Diese Erfindung betrifft einen Mikrowellengenerator zur Erzeugung elektromagnetischer Wellen im Zentimeter- und Dezimeter-Bereich, welcher folgende Teile aufweist: Mittel zur Erzeugung eines Teilchenstrahls; ein diesen Mitteln nachgeschaltetes und im Strahlengang angeordnetes Ablenksy stern zur Kreisablenkung des Strahls mit einer durch ein Eingangssignal bestimmten Kreisfrequenz; einen, in Strahlrichtung gesehen hinter dem Ablenksystem im Strahlengang befindlichen, ringförmigen Hohlraumresonator mit Ringschlitzen in seinen Stirnwänden für den Eintritt des abgelenkten Teilchenstrahls sowie für dessen Übertritt in einen Kollektor; und Mittel zur Entnahme von elektromagnetischer Hochfrequenzleistung. Solche Einrichtungen werden als leistungsfähige Verstärker und Vervielfacher von Hoch- und Höchstfrequenzen z. B. in Teilchenbeschleunigern verwendet.
Solch ein Mikrowellengenerator ist beispielsweise in der US-Patentschrift 3 219 873 beschrieben.
Um den Transport des Teilchenstrahls vom Ablenksy stern zum Resonator zu gewährleisten, ist die bekannte Einrichtung mit einem hinter dem Ablenksystem angeordneten Mittel zum Beschleunigen der Teilchen ausgerüstet, welches zwischen dem Ablenksystem und dem Ringresonator angeordnet ist.
Doch kann man in dieser bekannten Einrichtung deshalb keine hohen Leistungen erhalten, weil ihre Konstruktion die Anwendung von Teilchen mit relativistischer Geschwindigkeit ausschliesst. Erteilt man nämlich den Teilchen nach ihrer Ablenkung relativistische Geschwindigkeiten, so entstehen Schwingungen, welche zu einer Instabilität des angeregten Strahls führen, analog zu der in linearen Teilchenbeschleunigern auftretenden Erscheinung.
Eine Leistungssteigerung verlangt ausserdem gewöhnlich eine Erhöhung des Wirkungsgrads, da sonst Probleme der Wärmeabfuhr aus den einzelnen Elementen der Konstruktion entstehen.
In der genannten Einrichtung ist es unmöglich, einen nahezu hundertprozentigen Wirkungsgrad zu erhalten, da die magnetische Komponente des vom Strahl induzierten Feldes im Resonator gross genug wird, um eine Krümmung der Teilchenbahnen im Resonator hervorzurufen, die einen Übertritt der Teilchen geringer Energie in den Kollektor behindert.
Eine Beschränkung des Wirkungsgrades der bekannten Einrichtung hängt auch damit zusammen, dass die Teilchen am Eingang in den Ringresonator ausser einer longitudinalen Komponente, die parallel zu den Kraftlinien des elektrischen Feldes verläuft, noch eine vertikale Komponente haben, welche als Folge der Kreisablenkung entstand. Darum werden die Elektronen nicht vollständig abgebremst, wodurch der Elektronen-Wirkungsgrad durch den folgenden Wert beschränkt wird:
EMI1.1
wobei: Elektronen-Grenzwirkungsgrad, Eo Ruheenergie des Elektrons, Vl Geschwindigkeitskomponente des Elektrons, senkrecht zur Richtung der Kraftlinie des elektrischen Feldes im Resonator, C Lichtgeschwindigkeit und Tk kinetische Energie des Elektrons am Eingang in den Resonator ist.
Zu einer Herabsetzung des Wirkungsgrades führt auch eine starke elektromagnetische Abstrahlung durch die Ringschlitze.
Zweck der Erfindung war die Schaffung eines#Mikrowel- lengenerators, der keine der genannten Mängel aufweist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Mikrowellengenerator mit Teilchenstrahl zu schaffen, welcher die Möglichkeit bietet, grosse Höchst- und Hochfrequenzleistungen zu erhalten, und welcher einen hohen (nahe bei 100 /o) lie genden elektronischen Wirkungsgrad aufweist.
Der erfindungsgemässe Mikrowellengenerator zur Lösung dieser Aufgabe ist gekennzeichnet durch einen, zwischen den Mitteln zur Erzeugung des Teilchenstrahls und dem Ablenksystem befindlichen Linearbeschleuniger um den Teilchen des Strahls relativistische Geschwindigkeiten zu erteilen.
