UNIVERS

Licenciatu

Tra

Teme: T

ISPH-

ERSIDADE JOSÉ EDUARDO DOS SANTOS

Instituto Superior Politécnico

ciatura em Electrónica e Telecomunicaçõe

Trabalho de electrónica aplicada III

me: Tubos de vazio, Magnetron e Klystron

O discente: Lucas António

O docente: Ph. Dr. Óscar L

- Departamento de Telecomunicações 2012

NTOS

ações

tron

tónio Quissama

scar Lopes Borrero

Índice 01-Agradecimento 02-Ressumo 03-Introdução 04-Fundamento teórico 4.1- Constituição interna do tubo de vazio 4.2- Princípio de funcionamento do tubo de vazio 4.3- Confiabilidade dos tubos ou válvulas termiónicas 05- Breve historial sobre Magnetron e Klystron 5.1- Válvulas Magnetron 5.2- Constituição física do magnetron 5.3- Princípio de funcionamento da válvula magnetron 5.4- Estrutura de onda 5.5- Modo de oscilação 5.6- Aplicação da válvula magnetron 5.7- Vantagens 5.8- Desvantagens 06- Válvula Klystron 6.1- Constituição física 6.2- Princípio de funcionamento 6.3- Como o feixe de electrões se pulsam 6.4- Como o feixe electrões pulsada introduz energia de micro-onda 6.5- Tipos de válvulas klystron 6.5.1- Klystron de duas cavidades 6.5.2- Klystron de Multicavidade 6.5.3- Válvula klystron Reflex 6.5.4- Válvula klystron Sintonizada 06.6- Aplicação 6.6.1- Vantagens 6.6.2- Desvantagens 0007- Considerações finais 0008- Conclusão 0009- Referências

1. Agradecimentos

Antes de mais nada agradeço o soberano jeová pela força e graça que tem nos concebido para continuar a caminhar esta longa jornada.

Em segundo lugar agradeço o professor Dr. Óscar Borrero por nos ter

dado este trabalho investigativo que contribuirá para a nossa aprendizagem cada vez melhor e pelo seu incansável esforço que tem dado para a nossa aprendizagem e consequentemente no desenvolvimento deste imenso país Angola, que continues a tripular com determinação e coragem este Návio cujo o destino é a felicidade para si e para todos os estudantes.

2. Ressumo

O principal objectivo deste trabalho, é realização de um trabalho

investigativo volvido aos elementos activo de osciladores empregados em radiotransmissores logrando aos estudantes e não só a ter uma noção sobre válvulas termiónicas ou tubos de vazio.

Dos quais articularei detalhadamente acerca de tubos de vazio ou como

são vulgarmente conhecidos de válvulas eletrónicas. Existem diversos tipos de válvulas eletrónicas independentemente da sua aplicação, constituição e o seu princípio de funcionamento.

Neste trabalho, o meu principal foco estará virada sobre válvulas

magnetron e klystron já que as mesmas tiram vantagens em relação aos tríodos. Fazer-se-a uma explanação sobre a constituição física destas, o seu princípio de funcionamento, a sua aplicação, vantagem de uma em relação a outara, qual das tecnologias é mais usada nos dias de hoje.

3. Introdução

Desde os tempos remotos os seres humanos e não só sempre tiveram a necessidades de se comunicarem uns aos outros, pois embora de diversas forma, ao meu parecer a comunicação assenta na báse do triângulo das necessidades de Masllow.

Os Osciladores jogam um importantíssimo papel nas comunicações proporcionando uma portadora aos radiotransmissores. Dizer que um oscilador é um dispositivo eletrónico que a partir de uma fonte de alimentação de corrente contínua é capaz de proporcionar na sua saída uma corrente alternada.

4. Fundamento teórico

Para falar sobre o magnetron e o klystron é imprescindível que se faça uma abordagem sobre os tubos de vazio ou válvulas eletrónicas ou ainda válvulas termiônicas que os antecede.

O tubo de vazio é um dispositivo eletrônico formado por um invólucro de vidro de alto vácuo chamada ampola contendo vários elementos metálicos.

Os tubos de vácuo, os mais simples são os bolbos incandescentes, estes

têm um filamento selado em um envelope de vidro que é evacuado com ar. Quando quente, o filamento libera-se no vácuo, um processo chamado termiónico. A nuvem negativo-carregada resultante dos eletrões é chamada a carga do espaço. Estes eletrões serão extraídos a um metal (placa) dentro do envelope se a placa é carregada positivamente relativo ao filamento, isto resulta em uma corrente dos eletrões que fluem do filamento ate à placa. Isto não pode trabalhar no sentido reverso porque a placa não é aquecida e não pode se emitir eletrões, este exemplo muito simples descrito pode assim ser visto para operar-se como um dispositivo que conduza a corrente somente em um sentido.

