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Dokumentenidentifikation DE3134582C2 12.10.1989
Titel Querenergieausgleicher für Gyrotrone
Anmelder Varian Associates, Inc., Palo Alto, Calif., US
Erfinder Symons, Robert Spencer, Los Altos, Calif., US
Vertreter Bernhardt, K., Dipl.-Ing., Pat.-Anw., 8000 München
DE-Anmeldedatum 01.09.1981
DE-Aktenzeichen 3134582
Offenlegungstag 24.06.1982
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 12.10.1989
Veröffentlichungstag im Patentblatt 12.10.1989
IPC-Hauptklasse H01J 25/78
Zusammenfassung Bei einer Gyrotron-Elektronenröhre wird durch eine schraubenlinienförmige Komponente eines Magnetfeldes eine schwingende Bewegung senkrecht zu der Achse eines linearen Elektronenstrahls erzeugt. Die Länge des schraubenlinienförmigen Feldes entlang der Achse ist genau so gewählt, daß alle Elektronen auf verschieden weit von der Achse entfernten Radien die gleiche quergerichtete Energie aufnehmen.

Beschreibung[de]

Die Erfindung geht aus von einer Gyrotron-Elektronenröhre nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, wie aus US 33 98 376 bekannt ist, und eignet sich insbesondere für solche elektromagnetischen Wellengeneratoren für sehr hohe Frequenzen und Leistungspegel. Eine vielversprechende Vorrichtung dieser Art ist das "Gyrotron", bei dem ein linearer Elektronenstrahl in einem axialen Magnetfeld veranlaßt wird, axiale Energie in eine schwingende Bewegung quer zu dem axialen Feld zu verwanddeln. Die Querbewegung tritt mit dem quergerichteten elektrischen Feld einer elektromagnetischen Welle, z. B. einer Kreisschwingungsart eines zylindrischen Hohlraums, in eine Wechselwirkung ein, wodurch die Welle verstärkt wird. Der Vorteil des Gyrotrons gegenüber den bekannten Klystronen und Wanderfeldröhren besteht darin, daß der elektromagnetische Stromkreis erheblich größer sein kann als die Wellenlänge der erzeugten Welle im freien Raum.

Früher verwendete Gyrotrone arbeiteten mit einem hohlen Elektronenstrahl, der einer Magnetronkanone entnommen wurde. Eine solche Kanone ist in der US-PS 32 58 626 beschrieben. Die radial von der Kathodenfläche in Richtung auf die sie umgebende Anode ausgehenden Elektronen nehmen dadurch, daß sie das axiale Magnetfeld durchsetzen, sofort eine Drehgeschwindigkeit um die Achse an. Dieser rotierende hohle Strahl wird in einem Hohlraum eingeführt, der eine elektromagnetische Stehwelle im kreisförmigen Modus des elektrischen Feldes führt. Die Drehgeschwindigkeitskomponente tritt mit dieser Welle in eine Wechselwirkung ein, so daß eine Kreisbahn-Bewegung der Elektronen in einem gleichmäßigen axialen Magnetfeld erzeugt wird. Der quergerichtete Hochfrequenz-Elektronenstrom gibt Energie an die elektrische Feldkomponente der Welle ab, die bei ihrer Bewegung durch den Hohlraum zunimmt und die nutzbare Ausgangswelle erzeugt. Diesen Röhren haftet der Nachteil an, daß der Strahl notwendigerweise hohl ist, so daß der Hohlraum groß sein muß, um einen starken Strahlstrom aufzunehmen. Daher ergeben sich Probleme durch unerwünschte Schwingungsarten und Abstrahlung durch die Eintritts- und Austrittsöffnungen für den Strahl.

Ein Verfahren zum Umwandeln axialer Energie geladener Teilchen in einem Magnetfeld in quergerichtete Energie wurde durch Richard C. Wingerson in "Physical Review Letters" vom 1. Mai 1961, S. 446-448, behandelt. Der hier beschriebene "Korkenzieher" ist eine Vorrichtung zum Erzeugen einer schraubenlinienförmigen Magnetfeldkomponente mit einer solchen Ganghöhe, daß sich axial bewegende Elektronen bei ihrer Cyclotronfrequenz mit dieser Komponente in Wechselwirkung treten. Somit können Elektronen, die keine anfängliche Quergeschwindigkeit aufweisen, schnell mit dem schraubenlinienförmigen Feld zusammenwirken, um ihre axiale Energie in eine quergerichtete Energie umzuwandeln, und zwar bis zu 100%.

