Made available in DSpace on 2014-10-09T12:33:38Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2014-10-09T14:04:37Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Neste trabalho investiga-se, inicialmente, o comportamento de um amplificador klystron de múltiplas cavidades segundo uma análise a pequenos sinais linear considerando o efeito de carga espacial para, na seqüência, apresentar uma análise do dispositivo utilizando um modelo não-linear a grandes sinais. Na primeira investigação apresenta-se, a partir da teoria dos modos normais, expressões que descrevem o balanço de potência complexo em uma cavidade excitada por um feixe de elétrons. Na seqüência, utiliza-se um modelo linearizado a pequenos sinais para desenvolver uma expressão para a densidade de corrente de convecção ao longo do tubo de deriva acoplado a múltiplas cavidades reentrantes, em função do campo elétrico produzido nos gaps de interação das cavidades. Estas expressões formam a base para a determinação do ganho de voltagem e de ganho de potência de um amplificador klystron de múltiplas cavidades, além da determinação de uma expressão para a largura de banda, sob a hipótese de cavidades idênticas e igualmente espaçadas. O código desenvolvido é validado utilizando-se os parâmetros de um amplificador klystron de 4 cavidades, com corrente d.c. de 525 mA, voltagem d.c. de 6 kV e freqüência de 1,849 MHz, quando se obteve um ganho de 70 dB. Na análise a grandes sinais, o modelo matemático utiliza o formalismo lagrangiano para resolver a dinâmica das partículas, descritas conforme o modelo de discos com raio finito, em uma análise unidimensional, considerando os efeitos não-lineares devido aos campos de carga espacial. O código é validado usando os dados de um amplificador klystron comercial Varian. Dentre outros, os gráficos da velocidade e da densidade do feixe de elétrons, da corrente harmônica, do ganho por cavidade, da conversão AM/AM, da compressão de ganho e da energia do sistema são mostrados e discutidos. Além disso, apresentou-se também um método para a determinação da freqüência de ressonância 0 f , para o fator de qualidade Q e para a razão (R Q) em cavidades cilíndricas reentrantes, de relevância para o projeto de amplificadores klystron de múltiplas cavidades, utilizando a técnica do casamento de admitância do gap de interação entre a cavidade e o tubo de deriva. Um dos resultados mais significativos é o da corrente harmônica fundamental, que resultou 60% maior do que a corrente d.c. considerando um dispositivo com 4 cavidades. / Tese (Doutoramento) / IPEN/T / Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares - IPEN-CNEN/SP

Resonant cavity controlled klystron frequency stabilization circuits and quartz-crystal oscillator frequency stabilization circuits were investigated for reflex klystrons operating at frequencies in the X-band range. The crystal oscillator circuit employed achieved better than 2 parts in 10 in frequency stability. A test of the functional properties of the frequency standard was made using the Stark effect in molecules.

Ce travail de recherche présente l’étude, conception et validation d’une topologie de convertisseur de puissance pulsé qui compense la chute de tension pour des modulateurs de type klystron de haute performance. Cette topologie est capable de compenser la chute de tension du banc de condensateur principal et, en même temps, de faire fonctionner le modulateur avec une consommation de puissance constante par rapport au réseau électrique. Ces spécifications sont requises par le projet Compact Linear Collider (CLIC) pour les modulateurs klystron de son Drive Beam. Le dimensionnement du système est effectué à partir d’un outil d’optimisation globale développé à partir des modèles analytiques qui décrivent les performances de chaque composant du système. Tous les modèles sont intégrés dans un processus optimal intermédiaire de conception qui utilise des techniques d’optimisation afin de réaliser un dimensionnement optimal du système. Les performances de cette solution optimale intermédiaire sont alors évaluées à l’aide d’un modèle plus fin basé sur des simulations numériques. Une technique d’optimisation utilisant l’approche «space mapping» est alors mise en oeuvre. Si l’écart entre les performances prédites et les performances simulées est important, des facteurs de correction sont appliqués aux modèles analytiques et le processus d’optimisation est relancé. Cette méthode permet d’obtenir une solution optimale validée par le modèle fin en réduisant le nombre de simulations. La topologie finale sélectionnée pour le cahier des charges du modulateur CLIC est validée expérimentalement sur des prototypes à échelle réduite. Les résultats valident la méthodologie de dimensionnement et respectent les spécifications. / This research work presents the study, design and validation of a pulsed power converter topology that performs accurate voltage droop compensation for high performance klystron modulators. This topology is capable of compensating the voltage droop of the intermediate capacitor bank and, at the same time, it makes possible a constant power consumption operation of the modulator from the utility grid. These two main specifications are required for the Compact Linear Collider (CLIC) Drive Beam klystron modulators. The dimensioning of the system is performed by developing a global optimization design tool. This tool is first based on developed analytical models describing the performances of each system subcomponent. All these models are integrated into an intermediate design environment that uses nonlinear optimization techniques to calculate an optimal dimensioning of the system. The intermediate optimal solution performances are then evaluated using a more accurate model based on numerical simulation. Therefore, an optimization technique using «space mapping» is implemented. If differences between predicted performances and simulated results are non-negligible, correction factors are applied to the analytical models and the optimization process is launched again. This method makes possible to achieve an optimal solution validated by numerical simulation while reducing the number of numerical simulation steps. The selected final topology for the CLIC klystron modulator is experimentally validated using reduced scale prototypes. Results validate the selected methodology and fulfill the specifications.