Im folgenden wird die Erfindung durch die Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 das Prinzipschaltbild des Mikrowellengenerators;
Fig. 2 das Prinzipschaltbild des gleichen Generators mit einem zusätzlichen Ablenksystem;
Fig. 3 das Prinzipschaltbild des gleichen Generators mit einem Ringresonator, dessen Stirnwände senkrecht zur Beweis gungsrichtung der elektrisch geladenen Teilchen angeordnet sind;
Fig. 4a einen Ringresonator mit an den Rändern der Schlitze angeordneten koaxialen Zylindern;
Fig. 4b ein Diagramm einer beispielsweisen Stromverteilung in den Stirnwänden des Resonators;
Fig. 5a eine Anordnung zweier gerichteter Energieausgänge im Falle, wenn die Einrichtung als Verstärker von Hochfrequenzschwingungen dient;
Fig. 5b, c, d, e verschiedene Anordnungsvarianten der Energieausführungen, wenn die Einrichtung als Vervielfacher von Hochfrequenzschwingungen dient;
;
Fig. 5f einen Resonator mit vier Energieausgängen (Verstärkungsbetrieb).
Der in Fig. 1 dargestellte Mikrowellengenerator enthält ein Mittel zur Bildung eines Teilchenstrahls, mit einer Elektronenkanone 1, die einen axialsymmetrischen Teilchenstrahl formt, und mit einem mehrstufigen linearen Beschleuniger 2, um den Teilchen relativistische Geschwindigkeiten zu erteilen. Der Beschleuniger ist am Ausgang der Elektronenkanone 1 angeordnet und wird von einem Hochspannungsgleichrichter 3 gespiesen.
Es können beliebige elektrisch geladene Teilchen verwendet werden, doch ist die Verwendung von Elektronen am einfachsten. In der Beschreibung wird daher eine Ausführungsvariante der Einrichtung betrachtet, die für den Betrieb mit Elektronen bestimmt ist.
Die Elektronenkanone 1, der lineare Beschleuniger 2 und der Gleichrichter 3 bilden zusammen eine Quelle 4 von relati vistischen Elektronen. Ausserdem enthält der Mikrowellengenerator ein mit der Achse des Beschleunigers 2 ausgerichtetes und, in Bewegungsrichtung der Elektronen, hinter diesem liegendes Ablenksystem 5 zur Kreisablenkung des Teilchenstrahls. Das Ablenksystem 5 besteht aus zwei räumlich gegeneinander um 90 verdrehten Kondensatoren 6, welche mit der Quelle 7 des Eingangssignals durch koaxiale Leitungen 8 verbunden sind.
Hinter dem Ablenksystem 5 und koaxial mit diesem ist ein ringförmiger Mikrowellen-Resonator angeordnet, welcher zur Umformung der kinetischen Energie der Teilchen in Energie des elektromagnetischen Feldes bestimmt ist. Der Resonator 9 hat Stirnwände 10 und Seitenwände 11, wobei seine Stirnwände 10 mit axialsymmetrischen Schlitzen 12 für den Eintritt des Strahls in den Resonator 9 und für seinen Übergang aus dem Resonator 9 in den Kollektor 13, versehen sind. Der Resonator 9 weist einen ringförmigen Gleichstromelektromagneten 14 zur Kompensation des durch die tangentiale Komponente der Ladungsbewegung verursachten Magnetfeldes an der Durchgangsstelle des Teilchen strahls durch den Resonator 9, sowie eine Abzweigung 15 zur Entnahme der Hochfrequenzleistung auf.
Die in Fig. 2 dargestellte Ausführungsform der Erfindung enthält im Gegensatz zu derjenigen der Fig. 1 ein zusätzli ches Ablenksystem 16, welches zwischen dem Ablenksystem 5 und dem Resonator 9, koaxial zu beiden angeordnet ist.
Das zusätzliche Ablenksystem ist in Form eines Kugelkondensatorteiles ausgeführt, und besteht aus einer Innenelektrode 17 und einer Aussenelektrode 18.
Der zusätzliche Ablenksystem 16 kann nicht nur elektrostatisch, sondern auch magnetisch sein, etwa in Form einer im abgelenkten Strahlengang liegenden dünnen Magnetlinse (in der Zeichnung nicht angegeben).
Die in Fig. 3 dargestellte Variante des Mikrowellengenerators unterscheidet sich von derjenigen der Fig. 1 dadurch, dass die Stirnwände 10 des Ringresonators 9' senkrecht zur Bewegungsrichtung der Teilchen im abgelenkten Strahl orien tiert sind, während die Seitenwände 11 ein derartiges Profil haben, dass die Kraftlinien des elektrischen Feldes der im Resonator 9' laufenden Welle an der Durchgangsstelle des Teilchenstrahls durch den Resonator 9', senkrecht zu den Stirnwänden 10 verlaufen.
