DE3211971C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einer Mikrowellen-Elektronen­ röhre nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, wie sie aus der Zeitschrift "IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. MTT-25, Nr. 6 (1977), S. 514-521" bekannt ist.

Als neuzeitliches Beispiel für solche Röhren sei das Gyrotron genannt. Hier werden gewöhnlich Hohlraumresonatoren verwendet, die in einem Modus höherer Ordnung ar­ beiten, 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_om1-Modus unterstützt. Hierbei ergibt sich das Problem, daß es vor­ kommt, 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_om-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 wei­ ter durch ein dielektrisches Ausgangsfenster hindurch fort­ pflanzt.

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 dadurch verbessert werden, daß man den Durch­ messer des Hohlleiters vergrößert. Wird dieser Durchmesser dann z. B. vor dem Ausgangsfenster verkleinert, können einige der Modi höherer Ordnung, die an dem sich verjüngenden Unstetig­ keiten erzeugt werden, eingefangen werden und in Resonanz tre­ ten. Wird bei dem sich erweiternden Abschnitt kein ausreichen­ der 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 Hohl­ raum zu bewirken. Dies führt zu sprunghaften Veränderungen des Ausgangssignals und zu häufigen Frequenzsprüngen zu konkur­ rierenden 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, die Röhre nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 dahingehend weiterzuentwickeln, daß sie eine höhere Leistung liefern kann, indem Störschwingungen in einem geringeren Ausmaß auftreten. Diese Aufgabe wird mit der Röhre nach dem Anspruch 1 gelöst.

Danach ist der Ausgangswellenleiter mit einem Querspalt versehen, durch den hindurch der verbrauch­ te Elektronenstrahl von dem Hohlleiter aus nach außen in einen ihm umgebenden größeren Hohlraum gerichtet wird, auf dessen Wänden er gesammelt wird. Die in den Kollektorhohlraum hinein entweichende Wellenenergie wird gemäß der Ausgestaltung nach Anspruch 2 von einer Last aufge­ nommen, die innerhalb des evakuierten Kollektorkolbens oder außerhalb desselben angeordnet sein kann. Weitere Ausge­ staltungen der Elektronenröhre sind in den übrigen Unter­ ansprüchen angegeben.

Im folgenden wird die Erfindung anhand schematischer Zeich­ nungen von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Axialschnitt enes Gyrotronoszillators bekann­ ter Art;

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

Fig. 3 einen Axialschnitt des Ausgangsteils eines Gyrotrons; und

Fig. 4 einen Axialschnitt des Kollektorteils einer Weiter­ bildung eines 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 Elek­ tronen 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 elek­ trischen Feld. Bei einem Gyro-Klystron wird der Wellenunter­ stützungskreis durch einen resonanzfähigen Hohlraum gebildet, bei dem eine Resonanz gewöhnlich nach einem TE_om1-Modus auf­ tritt.

Bei dem Gyromonotron nach Fig. 1 wird eine thermionische Kathode 20 durch eine Stirnwand 22 des evakuierten Röhrenkol­ bens unterstützt. Die Stirnwand 22 ist mit einer Beschleuni­ gungsanode 24 aus Metall mit abdichtender Wirkung durch ein isolierendes Kolbenteil 26 verbunden. Die Anode 24 ist ihrer­ seits mit dem Hauptkörper 28 der Röhre durch ein zweites iso­ lierendes Bauteil 30 mit abdichtender Wirkung verbunden. Wäh­ rend des Betriebs wird die Kathode 20 durch eine Spannungs­ quelle 32 auf einem gegenüber der Anode 24 negativen Poten­ tial gehalten. Die Kathode 20 wird mittels einer nicht darge­ stellten innenliegenden Heizeinrichtung durch Strahlungswärme beheizt. Von der Kathode 20 werden thermionische Elektronen an ihrer konischen äußeren Emissionsfläche durch das Anzie­ hungsfeld 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 kreuzen­ den elektrischen und magnetischen Felder in eine Bewegung um­ gewandelt, die von der Kathode 20 weg gerichtet ist und schrau­ benlinienförmig um magnetische Feldlinie herum verläuft, so daß ein hohler Strahl 34 entsteht. Die Anode 24 wird durch eine zweite Spannungsquelle 36 auf einem gegenüber dem Röhren­ körper 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 erheblich vergrößert, so daß der Strahl 34 auf einen kleineren Durchmesser kompri­ miert 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 nutz­ baren 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 60 einzutreten, der bei der Betriebsfrequenz in einem TE_om1-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 Elek­ tronen Rotationsenergie an das kreisrunde elektrische Feld abgeben und eine anhaltende Schwingung hervorrufen.

