Klystron

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Das Klystron ist eine Elektronenröhre, die die Laufzeit der Elektronen zur Erzeugung oder Verstärkung von Hochfrequenzsignalen ausnutzt.

Dabei erfährt ein im Vakuum erzeugter Elektronenstrom durch ein hochfrequentes Wechselfeld eine Geschwindigkeitsveränderung. Er durchläuft dazu einen mit dem Signal gespeisten Hohlraumresonator (engl. Cavity ). Nach einer gewissen Laufzeit entsteht daraus eine Dichtemodulation. Dieser modulierte Elektronenstrom kann durch einen oder mehrere weitere Hohlraumresonatoren (Mehrkammerklystron) geführt werden und am letzten Resonator kann ein Teil seiner Energie als Hochfrequenzenergie entnommen werden.


Die Erfindung des Klystrons

Mitte bis Ende der 30er begann die Forschung, die schließlich zur Entwicklung des Klystrons führte. Ein Bericht der Brüder R.H. und S.F. Varian aus dem Jahr 1939 "A High Frequency Oscillator and Amplifier" beschreibt die Erfindung des Klystrons. Der folgende Auszug aus dem Varian-Bericht enthält eine knappe aber sehr klare Beschreibung des grundsätzlichen Funktionsprinzips des Klystrons.


A High Frequency Oscillator and Amplifier

Russel H. Varian and Sigurd F. Varian

Abstract

Ein DC-Kathodenstrahl von konstanter Stromstärke und Geschwindigkeit wird durch ein Gitterpaar geschickt zwischen dem ein elektrisches Feld oszilliert. Das elektrische Feld ist parallel zur Bewegungsrichtung des Kathodenstrahls und von solcher Stärke, dass es die Geschwindigkeit des Kathodenstrahl merklich aber nicht zu stark in Bezug auf seine Anfangsgeschwindigkeit ändert. Nach dem Passieren des Gitterpaares beginnen die beschleunigten Elektronen die vorausfliegenden aber langsameren zu überholen. Diese Bewegung gruppiert die Elektronen zu Bunchen. Zwischen den Bunchen entstehen relativ leere Zwischenräume. An jedem Punkt jenseits des Gitterpaares kann der Kathodenstrahl als DC-Strahl mit überlagerter, nichtsinusförmiger AC-Komponente aufgefaßt werden. Ein beträchtlicher Teil der Strahlleistung kann in HF-Leistung umgewandelt werden, wenn der Strahl durch ein zweites Gitterpaar tritt, zwischen dem ein AC-Feld in der Weise schwingt, dass den Elektronen in den Bunchen Energie entzogen wird. Die beiden AC-Felder sind am leichtesten zu erzeugen, wenn Teile der Oberfläche der beschriebenen Resonatoren als Gitter dienen.

Die Varians nannten ihr Gerät "Klystron" nach dem giechischen Verb "klyzo", das das Brechen der Wellen am Strand ausdrückt.

Klystron.bmp

Grundsätzliche Konfiguration des Klystrons (von: R.H. Varian und S.F. Varian, J.A.P., Mai 1939.)

Die Abbildung zeigt die grundsätzliche 2-Cavity-Anordnung der Varians. Der Elektronenstrahl von der Kathode am oberen Rand der Abbildung wird durch den oberen Resonator geschwindigkeitsmoduliert. Während der Strahl zum unteren Cavity läuft entstehen in der dazwischenliegenden Driftröhre die Elektronen-Bunche. Der resultierende AC-Strom im Strahl induziert einen Strom im 2. Cavity. Als Resultat kann aus dem 2. Cavity eine HF-Leistung ausgekoppelt werden, die wesentlich größer als die Eingangsleistung des 1. Cavitys ist.

Funktionsweise eines Klystrons (Geschwindigkeitsmodulation)

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

Nachstehendes Bild zeigt ein vereinfachtes Prinzipbild zur Erläuterung der Wirkungsweise. Die von der Kathode emittierten Elektronen werden von dem elektrischen Feld zwischen Kathode und Anode beschleunigt. Die Elektronen bilden einen Elektronenstrahl, dessen raumladungsbedingte Spreizung durch ein achsenparalleles Magnetfeld vermindert wird.

