DE3203283C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einem Gyrotron mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen, wie es aus IEEE-MTT, Vol. 25, Nr. 6, S. 514-521 (Juni 1977) bekannt ist.

Bei einer solchen Mikrowellen-Vakuumröhre wird von einer Cyclotron-Resonanz-Maser-Wechselwirkung zwischen einem Strahl aus sich spiralförmig bewegenden Elektronen, und einer elektroma­ gnetischen Welle Gebrauch gemacht. Bei diesem sogenann­ ten Gyro-Klystron oder Gyro-Monotron (Gyrotron) handelt es sich bei der Welle um eine stehende Welle in einem Hohlraum- Resonator. Die spiralförmige Bewegung der Elektronen wird durch ein Magnetfeld hervorgerufen, das auf die Fortpflan­ zungsachse des Strahls ausgerichtet ist, so daß sich ein­ zelne Teilchen mit ihrer Cyclotronfrequenz längs spiral­ förmiger 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 Hohlraumresona­ toren mit kreisrunden elektrischen Feldern sind bereits eingehend untersucht worden. Die Anwendung dieser Schwin­ gungsarten 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 Schwingungsarten 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 Wider­ standslast 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 Nuten oder dergl. einschnei­ den, ohne die Ströme bei der Schwingungsart mit kreisrundem elektrischem Feld zu unterbrechen. Bei anderen interferieren­ den Schwingungsarten treten jedoch axiale Komponenten des Wandstroms auf. Diese Komponenten müssen die Nuten über­ queren, wobei in den Nuten Felder erregt werden, die durch ein in die Nuten eingelassenes verlustbehaftetes Material absorbiert werden. In der US-PS 34 71 744 sind Absorptions­ einrichtungen der Schlitzbauart bei einem Magnetronhohlraum­ resonator beschrieben. In der US-PS 34 41 793 sind kreis­ runde Schlitze bei einem Wellenleiter zum Ankoppeln nicht kreisrunder Schwingungsarten an einen außerhalb des Wellen­ leiters angeordneten Absorber beschrieben. Die US-PS 30 08 102 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 kreisrun­ den Schwingungsarten innerhalb des Hohlraums absorbiert. Im Vergleich zu diesen Quellen erzeugt das eingangs erwähnte Gyrotron eine erheblich höhere Mikrowellen­ leistung von z. B. 100 kW bei 100 Gigahertz. Daher würde ein absorbierendes Material in dem Hohlraum auch dann schnell verbrennen, wenn es selektiv mit nicht kreisrunden Schwin­ gungsarten gekoppelt wäre.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Gyrotron nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 nicht kreisrunde Schwingungs­ arten derart zu unterdrücken, daß am Hohlraum keine Überhitzung auftreten kann.

Diese Aufgabe wird mit dem Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. Die darin angegebene Nut bildet nur eine Blind­ last für zahlreiche nicht kreisrunde Schwingungsarten, da sie ihre Feldmuster auf eine solche Weise stört, daß ihre Kopplung mit dem Wellenleiter verstärkt wird.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeich­ nungen an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Axialschnitt eines Gyro­ monotrons;

Fig. 2 einen Axialschnitt eines Teils einer weiteren Aus­ führungsform eines Gyromonotrons;

Fig. 3 eine Darstellung des Feldmusters des TE₀₁₁-Modus bei einem zylindrischen Resonator;

Fig. 4 eine Darstellung des TM₁₁₁-Modus bei einem zylin­ drischen Resonator; und

Fig. 5 eine Darstellung des TM₁₁₀-Modus.

In Fig. 1 ist ein Gyromonotron darge­ stellt. Hierbei handelt es sich um eine Mikrowellenröhre, bei welcher ein Elektronenstrahl, der eine spiralförmige Bewegung in einem axialen Magnetfeld parallel zur Abdrift­ richtung ausführt, mit den elektrischen Feldern eines Wel­ lenunterstützungskreises 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 Wellenunterstützungsschaltung als Hohlraumresonator ausgebildet, der gewöhnlich nach einem TE_{0 m1}-Modus in Reso­ nanz tritt.