In Fig. 4a ist ein Ringresonator 9 im Querschnitt gezeigt, bei welchem die Ringschlitze 12 zur Verminderung der elektromagnetischen Strahlung so angeordnet sind, dass ihre Mittellinien mit derjenigen Linie zusammenfallen, auf welcher keine, an der Innenfläche des Resonators 9 entlangfliessenden, hochfrequenten elektrischen Querströme vorhanden sind. Dies ist auch die Knotenpunktlinie des hochfrequenten elektrischen Stroms, der quer zu den Schlitzen 12 fliesst. An den Rändern der Schlitze 12 sind koaxiale Zylinder 19 aus einem stromleitenden Material angeordnet, die mit der Resonatoroberfläche 9 elektrisch verbunden sind und als Übergrenzwellenleiter dienen.
In Fig. 4b ist ein Verteilungsdiagramm des in den Stirnwänden 10 des Resonators 9 fliessenden elektrischen Querstroms J dargestellt.
In Fig. 5a sind die Lagen von zwei gleichen ungerichteten Leistungsausgängen (A und B) schematisch dargestellt, welche an der Oberfläche des Resonators 9 mit einer gegenseitigen Azimutverschiebung von einem Viertel der in Winkelmass ausgedrückten Wellenlänge hd4 angebracht sind. Gegebenenfalls arbeitet die Einrichtung als Verstärker.
Es zeigen die Fig. 5b, c, d, e verschiedene Anordnungsvarianten solcher ungerichteter Leistungsausgänge (A, B, C, D, E) für den Fall, dass eine Einrichtung als Frequenzvervielfacher arbeitet. In Fig. 5b sind die beiden Ausgänge A und B mit einer gegenseitigen Azimutverschiebung von hub/4 angeordnet. Fig. 5c zeigt drei Ausgänge A, B und C mit einer gegenseitigen Verschiebung von hd3. Fig. 5d zeigt vier Anschlüsse A, B, C und D, welche paarweise, mit einer Verschiebung von hd4 in jedem Paar, in entgegengesetzten Vierteln des Resonators 9 liegen.
Fig. 5e zeigt fünf Ausgänge A, B, C, D und E, von denen zwei (A und B) in einem Viertel des Resonators 9 mit einer gegenseitigen Verschiebung von hd4 liegen, während drei Ausgänge (C, D und E) im benachbarten Viertel des Resonators 9 mit einer gegenseitigen Verschiebung von hd3 angeordnet sind.
In Fig. 5f ist, für eine Verwendung der Einrichtung als Verstärker, der Resonator 9 mit vier gleichen ungerichteten Leistungsausgängen, die gleichmässig über seinen Umfang verteilt sind, dargestellt. Jeder Ausgang 20 besteht aus einer Verbindungsöffnung 21 und einem Hohlleiter 22, der mit dem Leistungsverbraucher 23 verbunden ist.
Die beschriebene Einrichtung arbeitet folgenderweise.
Die den Teilchenstrahl erzeugende Elektronenkanone 1 (Fig. 1) liegt auf einem Potential von 1 bis 3 Megavolt gegen über der letzten Elektrode des mehrstufigen Linearbeschleunigers 2, dessen Spannung vom Gleichrichter 2 geliefert wird. Der auf diese Weise erzeugte und auf relativistische Geschwindigkeiten beschleunigte Teilchenstrahl gelangt in das Ablenksystem 5, welches von der Energiequelle 7 des Eingangsignals angeregt wird. Das Eingangssignal wird geteilt und gelangt durch zwei Koaxialleitungen 8 in das Ablenksy stern 5, deren Längen so gewählt werden, dass die an den Kondensatoren 6 ankommenden Signale eine Phasenverschiebung von 900 haben. Ein solches System erzeugt ein hochfrequentes elektrisches Ablenkungsfeld mit einer rotierenden Resultierenden und bewirkt eine Kreisablenkung des Teilchenstrahls.
Der beschleunigte und abgelenkte Strahl gelangt durch den axialsymmetrischen Schlitz 12 in den Ringresonator 9 und erzeugt einen Strom, der den Resonator 9 passiert. Der seinen Eingangspunkt in den Resonator 9 dauernd wech- selnde Strom erzeugt eine im Kreis laufenden Welle. Die Abmessungen des Resonators 9 werden so gewählt, dass seine Eigenfrequenz annähernd gleich bzw. ein Vielfaches der Kreisfrequenz des Teilchenstrahls beträgt, sofern das elektrische Feld senkrecht zu den Stirnwänden 10 des Resonators 9 steht. Dabei steigt die Spannung am Resonator 9 entsprechend an, und wird bei genügend hoher Eigengüte und richtig gewählter Verbindung mit der Belastung annähernd gleich dem Spannungswert, der die Beschleunigung des Strahls bewirkt hat.