Wingerson betrachtete seine Vorrichtung als reflektierenden Spiegel für magnetisch eingeschlossene Teilchen. In neuerer Zeit ist sie als Vorrichtung zum Erzeugen quergerichteter Geschwindigkeiten in einem Elektronenstrahl zur Gyrotron- Wechselwirkung vorgeschlagen worden. Bei dieser Verwendung weist sie den Vorteil auf, daß der Strahl nicht hohl zu sein braucht, so daß mehr Strom kleinere Eintritts- und Austrittsöffnungen passieren kann und das Problem von Strahlungsverlusten durch diese Öffnungen verringert wird.

Das Korkenzieherfeld hat jedoch einen großen Nachteil. Das schraubenlinienförmige Feld wird durch einen Feldgenerator außerhalb des Strahls erzeugt und ist daher nahe der Außenseite des Strahls stärker als in der Nähe seiner Achse. Somit weisen Elektronen in unterschiedlicher radialer Lage unterschiedliche quergerichtete Energien auf, wodurch der Wirkungsgrad der Gyrotron-Wechselwirkung beschränkt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gyrotron- Elektronenröhre nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 mit verbessertem Wirkungsgrad zu schaffen, die somit geringere Strahlungsverluste aufweist.

Diese Aufgabe wird mit dem Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst. Anspruch 2 gibt eine Ausgestaltung dieser Elektronenröhre an.

So erzeugt ein schraubenlinienförmiges Magnetfeld Geschwindigkeiten der Elektronen in Querrichtung, so daß die Verwendung einer Eintrittsöffnung mit kleinem Durchmesser zur Vermeidung unerwünschter Strahlung durch die Öffnung möglich ist, wie auch eines Wechselwirkungshohlraums mit kleinem Durchmesser und einer Kreisschwingungsart niedriger Ordnung, so daß unerwünschte Schwingungsarten nicht gefördert werden. Die axiale Länge des schraubenlinienförmigen Feldes ist genau so gewählt, daß die Elektronen in unterschiedlicher radialer Lage gegenüber der Achse mit der gleichen quergerichteten Energie von dem schraubenlinenförmigen Feld ausgehen.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Axialschnitt eines bekannten Gyrotrons;

Fig. 2 eine Darstellung eines weiteren Verfahrens zum Erzeugen einer Drehgeschwindigkeit;

Fig. 3 einen Axialschnitt des Resonatorabschnitts eines Gyro-Klystron-Oszillators, der mit einem schraubenlinienförmigen Magnetfeld arbeitet;

Fig. 4 ein Schaubild der quergerichteten Energie in einem Strahl in einem schraubenlinienförmigen Feld; und

Fig. 5 ein Schaubild ähnlich demjenigen nach Fig. 3 für andere Parameter.

In Fig. 1 ist ein bekannter Gyro-Klystron-Oszillator schematisch dargestellt. Ein hohler Elektronenstrahl 10 wird einer konischen thermionischen Kathode 12 durch ein an eine sie umgebende hohle Anode 14 angelegtes positives Potential entzogen. Diese "Magnetron-Injektionskanone" ist in ein axiales Magnetfeld eingetaucht, das durch einen sie umgebenden Elektromagneten 16 erzeugt wird. Eine solche Kanone ist in der US-PS 32 58 626 beschrieben. Die der Kathode 12 entzogenen Elektronen 10 durchsetzen die Magnetfeldlinien und erhalten eine Drehgeschwindigkeit um die Achse 18. Sowohl die Kathode 12 als auch die Anode 14 sind konisch geformt, so daß eine axiale Komponente der Elektronengeschwindigkeit vorhanden ist, die den Elektronenstrom 10 der Kanone in Form eines hohlen Strahls entzieht, der sich um seine Achse dreht und sich in Richtung der Abnahme des Durchmessers der Elektroden 12 und 14 bewegt.

