DE3208293A1 - Gyrotron - Google Patents

Description

Patentanwälte · European Patent Attorneys

München

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

V1-P55O D

Gyrotron

Priorität: 9. März 1981 -USA- Serial No. 241 880

Gyrotron

Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich auf Mikrowellen-Vakuumröhren vom "Gyro-Vorrichtungs¹·—Typ, bei denen ein aus geladenen Teilchen (gewöhnlich Elektronen) bestehender Strahl schraubenlinienförmige Bahnen durchläuft, wobei er durch ein Magnetfeld längs der Achse dieser Bahn geführt wird. Hierbei durchläuft der Strahl einen Wellenunterstützungskreis, bei dem die Quergeschwindigkeitskomponenten der Teilchen in Wechselwirkung mit einer elektrischen Querfeldkomponente der Welle treten, um eine Verstärkung der Welle zu bewirken. Bei dieser Welle kann es sich um eine Wanderwelle für eine "Gyro-Wanderfeidröhre" oder um eine stehende Welle in einem Resonanzkreis für ein "Gyro-Monotron (Gyrotron)" oder "Gyro-Klystron" handeln. Bei neuzeitlichen Röhren befindet sich die Welle gewöhnlich in einem Modus, der kreisrunde elektrische Feldlinien im rechten Winkel zur Schraubenachse aufweist.

Gyro-Vorrichtungen haben sich bereits als hervorragend geeignet erwiesen, bei sehr hoher Freguenz eine hohe Leistung zu erzeugen. Dies ist im wesentlichen darauf zurückzuführen, daß man der Wellenunterstützungsschaltung Abmessungen geben

kann j die im Vergleich zur Wellenlänge im freien Raum groß sind. Die Periodizität der Wechselwirkung zwischen dem Strahl und der Welle ist auf die periodische Bewegung der den Strahl bildenden Teilchen zurückzuführen, so daß der Wellenunterstützungskreis nicht die einem feinen Maßstab entsprechende mechanische Periodizität eines Wanderfeldröhrenkreises aufzuweisen braucht. Bei den üblichen TE. .-Modi weist selbst der Modur,

OnI

der niedrigsten Ordnung, d.h. der Modus TE₀^₁, eine niedrigere Grenzfrequenz auf, die mit einem großen Durchmesser der. Kreises vereinbar ist, welcher die Verwendung eines Elektronenstrahls von großem Durchmesser zuläßt, so daß ein Betrieb mit einem starken Strahlstrom bei hoher Leistung möglich ist. Ferner ist es bereits bekannt, mit anderen Modi von höherer Ordnung zu arbeiten.

Es wurde bereits versucht, eine volle Ausnutzung der Vorteile von Strahlen und Kreisen mit großem Durchmesser zu erreichen, um die Erzeugung einer maximalen Leistung zu ermöglichen. Zu diesem Zweck wird der Strahl dem Kreis über eine kurze Driftröhre zugeführt:, dlo öl.non etwas kleineren Durchmesser hat als der Kreis, um die Wellenenergiemenge zu verringern, die zu dem Kreis über die Strahleintrittsöffnung entweicht. Jedoch tritt weiterhin ein Energieverlust auf, der zu verschiedenen Nachteilen führt, z.B. einer Störung der Elektronenbahnen, einer Beschußerhitzung der Kathode, einer Regeneration sowie einer gefährlichen Abstrahiung von Mikrowellen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Gyrotron-Mikrowellengenerator zu schaffen, der sich mit erhöhter Stabilität und hohem Wirkungsgrad betreiben läßt und bei dem die Rückheizung ebenso verringert wie die unerwünschte Strahlung.

Κι-ίΊ iKlunq.'.gemcin lsi dien« Aufgabe dadurch gelöst, daß der Kanal, den der Strahl durchläuft, um in den Wechselwirkungshohlraum einzutreten, kleiner ist als eine kritische Zahl, die in Beziehung zur Betriebsfrequenz steht, so daß die Abstrahlung von Wellenenergie aus dem Hohlraum über den Strahleintrittskanal erheblich verringert wird.

Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 einen Axialschnitt eines erfindungsgemäßen Gyromonotronoszillators mit einem einzigen Hohlraum; und

FMq. 2 pinen Axi alschnitt einer erf indung.sgema'ßen Gyro-Wanderfeldröhre.

In Fig. 1 ist eine erfindungsgemäße Gyro-Vorrichtung vom Monotrontyp bzw. ein Gyrotron dargestellt, bei dem es sich um eine Mikrowellenröhre handelt, bei welcher ein Strahl, der aus Elektronen besteht, die sich längs schraubenlinienförmiger Bahnen iη einem axialen Magnetfeld parallel zu ihrer Driftrichtung bewegen, in Wechselwirkung mit den elektrischen Feldern eines Wellenunterstützungskreises treten. Bei für den praktischen Betrieb geeigneten Röhren befindet sich das elektrische Feld in einem kreisrunden Modus. Bei einem Gyrotron ist der Wellenunterstutzungskreis als Resonanzhohlraum ausgebildet, bei dem die Resonanz gewöhnlich nach einem TE_fl ,,.-Modus auftritt.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Gyromonotron wird eine thermionische Kathode 20 durch eine Stirnplatte 22 des evakuierten Röhrenkolbens unterstützt. Die Stirnplatte 22 ist mittels eines elektrisch isolierenden Röhrenkolbenteils 26 gegenüber einer Beschleunigungsanode 24 abgedichtet. Die Anode 24 ist ihrerseits gegenüber dem Hauptkörper 28 der Röhre durch ein

3 2 O R ? 9 3

zweites elektrisch isolierendes Bauteil 30 abgedichtet. Während des Betriebs wird die Kathode 20 mittels einer Spannungsquelle 32 auf einem gegenüber der Anode 24 negativen Potential gehalten. Die Kathode 20 wird mittels einer nicht dargestellten, in ihrem Inneren angeordneten Strahlungsheizeinrichtung beheizt. Von der konischen äußeren Emissionsfläche der Kathode werden thermionische Elektronen durch das Anziehungsfeld der gleichachsig damit angeordneten konischen Anode 24 abgezogen. Die gesamte beschriebene Konstruktion befindet sich in einem axialen Magnetfeld H, das durch einen die Konstruktion umschließenden, nicht dargestellten Elektromagneten erzeugt wird. Die ursprüngliche radiale Bewegung der Elektronen wird durch die sich kreuzenden elektrischen und magnetischen Felder in eine Bewegung von der Kathode 20 weg derart verwandelt, daß sich die Elektronen längs schraubenlinienföfmiger Bahnen um die Magnetfeldlinien herum bewegen und einen hohlen Strahl 34 bilden. Die Anode 24 wird auf einem gegenüber dem Röhrenkörper 28 negativen Potential gehalten; dies geschieht mit Hilfe einer zweiten Spannungsquelle 36, die eine weitere axiale Beschleunigung des Strahls 34 bewirkt. In dem Bereich zwischen der Kathode 20 und dem Röhrenkörper 28 wird die Stärke des Magnetfeldes H erheblich gesteigert, so daß sich der Durchmesser des Strahls 34 verkleinert und daß sich seine Rotationsenergie auf Kosten dor axialen Energie vergrößert. Bei der Rotationsenergie handelt es sich um denjenigen Teil der Energie", welcher bei der nutzbaren Wechselwirkung mit den Kreiswellenfeldern eine Rolle spielt. Die axiale Energie bewirkt lediglich den Transport des Strahls durch den Wechselwirkungsbereich hindurch.

