DasKlystron ist eineElektronenröhre, die die Laufzeit derElektronen zur Erzeugung oder Verstärkung von Hochfrequenzsignalen ausnutzt (Laufzeitröhre). Das Grundprinzip wurde vonOskar Heil 1935 veröffentlicht. Es wurde 1937 von den GebrüdernRussell undSigurd Varian unter Mithilfe vonWilliam Webster Hansen an derStanford University (Kalifornien) entwickelt.
Im Klystron erfährt ein imVakuum erzeugter und durch Hochspannung beschleunigter Elektronenstrom durch ein hochfrequentes elektrischesWechselfeld eine Geschwindigkeitsmodulation. Er durchläuft dazu einen mit einem Hochfrequenz-Signal gespeistenHohlraumresonator. Nach einer gewissen Laufzeit bewirkt die Geschwindigkeitsmodulation eine Dichtemodulation. Dermodulierte Elektronenstrom kann durch einen oder mehrere weitere Hohlraumresonatoren (Mehrkammerklystron) geführt werden, und am letztenResonator kann ein Teil seiner Energie als Hochfrequenzenergie entnommen werden.
Dieser Verstärker für sehr hohe Frequenzen wird zwar in der Praxis nicht eingesetzt, eignet sich aber gut zur Beschreibung der prinzipiellen Wirkungsweise eines Klystrons. Den Hochfrequenzteil bilden zwei Hohlraumresonatoren: Im ersten Hohlraumresonator (Steuerkammer, Einkoppel-Resonator) wird durch das eingespeiste Signal eine elektromagnetische Schwingung angeregt, deren elektrische Komponente im Zentrum des Resonators mit dem Elektronenstrahl in Wechselwirkung tritt und dessen Geschwindigkeit moduliert (abwechselnd durch Beschleunigung und Bremsung, je nachdem in welcher Phase sich das steuernde Signal befindet). Die schnelleren Elektronen können nun die früher ausgesendeten, langsameren Elektronen überholen. Nach einer bestimmten Laufzeit befinden sich gebremste, unbeeinflusste und beschleunigte Elektronen an derselben Stelle, es entsteht ein Elektronenpaket (Bunch, Dichtemodulation).Durch die weiter bestehenden Geschwindigkeitsunterschiede zerfließt dieses Paket wieder, um sich später erneut zu formen. D.h. entlang der Laufstrecke der Elektronen wiederholen sich die dichtemodulierten Stellen periodisch; es entsteht eineRaumladungswelle.
Beim Zweikammer-Klystron befindet sich das Zentrum des zweiten Hohlraumresonators (Auskoppelresonator) am ersten Maximum der Dichtemodulation. DurchInfluenz werden in diesem zweiten Hohlraumresonator Wandströme verursacht, im Hohlraum entsteht eine elektro-magnetische Schwingung, deren elektrische Komponente so gerichtet ist, dass sie die Elektronenpakete abbremst. Dadurch überträgt der Elektronenstrahl einen Teil seiner kinetischen Energie an das elektromagnetische Feld. Von dessen Energie wiederum kann ein Anteil ausgekoppelt werden. Die ausgekoppelte Welle besitzt infolge der Energieübertragung aus dem Elektronenstrahl eine größere Amplitude als die eingekoppelte, das Zweikammer-Klystron arbeitet also als Verstärker.
Der Elektronenstrahl wird daraufhin von einem Kollektor aufgefangen.
Für die in der Praxis benötigten Ausgangsleistungen werden Elektronenstrahlen hoher Leistung benötigt. Die dadurch bedingte hoheRaumladungsdichte im Strahl erfordert infolge derCoulombkräfte zwischen den Elektronen zur Paketbildung eine Modulation mit hoher Geschwindigkeit. Diese wird durch Verwendung zusätzlicher Resonatoren (Zwischenresonatoren) zwischen Eingangs- und Ausgangsresonator erreicht. Da aus ihnen im Normalfall keine Leistung ausgekoppelt wird, entwickeln sich in ihnen kaskadierend höhere elektrische Felder in den Resonatorzentren, die schließlich zur erforderlichen Paketbildung führen. Das Verfahren hat gleichzeitig den Vorteil, dass durch eine Verstimmung der Resonanzfrequenzen der Zwischenresonatoren gegeneinander eine im Vergleich zum Zweikammer-Klystron wesentlich höhere Bandbreite (bis ca. 1 %) erreicht werden kann.
