ES2635295T3

ES2635295T3 - Amplificador de tensión en cascada

Info

Publication number: ES2635295T3
Application number: ES09845045.5T
Authority: ES
Inventors: Curtis A. Birnbach
Original assignee: Advanced Fusion Systems LLC
Current assignee: Advanced Fusion Systems LLC
Priority date: 2008-05-16
Filing date: 2009-11-16
Publication date: 2017-10-03
Anticipated expiration: 2029-11-16
Also published as: CA2754622A1; HUE030327T2; HRP20160861T1; WO2009140697A8; US8019047B2; ES2581390T3; WO2009140697A1; DK2501437T3; AU2009246084B2; US20090285362A1; CA2754622C; EP2501437B1; SI2501437T1; AU2009246084C1; ES2692768T3; PL2501437T3; AU2009246084A1; EP2501437A1; MX2011010276A; PT2501437T

Abstract

Un amplificador (50) de tensión en cascada para producir una salida amplificada en forma de impulsos o en forma de onda continua, que comprende: a) al menos una etapa (54, 56) no final que comprende un tubo electrónico configurado como unos medios de conmutación y de amplificación de Clase A o C; y b) una etapa (58) final que comprende un tubo electrónico configurado como un medio de conmutación y de amplificación de Clase A o C; y c) en el que al menos una etapa (54, 56) no final y la etapa (58) final están conectadas en serie; d) en el que la salida amplificada tiene una tensión de al menos 1.000 voltios; caracterizado por que e) cada etapa (54, 56 y 58) incluye un electrodo (54a, 56a, 58a) exterior cilíndrico que rodea al menos una rejilla (54b, 56b, 58b) cilíndrica concéntrica que, a su vez, rodea un electrodo (54c, 56c, 58c) interior cilíndrico concéntrico; f) en el que la separación radial desde el electrodo (54c, 56c, 58c) interior cilíndrico a la rejilla (54b, 56b, 58b) cilíndrica es tal que crea entre los mismos una guía de ondas circular que soporta un modo electromagnético transversal; g) en el que cada etapa no final incluye una estructura (62) de enlace para unir eléctricamente, y ser el soporte mecánico principal para, el electrodo exterior de dicha etapa (56a) no final y el electrodo interior de una etapa (58) subsiguiente; en el que la estructura (62) de enlace tiene un primer extremo y un segundo extremo y comprende: i. una interconexión eléctrica incluida entre el primer extremo y el segundo extremo; ii. en el que el primer extremo incluye medios para soportar el electrodo (56a) exterior de cada una de dichas etapas (56) no finales; y iii. en el que el segundo extremo incluye medios para soportar el electrodo (58c) interior de dicha etapa (58) subsiguiente.

Description

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DESCRIPCION

Amplificador de tension en cascada Campo de la invencion

La invencion se refiere a un amplificador de tension en cascada de Clase A o Clase C para producir una salida amplificada en forma de impulsos o en forma continua.

Antecedentes de la invencion

La produccion de impulsos de alta tension y alta energfa es un requisito fundamental para muchas aplicaciones electronicas modernas. Los circuitos de la tecnica anterior para conseguir impulsos de este tipo incluyen:

1. Multiplicador de tension Cockcroft-Walton

2. Generadores Marx

3. Moduladores de impulsos

Todos los circuitos de la tecnica anterior, indicados anteriormente, tienen problemas para los cuales serfa deseable una mejora.

El multiplicador de tension Cockcroft-Walton es el tipo mas simple de multiplicador de tension. Construido por primera vez en 1932 por Cockcroft y Walton para experimentos ffsicos nucleares, esta formado por una red escalonada de multiplicadores de tension de condensadores y diodos para generar altas tensiones. A diferencia de los transformadores, un multiplicador de tension Cockcroft-Walton no usa un transformador de nucleo ferromagnetico. Usando solo un oscilador, condensadores y diodos, estos multiplicadores de tension pueden aumentar tensiones relativamente bajas a valores extremadamente altos, mientras que al mismo tiempo son mucho mas ligeros y baratos que los transformadores. En dichos multiplicadores de tension, la tension a traves de cada etapa de la cascada es igual a solo dos veces el voltaje de entrada de pico, de manera que tiene la ventaja de usar componentes de coste relativamente bajo.

Sin embargo, el multiplicador de tension Cockcroft-Walton tiene una serie de inconvenientes. A medida que se aumenta el numero de etapas, las tensiones de las etapas superiores empiezan a 'disminuir' principalmente debido a la impedancia de CA de los condensadores en las etapas inferiores. Cuando se suministra una corriente de salida, el rizado o la fluctuacion de la tension aumenta rapidamente a medida que se aumenta el numero de etapas. Por estas razones, los multiplicadores de tension Cockcroft-Walton con un gran numero de etapas se usan tipicamente solo cuando se requiere una corriente de salida relativamente baja. Por lo tanto, serfa deseable proporcionar un circuito para conseguir un impulso de alta tension que evite dichos inconvenientes.

El generador Marx es un tipo de circuito de multiplicacion de tension, mas avanzado, que depende de la carga de una pluralidad de condensadores en paralelo y, a continuacion, de su descarga en serie. La operacion de conmutacion paralelo-serie se lleva a cabo normalmente usando descargadores como interruptores. Se usa extensamente para simular los efectos de impactos de rayos durante ensayos de alta tension y de equipos aeronauticos. Los descargadores se colocan tan juntos como sea posible para un maximo intercambio de luz ultravioleta (UV) entre los mismos (emitida por los arcos) para una fluctuacion (“jitter") minima.

