Historia De Klyston Reflex

Historia

Los primeros dispositivos basados en tubos de vacío para la utilización con microondas se remontan a principios del siglo XIX cuando, en 1906, Lee de Forest inventó el tríodo. No obstante, intentar emplear en microondas un tubo de vacío convencional basado en un tríodo es una operación muy limitada, ya que éste no soporta frecuencias excesivamente altas.

Con posterioridad, fueron inventados otros dispositivos basados en tubos de vacío, como el magnetrón en 1924, cuya utilización práctica tuvo mucha repercusión en la Segunda Guerra Mundial. El magnetrón pertenecía a la familia de los tubos de vacío de campo transversal, donde la energía potencial de los electrones se transformaba en energía electromagnética.

Otros dispositivos como el oscilador Heil (1935) o el amplificador Klystron (hermanos Varian, 1939) estaban basados en tubos de haz lineal (linear-beam), donde lo que se transformaba en energía electromagnética era la energía cinética de los electrones.

Más adelante, como evolución de los tubos de haz lineal, R. Kompfner inventó en 1944 el tubo de onda viajera (‘’Travelling Wave Tube’’, TWT) . A comienzos de 1950 la potencia de salida de los tubos de haz lineal superó finalmente a la potencia de dispositivos como el magnetrón.En un tubo de haz lineal un campo magnético interacciona con el haz de electrones emitidos por un emisor. Además, los electrones reciben energía potencial por medio de una diferencia de potencial (voltaje) y esta energía es convertida en energía cinética. La diferencia de potencial aplicada es cambiante, así que los electrones son acelerados o desacelerados, lo que produce aglomeraciones de electrones. Estos cúmulos de electrones viajan posteriormente por el tubo y finalmente inducen una corriente en la estructura de salida.

El klystron (cuyo nombre proviene del griego y significa oleaje de electrones) es un amplificador de potencia de alta frecuencia, es decir, recibe a la entrada ondas electromagnéticas de alta frecuencia (microondas) y baja potencia (400 W) y da a la salida microondas de alta potencia (7 MW). El cañón produce electrones y los acelera antes de introducirlos en la guía aceleradora.

Cañón de electrones

En el cátodo se producen electrones por el calentamiento (efecto termoiónico) que son acelerados hacia el ánodo. Mediante la rejilla se consigue variar la corriente de una manera rápida y precisa.

La guía aceleradora está dividida en cavidades de resonancia. El campo eléctrico oscila en cada cavidad con la frecuencia de las microondas producidas por el klystron. Los electrones son inyectados formando pequeños paquetes en fase, es decir, encuentran en cada cavidad el campo a favor, de forma que van siendo acelerados a lo largo de la guía. Es necesario que exista un alto vacío en el interior de la guía, así que es necesario el funcionamiento continuo de bombas de extracción física e iónica.

Cabezal de un acelerador de electrones

La guía y el cabezal están blindados con plomo para reducir la radiación de fuga. A la salida de los electrones del electroimán de curvatura se encuentra el blanco retráctil para la producción de rayos X. Más adelante está la lámina dispersora y el filtro aplanador montados sobre un carrusel que permite situar una u otro según se tenga un haz de electrones o de fotones. A continuación se encuentra la cámara de ionización monitora que muestra la salida permitiendo estabilizar el haz. Por último se encuentra los colimadores y los dispositivos ópticos de distancia y simulación de campo.

El blanco de wolframio se retrae, de manera que los electrones salen sin impedimento de la guía. El carrusel se coloca de forma que la lámina dispersora quede en el camino del haz.

Los colimadores secundarios se colocan en una posición fija que depende de la energía y del aplicador elegido. Para la producción de fotones los electrones chocan con el blanco produciéndose un haz de rayos X, dicho haz presenta un pronunciado pico en la dirección de los electrones incidentes. Para transformarlo en un haz útil se utiliza un filtro aplanador. Los colimadores secundarios se pueden mover a voluntad para conformar el campo requerido.

El blanco (para fotones) y/o hojas dispersantes (para electrones) ; están hechas de platino para bajas energías y de cobre para energías mayores a fin de minimizar la producción de neutrones y generar mayormente reacciones fotonucleares. Para el modo de tratamiento con electrones, el blanco se mueve horizontalmente y las hojas dispersoras toman el lugar del blanco. Un interruptor ubicado en el soporte del blanco detecta la posición correcta de las hojas, habilitando la terapia de haces de electrones.

Filtro aplanador

Son cónicos y están hechos de plomo, para bajas energías, y de tungsteno, para energías altas. Su función es mejorar la distribución de dosis en el paciente homogeneizando la radiación X que emerge del blanco en el modo de fotones.

Efecto del Filtro Aplanador

Para conseguir rayos X de alta energía (mayor que 6 MV) son necesarias guías de 1 o 2 metros de longitud por lo que para conseguir una máquina isocéntrica es necesario girar el haz 90o (o 270o) antes de enviarlo a la ventana de salida. Esto hace que el cabezal aumente de tamaño, con lo que se aumenta la altura del isocentro desde el suelo.

Dispositivo de Curvatura de Electrones Compuesto por tres electroimanes

Los electrones con más energía describen la órbita más grande que los de menos energía. Se utilizan una rendija para reducir el espectro de energía de los electrones (los que tengan mucha o poca energía no pasaran por la rendija). En el cabezal se incluyen los sistemas de colimación, estabilización y monitorización del haz

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 a tierra.

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

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