DE3134583A1

DE3134583A1 - Gyrotron-hohlraumresonator

Info

Publication number: DE3134583A1
Application number: DE19813134583
Authority: DE
Inventors: James Franklin Los Altos Calif. Shively; David Stevenson Stone
Original assignee: Varian Associates Inc
Current assignee: Varian Medical Systems Inc
Priority date: 1980-09-05
Filing date: 1981-09-01
Publication date: 1982-06-24
Also published as: US4356430A; FR2490004B1; GB2083691A; JPS5776735A; CA1167161A; GB2083691B; JPH0330256B2; FR2490004A1

Description

Patentanwälte · European Patent Attorneys

3 München

Vl P541 D

VARIAN ASSOCIATES, INC.
Palo Alto, CaI., USA

Gyrotron-Hohlraumresonator

Priorität: 5. September 1980 - USA - Serial No. 184 492

Beschreibung Gyrotron-Hohlraumresonator

Die Erfindung bezieht sich auf einen Gyrotron-Hohlraumresonator und betrifft insbesondere Maßnahmen, die es ermöglichen, den äußeren Q-Wert eines solchen Resonators auf einen Wert einzustellen, der niedriger ist, als es bis jetzt für möglich gehalten wird. Der Ausdruck "Gyrotron" bezeichnet im folgenden jede beliebige einer Anzahl von Vorrichtungen, die nach den Grundprinzipien des Cyclotron-Resonanz-Masers arbeiten, z.B. Gyro Wanderfeldröhren, Gyrotronoszillatoren, Gyroklystron-Verstärker usw.

Wie z.B. in der Arbeit von A. V. Gapanov u.a., Izvestiya Vysshikh Uebehebnykh Zavedenii, Radiofizika, Bd. 18, Nr. 2, 1975, beschrieben, ist ein Gyrotron in seiner gebräuchlichsten Form nahezu vollständig achsensymmetrisch, und es umfaßt einen Injektor mit einer adiabatischen Elektronen-Kanone , einen Resonator, einen Ausgangshohileiter, dessen gekühlte Wände als Elektronenkollektor wirken, sowie einen Satz von Elektromagneten. Das zugehörige elektronenoptische System ist so aufgebaut, daß es einen rohrförmigen Elektronenstrom erzeugt, bei dem sich die Elektronen längs schraubenlinienförmiger Bahnen bewegen und eine Drehbewegung mit der Frequenz des Cyclotrons ausführen. Wenn sich die Elektronen in axialer Richtung in einen Bereich hineinbewegen, in dem ein zunehmendes Magnetfeld vorhanden ist, nehmen die Drehgeschwindigkeiten der Elektronen zu, und die Energie der Cyclotrondrehbewegung der Elektronen nimmt einen Wert an, der einem Mehrfachen der Energie der axialen Bewegung der Elektronen entspricht.

Bei dem Resonator handelt es sich um einen ziemlich langen Teil eines normalen Hohlleiters; die effektive Länge L (oder die größte in der Längsrichtung gemessene Strecke, längs welcher das Magnetfeld in dem Hohlraum homogen ist) ist gewöhnlich um ein Vielfaches größer als A , d.h. die Wellenlänge der Hohlraumresonanz im freien Raum. Der Resonator ist am injektorseitigen Ende durch eine Einschnürung begrenzt, durch die hindurch die Elektronen in den Resonator eintreten, und am entgegengesetzten Ende durch einen zu dem äußeren . Hohlleiter führenden übergang. Gapanov u.a. haben einfache Profile der in Fig. 1 dargestellten Art betrachtet, und in der weiter oben genannten Literaturstelle berichteten die Verfasser, daß der niedrigste erreichbare Wert von Q etwas über dem Zweifachen der Beugungsgrenze liegt.

Diese Schlußfolgerung stellt bezüglich der Konstruktion von Gyrotronen eine kritische Einschränkung dar, denn der durch die Beugung begrenzte Wert von Q ist durch den Ausdruck Q_diff = 4rr (L/A ) gegeben, und wenn man den Q-Wert berechnet, der zur Erzielung eines maximalen Wirkungsgrades eines Gyrotrons erwünscht ist, liegt dieser häufig unter dem Zweifachen von

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen mit einem erhöhten Wirkungsgrad arbeitenden Gyrotron-Hohlraumresonator zu schaffen.Ferner soll mit einer Ausgangsbelastung gearbeitet werden, die es ermöglicht, bei einem Gyrotron-Hohlraumresonator äußere Q-Werte zu erzielen, die niedriger sind als das Zweifache des durch die Beugung begrenzten Wertes von Q.

Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Übergang zwischen dem Resonator und dem Ausgangs hohl leiter glatt bzw. zügig ausgebildet ist bzw. daß insbesondere das Vorhandensein einer Einschnürung am Übergang zwischen dem

Resonator und dem Ausgangs hohlleiter vermieden wird und daß außerdem der Kegelwinkel der Innenwände des Ausgangshohneiters j._m Vergleich zu den bis jetzt bekannten Konstruktionen verkleinert wird.

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

Fig. la in Verbindung mit Fig. Ib die Resonatorprofile, über die durch Gapanov u.a. in der eingangs genannten Literaturstelle berichtet wurde;

Fig. 2 das Profil eines erfindungsgemäßen Gyrotron-Hohlraumresonators; und

Fig. 3 eine typische Beziehung zwischen Q und dem Kegelwinkel des Ausgangshohlleiters.

In Fig. 2 ist ein erfindungsgemäßer Gyrotron-Hohlraumresonator 10 dargestellt, der als gewöhnlicher zylindrischer Hohlleiter ausgebildet ist, dessen Innenwand 12 eine gleichmäßige kreisrunde Querschnittsform und eine Symmetrieachse 13 aufweist. Am einen Ende, das man als das stromauf wärtige Ende bezeichnen könnte, ist der Resonator 10 durch eine Einschnürung oder Verengung 15 abgegrenzt, die mit einem Fenster 17 zum Einleiten eines Elektronenstrahls versehen ist. Das entgegengesetzte Ende, das man als das stromabwärtige Ende bezeichnen könnte, steht in direkter Verbindung mit einem Ausgangshohlleiter 20, der sich an eine Übergangsebene 30 anschließt, welche im rechten Winkel zur Symmetrieachse 13 verläuft. Zu dem Ausgangsriohlleiter 20 gehört eine sich erweiternde Wand 25, die an der Übergangsebene 30 in Beziehung zu der Symmetrieachse 13 örtlich eine konische Form hat und deren Querschnitt sich in der stromabwärtigen Richtung gleichmäßig vergrößert. Der Übergang zwischen dem Resonator 10 und dem Ausgangs hohlleiter

20 bzw. zwischen der Innenwand 12 des Resonators und der sich erweiternden Wand 25 ist an der Ebene 30 möglichst gleichmäßig oder zügig ausgebildet, um z.B. zu verhindern, daß die Ausgangsstrahlung in unerwünschte Schwingungsarten übergeht. Mit anderen Worten, im Gegensatz zu den in Fig. la dargestellten Konstruktionen ist zwischen dem Resonator 10 und dem Ausgangswellenleiter 20 keine Einschnürung oder Verengung vorhanden. Der Winkel zwischen der sich erweiternden Wand 25 und der Achse 13 an der Übergangsebene 30 ist in Fig. 2 mit θ bezeichnet.

Wird die anhand von Fig. 2 beschriebene Anordnung als Bestandteil eines Gyrotrons verwendet, wird eine Elektroneninjektorsystem, zu dem z.B. eine Magnetroninjektionselektronenkanone gehört, am stromaufwärtigen Ende des Resonators 10 angeordnet. Längs der Bahn der Elektronen erzeugt eine Anordnung von Elektromagneten ein Magnetfeld, so daß die von dem Injektorsystem abgegebenen Elektronen in den Resonator 10 über das Fenster 17 eintreten, wobei sie sich längs schraubenlinienförmiger Bahnen und allgemein in der stromabwärtigen Richtung längs der Achse 13 bewegen. Beim Verlassen des Resonators 10 treten die Elektronen in ein abnehmendes Magnetfeld ein, um dann zu einem nicht dargestellten Kollektor zu gelangen, wo sie gesammelt werden. Man kann einen weiter stromabwärts angeordneten Teil der sich erweiternden Wand 25 als Kollektor benutzen, oder man kann den Ausgangshohl leiter 20 so gestalten, daß er einen Koppler bildet, der eine überbrückung zwischen dem Resonator 10 und einem Kollektor bewirkt.