Muitas inovações mais adicionais seguiram que tornou-se comum para

usar o filamento aquecer um elétrodo separado chamado o cátodo, e usar o cátodo como a fonte do fluxo do elétron no tubo melhor que no filamento próprio, quando o filamento foi energizado com corrente alterna; em tais tubos, o filamento é chamado um calefator para distingui-lo como um elemento inativo, dai então surgem os tríodos que foram usados, primeiramente nos transmissores de rádio e nos receptores, encontrou-se que eram frequentemente instáveis e tinham uma tendência oscilar devido ao ânodo parasítico à capacidade da grade. Muitos circuitos complexos foram desenvolvidos para reduzir este problema é o caso do (Neutrodyne amplificador), mas escalas largas provadas do excesso insatisfatório das frequências. Descobriu-se que a adição de uma segunda grade, situada entre a grade de controle e a placa e o chamado grade da tela podia resolver estes problemas. Uma tensão positiva ligeiramente mais baixa do que a tensão da placa foi aplicada, e a grade da tela foi contorneada (para altas frequências) à terra com um capacitor, o ânodo e a primeira grade, eliminando completamente o problema da oscilação. Este tubo da dois-grade é chamado a tétrodo, significando quatro eléctrodos activos.

Foram surgindo tubos com maior número de grades em função da

dificuldade ou problema que cada um apresentava, dentre eles hexodes, heptodes, octodos etc.

Fig.1- tubo de vazio

4.1. Constituição interna dos tubos de vazio

Os elementos metálicos internos são, o filamento, cuja função é o aquecimento do cátodo para a emissão de eletrões, o cátodo, emissor de eletrões, a placa, ou ânodo, receptor de eletrões, a grade de controle, que, dependendo de sua polarização, aumenta ou diminui o fluxo eletrônico do cátodo ao ânodo, além de outras grades que podem formar as válvulas.

4.2. Princípio de funcionamento do tubo de vazio

O funcionamento do díodo termiônico é bem simples, ao ligarmos uma

bateria e um miliamperímetro em série, sendo o polo positivo à placa e o polo negativo ao cátodo, este sendo aquecido a determinada temperatura e a partir de uma certa tensão elétrica aplicada ao sistema, começará fluir uma corrente elétrica constante entre cátodo e placa (ânodo), não importando a oscilação da tensão, a intensidade de corrente será sempre a mesma, a este fenômeno se deu o nome de Efeito Édison.

Qualquer que seja a polaridade na placa, sempre haverá Efeito Édison,

pois os eletrões saltam para o espaço que rodeia ao cátodo formando uma nuvem em grande agitação. A esta nuvem se dá o nome de nuvem eletrônica, que é uma carga espacial negativa que rechaçará constantemente os elétrõess para o cátodo e para trás à medida que são emitidos. Este fenômeno é tão efetivo que nenhum dos eletrões atinge a placa, qualquer que seja a tensão elétrica aplicada, para a placa estando negativa.

Atualmente ainda são fabricadas válvulas de potência para radiofrequência. Este tipo de válvula termiônica é utilizada em amplificadores de radiofrequência e em transmissores de menos de um Kilowatt até muitos kilowatt.

Estas válvulas são de construção moderna e aliam alta potência à robustez mecânica. A placa ou ânodo deste tipo de dispositivo é fabricada com grafite ou metais sintetizados. Isto se deve para suportar altas temperaturas e altas dissipações térmicas.

Algumas válvulas de alta potência possuem em suas composições ligas

que contém alguns tipos de materiais cerâmicos e metálicos. Além da utilização em emissoras de radiodifusão e televisão, algumas

espécies de válvulas de potência ainda fabricadas são utilizadas em equipamentos de eletromedicina, como bisturís eletrônicos e equipamentos de diatermia para tratamento fisioterápico.

4.3. Confiabilidade das válvulas termiónicas Atualmente se empregam válvulas para uso em aparelhos de som de alta-

fidelidade, que também são conhecidos como high end. Esses aparelhos possuem uma excelente qualidade de reprodução sonora, tida como melhor que os transistorizados.

O problema principal da confiabilidade de um tubo é que o filamento ou o

cátodo "estão envenenados lentamente" por átomos de outros elementos no tubo, que danificam sua habilidade de se emitir eletrões. Os gáses prendidos ou os escapes lentos do gás podem também danificar o cátodo ou causar o mal funcionamento da placa-atual devido a ionização de moléculas livres do gás. A dureza do vácuo e a seleção apropriada de materiais de construção são as influências principais na vida do tubo. (os cátodos do tubo "não desgastam para fora de" como os filamentos da lâmpada; esta é uma concepção entre leigo).