Der Elektronenstrom 10 wird durch ein weiteres, stärker positives Potential in den Hauptkörper 20 des Gyrotrons hineingezogen. Im Eintrittsbereich 22 wird das axiale Magnetfeld, das von einem zweiten Elektromagneten 24 geformt wird, erheblich stärker, wodurch sich der Durchmesser des Strahls 10 verkleinert. Außerdem nimmt seine Drehgeschwindigkeit um die Achse zu, während sich seine axiale Geschwindigkeit verringert. Axiale Energie wird so in Drehenergie umgewandelt. Die Kurve 26 zeigt die Stärke des axialen Magnetfeldes über der jeweiligen axialen Lage im unmittelbar darunter dargestellten Gyrotron.

Nachdem der Strahl 10 komprimiert worden ist, tritt er in den Wechselwirkungs-Hohlraum 28 ein. Hierbei handelt es sich um einen axialsymmetrischen Hohlraum mit aus Kupfer hergestellten Wänden von hoher Leitfähigkeit. Der Hohlraum 28 ist so bemessen, daß er in der gleichen Schwingungsart wie das senkrecht zur Achse verlaufende kreisförmige elektrische Feld elektromagnetisch resonanzfähig ist. Hierbei kann es sich um die Schwingungsart TEol der untersten Ordnung handeln. Alternativ kann man eine Schwingungsart TEom höherer Ordnung wählen, wobei m die Anzahl der Felmaxima zwischen der Achse 18 und der Hohlraumaußenwand 30 bezeichnet. Am Strahleneintrittsende ist die Hohlraumwand 30 eingeschnürt, um eine Öffnung 32 zu bilden, deren Durchmesser klein genug ist, um ein Passieren der Hohlraumwelle mit der Folge eines Energieverlustes zu verhindern. Am Strahlenaustrittsende ist eine ähnliche Öffnung 34 nicht vollständig für die Welle verschlossen, sondern gestattet den Durchtritt des erwünschten Bruchteils in den Ausgangshohlleiter 36 und seinen Austritt durch das dielektrische Vakuumfenster 38, um in eine nicht gezeigte Nutzlast einzutreten.

Beim Betrieb tritt die Drehgeschwindigkeitskomponente des Elektronenstrahls 10 mit dem kreisförmigen elektrischen Feld der stehenden Welle des Hohlraums in Wechselwirkung, um eine Drehbewegungskomponente um die magnetischen Feldlinien zu erzeugen. Diese Hochfrequenzkomponente führt der stehenden Welle weitere Energie zu, wodurch eine fortgesetzte Schwingung unterstützt und nutzbare Mikrowellenleistung erzeugt wird. Der Vorteil des Gyrotrons für sehr hohe Leistungen und Frequenzen liegt darin, daß der Resonanzhohlraum die Dimensionen zahlreicher Wellenlängen im freien Raum anstatt eines Bruchteils einer Wellenlänge wie beim Klystronhohlraum aufweist. Außerdem kann der Strahl einen Durchmesser von mehreren Wellenlängen haben.

Der Durchmesser des Wechselwirkungs-Hohlraums 28 vergrößert sich in Richtung auf sein Austrittsende, so daß sich die Amplitude der stehenden Welle zum Zwecke kumulativer Wechselwirkung vergrößert.

Nach dem Verlassen des Hohlraums 28 tritt der Strahl 10 in einen Bereich 40 mit schwächer werdendem Magnetfeld ein, und sein Durchmesser vergrößert sich demgemäß, bis er an der Außenwand 42 des führenden Hohlleiters 36 gesammelt wird, welch letztere durch Wasserkanäle 44 gekühlt wird. Auf diese Weise werden die Funktionen des Strahlsammlers und der Ausgangshohlleiter kombiniert.