Geschwindigkeitsmodulation.bmp

Beim Durchgang des Strahls durch den Eingangsresonator (Eingangs-Cavity) werden den zunächst mit gleicher Geschwindigkeit laufenden Strahlelektronen durch das Steuersignal in Abhängigkeit von seiner Polarität geringe Geschwindigkeitsunterschiede erteilt. Die Elektronen die während der positiven Halbwelle durch den Resonator (Cavity) laufen, werden etwas beschleunigt, und die Elektronen, die ihn während der negativen Halbwelle passieren, etwas abgebremst. Damit erhält der Strahl eine Geschwindigkeitsmodulation. Beim Durchlaufen der anschließenden Triftstrecke verschieben sich die zunächst gleichmäßig längs des Strahls verteilten Elektronen relativ zueinander: Die etwas langsameren Elektronen der jeweils vorherigen (negativen) Halbwelle der Resonatorspannung werden von den schnelleren Elektronen (der folgenden positiven Halbwelle) eingeholt. Dabei entstehen periodisch im Takt der Hochfrequenz Verdichtungen der Raumladung - Bunche genannt. Zwischen den Bunchen entstehen relativ leere Zwischenräume. Dieser Prozess der Dichtemodulation ist im nachstehenden Weg-Zeit-Diagramm dargestellt.

An der Stelle mit maximaler Raumladungsdichte befindet sich der Ausgangsresonator (Ausgangs-Cavitiy), in dem die hindurchfliegenden Elektronenpakete elektromagnetische Schwingungen anregen. Die Umwandlung von Gleichstromenergie in HF-Energie erfolgt durch Abbremsen der Elektronenpakete durch dieses elektromagnetische Feld. Die HF-Energie wird aus diesem Resonator ausgekoppelt und einem Verbraucher zugeführt.


Weg-Zeit-Diagramm

Axiale Elektronenpositionen sind als Funktion der Zeit aufgetragen, so dass die Steigungen der verschiedenen Geraden die Elektronengeschwindigkeiten repräsentieren. Die Geraden, die Elektronen repräsentieren, welche das Modulationsfeld durchquert haben, während die Gap-Spannung negativ war, weisen eine reduzierte Steigung auf. Im Gegensatz dazu weisen die Geraden der zusätzlich beschleunigten Elektronen eine größere Steigung auf.

Geschwindigkeitsmodulation 1.bmp

Weg-Zeit-Diagramm für Elektronen in einem geschwindigkeitsmodulierten Strahl. Die Einheit der horizontalen Zeit-Achse ist der Phasenwinkel der sinusförmigen Gap-Spannung u1 = U1*sin(ωHFt). Die Einheit der vertikalen Weg-Achse ist der Laufwinkel θ = 2π*z/λ mit der axialen Koordinate z und λ = v0 / fHF. fHF ist die HF-Frequenz und v0 die mittlere Elektronengeschwindigkeit .

Hochleistungsklystrons

Moderne Leistungsklystrons haben mehrere Cavities. In ihnen wird schrittweise eine immer stärkere Bündelung der Strahlelektronen und damit eine immer höhere Verstärkung erreicht. Sie bilden eine mehrstufige Verstärkeranordnung. Durch Abstimmen der Cavities auf verschiedene Frequenzen kann ein breitbandiges Verhalten erreicht werden. Ferner hat die Cavity-Abstimmung entscheidende Bedeutung für den Wirkungsgrad. Nach Durchlaufen des letzten Cavities(HF-Ausgang) wird der Strahl vom Kollektor aufgenommen. Die restliche kinetische Energie der Strahlelektronen wird hier in Wärme umgewandelt, die durch ein Kühlsystem abgeführt wird. Das besondere Kennzeichen der Laufzeitröhre Klystron sind die voneinander getrennten Funktionsgruppen, Strahlerzeugung, HF-Wechselwirkungsraum und Kollektor. Hierdurch werden im Gegensatz zu konventionellen Röhren auch bei hohen Frequenzen zugleich die hohen Leistungen ermöglicht. Ebenso gestattet diese Eigenschaft die optimale Auslegung aller einzelnen Funktionsgruppen.


Die nachstehenden Bilder zeigen als Beispiel ein Fünf-Cavity-Klystron, Typ YK 1250, das bei 1 GHz eine Ausgangsleistung von 350 kW liefert und für ein Bunch-Verlängerungssystem am Speicherring PETRA entwickelt worden ist.

