Die Erfindung betrifft eine evakuierte elektronische Einrichtung mit einem Mittel zur Erzeugung eines Teilchenstrahls, einem diesem in der Strahlenrichtung koaxial nachgeschalteten Beschleunigungsrohr, um den Teilchen eine der Lichtgeschwindigkeit annähernd gleiche Geschwindigkeit zu erteilen, einem Ablenksystem zur kreisförmigen Zeitablenkung dieses Strahles mit der Frequenz des Eingangssignals, einem Wanderfeldresonator in Form eines Ringes, in dessen breiteren Wänden Ringspalte zur Aufnahme und Abführung des Strahls in einen Kollektor ausgeführt sind und der mit einem Mittel zur Auskopplung und Ableitung der UHF-Energie versehen und derart ausgeführt ist, dass seine breiteren Wände zur Längsachse der Einrichtung parallel sind,
und mit einem zusätzlichen Ablenksystem das achsialsymmetrisch zwischen dem Ablenksystem und dem Wanderwellenresonator zur Ablenkung des Strahls nach aussen weg von der Längsachse der Einrichtung angeordnet ist und zum Führen desselben in die Spalte des Ringresonators dient. Solche Einrichtungen können als Leistungsverstärker und Hochfrequenz- bzw. Ultrahochfrequenzvervielfacher in der Funktechnik oder als Teilchenbeschleuniger verwendet werden.
Bekannt ist eine derartige Einrichtung, bei welcher ein Elektromagnet vorgesehen ist, der ein magnetisches Gleichfeld erzeugt, das die Wirkung der hochfrequenten Komponente des Wanderfeldes an der Durchgangsstelle des Strahls kompensiert
Diese bekannte Einrichtung weist jedoch eine Reihe von Nachteilen auf.
Erstens weist sie einen beispielsweise im Vergleich mit einem Klystron relativ niedrigen Verstärkungsfaktor auf, wobei der Verstärkungsfaktor durch das Verhältnis der Leistung in der Last und der Leistung bestimmt wird, die im Kreisablenksystem verbraucht wird. Dieser Nachteil ist in den eine grosse Leistung abgebenden Einrichtungen von besonderer Bedeutung, weil die Strahlgänge infolge der Strahldivergenz wegen der Einwirkung der Raumladung stark begrenzt ist und der Strahl muss um einen Winkel von etwa 25-30 abgelenkt werden.
Es ist eine Lösung bekannt, die es ermöglicht, den Verstärkungsfaktor in den Einrichtungen mit der Kreisablenkung des Strahls und dem Ringresonator für eine Wanderwelle zu erhöhen. Zu diesem Ziel wird in der bekannten Einrichtung der genannte Ringresonator derart angeordnet, dass seine breiteren Wände, in denen Spalte zum Strahldurch gang vorhanden sind, parallel zur Längsachse der Einrichtung liegen, während zwischen der Kreisablenkeinrichtung und dem Ringresonator ein elektrostatisches Ablenksystem zur Ablenkung des Strahls nach aussen von der Längsachse der Einrichtung weg und zum Führen desselben in die Spalte des Ringresonators angeordnet ist.
Diese Lösung führt jedoch nicht zu den gewünschten Resultaten, wenn sie in der Einrichtung mit einem relativistischen Strahl angewendet wird, und zwar deswegen, weil dem Ablenksystem eine Spannung zugeführt werden muss, die der Spannung am Beschleunigungsrohr gleich ist (d. h.
praktisch mehrere Megavolt), so dass diese Lösung infolge des unvermeidlich auftretenden Durchschlags praktisch nicht verwendbar ist.
Der zweite Nachteil der bekannten Einrichtung ist durch den folgenden Umstand bewirkt. Zur Erhöhung des elektronischen Wirkungsgrades wird die Kompensation der Wirkung des magnetischen Hochfrequenzfeldes im Ringresonator auf den Strahl durch ein magnetisches Gleichfeld ausgenutzt, das von einem speziellen Elektromagneten erzeugt wird, dessen Abmessungen sich den Abmessungen des Ringresonators nähern. Dieser Weg der Erhöhung des elektronischen Wirkungsgrades der Einrichtung führt zum komplizierteren Aufbau und zur Erhöhung des Gewichtes derselben, insbeson dere im langwelligen UHF-Bereich.
