DE3208293C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einem Gyrotron gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, wie es aus IEEE-MTT 25, Nr. 6 (Juni 1977) S. 514 bis 521 bekannt ist.

Bei einer solchen Mikrowellen-Vakuumröhre besteht der Strahl aus Elektronen, die schrau­ benlinienförmige Bahnen durchlaufen, wobei sie durch ein Ma­ gnetfeld längs der Achse dieser Bahn geführt werden. Hierbei durchläuft der Strahl einen Wechselwirkungsraum, 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-Wanderfeldröhre" 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 elek­ trische Feldlinien im rechten Winkel zur Schraubenachse auf­ weist.

Gyro-Vorrichtungen haben sich bereits als hervorragend ge­ eignet erwiesen, bei sehr hoher Frequenz eine hohe Leistung zu erzeugen. Dies ist im wesentlichen darauf zurückzuführen, daß man dem Wechselwirkungsraum Abmessungen geben kann, 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 Wechselwirkungsraum nicht die einem feinen Maßstab entsprechende mecha­ nische Periodizität der Verzögerungsleitung einer Wanderfeldröhre aufzuweisen braucht. Bei den üblichen TE_On1-Modi weist selbst der Modus der niedrigsten Ordnung, d. h. der Modus TE_O11, eine niedri­ gere Grenzfrequenz auf, die mit einem großen Durchmesser des Hohlraums vereinbar ist, welcher die Verwendung eines Elektro­ nenstrahls 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 Vor­ teile von Strahlen und Hohlräumen mit großem Durchmesser zu er­ reichen, um die Erzeugung einer maximalen Leistung zu ermög­ lichen. Zu diesem Zweck wird der Strahl dem Wechselwirkungsraum über eine kurze Öffnung zugeführt, die diesem gegenüber einen etwas kleineren Durchmesser hat, um die Wellenenergiemenge zu verringern, die 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 Abstrahlung von Mikro­ wellen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Gyrotron nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart weiterzuentwickeln, daß es sich mit hohem Wirkungsgrad betreiben läßt, indem die Rückheizung und die unerwünschte Abstrah­ lung verringert sind.

Diese Aufgabe wird mit dem Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des Gyrotrons sind in den Unter­ ansprüchen angegeben.

Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnun­ gen an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Axialschnitt eines Gyromono­ tronoszillators mit einem einzigen Hohlraum; und

Fig. 2 einen Axialschnitt einer erfindungsgemäßen Gyro-Wander­ feldröhre.