Der Strahl 34 durchläuft eine Laufzeitröhre oder Öffnung 38, um in den Wechselwirkungshohlraum 40 einzutreten, der gewöhnlich bei der Betriebsfrequenz resonanzfähig ist, wobei sich ein TE_0n^-MOdUs ergibt. Jedoch gehen bei den erfindungsgemäßen kleinen Driftröhren bei dem relativ kleinen Strahl-

,.::: 3208233

durchmesser die elektrischen Querfelder gemäß den TE .-Modi an der Achse auf Null zurück. Hierdurch wird es zweckmäßig, einen Modus mit einem endlichen elektrischen Feld an der Achse, z.B. den Modus TE. , anzuwenden. Die Stärke H des Magnetfeldes wird so eingestellt, daß die CyI otronfrequenz-Drehbewegung der Elektronen annähernd synchron mit der Resonanz des Hohlraums verläuft. Die Elektronen können dann Rotationsenergie an das kreisrunde elektrische Feld abgeben und eine ungedämpfte Schwingunq entstehen lassen.

Am Austrittsende des Hohlraums 40 kann die Innenwand des Röhrenkörpers 28 in axialer Richtung derart konisch nach innen verlaufen, daß sich eine Blende 42 ergibt, welche so bemessen ist, daß sich die gewünschte Energiemenge aus dem Hohlraum herauskoppeln läßt. Bei Röhren für sehr hohe Leistung kann eine solche sich verengende Blende fortgelassen sein, d.h. der Hohlraum hat ein vollständig offenes Ende, damit eine maximale Kopplungswirkung erzielt wird. In jedem Fall dient ein sich in axialer Richtung konisch erweiternder Abschnitt 44 dazu, die Ausgangsenergie mit einem gleichmäßig geformten Wellenleiter 46 zu verbinden, der einen größeren Durchmesser hat als der Resonanzhohlraum 40, um eine Wanderwelle fortzupflanzen. Nahe dem Ausgang des Hohlraums 40 ist das Magnetfeld Il schwächer, so daß sich der Durchmesser des Strahl 34 unter der Wirkung der sich aufspreizenden magnetischen Feldlinien und seiner eigenen, eine Selbstabstoßuhg bewirkenden Raumladung vergrößert. Danach wird der Strahl 34 auf der Innenwand des Wellenleiters 46 gesammelt, der gleichzeitig als Strahlsammler dient. Ein elektrisch isolierendes Fenster 48, das z.B. aus Aluminiumoxidkeramik besteht, ist mit abdichtender Wirkung in das Ende des Wellenleiters 46 eingebaut, um den Röhrenkolben vakuumdicht zu verschließen.

Bis jetzt ist es üblich, besonderen Wert auf die Erzeugung «■>inor hohon Loir, l'ung zu logon. Daher wird dafür gesorgt:, daß

der Elektronenstrahl 34 einen möglichst großen Durchmesser erhält. Im Hinblick hierauf muß man eine Eingangs-Driftröhre 38 von großem Durchmesser vorsehen. Hierbei ist es üblich, einen Durchmesser zu wählen, d^r etwas kleiner isfals der Durchmesser des Resonanzhohlraums 40, um die über die Öffnung 38 abgestrahlte Wellenenergie zu verringern.

Gemäß der Erfindung hat es sich gezeigt, daß bei den bekannten Röhren immer noch eine zu qroße Energiemenge abgestrahlt wird, so daß sich Regenerations-Instabilität ergibt, ferner eine Verringerung des Wirkungsgrades sowie eine Rückheizung der Kathode 20 durch Elektronen, welche durch Mikrowellenfelder beschleunigt werden. Natürlich ergibt sich eine gewisse Abstrahlung durch jede vorhandene Öffnung ohne Rücksicht darauf, ob sie hinreichend groß ist, um als Wellenleiter zur Wirkung zu kommen. Die Abstrahlunq geht mit kleinerem Durchmesser und zunehmender Liinqe» der öffnung zurück. ULr; jetzt werden die Öffnungen so gestaltet, daß sin nur sehr wenig Energie in dem Feldmodus von höherer Ordnung fortpflanzen, doch strahlen sie immer noch eine zu große Energiemenge ab. Es ist möglich, daß die übermäßige Abstrahlung mit einer Umwandlung in Modi von niedrigerer Ordnung zu tun hat, die durch kleine Symmetriefehler bei der Wellenunterstützungskonstruktion hervorgerufen wird. Gemäß der Erfindung wurde festgestellt, daß eine Verkleinerung des Durchmessers der Driftröhre 38 bis unterhalb eines kritischen Wertes zu einer drastischen Verringerung der Abstrahlung führt. Dieser kritische Wert steht in einer Beziehung zur Betriebsfrequenz f, die dem Ausdruck a<8,8/f entspricht, wenn a den Durchmesner in cm und f die Frequenz in GHz bezeichne·!:.

