DE3203283A1

DE3203283A1 - Gyrotron

Info

Publication number: DE3203283A1
Application number: DE19823203283
Authority: DE
Inventors: Marvin Stanford University Calif. Chodoroe; Robert Spencer Los Altos Calif. Symons
Original assignee: Varian Associates Inc
Current assignee: Varian Medical Systems Inc
Priority date: 1981-02-05
Filing date: 1982-02-01
Publication date: 1982-09-23
Also published as: DE3203283C2; FR2499312A1; US4398121A; JPS57147848A; GB2092832B; FR2499312B1; GB2092832A; CA1178710A

Description

Patentanwälte ■ European Patent Attorneys

München

V1 P548 D

Varian Associates, Inc. Palo Alto, CaI., USA

Gyrotron

Priorität: 5- Feb. 1981 -USA- Serial No. 232 059

Beschreibung

Gyrotron

Die Erfindung beziehe sich auf Mikrowellen-Vakuumröhren, bei denen von einer Cyclotron-Resonanz-Maser-Wechselwirkung zwischen einem Strahl aus sich spiralförmig bewegenden aufgeladenen Teilchen, z.B. Elektronen, und einer elektromagnetischen Welle Gebrauch gemacht wird. Bei einem sogenannten Gyro-Klystron oder Gyro-Monotron (Gyrotron) handelt es sich bei der Welle um eine stehende Welle in einem hohlen Resonator. Die spiralförmige Bewegung der Elektronen wird durch ein Magnetfeld hervorgerufen, das auf die Fortpflanzungsachse des Strahls ausgerichtet ist·, so daß sich einzelne Teilchen mit ihrer Cyclotronfrequenz längs spiralförmiger Bahnen bewegen. Der Hohlraum arbeitet gewöhnlich mit einer Resonanz, bei der ein im rechten Winkel zu der Achse verlaufendes kreisrundes elektrisches Feld vorhanden ist. Hohlraumresonanzen von niedrigerer Ordnung oder nicht kreisrunde elektrische Felder können mit Hilfe von Kopp-, lungsvorgängen aus der gewünschten Schwingungsart angeregt

werden, wie sie durch kleine Asymmetrien bezüglich der geometrischen Verhältnisse hervorgerufen werden, oder durch eine direkte Wechselwirkung mit dem Strahl.

Die Schwingungsarten von Wellenleitern und Hohlraumresonatoren mit kreisrunden elektrischen Feldern sind bereits eingehend untersucht worden. Die Anwendung dieser Schwingungsarten hat ihren Hauptgrund darin, daß bei ihnen sehr geringe Verluste auftreten. Es handelt sich hierbei um Schwingungsarten höherer Ordnung, d.h. bei der unteren Grenzfrequenz können sich in einem Wellenleiter andere Sctwingungsarten niedrigerer Ordnung fortpflanzen. Daher .besteht in jedem Fall ein Problem bezüglich der Umwandlung der Energie in Schwingungsarten niedrigerer Ordnung. Es ist bereits bekannt,.die axiale Symmetrie der Schwingungsarten mit einem kreisrunden elektrischen Feld zu benutzen, um die Energie einer beliebigen' Schwingungsart mit nicht kreisrundem Feld auszukoppeln und sie durch eine verlustbehaftete Widerstandslast absorbieren zu lassen. Bei der Schwingungsart mit kreisrundem elektrischem Feld in einem zylindrischen Wellenleiter bzw. einem Hohlraum fließen die elektrischen Ströme in den Wänden längs Kreisbahnen um die Achse. Daher kann man in die Wand kreisrunde Kuten oder dergl. einschneiden, ohne die Ströme bei der Schwingungsart mit kreisrundem elektrischem Feld zu unterbrechen. Bei anderen interferierenden Schwingungsarten treten jedoch axiale Komponenten des Wandstroms auf. Diese Komponenten müssen die Nuten überqueren, wobei in den Nuten Felder erregt werden, die durch ein in die Nuten eingelassenes verlustbehaftetes Material absorbiert werden. In der US-PS 3 471 744 sind Absorptionseinrichtungen der Schlitzbauart bei einem Mägnetronhohlraumresonator beschrieben. In der US-PS 3 441 793 sind kreisrunde Schlitze bei einem Wellenleiter zum Ankoppeln nicht kreisrunder Sch\v-ingungsarten an einen außerhalb des Wellenleiters angeordneten Absorber.beschrieben. Die US-PS

