클라이스트론
Klystron |
클라이스트론은 1937년 미국 전기 엔지니어 러셀과 시구드 바리안에 [1]의해 발명된 전문 선형빔 진공관이며 UHF에서 마이크로파까지 고주파 증폭기로 사용된다.저전력 크라이스트론은 지상파 마이크로파 릴레이 통신 링크에서 발진기로 사용되며, 고출력 크라이스트론은 UHF 텔레비전 송신기, 위성 통신, 레이더 송신기에서 출력 튜브로 사용되며, 최신 입자 가속기의 구동 전력을 생성하는 데 사용됩니다.
클라이스트론에서 전자빔은 공명 공동, [2]즉 튜브의 길이를 따라 금속 상자를 통과할 때 전파와 상호작용합니다.전자 빔은 먼저 입력 신호가 적용되는 캐비티를 통과합니다.전자 빔의 에너지가 신호를 증폭하고 증폭된 신호는 튜브의 다른 쪽 끝에 있는 공동에서 가져옵니다.출력 신호는 입력 캐비티에 다시 결합되어 전자 오실레이터가 전파를 생성하도록 할 수 있습니다.클라이스트론의 이득은 60dB(100만 배 증가) 이상이며 출력 전력은 최대 수십 메가와트까지이지만 대역폭은 좁습니다.일반적으로 디바이스에 [2]따라서는 최대 10%까지입니다.
반사 클라이스트론은 전자빔이 발진기로 사용되는 고전위 전극에 의해 경로를 따라 반사되는 구식 유형입니다.
The name klystron comes from the Greek verb κλύζω (klyzo) referring to the action of waves breaking against a shore, and the suffix -τρον ("tron") meaning the place where the action happens.[3]클라이스트론이라는 이름은 클라이스트론이 [4]개발될 당시 스탠퍼드대 고전학과 헤르만 프렝켈 교수가 제안했다.
역사
클라이스트론은 마이크로파 범위에서 가장 강력한 전파원이었다. 발명되기 전에는 바크하우젠-쿠르츠 튜브와 분할 양극 마그네트론이 유일한 공급원이었는데, 이는 매우 낮은 전력으로 제한되었다.그것은 스탠포드 대학의 러셀과 시구르드 바리안 형제에 의해 발명되었다.시제품은 1937년 [5]8월 30일 성공적으로 완성되어 시연되었다.1939년 [3]출판되자마자, 클라이스트론의 소식은 레이더 장비에서 일하는 미국과 영국의 연구자들의 작업에 즉시 영향을 끼쳤다.Varians는 이 기술을 상용화하기 위해 Varian Associates를 설립했습니다(예를 들어, 외부 빔 방사선 치료를 위한 광자를 생성하는 작은 선형 가속기를 만드는 것).그들의 작업은 A에 의한 속도 조절에 대한 설명이 선행되었다.1935년 아센예와 힐과 오스카 헤일(아내와 남편)은 바리안 부부는 힐 부부의 작품을 [6]몰랐을 것이다.
물리학자 W. W. 한센의 연구는 클라이스트론의 발전에 중요한 역할을 했고 1939년 바리안 형제에 의해 인용되었다.목표물을 향해 전자를 가속하는 문제를 다룬 그의 공진기 분석은 전자를 감속하는 데 사용될 수 있다(즉, 공진기의 RF 에너지로 운동 에너지를 전달하는 것).제2차 세계대전 중 한센은 롱아일랜드에 있는 스페리 자이로스코프사에서 보스턴으로 출퇴근하면서 MIT 방사선 연구소에서 일주일에 이틀 강의를 했다.그의 공명기를 바리안 [1]형제들은 "럼바트론"이라고 불렀다.한센은 1949년 산화 베릴륨(BeO)에 노출되어 베릴륨병으로 사망했다.
제2차 세계 대전 동안, 추축국은 레이더 시스템 마이크로파 생성에 주로 (당시 저전력 긴 파장의) 클라이스트론 기술에 의존했고, 연합군은 훨씬 더 강력하지만 주파수 드리프트 기술을 훨씬 짧은 파장 센티미터 마이크로파 생성에 사용했다.싱크로트론과 레이더 시스템과 같은 매우 고출력 애플리케이션을 위한 클라이스트론 튜브 기술이 그 이후로 개발되었습니다.