Um schädliche Effekte der Sekundärelektronen zu vermeiden, werden die Teilchen, welche ihre Energie an das elektromagnetische Feld abgegeben haben, durch einen zweiten Ringschlitz 12 aus dem Resonator und in den Kollektor 13 ausgelenkt. Die Nutzleistung wird über eine gerichtete Abzweigung zu einer angepassten Belastung abgeleitet.
Im Resonator 9 ist ausser dem elektrischen Hochfrequenzfeld noch ein Magnetfeld vorhanden, welches die Teilchen in zur Wellenausbreitung entgegengesetzter Richtung dreht. Das Magnetfeld ist genügend stark um Teilchen, welche noch über 20... 400/o ihrer anfänglichen kinetischen Energie verfügen, um 900 zu drehen, wodurch der Wirkungsgrad der Einrichtung auf 60 bis 80% beschränkt wird. Um dies vom Strahl erzeugte Magnetfeld zu kompensieren, ist der Resonator 9 mit einem Gleichstromelektromagnet 14 ausgerüstet, welcher ein Magnetgleichfeld erzeugt, das das vom Strahl erzeugte Magnetfeld am Durchgang des Strahls durch den Resonator 9 kompensiert.
Zur weiteren Erhöhung des Wirkungsgrades, welche angesichts der hohen Leistung der Apparatur und der entsprechend hohen Wärmeverluste notwendig ist, muss man dafür sorgen, dass die Teilchenbahnen parallel zu den Kraftlinien des elektrischen Feldes im Resonator 9 verlaufen. Auf Fig. 2 ist eine Ausführungsvariante der Einrichtung dargestellt, in welcher diese Aufgabe gelöst wird.
Der, relativistische Geschwindigkeiten aufweisende, Elektronenstrahl gelangt aus der Quelle 14 in das Ablenksystem 5, wo er von der Längsachse der Einrichtung um einen vorgegebenen Winkel abgelenkt wird. Die zur Achse senkrechte Geschwindigkeitskomponente ist dem Tangens des Ablenkwinkels proportional. Beim darauffolgenden Durchgang zwischen den Elektroden 17 und 18 des Kugelkondensators wird der Teilchenstrahl durch das elektrische Feld dieses Kondensators in entgegengesetzter Richtung um den gleichen Winkel abgelenkt und tritt parallel zu den elektrischen Kraftlinien des Hochfrequenzfeldes der Welle in den Resonator 9 ein. Bei entsprechender Wahl der Betriebsverhältnisse des Resonators 9 kann man die Elektronen praktisch bis auf den Stillstand abbremsen. Der Wirkungsgrad der Energieumwandlung wird dabei bereits nur noch durch Effekte zweiter Ordnung z.
B. durch die Energiestreuung, die Raumladung und dergleichen beschränkt.
Die gleiche Wirkung erreicht man bei Verwendung einer Magnetlinse als zusätzliches Ablenksystem 16.
Der Wirkungsgrad lässt sich auf eine andere Weise erhöhen, wenn man die auf Fig. 3 dargestellte Konstruktion der Einrichtung benutzt, bei welcher der Resonator 9' Stirnwände 10 hat, die senkrecht zur Bewegungsrichtung des abgelenkten Teilchenstrahls ausgerichtet sind. Die Seitenwände 11 dieses Resonators haben dabei ein Profil, welches eine senkrechte Richtung der Kraftlinien des elektrischen Feldes des Resonators 9' in der Durchgangszone des Strahls zu den Stirnwänden 10 gewährleistet. Das erforderliche Profil lässt sich leicht mit Hilfe einer elektronischen Rechenmaschine oder durch Modellierung bestimmen.
In diesem Falle tritt der abgelenkte Elektronenstrahl ebenfalls parallel zu den elektrischen Kraftlinien des Hochfrequenzfeldes in den Resonator 9' ein. Dann wird der Wirkungs- grad der Einrichtung ebenfalls nur durch Effekte zweiter Ordnung bestimmt.
Verwendet man in der Einrichtung einen Resonator 9 (Fig. 4a, 4b), dessen Ringschlitze 12 so angeordnet sind, dass ihre Mittellinien mit derjenigen Linie zusammenlaufen, auf welcher keine elektrischen Querströme fliessen, und bringt man an den Rändern der Schlitze 12 stromleitende Koaxialzylinder 19 an, so wird eine Verringerung der aus dem Resonator 9 austretenden elektromagnetischen Strahlung und folglich auch eine Verringerung der Leistungsverluste und eine geringere Verzerrung der Bewegungsbahnen der Teilchen gewährleistet.
