DE3211971A1 - Mikrowellen-elektronenroehre - Google Patents

Description

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Mikrowellen-Elektronenröhre

Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich auf Elektronenröhren zum Erzeugen einer sehr hohen Leistung bei einer sehr hohen Frequenz. Als neuzeitliches Beispiel hierfür sei das Gyrotron genannt. Bei solchen Röhren werden gewöhnlich Wellenfortpflanzungskreise verwendet, die in einem Modus höherer Ordnung arbeiten, z.B. einem Modus mit einem kreisrunden elektrischen Feld.

Bis jetzt werden Gyrotronröhren gewöhnlich mit einem Strahl-Wechselwirkungshohlraum versehen, der so ausgebildet ist, daß er eine elektromagnetische Welle in einem TE ,.-Modus unterstützt. Hierbei ergibt sich das Problem, daß es vorkommt, daß dieser Modus zufällig in andere Modi übergeht, die ebenfalls in dem Hohlraum unterstützt werden können. Eine Umwandlung in Modi mit nicht kreisrundem Feld ist auf eine etwaige Abweichung der Kreise von der Kreissymmetrie zurückzuführen. Daher ist es bis jetzt allgemein üblich, dem Ausgangshohlleiter eine zylindrische Form zu geben, ihn gleichachsig mit dem Wechselwirkungshohlraum anzuordnen und ihn so auszubilden, daß eine Fortpflanzung des TE -Modus

erfolgt. Der hohle Elektronenstrahl wird dadurch aufgespreizt, daß das axiale magnetische Fokussierfeld mit einem Abschluß versehen wird. Dann wird der Strahl auf der ihn umgebenden Wand des Hohlleiters gesammelt, während sich die Welle weiter durch ein dielektrisches Ausgangsfenster hindurch fortpflanzt.

Ein Hauptnachteil dieser bekannten Anordnung besteht darin, daß die Größe und damit auch die Fähigkeit des Kollektors, Energie zu vernichten, durch den Durchmesser des Hohlleiters eingeschränkt wird.

Dies kann auch dadurch unterstützt werden, daß man den Durchmesser des Hohlleiters vergrößert. Wird dieser Durchmesser dann z.B. vor dem Ausgangsfenster verkleinert, können einige der Modi höherer Ordnung, die an dem sich verjüngenden Unstetigkeiten erzeugt werden, eingefangen werden und in Resonanz treten. Wird bei dem sich erweiternden Abschnitt kein ausreichender Verlust vorgesehen, können sich die Amplituden bis auf einen solchen Wert aufbauen, daß der Betrieb der Röhre dadurch unterbrochen wird, daß eine Reflexion zu dem Hohlraum bei Modi stattfindet, die geeignet sind, eine Übertragung zu dem Hohlraum zu bewirken. Dies führt su sprunghaften Veränderungen des Ausgangssignals und zu häufigen Frequenzsprüngen zu konkurrierenden Modi-,

Bei der Konstruktion mancher Gyrotrone zeigt es sich, daß das Magnetfeld nicht mehr die Fähigkeit hat, den Strahl über die ganze Länge eines langgestreckten Kollektors zu steuern. In diesem Fall ist es erforderlich, den Durchmesser des Kollektors weiter zu vergrößern, damit sich eine ausreichende Fläche für die Vernichtung der Strahlenergie ergibt. Dies bedeutet, daß man entweder größere Unstetigkeiten oder übermäßig lange sich erweiternde Abschnitte vorsehen muß.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gyrotronröhre zu schaffen, die im Vergleich zu bekannten Gyrotronröhren eine höhere Leistung liefert; ferner soll eine Gyrotronröhre geschaffen werden, bei der Störschwingungen in einem geringeren Ausmaß auftreten.

Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe durch die Schaffung einer Gyrotronröhre gelöst, bei der der Ausgangswellenleiter mit einem Querspalt versehen ist, durch den hindurch der verbrauchte Elektronenstrahl von dem Hohlleiter aus nach außen in einen ihn umgebenden größeren Hohlraum gerichtet wird, auf dessen Wänden er gesammelt wird. Die in den Kollektorhohlraum hinein entweichende Wellenenergie wird von einer Last aufgenommen, die innerhalb des evakuierten Kollektorkolbens oder außerhalb desselben angeordnet sein kann.

Im folgenden wird die Erfindung anhand schematischer Zeichnungen an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 einen Axialschnitt eines Gyrotronoszillators bekannter Art;

Fig. 2 einen Axialschnitt des Ausgangsteils einer anderen Ausführungsform eines Gyrotrons bekannter Art;

Fig. 3 einen Axialschnitt des Ausgangsteils eines Gyrotrons nach der Erfindung; und

Fig. 4 einen Axialschnitt des Kollektorteils einer Weiterbildung eines erfindungsgemäßen Gyrotrons.

