BESCHREIBUNG
Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Erzeugung von Millimeterwellen. Sie betrifft ein quasi-optisches Gyrotron, bei welchem Elektronen auf einer schraubenförmigen Elektronenbahn in z-Richtung entlang eines magnetischen Gleichfeldes durch das elektromagnetische Wechselfeld eines offenen Resonators laufen, welcher Resonator von zwei sich in y-Richtung gegenüberliegenden und symmetrisch zur Elektronenbahn angeordneten, konkaven Spiegeln gebildet wird.
Stand der Technik
Es ist, beispielsweise aus dem Artikel von A. Bondeson et al., Multimode theory and simulation of quasioptical gyrotrons and gyroklystrons , Int. J. Electronics, 53, Nr. 6, S.
547-553 (1982), bekannt, für die Erzeugung von leistungsstarken elektromagnetischen Wellen im Wellenlängenbereich um 1 mm Gyrotrons mit einem quasi-optischen Resonator zu verwenden (Fig. la der Druckschrift), der im wesentlichen aus zwei sich gegenüberliegenden, konkaven und sphärischen Spiegeln besteht.
Ein relativistischer Elektronenstrahl wird entlang eines magnetischen Gleichfeldes auf einer spiralförmigen Bahn quer durch diesen quasi-optischen Resonator geschickt, wo er mit einem dort aufgebauten elektromagnetischen Wechselfeld wechselwirkt.
Der im Resonator zwischen den sphärischen Spiegeln angeregte Schwingungsmode ist vom Typ TEMooq. Die symmetrische Spiegelkonfiguration des bekannten quasi-optischen Gyrotrons resultiert in einer Feldverteilung, die symmetrisch zum Maximum des elektrischen Feldes im TEMOOq-Mode ist.
Wegen der symmetrischen Konfiguration ist das bekannte Gyrotron vergleichsweise einfach zu konstruieren und aufzubauen. Andererseits erlaubt diese Konfiguration jedoch nicht eine Verbesserung bzw. Optimierung des Wirkungsgrades n der Wechselwirkung des Elektronenstrahls mit dem Wechselfeld (rl ist definiert als Verhältnis der abgegebenen Mikrowellenleistung zur eingespeisten Leistung des Elektronenstrahls).
Für herkömmliche Gyrotrons ist gezeigt worden [siehe z.B.
den Artikel von A.S. Xu et al., A method for the synthesis of microwave open resonators , Int. J. Electronics, 57, Nr. 6, S.
887-899 (1984)], dass sich höhere Wirkungsgrade mit einer asymmetrischen Feldverteilung im Resonator erreichen lassen.
Darstellung der Erfindung
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun, ein quasioptisches Gyrotron zu schaffen, das gegenüber dem bekannten einen erhöhten Wirkungsgrad aufweist.
Die Aufgabe wird bei einem quasi-optischen Gyrotron der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die Spiegel eine von der sphärischen abweichende Geometrie aufweisen.
Der Kern der Erfindung besteht also darin, die Spiegel des quasi-optischen Resonators in ihrer Geometrie zu modifizieren, wobei von der ursprünglich sphärischen Geometrie abgegangen wird.
Gemäss einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung werden Spiegel verwendet, die in ihren beiden Hauptachsen, der x- und der z-Richtung, unterschiedliche Krümmungsradien aufweisen.
Ein besonders hoher Wirkungsgrad lässt sich erreichen, wenn der Krümmungsradius in der z-Richtung in beiden Hälften des Spiegels unterschiedlich ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung beschrieben und näher erläutert werden. Es zeigen:
Fig. 1A den prinzipiellen Aufbau eines quasi-optischen Gyrotrons mit dem offenen Zwei-Spiegel-Resonator;
Fig. 1B einen Spiegel gemäss einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung mit zwei unterschiedlichen Krümmungsradien entlang der z-Achse;
Fig. 2A die Feldverteilung in der (x, z)-Ebene in der Mitte des Resonators in Form von Linien gleicher elektrischer Feldstärke für einen Resonator mit Spiegeln, die in den beiden Hauptachsen unterschiedliche Krümmungsradien aufweisen;
Fig. 2B ein entsprechendes Feldverteilungsbild für einen Resonator mit Spiegeln, bei denen der Unterschied in den Krümmungsradien auf eine Spiegelhälfte beschränkt ist.