3 008 102 behandelt einen Stabilisierungshohlraum für ein kreisrundes elektrisches Feld, bei dem die zylindrische Wand aus kreisrunden Leitern aufgebaut ist, zwischen denen ein verlustbehaftetes Material angeordnet ist. In jedem dieser bekannten Fälle wird die Energie der nicht kreisrunden Schwingungsarten innerhalb des Hohlraums absorbiert. Im Vergleich zu allen bekannten Quellen erzeugt das erfindungsgemäße Gyrotron eine erheblich höhere Mikrowellenleistung von z.B. 100 kW bei 100 Gigahertz. Daher würde ein absorbierendes Materini in dem Hohlraum auch dann schnell verbrennen, wenn es selektiv mit nicht kreisrunden Schwingungsarten gekoppelt wäre.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Gyrotron zu schaffen, bei dem bestimmte nicht kreisrunde Schwingungsarten dadurch unterdrückt werden, daß ihre Energie durch eine Kopplung in den Ausgangswellenleiter überführt wird.

Erfin'dungs gemäß ist diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die leitfähige äußere Wand des Hohlraumresonators mit einer kreisrunden Nut versehen wird. Diese Nut bildet eine Blindlast für zahlreiche nicht kreisrunde Schvingungsarten, da sie ihre Feldmuster auf eine solche V/eise stört, daß ihre Kopplung mit dem Wellenleiter verstärkt wird.

Die Erfindung v/ird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt.:

Fig. 1 einen /^xialschnitt eines erfindungsgemäßen Gyromonotrons;

Fig. 2 einen Axialschnitt eines Teils einer weiteren Ausführungsform eines Gyromonotrons nach der Erfindung;

Fig. 3 eine Darstellung des Feldmusters des TE_ni1-Modus bei einem Z3'lindrischen Resonator;

Fig. 4 eine Darstellung des TM^₁--Modus bei einem zylindrischen Resonator; und

Fig. 5 eine Darstellung des TM^-„-Modus.

In Fig. 1 ist ein erfindungsgemäßes Gyromonotron dargestellt. Hierbei handelt es sich um eine Mikrowellenröhre, bei welcher ein Elektronenstrahl, der eine spiralförmige Bewegung in einem axialen Magnetfeld parallel zur Abdriftrichtung ausführt, mit den elektrischen Feldern eines Wellenunterstützungskreises in Wechselwirkung tritt. Bei dem elektrischen Feld in für den praktischen Betrieb bestimmten Röhren handelt es sich um einen Modus mit einem kreisrunden elektrischen Feld. Bei einem Gyroclystron oder Gyromonotron ist die Vellenunte'rstützungsschaltung als Hohlraumresonator ausgebildet, der gewöhnlich nach einem TE₍. .. -Modus in Resonanz tritt.

Bei dem Gyromonotron nach Fig. 1 wird eine thermionische Kathode 20 auf einer Stirnplatte 22 der evakuierten Umhüllung unterstützt. Die Stirnplatte 22 ist gegenüber einer Beschleunigungsanode 24 durch ein isolierendes Hüllenteil 26 a.bgedichtet. Die Anode 24 ist ihrerseits gegenüber dem Hauptröhrenkörper 23 durch ein zweites isolierendes Bauteil 30 abgedichtet. ^T--.'ährend des Betriebs wird die Kathode 20 mittels einer Energiequelle C2 auf einem gegenüber der Anode 24 negativen Potential gehalten. Die Kathode 20 wird mit Hilfe einer nicht dargestellten, in der Röhre angeordneten Strahlungsheizeinrichtung aufgeheizt. Thermionische Elektronen werden von der konischen äußeren Emissionsfläche der Kathode mit Hilfe eines eine Anziehung ausübenden Feldes der gleichochsigen konischen Beschleunigungsanode 24 abgezogen. Die gesamte Konstruktion befindet sich in einem · axialen Magnetfeld H, das durch einen nicht dargestellten, die Röhre umgebenden Elektromagneten erzeugt wird. Die

anfängliche radiale Bewegung der Elektronen wird durch die sich kreuzenden elektrischen und magnetischen Felder in eine von der Kathode 2.0 weg gerichtete Bewegung umgewandelt. Jedes Elektron rotiert in einer kleinen Bahn um eine magnetische Feldlinie in Kombination mit einer langsameren Rotation um die Achse und die axiale Driftgeschwindigkeit. Der so erzeugte Strahl 34 besitzt eine hohle Hülle. Die Anode 24 wird·auf einem gegenüber dem Röhrenkörper 28 negativen Potential gehalten, und zwar durch eine zweite Energiequelle 36, die eine weitere axiale Beschleunigung des Strahls 34 herbeiführt. In dem Bereich zwischen der Kathode 20 und dem Röhrenkörper 28 wird die Stärke des Mognetfeldes II erheblich vergrößert, so daß der Strahl 34 in seiner Durchmesserrichtung komprimiert wird und außerdem seine Rotationsenergie auf Kosten der axialen Energie vergrößert. Bei der Rotationsenergie handelt es sich um den Teil, der bei der Wechselwirkung mit den Wellenfeldern nutzbar gemacht wird. Die axiale Energie bexvirkt lediglich den Transport des Strahls durch den Wechselwirküngsbereich.