Os tubos transmissores grandes têm filamentos do tungstênio conter um

traço pequeno de uma camada fina de átomos do thorium dá forma na parte externa do fio quando aquecidos, servindo como uma fonte eficiente dos eletrões. O thorium evapora lentamente da superfície do fio, quando os átomos novos do thorium difundirem à superfície para os substituir. Tais thoriated cátodos do tungstênio entregam rotineiramente vidas nos dez dos milhares das horas. O registro é mantido por um tétrodo do poder de Eimac usado no transmissor de uma estação de rádio de Los Angeles, que foi removido do serviço após 80.000 horas (9 anos) de operação.

Os cátodos em pequeno "recebendo" os tubos são revestidos com uma

mistura de óxidos do bário e do strontium. Um calefator elétrico é introduzido na luva do cátodo, e isolado dele eletricamente. Esta construção complexa faz com

que os átomos do bário e do strontium difundam à superfície do cátodo quando aquecida a aproximadamente 780 graus Célsio, assim emitindo-se eletrões.

Um outro problema importante da confiabilidade é que o tubo falha

quando escapes de ar no tubo. Geralmente no ar reage quimicamente com o filamento ou o cátodo quente, arruinando rápidamente. Os desenhadores trabalharam consequentemente duramente para desenvolver os projetos do tubo que selaram confiantemente. Isto era porque a maioria de tubos foram construídos do vidro. O metal ligas (Cunife e Fernico) e vidros tinham sido tornados para bolbos claros que expandido e contraído em quantidades similares, porque a temperatura mudou. Estes fizeram fácil de construir um envelope isolando do vidro, e passam fios através do vidro aos elétrodos.

É muito importante que o vácuo dentro do envelope seja como perfeito,

ou "duro", como possível. Todos os átomos do gás restantes serão ionizado em tensões operando-se, e conduzirá a eletricidade entre os elementos em uma maneira descontrolada. Isto pode conduzir à operação errática ou mesmo à destruição catastrófica do tubo e dos circuitos associados. O ar livre de absolvido às vezes ioniza-se e torna-se visível como uma descarga cor-de-rosa-roxa do fulgor entre os elementos do tubo.

Para impedir o restante em um estado livre no tubo, os tubos modernos é

construído com "getters", que são geralmente pequenos, as calhas circulares encheram-se com os metais que oxidam rapidamente, com que é o mais comum. Uma vez que o envelope do tubo é evacuado e selado, o getter está aquecido a uma alta temperatura (geralmente por meio de Rf aquecendo a indução) fazendo com que o material e vaporem, absolvido/aquecido com alguns gáses do residual e geralmente deixar um depósito metálico prata-colorido no interior do envelope do tubo. O getter continua a absorver todas as moléculas do gás que escaparem no tubo durante sua vida de funcionamento. Se um tubo desenvolver uma rachadura no envelope, voltas deste depósito uma cor branca quando reagir com o atmosférico. Transmitir grande e tubos especializados usam frequentemente getters mais exótico.

5. Breve historial sobre magnetron e klystron

Por volta de 1930, a capacidade de geração das válvulas de transmissão

estava limitada as frequências de 30 - 400 MHz, conhecidas como faixa de VHF - Very High Frequency, Assim, as primeiras pesquisas para a transmissão simultâneas de sinais de áudio e vídeo estavam sujeitas a estas gamas de frequências.

Para atender a demanda de novos canais de transmissão, o espectro de

radiofrequência foi expandido para 900 MHz, orinando a faixa de UHF. O tríodo foi uma válvula que operava até 4000 MHz, tianha boa perfumance para a transmissão de sinais de vídeo.

Entretanto devido a várias deficiências como capacitância, auto-indução, lentidão no deslocamento dos elétrõess entre o cátodo e a grade, o tríodo era limitado para operar dentro do conceito de densidade de modulação.

Para contornar esta dificuldade inerente ao tríodo, foram desenvolvidas

novos tipos de válvulas para geração de altas frequências onde se considerava a velocidade de deslocamento dos elétrõess entre o cátodo e o ânodo principio este conhecido como a velocidade de modulação. Assim foram desenvolvidas as válvulas conhecidas como o magnetron e o klystron.

5.1. Válvula Magnetron Basicamente, o Magnetron, é uma válvula termiônica de alto vácuo,

consistindo de um filamento posicionado no centro de um ânodo cilíndrico de forma que os eletrões ficam sujeitos à ação de um campo magnético produzido externamente por uma bobina que envolve a válvula e, assim, usada para controla o fluxo unidirecional da corrente gera micro-ondas, que são ondas eletromagnéticas com comprimento de ondas de 1mm a 1m, isto nas faixas de frequências de 300 MHz a 300 GHz. O primeiro magnetron apareceu por volta da segunda guerra mundial. Fig.2 – Magnetron

5.2. Constituição física do magnetron O magnetron é fisicamente constituído pelos seguintes elementos: � Ânodo; � Cátodo; � Antena; � Ímanes permanentes.