Entre los inconvenientes del generador Marx, bien conocido, es que adolece de problemas de fiabilidad debido al desgaste en los interruptores de tipo descargador, causando una operacion irregular y un aumento de la cantidad de la fluctuacion. Estos problemas son una seria desventaja. Sena deseable proporcionar un circuito para conseguir un impulso de alta tension que evite los problemas de fiabilidad y fluctuacion indicados anteriormente.

Un tercer circuito de la tecnica anterior para generar impulsos de alta tension se conoce como un modulador de impulsos. Fue desarrollado originalmente durante la Segunda Guerra Mundial como fuentes de alimentacion para sistemas de radar. El modulador de impulsos incorpora una Red Formadora de Impulsos (Pulse Forming Network, PFN), que acumula energfa electrica a lo largo de un tiempo comparativamente largo y, a continuacion, libera la energfa almacenada en la forma de un impulso nominalmente cuadrado de duracion comparativamente corta, para diversas aplicaciones de energfa pulsada. En la practica, una PFN se carga por medio de una fuente de energfa de alta tension, a continuacion, se descarga rapidamente en una carga a traves de un conmutador de alta tension, tal como un descargador o un tiratron de hidrogeno. Aunque las PFNs consisten normalmente en una serie de condensadores e inductores de almacenamiento de energfa de alta tension, pueden consistir tambien en solo uno o mas condensadores. Estos componentes se interconectan como una "red escalonada" que se comporta de manera similar a una longitud de una lmea de transmision. Tras una orden, un conmutador de alta tension transfiere a continuacion la energfa almacenada dentro de la PFN a la carga. Cuando el conmutador se "activa" (se cierra), la red de condensadores e inductores dentro de la PFN crea un impulso de salida nominalmente cuadrado de corta duracion y alta energfa. Este impulso de alta energfa se convierte en una breve

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fuente de alta tension para la carga. En la mayona de los circuitos moduladores de impulsos, se conecta un transformador de impulsos disenado especialmente entre la PFN y la carga para mejorar la adaptacion de impedancia entre la PFN y la carga, con el fin de mejorar la eficiencia de transferencia de energfa. Tfpicamente se requiere un transformador de impulso como este cuando se accionan dispositivos de impedancias mas altas, tales como klistrones o magnetrones, desde una PFN. Debido a que la PFN se carga durante un tiempo relativamente largo y, a continuacion, se descarga durante un tiempo muy corto, el impulso de salida puede tener una energfa pico de megavatios.

Los moduladores de impulso estan limitados por el requisito de un transformador de impulsos, que es lento, voluminoso y sujeto a saturacion. Sena deseable proporcionar un circuito para conseguir un impulso de alta tension que evite dichos inconvenientes.

Tambien se conoce en la tecnica anterior que los amplificadores de Clase A pueden configurarse en cascada para su uso con senales RF de onda continua (por ejemplo, sinusoidal). Sin embargo, dichos amplificadores en cascada de la tecnica anterior tienen los inconvenientes de ser voluminosos e ineficientes. Sena deseable proporcionar amplificadores de Clase A en cascada que sean mas pequenos y mas eficientes.

La activacion de los tubos electronicos es el procedimiento mediante el cual el catodo se convierte a partir de su estado fabricado en un emisor de electrones en funcionamiento. Tfpicamente, este procedimiento implica extraer corriente desde el catodo a traves del anodo, mientras el tubo esta todavfa conectado a un sistema de bombeo al vado. La implementacion espedfica vana con el tipo de catodo usado. La activacion requiere suministrar tensiones de funcionamiento iguales o mayores que las que se encuentran normalmente en el funcionamiento del tubo. La activacion tiene lugar mientras el tubo esta todavfa conectado a un sistema externo de bombeo de vado. Esto se hace para facilitar la retirada de las impurezas liberadas desde el catodo mediante el procedimiento de activacion. En el caso de tubos de tension muy alta, el coste de las fuentes de alimentacion adecuadas es muy alto. Por lo tanto, sena deseable minimizar el coste de las fuentes de alimentacion de alta tension y simplificar y acelerar el procedimiento de fabricacion.

Un amplificador de tension en cascada segun el preambulo de la presente reivindicacion 1 se describe en cualquiera de los documentos GB 877019, US 2474435, US 3024423 y US 7345537 B2.

Breve sumario de la invencion

La invencion proporciona un amplificador de tension en cascada segun la presente reivindicacion 1.

El amplificador de tension en cascada anterior evita los inconvenientes de rizado de tension del multiplicador de tension Cockcroft-Walton cuando se suministra una corriente de salida con varias etapas. Tambien evita los problemas de fiabilidad y de fluctuacion de los generadores Marx. Evita ademas los inconvenientes de los moduladores de impulsos relacionados con la inclusion de un transformador de impulsos. lento y voluminoso. y su susceptibilidad a la saturacion.

Otro aspecto que no forma parte de la presente invencion se refiere a un procedimiento para activar una pluralidad de etapas de tubos electronicos en cascada dentro de un recinto de vado comun. El procedimiento comprende interconectar en serie la pluralidad de etapas de tubos electronicos en cascada, desde una etapa no final a una etapa final, de manera que en cada etapa no final se conecta un electrodo a un electrodo de una etapa subsiguiente mediante una lmea de interconexion electrica respectiva. Al menos una de dichas lmeas de conexion electrica respectiva comprende una estructura de enlace para unir electrica y mecanicamente un electrodo de una etapa previa con un electrodo de una etapa subsiguiente. La pluralidad de etapas de tubo electronico en cascada es colocada dentro del recinto de vado y se evacua aire del recinto. Se proporciona una tension electrica entre el catodo y el anodo de una primera etapa conectada en serie con el fin de suministrar energfa electrica a la primera etapa. Una cantidad suficiente de dicha energfa se propaga en serie a traves de cualquier etapa intermedia a la etapa final con el fin de facilitar la activacion de todas las etapas de tubo.