Verstärker-Klystrons können als Mehrkammer-Klystron für Kurzpuls-Leistungen (Mikrosekunden-Bereich) bis zu etwa 100 Megawatt gebaut werden, im kontinuierlichen Betrieb („Dauerstrichleistung“) bis weit über 1 Megawatt. Der Frequenzbereich erstreckt sich von einigen 100 MHz bis hin zu einigen 10 GHz.
Typische Anwendungsgebiete sind starkeUHF- undMikrowellen-Sender,Radar (Reflexklystron als Mischoszillator), Mikrowellenheizung (z. B. in der Spanplattenherstellung), medizinische und wissenschaftlicheTeilchenbeschleuniger sowie die Breitband-Satellitenkommunikation.
Bis vor einigen Jahren war das Klystron in terrestrischenUHF-Sendern weit verbreitet. Mittlerweile wird es dort aber mehr und mehr vonIOT (Inductive Output Tube) oder von Halbleiterverstärkern verdrängt.
Beim Reflexklystron, auch alsSutton-Röhre bezeichnet, sind der modulierende und der entnehmende Hohlraum identisch – der Elektronenstrom wird in diesen durch eine negativ vorgespannte Elektrode reflektiert. Das Reflexklystron kann daher alsOszillator wirken. Die Bezeichnung Sutton-Röhre leitet sich von ihrem Erfinder Robert Sutton ab, der diesen Röhrentyp im Jahr 1940 entwickelte. In der Sowjetunion wurde vonNikolai Dewjatkow ein solches Klystron entwickelt.Reflexklystrons wurden während desZweiten Weltkriegs in den damals ersten Radargeräten eingesetzt, wurden jedoch auf britischer Seite bald vomMagnetron abgelöst[1]. Das Reflexklystron kam nun nur als Mischoszillator im Empfangszweig der Geräte sowie zu Richtfunkzwecken zum Einsatz. In den 1960er Jahren wurde das Reflexklystron und auch kleinere Pulsquellen in vielen Anwendungsbereichen durchGunndioden abgelöst, die erheblich kleiner, abstimmbar und effizienter sind und mit nur einer und zudem geringeren Betriebsspannung arbeiten.
Bis in die 1980er Jahre wurden Reflexklystrons in größerem Umfang (z. B. das TK6 von Telefunken[2] für 7 GHz) in Richtfunkanlagen eingesetzt.
Die Funktionsweise des Reflexklystrons wird anhand des nebenstehenden Bildes erklärt: Manche der Elektronen, die von derGlühkathode ausgesendet und von der Anode beschleunigt werden, durchlaufen dieResonatorkammer und erzeugen darin durch Influenz ein schwaches elektromagnetisches Feld. Nach einer gewissen Laufzeit werden sie vom negativen elektrischen Potential des Reflektors zur Umkehr gezwungen und durchlaufen die Resonatorkammer in umgekehrter Richtung. Wenn sich zu diesem Zeitpunkt die vorher induzierte Stromrichtung in diesemSchwingkreis gerade umgekehrt hat, wird diese Schwingung erneut verstärkt, es entsteht ein Oszillator. Ein Teil der erzeugten HF-Energie kann durch einen Draht induktiv ausgekoppelt werden. Da die meisten Elektronen, die von der Kathode ausgesandt werden, unmittelbar auf der Anode landen, beträgt der Wirkungsgrad nur wenige Prozent. Ausschlaggebend für die Funktion ist eine ausreichende Übereinstimmung der Elektronenlaufzeit mit einem Vielfachen der Schwingungsdauer. Durch geringe Änderung der Reflektorspannung erzielt man eineFrequenzmodulation. Die Frequenz kann oft auch durch mechanisches Verformen des Resonators geändert bzw. justiert werden.
Des Weiteren existieren behelfsmäßige Bastellösungen, wie man eine herkömmliche Mehrgitterröhre als Reflexklystron betreiben kann, indem man an zwei der Gitter einen externen Resonator, z. B. eineLecherleitung, anschließt und die Anode als Reflektor nutzt.[3] Dies wird auch als Gill-Morell-Schwingung bezeichnet und wurde bereits am Anfang des 20. Jh. untersucht. Siehe hierzuBarkhausen-Kurz-Schwingung.