Conferir na figura que se segue:

Fig.3 - geometria interna das cavidades ressonantes

Um magnetron é fabricado em um bloco de cobre sólido cilíndrico. O cátodo e o filamento estão ao centro do tubo e são apoiados pelas dianteiras de filamento. As dianteiras de filamento são grandes e rígidas bastante manter o cátodo e estrutura de filamento fixou em posição. O cátodo está indiretamente aquecido e é construído de um material de alto-emissão. Os 8 até 20 buracos cilíndricos ao redor sua circunferência é cavidades ressonantes. As cavidades controlam a freqüência de produção. Umas corridas de abertura estreitas de cada cavidade na porção central do tubo que divide a estrutura internam em tantos segmentos quanto há cavidades.

Cavidades ressonante Ânodo Cátodo Filamentos Cupla de saída

Fig. 4 – Representação das partes físicas do magnetron

O cátodo é montado no centro de uma cavidade circular, submetido a um alto potencial negativo; Um campo magnético gerado por um ímã permanente é aplicado ao cátodo perpendicularmente ao eixo da válvula; O campo magnético faz com que os eletrões sejam atraídos para cavidades anódicas ao redor do cátodo, e, ao redor das quais, existe uma cavidade comum ressonante, Os

eletrões induzem um campo elétrico na cavidade sintonizada, surgindo uma onda eletromagnética que irá se propagar, se houver uma carga conectada à cavidade (antena de radar ou câmara de forno de micro-ondas.

O ânodo ou prato é um cilindro oco de ferro na qual um número plano de

cata-ventos do ânodo, estendem-se por dentro e existe também cavidades abertas e ressonantes que servem como circuitos afinados e determinam a produção da frequência do tubo. O ânodo, opera também de tal modo que devem ser conectados segmentos alternados ou devem ser amarrados, de forma que cada segmento é oposto em polaridade para o segmento em qualquer lado, desse modo, as cavidades em efeito, estão conectadas dentro e em paralelo com respeito à produção.

O filamento, também chamado de aquecedor ou cano, na qual serve

também como o tubo do cátodo, encontra-se localizado no centro do magnetron, é suportado por dianteiras de filamentos rígidos e longos, o qual são cuidadosamente selados na blindagem do tubo.

A antena é uma sonda ou laço, que é conectada para o ânodo e estende-se em uma das cavidades afinadas. A antena, é também acoplada a um guia de onda “metal oco” por onde ela emite a energia de radiofrequência.

5.3. Princípio de funcionamento da válvula magnetron

O princípio de funcionamento do magnetron está baseado no efeito de

circuitos ressonantes, conforme descrito asseguir.

O circuito ressonante tem a capacidade de gerar ondas e é formado pela ligação em paralelo de uma bobina e um capacitor. Quando uma bobina é percorrida por uma corrente elétrica, um campo magnético é gerado ao seu redor. Esse campo possuirá um polo norte e um polo sul nas extremidades da bobina, exatamente como em um ímã permanente. Se o sentido da corrente que circula pela bobina for invertido, o sentido do campo magnético também inverterá e, no caso da fonte de alimentação da bobina ser desligada, o campo magnético diminuirá, gerando uma tensão na bobina a qual, durante um certo intervalo de tempo, manterá a corrente fluindo no mesmo sentido, na tentativa de impedir a diminuição do campo, preservando a energia armazenada no circuito. Esta habilidade das bobinas de armazenar energia é chamada de “indutância”.

O cátodo quando aquecido emite. Eletrões Ele está ligado ao polo

negativo submetido a uma voltagem de 4.000 V em relação ao ânodo. Os eletrões são emitidos em direção ao ânodo, porém o campo magnético criado pelos dois ímãs circulares posicionados entre o cátodo e o ânodo, aplica uma força magnética sobre estes eletrões, obrigando-os a descreverem uma trajetória circular antes de, eventualmente alcançarem o ânodo. A passagem dos

eletrões nas proximidades de uma aleta induz uma carga positiva, repelindo os eletrões gerando uma corrente nas aletas e na parede do ânodo. Isso ocorre porque um elétron, enquanto se aproxima de uma aleta, induz nesta uma carga positiva que aumenta de intensidade e diminui à medida que ele segue em frente gerando uma corrente alternada.“Quando a cavidade conduz uma corrente, a parede da cavidade comporta-se como uma bobina e a abertura da cavidade como um capacitor, criando assim um circuito ressonante”. Esta corrente gera, na cavidade do ânodo, campos magnéticos e elétricos variáveis e por sua vez emite micro-ondas. Uma analogia entre o circuito ressonante formado por capacitor e indutor é mostrado na figura seguinte:

Fig.5 - Representação de cavidade de um magnetron funcionando como circuito ressonante LC

Na primeira fase antes da oscilação ocorre realmente o seguinte:

� Na ausência do campo magnético, o aquecimento do cátodo gera

um movimento de eletrões em direção ao ânodo.