Der vorstehend definierte Winkel θ wird so eingestellt, daß sich der gewünschte Q-Wert ergibt. Kleinere Winkel θ liefern gewöhnlich niedrige Q-Werte, da die Unstetigkeit in der leitenden Wand an der übergangsebene 30 dann weniger abrupt wird. In Fig. 3, wo die Beziehung zwischen θ und Q für Resonatoren der in Fig. 2 dargestellten Art zu erkennen

ist, repräsentiert die Ordinate Q in Einheiten von Q,._ff, während der winkel θ auf der Abszissenachse aufgetragen ist. Die Kurve 41 gilt für Resonatoren, bei denen L/X = 6,12, die mit Resonanz bei der elektrischen Kreisschwingungsart TE₀₂ arbeiten. Diese auf experimentelle Weise gewonnene Kurve zeigt deutlich, daß sich ©-Werte, die niedriger sind als das Zweifache des durch Beugung begrenzten Wertes, erzielen lassen, wenn man θ hinreichend klein wählt, wobei jedoch der kritische Winkel, bis unterhalb dessen θ zu diesem Zweck verkleinert werden muß, von anderen Faktoren abhängt, die in Beziehung zur Wahl der Schwingungsweise des Resonators und zur Form einer gegebenenfalls vorhandenen allmählichen Erweiterung der inneren Resonatorwand 12 stehen. Entspricht L mehreren Wellenlängen und wählt man die elektrischen Kreisschwingungsarten des Resonators, ist es jedoch offenbar ausreichend, wenn θ kleiner ist als etwa 10° bis 15°,

Es sei bemerkt, daß sich die Erfindung nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Beispielsweise braucht die in Fig. 2 dargestellte Kombination mit einem Hohlraumresonator und einem Ausgangshohlleiter nicht einen Bestandteil eines Gyrotrons zu bilden, der Querschnitt des Hohlraumresonators 10 im rechten Winkel zur Symmetrieachse 13 kann anstelle der kreisrunden Form elliptisch, rechteckig oder quadratisch sein, und die sich erweiternde Innenwand 25 des Ausgangswellenleiters 20 braucht nicht konisch zu sein (wobei θ in solchen Fällen die Unstetigkeit der Neigung der HoHHeiterbegrenzung an der Übergangsebene 30 bezeichnet).

Claims

Ansprüche

1. Resonatorelement, gekennzeichnet durch einen Hohlraumresonator (10) und einen Ausgangshohl leiter (20), wobei das Resonatorelement eine Längsachse aufweist. und wobei das Resonatorelement einen Q-Wert besitzt, der kleiner ist als 8fr(L/A) , wobei L die effektive Länge des Hohlraumresonators längs der genannten Achse und A die Wellenlänge der Hohlraumresonanz im freien Raum innerhalb des Resonators bezeichnet, wobei der Resonator in direkter Verbindung mit dem Ausgangshohlleiter an einer Übergangsebene (30) steht, die im rechten Winkel zu der Längsachse verläuft, und wobei jeder Teil der Innenwand (25) des Ausgangshohlleiters mit der Längsachse einen Winkel (Q) bildet, der kleiner ist als ein vorbestimmter maximaler Winkel.

2. Resonatorelement nach Anspruch X, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsfläche des Ausgangswellenleiters (20) parallel zu der Ubergangsebene (30) in der genannten Längsrichtung monoton zunimmt.

3. Resonatorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der vorbestimmte maximale Winkel kleiner ist als 20°.

4. Resonatorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der vorbestimmte maximale Winkel kleiner ist als 10°.

5. Resonatorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraumresonator (10) im rechten Winkel zu der Längsachse eine gleichmäßig kreisrunde Querschnittsform hat.

6. Resonatorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgangshohileiter (20) eine konische Form hat.

7. Resonatorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraumresonator (20) eine gleichmäßige elliptische Querschnittsform hat.

8. Resonatorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es einen Bestandteil eines Gyrotrons bildet.