Wege zur Ausführung der Erfindung
Die in einem quasi-optischen Gyrotron bekannter Art verwendete Anordnung ist in Fig. 1A dargestellt. Elektronen aus einer nicht gezeigten Elektronenquelle laufen auf einer spiralförmigen Elektronenbahn in Richtung eines parallel zur z-Achse gerichteten magnetischen Gleichfeldes (mit der magnetischen Induktion B).
Senkrecht zur z-Richtung, nämlich in y-Richtung, stehen sich mit einem Spiegelabstand d zwei konkave Spiegel 1 und 2 gegenüber - und zwar symmetrisch zur z-Achse -, die einen quasi-optischen offenen Resonator bilden. Die Elektronenbahn 3 verläuft genau in der Mitte zwischen beiden Spiegeln 1 und 2.
Die Elektronen auf der spiralförmigen Elektronenbahn 3 wechseiwirken mit einem elektromagnetischen Wechselfeld, das im Resonator zwischen den beiden Spiegeln 1, 2 schwingt.
Beim Gyrotron nach dem Stand der Technik besitzen die Spiegel 1, 2 eine sphärische Geometrie. Dies drückt sich darin aus, dass die in Fig. 1A eingezeichneten Krümmungsradien Rx und Rz der Spiegel 1, 2 in Richtung der beiden Hauptachsen (x Richtung bzw. z-Richtung) gleich gross sind.
Wie bereits erwähnt, besteht die Erfindungsidee darin, den bekannten symmetrischen Resonator (mit sphärischen Spiegeln) durch einen Resonator zu ersetzen, dessen Spiegel von der sphärischen Geometrie abweichen. Wenn man dabei die Gestalt der Spiegel in geeigneter Weise wählt, lässf sich entlang der Richtung des Elektronenstrahls (z-Richtung) ein optimierter Feldverlauf erzielen, der zu einem verbesserten Wirkungsgrad n des Gyrotrons führt.
Als Ausführungsbeispiel für nicht-sphärische Spiegel sollen im folgenden zwei Spiegeltypen betrachtet werden, für welche die Verteilung des elektromagnetischen Feldes und der resultierende Wirkungsgrad n berechnet worden sind.: < a) Das eine Ausführungsbeispiel umfasst Resonatoren mit nicht-sphärischen Spiegeln, bei denen die Abweichung von einer sphärischen oder Kugelfläche eine quadratische Funktion der z Koordinate (Fig. 1A) ist. Für diesen Fall ergibt sich eine elliptische Form, die durch zwei unterschiedliche g-Faktoren in xund z-Richtung gXz= = 1 - d/Rx'2 charakterisiert ist.
(b) Das andere Ausführungsbeispiel umfasst Resonatoren mit Spiegeln, die wie im Fall (a) durch zwei unterschiedliche Krümmungsradien Rx,z und g-Faktoren gx,z charakterisiert sind, wobei jedoch der abweichende Krümmungsradius in z-Richtung (Rz) nur auf einer Spiegelhälfte zum Tragen kommt. Dies ist in Fig. 1B durch zwei unterschiedliche Krümmungsradien Rzl und Rz2 angedeutet, von denen der eine gleich dem Krümmungsradius Rx ist.
Berechnet man nun für die Fälle (a) und (b) die Feldverteilung (in Form der Linien konstanter elektrischer Feldstärke E = const.), erhält man die in Fig. 2A und B beispielhaft dargestellten Ergebnisse.
Während im Fall des bekannten Gyrotrons mit sphärischen Spiegeln die Feldverteilung naturgemäss in konzentrischen Linien um die y-Achse sich ausdrückt, ergibt sich für die elliptischen Spiegel [Ausführungsbeispiel (a)] entsprechend eine Feldverteilung mit elliptischen Linien (Fig. 2A). Sowohl die Spiegel als auch die Feldverteilung sind hier symmetrisch bezüglich der z- und der x-Achse.
Beschränkt sich der abweichende Krümmungsradius dagegen nur auf eine Hälfte jeden Spiegels [Ausführungsbeispiel (b)j, ergibt sich eine Feldverteilung gemäss Fig. 2B, die nur noch symmetrisch bezüglich einer Achse (der z-Achse) ist. Für die Berechnung der Linien aus Fig. 2B sind im übrigen g-Faktoren von g, = -0,75 und gz = -0,1 vorausgesetzt worden.