전쟁 직후 AT&T는 [7]미국 대륙을 뒤덮은 새로운 마이크로파 중계망에 4와트 클라이스트론을 사용했다.이 네트워크는 장거리 전화 서비스를 제공하고 주요 TV 방송국에 텔레비전 신호도 전달했습니다.Western Union Telegraph Company는 또한 송신기와 수신기에서 모두 2K25 리플렉스 카이스트론을 사용하여 중간 중계기를 사용하여 포인트 투 포인트 마이크로파 통신 링크를 구축했다.
작동
클라이스트론은 직류 전자빔의 운동 에너지를 무선 주파수 전력으로 변환함으로써 RF 신호를 증폭합니다.진공상태에서 전자빔은 전자총 또는 열전자음극에 의해 방출되고 고전압전극(일반적으로 수십킬로볼트 단위)에 의해 가속됩니다.
이 빔은 입력 공동 공진기를 통과합니다.RF 에너지는 공명 주파수 또는 그 근처에서 입력 캐비티에 공급되어 정상파를 생성하며, 이 정상파는 전자 빔에 작용하는 진동 전압을 생성합니다.전계는 전자를 "번치"하게 합니다.전계가 운동과 반대할 때 통과하는 전자는 느려지는 반면, 전계가 같은 방향일 때 통과하는 전자는 가속되어 이전에 연속된 전자 빔이 입력 주파수로 번치를 형성하게 됩니다.
번치를 강화하기 위해 클라이스트론은 추가적인 "번치" 공동을 포함할 수 있습니다.
빔은 더 빠른 전자가 더 느린 전자를 따라잡아 "분치"를 만든 다음 "포수" 공동을 통과하는 "드리프트" 튜브를 통과합니다.
출력 "캐처" 캐비티에서 각 번치는 전자가 전자의 움직임에 반하는 사이클에서 캐비티에 들어가 전자를 감속시킵니다.따라서 전자의 운동 에너지가 전계의 위치 에너지로 변환되어 진동의 진폭이 증가합니다.캐처 캐비티에 들뜬 진동은 동축 케이블 또는 도파관을 통해 결합됩니다.
에너지가 감소된 사용 후 전자 빔은 수집기 전극에 의해 포착됩니다.
발진기를 만들려면 출력 캐비티를 동축 케이블 또는 도파관으로 입력 캐비티에 커플링할 수 있습니다.양의 피드백은 캐비티의 공진 주파수에서 자발적인 진동을 일으킵니다.
2캐비티 클라이스트론
가장 단순한 클라이스트론 튜브는 2-캐비티 클라이스트론입니다.이 튜브에는 "포수"와 "봉수"라는 두 개의 마이크로파 공동 공진기가 있습니다.증폭기로 사용할 경우 증폭되는 약한 마이크로파 신호가 동축 케이블 또는 도파로를 통해 번처 캐비티에 인가되어 캐처 캐비티에서 증폭된 신호를 추출한다.
튜브의 한쪽 끝에는 필라멘트에 의해 가열될 때 전자를 생성하는 열음극이 있습니다.전자는 높은 양의 전위로 양극 실린더에 끌리고 통과합니다. 음극과 양극은 전자총 역할을 하여 전자의 고속 흐름을 생성합니다.외부 전자석 권선은 빔 축을 따라 세로 자기장을 형성하여 빔의 확산을 방지합니다.
빔은 먼저 각 측면에 부착된 그리드를 통해 "분처" 공동 공진기를 통과합니다.번처 그리드는 캐비티 내의 정재파 진동에 의해 생성되는 진동 AC 전위를 가지며, 동축 케이블 또는 도파관에 의해 적용된 캐비티의 공진 주파수로 입력 신호에 의해 들뜨게 됩니다.그리드 사이의 필드 방향은 입력 신호의 사이클당 두 번 변경됩니다.입구 그리드가 음이고 출구 그리드가 양일 때 진입하는 전자는 운동과 같은 방향의 전계를 만나 전계에 의해 가속된다.나중에 반주기에 들어가는 전자는 극성이 반대일 때 운동에 반하는 전장과 만나 감속된다.