Hat die Öffnung 38 keinen kreisrunden Querschnitt, stellt ihr "Durchmesser" im Gegensatz zu einem Kreis keine, feste Größe dar, doch soll offenbar die größte Abmessung des Querschnitts kleiner sein als der vorstehend definierte kritische

Wert. Der Ausdruck "Durchmesser" bezeichnet hier die größte Querabmessung ohne Rücksicht auf die Form des Querschnitts.

Fig. 2 zeigt in einem Axialschnitt eine zweiteilige Gyro-Wanderfeidröhre, bei der die Wechselwirkungskreise als Abschnitte 50 und 52 eines Wellenleiters ausgebildet sind, welche die Welle bei der Betriebsfrequenz fortpflanzen. Das Mikrowelleneingangssignal wird dem ersten Wanderfeldabschnitt 50 über einen Eingangswellenleiter 54 zugeführt, der durch ein Fenster 56 aus keramischem Material abgedichtet ist. Die Eingangswelle pflanzt sich längs des Abschnitts 50 nach einem TE. -Modus fort, und zwar annähernd synchron mit dem Elektronenstrahl. Die Wellengeschwindigkeit ist nicht gleich der axialen Laufgeschwindigkeit der Elektronen wie bei einer konventionellen geschwindigkeitsmodulierten Wanderfeldröhre; in deir Praxis ist bei diesem glatten Wellenleiter die Phasengefichwi ndi qke.1 t höher als die Lichtgeschwindigkeit. Hierbei ist din Querkomponente (Kreiskomponente) des elektrischen Feldes der Welle annähernd synchron mit der Querkomponente' der schraubenlinienförmigen Elektronenbahnen. Die Wechselwirkung zwischen dem Strahl und der Welle ist die gleiche wie bei dem Gyromonotron nach Fig. 1. Die Welle wird beim Durchlaufen des Wellenleiters 50 verstärkt. Sie wird mittels eines Trennwellenleiters 58 beseitigt und von einer Trennlast 60 absorbiert. Der modulierte Strahl durchläuft eine Trenn-Driftröhre oder Öffnung 62, deren Abmessungen hinreichend klein sind, so daß bei dem Betriebsmodus nur sehr wenig Wellenenergie zwischen don WechselwLrkungs-Wellenleitern 50 und 52 fortgepflanzt wird. Di.p Arbeitsweise ist völlig analog zu derjenigen der Trenneinr! i~h tungen (severs), die bei geschwindigkeitsmodulierten Wanderfeldröhren bekannter Art verwendet werden. Da eine unerwünschte Wellenrückkopplung nur in einem sehr geringen Ausmaß stattfindet, kann die Gesamtverstärkung höher sein als bei einer Wanderfeldröhre mit nur einem Abschnitt, ohne daß eine regenerative Instabilität auftritt. Der Ausgangswellenleiter-

3 ? I) 3 ? ^l~i 3

abschnitt 52 ist am Eingang durch einen Trennwellenleiter 64 abgeschlossen, an den sich eine absorptionsfähige Last. 66 anschließt.