� Um campo magnético permanente faz com que a trajetória dos eletrões se curve. Se o fluxo de eletrões atingir o ânodo, tem-se uma corrente de ânodo fluindo.

� Aumentando-se a intensidade do campo magnético, a curvatura do

feixe de eletrões será mais acentuada. Quando um valor crítico do campo magnético é atingido (campo de corte), os eletrões tangenciam o ânodo e retornam para o cátodo (vermelho). Neste trajeto os eletrões provocarão oscilação nas cavidades dimensionadas para a freqüência que se deseja. Alguns eletrões,

entretanto, atingirão o ânodo, gerando uma pequena corrente de ânodo.

� Quando o campo magnético for muito superior ao valor de corte, os

eletrões retornam para o cátodo sem mesmo tangenciar o ânodo (marrom). A corrente de ânodo vai a zero e o aquecimento excessivo do cátodo poderá danificar a válvula.

Já segunda fase tem-se: � Em seguida ao início da oscilação, os eletrões ficam submetidos ao

campo elétrico estático original e ao campo eletromagnético, decorrente da oscilação, fazendo com que suas trajetórias sejam diferentes.

� Alguns eletrões, em sua trajetória, serão afetados pelo semi-ciclo

positivo da oscilação e serão acelerados. � Outros sofrerão ação do semi-ciclo negativo e serão retardados,

podendo, inclusive, retornar ao cátodo. � Os eletrões seguirão suas trajetórias individuais ao longo da

cavidade central formando grupos que giram na forma denominada Roda de Carga Espacial.

� Os eletrões retardados cedem energia para o campo

eletromagnético, enquanto que os acelerados captam energia do campo. A contínua interação entre os eletrões e os campos mantém o processo de oscilação.

5.4. Estrutura de onda

A válvula Magnetron possui cavidades dentro do ânodo, em todo o redor

do cátodo (geralmente 8). A onda circula de uma a outra cavidade adjacente. Cada cavidade está dimensionada para meio período da onda. Para que o deslocamento de fase total ao longo do ânodo seja 360° deve haver consistência entre a quantidade de cavidades anódicase o ângulo de fase entre duas cavidades adjacentes, sob pena da ressonância ficar comprometido. A onda se desloca pela válvula a uma velocidade bem menor que a da luz. A velocidade é aproximadamente gal à de um elétão.

5.5. Modos de Oscilação

A frequência de operação depende dos tamanhos das cavidades e a interação espace entre ânodo e cátodo. Mas as únicas cavidades são juntadas entre si em cima do espaço de interação. Então várias frequências ressonantes existem para o sistema completo. Dois das quatro possíveis formas de onda de um magnetron com 8 cavidades estão na figura 6 representada. Vários outros modos de oscilação são possíveis (3/4π, 1/2π, 1/4π), mas um magnetron que opera dentro do modo π tem maior poder e produção e é o geralmente usado.

Armaduras

Fig.6- modo de oscilação π e 2

π

5.6. Aplicação da válvula magnetron A válvula magnetron tem uma aplicação nos radares, nos fornos de micro-

ondas, em e equipamentos industrias. 5.7. Vantagens � Económico e peso reduzido � Elevada eficiência � Opera com tensões reduzidos para não gerar ráio-x � Na configuração coaxial tem um elevado tempo de vida e

estabilidade razoável.

5.8. Desvantagens

� Baixa estabilidade de fase � Opera em uma frequência pré-definida.

6. Válvula klyst

Apalavra klystron quebra de onda. É uma vvelocidade para transformicro-onda.

Estas válvulas sãoque vai de 500 MHz até 6

Fig. 7 – Repr

ondas fluem dentracelerador e os electrõeapanhados.