Der' Strahl 34 gelangt durch ein Abdriftrohr 38 zu dem Wechselwirkungshohlraum 40, der bei der Betriebsfrequenz nach einem TE₀ --Modus in Resonanz gerät. Die magnetische Feldstärke H wird so eingestellt, daß die .der Cyclotronfrequenz entsprechende Rotation der Elektronen annähernd synchron mit der Hohlraumresonanz erfolgt. Die Elektronen können dann Rotationsenergie an das kreisrunde elektrische Feld abgeben und eine ungedämpfte Schwingung herbeiführen.

Am Ausgangsende des Hohlraums 40 kann sich der Durchmesser der Innenwand des Röhrenkörpers 28 so verkleinern, daß eine Blende 42 vorhanden ist, deren Größe so gewählt ist, daß sich das richtige Ausmaß der Energiekopplung aus dem Hohlraum 40 heraus ergibt. Bei Röhren mit sehr hoher Leistung kann auf die Verwendung einer solchen Einschnürung oder Blende ver-

ziehtet werden, d.h. der Hohlraum kann an seinem Ende vollständig offen sein, damit eine maximale Kopplung erzielt wird. In jedem Fall ist ein sich nach außen erweiternder Abschnitt 44 vorhanden, der die Ausgangsenergie durch Kopplung einem Wellenleiter 46 von gleichmäßigem Querschnitt zuführt, welcher einen größeren Durchmesser hat als der Resonanzhohlraum 40, um die Fortpflanzung einer V/anderwelle herbeizuführen. Jenseits des Ausgangs des Hohlraums 40 wird das Magnetfeld H verringert. Daher vergrößert sich der Durchmesser des Strahls 34 unter der Wirkung der sich ausweitenden Kraftlinien des Magnetfeldes und seiner eigenen, eine Selbstabstoßung bewirkenden Raumladung.· Der Strahl 34 wird dann auf der Innenwand des Wellenleiters 46 gesammelt, der gleichzeitig als Strahlkollektor dient. Ein dielektrisches Fenster 48, das z.B. aus keramischem Material wie Aluminiumoxid besteht, dient zur Abdichtung des Wellenleiters 46 und als Abschluß des evakuierten Röhrenkolbens.

Fig. 2 zeigt den Hohlraum- und Ausgangsabschnitt eines neuzeitlichen Gyromonotrons von außergewöhnlich hoher Leistung. In diesem Fall wird eine Ausgangskopplung benötigt, die stärker ist als diejenige, welche sich erzielen läßt, wenn das Ende des Hohlraums 40 vollständig offen bleibt. Um die Kopplung zu verstärken, wird das Ausgangsende des Hohlraums 40 mit dem Ausgangswellenleiter 4G' durch einen sich langsam erweiternden Abschnitt verbunden,· so daß kein genau bestimmter Punkt vorhanden ist, von dem man sagen könnte, daß der Hohlraum endet und der Wellenleiter beginnt.

Bei einem Gyromonotron nach Fig. 1 oder Fig. 2 hat der Wechselwirkungshohlraum 40 einen Durchmesser, der im Vergleich zur Wellenlänge im freien Raum groß ist, um einen TE_Q --Resonanzmodus zu unterstützen und einen relativ groß bemessenen Elektronenstrahl 34 durchzulassen, wie er zur Erzeugung einer sehr hohen Leistung benötigt wird. Der Hohlraum 40 hat ferner

eine Lange, die mehreren Wollenliinpfon im freien Raum entspricht, um eine kumulative Wechselwirkung mit dem Strahl 34 herbeizuführen, der eine axiale Abdriftgeschwindigkeit sowie eine transversale kreisende Bewegung aufweist, so da" eine Wechselwirkung mit dem kreisrunden elektrischen Feld des Hohlräummodus eintritt. Somit kann der Hohlraum 40 stehende und wandernde Wellen in anderen Schwingungsarten niedrigerer Ordnung unterstützen. Diese anderen Schwingungsarten treten mit dem Strahl 34 entweder in eine sehr schwache oder in eine schädliche Wechselwirkung, da sie die synchrone Bündelung des Strahls 34 schädigen.

