Verfahren und Einrichtung zur Umwandlung von Ultraschallenergie in elektromagnetische Energie
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Einrichtung zur Umwandlung von Ultraschallenergie in elektromagnetische Energie.
Die üblichen Umwandler von Ultraschall in elektromagnetische Schwingungen benützen im allgemeinen den piezoelektrischen Effekt eines Dielektrikums, beispielsweise der Quarzes, oder die Magnetostriktion eines ferromagnetischen Materials, beispielsweise Nickel. Auch wird neuerdings eine Drauckschicht an einem pn-Halbleiterübergang, beispielsweise Gallium Arsenid, für die Umwandlung verwendet. Die bekannten Umwandler besitzen jedoch nur einen geringen Wirkungsgrad hinsichtlich der Umwandlung und ergeben Schwierigkeiten bei der praktischen Anwendung.
Die Erfindung macht sich zur Aufgabe, diese Nachteile zu vermeiden.
Das erfindungsgemässe Verfahren zur Umwandlung von Ultraschallenergie in elektromagnetische Energie zeichnet sich dadurch aus, dass man eine Elektronen emittierende Oberfläche erregt, so dass sie Elektronen emittiert, dass man weiter die genannte Oberfläche mit einer Quelle von Ultraschallenergie verbindet, so dass sie mit Ultraschallschwingungen vibriert, wobei diese Vibrationen eine Bündelung der von der Oberfläche emittierten Elektronen bewirken, und dass man den gebündelten Elektronen die Energie entnimmt.
Die Einrichtung zur Durchführung des vorgenannten Verfahrens ist gekennzeichnet durch eine Elektronen emittierende Oberfläche, weiter durch Mittel zur Erregung dieser Oberfläche, so dass sie Elektronen emittiert, weiter durch eine Quelle von Ultraschallener- gie, welche mit der genannten Oberfläche verbunden ist, so dass sie bei einer Ultraschallfrequenz schwingt, wodurch die von der Oberfläche emittierten Elektronen gebündelt werden, und durch Mittel, um den gebündelten Elektronen die elektromagnetische Energie zu entnehmen.
Die gebündelten Elektronen können zu einem Strahl fokussiert und verstärkt werden, wobei dann die elektromagnetische Energie dem verstärkten Strahl entnommen wird.
Nachstehend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung beispielsweise näher beschrieben.
Die Fig. 1 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Umwandler-Einrichtung; die Fig. 2 schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel, in welcher ein Hohlraumresonator verwendet ist.
Das in der Figur 1 dargestellte Ausführungsbeispiel weist einen Körper 1 zur Übertragung von Ultraschallenergie auf. Der Körper 1 kann beispielsweise aus Quarz bestehen. Ein Ende des Körpers list mit einer Elektronen emittierenden Oberfläche 2 versehen, welche beispielsweise auf den Körper 1 aufgedampft ist Bei geeigneter Erregung emittiert t diese Oberfläche Elektronen. Beim Beispiel der Figur 1 ist die Oberfläche 2 foto elektrisch und emittiert Elektronen bei Bestrahlung. Die Ultraschallenergie mit der Frequenz f0 aus der Quelle 11 wird in der Zeichnung von links nach rechts übertragen, wie dies durch den Pfeil 12 zum Ausdruck kommt. Durch diese Energie wird die Oberfläche 2 mit der entsprechenden Frequenz zum Schwingen gebracht.
Die Oberfläche 2 kann zweckmässigerweise die Kathode einer Elektronenendadungs- vorrichtung sein, welche in einem Kolben 13 untergebracht ist, welcher ein flexibles Montagemittel 15 aufweist, so dass die Kathode schwingen kann, ohne dass der Kolben nimmt Eine Strahlung gegebener Intensi tät aus einer Strahlungsquelle, welche im vorliegenden Fall aus den abgeschirmten Lampen 14 besteht, bewirkt damit, dass die Oberfläche 2 Fotoelektronen aussendet, deren Anzahl von der Mengenleistung der Oberfläche 2 abhängt. Es ist zu beachten, dass, wenn die fotolektrische Oberfläche 2 mit der Frequenz f0 in der Links-Rechts-Richtung schwingt, die emittierten Elektronen einer Geschwindigkeitsmodulation oder Bündelung mit der gleichen Frequenz durch die Schwingungsbewegung der Oberfläche 2 unterworfen ist.