In Fig. 1 ist ein Gyrotronoszillator bekannter Art in Form eines Monotrons dargestellt. Bei dem Gyrotron handelt es sich um eine Mikrowellenröhre, bei der ein Strahl, der aus Elektronen besteht, welche schraubenlinienförmige Bewegungen in einem axialen Magnetfeld parallel zu ihrer Driftrichtung aus-

führen, in Wechselwirkung mit den querliegenden elektrischen Feldern eines Wellenunterstützungskreises tritt. Bei für den praktischen Gebrauch geeigneten Röhren befindet sich das .. elektrische Feld in einem Modus mit einem kreisrunden elektrischen Feld; Bei einem Gyro-Klystron wird der Wellenunterstützungskreis durch einen resonanzfähigen Hohlraum gebildet, bei dem eine Resonanz gewöhnlich nach einem TE .-Modus auftritt.

Bei dem Gyromonotron nach Fig. 1 'wird eine thermionische Kathode 20 durch eine Stirnwand 22 des evakuierten Röhrenkolbens unterstützt. Die Stirnwand 22 ist mit einer Beschleunigungsanode 24 aus Metall mit abdichtender Wirkung durch ein isolierendes Kolbenteil 26 verbunden. Die Anode 24 ist ihrerseits mit dem Hauptkörper 28 der Röhre durch ein zweites isolierendes Bauteil 30 mit abdichtender Wirkung verbunden. Während des Betriebs wird die Kathode 20 durch eine Spannungsquelle 32 auf einem gegenüber der Anode 24 negativen Potential gehalten. Die Kathode 20 wird mittels einer nicht dargestellten innenliegenden Heizeinrichtung durch Strahlungswärme beheizt. Von der Kathode 20 werden thermionische Elektronen an ihrer konischen äußeren Emissionsfläche durch das Anziehungsfeld der gleichachsig damit angeordneten konischen Anode 24 abgezogen. Die gesamte Konstruktion befindet sich in einem axialen Magnetfeld H, das durch einen sie umgebenden, nicht dargestellten Elektromagneten erzeugt wird. Die anfängliche radiale Bewegung der Elektronen wird durch die sich kreuzenden elektrischen und magnetischen Felder in eine Bewegung umgewandelt, die von der Kathode 20 weg gerichtet ist und schraubenlinienförmig um magnetische Feldlinien herum verläuft, so daß ein hohler Strahl 34 entsteht. Die Anode 24 wird durch eine zweite Spannungsquelle 36 auf einem gegenüber dem Röhrenkörper 28 negativen Potential gehalten, wodurch eine weitere axiale Beschleunigung des Strahls 34 herbeigeführt wird. In dem Bereich zwischen der Kathode 20 und dem Röhrenkörper 28

wird die Stärke des Magnetfeldes H <~ heblich vergrößert, so daß der Strahl 34 auf einen kleineren Durchmesser komprimiert wird und außerdem seine Rotationsenergie auf Kosten der axialen Energie vergrößert. Bei der Rotationsenergie handelt es sich um denjenigen Teil der Energie, welcher bei der nutzbaren Wechselwirkung mit Wellenfeldern eine Rolle spielt. Die axiale Energie bewirkt lediglich, daß der Strahl durch den Wechselwirkungsbereich hindurch transportiert wird.

Der Strahl 34 durchläuft eine Laufzeitröhre oder Öffnung 38, um dann in den Wechselwirkungshohlraum 40 einzutreten, der bei der Betriebsfrequenz in einem TE ^-Modus in Resonanz tritt. Die Stärke des Magnetfeldes H wird so eingestellt, daß die Cyclotronfrequenz-Drehbewegung der Elektronen annähernd mit der Hohlraumresonanz synchron ist. Dann können die Elektronen Rotationsenergie an das kreisrunde elektrische Feld abgeben und eine anhaltende Schwingung hervorrufen.

