DE1298200B

DE1298200B - Mehrkammerklystronverstaerkerroehre grosser Bandbreite

Info

Publication number: DE1298200B
Application number: DE1960V0019336
Authority: DE
Inventors: Staprans Armand; Caryotakis George
Original assignee: Varian Associates Inc
Current assignee: Varian Medical Systems Inc
Priority date: 1960-09-06
Filing date: 1960-09-06
Publication date: 1969-06-26

Description

Es sind Mehrkammerklystronverstärkerröhren großer Bandbreite mit mindestens vier vom Elektronenstrahl nacheinander durchsetzten Hohlraumresonatoren bekannt, nämlich einer Eingangskammer, mindestens zwei frei schwingenden Hilfskammern und einer Ausgangskammer, bei der die Eingangskammer und die Hilfskammern auf unterschiedliche, über das Betriebsfrequenzband verteilte Frequenzen abgestimmt sind und unterschiedliche Gütefaktoren (Q-Werte) aufweisen.
Derartige Verstärkerröhren sind grundsätzlich bekannt (vergleiche z. B. die USA.-Patentschriften 2 591910 und 2 934 672).
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Halbleistungsbandbreite derartiger Röhren weiter zu erhöhen und den Wirkungsgrad zu steigern.
Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß gemäß der Erfindung die Abstimmung derart ist, daß die Eingangskammer auf die niedrigste Frequenz und die in Strahlrichtung aufeinanderfolgenden Hilfskammern auf gegenüber der Eingangskammer fortlaufend höhere Frequenzen abgestimmt sind, und wenn außerdem die Gütefaktoren dieser Kammern so gewählt sind, daß sie - in Elektronenstrahlrichtung gesehen und beginnend mit der Eingangskammer - zunächst abnehmen und dann zunehmen.
Mit Hilfe dieser Maßnahmen gelingt es, z. B. eine fest abgestimmte Hochleistungsklystronverstärkerröhre mit fünf Hohlraumresonatoren zu bauen, die eine Halbleistungsbandbreite von etwa 12 bis 14% und einen Wirkungsgrad von 3210% hat. Eine solche Röhre ist etwa 3,60 m lang und wiegt etwa 320 kg. Sie liefert eine Hocbfrequenzspitzenleistung von 8 bis 10 MW mit einer durchschnittlichen Hocbfrequenzleistung von etwa 30 kW.
Bei einer Hochleistungsverstärkerröhre mit sieben veränderlich abstimmbaren Hohlraumresonatoren, die über einen Bereich von 1211/o bei voller Leistung abstimmbar war, konnte ein Wirkungsgrad von 4511/o erreicht werden. Diese Röhre ist etwa 3 m lang und wiegt etwa 320 kg. Sie liefert eine Hochfrequenzspitzenleistung von 8 MW mit einer durchschnittlichen Hocbfrequenzleistung von etwa 30 kW.
Es ist vorteilhaft, die Eingangskammer auf eine Frequenz nahe dem unteren Ende des Betriebsfrequenzbades abzustimmen und der - in Elektronenstrahlrichtung gesehen - ersten Hilfskammer den niedrigsten Gütefaktor zu geben.
Die Erfindung wird in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert.
F i g. 1 ist eine schematische Darstellung einer fest abgestimmten Klystronverstärkerröhre mit Angaben über die Belastungsverteilung (Q-Werte) der Hohlraumresonatoren; F i g. 2 ist ein Diagramm, welches den Reziprokwert - in Abhängigkeit von der Frequenz für die Röhre der F i g. 1 darstellt; F i g. 3 ist ein Diagramm, das die Verstärkung kleiner Signale (in dB) in Abhängigkeit von der Frequenzabweichnung bei einer Röhre nach F i g. 1 zeigt, und F i g. 4 ist ein Diagramm, welches den Wirkungsgrad bei Verstärkung großer Signale (in Prozent) in Abhängigkeit von der Frequenzabweichung für eine Röhre nach F i g. 1 angibt.
In F i g. 1 ist eine Klystronverstärkerröhre mit fünf fest abgestimmten Hohlraumresonatoren schematisch wiedergegeben. Sie enthält eine Eingangskammer 11 und drei frei schwingende Hilfskammern 12, 13 und 14 (im folgenden wird die aus Eingangskammer und Hilfskammern bestehende Anordnung kurz mit »Treiberkammern« bezeichnet) sowie eine Ausgangskammer 15, die so ausgebildet ist, daß der Strahl am Kammerspalt einen über das Frequenzband im wesentlichen gleichbleibenden Widerstand vorfindet. Die Breitbandigkeit wird durch die erfindungsgemäße Wahl der Resonanzfrequenzen und Gütefaktoren der Treiberkammern erzielt.
Die Lehre nach der Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß ein breitbandiges Verhalten dadurch erzielt werden kann, daß die Pole (also die Resonanzfrequenzen) der Treiberkammern in der komplexen Frequenzebene an vorbestimmten Stellen liegen sollen. (Eine Untersuchung von Klystronverstärkern unter Zugrundelegung der komplexen Frequenzebene findet sich in dem Aufsatz von Kreuchen, Auld und Dixon in der Zeitschrift »Journal of Electronics«, 1959, Bd. 2, S. 529 bis 567, mit dem Titel »A Study of the Broadband Frequency Response of the Multicavity Klystron Amplifier«.) Wenn im Frequenzgang des Klystrons keine Null-Stellen vorhanden wären, dann würden diese Pole auf eine Tschebyscheff-Ellipse liegen. In der Praxis werden jedoch Null-Stellen vorhanden sein. Um die Wirkung dieser Null-Stellen aufzuheben, sind die Pole gegenüber der Ellipse entsprechend zu versetzen.
Es wurde gefunden, daß bei derartigen Klystronverstärkerröhren die besten Ergebnisse bezüglich einer großen Bandbreite erhalten werden, wenn die Gütefaktoren und die Frequenzen der Treiberkammern so gewählt sind, daß die Eingangskammer auf die niedrigste Frequenz und die in Strahlrichtung nachfolgenden Hilfskammern fortlaufend höhere Frequenzen abgestimmt sind, und daß die Q-Werte dieser Kammern bis etwa zur Mitte des Betriebsfrequenzbandes hin abnehmen und dann derart zunehmen, daß die letzte Hilfskammer, also die mit der höchsten Frequenz, den weitaus höchsten 0-Wert hat. Die genaue Lage der Pole kann berechnet werden, indem die Theorie der Raumladungswellen für kleine Signale nach K r e u c h e n, A u 1 d und Dixon (s. vorgenannten Aufsatz) angewendet wird.
Eine bevorzugte Verteilung der Q-Werte in Abhängigkeit von der Frequenz für eine Röhre nach F i g. 1 ist in F i g. 2 angegeben, in der die Buchstaben A bis E sich auf die einzelnen Kammern beziehen. Schon diese bloße Verteilung der Q-Werte hat eine beträchtliche Zunahme der Bandbreite der Röhre zur Folge. Die optimale Bandbreite kann erhalten werden, wenn den Kammern bestimmte Pole zugeordnet werden. Es wurde ferner gefunden, daß dann auch der Wirkungsgrad des Klystrons wesentlich verbessert ist, da eine der Hilfskammern vorzugsweise einen sehr niedrigen 0-Wert, z. B. 25, aufweisen soll, ist die gestellte Aufgabe mit einer Röhre mit vier Treiberkammern gut lösbar. Die zur Erzielung eines sehr niedrigen Q-Wertes erforderliche Belastung einer Hilfskammer wird am besten durch eine Strahlbelastung erreicht, d. h., daß die Breite des betreffenden Kammerspaltes in der Größenordnung von 1 bis 3 (gemessen im Bogenmaß des elektronischen Driftwinkels) liegt. Wenn eine zusätzliche Belastung erwünscht ist, kann sie durch eine zusätzliche äußere Belastung erreicht werden, wie es in F i g. 1 die erste Hilfskammer 12 zeigt.
Eine Röhre mit fünf fest abgestimmten Hohlraumresonatoren, die nach F i g. 1 aufgebaut ist und für deren vier Treiberkammern 11 bis 14 die Resonanzfrequenzen in F i g. 3 durch Pfeile 1 bis 4 bezeichnet sind, ergab die in F i g. 3 dargestellte Verstärkung kleiner Signale (in dB) in Abhängigkeit von der Frequenzabweichung und den in F i g. 4 dargestellten Wirkungsgrad bei Verstärkung großer Signale (in Prozent) in Abhängigkeit von der Frequenzabweichung. Aus diesen Kurven ist ersichtlich, daß eine Halbleistungsbandbreite von 12 bis 14 % erzielt wurde.