Die unerwünschten Schwingungsarten werden durch jede Abweichung von der genauen axialen Symmetrie des Hohlraums 40 angeregt. Hierbei sind diejenigen Schwingungsarten besonders störend, welche mit dem Betriebsmodus TE₀ * degenerieren. Mit anderen Worten, es handelt sich -hierbei um Schwingungsarten, welche die gleiche Resonanzfrequenz haben wie der Betriebsmodus. Wenn zwei Modes degenerieren und einen hohen Q-Wert aufweisen, kann eine Kopplung zwischen ihnen die auch nur auf eine sehr kleine Asymmetrie zurückzuführen ist, die Übertragung einer großen Menge von Modusenergie zur Folge haben.

Um dieses Problem zu veranschaulichen, sind in Fig. 3, 4 und 5 Feldmuster von drei Modes dargestellt, die in diesem Zusammenhang von Interesse sind. Die Darstellungen gelten für einen Hohlraum mit der Form eines geraden Kreiszylinders, der an beiden Enden geschlossen ist. Bei Hohlräumen für den praktischen Betrieb mit großen Kopplungsöffnungen werden die Modusmuster weniger symmetrisch, doch bleiben die grundsätzlichen Feldformen erhalten. Die nicht unterbrochenen Linien GO bezeichnen die elektrischen Feldlinien, während die gestrichelten Linien 62 die Linien des Magnetfeldes bezeichnen. Ein kleiner Kreis 64 mit einem zentralen Punkt bezeich-

/H

net eine zur Zeichenebene senkrechte, dem Betrachter zugewcündte Feldlinie, während ein mit einem Kreuz gekennzeichneter Kreis 66 eine in die Zeichenebene vom Betrachter weg eintretende Feldlinie bezeichnet.

Die erste Zahl bezeichnet bei dem betreffenden Modus die Anzahl der zyklischen Änderungen des elektrischen Feldes, die gegenüber dem Zylinder in der Azimutrichtung anzutreffen sind; die zweite Zahl bezeichnet die Anzahl der Maxima auf einem von der. Achse ausgehenden Radius, und die dritte Zahl bezeichnet die Anzahl der Maxima in der Längsrichtung des Hohlraums. Fig. 3 zeigt den Modus TE₀₁₁.. Bei den Hohlraummodes TE₀- handelt es sich um diejenigen, von welchen bei Gyroclystronen Gebrauch gemacht wird. Ihre elektrischen Feldlinien bilden gleichachsige Kreise. Aus Gründen der Einfachheit ist hier der der untersten Ordnung entsprechende Modus TE₀₁₁ dargestellt.

Fig. 4 zeigt den Modus TI^vL -- . Die TM-, --Modes sind störend, da sie in einem geschlossenen Hohlraum in Form eines geraden Kreiszylinders mit den nützlichen TEq --Modes degenerieren.

Fig. 5 zeigt den TM₁-Q-MOdUS. Die Gruppe von TM_{1 Q} ist ebenfalls störend, da die Cuerfeldmuster mit den TM₁ ^- Modes identisch sind. Wenn der Hohlraum im Vergleich zu seinem Durchmesser sehr lang ist, führt das Fehlen einer einzigen Längsvnrintion des Feldes nicht zu einer erheblichen Veränderung der Ilesonanzi'renuenz. Die Resonanz liegt sehr nahe bei dem TM.. .. -Modus und daher auch dem ^TEOml-^Modus·

Nach dem bisherigen Stand der Technik werden nicht kreisrunde Modes dadurch gedämpft, daß man die Wände der Hohlräume mit kreisrunden Nuten versieht, die mit einem verlustbehafteten Material ausgefüllt werden. Diese Nuten

verlaufen im rechten Winkel zur Achse des Hohlraums, so daß sie von Wandströmen nach dem TE_Q --Modus nicht überquert werden und das elektrische Feld in Richtung der Tiefe der Nut rasch auf Null zurückgeht. Daher ergibt sich kein großer Energieverlust bezüglich des Modes mit kreisrundem elektrischem Feld. Andere Modes haben dagegen im allgemeinen axiale Komponenten des Wandstroms, welche die Nut überqueren und darin ein elektrisches Feld erzeugen, das von dem verlustbehafteten Material absorbiert wird, wodurch eine Dämpfung der unerwünschten Modes stattfindet. Hierbei besteht das Problem darin, daß bei den sehr hohen Leistungen der Gyroclystrone das verlustbehaftete Material verbrennt.