El procedimiento indicado anteriormente evita los inconvenientes del procedimiento de la tecnica anterior para activar los tubos individuales indicados anteriormente. Esto se lleva a cabo usando, en una forma preferida, solo una unica fuente de alimentacion para activar casi simultaneamente todas las etapas de entre las etapas de los tubos electronicos en cascada. La fuente de alimentacion solo necesita satisfacer el requisito de tension de la primera etapa de tubo, ya que la tension incrementada requerida para cada etapa sucesiva es proporcionada por la ganancia de tension de la etapa precedente. Esto evita la necesidad de fuentes de alimentacion mas grandes y mas costosas para las etapas sucesivas, y de estaciones de evacuacion mas grandes y sustancialmente mas complejas que implican, por ejemplo, el uso de conexiones pasantes mas grandes que requieren entonces un recinto de vado mas grande y mayores requisitos de bombeo de vado y de calentamiento.

Breve descripcion de los dibujos

En los dibujos, en los que los numeros de referencia similares se refieren a partes similares:

La Fig. 1 muestra un diagrama esquematico de un amplificador de tension en cascada para proporcionar una salida amplificada en la forma de onda por impulsos o continua, segun un aspecto de la invencion;

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Las Figs. 2A y 2B muestran vistas en planta superior y transversales asociadas simplificadas de un triodo de emision de campo de catodo fno de alta tension que puede ser usado en la invencion, en la que la Fig. 2B es tomada segun las flechas 2B-2B en la Fig. 2A;

Las Figs. 2C y 2D muestran vistas similares a las Figs. 2A y 2B, pero para un tubo electronico de emision de campo de catodo fno de alta tension, modificado, que puede ser usado en la invencion, en la que la Fig. 2D es tomada segun las flechas 2D-2D en la Fig. 2C;

La Fig. 3 es una vista en perspectiva simplificada, parcialmente recortada, de partes clave de un amplificador de tension en cascada de tres etapas, integrado, con diversas partes omitidas en aras de la claridad, segun un aspecto de la invencion;

La Fig. 4 es una vista en planta lateral simplificada, parcialmente en seccion transversal, de las partes clave de un amplificador de tension en cascada de la Fig. 3, tomada segun las flechas 4-4 en la Fig. 3, con diversas partes omitidas en aras de la claridad.

La Fig. 5 es una vista en planta lateral detallada de una estructura de enlace mostrada en las Figs. 3 y 4, junto con un inductor (“choke”) de ferrita inter-etapas anadido;

La Fig. 6 es una vista de un diagrama de bloques de un esquema para activar un amplificador de tension en cascada integrado; y

La Fig. 7 es una vista de un diagrama de bloques de un numero variable de etapas de un amplificador de tension en cascada segun la invencion.

Descripcion detallada de la invencion

Esta descripcion describe los tres aspectos de (1) topologfa de circuito, (2) implementacion de circuito preferida, y (3) procedimiento de activacion de tubos electronicos en cascada.

1. Topologfa de Circuito

La Fig. 1 muestra un amplificador 10 de tension en cascada (CVA) configurado como un interruptor, y como un circuito amplificador de Clase A modificado. El funcionamiento del amplificador de Clase A se describe mas adelante. El CVA 10 incluye las terminales 12 de entrada y 14 de salida y una tierra 16 ffsica segun la buena practica del diseno de RF. Para los propositos de la descripcion siguiente, el CVA 10 esta disenado para proporcionar una salida de mas de 1.000 voltios.

La version particular de CVA 10 mostrada consiste en tres etapas 18a, 18b y 18c. La primera etapa 18a incluye un tubo 20a de emision de campo de catodo fno con configuracion en triodo y tiene una rejilla derivada a una condicion de espera mediante un resistor 27a, que es preferiblemente variable. Un inductor 21, conocido como un inductor anti-rebote, bloquea los impulsos inversos y evita que lleguen a un condensador 28 negativo de alta tension y cargue una fuente de alimentacion (no mostrada) conectada al terminal 12 de entrada. Un diodo de bloqueo (no mostrado) puede aumentar esta funcion. Una resistencia 24a y un condensador 26a forman una red RC para establecer una constante de tiempo para soportar la conduccion del tubo 20a.

Durante el funcionamiento, un condensador 28 de almacenamiento de energfa se carga desde la tension entre el terminal 12 de entrada y la tierra 16 de RF. El tubo 20a electronico de triodo de emision de campo de catodo fno junto con el inductor 22a, la resistencia 24a, el condensador 26a y la resistencia 27a variable realizan funciones dobles. Estos tubos electronicos se usan tanto para formar un impulso como para amplificarlo entre 3dB y 10dB, dependiendo de la ganancia del tubo 20a segun la fabricacion. Los pares 19a, 19b, 19c y 19d de forma de onda ilustran la ganancia de cada etapa del CVA 10. En cada par 19a-19d de forma de onda, la forma de onda superior representa una senal sinusoidal, que es un modo de funcionamiento para el CVA 10, y la forma de onda inferior representa una senal de impulso, que es otro modo de funcionamiento. El par 19a de forma de onda representa la entrada del CVA 10; el par 19b representa la salida de la 1a etapa que alimenta la entrada de la 2a etapa; el par 19c representa la salida de la 2a etapa que alimenta la entrada de la etapa final; y el par 19d representa la salida del CVA 10.

