Entwurf eines trajektorien-modulierten Höchstfrequenz-Klystrons
Wegner, Rolf Christian
Für Teilchenbeschleuniger, die im Frequenzbereich des W-Bandes arbeiten, sind der¬zeit nur wenige Verstärker mit Ausgangsleistungen von einigen Kilowatt verfügbar. Dichte-modulierte Klystrons stoßen wegen der benötigten Resonatordimensionen im Bereich einiger Millimeter an Grenzen, die die defokussierenden Coulombkräfte und die Verlustleistung in den Resonatoren setzen, so dass ihre Effizienz und die erlaubten An-Aus-Tastverhältnisse vergleichsweise gering ausfallen. Dies motivierte den Entwurf eines trajektorien-modulierten W-Band Klystrons, bei dem der Elektronenstrahl räumlich ausgelenkt wird. Durch das Ablenkverhalten bedingt, wurde ein Oberwellenklystron entwickelt, bei dem die Modulationsfrequenz 30 GHz beträgt und die dritte Harmonische (bei 90 GHz) ausgekoppelt wird. Dem dadurch sinkenden Wirkungsgrad stehen zwei Vorteile gegenüber: Zum Ersten kann die benötigte Modulationsleistung von 18 W bei 30 GHz durch Halbleiterverstärker erzeugt werden und zum Zweiten verdoppelt sich durch die Oberwellenanregung die kühlbare Fläche des Ausgangsresonators, so dass das entworfene Klystron mit einem duty cycle von 5-10 % betrieben werden kann und eine Spitzen-Ausgangsleistung von 6,3 kW bereitstellt. Der Gesamtwirkungsgrad wird durch einen Depressed Collector von 6,3 % auf 20 % angehoben.
At the moment there are only a limited number of W-band amplifiers for particle accelerators available, which are capable of producing a few kilowatts of output power. Density-modulated klystrons in this field have low efficiencies. As the resonators are small (dimensions of a few millimetres), also the cross section of the electron beam needs to be small. This increases the Coulomb forces, which counteract the bunching process. Furthermore, the permitted duty cycle is limited by the capabilities for cooling and hence the resonator size. These features motivated a design of a trajectory-modulated klystron in which the electron beam is deflected instead of bunched. Due to the properties of the deflection unit, the input frequency was chosen to be 30 GHz whereas the output frequency is 90 GHz. This leads to a decrease in efficiency while at the same time there are two major advantages: Firstly, the input signal of a power level of 18 W can be generated by semiconductor amplifiers and secondly, the use of the third harmonics doubles the surface area of the output resonator and hence a duty cycle of 5-10% can be allowed. The output peak power is 6.3 kW. The total efficiency was increased from 6.3% to 20% by using a depressed collector.
