Gap werden von den schnelleren Elektronen (der darauf folgenden positiven Halbwelle) eingeholt. Dabei entstehen periodisch im Takt der ansteuernden Hochfrequenz Elektronenverdichtungen.

Moderne Klystrons haben mehrere, zum Beispiel vier bis fünf, Zwischen-Cavities b), die sich dem Eingangs-Cavity anschließen, und durch schmale Driftstreckenröhren voneinander getrennt sind. Die Driftröhren reichen weit in das Cavity hinein. In dem Spalt zwischen ihren beiden Driftröhrenenden wird der Elektronenstrahl geschwindigkeitsmoduliert. Die Zwischen-Cavities sind passiv. Das heißt, sie werden nicht wie das Eingangs-Cavity durch von außen zugeführte HF-Leistung erregt, sondern durch die an dieser Stelle bereits vorhandene Bunch-Struktur des Strahls. Schrittweise wird eine immer stärkere Bündelung der Strahlelektronen (engl. bunching) und damit eine immer höhere Verstärkung erreicht.
An der Stelle mit maximaler Elektronendichte befindet sich das Ausgangs-Cavity c), in dem die hindurchfliegenden Elektronenpakete (engl. bunche) elektromagnetische Schwingungen anregen. Deutlich in c) zu erkennen ist das Gap des Ausgangs-Cavities. Die Schlitze am Umfang der Driftrohrenden und die schwarze Beschichtung (Nickeloxid) dienen zur Unterdrückung von Multipacting. Das Rohr, welches in einem Loch verschwindet (auf dem Bild c) rechts neben dem Gap) ist die HF-Auskopplung. Die Umwandlung von Gleichstromenergie in HF-Energie erfolgt durch Abbremsen der Elektronenpakete im elektromagnetischen Feld des Ausgangs-Cavitys.
Die HF-Energie wird aus dem Ausgangs-Cavity ausgekoppelt und einem Verbraucher zugeführt.
Nach dem Durchlaufen des Ausgangs-Cavitys wird der Strahl vom Kollektor d) e) aufgenommen. Die restliche kinetische Energie der Strahlelektronen wird hier in Wärme umgewandelt und durch ein Kühlsystem abgeführt.

Aufgeschnittenes 500-MHz, 600-kW Klystron


Bunching-Prozess bei einem 6-Cavity Klystron

Animation
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