Las etapas 18b y 18c subsiguientes tienen una funcion similar a la etapa 18a descrita anteriormente y cada una esta configurada para funcionar como un circuito amplificador de Clase A. Las diferencias clave se encuentran en las tensiones nominales de las diferentes etapas. Las tensiones nominales de los componentes del CVA 10 deben ser proporcionales a las tensiones previstas en cada etapa del amplificador. De manera similar, los tubos 18b y 18c tienen un tamano progresivamente mayor para acomodar el incremento de tension.

Todas las etapas del circuito se conectan a una tierra 16 de RF comun segun la buena practica de diseno de RF.

Cabe senalar que es posible alcanzar tensiones mas altas anadiendo etapas adicionales en serie con el circuito principal.

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Debe tenerse cuidado de asegurar que las tensiones nominales y las especificaciones de aislamiento sean proporcionales a las tensiones que se encontraran. Las dimensiones principales de cada etapa aumentan de manera lineal para acomodar la tension mas alta sin producir chispas. Las dimensiones principales incluyen espacios entre electrodos y la longitud y el diametro de los electrodos. Una consecuencia del uso de mas de dos etapas es que el tiempo de subida del CVA 10 se degrada a medida que se aumenta el numero de etapas.

No es raro colocar un circuito de este tipo en un tanque de aceite aislante o en un tanque de gas aislante a alta presion en aras de una mayor fiabilidad. Los aceites aislantes de transformador adecuados son Shell Diala AX Oil Company de Houston Texas, o equivalentes. El gas aislante de transformador adecuado es hexafluoruro de azufre (SFa) disponible en Air Products and Chemicals, Inc. de Allentown, Pennsylvania, o equivalentes.

Con respecto al rendimiento de los tubos de emision de campo de catodo fno de configuracion en triodo, es posible controlar la sobre ganancia del CVA estableciendo la ganancia de cada etapa durante la fabricacion de los propios tubos. Para el circuito CVA, las ganancias de tubo individuales en el rango de 3dB a 10dB proporcionan un funcionamiento extremadamente estable. Los tubos pueden ser fabricados de manera que tengan ganancias individuales tan altas como 20 dB, pero es diffcil evitar que el circuito oscile o vane. Esto puede superarse mediante un cuidadoso diseno del circuito, pero esto aumenta el numero de componentes y causa una reduccion proporcional en el tiempo de subida maximo como resultado de la mayor inductancia del circuito.

Los tubos 20a, 20b y 20c de emision de campo de catodo fno se muestran conectados directamente en serie entre sf, pero no siempre se desea una conexion directa en serie. Por ejemplo, pueden interponerse elementos de circuito intermedios, tales como una inductancia, entre los tubos 20a, 20b y 20c. Por ejemplo, la adicion de inductancias entre las etapas resulta en impulsos mas largos que tienen aplicacion en radar, obtencion de imagenes medicas, litotricia, etc. Una manera de anadir inductancia es mediante la colocacion de un inductor de ferrita hueco (no mostrado) sobre la interconexion electrica entre las etapas del CVA 10. Esto es electricamente equivalente a insertar un inductor convencional en el circuito en el mismo punto.

Los detalles del funcionamiento de Clase A de las etapas 18a-18c del CVA 10 de la Fig. 1 son como sigue. Los amplificadores de Clase A se derivan de manera que se produzcan variaciones en las polaridades de la senal de entrada dentro de los lfmites del punto de corte y de saturacion. Con un tubo electronico de triodo, por ejemplo, si la rejilla se hace positiva con respecto al catodo, los electrones seran repelidos por la rejilla y no puede fluir corriente en el circuito de anodo. Esta condicion se conoce como punto de corte. La saturacion ocurre cuando la rejilla se hace tan negativa con respecto al emisor que los cambios en la senal no se vean reflejados en el flujo de la corriente de anodo.

La derivacion de un amplificador en esta manera coloca el punto de funcionamiento CC entre el punto de corte y la saturacion y permite que la corriente de anodo fluya durante el ciclo completo (360 grados) de la senal de entrada, proporcionando de esta manera una salida que es una replica de la entrada. La salida desde este amplificador esta 180 grados fuera de fase con la entrada, la corriente de salida todavfa fluye durante la duracion completa de la entrada.

Los amplificadores de Clase A no se consideran circuitos de alta eficiencia cuando se usan en circuitos sinusoidales tfpicamente de onda continua (Continuous Wave, CW). El amplificador de Clase A esta caracterizado por su amplificacion altamente precisa de la senal de entrada. Cuando se usa en la amplificacion de impulsos ultra-cortos, tal como se encuentra en la presente invencion, se aumenta la eficiencia. Esto es debido a la diferencia entre el funcionamiento CW y el de impulsos. En el funcionamiento CW, la etapa de salida se encuentra en conduccion continua y, como resultado, el circuito consume continuamente energfa. En el funcionamiento de impulsos ultra-cortos, la situacion es diferente. Las etapas de salida se encuentran solo en conduccion durante el periodo de tiempo en el que esta presente el impulso y, como resultado, la eficiencia del circuito es muy alta. En disenos de impulsos ultra-cortos de banda ancha, el funcionamiento acoplado CC se lleva a la practica sin la necesidad de grandes condensadores encontrados comunmente en este tipo de circuito. Tal como se usa en la presente memoria, un impulso ultra-corto es uno que tiene un tiempo de subida de aproximadamente mas de 10-20 nanosegundos.

La combinacion de las caractensticas del parrafo anterior hace que el amplificador de Clase A sea muy adecuado para aplicaciones de amplificacion de impulsos. Historicamente, se ha usado en circuitos de radar, pero los impulsos en esos circuitos son sustancialmente mas grandes que los impulsos contemplados por la presente invencion.