Bei dem Gyromonotron nach Fig. 1 wird eine thermionische Kathode 20 auf einer Stirnplatte 22 der evakuierten Umhül­ lung unterstützt. Die Stirnplatte 22 ist gegenüber einer Beschleunigungsanode 24 durch ein isolierendes Hüllenteil 26 abgedichtet. Die Anode 24 ist ihrerseits gegenüber dem Hauptröhrenkörper 28 durch ein zweites isolierendes Bauteil 30 abgedichtet. Während des Betriebs wird die Kathode 20 mittels einer Energiequelle 32 auf einem gegenüber der Anode 24 negativen Potential gehalten. Die Kathode 20 wird mit Hilfe einer nicht dargestellten, in der Röhre angeord­ neten Strahlungsheizeinrichtung aufgeheizt. Thermionische Elektronen werden von der konischen äußeren Emissionsfläche der Kathode mit Hilfe eines eine Anziehung ausübenden Feldes der gleichachsigen konischen Beschleunigungsanode 24 abge­ zogen. 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 20 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 erzeug­ te Strahl 34 besitzt eine hohle Hülle. Die Anode 24 wird auf einem gegenüber dem Röhrenkörper 28 negativen Potential ge­ halten, 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 Magnetfeldes H 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 Wel­ lenfeldern nutzbar gemacht wird. Die axiale Energie bewirkt lediglich den Transport des Strahls durch den Wechselwirkungs­ bereich.

Der Strahl 34 gelangt durch ein Abdriftrohr 38 zu dem Wech­ selwirkungshohlraum 40, der bei der Betriebsfrequenz nach einem TE_0m1-Modus in Resonanz gerät. Die magnetische Feld­ stärke 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 zichtet werden, d. h. der Hohlraum kann an seinem Ende vollständig offen sein, damit eine maximale Kopplung er­ zielt wird. In jedem Fall ist ein sich nach außen erweitern­ der 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 Wanderwelle herbeizuführen. Jenseits des Ausgangs des Hohlraums 40 wird das Magnetfeld H verringert. Daher vergrößert sich der Durch­ messer des Strahls 34 unter der Wirkung der sich ausweiten­ den Kraftlinie 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 Aluminium­ oxid besteht, dient zur Abdichtung des Wellenleiters 46 und als Abschluß des evakuierten Röhrenkolbens.

Fig. 2 zeigt den Hohlraum- und Ausgangsabschnitt eines neu­ zeitlichen 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 46′ durch einen sich lang­ sam erweiternden Abschnitt verbunden, so daß kein genau be­ stimmter 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 Wech­ selwirkungshohlraum 40 einen Durchmesser, der im Vergleich zur Wellenlänge im freien Raum groß ist, um einen TE_0m1-Reso­ nanzmodus 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 Länge, die mehreren Wellenlängen im freien Raum ent­ spricht, um eine kumulative Wechselwirkung mit dem Strahl 34 herbeizuführen, der eine axiale Abdriftgeschwindigkeit sowie eine transversale kreisende Bewegung aufweist, so daß eine Wechselwirkung mit dem kreisrunden elektrischen Feld des Hohlraummodus eintritt. Somit kann der Hohlraum 40 stehende und wandernde Wellen in anderen Schwingungsarten niedrigerer Ordnung unterstützen. Diese anderen Schwingungs­ arten 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 Abwei­ chung von der genauen axialen Symmetrie des Hohlraums 40 angeregt. Hierbei sind diejenigen Schwingungsarten besonders störend, welche mit dem Betriebsmodus TE_0m1 degenerieren. Mit anderen Worten, es handelt sich hierbei um Schwingungs­ arten, welche die gleiche Resonanzfrequenz haben wie der Betriebsmodus. Wenn zwei Moden 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 Moden 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 Modenmuster weniger symmetrisch, doch bleiben die grundsätz­ lichen Feldformen erhalten. Die nicht unterbrochenen Linien 60 bezeichnen die elektrischen Feldlinien, während die ge­ strichelten Linien 62 die Linien des Magnetfeldes bezeich­ nen. Ein kleiner Kreis 64 mit einem zentralen Punkt bezeich­ net eine zur Zeichenebene senkrechte, dem Betrachter zuge­ wandte Feldlinie, während ein mit einem Kreuz gekennzeich­ neter 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 anzutref­ fen 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 Hohl­ raummoden TE_0m1 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 entsprechen­ de Modus TE₀₁₁ dargestellt.

Fig. 4 zeigt den Modus TE₁₁₁. Die TM_1m1-Moden sind störend, da sie in einem geschlossenen Hohlraum in Form eines geraden Kreiszylinders mit den nützlichen TE_0m1-Moden degenerieren.

