Kỹ thuật vi sóng - Khoang Klystron

Để tạo ra và khuếch đại vi sóng, cần có một số ống đặc biệt được gọi là Microwave tubes. Trong số họ,Klystron là một trong những quan trọng.

Các yếu tố thiết yếu của Klystron là chùm điện tử và bộ cộng hưởng khoang. Chùm điện tử được tạo ra từ một nguồn và các klystron trong khoang được sử dụng để khuếch đại tín hiệu. Một bộ thu có mặt ở cuối để thu các electron. Toàn bộ thiết lập như thể hiện trong hình sau.

Các điện tử do catốt phát ra được gia tốc về phía bộ cộng hưởng thứ nhất. Bộ thu ở cuối có cùng điện thế với bộ cộng hưởng. Do đó, thông thường các điện tử có tốc độ không đổi trong khoảng trống giữa các buồng cộng hưởng khoang.

Ban đầu, bộ cộng hưởng khoang đầu tiên được cung cấp một tín hiệu tần số cao yếu, tín hiệu này phải được khuếch đại. Tín hiệu sẽ khởi tạo một trường điện từ bên trong khoang. Tín hiệu này được truyền qua cáp đồng trục như trong hình sau.

Do trường này, các điện tử đi qua bộ cộng hưởng của khoang được điều biến. Khi đến bộ cộng hưởng thứ hai, các electron được cảm ứng với một EMF khác ở cùng tần số. Trường này đủ mạnh để trích xuất một tín hiệu lớn từ khoang thứ hai.

Bộ cộng hưởng từ khoang

Trước tiên, chúng ta hãy thử tìm hiểu các chi tiết cấu tạo và hoạt động của một bộ cộng hưởng từ khoang. Hình dưới đây chỉ ra bộ cộng hưởng khoang.

Có thể so sánh một mạch cộng hưởng đơn giản bao gồm một tụ điện và một vòng dây cảm ứng với bộ cộng hưởng hốc này. Một vật dẫn có các êlectron tự do. Nếu đặt một điện tích vào tụ điện để nó mang điện đến hiệu điện thế có cực tính này thì nhiều êlectron bị bứt ra khỏi bản trên và đưa vào bản dưới.

Tấm có nhiều electron hơn sẽ là cực âm và tấm có số electron ít hơn sẽ trở thành cực dương. Hình sau cho thấy sự lắng đọng điện tích trên tụ điện.

Đường sức điện trường hướng từ điện tích dương về phía âm. Nếu tụ điện tích điện phân cực ngược thì chiều của điện trường cũng đổi chiều. Sự dịch chuyển của các electron trong ống, tạo thành dòng điện xoay chiều. Dòng điện xoay chiều này làm phát sinh từ trường xoay chiều, lệch pha với điện trường của tụ điện.

Khi từ trường có cường độ cực đại thì điện trường bằng không và sau một thời gian thì điện trường đạt cực đại còn từ trường bằng không. Sự trao đổi sức mạnh này xảy ra trong một chu kỳ.

Bộ cộng hưởng đóng

Giá trị của tụ điện và độ tự cảm của vòng dây càng nhỏ thì dao động hoặc tần số cộng hưởng càng cao. Vì độ tự cảm của mạch vòng rất nhỏ nên có thể thu được tần số cao.

Để tạo ra tín hiệu tần số cao hơn, độ tự cảm có thể được giảm hơn nữa bằng cách đặt nhiều vòng cảm ứng song song như thể hiện trong hình sau. Điều này dẫn đến việc hình thành một bộ cộng hưởng kín có tần số rất cao.

Trong một máy cộng hưởng kín, điện trường và từ trường được giới hạn ở bên trong khoang. Bộ cộng hưởng đầu tiên của khoang được kích thích bởi tín hiệu bên ngoài sẽ được khuếch đại. Tín hiệu này phải có tần số mà tại đó khoang có thể cộng hưởng. Dòng điện trong cáp đồng trục này thiết lập một từ trường, tạo ra một điện trường.

Làm việc của Klystron

Để hiểu sự điều biến của chùm điện tử, đi vào khoang đầu tiên, chúng ta hãy xem xét điện trường. Điện trường trên bộ cộng hưởng không ngừng thay đổi hướng của trường cảm ứng. Tùy thuộc vào điều này, các điện tử đi ra khỏi súng điện tử, được kiểm soát tốc độ của chúng.

Khi các electron mang điện tích âm, chúng được tăng tốc nếu di chuyển ngược chiều với hướng của điện trường. Ngoài ra, nếu các electron chuyển động theo cùng một hướng của điện trường, chúng sẽ bị giảm tốc. Điện trường này liên tục thay đổi, do đó các electron được tăng tốc và giảm tốc tùy thuộc vào sự thay đổi của trường. Hình sau cho biết dòng electron khi trường theo hướng ngược lại.

Trong khi chuyển động, các electron này đi vào vùng không gian tự do của trường được gọi là drift spacegiữa các buồng cộng hưởng với tốc độ khác nhau tạo ra các chùm electron. Những chùm này được tạo ra do sự thay đổi của tốc độ di chuyển.

Các chùm này đi vào bộ cộng hưởng thứ hai, với tần số tương ứng với tần số mà bộ cộng hưởng thứ nhất dao động. Vì tất cả các bộ cộng hưởng trong khoang đều giống nhau, nên sự chuyển động của các electron làm cho bộ cộng hưởng thứ hai dao động. Hình sau cho thấy sự hình thành các chùm electron.

Từ trường cảm ứng trong bộ cộng hưởng thứ hai tạo ra một số dòng điện trong cáp đồng trục, tạo ra tín hiệu đầu ra. Động năng của các electron trong khoang thứ hai gần như bằng động năng của các electron trong khoang thứ nhất và do đó không có năng lượng nào được lấy từ khoang này.

Các electron khi đi qua khoang thứ hai, một số ít trong số chúng được tăng tốc trong khi các chùm electron bị giảm tốc. Do đó, tất cả động năng được chuyển thành năng lượng điện từ để tạo ra tín hiệu đầu ra.

Độ khuếch đại của Klystron hai khoang như vậy thấp và do đó Klystron nhiều khoang được sử dụng.

Hình dưới đây mô tả một ví dụ về bộ khuếch đại Klystron nhiều khoang.

Với tín hiệu được áp dụng trong khoang đầu tiên, chúng tôi nhận được các chùm yếu trong khoang thứ hai. Chúng sẽ thiết lập một trường trong khoang thứ ba, nơi tạo ra nhiều chùm tập trung hơn, v.v. Do đó, độ khuếch đại lớn hơn.