Ademas de usar tecnicas de emision de campo de catodo fno con un CVA, es posible implementar el CVA usando tubos electronicos con catodos termionicos y fuentes electronicas filamentarias. El uso de este tipo de tubo electronico impone limitaciones significativas en el rendimiento del circuito, principalmente en terminos de las especificaciones de gestion de la corriente y gestion de la tension global.

Aunque la descripcion anterior se ha hecho referencia a la creacion de impulsos de alta tension, es posible hacer funcionar el amplificador de tension en cascada en senales continuas (por ejemplo, sinusoidales). De esta manera, pueden conseguirse senales de salida, de alta ganancia, continuas, de una manera compacta y eficiente.

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2. Implementacion de circuito preferida

Las Figs. 2A y 2B muestran la estructura basica de un triodo 30 de emision de campo de catodo frfo de alta tension que se usa preferiblemente para implementar tubos 20a-20c de emision de campo de catodo frfo en el circuito de la Fig. 1. El triodo 30 se conoce tambien como Pulsatron, tal como se describe en el documento US 4.950.962 del presente inventor y otros. El tamano del Pulsatron se escala para funcionar en el modo continuo a una tension deseada. El triodo 30 incluye un catodo 32 conformado cilmdricamente que esta rodeado por una rejilla 34 conformada cilmdricamente que, a su vez, esta rodeada por un anodo 36 conformado cilmdricamente. La rejilla 34 se muestra como lmeas punteadas para indicar que tendrfa orificios adecuados para el paso de electrones a traves de los mismos. El anodo 36, la rejilla 34 y el catodo 32 comparten un eje principal comun (no mostrado). La separacion radial desde el catodo 32 a la rejilla 34 es tal que no se cree entre los mismos una grna de ondas circular que soporta el modo electromagnetico transversal (TEM). En las Figs. 2A y 2B, de manera ejemplar, el catodo 32 comprende un material de grafito, la rejilla 34 comprende un metal conductor, tal como una aleacion de mquel, y el anodo 36 comprende un metal refractario, tal como tungsteno.

Las Figs. 2C y 2D muestran la estructura basica de otro triodo 40 de emision de campo de catodo fno de alta tension de la Fig. 2C que puede implementar tubos 20a-20c de emision de campo de catodo fno en el circuito de la Fig. 1. Dicho triodo se conoce tambien como Pulsatron, tal como se describe en el documento US 4.950.962 del presente inventor y otros. El triodo 40 incluye un anodo 42 conformado cilmdricamente. El anodo 42 circundante es una rejilla 44 conformada cilmdricamente que, a continuacion, es rodeada por un catodo 46 hueco conformado cilmdricamente. La rejilla 44 se muestra en lmeas punteadas para indicar que tendrfa orificios adecuados para el paso de electrones a traves de la misma. El anodo 42 y el catodo 46 y la rejilla 44 comparten un eje principal comun (no mostrado). La separacion radial desde el catodo 46 a la rejilla 44 es tal que se crea entre los mismos una grna de ondas circular que soporta el modo electromagnetico transversal (TEM). En las Figs. 2C y 2D, de manera ejemplar, el catodo 46 comprende un material de grafito, y el anodo 42 y la rejilla 44 comprenden un metal conductor, tal como aleaciones altas en mquel.

Existen diversas condiciones crfticas que deben satisfacerse cuando se disena una rejilla para un tubo electronico de emision de campo de catodo frfo. Estas son:

(1) La separacion rejilla-catodo o rejilla-anodo debe ser constante a lo largo de la longitud de la rejilla. Esto se consigue normalmente colocando la rejilla bajo alta tension o construyendola con una estructura rfgida.

(2) El numero de elementos en la rejilla debe ser suficientemente alto para asegurar un campo electrico constante y uniforme en la region rejilla-catodo o rejilla-anodo.

(3) No debe haber bordes agudos de rebabas en ninguna parte de la estructura de rejilla. Por el contrario, los elementos individuales pueden ser de formas redondas, planas o elfpticas de alta relacion de aspecto. Todos los bordes deben ser completamente redondeados. En este contexto, completamente redondeado se refiere a que el borde en cuestion tenga un radio igual a la mitad del espesor del material.

La presente implementacion de estas reglas de diseno viene determinada por el tamano de la rejilla a construir.

Las Figs. 3 y 4 muestran partes clave de un amplificador 50 de tension en cascada (CVA) segun un aspecto de la invencion. Con referencia a ambas figuras, un recinto 52 de vado de aleacion de mquel incluye, por ejemplo, las etapas 54 y 56 no finales y la etapa 58 final del amplificador 50. Tal como se muestra mejor en la Fig. 4, el CVA 50 incluye la entrada 59a del catodo de la primera etapa y el aislante 59b asociado, y la salida 59c del anodo de la ultima etapa y la parte 59d de aislante asociada del aislante 53 dielectrico.

Las ventajas del uso de un recinto 52 de vado comun para todas las tres etapas incluyen la eficiencia de fabricacion, el tamano compacto y el menor coste. Sin embargo, hay algunas situaciones en las que no es deseable, necesario o util colocar los tubos electronicos dentro de un recinto de vado comun. Las condiciones que garantizarfan la exclusion de un recinto de vado comun incluyen, pero no se limitan a: circuitos en los que no se considera un rapido tiempo de subida, circuitos en los que se desarrollan tensiones extremadamente altas que necesitarfan un recinto muy grande, circuitos en los que no es deseable una instalacion lineal y circuitos prototipo.