Am Ausgangsende des Hohlraums 40 kann sich die Innenwand des Röhrenkörpers 28 verjüngen, d.h. ihr Durchmesser kann sich so verkleinern, daß eine Blende 42 vorhanden ist, welche so bemessen ist, daß sie das richtige Ausmaß an Kopplung von Energie aus dem Hohlraum 40 heraus liefert. Bei Röhren von sehr hoher Leistung kann man eine solche sich verengende Blende fortlassen, d.h. das Ende des Hohlraums kann vollständig offen sein, damit eine maximale Kopplungswirkung hervorgerufen wird. In jedem Fall dient ein sich erweiternder Abschnitt 44 dazu, die Ausgangsenergie in einen Hohlleiter 46 von gleichmäßiger Querschnittsform einzukoppeln, der einen größeren Durchmesser hat als der resonanzfähige Hohlraum 40, damit sich eine Wanderwelle fortpflanzt. Nahe dem Ausgang des Hohlraums 40 wird das Magnetfeld H abgeschwächt. Daher vergrößert sich der Durchmesser des Strahls 34 unter dem Einfluß der sich aufspr'eizenden Magnetfeldlinien und seiner eigenen, eine Selbstabstoßung bewirkenden Raumladung. Danach wird der Strahl 34 auf der Innenwand des Hohlleiters 46 gesammelt, der gleich-

zeitig als Strahlkollektor zur Wirkung kommt. Quer zu dem Hohlleiter 46 erstreckt sich ein isolierendes Fenster 48, das z.B. aus einem keramischen Aluminiumoxidmaterial besteht und gegenüber dem Hohlleiter abgedichtet ist, um den evakuierten Röhrenkolben abzuschließen.

Da der Strahlkollektor 46 gleichzeitig den Ausgangs hohlleiter bildet, wird sein Durchmesser durch die Abmessungen beschränkt, die für die Fortpflanzung erforderlich sind, wenn die Röhre nach dem TE -Modus arbeiten soll. Daher wird auch

om

die Fähigkeit zur Vernichtung von Energie eingeschränkt. Wenn man TE -Gyrotrone frequenzmäßig hochsetzt, zeigt es sich, daß die Steuerung des Elektronenstrahls in dem Kollektor unzureichend wird und daß es daher schwierig wird, achssymmetrische Felder zu benutzen, um den Strahl über einen Kollektor von größerer Länge auszubrei ten.

Fig. 2 zeigt den Ausgangsteil eines weiteren Gyrotrons bekannter Art. In diesem Fall ist der Hohlraum 40' durch einen konischen Abschnitt 44' mit einem Kollektorabschnitt 50 gekoppelt, der einen erheblich größeren Durchmesser hat als der Ausgangshohlleiter 46'. Ein zweiter konischer Abschnitt 52 bewirkt, daß sich der Durchmesser in Richtung von dem Kollektor 50 zu dem Hohlleiter 46' allmählich verkleinert. Die Welle durchläuft den Hohlleiter 46' und ein elektrisch isolierendes Fenster 48', um zu der Nutzlast zu gelangen. Die Anordnung nach Fig. 2 bewirkt eine Verringerung der Leistungsvernichtungsdichte, da der Kollektor 50 einen größeren Durchmesser hat als der entsprechend einem Hohlleiter bemessene Kollektor nach Fig. 1. Jedoch können die konischen Abschnitte selbst zu einer Veränderung des Modus führen, wobei gewöhnlich ein Übergang von einem Modus mit einer Kreissymmetrie zu einem anderen Modus mit der gleichen Symmetrie stattfindet. Da der Strahlkollektor 50 gleichzeitig den Ausgangs hohlleiter bildet, wird sein Durchmesser durch die zulässige Länge der koni-

sehen Abschnitte beschränkt, die zu dem Hohl leiter führen bzw. sich daran anschließen, welche erforderlich ist, um das Ausmaß der Modusumwandlung gering zu halten. Außerdem kann der Abschnitt des vergrößerten Hohlleiters, der durch den Kollektor 50 gebildet wird, Modi von höherer Ordnung unterhalten, die, jenseits der Grenzfrequenz des Hohlleiters 46' liegen, so daß diese Modi nicht aus dem erweiterten Abschnitt entweichen können. Daher ist der Q-Wert dieses Abschnitts sehr hoch, und die störenden Modi können sich bis zu Amplituden von .gefährlicher Größe aufbauen. Diese führen infolge einer Umwandlung zu hohlraumunterstützten Modi sowie einer Reflexion in Richtung auf den Hohlraum zu einer Störung der Wechselwirkung, einem Leistungsverlust und häufig zu Frequenzsprüngen zu einem konkurrierenden Modus. Aus diesem Grunde wird normalerweise dafür gesorgt, daß in dem sich erweiternden Kollektor ein Verlust auftritt, um die Amplitude der eingeschlossenen Resonanzen zu begrenzen. Zu diesem Zweck kann man einen kleinen Spalt vorsehen, der so bemessen ist, daß der Verlust bei den gewünschten Fortpflanzungsmodi gering ist, während störende Modi nach außen fortgepflanzt und auf der Außenseite der Röhre absorbiert werden.