Am Ausgangsende der 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 gleichmäßi­ ger Querschnittsform einzukoppeln, der einen größeren Durch­ messer 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 auf­ spreizenden Magnetfeldlinien und seiner eigenen, eine Selbst­ abstoßung 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 evaku­ ierten Röhrenkolben abzuschließen.

Da der Strahlkollektor gleichzeitig den Ausgangshohl­ leiter 46 bildet, wird sein Durchmesser durch die Abmessungen be­ schränkt, die für die Fortpflanzung erforderlich sind, wenn die Röhre nach dem TE_om-Modus arbeiten soll. Daher wird auch die Fähigkeit zur Vernichtung von Energie eingeschränkt. Wenn man TE_om-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 be­ nutzen, um den Strahl über einen Kollektor von größerer Länge auszu­ breiten.

Fig. 2 zeigt den Ausgangsteil eines weiteren Gyrotrons bekann­ ter Art. In diesem Fall ist der Hohlraum 40′ durch einen koni­ schen Abschnitt 44′ mit einem Kollektorabschnitt 50 gekoppelt, der einen erheblich größeren Durchmesser hat als der Ausgangs­ hohlleiter 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 durch­ läuft den Hohlleiter 46′ und ein elektrisch isolierendes Fenster 48′, um zu der Nutzlast zu gelangen. Die Anordnung nach Fig. 2 bewirkt eine Verringerung der Leistungsvernich­ tungsdichte, da der Kollektor 50 einen größeren Durchmesser hat als der entsprechend einem Hohlleiter bemessene Kollek­ tor 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 Ausgangshohlleiter bil­ det, wird sein Durchmesser durch die zulässige Länge der koni­ schen Abschnitte beschränkt, die zu dem Hohlleiter 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 unter­ halten, 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 gefähr­ licher Größe aufbauen. Diese führen infolge einer Umwandlung zu hohlraumunterstützten Modi sowie einer Reflexion in Rich­ tung auf den Hohlraum zu einer Störung der Wechselwirkung, einem Leistungsverlust und häufig zu Frequenzsprüngen zu einem konkurierenden Modus. Aus diesem Grunde wird normalerweise dafür gesorgt, daß in dem sich erweiternden Kollektor ein Verlust auftritt, um die Amplitude der eingeschlossenen Reso­ nanzen 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 dem Anspruch 1. Hier­ bei ist der Resonanzhohlraum 40′′ durch einen sich verjüngen­ den Abschnitt 44′′ mit einem Hohlleiter 46′′ verbunden, dessen Durchmesser nur wenig größer ist als der Durchmesser des Hohl­ raums 40′′, jedoch genügend groß, um eine Wanderwelle aufzu­ nehmen. Bei diesem kleiner bemessenen konischen Abschnitt be­ steht eine geringere Neigung zur Umwandlung des Modus als bei dem in Fig. 2 dargestellten, größer bemessenen konischen Ab­ schnitt bekannter Art.