번처 그리드 너머에는 드리프트 공간이라고 불리는 공간이 있습니다.이 공간은 가속된 전자가 빔 축을 따라 종방향으로 "분지"를 형성하면서 더 이른 시간에 감속된 전자를 따라잡을 수 있을 정도로 충분히 길다.이 길이는 공명 주파수에서 최대 번들을 허용하도록 선택되며, 길이가 수 피트일 수 있습니다.
그런 다음 전자는 "포획기"라고 불리는 두 번째 공동을 통과하여 공동 양쪽에 있는 비슷한 격자 쌍을 통과합니다.캐처 그리드의 기능은 전자 빔에서 에너지를 흡수하는 것입니다.전자의 다발은 다발처럼 공명 주파수가 같은 공동에서 고정된 파동을 자극합니다.각 전자 다발은 출구 그리드가 입구 그리드에 대해 음의 한 점에서 그리드 사이를 통과하기 때문에 그리드 사이의 캐비티 내 전계는 전자 움직임에 반대한다.따라서 전자는 전계에 작용하고 감속되며 운동 에너지가 전위 에너지로 변환되어 공동에서 진동하는 전계의 진폭을 증가시킵니다.따라서 캐처 캐비티의 진동장은 번처 캐비티에 적용된 신호의 증폭 복사입니다.증폭된 신호는 동축 케이블 또는 도파관을 통해 캐처 캐비티에서 추출됩니다.
캐쳐를 통과해 에너지를 포기한 후 저에너지 전자빔은 작은 양의 전압으로 유지되는 제2의 양극인 콜렉터 전극에 의해 흡수된다.
클라이스트론 발진기
"캐처" 및 "번처" 캐비티를 동축 케이블 또는 도파관으로 접속함으로써 출력에서 입력으로의 피드백 경로를 제공함으로써 클라이스트론 튜브에서 전자발진기를 만들 수 있다.장치를 켜면 캐비티 내 전자 노이즈가 튜브에 의해 증폭되고 출력 캐쳐에서 번처 캐비티로 피드백되어 다시 증폭됩니다.캐비티의 Q가 높기 때문에 신호는 캐비티의 공진 주파수에서 빠르게 사인파가 됩니다.
다공성 클라이스트론
현대의 모든 카이스트론에서 충치의 수는 2개를 초과합니다.첫 번째 "buncher"와 "catcher" 사이에 추가된 "buncher" 공동은 클라이스트론의 이득을 증가시키거나 대역폭을 [8]증가시키기 위해 사용될 수 있다.
전자빔이 컬렉터 전극에 부딪힐 때 잔류 운동 에너지는 낭비된 에너지를 나타내며, 이는 열로 방산되며 냉각 시스템에 의해 제거되어야 합니다.일부 현대 클라이스트론은 전자를 수집하기 전에 빔에서 에너지를 회수하여 효율을 높이는 압착 컬렉터를 포함합니다.다단 누름 수집기는 에너지 빈의 전자를 "분류"하여 에너지 회수를 강화합니다.
반사 클라이스트론
반사 클라이스트론은 발진기 역할을 하는 단일 공동이 있는 저출력 클라이스트론 튜브였다.1950년대와 1960년대에 일부 레이더 수신기에서는 로컬 발진기로, 마이크로파 송신기에서는 변조기로 사용되었지만, 지금은 반도체 마이크로파 장치로 대체되었다.