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 schraubenlinien­ förmiger Bahnen in 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 elek­ trische Feld in einem kreisrunden Modus. Bei einem Gyrotron ist der Wechselwirkungsraum als Resonanzhohlraum aus­ gebildet, bei dem die Resonanz gewöhnlich nach einem TE_Om1- Modus auftritt.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Gyromonotron wird eine ther­ mionische Kathode 20 durch eine Stirnplatte 22 des evakuier­ ten 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 zweites elektrisch isolierendes Bauteil 30 abgedichtet. Während des Betriebs wird die Kathode 20 mittels einer Span­ nungsquelle 32 auf einem gegenüber der Anode 24 negativen Potential gehalten. Die Kathode 20 wird mittels einer nicht dargestellten, in ihrem Inneren angeordneten Strahlungsheiz­ einrichtung beheizt. Von der konischen äußeren Emissionsfläche der Kathode werden thermionische Elektronen durch das Anzie­ hungsfeld der gleichachsig damit angeordneten konischen Anode 24 abgezogen. Die gesamte beschriebene Konstruktion befindet sich in einem axialen Magnetfeld H, das durch einen die Kon­ struktion umschließenden, nicht dargestellten Elektromagneten erzeugt wird. Die ursprüngliche radiale Bewegung der Elektro­ nen wird durch die sich kreuzenden elektrischen und magneti­ schen Felder in eine Bewegung von der Kathode 20 weg derart verwandelt, daß sich die Elektronen längs schraubenlinien­ förmiger 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 be­ wirkt. In dem Bereich zwischen der Kathode 20 und dem Röhren­ körper 28 wird die Stärke des Magnetfeldes H erheblich ge­ steigert, so daß sich der Durchmesser des Strahls 34 ver­ kleinert und daß sich seine Rotationsenergie auf Kosten der axialen Energie vergrößert. Bei der Rotationsenergie handelt es sich um denjenigen Teil der Energie, welcher bei der nutz­ baren 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 Öffnung 38, um in den Wechselwirkungsraum 40 einzutreten, der gewöhn­ lich bei der Betriebsfrequenz als Hohlraumresonator resonanzfähig ist, wobei sich ein TE_Om1-Modus ergibt. Jedoch gehen bei kleinen Öffnungen mit relativ kleinem Strahl­ durchmesser die elektrischen Querfelder gemäß den TE_Om1- Modi an der Achse auf Null zurück. Hierdurch wird es zweck­ mäßig, einen Modus mit einem endlichen elektrischen Feld an der Achse, z. B. den Modus TE_1m1, anzuwenden. Die Stärke H des Magnetfeldes wird so eingestellt, daß die Cylotronfrequenz- Drehbewegung der Elektronen annähernd synchron mit der Reso­ nanz des Hohlraums verläuft. Die Elektronen können dann Rota­ tionsenergie an das kreisrunde elektrische Feld abgeben und eine ungedämpfte Schwingung 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 40 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 fortzu­ pflanzen. Nahe dem Ausgang des Hohlraums 40 ist das Magnetfeld H schwächer, so daß sich der Durchmesser des Strahls 34 unter der Wirkung der sich aufspreizenden magnetischen Feldlinien und seiner eigenen, eine Selbstabstoßung bewirkenden Raum­ ladung vergrößert. Danach wird der Strahl 34 auf der Innen­ wand des Wellenleiters 46 gesammelt, der gleichzeitig als Strahlsammler dient. Ein elektrisch isolierendes Fenster 48, das z. B. aus Aluminiumoxidkeramik besteht, ist mit abdich­ tender Wirkung in das Ende des Wellenleiters 46 eingebaut, um den Röhrenkolben vakuumdicht zu verschließen.

Bis jetzt ist es üblich, besonderen Wert auf das Erzeugen einer hohen Leistung zu legen. Daher wird dafür gesorgt, daß der Elektronenstrahl 34 einen möglichst großen Durchmesser erhält. Im Hinblick hierauf muß man eine Eingangsöffnung 38 von großem Durchmesser vorsehen. Hierbei ist es üblich, einen Durchmesser zu wählen, der etwas kleiner ist als 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 bekann­ ten Röhren immer noch eine zu große Energiemenge abgestrahlt wird, so daß sich Regenerations-Instabilität ergibt, ferner eine Verringerung des Wirkungsgrades sowie eine Rück­ heizung der Kathode 20 durch Elektronen, welche durch Mikro­ wellenfelder beschleunigt werden. Natürlich ergibt sich eine gewisse Abstrahlung durch jede vorhandene Öffnung ohne Rück­ sicht darauf, ob sie hinreichend groß ist, um als Wellenleiter zur Wirkung zu kommen. Die Abstrahlung geht mit kleinerem Durchmesser und zunehmender Länge der Öffnung zurück. Bis jetzt werden die Öffnungen so gestaltet, daß sie nur sehr wenig Energie in dem Feldmodus von höherer Ordnung fortpflan­ zen, 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 Konstruktion des Wechselwirkungsraums hervorgerufen wird. Es wurde nun festgestellt, daß eine Verkleinerung des Durchmessers der Öffnung 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 Durchmes­ ser in cm und f die Frequenz in GHz bezeichnet.