Um die mit den nicht-sphärischen Spiegeln erreichbaren Verbesserungen des elektronischen Wirkungsgrades TI deutlich zu machen, ist jeweils für sphärische und nicht-sphärische Spiegel in drei verschiedenen Fällen dieser Wirkungsgrad berechnet worden. Die maximale, lokale Joul'sche Wärmebelastung auf jedem Spiegel wurde mit 1,5 kW/cm2 festgelegt. Ausserdem wurde von einem Elektronenstrahl mit einer Energie von 70 keV und einem Steigungswinkel der Elektronenbahn-Spirale von 1 Radianten ausgegangen.
Die Ergebnisse der Rechnungen sind in den folgenden beiden Tabellen zusammengefasst:
TABELLE 1
Wirkungsgrad für sphärische Spiegel g = gx = gz -0,25 -0,6 -0,7 10 41% 43No 42%
TABELLE 2
Wirkungsgrad für nicht-sphärische Spiegel gemäss Ausführungsbeispiel (b) gx -0,25 -0,6 -0,7 gz -0,1 -0,3 -0,1 9 46Vo 46% 48%
Aus einem direkten Vergleich beider Tabellen erkennt man sofort, dass die erfindungsgemässe Modifikation der Spiegel zu einem quasi-optischen Gyrotron führt, das gegenüber dem bisher bekannten einen nun bis zu 5% gesteigerten elektronischen Wirkungsgrad n aufweist.
Es ist anzumerken, dass sich die in den Ausführungsbeispielen angegebenen Konfigurationen nicht-sphärischer Spiegel nur auf geometrisch sehr einfache Formen beziehen. Es liegt aber durchaus im Rahmen der Erfindung, komplizierte und vollkommen unsymmetrische Spiegelformen vorzusehen, um gegebenenfalls noch höhere Wirkungsgrade zu erreichen.
DESCRIPTION
Technical field
The invention relates to a device for generating millimeter waves. It relates to a quasi-optical gyrotron, in which electrons run on a helical electron path in the z-direction along a magnetic DC field through the alternating electromagnetic field of an open resonator, which resonator has two concave mirrors opposite each other in the y direction and arranged symmetrically to the electron path is formed.
State of the art
It is, for example from the article by A. Bondeson et al., Multimode theory and simulation of quasioptical gyrotrons and gyroklystrons, Int. J. Electronics, 53, No. 6, p.
547-553 (1982), known to use for the generation of powerful electromagnetic waves in the wavelength range around 1 mm gyrotrons with a quasi-optical resonator (Fig. La of the document), which essentially consists of two opposite, concave and spherical mirrors consists.
A relativistic electron beam is sent along a constant magnetic field on a spiral path across this quasi-optical resonator, where it interacts with an alternating electromagnetic field built up there.
The vibration mode excited in the resonator between the spherical mirrors is of the TEMooq type. The symmetrical mirror configuration of the known quasi-optical gyrotron results in a field distribution that is symmetrical to the maximum of the electric field in TEMOOq mode.
Because of the symmetrical configuration, the well-known gyrotron is comparatively easy to construct and assemble. On the other hand, however, this configuration does not allow an improvement or optimization of the efficiency n of the interaction of the electron beam with the alternating field (rl is defined as the ratio of the emitted microwave power to the fed power of the electron beam).
For conventional gyrotrons has been shown [see e.g.
the article by A.S. Xu et al., A method for the synthesis of microwave open resonators, Int. J. Electronics, 57, No. 6, p.
887-899 (1984)] that higher efficiencies can be achieved with an asymmetrical field distribution in the resonator.
Presentation of the invention
The object of the present invention is now to create a quasi-optical gyrotron which has an increased efficiency compared to the known one.
In a quasi-optical gyrotron of the type mentioned at the outset, the object is achieved in that the mirrors have a geometry which differs from the spherical one.
The essence of the invention therefore consists in modifying the geometry of the mirrors of the quasi-optical resonator, the original spherical geometry being abandoned.
According to a preferred embodiment of the invention, mirrors are used which have different radii of curvature in their two main axes, the x and the z direction.
A particularly high degree of efficiency can be achieved if the radius of curvature in the z direction is different in both halves of the mirror.