반사 클라이스트론에서 전자 빔은 단일 공명 공동을 통과합니다.전자는 전자총에 의해 튜브의 한쪽 끝으로 발사됩니다.공명 공동을 통과한 후 음전하를 띤 반사기 전극에 의해 반사되어 공동을 통과하는 또 다른 통과가 이루어지며, 그 다음에 수집됩니다.전자 빔은 캐비티를 처음 통과할 때 속도 변조됩니다.전자 다발의 형성은 반사체와 캐비티 사이의 드리프트 공간에서 발생합니다.전자 빔이 공진 캐비티에 재진입할 때 번칭이 최대가 되도록 리플렉터의 전압을 조정하여 전자 빔에서 캐비티의 RF 진동으로 최대 에너지가 전달되도록 해야 합니다.반사기 전압은 최적값에서 약간 변화할 수 있으며, 이로 인해 출력 전력이 다소 손실되지만 주파수의 변동도 발생합니다.이 효과는 수신기의 자동 주파수 제어 및 송신기의 주파수 변조에서 좋은 이점을 제공합니다.전송에 적용되는 변조 수준은 전력 출력이 기본적으로 일정하게 유지될 정도로 작습니다.최적전압과는 거리가 먼 영역에서는 전혀 [10]진동이 발생하지 않는다.반사 클라이스트론이 진동하는 반사기 전압 영역은 종종 여러 개 있습니다. 이러한 영역을 모드라고 합니다.리플렉스 클라이스트론의 전자 튜닝 범위는 보통 절반의 전력 포인트 사이의 주파수 변동(발진 모드의 출력이 모드의 최대 출력의 절반인 지점)이라고 합니다.
현대 반도체 기술은 대부분의 애플리케이션에서 반사 클라이스트론을 효과적으로 대체했습니다.
자이로클리스트론
자이로크리스트론은 사이클로트론 공진 조건에 따라 작동되는 마이크로파 증폭기입니다.클라이스트론과 마찬가지로 동작은 전자빔의 변조에 의존하지만, 축방향 번치 대신 변조력에 의해 사이클로트론 주파수와 움직임의 방위성 성분이 변화하여 위상 번치가 발생합니다.출력 캐비티에서는 올바른 감속상에 도달한 전자가 캐비티 필드에 에너지를 전달하고 증폭된 신호를 결합할 수 있다.자이로클리스트론은 원통형 또는 동축형 공동이 있으며, 횡전계 모드로 작동합니다.상호 작용은 공진 조건에 따라 달라지기 때문에 기존 클라이스트론보다 큰 캐비티 치수를 사용할 수 있다.이를 통해 자이로크리스트론은 기존 클라이스트론을 사용하는 것이 어려운 매우 높은 주파수에서 높은 전력을 공급할 수 있습니다.
튜닝
어떤 클라이스트론은 조정 가능한 충치를 가지고 있다.정비사는 개별 공동 주파수를 조정하여 앰프의 작동 주파수, 게인, 출력 전력 또는 대역폭을 변경할 수 있습니다.(동일한 부품/모델 번호 klystrons를 비교하는 경우에도) 정확히 동일한 두 klystron은 없습니다.각 장치에는 특정 성능 특성에 대해 제조업체에서 제공한 교정 값이 있습니다.이 정보가 없으면 klystron은 적절히 조정되지 않기 때문에 성능이 저하됩니다.
클라이스트론을 올바르게 조정하지 않을 경우 매우 높은 전압으로 인해 장비가 손상되거나 정비사가 부상을 입을 수 있는 정교한 작업입니다.정비사는 눈금의 한계를 초과하지 않도록 주의해야 합니다. 그렇지 않으면 클라이스트론이 손상될 수 있습니다.Klystron을 조정할 때 취하는 다른 주의사항으로는 비철 공구를 사용하는 것이 있습니다.어떤 클라이스트론은 영구 자석을 사용한다.기술자가 철제 공구(강자성)를 사용하여 전자빔을 포함하는 강한 자기장에 너무 가까이 접근하면 이러한 공구가 강한 자기력에 의해 장치 안으로 빨려 들어가 손가락이 부딪히거나 기술자가 부상을 입을 수 있습니다.베릴륨 합금으로 만들어진 특수 경량 비자성(또는 매우 약한 반자성) 공구는 미 공군의 클라이스트론을 튜닝하는 데 사용되어 왔다.