Fig. 3 zeigt in einem Axialschnitt das Ausgangsende einer Ausführungsform einer Gyrotronröhre nach der Erfindung. Hierbei ist der Resonanzhohlraum 40" durch einen sich verjüngenden Abschnitt 44" mit einem Hohlleiter 46" verbunden, dessen Durchmesser nur wenig größer ist als der Durchmesser des Hohlraums 40", jedoch genügend groß, um eine Wanderwelle aufzunehmen. Bei diesem kleiner bemessenen konischen Abschnitt besteht eine geringere Neigung zur Umwandlung des Modus als bei dem in Fig. 2 dargestellten, größer bemessenen konischen Abschnitt bekannter Art.

Der Hohlleiter 46" setzt sich durch ein Fenster 48" zur Nutzlast fort. Gemäß Fig. 3 ist der Hohl leiter 46" in dem

Bereich, in dem sich der Strahl 34" aufspreizt, durch einen Spalt 56 unterbrochen. Das Magnetfeld bildet ein solches Muster, daß der Strahl 34" den Spalt 56 durchläuft, ohne auf den Hohlleiter 46" aufzutreffen. Der Strahl 34" spreizt sich weiter auf und wird auf der Innenfläche 57 der erweiterten Kollektorkammer 58 gesammelt. Die Kollektorfläche wird durch zirkulierendes Wasser 54" oder ein anderes Fluid gekühlt. In den Endabschnitten des Kollektors 58, die von dem Strahl 34" durch einen Abstand getrennt sind, sind Ringe 60 aus einem Wellenenergie absorbierenden dielektrischen Material angeordnet, z. B. Beryll i umoxi dkerami k, die Teilchen aus Siliziumkarbid enthält, ein Material, das mit sehr hohem Verlust behaftet ist.

Jeder Ring 60 kann durch Hartlöten mit

der wassergekühlten Wand des Kollektorhohlraums 58 verbunden sein, um eine Kühlung durch Wärmeleitung zu bewirken, oder er kann so aufgehängt sein, daß er sich erwärmen und die von ihm absorbierte Energie abstrahlen kann. Um den Verlust weiter zu vergrößern, kann man bestimmte Innenwände des Kollektors 58 mit einem Metall von hohem Widerstand beschichten. Diese veriMstbehafteten Elemente absorbieren jede Mikrowellenstrahlung, die in den Kollektor 58 durch den Spalt 56 des Hohlleiters eintritt, wodurch verhindert wird, daß sich Resonanzen von großer Amplitude aufbauen.

Die Menge der Wellenenergie, die aus dem Hohlleiter 46" zu dem Kollektor 58 entweicht, ist eine abnehmende Funktion des Durchmessers des Hohl leiters 46" und eine zunehmende Punktion der Länge des Spaltes 56, wobei diese beiden Größen in Wellenlängen im freien Raum gemessen werden. Sowohl theoretische Berechnungen als auch versuchsmäßige Messungen haben gezeigt, daß es bei einer Röhre für den praktischen Betrieb möglich ist, den Energieverlust in annehmbaren Grenzen zu halten. Beispielsweise zeigen Messungen an einem Hohlleiter mit einem Durchmesser von etwa 125 mm, daß man einen Spalt mit einer

Länge von etwa 165 mm vorsehen könnt-e, wobei ein Verlust von weniger als 4% bei 120 GHz beim TE ₂-^p°rtpflanzungsmodus auftritt, bzw. daß man einen Spalt mit einer Länge von etwa 300 mm vorsehen könnte, bei dem der Verlust weniger als 10% beträgt. Diese Spalte könnten es dem elektronenstrahl ermöglichen, zu einem Kollektor zu gelangen, dessen Durchmesser ausreicht, um eine genügende Energievernichtung zu bewirken.