Ein weiterer Nachteil der bekannten Einrichtung ist, dass hier Elemente fehlen, die den abgelenkten Strahl fokussieren und das Antreffen des Strahls an den Wänden des Ringresonators sowie an anderen Teilen der Einrichtung verhindern, was gleichfalls zur Verkleinerung des Verstärkungsfaktors und der Leistungsfähigkeit der Einrichtung führt.
Der Erfindung ist die Aufgabe zugrunde gelegt, eine evakuierte Einrichtung mit einem nicht phasenfokussierten relativistischen Strahl zu schaffen, die einen hohen Verstärkungsfaktor besitzt, hohe HF- und UHF-Leistung abgibt und eine gegenüber den bekannten Einrichtungen dieser Art einfachere Konstruktion besitzt.
Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass das zusätzliche Ablenksystem ein magnetisches Ablenksystem ist.
Zweckmässigerweise hat das zusätzliche Ablenksystem die Form eines Kegels, dessen Spitze gegen das Mittel zur Erzeugung des Strahls hin gerichtet ist.
Hierbei kann das zusätzliche Ablenksystem in Form einer elektromagnetischen Spule mit gleichmässiger Wicklung oder als ein Satz von ringförmigen Dauermagneten allmählich zunehmenden Durchmessers ausgeführt sein, die in Richtung der Ringachse magnetisiert sind.
Die genannte Einrichtung wird vorzugsweise mit einem magnetischen Fokussierungssystem versehen, das zwischen dem zusätzlichen Ablenksystem und dem Ringresonator angeordnet ist und mindestens ein Paar Ringe aufweist, die bezüglich des sich bewegenden Teilchenstrahls symmetrisch angeordnet sind.
Hierbei können Spulen oder Dauermagnete als die Ringe verwendet werden.
Die Einrichtung, welche gemäss der vorliegenden Erfindung ausgeführt ist, besitzt einen gegenüber der bekannten Einrichtung derselben Art um das 10-20fache höheren Verstärkungsfaktor, eine um das 2-3fache grössere Leistung und ist viel einfacher in konstruktiver Hinsicht unter Beibehaltung eines hohen 100 /0 nahen elektronischen Wirkungsgrades.
Im folgenden wird die Erfindung in der Beschreibung ihrer Ausführungsbeispiele und durch beiliegende Zeichnungen erläutert. In den Zeichnungen zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung der vorliegenden Vorrichtung,
Fig. 2 die Lage des Wanderwellenresonators, des Kollektors, des Fokussierungs- und des Ablenksystems zueinander und zwar zur isometrischen Projektion,
Fig. 3 eine schematische Darstellung des Ablenksystems welches als eine Spule ausgeführt ist,
Fig. 4 eine schematische Darstellung des Ablenksystems welches aus einem Satz von ringförmigen Magneten besteht,
Fig. 5 die Bewegungsbahnen der Teilchen in der Einrichtung in den R, Z-Koordinaten;
Fig. 6 die Bewegungsbahnen der Teilchen in der Einrichtung in den R, cp-Koordinaten.
Die in Fig. 1 dargestellte Einrichtung enthält ein Mittel zur Erzeugung eines Teilchenstrahls, welches eine Elektronenkanone 1 ist, welche einen achsialsymmetrischen Teilchenstrahl aussendet. Die genannte Einrichtung enthält ferner ein in Abschnitte unterteiltes Beschleunigungsrohr 2 für die Teilchen, welches am Ausgang der Elektronenkanone 1 angeordnet ist und von einem Hochspannungsgleichrichter 3 gespeist wird.
In der Einrichtung können beliebige geladene Teilchen verwendet werden, aber bei Anwendung von Elektronen lässt sich die Einrichtung am einfachsten verwirklichen. Nachstehend wird eine Ausführungsform der vorliegenden Einrichtung beschrieben, welche Elektronen verwendet. Die Elektro nenkanone 1, das Beschleunigungsrohr 2 und der Gleichrichter 3 bilden eine Quelle 4 von Elektronen mit hoher Energie.