Diese Elektronen werden in einen dünnen Elektronenstrahl hoher Energie mittels eines Beschleunigungs- und Fokussierungselektrodensystems 5, das sich vorn an der elektrischen Oberfläche 2 befindet, gebracht. Eine wendelförmige Elektrode 6, welche sich für die Frequenz f0 eignet, erzeugt in der Elektrode 6 einen induzierten Strom der gleichen Frequenz. Die Kollektorelektrode 7 nimmt den Elektronenstrahl auf, welcher durch die Elektrode 6 hindurchgetreten ist. Der in der Elektrode 6 induzierte Strom tritt mit dem Elektronenstrahl in bekannter Weise in Wechselwirkung und wird verstärkt, wenn er in der Zeichnung von links nach rechts wandet. Der verstärkte induzierte Strom wird am Ausgang 8 der Wendel 6 abgenommen. Die abgenommene elektromagnetische Welle weist ebenfalls die Frequenz f0 auf.
Das Ausführungsbeispiel der Figur 2 enthält anstelle der wendelförmigen Elektrode 6 der Figur 1 einen Hohiraumresonator 9, der auf die Frequenz f0 abgestimmt ist und in dem ein induzierter Strom fliesst, der durch den mit der Frequenz f0 modulierten Elektronenstrom erzeugt und am Ausgangsende 10 abgenommen wird.
Bei einem Umwandler der hier beschriebenen Art ergibt die Elektronen emittierende Oberfläche 2, die mit einer hohen Ultraschallfrequenz schwingt, eine grössere virtuelle Geschwindigkeitsdifferenz (bessere Bündelung) der emittierten Elektronen und somit eine tiefere Geschwindigkeitsmodulation. Es ist daher möglich, selbst bei hohen Ultraschallfrequenzen, eine wirksame Modulation und Umwandlung zu erreichen. Die Verwendung einer fotolektrischen Oberfläche als Elektronen emittierende Fläche gestattet nicht nur, dass die Elektronen lediglich durch den Einfall von Licht leicht emittiert werden, sondern erhöht auch den Umwandlungswirkungsgrad sogar bei Frequenzen im Mikrowellenband.
Bei Mikrowellenfrequenzen muss das die hochfrequente Ultraschallwelle übertragende Medium abgekühlt werden, um die Übertragungsverluste zu verringern, die durch die Gittervibration des Mediums ver-, ursacht sind, welche bei höheren Frequenzen zunimmt.
Ferner macht es die Verwendung einer fotoiektrischen Oberfläche möglich, den Umwandiungswirkungsgrad ohne schädlichen Einfluss auf den Umwandler zu steuern, und zwar lediglich dadurch, dass man die Intensität des einfallenden Lichtes verändert.
Obwohl bei den Ausführungsbeispielen der Figuren 1 und 2 eine fotelektrische Oberfläche 2 zur Verwendung gelangt, ist festzuhalten, dass irgend eine Elektronen emittierende Oberfläche verwendet werden -kann. Beispielsweise könnte die Oberfläche 2 aus einem Material bestehen, welches im beheizten Zustand Elektronen emittiert. In diesem Falle würde also die Oberfläche nicht einer Strahlung 3 ausgesetzt, sondern erwärmt. Die Ultraschallschwingungen der Oberfläche 2 bewirken eine Bündelung der emittierten Elektronen in der bereits beschriebenen Weise. Weiter ist zu erwähnen, dass die in einem Kolben 13 untergebrachte Elektronenentladungsvorrichtung durch irgend ein geeignetes Mittel zur Entnahme oder sonstigen Verwendung der Energie der von der Oberfläche 2 emittierten und gebündelten Elektronen ersetzt werden kann.
Gewisse Faktoren, wie das gewünschte Frequenzband,
Aus der vorgehenden Beschreibung erkennt man, dass das neue Verfahren zum Umwandeln von Ultraschallenergie in elektromagnetische Energie die folgen- den wichtigen Verfahrensschritte umfasst:
1. Die Erregung der Elektronen emittierenden Oberfläche, so dass diese Elektronen emittiert;
2. Mechanische Erregung der Oberfläche bei einer Ultraschallfrequenz in Abhängigkeit von Ultraschallenergie, so dass die Oberfläche schwingt und die Schwingungen zur Folge haben, dass die emittierten Elektronen gebündelt oder gruppiert werden;
3. Entnahme der Energie aus den gebündelten Elektronen.
Zusätzlich zu diesen drei erwähnten Verfahrensschritten können noch die folgenden Verfahrensschritte zur Anwendung gelangen:
Fokussierung der gebündelten Elektronen zu einem Strahl und Verstärkung der Energie des fokussierten Strahls.
Method and device for converting ultrasonic energy into electromagnetic energy
The present invention relates to a method and apparatus for converting ultrasonic energy into electromagnetic energy.
The usual converters of ultrasound into electromagnetic oscillations generally use the piezoelectric effect of a dielectric, for example quartz, or the magnetostriction of a ferromagnetic material, for example nickel. Recently, a back layer on a pn semiconductor junction, for example gallium arsenide, has also been used for the conversion. However, the known converters are poor in conversion efficiency and have difficulties in practical use.
The object of the invention is to avoid these disadvantages.