Una etapa 56 no final incluye un anodo 56a, una rejilla 56b y un catodo 56c roscado internamente, que pueden conformarse al anodo 36, la rejilla 34 y el catodo 32 roscado internamente en las Figs. 2A y 2B. Una estructura 62 de enlace no final soporta el anodo 56a de la etapa 56 no final y soporta ademas el catodo 58c de la etapa 58 subsiguiente. La estructura 62 de enlace tiene generalmente la forma de un tenedor de dos puntas en un extremo, con ambas puntas 62a y 62b visibles en la Fig. 4, y un soporte 62d de catodo en la forma de un pasador roscado para montar el catodo, y un hemisferio 62e electricamente conductor y refractario para retener el catodo sobre el pasador 62d roscado que se observa mas facilmente en la Fig. 5. El hemisferio 62e conductor y refractario tiene una segunda funcion de inhibir la emision final del catodo. En un CVA integrado alternativo que usa el catodo 46, una rejilla 44 y un anodo 42 de las Figs. 2C y 2D, el anodo 42 situado centralmente puede ser integrado sin espacio en la estructura 62 de enlace. Esto puede llevarse a cabo fundiendo la estructura 62 de enlace y el anodo 42 como una sola pieza, en lugar de montar la estructura de enlace

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soldando entre sf los componentes individuales.

En un extremo axial de la estructura 62 de enlace (a lo largo del eje del catodo 56c), la estructura 62 de enlace esta conectada a un anillo 62c, preferiblemente realizado mediante fundicion como una pieza en un molde hasta casi la forma exacta y subsiguientemente mecanizado a las dimensiones finales. De manera beneficiosa, la fundicion como una sola pieza resulta en senales de salida que tienen alta fidelidad con relacion a las senales de entrada y un funcionamiento de alta velocidad. Los procedimientos de construccion alternativos incluyen la mecanizacion a partir de materiales de partida o el montaje a partir de partes mecanizadas, que normalmente requieren soldadura con defectos y falta de uniformidad superficiales resultantes que deben quitarse mediante mecanizado.

El anillo 62c tiene roscas internas de tfpicamente 35 por centfmetro, en las que se enrosca el anodo 56a. El extremo derecho de la estructura 62 de enlace termina en un soporte 62d de catodo para la etapa 58 final. Preferiblemente, la estructura 62 de enlace que incluye el anillo 62c y el soporte 62d de catodo forman una estructura continua integral y sin espacio, como resultado de estar formado como una sola pieza en un molde. La estructura 62 de enlace, incluyendo el anillo 62c y la estructura 62d de soporte de catodo se forman preferiblemente en una aleacion de mquel. Preferiblemente, la estructura 62 de enlace es una lmea de transmision electrica a lo largo de toda su longitud. Esto significa que la parte de la lmea de transmision de la estructura 62 de enlace es mayor que 1/10 de la longitud de onda del impulso. A esta longitud, el retardo de fase y la interferencia de cualquier reflexion sobre la lmea se vuelven importantes y pueden conducir a comportamientos impredecibles en sistemas que no han sido disenados cuidadosamente usando la teona de lmeas de transmision.

Tal como se muestra mejor en la Fig. 4, un aislante 68 ceramico de forma generalmente hemisferica tiene una ranura 68a orientada hacia la derecha para recibir una region convexa de la estructura 62 de enlace, y tiene un reborde 68b para cubrir la periferia interior del extremo derecho del anodo 56a.

Con referencia a las Figs. 3 y 4, las conexiones electricas a la etapa 56 no final a traves del recinto 52 de vado se realizan mediante: conexion 72a pasante intermedia, conectada al catodo 56c (Fig. 3) de la etapa 56 (y tambien al anodo 54a de la etapa 54); conexion 72b pasante de la rejilla y conexion 72c pasante intermedia conectada al anodo 56a de la etapa 56 (y tambien el catodo 58c de la etapa 58). Una conexion 74 pasante de rejilla permite el acceso electrico a la rejilla 58b de la etapa 58 final, y una conexion 76 pasante de rejilla permite el acceso electrico a la rejilla 54b (Fig. 3). Las bombas 78 de captacion de productos qmmicos y las conexiones pasantes asociadas se muestran tambien en la Fig. 4. Como es costumbre, todas las conexiones pasantes estan selladas al vado y aisladas electricamente con material dielectrico. El CVA 10 integrado incluye otras caractensticas comunes a todos los tubos de vado, tales como una tubulacion 79 de evacuacion, y puede incluir una bomba de vado activa, si se desea.

La Fig. 3 omite varios elementos en aras de la claridad, por ejemplo, muestra solo la conexion 72b pasante de la rejilla en lugar de todas las conexiones pasantes mostradas en la Fig. 4. Se omiten tambien, en aras de la claridad, en las Figs. 3 y 4, los elementos de soporte dielectricos para posicionar de manera exacta y para soportar los diversos elementos tubulares internos. La inclusion de dichos elementos de soporte sera rutinaria para las personas con conocimientos ordinarios en la materia.

Normalmente, el tiempo de subida del CVA 10 viene determinado solo por el tiempo de subida de la etapa 58 final. Sin embargo, en aplicaciones de circuito en las que es deseable ralentizar o extender deliberadamente la amplitud de impulso de un impulso de entrada, es posible colocar un inductor de ferrita sobre el elemento de lmea de transmision de interconexion. Por ejemplo, tal como se muestra en la Fig. 5, un inductor 82 de ferrita interpuesto entre un par 84a, 84b podna ser colocado sobre la estructura 62d de soporte del catodo. A continuacion, se proporcionan detalles adicionales de un inductor de ferrita.