YK-1250 Dwg,nackt,Btrbsgestll. 800px.jpg



Nachfolgende Abbildung zeigt ein Hochleistungsklystron, wie es am DESY zur Teilchenbeschleunigung eingesetzt wird. Das Klystron liegt zum Transport auf einer Lafette. Auf der Abbildung links neben dem Klystron steht das Fokusmagnetgestell. Der Fokusmagnet ist ein Solenoid, dessen axiales Magnetfeld zur Fokussierung des Elektronenstrahls im Klystron dient.

Das untere der beiden Bilder zeigt zwei der acht 500-MHz Hochfrequenz-Senderanlagen von HERA. Jede der beiden Senderanlagen ist mit zwei Klystrons bestückt und verfügt über eine Nenn-Ausgangsleistung von 1500 kWCW.

Klystron 1.bmp


Klystron 2.bmp

Bunching-Parameter

An jedem Punkt jenseits des Eingangs-Cavities kann der Kathodenstrahl als DC-Strahl mit überlagerter, nichtsinusförmiger AC-Komponente aufgefaßt werden.

Die Amplitude der Grundwelle des Stromes (und der Harmonischen) kann mathematisch mithilfe der Fourier-Analyse bestimmt werden und beträgt:

I1 = 2 IK J1(X)

IK: DC Strahlstrom

J1(X): Besselfunktion 1.Ordnung

X: Bunching-Parameter


Geschwindigkeitsmodulation 3.bmp


X = ωz/v0 αβ/2

ω: 2π Frequenz

z: longitudinale Koordinate

v0: Elektronengeschwindigkeit

α: depth of modulation, Verhältnis von Spitzenspannung über dem Modulations-Gap U1 und der DC Strahlspannung UK

β: Strahlkopplungsfaktor (gap coupling coefficient)


Der Strahlkopplungsfaktor berücksichtigt den Effekt, dass sich die Gap-Spannung ändert, während ein Elektron das Gap durchquert. Ist das Gap sehr weit, kann die Gap-Spannung beispielsweise eine volle Sinusschwingung ausführen, während ein Elektron das Gap durchquert. Die resulierende Geschwindigkeitsänderung für das Elektron wäre in diesem Fall null.

Reduziert man die Gap-Weite, so verbleibt eine resultierende Geschwindigkeitsänderung. Der Strahlkopplungsfaktor ist dann größer null.

Wenn man das Gap sehr schmal macht, sieht ein Elektron während seiner Gap-Durchquerung nahezu eine konstante Gap-Spannung. Der Strahlkopplungsfaktor geht deshalb gegen eins. In der nachstehenden Grafik ist der Strahlkopplungsfaktor (Spaltkoppelfaktor) als Funktion des Laufzeitwinkels (gap transition angle) dargestellt.


Geschwindigkeitsmodulation 4.bmp

Klystron Kennlinienfelder

Die HF-Ausgangsleistung POut eines Klystrons ist von den drei wesentlichen Betriebsparametern Kathodenspannung UK, Kathodenstrom IK und Treiberleistung (=Ansteuerleistung) PDrive abhängig.

Der Zusammenhang POut = f (UK, IK, PDrive) ist in den nachstehenden Kennlinenfeldern dargestellt.

Die Kennlinenfelder gehören zu dem 500-MHz-Hochleistungs-Klystron Philips YK-1304. Die Kennlinenfelder sind auf die jeweiligen Nennwerte normiert und können dadurch auch zur Veranschaulichung des Betriebsverhaltens anderer Klystrontypen benutzt werden.


Normierung:

Normierung Nennwerte für YK-1304
P Pout/Poutn Poutn: 800kW
D PDrive/PDriven PDriven: 50W
U UK/UKn UKn: 75kV
I IK/IKn IKn: 18A


Kennlinienfeld für konstante Kathodenspannung (UK = UKn)

Kennlinenfeld.bmp


Kennlinienfeld für konstanten Kathodenstrom (IK = IKn)

Kennlinenfeld 1.bmp


Kennlinienfeld für konstante Strahlperveanz (pStrahl = pStrahln)

Kennlinenfeld 2.bmp