The method according to the invention for converting ultrasonic energy into electromagnetic energy is characterized in that one excites an electron-emitting surface so that it emits electrons, that one further connects said surface with a source of ultrasonic energy so that it vibrates with ultrasonic vibrations, whereby These vibrations cause the electrons emitted from the surface to concentrate, and the energy is extracted from the bundled electrons.
The device for carrying out the above-mentioned method is characterized by an electron-emitting surface, further by means for exciting this surface so that it emits electrons, further by a source of ultrasonic energy which is connected to said surface so that it at vibrates at an ultrasonic frequency whereby the electrons emitted from the surface are converged, and by means for extracting the electromagnetic energy from the converged electrons.
The bundled electrons can be focused and amplified into a beam, the electromagnetic energy then being extracted from the amplified beam.
The invention is described in more detail below with reference to the drawing, for example.
1 shows schematically an embodiment of the converter device according to the invention; FIG. 2 schematically shows a further exemplary embodiment in which a cavity resonator is used.
The exemplary embodiment shown in FIG. 1 has a body 1 for transmitting ultrasonic energy. The body 1 can for example consist of quartz. One end of the body 1 is provided with an electron-emitting surface 2 which, for example, is vapor-deposited onto the body 1. With suitable excitation, this surface emits electrons. In the example of Figure 1, the surface 2 is photo-electric and emits electrons when irradiated. The ultrasonic energy with the frequency f0 from the source 11 is transmitted from left to right in the drawing, as indicated by the arrow 12. This energy causes the surface 2 to vibrate at the corresponding frequency.
The surface 2 can expediently be the cathode of an electron charge device which is accommodated in a bulb 13 which has a flexible mounting means 15 so that the cathode can oscillate without the bulb taking up radiation of a given intensity from a radiation source which in the present case consists of the shielded lamps 14, thus causes the surface 2 to emit photoelectrons, the number of which depends on the quantity output of the surface 2. It should be noted that when the photoconductive surface 2 vibrates at the frequency f0 in the left-right direction, the emitted electrons are subjected to velocity modulation or concentration at the same frequency by the vibratory motion of the surface 2.
These electrons are brought into a thin electron beam of high energy by means of an accelerating and focusing electrode system 5 located in front of the electrical surface 2. A helical electrode 6, which is suitable for the frequency f0, generates an induced current of the same frequency in the electrode 6. The collector electrode 7 picks up the electron beam which has passed through the electrode 6. The current induced in the electrode 6 interacts with the electron beam in a known manner and is amplified when it moves from left to right in the drawing. The increased induced current is taken from the output 8 of the coil 6. The picked up electromagnetic wave also has the frequency f0.
The embodiment of FIG. 2 contains, instead of the helical electrode 6 of FIG. 1, a cavity resonator 9 which is tuned to the frequency f0 and in which an induced current flows which is generated by the electron current modulated with the frequency f0 and which is taken off at the output end 10.
In a converter of the type described here, the electron-emitting surface 2, which vibrates at a high ultrasonic frequency, results in a greater virtual speed difference (better focusing) of the emitted electrons and thus a lower speed modulation. It is therefore possible to achieve effective modulation and conversion even at high ultrasonic frequencies. The use of a photoelectric surface as the electron-emitting surface not only allows the electrons to be easily emitted only by the incidence of light, but also increases the conversion efficiency even at frequencies in the microwave band.
At microwave frequencies, the medium transmitting the high-frequency ultrasonic wave has to be cooled in order to reduce the transmission losses caused by the grid vibration of the medium, which increases at higher frequencies.
Furthermore, the use of a photoelectric surface makes it possible to control the conversion efficiency without deleteriously influencing the converter, simply by changing the intensity of the incident light.
Although a photoelectric surface 2 is used in the exemplary embodiments of FIGS. 1 and 2, it should be noted that any electron-emitting surface can be used. For example, the surface 2 could consist of a material which, when heated, emits electrons. In this case, the surface would not be exposed to radiation 3, but would be heated. The ultrasonic vibrations of the surface 2 cause the emitted electrons to be bundled in the manner already described. It should also be mentioned that the electron discharge device accommodated in a bulb 13 can be replaced by any suitable means for extracting or otherwise using the energy of the electrons emitted and bundled by the surface 2.
Certain factors, such as the desired frequency band,
From the above description it can be seen that the new process for converting ultrasonic energy into electromagnetic energy comprises the following important process steps:
1. Exciting the electron-emitting surface so that it emits electrons;
2. Mechanical excitation of the surface at an ultrasonic frequency as a function of ultrasonic energy, so that the surface vibrates and the vibrations have the consequence that the emitted electrons are bundled or grouped;
3. Removal of the energy from the bundled electrons.
In addition to these three procedural steps mentioned, the following procedural steps can also be used:
Focusing the bundled electrons into a beam and amplifying the energy of the focused beam.