Die vorliegende Einrichtung enthält ferner ein Ablenksystem 5 zur Ablenkung des Elektronenstrahls, welche zum Beschleunigungsrohr 2 koaxial angeordnet ist und diesem nachgeschaltet ist. Das Ablenksystem 5 enthält zwei Kondensatoren 6, die ein bezüglich des anderen um 90 versetzt und mit einer Quelle 7 eines Eingangssignals mittels Koaxialleitungen verbunden sind.
Zum Ablenksystem 5 achsgleich ist ein zusätzliches magnetisches Ablenksystem 9 angeordnet, das zur Ablenkung des Strahls nach aussen weg von der Längsachse der Einrichtung und zum Führen desselben in einen Wanderwellenresonator 10 bestimmt ist.
Im beschriebenen Beispiel ist das zusätzliche Ablenksystem 9 als ein Kegelstumpf ausgeführt, der derart angeordnet ist, dass seine schmälere Grundfläche zum Mittel zur Erzeugung des Elektronenstrahls näher liegt.
Das zusätzliche Ablenksystem kann jedoch die Form auch eines anderen rotationssymmetrischen Körpers haben, der eine der konischen nahe Konfiguration besitzt, beispielsweise der aus einem Zylinder und einem Kegelstumpf zusammengesetzt ist.
Die inneren Abmessungen und die Form des hohlen und ringförmigen Resonators 10 sind so gewählt, dass in ihm längs dem Ring eine elektromagnetische Welle mit einer Frequenz wandern kann, die der Frequenz der Strahlablenkung gleicht, oder ein Mehrfaches derselben ist, wobei diese Welle ein elektrisches Feld bewirkt, welches zur Bewegungsrichtung der geladenen Strahlteilchen parallel verläuft.
Der Resonator 10 besitzt Stirnwände 11 und Seitenwände (die breiteren Wände) 12, wobei in den letzteren Spalte 13 zum Strahldurchgang ausgeführt sind, und die Wände 12 parallel zur Längsachse der Einrichtung liegen.
Zur Aufnahme der Teilchen hinter dem Resonator 10 dient ein Kollektor 14. DµLW0/0Der Resonator 10 ist ferner mit einem Mittel zur Auskopplung der 1JHF-Leistung versehen, welches als ein Richtkoppler 15 ausgeführt ist. Zwischen dem Ablenksystem 9 und dem Resonator 10 ist ein magnetisches Fokussierungssystem 16 angeordnet, das zwei symmetrische elektromagnetische Ringspulen 17 mit entgegengesetzt gerichteten magnetischen Feldern aufweist, die bezüglich der Bewegungsebene des Teilchenstrahls symmetrisch angeordnet sind.
Das Fokussierungssystem kann zwei oder mehr Paare von Spulen oder mindestens ein Paar von Dauerringmagneten enthalten, welche die gleiche Anordnung wie die Spulen 17 aufweisen, und in radialer Richtung magnetisiert (in den Zeichnungen nicht dargestellt) sind.
In Fig. 2 sind in isometrischer Projektion dargestellt: der Wanderwellenresonator 10, der Kollektor 14, das Fokussierungssystem 16, das aus zwei Paaren von Spulen 17 besteht, sowie das magnetische Ablenksystem 9. In Fig. 2 ist auch gezeigt, dass die Bewegung des Teilchenstrahls nach der Ablenkvorrichtung 9 in einer Ebene geschieht, welche zur Längs achse der Einrichtung senkrecht ist, sowie unter einem Winkel a zur radialen Richtung (R), was einen Kompensationsmagnet entbehrlich macht.
In Fig. 3 ist schematisch ein Beispiel konstruktiver Ausführung des zusätzlichen Ablenksystems 9, welche eine elektromagnetische Spule aufweist, die die Form eines Kegelstumpfes besitzt und mit einer gleichmässigen Wicklung versehen ist.
Mit Hilfe einer EDVA erfolgte eine derartige Wahl des Durchmessers D der Grundfläche der Spule, der Höhe 1 derselben und des Winkels 6 an der Kegelspitze, dass sich mit Hilfe dieses Systems eine Ablenkung der Teilchen im magnetischen Feld der Spule nach aussen weg von der Längsachse der Einrichtung zu den Spalten 13 (Fig. 2) des Ringresonators 10 unter einem Winkel a in azimutaler Richtung (d. h. mit einer bestimmten Azimutalgeschwindigkeit) durchführen lässt.