Fig. 5 zeigt den TM₁₁₀-Modus. Die Gruppe von TM_1m0 ist ebenfalls störend, da die Querfeldmuster mit den TM_1m1- Moden identisch sind. Wenn der Hohlraum im Vergleich zu seinem Durchmesser sehr lang ist, führt das Fehlen einer einzigen Längsvariation des Feldes nicht zu einer erheb­ lichen Veränderung der Resonanzfrequenz. Die Resonanz liegt sehr nahe bei dem TM_1m1-Modus und daher auch dem TE_0m1-Modus.

Nach dem bisherigen Stand der Technik werden nicht kreis­ runde Moden dadurch gedämpft, daß man die Wände der Hohl­ räume mit kreisrunden Nuten versieht, die mit einem ver­ lustbehafteten Material ausgefüllt werden. Diese Nuten verlaufen im rechten Winkel zur Achse des Hohlraums, so daß sie von Wandströmen nach dem TE_0m1-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 Modus mit kreisrundem elektrischen Feld. Andere Moden haben dagegen im allgemeinen axiale Komponenten des Wandstroms, welche die Nut überqueren und darin ein elektrisches Feld erzeugen, das von dem ver­ lustbehafteten Material absorbiert wird, wodurch eine Dämp­ fung der unerwünschten Moden 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 uner­ wünschte Moden auch dadurch dämpfen kann, daß man ihre Felder über die Ausgangsöffnung 42 mit dem Ausgangswellen­ leiter 46 und dann mit dem freien Raum oder der nutzbaren Mikrowellenlast koppelt. Jedoch auch dann, wenn die Öffnung 42 ebenso groß 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 Moden vom TM_1m0-Typ (Fig. 5) als sehr schädlich erwiesen. Diese Moden, 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 Moden, 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_1m0-Moden immer noch eine hohe 0-Resonanz besitzen. Bei der Auskopplung von Energie scheint es sich eher um eine Leckerscheinung als um einen Wanderwellen-Energie­ transport zu handeln.

Es hat sich nun gezeigt, daß eine kreis­ runde Nut 50 (Fig. 1) in der Wand des Hohlraums 40, die kein verlustbehaftetes Material enthält, die Frequenz der degenerierten oder nahezu degenerierten TM _nm -Moden ver­ ringert, so daß diese durch den Betriebs-TE_0m1-Modus weni­ ger stark angeregt werden. Außerdem wird der Q-Wert der TM_1m0-Moden ebenfalls erheblich verkleinert, so daß sich ihre Wechselwirkungsimpedanz mit dem Strahl verringert. Für diese überraschende Wirkung steht noch keine vollstän­ dige Erklärung zur Verfügung. Es erscheint als möglich, daß die Nut 50 eine gegenseitige Kopplung zwischen den Moden TM_1m0 und TM_1m1 herbeiführt, so daß Energie des Modus TM_1m0, die normalerweise nur sehr schwach mit dem Ausgangswellenleiter gekoppelt ist, in den Modus TM_1m1 umge­ wandelt wird, der erheblich stärker gekoppelt ist, da es sich um eine reflektierte Wanderwelle handelt.

Es sei bemerkt, daß man Nuten 50 mit den verschiedensten Querschnittsformen verwenden kann. Nahe­ zu jede plötzliche Abweichung von der glatten zylindrischen Innenwand des Hohlraums müßte die gewünschte Wirkung hervor­ rufen.

Claims (3)

1. Gyrotron mit
einer Einrichtung zum Erzeugen eines Strahls (34) aus sich spiralförmig bewegenden Elektronen,
einem leitfähigen Hohlraum (40), der so geformt ist, daß er nach einem Modus mit einem kreisrunden elektrischen Feld in Resonanz tritt,
einer Öffnung zum Einlassen des Strahls in den Hohlraum (40) und
einer Öffnung am anderen Ende des Hohlraums (40), die eine Verbindung zu einem kreisrunden Wellenleiter (46) 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, und
daß die Wände der Nut einen geringen Widerstandsverlust und der Innenraum der Nut einen niedrigen dielektrischen Verlust aufweisen, derart, daß Feldmuster von Moden 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 gemeinsame Achse sind.

3. Gyrotron nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Umrißform des Strahls (34) eine Rotationsfigur um die Achse ist.