6.1. Constituição

O klystron este fisi � Uma fonte de� Feixe “velocid� Acelerador; � O apanhador

A viga de electrão

feixes regulam a velocidgrupos até a cavidade dena cavidade de produção colector provê um camin

klystron

stron é uma palavra de origem grega ‘’Klysóuma válvula de vácuo especializado que usa ansformar um feixe de electrões contínuos e

s são empregadas como geradores na faixa até 60 GHz com comprimentos de ondas entr

Representação da válvula klystron ou simpklystron.

dentro do guia de ondas na qual são transpectrões são absorvidos na paragem da viga

tuição física

fisicamente constituído pelos seguintes elem

nte de viga “arma de electrão ou cátodo”; elocidade que modula unidade”; dor; hador “parada de viga”.

ctrão “cátodo” produz o fluxo de electrões, aelocidade dos electrões de forma que elesde de produção, o grupo de electrões excita

dução do Klystron. Assim, as micro-ondas o elcaminho externo aos electrões para voltarem a

’Klysó’’, que significa usa a modulação de uos em potência de

faixa de frequências s entre 60 e 0,6 cm.

simplesmente

transportadas para o a viga simplesmente

s elementos:

es, as cavidades de e eles cheguem em xcita as micro-ondas s o electrodo do rem ao cátodo.

6.2. Princípio de funcionamento

O klystron foi a primeira incorporação do princípio de modulação de

velocidade denominado diagrama da Apple gate, depois de acelerado por uma tensão de corrente contínua “CC ou DC” quando eles atravessam um par de grelhas espaçosamente fechada, a sua velocidade é modulada por um sinal de RF sinusoidal. Assim, os electrões são acumulados sob a forma de grupos, centrando-se em electrões na qual passam pelas grades no momento em que o campo de RF era zero e foi acrescentado. Os grupos de electrões constituem uma corrente de RF, induzindo uma corrente transversal a um par de segundos de baixo fluxo das grades. Essa tensão pode dar uma modulação de velocidade adicional a viga e esse processo pode repetir-se caso se acrescente mais cavidades. A figura asseguir mostra em suma o funcionamento da válvula kystron.

Fig. 8 – Representação interna do klystron.

1. Um canhão de eletrões produz um intenso fluxo de eletrões na klystron.

2. Um sinal de micro-ondas de baixa energia cruza este feixe de eletrões contínua, dividindo-o em um feixe pulsado consiste em separar "cachos" de eletrões.

3. O feixe de electrões pulsado passa através de um guia de onda ajustado, induzir um sinal de micro-ondas de alta energia poderosa.

4. De alta energia de energia de micro-ondas viaja ao longo do guia de ondas para o linac, sincrotrão de reforço, ou um anel de

armazenamento, onde se passa a sua energia aos electrões, acelerando-os a velocidade relativista.

6.3.Como o feixe de eletrões se pulsam

Da mesma forma que um sinal de rádio induz uma corrente elétrica em

uma antena de rádio portátil, o sinal de micro-ondas de baixa energia (permite dizer que é 500 MHz) faz com que os eletrões no feixe de eletrões para acelerar ou desacelerar no ponto onde os dois se cruzam. Quando o micro-ondas é perto de sua crista (pico de potência), como ele cruza o feixe, faz os electrões em que parte do feixe momento em que a velocidade se, como um surfista acelera quando ela pega uma onda. Quando o micro-ondas está perto de sua calha, uma vez que se encontra com o feixe, os electrões em que parte do feixe, naquele momento, mais lento. O resultado é um feixe de electrões que é dividida em impulsos que têm a mesma frequência que as micro-ondas de baixa energia: 500 MHz.

6.4.Como o feixe de eletrões pulsada de alta energia induz energia de micro-ondas

O feixe de electrões pulsando interage com a guia de onda ajustado (um

tubo de cobre muito cuidadosamente construído e ajustado oco) fazendo-a ressoar como um sino de 500MHz, transmitir radiação de micro-ondas para baixo todo o seu comprimento, que se estende tanto para o linac, a cavidade de RF no impulsionador sincrotrão, ou as cavidades de RF sobre o anel de armazenamento.

6.5.Tipos de válvula klystron

A válvula klystron pode ser de vários tipos dentre eles temos:

� Válvula de duas cavidades � Multicavidade � Reflex � Sintonizáveis.

6.5.1. Válvula de duas cavidades A válvula klystron de duas cavidades é aquela em que um feixe de

electrões é injectado em uma cavidade ressonante, uma grade no interior dessa primeira cavidade “concentradora”, acelera ou retarda o fluxo de electrões conforme o potencial do sinal de entrada, em um processo denominado modulação de velocidade; assim, os electrões ao atravessarem a segunda

cavidade “captadora”, ossinal maior na saída, amb

Fig. 9

6.5.2. Klystron de

Como o próprio no

a”, os electrões têm oscilações aceleradas , ambas cavidades são sintonizadas na frequê

ig. 9 – Válvula klystron de duas cavidades.

de multicavidade

rio nome diz é uma válvula composto de vária

a) b

adas e induzem um frequência desejada.

ades.

várias cavidades

b)

Fig. 10 – Válvula klystron de Multicavidade. a) Aberta, b) Feixada

Nessas multicavidades, que vão de 1 a 5 temos: � Um canhão eletrónico (1) produz um fluxo de electrões; � Cavidades devidamente implantadas (2) regulam a velocidade dos

electrões de forma a chegarem na forma de agrupamentos na cavidade de saída (3), onde induzem uma radiação eletromagnética na faixa de micro-ondas;

� As micro-ondas se propagam pelo guia de ondas (4). � Os electrões são, então, absorvidos pelo ânodo (5).