In Fig. 4 ist schematisch ein Ausführungsbeispiel des zusätzlichen Ablenksystems dargestellt, welche aus einem Satz von ringförmigen Dauermagneten 18 allmählich zunehmenden Durchmessers besteht, die in der Ringhöhe in der Richtung N-S magnetisiert sind und deren Abmessungen und Lage ungefähr entsprechend den Konturen der Ablenkvorrichtung in Form einer Kegelspule, wie sie in Fig. 3 dargestellt ist gewählt sind.
In Fig. 5 und 6 sind mit Hilfe einer EDVA für eine der konkreten Varianten der Einrichtung berechnete Elektronenbahnen in den magnetischen Feldern des Ablenk- und des Fokussierungssystems dargestellt, die jeweils in R,Z- und R,-Koordinaten konstruiert sind. Die Bahnen sind in einem zylindrischen Koordinatensystem (R,Z,S) ausgetragen, wo die Achse Z mit der Längsachse der Einrichtung zusammenfällt, während der Koordinatenursprung sich an der oberen (in Fig. 1) Stirnseite der Vorrichtung 5 befindet. In Fig. 5 und 6 sind im entsprechenden Massstab die Umrisse des magnetischen Ablenksystems 9 und des Fokussierungssystems 16 dargestellt. Bei der Bahnenberechnung wurde vorausgesetzt, dass der Elektronenstrahl am Eingang in die Ablenkvorrichtung einen Radius von 2 cm und nur die axiale Geschwindigkeitskomponente besitzt.
In Fig. 5 und 6 sind 5 Bahnen abgebildet, von denen die Kurve 3 der Bahn eines Elektrons entspricht, das in das Ablenksystem längs der Symmetrieachse der Einrichtung eingetreten ist, während die übrigen Kurven II, III, IV und V den Bahnen der Elektronen entsprechen, die in das Ablenksystem in den Punkten eingetreten sind, die 2 cm von der Symmetrieachse entfernt und azimutmässig um 90 in bezug aufeinander verschoben sind.
Aus Fig. 6 ist ersichtlich, dass die abgelenkten Elektronen sich unter einem Winkel a = 14" zur Achse und in der Ebene (R,cp) bewegen.-Dieser Winkel ist zur Erzielung eines an 100 0/0 nahen elektronischen Wirkungsfaktor erforderlich, wenn die Elektronen eine Energie von MeV besitzen und die Phasengeschwindigkeit der Welle, die im Ringresonator wandert, ungefähr zweimal so gross wie die Lichtgeschwindigkeit ist.
Die Einrichtung arbeitet wie folgt.
Die Elektronenkanone 1 (Fig. 1), die den Elektronenstrahl erzeugt, steht unter einem Potential von 1-3 MeV bezüglich der letzten Elektrode des Beschleunigungsrohres 2, dem vom Gleichrichter 3 Spannung zugeführt wird. Der bis auf relativistische Energien beschleunigte Teilchenstrahl gelangt in das Ablenksystem 5, das von der Eingangssignalquelle 7 angeregt wird. Das Eingangssignal wird halbiert und gelangt in das Ablenksystem 5 durch zwei Koaxialleitungen 8, deren Längen so gewählt sind, dass die Signale, die in die Kondensatoren 6 gelangen, eine Phasenverschiebung von 90O besitzen. Dieses System erzeugt ein ablenkendes elektrisches Hochfrequenzfeld mit Kreispolarisation und führt die Kreisablenkung des Teilchenstrahls aus.
Im weiteren gelangt der Strahl in das magnetische Feld des Ablenksystems 9 und wird im Spalt 13 des Ringresonators 10 abgelenkt. Der unter der Einwirkung des Eingangssignals abgelenkte Elektronenstrahl beschreibt, indem er sich ununterbrochen azimutal verschiebt, eine konische Fläche, die allmählich in eine Ebene übergeht, die zur Längsachse der Einrichtung (Scheibenstrahl) senkrecht ist. Nach Eintritt in den Resonator 10 erregt der Elektronenstrahl in diesem eine Wanderwelle, wird in deren elektrischem Feld abgebremst und gibt seine Energie ab, wonach er über den Richtkoppler 15 in eine Last abgeführt wird. Die Restenergie des Elektronenstrahls wird im Kollektor 14 zerstreut.