Ein Problem besteht bei diesem bekannten Gyrotron darin, daß die ursprüngliche Drehgeschwindigkeit des Strahls von der Magnetronkanone herrührt. Die Höhe der Drehgeschwindigkeit wird durch die Eigenschaften der Kanone bestimmt und kann nicht für den Einzelfall gewählt werden. Außerdem ist der Strahl naturgemäß hohl und muß daher größer sein als ein massiver Strahl gleicher Stromdichte. Der größere Strahl verursacht größere Schwierigkeiten hinsichtlich unerwünschter elektromagnetischer Schwingungsarten und Leckverluste durch die Öffnungen.

Ein verbessertes Verfahren zum Einführen von Drehenergie in einen Strahl geladener Teilchen wurde von Richard C. Wingerson in "Physical Review Letters", Bd. 6, Nr. 9, 1. Mai 1961, S. 446-448, vorgeschlagen. Dieses Verfahren besteht darin, den Strahl durch ein axiales Magnetfeld zu leiten, dem eine Korkenzieherkomponente hinzugefügt worden ist. Fig. 2 zeigt die Vorrichtung und das Ergebnis. Der Strahl 45, der sich in Richtung des axialen Feldes Bo bewegt, durchläuft einen schraubenlinienförmigen Magneten 46, der aus einem durch das axiale Feld magnetisierten Eisenstreifen besteht. Die Querkomponente des Magnetfeldes pflanzt sich drehend entlang der Achse fort. Die Ganghöhe p des Korkenziehers wird der Cyclotronwellenlänge angeglichen (der axialen Strecke, die ein Teilchen in der Zeit einer Umdrehung in dem gleichmäßigen axialen Feld Bo zurücklegt). Da die Teilchen durch die Umwandlung axialer Geschwindigkeit in Drehgeschwindigkeit in der Axialrichtung langsamer werden, vermindert sich die Cyclotronwellenlänge, so daß die Ganghöhe p der Schraubenlinie kürzer wird. Bei Elektronenstrahlen von relativistischer Energie ist die Änderung der Geschwindigkeit mit derjenigen der Energie viel geringer als bei schweren Teilchen, und die Verringerung der Ganghöhe kann sich erübrigen.

Fig. 3 ist ein schematischer Axialschnitt desjenigen Bereichs eines Gyrotrons, in dem Drehenergie durch ein Korkenzieherfeld zugeführt wird. Diese Verwendung eines Gyrotrons ist in der US-PS 33 98 376 beschrieben.

In Fig. 3 ist der Strahl 10&min; ein massiver Strahl, der von einer bekannten Elektronenkanone 48 der bei Klystronen und Wanderfeldröhren verwendeten Bauart ausgeht. Die konkave thermionische Kathode 50 hat ein gegenüber dem Gyrotronkörper 52 negatives Potential, wodurch der konvergierende Strahl 10&min; in den Hohlraum 54 des Körpers 52 hineingezogen wird. Am Ende des Hohlraums 54 befindet sich eine Stahlplatte 56, die in die Stahlabschirmung 58 paßt, welche das Endpolstück des axialen magnetischen Schirms bildet. Somit ist die Kathode 50 teilweise gegenüber dem axialen Feld abgeschirmt.

Am Weg des Strahls 10&min; durch den Hohlraum 54 beginnt ein korkenzieherförmiges Magnetfeld, das durch eine bifilare Wendel 60 erzeugt wird, in der ein gegenläufiger Gleichstrom fließt, wie durch die Pfeile 62 angedeutet. Für gepulsten Betrieb kann auch ein Wechselstrom mit niedriger Frequenz verwendet werden. Das korkenzieherförmige Feld verwandelt axiale Energie in Rotationsenergie, wie durch Wingerson beschrieben. Die Menge der Rotationsenergie hängt von der Stärke und Länge des Korkenzieherfeldes ab und kann vom Konstrukteur ganz nach Wunsch gewählt werden. An dem Punkt, an dem die Rotationsenergie den erwünschten Wert erreicht hat, endet das Korkenzieherfeld, und der Strahl wird dadurch komprimiert, daß das axiale Feld über eine Kompressionszone 64 hinweg stärker gemacht wird. Diese Kompression erhöht zusätzlich die Rotationsenergie auf Kosten der axialen Energie. Da die Rotationsenergie die Mikrowellen erzeugt, sollte sie den größten Teil der Gesamtenergie bilden. Am Ende der Kompressionszone 64 tritt der Strahl durch die Eintrittsöffnung 32&min; in den Resonanz-Wechselwirkungshohlraum 28&min; ein. Im übrigen ähnelt das Gyrotron demjenigen nach Fig. 1, abgesehen davon, daß im Falle des massiven Strahls das Austrittsfenster gegen Elektronen nahe der Achse abgeschirmt sein muß.