Der in den Wellenleiter 52 eintretende modulierte Strahl erregt darin den elektrischen Querfeldmodus, der verstärkt und durch einen Strahlsammlerabschnitt 68 sowie ein Ausgangsfenster 70 zu einer nicht dargestellten äußeren Nutzlast übertragen wird. Wie bei der Anordnung nach Fig. 1 wird das axiale Magnetfeld am Eingang zu dem Sammler 68 abgeschwächt, so daß sich der hohle Elektronenstrahl 34' ausweitet und auf der Innenwand 70a gesammelt wird. Die erzeugte Wärme wird mit Hilfe von in Kanälen 72 zirkulierendem Wasser abgeführt.

Ein Problem ergibt sich daraus, daß auf unerwünschte Weise Wellenenergie durch die Driftröhren 38* und 62 entweicht. Die nachteiligen Wirkungen einer Abstrahlung von der Eingangs-DHftrÖhre 38' wurden bereits anhand von Fig. 1 erläutert. Auch Wellenenergie, die etwa aus dem Ausgangswellenleiter 52 über die Trenn-Driftröhre 62 zurück in Richtung auf den Eingangswellenleiter 50 entweicht, bildet eine Quelle für eine innere Regeneration, die zu einer Instabilität oder unerwünschten Schwingungen führen kann. Gemäß der Erfindung soll sowohl bei der Eingangs driftröhre 38· als auch bei der Trenn-Driftröhre 62 der Innendurchmesser kleiner sein als der weiter oben definierte kritische Wert, damit eine erhebliche Verringerung der Streu-Weilenenergie herbeigeführt wird.

Die Erfindung läßt sich bei verschiedenen Arten von Röhren für hohe Wellengeschwindigkeiten und bei Öffnungen anwenden, deren Form von einer zylindrischen Form oder anderen Rotationsfiguren abweicht.

Leerseite

Claims (8)

Ansprüche

1. Mikrowellengenerator der Gyrotronbauart mit einer Einrich-' ' tung zum Erzeugen eines Strahls aus sich längs schraubenlinienförmiger Bahnen bewegenden geladenen Teilchen, einer Schaltungseinrichtung zum Unterstützen einer elektromagnetischen Welle, die eine elektrische Querfeldkompönente aufweist, um in Wechselwirkung mit der Quergeschwindigkeitskomponente der Teilchen zu treten, eine Wellenisolationsöffnung an mindestens einem Ende der Schaltungseihrichtung, wobei die Schaltungseinrichtung und die Öffnung einen Hohlraum abgrenzen, der in der Längsrichtung von dem Strahl durchlaufen werden kann, dadurch gekennzeichnet, daß der größte Innendurchmesser a der Öffnung (38) kleiner ist als 8,8/f, wenn a den Durchmesser der Öffnung in cm und f die Frequenz der Welle in GHz bezeichnet.

2. Mikrowellengenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die inneren Durchlässe do.r Schnl t-unqselnricht-unq und die Öffnung Rotationsfiguren mit einer gemeinsamen Achse entsprechen.

3. Mikrowellengenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Durchlaß der Öffnung nicht einer Rotationsfigur entspricht und daß als der genannte Durchmesser die maximale Querabmessung des Durchlasses gilt.

3208233

4. Mikrowellengenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte eine Ende das der Strahlerzeugungseinrichtung am nächsten benachbarte Ende der Schaltungseinrichtung ist.

'■>. Mikrowellonqenerator nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine zweite Schaltungseinrichtung (52), die gegenüber der
genannten Schaltungseinrichtung (50) in Richtung der Achse des Längsdurchlasses versetzt ist, wobei die genannte Öffnung (62) zwischen der ersten und der zweiten Schaltungseinrichtung angeordnet ist.

6. Mikrowellengenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der elektromagnetischen Welle um eine Wanderwelle handelt.

7. Mikrowellengenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet-, daß es sich bei dor elektromagnetischen Welle um eine nl-.fhende Welle handelt und daß die Schaltungseinrichtung
bei der genannten Frequenz resonanzfähig ist.

8. Mikrowellengenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der genannten Öffnung größer ist als
der genannte durchmesser.