Un inductor de ferrita es un elemento de circuito electronico no resistivo que consiste en compuestos ferromagneticos que contienen hierro y cantidades menores de oxidos de mquel, zinc o magnesio. Las propiedades de impedancia del inductor de ferrita le permiten actuar con una alta resistencia a senales de alta frecuencia, y con una baja resistencia a senales de frecuencia mas baja. De esta manera, se suprime el ruido de alta frecuencia y la energfa absorbida es convertida en una cantidad muy pequena de calor. El tipo de material de ferrita usado en el lecho determinara la frecuencia de funcionamiento, y las dimensiones ffsicas y la forma del inductor de ferrita determinan la cantidad posible de modificacion de impulso.

Es posible usar el amplificador 50 de voltaje en cascada integrado (Figs. 3-4) en un circuito amplificador de Clase C, asf como en un circuito amplificador de Clase A.

La descripcion anterior de las Figs. 3 y 4 se ha enfocado en la segunda etapa 56 no final. La primera etapa 54 y la etapa 58 final comparten mucho en comun con la segunda etapa 56, con algunas diferencias principales tal como se indica a continuacion. A diferencia de la segunda etapa 56, la primera etapa 54 tiene su catodo soportado desde una entrada 59a de catodo de primera etapa, en lugar de desde una estructura de enlace (por ejemplo, similar a 60) de la etapa anterior. La etapa final incluye una estructura 64 de enlace que termina en una salida 59c de anodo de la ultima etapa, en lugar de

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una estructura de soporte de catodo (por ejemplo, 62d de la segunda etapa 56) para una etapa siguiente. La etapa 58 final esta aislada electricamente del recinto 52 de vado mediante un aislante 53 dielectrico. Ademas, los tamanos relativos de las etapas 54, 56 y 58 aumentan desde la primera etapa 54 hasta la etapa 58 final. Finalmente, cabe senalar que, en esta especificacion, los numeros de referencia similares se refieren a partes similares, de manera que, por ejemplo, la descripcion anterior del anodo 56a para la segunda etapa 56 se aplica tambien al numero de referencia 54a para la primera etapa 54 y al numero de referencia 58a de la tercera etapa 58.

3. Procedimiento de activacion de tubos electronicos en cascada

La activacion de un tubo electronico es la penultima etapa de procedimiento en la fabricacion del tubo, justo antes de perforar la tubulacion de evacuacion. El proposito de la activacion es convertir el catodo, tal como se fabrica, en un elemento de emision de electrones en funcionamiento. Tfpicamente, este procedimiento implica extraer corriente del catodo a traves del anodo, mientras el tubo todavfa esta conectado a un sistema de bombeo de vado. La implementacion especifica varia con el tipo de catodo usado. Es importante reconocer que el procedimiento de activacion es completamente independiente de la geometna del electrodo del tubo o de la etapa del tubo.

La presente invention se refiere a tubos electronicos conectados integralmente en serie en la naturaleza de la conexion integral de los tubos electronicos, tal como se ha descrito anteriormente con relation a las Figs. 3 y 4. La activacion de un catodo termionico cambia principalmente la qmmica de la superfine emisora del catodo, mientras que la activacion de un catodo fno se usa para eliminar las impurezas del catodo.

Un aspecto que no forma parte de la presente invencion es el uso de una unica fuente de alimentation para activar las etapas 18a, 18b y 18c sucesivas (Figs. 3-4), en oposicion al uso de tres fuentes de alimentacion separadas de tensiones progresivamente crecientes. Debido a que el coste de las fuentes de alimentacion de alta potencia y tension aumenta rapidamente con una tension nominal de salida creciente, es deseable disponer de la capacidad de activar una etapa de tension muy alta con una fuente de alimentacion de tension relativamente baja. Esto se consigue aprovechando la amplification inherente proporcionada por cada etapa (18a, 18b y 18c). La primera etapa 18a eleva la tension al nivel correcto para activar de manera apropiada la segunda etapa 18b; el mismo procedimiento se repite para cada etapa sucesiva. En la etapa final (por ejemplo, 18c o superior), todavfa se requiere el procedimiento de amplificacion, pero se usa internamente para activar esa etapa.

La Fig. 6 muestra un esquema 90 para activar un amplificador 92 de tension en cascada integrado (CVA). El amplificador 92, mostrado en lmeas punteadas dentro de un recinto 91 de vado, puede comprender de manera adecuada el CVA descrito anteriormente en conexion con las Figs. 3 y 4. Una fuente 94 de alimentacion de alta tension variable alimenta el terminal 12 de entrada del amplificador 92. Una resistencia 96 de carga esta conectada al terminal 14 de salida en un extremo, y a una resistencia 98 de derivation en el otro extremo. El otro lado de la resistencia 98 de derivation esta conectado a una tierra 100 comun. El conductor central de una conexion 102 hembra coaxial esta conectado al terminal comun de la resistencia 96 de carga y a la resistencia 98 de derivacion. La conexion a tierra de la conexion 102 hembra coaxial esta conectada a la conexion 104 a tierra de la resistencia de derivacion. Se usan unos medios 106 de evacuacion, mostrados diagramaticamente, para evacuar aire e impurezas desde el recinto 91 de vado.

Para activar el CVA 92, el aire se evacua desde el recinto 91 mediante los medios 106 de evacuacion. La tension electrica desde la fuente 94 de alimentacion de alta tension variable es aplicada entre el anodo y el catodo de la primera etapa de tubo conectada en serie dentro del CVA 92. Una cantidad suficiente de la desde la fuente 94 de alimentacion se propaga en serie a traves de cualquier etapa intermedia (aqrn, la segunda etapa) hasta la etapa final con el fin de facilitar la activacion de todas las etapas. Preferiblemente, la energfa suministrada por la fuente 94 de alimentacion al anodo y al catodo de la primera etapa es suficiente para causar la activacion de todas las etapas. De manera beneficiosa, cada etapa amplifica la tension de activacion de entrada al valor correcto para el nivel de activacion mencionado en las dos frases anteriores en virtud de su diseno.