Da die Linie, auf welcher keine Querströme vorhanden sind, durch die Mitte des Ringschlitzes verläuft, werden in den Koaxialzylindern 19 praktisch keine Schwingungen vom Typ H, erregt, welche sich längs der durch die Zylinder 19 gebildeten Koaxiallinie frei ausbreiten können. Die Schwingungen vom Typ E, klingen nämlich recht schnell ab. Damit die Güte des Resonators 9 infolge der Ausstrahlung nicht um mehr als 5% verringert wird, darf berechnungsgemäss (berechnet für Schlitze, deren Breite 5...10% der Wellenlänge beträgt) die Verschiebung der Mittellinie des Ringschlitzes 12 gegenüber der Linie, auf welcher keine elektrischen Querströme vorhanden sind, höchstens 7 ...10% von der Breite des Schlitzes 12 betragen und die Höhe der Koaxialzylinder 19 muss mit der Breite des Schlitzes 12 vergleichbar sein.
Die Entnahme der Hochfrequenzleistung aus dem Resonator 9 erfolgt durch mehrere, einander gleiche, ungerichtete Ausgänge, welche am Umfang des Resonators 9 angeordnet werden, dass die im Resonator 9 an den Ausgängen entstehenden Reflexionswellen kompensiert werden.
Das wird folgenderweise erreicht:
Arbeitet die Einrichtung als Schwingungsverstärker so wird am Umfang des Resonators eine Welle eingeführt, während die Leistungsentnahme durch zwei und mehr Ausgänge erfolgt, welche um 900 verschoben sind, wenn es zwei Ausgänge sind, und gleichmässig über den Umfang des Resonators verteilt sind, wenn es mehr als zwei Ausgänge sind. Auf Fig. 5a ist die Anordnung zweier Leistungsausgänge (A und B) aus dem Resonator schematisch dargestellt.
Arbeitet die Einrichtung als Schwingungsvervielfacher, so werden am Umfang des Resonators n Wellen eingeführt (wo n den Vervielfachungs-Faktor der Frequenz bezeichnet).
In diesem Falle ist die minimale Zahl der Energieausgänge ebenfalls gleich zwei, und sie werden im gegenseitigen Abstand einer Wellenlänge (die ganzzahlig in den Ring hineinpasst) auf die gleiche Weise, wie im Falle der Arbeit des Geräts als Schwingungsverstärker, angeordnet.
Fig. 5b, c, d, e zeigen verschiedene Anordnungsvarianten der Ausführungen für eine Verwendung der Einrichtung als Frequenzvervielfacher (n = 4). Dabei wird die Zahl der Ausgänge (A, B, C, D, E) durch den Wert der abzuführenden Leistung und den Bedarf des Verbrauchers bestimmt.
In der auf Fig. 5f dargestellten Variante des Resonators 9 erfolgt die Leistungsentnahme durch vier gleiche Anschluss öffnungen 21, über welche die Leistung dann durch die Hohlleiter 22 an die Belastung 23 übertragen wird.
Dabei wird durch jeden Ausgang 20 ein Viertel der vollen aus dem Resonator 9 entnommenen Leistung zur Belastung 23 abgeleitet.
Es ist noch zu beachten, dass die Verwendung mehrerer gleicher ungerichteter Ausgänge ausser einer Steigerung der entnommenen Leistung und einer Arbeitserleichterung der Ausführungen noch folgende Vorzüge bietet: erstens erleichtert die Verwendung mehrerer Energieausgänge die Leistungsverteilung bei der Speisung gewisser Verbraucher, beispielsweise, beim Speisen von Beschleunigungssystemen (von elektrisch geladenen Teilchen) mit mehreren Resonatoren; zweitens hängt die Leistungsentnahme nicht von der Ausbreitungsrichtung der Welle im Ringresonator ab;
drittens entsteht im Resonator keine stehende Welle, falls in den einzelnen Belastungen gleiche Rückstrahlungen auftreten, während bei der Leistungsentnahme durch eine einzige Abzweigung die Leistungsrückstrahlungen von der Belastung her die Entstehung einer stehenden Welle im Ringresonator verursachen, was zu einer ungleichmässigen Wärmebelastung des Kollektors führt.
