Klystroni

Klystroni on katodisädeputkiin kuuluva elektroniputki, jossa elektronisuihku kulkee onteloresonaattorisarjan läpi.
Pseudokreikkalainen nimitys klystroni tulee kantasanasta κλυσ- (klys), joka on kreikankielinen aaltojen murtumista rantaan kuvaava verbi ja sanan loppu sanasta elektroni.

Rakenne

Klystron on tyhjiöputki, jonka toisessa päässä on elektronitykki ja vastakkaisessa päässä neutraali kollektori, johon elektronisuihku törmää, tai negatiivinen heijastin, joka kimmauttaa elektronit takaisin ja muodostuu oskillaattori. Siinä välissä on yksi tai useampia onteloresonaattoreita, joiden läpi suihku kulkee. Ensimmäiseen onteloon johdinsilmukalla tai aaltoputkella tuotu heikko signaali aiheuttaa elektronisuihkuun nopeusmodulaation. Viimeisestä ontelosta saadaan sama signaali vahvistuneena. Suihku pidetään koossa voimakkaalla magneetilla.

Käyttö

Klystroneita käytetään oskillaattoreina tai vahvistimina mikroaalto- ja radiotaajuuksilla. Oskillaattorina klystron on yleensä heijastinklystron ja vahvistimena lineaariklystron. Mutta vahvistinklystron, kuten mikä tahansa vahvistin, voidaan kytkeä myös oskillaattoriksi.
Oskillaattorina heijastinklystronia on käytetty tuottamaan matalatehoisia, mutta suuritaajuisia paikallistaajuuksia välitaajuuden muodostamiseksi 1960-luvulle asti, jonka jälkeen sama asia on voitu tehdä transistorilla. Sen sijaan hiukkaskiihdyttimissä hyvin suuritehoinen klystron on edelleen käytössä mikroaaltokehittimenä.
Televisiolähetin ja tehokas tietoliikenteen radiolähetin tarvitsevat hyvin suuren tehon, jota on myös voitava tarkasti ja stabiilisti ohjata monimutkaisen modulaation mukaan. Siihen on klystronia käytetty vuosikymmeniä hyvällä menestyksellä tehovahvistimena.
Tutkassa yleisesti käytetty magnetron on säädettävyydeltään rajoitettu. Siksi klystronilla, ja sen "sisarkomponentilla" kulkuaaltoputkella (TWT), on toteutettu sellaisia tutkalähettimiä, joiden lähetyspulssin taajuutta on voitava helposti säätää jopa pulssin kestoaikana. Tällöin transistorioskillaattorin teho nostetaan klystronvahvistimella tarvittavalle tehotasolle. Tyypillisen ilmavalvontatutkan klystronlähettimen taajuus on n 3 GHz ja huipputeho 1 MW. Stanfordin yliopistolla on kehitetty klystroneja hyvin suurille antotehoille. Käyttämällä rakennetta, jossa on useampi elektronitykki ja katodisäde rinnakkain, on saatu kymmenien megawattien huipputehoja jopa 10 GHz:n taajuudella. Stanfordin kehittämä tyyppi, 50-MW X-band PPM klystron, pystyy antamaan 59 MW:n huipputehon kun katodisäteen kiihdytysjännite on 465 kV, virta 190 A ja hyötysuhde 65 %.
Klystronvahvistin on hyvä vahvistamaan myös pienitehoista signaalia koska se on hyvin stabiili ja sen tehovahvistus on hyvin suuri, jopa 60 dB ja ylikin. (60 dB vahvistus tarkoittaa tehon vahvistumista miljoonakertaiseksi.)
Suuritehoiset klystronit ovat vesijäähdytteisiä, pienet vahvistimet ilmajäähdytteisiä. Klystronin hyötysuhde on verraten huono, n. 60 %, joten hukkalämpöä syntyy paljon katodisäteen tehon suhteessa.

Historia

Klystron keksittiin tavallaan useampaan kertaan. 1930-luvulla Leningradin yliopiston fyysikko, Agnessa Arsenejeva, ja hänen tuleva aviomiehensä, saksalainen Oskar Heil, tutkivat yhdessä elektronien nopeusmodulaatiota teoriassa. He jatkoivat tutkimuksiaan Britanniassa Cavendish Laboratoriossa Cambridgessä. Toinen maailmansota katkaisi heidän työnsä ja Agnessa matkusti Leningradiin jatkamaan tutkimustyötään ja Oskar Berliiniin.
Ainakin Oskar Heil sai Berliinissä työnsä valmiiksi ja kehitti hyvin klystronin tavoin toimivan, Heilin putkeksi, sanotun oskillaattorin. Heil julkaisi siitä sanomalehtikirjoituksen 1935. Saksan asevoimat käytti Heilin putkea elektroniikassaan koko sodan ajan.
Leningradin yliopisto sai myös tuloksia aikaan ja siellä kehitettiin mm. monisädetekniikkaan perustuva suurtehoklystron. Myös monia muita klystronin malleja kehitettiin kaikille taajuusalueille ja monille käyttötarkoituksille. Neuvostoliitossa oltiin myös varmoja, että klystron on heidän keksintönsä.
Kylmän sodan aikaan 1960-luvulla syntyi USA:ssa uudelleenlämmitys "kuolemansäteestä", supervoimakkaasta mikroaaltoaseesta. Salainen projekti 140 kehitti klystronin avulla asetta, jolla oli tarkoitus vahingoittaa maajoukkoja. Uudelleen asia tuli esille 1980-luvulla. Tällöin oli tarkoitus vahingoitta torjuntatarkoituksessa ohjuksia niiden lentoradalle. Neuvostoliiton kehittämät, monisädetekniikkaa käyttävät, suurtehoklystronit olivat avainasemassa tässä suunnittelussa. "Kuolemansädettä" ei syntynyt, mutta kehitystyön sivutuotteena syntyi hyvin tehokkaita klystroneja, joilla voitiin rakentaa suuria hiukkaskiihdyttimiä.
1930-luvulla Stanfordin yliopistossa työskenteli fyysikko W. W. Hansen tutkien röntgensäteitä elektronisuihkun avulla. Hän tuli huomanneeksi onteloresonaattorin muodostavan elektroniputkesta oskillaattorin. Asia ei ensin herättänyt suurta huomiota, mutta oskillattori kuitenkin rakennettiin ja dokumentoitiin. Se sai nimekseen rumbatron, johtuen sähkömagneettisten kenttien heilahtelutavasta ontelon sisällä. Samassa laboratoriossa työskentelivät veljekset, Russell ja Sigurd Varian. Heidän työnsä rumbartonin edelleen kehityksessä johti klystronin syntymiseen. On epäselvää, kuinka paljon Varianit tunsivat Heilien töitä, mutta Varianin veljeksiä pidetään yleisesti klystronin keksijöinä. Stanfordin yliopiston nimissä on ensimmäinen klystronin patentti vuodelta 1939, jonka osti Sperry Gyroscope company, johon myös Varianit siirtyivät tutkijoiksi. He perustivat myöhemmin oman nimeään kantavan tehtaan.