Die Umwandlung des abgelenkten Teilchenstrahls aus einer konischen Form in eine Scheibenkonfiguration gestattet es, den Verstärkungsfaktor der Einrichtung zu erhöhen, da in diesem Fall der Ablenkungswinkel des Elektronenstrahls im Ablenkungssystem beträchtlich vermindert wird, während die Leistung, die zur Ablenkung des Strahls erforderlich ist, dem Quadrat dieses Winkels proportional ist. Die hauptsächliche Ablenkung des Strahls wird vom zusätzlichen Ablenksystem 9 durchgeführt, das nur Gleichstromleistung verbraucht, wobei die Grösse dieser Leistung meist nicht mehr als 0,1-0,2 /0 der Ausgangshochfrequenzleistung der Einrichtung beträgt.
Wie aus Fig. 2, 6 folgt, besitzen die Elektronen, wenn sie in den Ringresonator 10 einfliegen, ausser der radialen und axialen Geschwindigkeitskomponenten (Fig. 5) auch eine Azimutalgeschwindigkeit, die für ein Elektron, das sich an der Strahlachse befindet, von dem Winkel a bestimmt wird, der bei Abmessungen, die in Fig. 6 angegeben sind, ungefähr 14" gleich ist. Indem sie sich längs den Bahnen bewegen, die beim Durchtritt durch den Ringresonator den radialen nahe sind, erregen die Elektronen in diesem eine Wanderwelle, die nach der Feldstruktur einer H1O-Welle im rechteckigen Hohlleiter ähnlich ist, der zu einem Ring geschlossen ist, und geben ihr ihre Energie ab.
Bei der Zusammenwirkung mit dem magnetischen Hochfrequenzfeld dieser Wanderwelle werden die Elektronen in azimutaler Richtung entgegen der Fortpflanzungsrichtung der Welle abgelenkt, weswegen der Wirkungsgrad der Zusammenwirkung des Elektronenstrahls mit dem UHF-Feld der Wanderwelle gesenkt wird. Wie schätzungsweise Berechnungen zeigen, kann der elektronische Wirkungsgrad durch Erteilung einer zusätzlichen Azimutalgeschwindigkeit den Elektronen am Eingang in den Resonator erhöht werden, die nach der Fortpflanzungsseite der Wanderwelle gerichtet ist.
Die Grösse dieser Geschwindigkeit liegt bei erwähnten Werten der Elektronenenergie und der Parameter des Ausgangsresonators im Bereich von 15-30 OIo der Grösse der radialen Geschwindigkeitskomponente.-Diese Azimutalgeschwindigkeit wird in der vorgeschlagenen Einrichtung dem Elektronenstrahl durch ein magnetisches Ablenksystem erteilt. Die Richtung der Azimutalgeschwindigkeit ist von der Stromrichtung in der Wicklung der Kegelspule des Ablenksystems 9 abhängig. Durch entsprechende Wahl der Stromrichtung und des Ablenkdurchmessers lässt sich, indem der Winkel a verändert wird, ein elektronischer Wirkungsgrad erhalten, der am 100 % nahe ist.
Bei einem Wirkungsgrad von 100 O/o ist die Azimutalgeschwindigkeit, die ein Elektron infolge der Zusammenwirkung mit dem magnetischen UHF-Feld der Wanderwelle erlangt hat, nach der Grösse gleich und nach der Richtung der Azimutalgeschwindigkeit entgegengesetzt, die das Elektron im Ablenksystem erlangt hat. Die Fokussierung des Strahls vor seinem Eintritt in den Wanderwellenresonator 10 erfolgt mit Hilfe des Fokussierungssystems 16, das ein alternierendes magnetisches Feld in der Symmetrieebene des Wanderwellenresonators 10 erzeugt und es gestattet, die Leistung der Einrichtung dank der Vergrösserung des durchfliessenden Stroms und Verringerung seiner Absetzung an den Wänden des Wanderwellenresonators 10 beträchtlich zu erhöhen.