Hat die Öffnung 38 keinen kreisrunden Querschnitt, stellt ihr "Durchmesser" im Gegensatz zu einem Kreis keine feste Größe dar, so soll die größte Abmessung des Quer­ schnitts 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- Wanderfeldröhre, bei der die Wechselwirkungsräume als Ab­ schnitte 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_1m-Modus fort, und zwar annähernd synchron mit dem Elektro­ nenstrahl. Die Wellengeschwindigkeit ist nicht gleich der axialen Laufgeschwindigkeit der Elektronen wie bei einer kon­ ventionellen geschwindigkeitsmodulierten Wanderfeldröhre; in der Praxis ist bei diesem glatten Wellenleiter die Phasenge­ schwindigkeit höher als die Lichtgeschwindigkeit. Hierbei ist die Querkomponente (Kreiskomponente) des elektrischen Feldes der Welle annähernd synchron mit der Querkomponente der schrau­ benlinienförmigen Elektronenbahnen. Die Wechselwirkung zwischen dem Strahl und der Welle ist die gleiche wie bei dem Gyromono­ tron nach Fig. 1. Die Welle wird beim Durchlaufen des Wellen­ leiters 50 verstärkt. Sie wird mittels eines Trennwellenlei­ ters 58 beseitigt und von einer Trennlast 60 absorbiert. Der modulierte Strahl durchläuft eine Öffnung 62, deren Abmessungen hinreichend klein sind, so daß bei dem Betriebsmodus nur sehr wenig Wellenenergie zwischen den Wechselwirkungs-Wellenleitern 50 und 52 fortgepflanzt wird. Die Arbeitsweise ist völlig analog zu derjenigen der Trennein­ richtungen (severs), die bei geschwindigkeitsmodulierten Wan­ derfeldröhren bekannter Art verwendet werden. Da eine uner­ wünschte 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 abschnitt 52 ist am Eingang durch einen Trennwellenleiter 64 abgeschlossen, an den sich eine absorptionsfähige Last 66 an­ schließt.

Der in den Wellenleiter 52 eintretende modulierte Strahl er­ regt darin den elektrischen Querfeldmodus, der verstärkt und durch einen Strahlsammlerabschnitt 68 sowie ein Ausgangsfen­ ster 70 zu einer nicht dargestellten äußeren Nutzlast über­ tragen 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 Öffnungen 38′ und 62 entweicht. Die nachteiligen Wirkungen einer Abstrahlung von der Eingangs­ öffnung 38′ wurden bereits anhand von Fig. 1 erläutert. Auch Wellenenergie, die etwa aus dem Ausgangswellenleiter 52 über die Öffnung 62 zurück in Richtung auf den Eingangswellenleiter 50 entweicht, bildet eine Quelle für eine innere Regeneration, die zu einer Instabilität oder un­ erwünschten Schwingungen führen kann. Daher soll sowohl bei der Öffnung 38′ als auch bei der Öffnung 62 der Innendurchmesser kleiner sein als der im Anspruch 1 angegebene Wert, damit eine erhebliche Verringerung der Streu-Wellenenergie herbeigeführt wird.

Diese Bemessungsvorschrift läßt sich bei verschiedenen Arten von Röhren für hohe Wellengeschwindigkeiten und bei Öffnungen anwenden, deren Form von einer zylindrischen Form oder anderen Rota­ tionsfiguren abweicht.

Claims (7)

1. Gyrotron mit einer Einrichtung zum Erzeugen eines Strahls (34) aus sich längs schraubenlinienförmiger Bahnen bewegenden Elektronen, der in der Längsrichtung einen Wechselwirkungsraum (40, 50, 52) durchläuft, um dort eine elektromagnetische Welle zu erzeugen, die eine elektrische Querfeldkomponente aufweist, welche in Wechselwirkung mit der Quergeschwindigkeitskomponente der Elektronen tritt, und mit einer Öffnung (38, 62) an mindestens einem Ende des Wechselwirkungsraums (40, 50, 52), dadurch gekennzeichnet, daß der größte Innendurchmesser a der Öffnung (38, 62) kleiner ist als 8,8/f, wenn a den Durchmesser der Öffnung in cm und f die Frequenz der Welle in GHz bezeichnet.

2. Gyrotron nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wechselwirkungsraum (40, 50, 52) und die Öffnung rotationssymmetrisch mit einer gemeinsamen Achse sind.

3. Gyrotron nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung (38) an dem der Strahlerzeugungseinrichtung am nächsten benachbarten Ende des Wechselwirkungsraums (40, 50, 52) angeordnet ist.

4. Gyrotron nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen zweiten Wechselwirkungsraum (52), der gegenüber dem ersten Wechselwirkungsraum (50) in Richtung der Achse des Längsdurchlasses versetzt ist, sowie dadurch, daß die Öffnung (62) zwischen den Wechselwirkungsräumen (50, 52) angeordnet ist.

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

6. Gyrotron nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der elektromagnetischen Welle um eine stehende Welle handelt, bei deren Frequenz der Wechselwirkungsraum (40) resonanzfähig ist.

7. Gyrotron nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der Öffnung (38, 62) größer ist als ihr Durchmesser a.