Der Hohlleiter 46′′ setzt sich durch ein Fenster 48′′ zur Nutzlast fort. Gemäß Fig. 3 ist der Hohlleiter 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 erweiter­ ten Kollektorkammer 58 gesammelt. Die Kollektorfläche wird durch zirkulierendes Wasser 54′′ oder ein anderes Fluid ge­ kühlt. 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. Berylliumoxidkeramik, die Teilchen aus Silizium­ karbid 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 ver­ lustbehafteten 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 Hohlleiters 46′′ und eine zunehmende Funk­ tion der Länge des Spaltes 56, wobei diese beiden Größen in Wellenlängen im freien Raum gemessen werden. Sowohl theoreti­ sche Berechnungen als auch versuchsmäßige Messungen haben ge­ zeigt, daß es bei einer Röhre für den praktischen Betrieb mög­ lich 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 könnte, wobei ein Verlust von weniger als 4% bei 120 GHz beim TE_o2-Fortpflanzungs­ modus 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 er­ möglichen, 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 Wellenfortpflanzungs­ fenster 62 angeordnet ist. Das bzw. jedes Fenster 62 besteht vorzugsweise aus einem verlustarmen Material, z. B. einem kera­ mischen Material mit hohem Aluminiumoxidgehalt. Auf den Außen­ seiten 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 di­ rekt absorbiert, so daß sich die auf die Konvektion von Wärme zurückzuführenden Schwierigkeiten erheblich verringern. Alter­ nativ kann der Hohlraum 58′′′ über die Fenster 62 hinaus ver­ längert werden, so daß sie luftgefüllte Hohlleiter bilden, die durch Hohlleiterlasten beliebiger bekannter Art abge­ schlossen werden können.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 4 kann sich der Ausgangs­ hohlleiter 46′′′ ähnlich wie bei der Ausführungsform nach Fig. 3 auf einen größeren Durchmesser 50′′′ er­ weitern, 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.

Claims (12)

1. Mikrowellen-Elektronenröhre mit einer Kathode (20) und einer Anode (24) zum Erzeugen eines hohlen Elektronenstrahls (34′′; 34′′′), einen Wechselwirkungshohlraum (40) zum Aufrechterhalten einer elektromagnetischen Welle, die in Wechselwirkungsbeziehung zu dem Elektronenstrahl (34′′; 34′′′) steht, einem kreisrunden Hohlleiter (46′′; 46′′′) in gleichachsiger Anordnung mit dem Elek­ tronenstrahl (34′′; 34′′′) zum Weiterleiten von Energie aus der Welle zu einer äußeren Last in einem Modus mit kreisrunden elektri­ schen Feldern und mit einem Elektronenkollektor (58, 58′′′), gekennzeichnet durch einen querliegenden Spalt (56; 56′′′), mit dem der Hohlleiter (46′′; 46′′′) versehen ist und der von dem Elektronen­ strahl (34′′; 34′′′) nach außen durchlaufen wird, sowie dadurch, daß der Spalt (56; 56′′′) von dem hohlen Elektronenkollektor (58; 58′′′) umgeben ist.

2. Elektronenröhre nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Wellenabsorptionseinrichtung (60) für die elektromagnetischen Wellen, die durch den Spalt (56; 56′′′) durchtreten.

3. Elektronenröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollektor (58; 58′′′) die Form einer mit dem Hohl­ leiter (46′′; 46′′′) gleichachsigen Rotationsfigur hat.

4. Elektronenröhre nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollektor (58; 58′′′) und die Wellenabsorptionsein­ richtung (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) angeord­ nete Schicht aus widerstandsbehaftetem Material gehört.

6. Elektronenröhre nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der Wellenabsorptionseinrichtung (60) um ein verlustbehaftetes dielektrisches Material (66) handelt.

7. Elektronenröhre nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das dielekrische Material (66) in dem Kollektor (58) angeordnet ist.

8. Elektronenröhre nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein wellendurchlässiges dielektrisches Fenster (62), das einen Bestandteil einer evakuierten Umschließung des Kollektors (58; 58′′′) bildet.

9. Elektronenröhre nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch ein Fenster (62) zum mechanischen Unterstützen des verlustbehafteten dielek­ trischen Materials (66).

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 Ein­ richtungen (54′′; 54′′′) zum Verringern der Stärke des Magnet­ feldes in der Nähe des Spaltes (56; 56′′′) derart, daß der Elektronenstrahl (34′′; 34′′′) so gerichtet wird, daß der Spalt (56; 56′′′) nach außen durchläuft.