The invention relates to an evacuated electronic device with a means for generating a particle beam, an acceleration tube connected coaxially downstream of this in the beam direction to give the particles a speed approximately equal to the speed of light, a deflection system for circular time deflection of this beam with the frequency of the input signal, a Traveling field resonator in the form of a ring, in the wider walls of which there are annular gaps for receiving and discharging the beam into a collector and which is provided with a means for coupling out and dissipating the UHF energy and is designed in such a way that its wider walls are parallel to the longitudinal axis of the device are,
and with an additional deflection system which is arranged axially symmetrically between the deflection system and the traveling wave resonator for deflecting the beam outwards away from the longitudinal axis of the device and serves to guide it into the gaps of the ring resonator. Such devices can be used as power amplifiers and high frequency or ultra high frequency multipliers in radio technology or as particle accelerators.
Such a device is known in which an electromagnet is provided which generates a magnetic constant field which compensates for the effect of the high-frequency component of the traveling field at the point of passage of the beam
However, this known device has a number of disadvantages.
Firstly, it has a relatively low gain factor compared to, for example, a klystron, the gain factor being determined by the ratio of the power in the load and the power consumed in the circular deflection system. This disadvantage is of particular importance in the high-power devices because the beam paths due to the beam divergence are very limited due to the effect of the space charge and the beam must be deflected by an angle of about 25-30.
A solution is known which makes it possible to increase the gain in the devices with the circular deflection of the beam and the ring resonator for a traveling wave. To this end, said ring resonator is arranged in the known device in such a way that its wider walls, in which there are gaps for the beam passage, are parallel to the longitudinal axis of the device, while an electrostatic deflection system for deflecting the beam is located between the circular deflection device and the ring resonator is arranged outside of the longitudinal axis of the device and for guiding it into the column of the ring resonator.
However, this approach does not produce the desired results when used in the relativistic beam device because a voltage must be applied to the deflection system that is equal to the voltage on the accelerator tube (i.e.
practically several megavolts), so that this solution cannot be used in practice due to the inevitable breakdown.
The second disadvantage of the known device is caused by the following circumstance. To increase the electronic efficiency, the compensation of the effect of the magnetic high-frequency field in the ring resonator on the beam is used by a magnetic constant field which is generated by a special electromagnet, the dimensions of which approximate the dimensions of the ring resonator. This way of increasing the electronic efficiency of the device leads to a more complicated structure and an increase in the weight of the same, especially in the long-wave UHF range.
Another disadvantage of the known device is that it lacks elements that focus the deflected beam and prevent the beam from striking the walls of the ring resonator and other parts of the device, which also leads to a reduction in the amplification factor and the performance of the device.
The invention is based on the object of creating an evacuated device with a non-phase-focused relativistic beam, which has a high gain factor, emits high HF and UHF power and has a simpler construction than the known devices of this type.
The object set is achieved according to the invention in that the additional deflection system is a magnetic deflection system.
The additional deflection system expediently has the shape of a cone, the tip of which is directed towards the means for generating the jet.
The additional deflection system can be designed in the form of an electromagnetic coil with a uniform winding or as a set of ring-shaped permanent magnets of gradually increasing diameter, which are magnetized in the direction of the ring axis.
Said device is preferably provided with a magnetic focusing system which is arranged between the additional deflection system and the ring resonator and has at least one pair of rings which are arranged symmetrically with respect to the moving particle beam.
Here, coils or permanent magnets can be used as the rings.
The device which is designed according to the present invention has a gain factor 10-20 times higher than the known device of the same type, a power 2-3 times greater and is much simpler in structural terms while maintaining a high 100/0 electronic efficiency.
In the following the invention is explained in the description of its exemplary embodiments and through the accompanying drawings. In the drawings shows:
1 shows a schematic representation of the present device,
2 shows the position of the traveling wave resonator, the collector, the focusing and the deflection system to one another, specifically for isometric projection,
3 shows a schematic representation of the deflection system which is designed as a coil,
4 shows a schematic representation of the deflection system which consists of a set of ring-shaped magnets,
5 shows the movement paths of the particles in the device in the R, Z coordinates;
6 shows the movement paths of the particles in the device in the R, cp coordinates.