6.2.1. Válvula klystron Reflex

Os klystron Reflex são usados por vezes como osciladores locais. O maior uso é em instrumentação laboratorial. São necessárias três fontes de alimentação para o klystron Reflex: Uma para a tensão do filamento, uma tensão positiva para a cavidade ressonante e uma tensão negativa para a placa repelente dos electrões. Conferir na figura a seguir:

Fig. 11- Representação das fontes A estrutura ressonante pode ser entendida simplesmente como um

circuito LC, onde a capacitância é dada pelo par de grades levemente espaçadas através dos quais passam os electrões, e a indutância é dada pelo anel toroidal que une as duas grades. Se d é a separação entre as grades, Ac é sua área, AL é a área de corte do toroide e R é seu raio, a freqüência de ressonância da estrutura é dada por:

w = 1√LC = �2µRdAl. Ac

Os electrões são emitidos por um cátodo aquecido, revestido com uma camada de óxido. Este cátodo, está aproximadamente à VB = 300 Volts negativos em relação à estrutura ressonante, em direção da qual os electrões são acelerados. Depois dos electrões passarem através das grades ressonantes, eles entram na região entre a grade e o refletor, onde são desacelerados pelo eletrodo refletor que está a um potencial Vc aproximadamente 100 Volts negativos em relação ao cátodo (tensão do refletor, variável). Os electrões revertem sua direção, são reacelerados e volta pelo ânodo e passam pelas grades uma segunda vez. Na sua segunda passagem através das grades, os electrões cedem energia para a estrutura ressonante, compensando a energia dissipada dentro da cavidade ou irradiada dela. É claro que as oscilações podem ser sustentadas somente se os electrões, na sua volta, são capazes de adicionar mais energia ao circuito, do que eles extraíram na primeira passagem.

Vamos supor que o Klystron começa a oscilar de forma que existirá um

campo de RF entre as grades do ressonador, através das quais os electrões passam. Os electrões que retornam podem ser acelerados ou retardados de acordo com a mudança da amplitude da voltagem entre as grades, originando-se assim uma perturbação periódica nas velocidades dos electrões. Os electrões acelerados deixam as grades a uma velocidade maior e os electrões retardados a deixam a uma velocidade reduzida. Como resultado da diferença em velocidade, os electrões que deixam as grades necessitarão tempos diferentes para retornar, ou seja, terão diferentes tempos de trânsito. Assim sendo, o que teremos serão electrões divididos em grupos, e não mais um feixe eletrônico homogêneo. A variação na velocidade dos electrões é chamada modulação de velocidade.

Os electrões agora constituem um “feixe de cargas modulado”, que atravessam as grades do ressonador, estarão sob a influência da voltagem entre as grades. Se o grupo de electrões passa as grades num tempo tal que os electrões são retardados pela voltagem da grade, a energia será entregue à cavidade, energia esta que é coletada por uma alça de acoplamento, e nada mais é do que energia eletromagnética com freqüência na região de micro-ondas. Por outra parte, se o grupo de electrões passa através das grades num tempo tal que os electrões são acelerados pela tensão da grade, energia será retirada da cavidade ressonante.

a) Electrões são emitidos de um cátodo aquecido e acelerados na direcção do ânodo (grades), b) Eles passam através das grades e são repelidos posteriormente de volta para as grades. c) Se a estrutura ressonante está em oscilação, os electrões terão uma modulação de velocidade quando emergirem das grades. d) Electrões que atravessam as grades em t = 0 são acelerados por causa do potencial ∆V, eles vão mais longe antes de pararem e voltarem, e retornam mais tarde. e) Electrões que atravessam as grades em t = ½ T são desacelerados, eles não vão tão longe antes de pararem, e retornam mais cedo. f) Grupos de electrões se formam por volta de t = T/4. Estes grupos podem recitar a cavidade na sua volta.

A necessidade desse agrupamento de electrões em vários “pacotes” densos vem do fato de que uma maior quantidade de energia será entregue à cavidade se a maioria dos electrões passam por ela no instante em que a voltagem imprime uma maior desaceleração ao movimento dos electrões. Tudo isto pode ser compreendido claramente quando analisamos os seguintes diagramas de Applegate (gráficos de posição vs. tempo dos electrões que deixam o cátodo ou passam pelas grades em diferentes tempos): a figura (3a) mostra as trajetórias de electrões livres da ação de campos oscilantes, enquanto que a figura (3b) mostra o comportamento das cargas quando estas passam por um campo elétrico que varia senoidalmente no tempo.