Gemäß der Erfindung hat es sich gezeigt, daß man unerwünschte Modes auch dadurch dämpfen kann, daß man ihre Felder über die Ausgangsöffnung 42 mit dem Ausgangswellenleiter 46 und dnnn mit dem freien Raum oder der nutzbaren Mikrowellenlast koppelt. Jedoch auch dann, wenn die Öffnung 42 ebenso groß ist wie der Hohlraum 40, d.h. wenn-sich der Durchmesser nicht verkleinert, kann die Auskopplung so schwach sein, daß in dem Hohlraum 40 immer noch schädliche Störmodefelder vorhanden sein können. Bei dem Gyroclystron haben sich Modes .vom TM-. «-Typ (Fig. 5) als sehr schädlich erwiesen. Diese Modes, bei denen keine axiale Feldänderung stattfindet, treten bei der Grenzfrequenz des Wellenleiters in Resonanz. Es handelt sich um reine stehende'Wellen mit der Gruppengeschwindigkeit Null zum Unterschied von Modes, die axiale Feldänderungen aufweisen und deren stehende Wellen einer an den Enden des Hohlraums reflektierten Wanderwelle gleichwertig sind. Gemäß der Erfindung wurde festgestellt, daß selbst dann, wenn der Gyrotronhohlraum zur Ausgangskopplung ein vollständig offenes Ende aufweist, die TM- „-Modes immer noch eine hohe C-Resonanz besitzen. Bei der Auskopplung von Energie scheint es sich eher um eine Leckerscheinung als um einen Wanderwellen-Energietransport zu handeln.

Gemäß der Erfindung hat es sich gezeigt, daß eine kreisrunde Nut 50 (Fig. 1) in der Wand des Hohlraums 40, die. kein verlustbehaftetes Material enthält, die Frequenz der degenerierten oder nahezu degenerierten TI¹I -Modes verringert, so daß diese durch den Betriebs-TE_Q --Modus weniger stark angeregt werden. Außerdem wird der C-Wert der TM- Q-Modes ebenfalls erheblich verkleinert, so daß sich ihre Wechselwirkungsimpedanz mit dem Strahl verringert. Für diese überraschende Wirkung steht noch keine vollständige Erklärung zur Verfügung. Ks erscheint als möglich, daß die Nut 50 eine gegenseitige Kopplung zwischen den

Modes TM_n ~ und TM- - herbeiführt, so daß Energie des ImU lmi

Modus TM_n _n, die normalerweise nur sehr schwach mit dem ImO'

Ausgangswellenleiter gekoppelt ist, in den Modus TM- - umgewandelt wird, der erheblich stärker gekoppelt ist, da es sich um eine reflektierte Wande^elle handelt.

Es sei bemerkt, daß sich die Erfindung nicht auf die vorstehend behandelten Ausführungsbeispiele beschränkt. Für jeden Fachmann liegt es auf der Hand, daß man Nuten'50 mit den verschiedensten Cuerschnittsformen verwenden kann. Nahezu jede plötzlich Abweichung von der glatten zylindrischen Innenwand des Hohlraums müßte die; ;.',ewünsch te Wirkung hervorrufen.

Leerseite

Claims

Ansprüche

Gyrotron mit einer Einrichtung zum Erzeugen eines Strahls aus sich spiralförmig bewegenden aufgeladenen Teilchen, einem leitfähigen Hohlraum, der so geformt ist, daß er nach einem Modus mit einem kreisrunden elektrischen Feld in Resonanz tritt, wobei ein Ende des Hohlraums eine Öffnung zum Durchlassen des Strahls aufweist und wobei ein Ende des Hohlraums eine Öffnung besitzt, die eine Verbindung zu einem kreisrunden Wellenleiter herstellt, welcher geeignet ist, eine Welle mit einem kreisrunden elektrischen Feld zu übertragen, dadurch gekennzeichnet, daß die Wand des Hohlraums (40) mit einer Nut (50; 50') versehen ist, die sich parallel zu dem elektrischen Feld des genannten Modus .erstreckt, wobei die Wände der Nut einen geringen Widerstandsverlust und der Innenraum der Hut einen niedrigen dielek-, trischen Verlust aufweisen, so daß Feldmuster von Kodes mit nicht kreisrunden elektrischen Feldern unter nur einer geringen Vernichtung ihrer Energie gestört werden.
2. Gyrotron nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Form des Hohlraums (40), des Wellenleiters (46; 46'), der Nut (50; 50') und der Öffnungen (42) Rotationsfiguren um eine Achse entspricht.
3. Gyrotron nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Umrißform des Strahls (34) eine Rotationsfigur um die genannte Achse ist.