Brief description of the drawings
The invention will be described below with reference to exemplary embodiments in connection with the drawing and explained in more detail. Show it:
1A shows the basic structure of a quasi-optical gyrotron with the open two-mirror resonator;
1B shows a mirror according to a preferred exemplary embodiment of the invention with two different radii of curvature along the z-axis;
2A shows the field distribution in the (x, z) plane in the center of the resonator in the form of lines of the same electric field strength for a resonator with mirrors which have different radii of curvature in the two main axes;
2B shows a corresponding field distribution image for a resonator with mirrors, in which the difference in the radii of curvature is limited to one mirror half.
Ways of Carrying Out the Invention
The arrangement used in a known quasi-optical gyrotron is shown in Fig. 1A. Electrons from an electron source, not shown, run on a spiral electron path in the direction of a constant magnetic field directed parallel to the z-axis (with the magnetic induction B).
Perpendicular to the z-direction, namely in the y-direction, two concave mirrors 1 and 2 face each other with a mirror spacing d - symmetrically to the z-axis - which form a quasi-optical open resonator. The electron path 3 runs exactly in the middle between the two mirrors 1 and 2.
The electrons on the spiral electron path 3 interact with an alternating electromagnetic field which oscillates in the resonator between the two mirrors 1, 2.
In the gyrotron according to the prior art, the mirrors 1, 2 have a spherical geometry. This is expressed in that the radii of curvature Rx and Rz of the mirrors 1, 2 shown in FIG. 1A in the direction of the two main axes (x direction and z direction) are of the same size.
As already mentioned, the idea of the invention is to replace the known symmetrical resonator (with spherical mirrors) by a resonator whose mirrors deviate from the spherical geometry. If the shape of the mirror is selected in a suitable manner, an optimized field profile can be achieved along the direction of the electron beam (z direction), which leads to an improved efficiency n of the gyrotron.
Two types of mirrors for which the distribution of the electromagnetic field and the resulting efficiency n have been calculated are to be considered as exemplary embodiments for non-spherical mirrors: <a) The one exemplary embodiment comprises resonators with non-spherical mirrors in which the deviation of a spherical or spherical surface is a quadratic function of the z coordinate (Fig. 1A). In this case there is an elliptical shape, which is characterized by two different g factors in the x and z direction gXz = = 1 - d / Rx'2.
(b) The other exemplary embodiment comprises resonators with mirrors which, as in case (a), are characterized by two different radii of curvature Rx, z and g factors gx, z, but the differing radius of curvature in the z direction (Rz) only on one Half of the mirror comes into play. This is indicated in FIG. 1B by two different radii of curvature Rzl and Rz2, one of which is equal to the radius of curvature Rx.
If the field distribution (in the form of lines of constant electric field strength E = const.) Is now calculated for cases (a) and (b), the results shown as examples in FIGS. 2A and B are obtained.
While in the case of the known gyrotron with spherical mirrors the field distribution is naturally expressed in concentric lines around the y-axis, a field distribution with elliptical lines (FIG. 2A) results accordingly for the elliptical mirrors [exemplary embodiment (a)]. Both the mirrors and the field distribution are symmetrical with respect to the z and x axes.
On the other hand, if the deviating radius of curvature is limited to only half of each mirror [exemplary embodiment (b) j, there is a field distribution according to FIG. 2B which is only symmetrical with respect to an axis (the z-axis). For the calculation of the lines from FIG. 2B, g factors of g, = -0.75 and gz = -0.1 have been assumed.
In order to make clear the improvements in the electronic efficiency TI that can be achieved with the non-spherical mirrors, this efficiency has been calculated in three different cases for spherical and non-spherical mirrors. The maximum local Joule heat load on each mirror was set at 1.5 kW / cm2. In addition, an electron beam with an energy of 70 keV and an inclination angle of the electron orbit spiral of 1 radian was assumed.
The results of the calculations are summarized in the following two tables:
TABLE 1
Efficiency for spherical mirrors g = gx = gz -0.25 -0.6 -0.7 10 41% 43No 42%
TABLE 2
Efficiency for non-spherical mirrors according to embodiment (b) gx -0.25 -0.6 -0.7 gz -0.1 -0.3 -0.1 9 46Vo 46% 48%
A direct comparison of the two tables shows immediately that the modification of the mirrors according to the invention leads to a quasi-optical gyrotron which has an electronic efficiency n which is now up to 5% higher than that previously known.
It should be noted that the configurations of non-spherical mirrors given in the exemplary embodiments relate only to geometrically very simple shapes. However, it is entirely within the scope of the invention to provide complicated and completely asymmetrical mirror shapes in order to possibly achieve even higher efficiencies.