Die optimale Länge des Korkenzieherfeldes wird nun wie im Anspruch 1 angegeben gewählt. Fig. 4 zeigt Kurven des Verhältnisses zwischen Elektronenenergie senkrecht zu der Achse V PERP und parallel zu der Achse VZ über die Länge Z des Korkenzieherfeldes aufgrund berechneter Elektronenbahnen. Die Stärke des Korkenzieherfeldes beträgt 1% des axialen Feldes, und die Periodenlänge entspricht genau der Cyclotron-Wellenlänge. Bei einem Strahl, der keine Energie in Querrichtung aufweist, gilt die Kurve 66 für Elektronen im Zentrum des ursprünglichen axialsymmetrischen Strahls, die Kurve 68 für Elektronen, die bei kr = 0,25 ihren Ausgang nehmen, wobei k die radiale Fortpflanzungsgeschwindigkeitskonstante und r den Eintrittsradius bezeichnet, und die Kurve 70 für Elektronen, die bei kr = 0,5 ihren Ausgang nehmen, was etwa dem größten Strahl entspricht, der normalerweise verwendet wird. Jede Kurve zeigt, daß die quergerichtete Energie ein Maximum erreicht und dann abnimmt, wenn durch den Übergang der Axialenergie die Strahlenergie aufhört, synchron zu der Wendel zu sein. Der Maßstab für die Länge Z spielt hierbei keine Rolle. Für das Korkenzieherfeld ist eine solche Länge gewählt, daß die Energien in Querrichtung für Elektronen von verschiedenen Ausgangsradien im wesentlichen gleich sind. Dies würde im Falle von Fig. 4 bei Z = 25 der Fall sein. Der Wert hängt natürlich auch von der Stärke des Korkenzieherfeldes ab.

Fig. 5 ist eine graphische Darstellung ähnlich derjenigen nach Fig. 4, gilt jedoch für den Fall, daß die Cyclotron- Wellenlänge um 10% kürzer ist als die Ganghöhe des Korkenzieherfeldes. In diesem Fall geraten die Elektronen schneller außerhalb des Synchronismus, und die optimale Länge für gleiche quergerichtete Energien beträgt Z = 22.

Es zeigt sich somit, daß der wesentliche Parameter für die optimale Länge einer gegebenen Konstruktion durch das Produkt aus der Cyclotron-Wellenlänge λc und der Stärke des Korkenzieherfeldes gegeben ist.


Anspruch[de]
  1. 1. Gyrotron-Elektronenröhre mit Einrichtungen zum Erzeugen eines Elektronenstrahls (45, 10&min;) parallel zu einer Achse, mit einer sich längs der Achse erstreckenden räumlich-periodischen Einrichtung (46; 60) zum Erzeugen einer um die Achse herum gerichteten Kreisbewegungskomponente der Elektronen und mit einem achsenparallelen, zeitlich konstanten Magnetfeld zum Erzeugen einer zentripetalen Kraftkomponente senkrecht zu der Achse, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Länge der periodischen Einrichtung (46; 60) derart gewählt ist, daß alle Elektronen des Elektronenstrahls (45, 10&min;) nach Durchlaufen der Einrichtung (46; 60) unabhängig von ihrem Achsabstand annähernd den selben Anteil ihrer anfänglichen Translationsenergie in Bewegungsenergie der Kreisbewegung um die Achse herum umgewandelt haben.
  2. 2. Elektronenröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zu der periodischen Einrichtung (60) eine bifilare Wendel zum Leiten gegensinnig um den Strahl umlaufender elektrischer Ströme gehört.






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