Klystron

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

Dabei erfährt ein im Vakuum erzeugter Elektronenstrom durch ein hochfrequentes Wechselfeld eine Geschwindigkeitsveränderung. Er durchläuft dazu einen mit dem Signal gespeisten Hohlraumresonator. 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.

Das Zweikammer-Klystron besteht aus zwei Hohlraumresonatoren: Der erste Hohlraumresonator (Steuerkammer, Einkoppel-Resonator) wird dabei durch das eingespeiste Signal zum Schwingen angeregt, d.h. es fließen Wandströme mit einer Frequenz, die der eingespeisten entspricht. Diese Wandströme wechselwirken mit dem Elektronenstrahl und modulieren dessen Geschwindigkeit (abwechselnd durch Beschleunigung und Bremsung, je nachdem in welcher Phase sich das steuernde Signal befindet). Nach einer bestimmten Laufzeit befinden sich gebremste, unbeeinflusste und beschleunigte Elektronen an der selben Stelle, es kommt also zu einem Elektronenpaket (Bunch, Dichtemodulation). Durch die wirkenden Coloumb-Kräfte zerfließt dieses Paket in weiterer Folge wieder, d.h. entlang der Laufstrecke der Elektronen wechseln geschwindigkeits- und dichtemodulierte Stellen einander ab.

Beim Zweikammer-Klystron befindet sich die der zweite Hohlraumresonator (Auskoppelresonator) am ersten Maximum der Dichtemodulation, also an einer Stelle, an der gebremste, unbeeinflusste und beschleunigte Elektronen einen bunch bilden. Durch Influenz werden nun in diesem zweiten Hohlraumresonator Wandströme verursacht, der Hohlraum gerät in Schwingung und eine elektromagnetische Hohlraumwelle kann ausgekoppelt werden. Die ausgekoppelte Welle besitzt nun eine um 30 bis 70 dB größere Amplitude als die eingekoppelte, das Zweikammer-Klystron wird also zur Verstärkung eingesetzt.

Der Elektronenstrahl, der einen Teil seiner kinetischen Energie an den Auskoppel-Resonator abgibt, wird daraufhin von einem Kollektor aufgefangen.

Der Nachteil des Zweikammer-Klystrons ist die begrenzte Bandbreite, die stark von den hochgütigen Hohlraumresonatoren (Q=10000) abhängig ist. Eine höhere Bandbreite lässt sich durch Mehrkammer-Klystrons erreichen.

Beim Reflexklystron sind modulierende und entnehmende Hohlraum-Elektrode identisch – der Elektronenstrom wird auf diese durch eine negativ vorgespannte Elektrode zurückreflektiert. Das Reflexklystron ist daher ein Oszillator.

Klystrons können zur Verstärkung als Mehrkammer-Klystron für Leistungen bis zu einigen 10 Megawatt gebaut werden. Der Frequenzbereich erstreckt sich von einigen 100 MHz bis hin zu einigen 10 GHz.

Typische Anwendungsgebiete sind starke UHF- und Mikrowellen-Sender, Radar (Reflexklystron als Mischoszillator), Mikrowellenheizung (z.B. in der Spanplattenherstellung), medizinische und wissenschaftliche Teilchenbeschleuniger sowie die Breitband-Satellitenkommunikation.

Bis vor einigen Jahren war das Klystron in terrestrischen UHF-Sendern weit verbreitet. Mittlerweile wird es dort aber mehr und mehr von IOT (Inductive Output Tube) oder von Halbleiterverstärkern verdrängt.