El Klystron

Conocer experimentalmente el comportamiento de un tubo generador de señales de microondas

Un sistema en el que se utilizan localmente las microondas constará fundamentalmente de un generador y de un medio de transmisión de la onda hasta la carga; en caso contrario, habrá necesidad de un sistema emisor y otro receptor, estando el emisor compuesto por los elementos anteriormente citados, donde la carga será una antena emisora, mientras que el receptor será otra antena, medio de transmisión y detector adecuado.

Además de estos elementos, existirán otros componentes como pueden ser atenuadores, desfasadores, frecuencimetros, medidores de onda estacionaria, etc. Este artículo se enfocará fundamentalmente en la guía de onda como elemento fundamental de transmisión de éstas frecuencias.

Como ya se ha citado, la guía de onda es en esencia una tubería metálica a través de la cual se propaga el campo electromagnético sin prácticamente atenuación, dependiendo esta del material de que la misma está fabricada; así, a una frecuencia determinada, y para una geometría concreta, la atenuación será tanto menor cuanto mejor conductor sea el material.

Todos los tubos de microondas dependen de la interacción entre un haz de electrones y un campo electromagnético soportado por un circuito de microondas. Esta interacción actúa como mecanismo de amplificación. Existen dos clases de tubos:

En los tubos de haz lineal (linear-beam), también conocidos como 'O', el haz de electrones fluye en una dirección paralela a los campos eléctrico y magnético, atravesando toda la longitud del tubo.

En los tubos de campos cruzados (crossed-field), o tipo 'm', los campos eléctrico y magnético son perpendiculares a la dirección del haz de electrones

El haz de electrones se origina a partir de un cañón de electrones, que generalmente comprende un cátodo (la fuente de emisión), un electrodo de enfoque, un electrodo de modulación y un ánodo. Los electrones se generan por emisión termoiónica, manteniendo el cátodo a una alta tensión negativa con respecto al ánodo, que generalmente se conecta atierra.

Como funciona un tubo de microondas KLYSTRON

El tubo de microondas Klystron muestra su funcionamiento a través del uso que este proporciona como lo es el amplificar microondas. Este es un tubo de haz lineal en el que la velocidad de modulación es aplicada a un haz de electrones para así producir amplificación o a consecuencia de las aceleraciones y frenados a la que es sometido se da la aplicación de una señal variable en el tiempo. En la aplicación como amplificador, la versión más simple de klystron es la de un tubo electrónico con varias cavidades y en el que se definen tres regiones: cátodo, ánodo y regiones o tubos de arrastre, deriva o interacción de RF, a las porciones intermedias entre las cavidades.

La porción principal del tubo la constituye un cierto número de cavidades resonantes de las que una es la cavidad de entrada a la que se aplica la señal de RF y otra, la de salida, de la que se extrae la señal amplificada. Entre éstas pueden localizarse una o más cavidades intermedias, todas ellas interconectadas por secciones de tubo metálico designadas como tubos de arrastre.

Las cavidades resonantes se diseñan de forma que no propaguen energía electromagnética a la frecuencia de funcionamiento del tubo, con lo que se consigue un gran aislamiento entre las cavidades de entrada y salida sin recurrir al empleo de atenuadores en el interior del klystron, característica muy importante y deseable.

En el cañón electrónico se origina un haz de electrones, que es acelerado a través de un alto voltaje aplicado al ánodo y que luego pasa a través de los tubos de arrastre, frente a las cavidades, hasta impactar en el colector. El cuerpo principal del tubo, incluyendo el colector, se mantienen generalmente a potencia de tierra, en tanto que al cátodo y electrodos de enfoque del haz que constituyen el cañón electrónico, se les aplica un potencial negativo elevado, del orden de -20 a -30 KV.

En la cercanía del cátodo, un sistema de enfoque electrostático confina el haz y lo dirige hacia el interior del primer tubo de arrastre. Para mantener el confinamiento del haz en el interior del tubo de arrastre y evitar que se disperse hacia las paredes, se aplica un campo magnético axial. En un procedimiento de colimación, designado como “enfoque de Brillouin”, el confinamiento del haz se consigue haciéndolo pasar a través de una placa magnética, que actúa como pantalla de blindaje contra el campo magnético externo y evita sus efectos en la región del cañón electrónico. La componente del campo magnético transversal en la abertura de la placa de Brillouin proporciona al haz electrónico un movimiento de rotación sobre su eje que al interactuar con el campo magnético longitudinal ( axial) a lo largo del tubo de arrastre, produce una fuerza centrípeta sobre los electrones del haz en dirección al eje del tubo que, mediante el ajuste adecuado de la intensidad del campo magnético axial, actúa anulando a la fuerza centrífuga debida a la repulsión producida por la carga de espacio en el haz electrónico. Con este método, empleado también en aceleradores de partículas, es posible confinar el haz electrónico a lo largo de los trayectos grandes con mínima intercepción de los electrones del haz por las paredes del tubo. La alimentación y extracción de las señales en las cavidades puede hacerse mediante líneas coaxiales terminadas en lazos acoplados o bien con guías de onda.

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