The device shown in FIG. 1 contains a means for generating a particle beam, which is an electron gun 1 which emits an axially symmetrical particle beam. Said device also contains an acceleration tube 2, which is divided into sections, for the particles, which is arranged at the exit of the electron gun 1 and is fed by a high-voltage rectifier 3.
Any charged particles can be used in the device, but the easiest way to implement the device is to use electrons. An embodiment of the present device using electrons will now be described. The electric cannon 1, the acceleration tube 2 and the rectifier 3 form a source 4 of electrons with high energy.
The present device also contains a deflection system 5 for deflecting the electron beam, which is arranged coaxially with the acceleration tube 2 and is connected downstream of it. The deflection system 5 comprises two capacitors 6, one offset from the other by 90 and connected to a source 7 of an input signal by means of coaxial lines.
An additional magnetic deflection system 9 is arranged coaxially with the deflection system 5, which is intended to deflect the beam outwardly away from the longitudinal axis of the device and to guide it into a traveling wave resonator 10.
In the example described, the additional deflection system 9 is designed as a truncated cone which is arranged such that its narrower base area is closer to the means for generating the electron beam.
The additional deflection system can, however, also have the form of another rotationally symmetrical body which has a configuration close to the conical, for example which is composed of a cylinder and a truncated cone.
The internal dimensions and the shape of the hollow and ring-shaped resonator 10 are chosen so that an electromagnetic wave with a frequency that is equal to or a multiple of the frequency of the beam deflection can travel along the ring, this wave being an electric field causes which runs parallel to the direction of movement of the charged beam particles.
The resonator 10 has end walls 11 and side walls (the wider walls) 12, with gaps 13 in the latter being designed for beam passage, and the walls 12 being parallel to the longitudinal axis of the device.
A collector 14 serves to receive the particles behind the resonator 10. The resonator 10 is also provided with a means for decoupling the 1JHF power, which is designed as a directional coupler 15. A magnetic focusing system 16 is arranged between the deflection system 9 and the resonator 10 and has two symmetrical electromagnetic toroidal coils 17 with oppositely directed magnetic fields, which are arranged symmetrically with respect to the plane of movement of the particle beam.
The focusing system can contain two or more pairs of coils or at least one pair of permanent ring magnets which have the same arrangement as the coils 17 and are magnetized in the radial direction (not shown in the drawings).
In Fig. 2 are shown in isometric projection: the traveling wave resonator 10, the collector 14, the focusing system 16, which consists of two pairs of coils 17, and the magnetic deflection system 9. In Fig. 2 is also shown that the movement of the particle beam happens after the deflection device 9 in a plane which is perpendicular to the longitudinal axis of the device, and at an angle α to the radial direction (R), which makes a compensation magnet unnecessary.
In Fig. 3 is a schematic example of a constructive embodiment of the additional deflection system 9, which has an electromagnetic coil which has the shape of a truncated cone and is provided with a uniform winding.
With the help of an EDVA, the diameter D of the base area of the coil, the height 1 of the same and the angle 6 at the tip of the cone was selected so that the particles in the magnetic field of the coil were deflected outwards away from the longitudinal axis of the Device to the columns 13 (Fig. 2) of the ring resonator 10 at an angle α in the azimuthal direction (ie with a certain azimuthal velocity) can be carried out.
In Fig. 4, an embodiment of the additional deflection system is shown schematically, which consists of a set of ring-shaped permanent magnets 18 gradually increasing diameter, which are magnetized in the ring height in the direction NS and whose dimensions and position approximately correspond to the contours of the deflection device in the form of a Conical coil as shown in Fig. 3 are selected.
In FIGS. 5 and 6, electron trajectories calculated for one of the specific variants of the device in the magnetic fields of the deflection and focusing system are shown with the aid of an EDVA, each of which is constructed in R, Z and R, coordinates. The paths are drawn out in a cylindrical coordinate system (R, Z, S), where the Z axis coincides with the longitudinal axis of the device, while the origin of the coordinates is on the upper (in FIG. 1) end face of the device 5. In Fig. 5 and 6, the outlines of the magnetic deflection system 9 and the focusing system 16 are shown on the corresponding scale. When calculating the path, it was assumed that the electron beam at the entrance to the deflection device has a radius of 2 cm and only has the axial velocity component.