Aunque la Fig. 6 y, por implication, las Figs. 3 y 4, muestran las tres etapas de un amplificador de tension en cascada (CVA), pueden incorporarse cuatro o mas etapas en un CVA. De esta manera, la Fig. 7 muestra diagramaticamente, entre la entrada 12 y la salida 14, las etapas 110a, 110b, 110c y etapas intermedias, no enumeradas, representadas por una interruption de lmea, hasta la etapa 110n. Estas cuatro o mas etapas pueden reemplazar las tres etapas de las Figs. 3, 4 y 6. La interrelation de las diversas etapas de la Fig. 7 puede discernirse de la interrelation de las etapas sucesivas en las Figs. 3 y 4. En particular, la etapa 110a (Fig. 7) corresponde a la primera etapa 54 (Figs. 3 y 4), las etapas 110b, 110c y cualquier etapa intermedia adicional de la Fig. 7 corresponden a la segunda etapa 56 en las Figs. 3 y 4 y la etapa 110n final de la Fig. 7 corresponde a la etapa 58 final en las Figs. 3 y 4. La consecuencia de anadir etapas adicionales es una pequena disminucion en el tiempo de subida del CVA resultante, que se rige por el tiempo de subida de la ultima etapa y no esta sometida al resultado de la rapidez de respuesta (dv/dt).

Aunque la invencion se ha descrito con respecto a realizaciones espedficas, de manera ilustrativa, las personas con conocimientos en la materia idearan muchas modificaciones y cambios.

Claims

5

10

15

20

25

30

35

40

REIVINDICACIONES

1. Un amplificador (50) de tension en cascada para producir una salida amplificada en forma de impulsos o en forma de onda continua, que comprende:

a) al menos una etapa (54, 56) no final que comprende un tubo electronico configurado como unos medios de conmutacion y de amplificacion de Clase A o C; y

b) una etapa (58) final que comprende un tubo electronico configurado como un medio de conmutacion y de amplificacion de Clase A o C; y

c) en el que al menos una etapa (54, 56) no final y la etapa (58) final estan conectadas en serie;

d) en el que la salida amplificada tiene una tension de al menos 1.000 voltios; caracterizado por que

e) cada etapa (54, 56 y 58) incluye un electrodo (54a, 56a, 58a) exterior cilmdrico que rodea al menos una rejilla (54b, 56b, 58b) cilmdrica concentrica que, a su vez, rodea un electrodo (54c, 56c, 58c) interior cilmdrico concentrico;

f) en el que la separacion radial desde el electrodo (54c, 56c, 58c) interior cilmdrico a la rejilla (54b, 56b, 58b) cilmdrica es tal que crea entre los mismos una gma de ondas circular que soporta un modo electromagnetico transversal;

g) en el que cada etapa no final incluye una estructura (62) de enlace para unir electricamente, y ser el soporte mecanico principal para, el electrodo exterior de dicha etapa (56a) no final y el electrodo interior de una etapa (58) subsiguiente; en el que la estructura (62) de enlace tiene un primer extremo y un segundo extremo y comprende:

1. una interconexion electrica incluida entre el primer extremo y el segundo extremo;

ii. en el que el primer extremo incluye medios para soportar el electrodo (56a) exterior de cada una de dichas etapas (56) no finales; y

iii. en el que el segundo extremo incluye medios para soportar el electrodo (58c) interior de dicha etapa (58) subsiguiente.
2. Amplificador de tension en cascada segun la reivindicacion 1, en el que la al menos una etapa (54, 56) no final y la etapa (58) final estan contenidas ffsicamente dentro de un recinto (52) de vado comun.
3. Amplificador de tension en cascada segun la reivindicacion 1, en el que el numero de etapas (54, 56) no finales consiste en dos.
4. Amplificador de tension en cascada segun la reivindicacion 1, en el que el numero de etapas no finales consiste en tres.
5. Amplificador de tension en cascada segun la reivindicacion 1, en el que al menos una etapa (54, 56) no final y la etapa (58) final incluyen cada una un tubo electronico de emision de campo de catodo frio.
6. Amplificador de tension en cascada segun la reivindicacion 1, en el que la estructura de enlace de cada etapa (54, 56) no final es una estructura continua integral y sin interrupciones.
7. Amplificador de tension en cascada segun la reivindicacion 1, en el que la interconexion electrica comprende una lmea de transmision electrica.
8. Amplificador de tension en cascada segun la reivindicacion 1, en el que la etapa (58) final incluye una estructura de enlace para unir electricamente, y ser el soporte mecanico principal para, el electrodo exterior de dicha etapa (58) final y una circuitena externa; en el que la estructura (64) de enlace tiene un primer extremo y un segundo extremo y comprende:

a) una lmea de transmision electrica incluida entre el primer extremo y el segundo extremo;

b) en el que el primer extremo incluye medios para soportar el electrodo (58a) exterior de la etapa final; y

c) en el que el segundo extremo incluye medios para conectarse a la circuitena externa.
9. Amplificador de tension en cascada segun la reivindicacion 8, en el que la estructura de enlace de la etapa (58)

final es una estructura continua integral y sin interrupciones.
10. Amplificador de tension en cascada segun la reivindicacion 1, en el que los electrodos exteriores son anodos (54a, 56a, 58a) y los electrodos interiores son catodos (54c, 56c, 58c).
11. Amplificador de tension en cascada segun la reivindicacion 1, en el que los electrodos exteriores son catodos y 5 los electrodos interiores son anodos.