Claims

Patentansprüche: 1. Mehrkammerklystronverstärkerröhre großer Bandbreite mit mindestens vier vom Elektronenstrahl nacheinander durchsetzten Hohlraumresonatoren - einer Eingangskammer, mindestens zwei frei schwingenden Hilfskammern und einer Ausgangskammer, bei der die Eingangskammer und die Hilfskammern auf unterschiedliche, über das Betriebsfrequenzband verteilte Frequenzen abgestimmt sind und unterschiedliche Gütefaktoren (Q-Werte) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstimmung derart ist, daß die Eingangskammer auf die niedrigste Frequenz und die in Strahlrichtung aufeinanderfolgenden Hilfskammern auf gegenüber der Eingangskammer fortlaufend höhere Frequenzen abgestimmt sind, und daß außerdem die Gütefaktoren dieser Kammern so gewählt sind, daß sie - in Elektronenstrahlrichtung gesehen und beginnend mit der Eingangskammer - zunächst abnehmen und dann zunehmen.
2. Mehrkammerklystronverstärkerröhre nach Anspruch 1 mit einer Eingangskammer, drei frei schwingenden Hilfskammern und einer Ausgangskammer, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangskammer auf eine Frequenz nahe dem unteren Ende des Betriebsfrequenzbandes abgestimmt ist und - Elektronenstrahlrichtung gesehen - die erste Hilfskammer den niedrigsten Gütefaktor besitzt.