This invention relates to a microwave generator for generating electromagnetic waves in the centimeter and decimeter range, comprising the following parts: means for generating a particle beam; a downstream of these means and arranged in the beam path Ablenksy star for circular deflection of the beam with an angular frequency determined by an input signal; an annular cavity resonator located in the beam path behind the deflection system, seen in the beam direction, with annular slots in its end walls for the entry of the deflected particle beam and for its passage into a collector; and means for extracting high frequency electromagnetic power. Such devices are used as powerful amplifiers and multipliers of high and maximum frequencies z. B. used in particle accelerators.
Such a microwave generator is described, for example, in US Pat. No. 3,219,873.
In order to ensure the transport of the particle beam from the Ablenksy star to the resonator, the known device is equipped with a means for accelerating the particles arranged behind the deflection system, which means is arranged between the deflection system and the ring resonator.
However, in this known device it is not possible to obtain high performances because its construction precludes the use of particles with relativistic speed. If the particles are given relativistic velocities after they have been deflected, then vibrations arise which lead to instability of the excited beam, analogous to the phenomenon occurring in linear particle accelerators.
An increase in output usually also requires an increase in the degree of efficiency, since otherwise problems with heat dissipation from the individual elements of the construction arise.
In the device mentioned, it is impossible to achieve an almost one hundred percent efficiency, since the magnetic component of the field induced by the beam in the resonator becomes large enough to cause a curvature of the particle trajectories in the resonator, which prevents the low-energy particles from passing into the collector .
A limitation of the efficiency of the known device is also related to the fact that the particles at the entrance to the ring resonator have a vertical component in addition to a longitudinal component which runs parallel to the lines of force of the electric field, which is a result of the circular deflection. That is why the electrons are not completely slowed down, which limits the electron efficiency by the following value:
EMI1.1
where: electron limit efficiency, Eo rest energy of the electron, Vl velocity component of the electron, perpendicular to the direction of the line of force of the electric field in the resonator, C is the speed of light and Tk is the kinetic energy of the electron at the entrance to the resonator.
Strong electromagnetic radiation through the ring slots also leads to a reduction in efficiency.
The purpose of the invention was to create a microwave generator which does not have any of the deficiencies mentioned.
The invention is based on the object of creating a microwave generator with a particle beam which offers the possibility of obtaining high maximum and high frequency powers and which has a high (close to 100 / o) lying electronic efficiency.
The microwave generator according to the invention for solving this problem is characterized by a linear accelerator located between the means for generating the particle beam and the deflection system in order to impart relativistic velocities to the particles of the beam.
In the following the invention is explained in more detail by the description of exemplary embodiments with reference to the drawing.
Show it:
1 shows the basic circuit diagram of the microwave generator;
2 shows the basic circuit diagram of the same generator with an additional deflection system;
3 shows the basic circuit diagram of the same generator with a ring resonator, the end walls of which are arranged perpendicular to the direction of evidence of the electrically charged particles;
4a shows a ring resonator with coaxial cylinders arranged at the edges of the slots;
4b shows a diagram of an exemplary current distribution in the end walls of the resonator;
5a shows an arrangement of two directed energy outputs in the event that the device is used as an amplifier for high-frequency oscillations;
5b, c, d, e different arrangement variants of the energy versions when the device serves as a multiplier of high-frequency oscillations;
;
5f shows a resonator with four energy outputs (amplification mode).
The microwave generator shown in FIG. 1 contains a means for forming a particle beam, with an electron gun 1 which forms an axially symmetrical particle beam, and with a multi-stage linear accelerator 2 in order to impart relativistic velocities to the particles. The accelerator is arranged at the exit of the electron gun 1 and is fed by a high-voltage rectifier 3.
Any electrically charged particles can be used, but electrons are easiest to use. The description therefore considers an embodiment variant of the device which is intended for operation with electrons.
The electron gun 1, the linear accelerator 2 and the rectifier 3 together form a source 4 of relative electrons. In addition, the microwave generator contains a deflection system 5, which is aligned with the axis of the accelerator 2 and, in the direction of movement of the electrons, behind the accelerator for circular deflection of the particle beam. The deflection system 5 consists of two capacitors 6 which are spatially rotated by 90 relative to one another and which are connected to the source 7 of the input signal by coaxial lines 8.
A ring-shaped microwave resonator is arranged behind the deflection system 5 and coaxially with it, which is intended to convert the kinetic energy of the particles into energy of the electromagnetic field. The resonator 9 has end walls 10 and side walls 11, its end walls 10 being provided with axially symmetrical slots 12 for the beam to enter the resonator 9 and for its transition from the resonator 9 to the collector 13. The resonator 9 has an annular direct current electromagnet 14 to compensate for the magnetic field caused by the tangential component of the charge movement at the point of passage of the particle beam through the resonator 9, and a junction 15 for taking the high frequency power.