Notemos que há a formação de grupos ou pacotes de electrões ao redor daqueles electrões que atravessam as grades em t = to, quando ∆V = 0 (electrões que passam sem sofrer atraso nem aceleração em seu movimento, devido ao campo elétrico). A condição para que a regeneração do campo de RF seja máxima é que o tempo total de trânsito dos electrões (tempo entre sair das grades, mudar o sentido do movimento e retornar) seja:

� = ��� + �� T

Onde T é o período de oscilação do ressonador e n é um inteiro, incluindo

o zero. Existirão vários valores da tensão do refletor Vc que reflectirão os

electrões em fase com o campo de RF das grades. Diz-se que o Klystron está oscilando em diferentes modos, como, A partir da análise da velocidade e posição dos electrões que retornam às grades podemos obter a equação:

(n + ¾) = 4 √��.������ ��� Onde VA é uma constante característica da válvula. Esta equação nos dá a condição de máxima regeneração, que corresponde a uma máxima potência de saída, e constitui a família de curvas chamadas modos. Para voltagens fora do modo máximo podemos continuar obtendo oscilações, mas a um nível reduzido. Se nós estamos muito longe do centro do modo, a regeneração não é suficiente para sustentar as oscilações e o Klystron para de oscilar. Assim, obtemos a curva de potência de saída em função da tensão do refletor.

6.2.2. Válvulas sintonizadas Algumas válvulas klystron podem ter cavidades sintonizadas. O trabalho

de sintonia é bastante delicado e quando feito de forma inadequada pode causar danos irreversíveis à válvula ou ao técnico; Uma válvula klystron pode custas tão caro quanto uma casa ou um carro de luxo; O fabricante fornece valores de calibragem para cada válvula individualmente, conforme cada número de série; Não existem duas válvulas exatamente iguais; Os ajustes devem ser feitos por meio de ferramentas feitas com materiais não ferrosos para evitar que o intenso campo magnético da válvula possa atrair a ferramenta, causando ferimentos ao técnico ou danificando a válvula. Durante o transporte da válvula, deve-se evitar que seu campo magnético possa interferir com o sistema de navegação (por exemplo, do avião).

6.3. Aplicação da válvula klystron

Os klystrons são desenhados transmissores de potências de radares, TV em UHF comunicações espaciais, como amplificadores de mico- ondas, de rádio frequências para produzir sinais de baixa potência para receptores super-

heteródino e para produzir ondas portadores de alta potência para as comunicações e em instrumentação laboratorial.

6.3.1. Vantagem do klystron

O klystron é uma válvula que oferece determinadas vantagens independentemente do seu campo de aplicação dentre os quais temos:

� Elevada potência; � Elevado ganho; � Boa eficiência.

6.3.2. Desvantagem

� Bastante caro, capaz de custar um preço equivalente a uma casa ou um carro

� Perigoso quando não são convenientemente isolados.

7. Considerações finais

Do fundamento teórico notou-se então que o magnetron e klystron são desenvolvimento dos antigos tubos de vazio face aos problemas que esses tubos de vazio apresentavam, o magnetron e klystron basicamente têm aplicação similar mais o klystron tira vantagem sobre o magnetron por este oferecer maior potência, ganho e eficiência, o klystron foi desenhado em detrimento das dificuldades que o magnetron apresentava sobre tudo em sistemas de radares, o magnetron é nos dias de hoje o principal componente de um forno de micro-ondas. Dizer também que tem válvulas antigas que ainda são aplicados desde os tríodos, pêntodos isto em baixa potência.

8. Conclusão

Depois deste longo trabalho investigativo cheguei a conclusão de que os objectivo que me levaram a desenvolver este trabalho foram vigorosamente alcançados, dizer que foi realmente a primeira vez que ouvi a falar sobre este componentes aqui neste trabalho destacados.

Com desenvolvimento deste trabalho levou-me a adquirir noção sobre estes componentes e sobre tudo desde a sua constituição física até então o seu funcionamento e aplicação. Dizer também que é de louvar a iniciativa tomada pelo Dr. Óscar em orientar que desenvolvêssemos trabalhos sobre estas válvulas electrónicas como elementos activo de um oscilador, ambas têm um sistema de ressonância a partir das cavidades que as mesmas têm comportando-se como circuitos LC mais com maior estabilidade de frequências em relação aos ressonadores LC.

Nos dias de hoje alguns tubos até mesmo os neste trabalho mencionados tendem a serem substituídos por dispositivos do estado sólido porque esses oferecem inúmeras vantagens sobre as válvulas a vácuo.