항공기 내에서 클라이스트론 장치를 운송할 때는 강력한 자기장이 자기 항법 장비를 방해할 수 있으므로 예방 조치를 정기적으로 취한다.특수 오버팩은 "현장"에서 이 필드를 제한하도록 설계되어 있기 때문에 이러한 장치를 안전하게 운반할 수 있습니다.
광학 클라이스트론
Klystron에 사용되는 증폭 기술은 자유전자레이저(FEL)라고 불리는 종류의 레이저의 광주파수에서도 실험적으로 적용되고 있습니다.이러한 소자는 광클라이스트론이라고 불립니다.[11]마이크로파 캐비티 대신에, 이것들은 언듈레이터라고 불리는 장치를 사용한다.전자 빔은 레이저 광선이 전자의 번들을 일으키는 파동기를 통과합니다.그런 다음 빔은 두 번째 파동기를 통과하는데, 전자 다발이 진동을 일으켜 두 번째 보다 강력한 [11]광빔을 생성합니다.
플로팅 드리프트 튜브 클라이스트론
플로팅 드리프트 튜브 클라이스트론에는 전기적으로 분리된 중앙 튜브가 들어 있는 단일 원통형 챔버가 있습니다.전기적으로 이는 두 캐비티 사이에 상당한 피드백이 있는 두 캐비티 발진기 클라이스트론과 유사합니다.소스 캐비티에서 나오는 전자는 드리프트 튜브를 통과하여 다발로 목적지 챔버에 나타나 캐비티 내 진동에 전력을 공급하면서 전계에 의해 속도 변조됩니다.이 유형의 발진기 klystron은 주파수 변화에 영향을 주는 튜닝 요소가 하나만 필요하다는 점에서 기반이 되는 2-캐비티 klystron보다 유리합니다.드리프트 튜브는 캐비티 벽으로부터 전기적으로 절연되며 DC 바이어스는 별도로 적용됩니다.드리프트 튜브의 DC 바이어스는 튜브를 통과하는 통과 시간을 변경하도록 조정될 수 있으며, 따라서 진동 주파수를 전자적으로 조정할 수 있습니다.이러한 방식의 튜닝 양은 많지 않으며 일반적으로 전송 시 주파수 변조에 사용됩니다.
적용들
Klystrons는 Gunn 다이오드와 같은 고체 마이크로파 장치보다 훨씬 더 높은 마이크로파 출력을 생성할 수 있습니다.현대 시스템에서는 UHF(수백 메가헤르츠)에서 최대 수백 기가헤르츠까지 사용됩니다(CloudSat 위성의 확장 상호 작용 Klystrons에서처럼).클라이스트론은 레이더, 위성 및 광대역 고출력 통신(텔레비전 방송 및 EHF 위성 단말기에서 매우 일반), 의학(방사선 종양학) 및 고에너지 물리학(입자 가속기 및 실험용 원자로)에서 찾을 수 있다.예를 들어 SLAC에서는 2856MHz에서 50MW(펄스) 및 50kW(시간 평균) 범위의 출력을 갖는 klystron이 정기적으로 사용된다.아레시보 행성 레이더는 2380MHz에서 [12]총 1MW(연속)의 출력을 제공하는 두 개의 카이스트론을 사용했다.
Popular Science의 "Best of What's New 2007"[13][14]에 따르면 Global Resource Corporation은 현재 사라진 회사로서, 일상 자재, 자동차 폐기물, 석탄, 오일 셰일, 오일 모래에 있는 탄화수소를 천연 가스와 [15]디젤 연료로 전환하기 위해 클리스트론을 사용했다고 합니다.
「 」를 참조해 주세요.
레퍼런스
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- ^ 바리안, 도로시"발명가와 조종사"퍼시픽 북스, 1983년, 189쪽
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- ^ "V- 260, Tube V-260; Röhre V- 260 ID35571, Reflex Klystron". www.radiomuseum.org. Retrieved 2019-12-03.
- ^ Reflex klystron, Dorling Kinderley, September 1990, pp. 391, 392, ISBN 978-81-7758-353-3
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