The embodiment of the invention shown in Fig. 2 contains, in contrast to that of FIG. 1, an additional deflection system 16 which is arranged between the deflection system 5 and the resonator 9, coaxially to both.
The additional deflection system is designed in the form of a spherical condenser part and consists of an inner electrode 17 and an outer electrode 18.
The additional deflection system 16 can be not only electrostatic but also magnetic, for example in the form of a thin magnetic lens (not shown in the drawing) lying in the deflected beam path.
The variant of the microwave generator shown in Fig. 3 differs from that of Fig. 1 in that the end walls 10 of the ring resonator 9 'are oriented perpendicular to the direction of movement of the particles in the deflected beam, while the side walls 11 have a profile such that the Lines of force of the electric field of the wave running in the resonator 9 ′ at the point of passage of the particle beam through the resonator 9 ′ run perpendicular to the end walls 10.
In Fig. 4a a ring resonator 9 is shown in cross section, in which the ring slots 12 are arranged to reduce the electromagnetic radiation so that their center lines coincide with the line on which there are no high-frequency electrical transverse currents flowing along the inner surface of the resonator 9 are. This is also the nodal line of the high-frequency electric current which flows across the slots 12. At the edges of the slots 12 there are arranged coaxial cylinders 19 made of an electrically conductive material, which are electrically connected to the resonator surface 9 and serve as cross-border waveguides.
FIG. 4b shows a distribution diagram of the electrical cross-current J flowing in the end walls 10 of the resonator 9.
In Fig. 5a the positions of two identical non-directional power outputs (A and B) are shown schematically, which are attached to the surface of the resonator 9 with a mutual azimuth shift of a quarter of the wavelength hd4 expressed in angular measure. If necessary, the device works as an amplifier.
5b, c, d, e show different arrangement variants of such non-directional power outputs (A, B, C, D, E) for the case that a device works as a frequency multiplier. In Fig. 5b, the two outputs A and B are arranged with a mutual azimuth shift of hub / 4. Fig. 5c shows three outputs A, B and C with a mutual shift of hd3. FIG. 5d shows four connections A, B, C and D which lie in pairs in opposite quarters of the resonator 9 with a displacement of hd4 in each pair.
5e shows five outputs A, B, C, D and E, two of which (A and B) lie in a quarter of the resonator 9 with a mutual displacement of hd4, while three outputs (C, D and E) lie in the adjacent one Quarter of the resonator 9 are arranged with a mutual displacement of hd3.
In Fig. 5f, for use of the device as an amplifier, the resonator 9 is shown with four identical non-directional power outputs that are evenly distributed over its circumference. Each output 20 consists of a connection opening 21 and a waveguide 22 which is connected to the power consumer 23.
The device described works as follows.
The electron gun 1 (FIG. 1) generating the particle beam is at a potential of 1 to 3 megavolts in relation to the last electrode of the multi-stage linear accelerator 2, the voltage of which is supplied by the rectifier 2. The particle beam generated in this way and accelerated to relativistic speeds reaches the deflection system 5, which is excited by the energy source 7 of the input signal. The input signal is divided and passes through two coaxial lines 8 in the Ablenksy star 5, the lengths of which are chosen so that the signals arriving at the capacitors 6 have a phase shift of 900. Such a system generates a high-frequency electrical deflection field with a rotating resultant and effects a circular deflection of the particle beam.
The accelerated and deflected beam passes through the axially symmetrical slot 12 into the ring resonator 9 and generates a current which passes through the resonator 9. The current, which constantly changes its entry point into the resonator 9, generates a wave running in a circle. The dimensions of the resonator 9 are selected so that its natural frequency is approximately the same or a multiple of the angular frequency of the particle beam, provided the electric field is perpendicular to the end walls 10 of the resonator 9. The voltage at the resonator 9 increases accordingly and, given a sufficiently high intrinsic quality and a correctly selected connection with the load, it becomes approximately equal to the voltage value which caused the acceleration of the beam.
In order to avoid harmful effects of the secondary electrons, the particles which have given up their energy to the electromagnetic field are deflected out of the resonator and into the collector 13 through a second annular slot 12. The useful power is derived via a directional branch to an adapted load.
In addition to the electrical high-frequency field, a magnetic field is also present in the resonator 9, which rotates the particles in the opposite direction to the wave propagation. The magnetic field is strong enough to turn particles which still have 20 ... 400 / o of their initial kinetic energy around 900, which limits the efficiency of the device to 60 to 80%. In order to compensate for the magnetic field generated by the beam, the resonator 9 is equipped with a direct current electromagnet 14, which generates a direct magnetic field which compensates for the magnetic field generated by the beam when the beam passes through the resonator 9.