Fig. 4 zeigt in einem Axialschnitt das Ausgangsende einer etwas abgeänderten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Gyrotrons. In diesem Fall wird die Wellenabsorptionsfunktion in dem Kollektorhohlraum 58"' dadurch erreicht, daß an einem Ende oder an jedem Ende ein isolierendes Wellenfortpflanzungsfenster 62 angeordnet ist. Das bzw. jedes Fenster 62 besteht vorzugsweise aus einem verlustarmen Material, z.B. einem keramischen Material mit hohem Aluminiumoxidgehalt. Auf den Außenseiten der Fenster 62 sind Wasserlastabschnitte 64 angeordnet, die ein verlustbehaftetes dielektrisches Fluid 66, z.B. Wasser, enthalten, das durch Zu- und Abführungsleitungen 68 zirkuliert. Die unerwünschte Wellenenergie wird von der Fluidmasse 66 direkt absorbiert, so daß sich die auf die Konvektion von Wärme zurückzuführenden Schwierigkeiten erheblich verringern. Alternativ kann der Hohlraum 58"· über die Fenster 62 hinaus verlängert werden, so daß sie luftgefüllte Hohlleiter bilden, die durch Hohl leiterlasten beliebiger bekannter Art abgeschlossen werden können.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 4 kann sich der Ausgangshohneiter 46"' ähnlich wie bei der AusfUhrungsform nach Fig. 3 auf einen größeren Durchmesser 50'" erweitern, wobei der Unterschied gegenüber der Anordnung nach Fig. 4 darin besteht, daß die Innenfläche 50"· nicht die Strahlenergie zu beseitigen braucht, die von der sogar noch größeren Fläche 57"' des Kollektorhohlraums 58'" aufgenommen werden muß.

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Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die vorstehend beschriebenen AusfUhrungsbeispiele. Für jeden Fachmann ergeben sich zahlreiche Weiterbildungsmöglichkeiten. Eine Anwendbarkeit der Erfindung besteht bei jeder Röhre mit linearem Strahl mit einem Ausgangshohl leiter_t bei dem ein Modus mit einem kreisrunden elektrischen Feld auftritt. Gegenwärtig erweisen sich Gyrotrone als die zweckmäßigsten Formen solcher Röhren, doch dürfte es auch möglich sein, noch andere Bauarten zu schaffen. Ferner kann man andere Verfahren zum Dämpfen der in den Kollektor eintretenden Energie anwenden.

Claims (12)

Ansprüche

1. Mikrowellen-Elektronenröhre, gekennzeichnet durch Einrichtungen (20, 24) zum Erzeugen eines hohlen Elektronenstrahls (34"; 34"'), eine Schaltkreisanordnung zum Aufrechterhalten einer elektromagnetischen Welle in Wechselwirkungsbeziehung zu dem Elektronenstrahl, eine kreisrunde Hohlleiteranordnung (46"; 46"·) in gleichachsiger Anordnung mit dem Elektronenstrahl zum Weiterleiten von Energie aus der Welle zu einer äußeren Last in einem Modus mit kreisrunden elektrischen Feldern, einen querliegenden Spalt (56; 56"'), mit dem der Hohlleiter versehen ist und der von dem Elektronenstrahl nach außen durchlaufen werden kann, sowie einen den Spalt umgebenden hohlen Elektronenkollektor (58; 58"«).

2. Elektronenröhre nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Wellenabsorptionseinrichtung (60) in Wellenübertragungsverbindung mit dem Kollektor (58).

3. Elektronenröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollektor (58; 58"') die Form einer mit dem Hohlleiter (46"J 46"») gleichachsigen Rotationsfigur hat.

4. Elektronenröhre nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollektor (58; 58"·) und die Wellenabsorptionseinrichtung (60) die Form von mit dem Hohlleiter (46"; 46'") gleichachsigen Rotationsfiguren haben.

5. Elektronenröhre nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zu der Wellenabsorptionseinrichtung (60) eine mindestens auf einem Teil der Innenfläche des Kollektors (58) angeordnete Schicht aus widerstandsbehaftetem Material gehört.

6. Elektronenröhre nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der Wellenabsorptionseinrichtung um ein verlustbehaftetes dielektrisches Material (60) handelt.

7. Elektronenröhre nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das dielektrische Material (60) in dem Kollektor (58) angeordnet ist.

8. Elektronenröhre nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein wellendurchlässiges dielektrisches Fenster (48"; 48"·), das einen Bestandteil einer evakuierten Umschließung des Kollektors (58; 58"·) bildet.

9. Elektronenröhre nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Unterstützen eines verlustbehafteten dielektrischen Materials (66) in Wellendurchlaßverbindung mit dem Fenster (62).

10. Elektronenröhre nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das verlustbehaftete dielektrische Material (66) Wasser ist.

11. Elektronenröhre nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Erzeugen eines mit dem Elektronenstrahl gleichachsigen Magnetfeldes zum Richten des Elektronenstrahls (34"; 34"·).

12. Elektronenröhre nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch Einrichtungen (54"; 54"') zum Verringern der Stärke des Magnetfeldes in der Nähe des Spaltes (56; 56"') derart, daß der Elektronenstrahl so gerichtet wird, daß er den Spalt (56; 56"') nach außen durchläuft.