5 and 6 show five orbits, of which curve 3 corresponds to the orbit of an electron which has entered the deflection system along the symmetry axis of the device, while the remaining curves II, III, IV and V correspond to the orbits of the electrons which entered the deflection system at the points which are 2 cm away from the axis of symmetry and shifted in azimuth by 90 with respect to one another.
From Fig. 6 it can be seen that the deflected electrons move at an angle a = 14 "to the axis and in the plane (R, cp). This angle is necessary to achieve an electronic efficiency factor close to 100 0/0 if the electrons have an energy of MeV and the phase velocity of the wave traveling in the ring resonator is roughly twice the speed of light.
The setup works as follows.
The electron gun 1 (Fig. 1), which generates the electron beam, is at a potential of 1-3 MeV with respect to the last electrode of the acceleration tube 2, which is supplied by the rectifier 3 with voltage. The particle beam accelerated to relativistic energies reaches the deflection system 5, which is excited by the input signal source 7. The input signal is halved and reaches the deflection system 5 through two coaxial lines 8, the lengths of which are chosen so that the signals that reach the capacitors 6 have a phase shift of 90 °. This system generates a deflecting electrical high frequency field with circular polarization and executes the circular deflection of the particle beam.
The beam then enters the magnetic field of the deflection system 9 and is deflected in the gap 13 of the ring resonator 10. The electron beam deflected under the influence of the input signal describes a conical surface which gradually merges into a plane which is perpendicular to the longitudinal axis of the device (disk beam) by moving continuously in azimuth. After entering the resonator 10, the electron beam excites a traveling wave therein, is decelerated in its electric field and emits its energy, after which it is dissipated via the directional coupler 15 into a load. The residual energy of the electron beam is dissipated in the collector 14.
The conversion of the deflected particle beam from a conical shape to a disk configuration makes it possible to increase the gain of the device, since in this case the angle of deflection of the electron beam in the deflection system is considerably reduced, while the power required to deflect the beam is square this angle is proportional. The main deflection of the beam is carried out by the additional deflection system 9, which only consumes direct current power, the magnitude of this power usually not being more than 0.1-0.2 / 0 of the output high-frequency power of the device.
As follows from Fig. 2, 6, when the electrons fly into the ring resonator 10, apart from the radial and axial velocity components (Fig. 5), they also have an azimuthal velocity which is for an electron located on the beam axis of the Angle α is determined, which is equal to approximately 14 "for the dimensions given in FIG. 6. By moving along the orbits which, when passing through the ring resonator, are close to the radial ones, the electrons in this excite a traveling wave, which is similar to the field structure of an H1O wave in a rectangular waveguide, which is closed to form a ring, and gives off its energy.
When interacting with the magnetic high-frequency field of this traveling wave, the electrons are deflected in the azimuthal direction against the direction of propagation of the wave, which is why the efficiency of the interaction of the electron beam with the UHF field of the traveling wave is reduced. As estimated calculations show, the electronic efficiency can be increased by giving the electrons an additional azimuthal velocity at the entrance to the resonator, which is directed towards the propagation side of the traveling wave.
The magnitude of this speed, given the values of the electron energy and the parameters of the output resonator, is in the range of 15-30% of the magnitude of the radial speed component. This azimuthal speed is given to the electron beam by a magnetic deflection system in the proposed device. The direction of the azimuthal velocity is dependent on the direction of the current in the winding of the cone coil of the deflection system 9. By appropriately selecting the direction of the current and the deflection diameter, by changing the angle α, an electronic efficiency that is close to 100% can be obtained.
With an efficiency of 100 O / o, the azimuthal velocity that an electron has achieved as a result of the interaction with the magnetic UHF field of the traveling wave is equal in magnitude and opposite in direction to the azimuthal velocity that the electron has achieved in the deflection system. The beam is focused before it enters the traveling wave resonator 10 with the help of the focusing system 16, which generates an alternating magnetic field in the plane of symmetry of the traveling wave resonator 10 and allows the performance of the device thanks to the increase in the current flowing through it and a reduction in its deposition on the To increase walls of the traveling wave resonator 10 considerably.