To further increase the efficiency, which is necessary in view of the high performance of the apparatus and the correspondingly high heat losses, it must be ensured that the particle trajectories run parallel to the lines of force of the electric field in the resonator 9. FIG. 2 shows a variant of the device in which this object is achieved.
The electron beam, which has relativistic velocities, passes from the source 14 into the deflection system 5, where it is deflected by a predetermined angle from the longitudinal axis of the device. The velocity component perpendicular to the axis is proportional to the tangent of the deflection angle. During the subsequent passage between the electrodes 17 and 18 of the spherical capacitor, the particle beam is deflected by the electric field of this capacitor in the opposite direction by the same angle and enters the resonator 9 parallel to the electrical lines of force of the high-frequency field of the wave. With an appropriate selection of the operating conditions of the resonator 9, the electrons can be braked practically to a standstill. The efficiency of the energy conversion is already only due to effects of the second order z.
B. limited by the energy spread, the space charge and the like.
The same effect is achieved when using a magnetic lens as an additional deflection system 16.
The efficiency can be increased in another way if the construction of the device shown in FIG. 3 is used, in which the resonator 9 'has end walls 10 which are oriented perpendicular to the direction of movement of the deflected particle beam. The side walls 11 of this resonator have a profile which ensures a perpendicular direction of the lines of force of the electric field of the resonator 9 ′ in the zone of passage of the beam to the end walls 10. The required profile can easily be determined with the aid of an electronic calculator or by modeling.
In this case, the deflected electron beam also enters the resonator 9 'parallel to the electrical lines of force of the high-frequency field. Then the efficiency of the device is also only determined by second-order effects.
If a resonator 9 (Fig. 4a, 4b) is used in the device, the ring slots 12 of which are arranged in such a way that their center lines converge with the line on which no electrical cross currents flow, and current-conducting coaxial cylinders 19 are placed at the edges of the slots 12 on, a reduction in the electromagnetic radiation emerging from the resonator 9 and consequently also a reduction in the power losses and a lower distortion of the movement paths of the particles is ensured.
Since the line on which there are no cross-currents runs through the center of the annular slot, practically no H-type vibrations are excited in the coaxial cylinders 19, which vibrations can freely propagate along the coaxial line formed by the cylinders 19. The type E vibrations fade away quite quickly. So that the quality of the resonator 9 is not reduced by more than 5% as a result of the radiation, according to the calculation (calculated for slots whose width is 5 ... 10% of the wavelength) the shift of the center line of the ring slot 12 relative to the line on which no electrical cross currents are present, be at most 7 ... 10% of the width of the slot 12 and the height of the coaxial cylinder 19 must be comparable to the width of the slot 12.
The high-frequency power is extracted from the resonator 9 through a plurality of identical, non-directional outputs which are arranged on the circumference of the resonator 9 so that the reflection waves arising in the resonator 9 at the outputs are compensated.
This is achieved in the following way:
If the device works as a vibration amplifier, a wave is introduced at the circumference of the resonator, while the power is drawn through two or more outputs, which are shifted by 900 if there are two outputs and are evenly distributed over the circumference of the resonator if there are more than two outputs are. The arrangement of two power outputs (A and B) from the resonator is shown schematically in FIG. 5a.
If the device works as a vibration multiplier, n waves are introduced at the circumference of the resonator (where n denotes the frequency multiplication factor).
In this case, the minimum number of energy outputs is also equal to two, and they are arranged at a mutual distance of a wavelength (which fits integer into the ring) in the same way as in the case of the device working as a vibration amplifier.
5b, c, d, e show different arrangement variants of the embodiments for using the device as a frequency multiplier (n = 4). The number of outputs (A, B, C, D, E) is determined by the value of the power to be dissipated and the needs of the consumer.
In the variant of the resonator 9 shown in FIG. 5 f, the power is drawn through four identical connection openings 21, via which the power is then transmitted through the waveguide 22 to the load 23.
A quarter of the full power taken from resonator 9 is diverted to load 23 through each output 20.
It should also be noted that the use of several identical non-directional outputs offers the following advantages in addition to increasing the power drawn and making the work easier: First, the use of several energy outputs facilitates the power distribution when feeding certain consumers, for example when feeding acceleration systems ( of electrically charged particles) with several resonators; Second, the power consumption does not depend on the direction of propagation of the wave in the ring resonator;
Thirdly, there is no standing wave in the resonator if the same reflections occur in the individual loads, while when power is drawn through a single branch, the power reflections from the load cause a standing wave to develop in the ring resonator, which leads to an uneven heat load on the collector.