DE1082986B - Reflexionsklystron - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung bezieht sich auf ein Reflexionsklystron, bei dem ein aus einem anfänglich konvergierenden Elektronenstrahl entstehender Rohrstrahl nach seinem ersten Durchtritt durch den Steuerspalt eines Hohlraumresonators vor einer Reflektor elektrode seine Bewegungsrichtung umkehrt und beim Rückflug unter Aufspreizung infolge der inneren Raumladung des Strahles nach seinem zweiten Durchlaufen des Hohlraumresonators auf dessen Wandung auftrifft, bei dem ferner die Elektronenlaufzeiten im Umkehrraum im wesentlichen gleich sind und bei dem außerdem die Resonatorwandung derart ausgebildet und angeordnet ist, daß sie den Elektronenstrahl vor dem ersten Durchlauf des Steuerspalts eng umschließt.

Es ist bei derartigen Laufzeitröhren bekannt, die Elektronenbahnen so zu wählen, daß der Elektronenstrahl im Umkehrraum, das ist der Raum vor der Reflektorelektrode, springbrunnenartig aufspreizt. Dies wurde bisher auf dem Wege einer besonderen Ausbildung der Reflektorelektrode erzielt, die etwa topfartig geformt und im Bereich der Rotationsachse gegen den Resonator hin ausgebuchtet ist (vgl. deutsche Patentschrift 809328). Der bisher mit derartigen Laufzeitröhren erzielte Wirkungsgrad und die elektronische Bandbreite bleiben jedoch erheblich hinter den rechnerisch vorausbestimmten Werten zurück, trotz dieser besonderen Formgebung und Bemessung der Reflektorelektrode. Außerdem versagen derartige Vorrichtungen bei hoher Perveanz des Elektronenstrahles, was insbesondere in einer Verminderung des Wirkungsgrades zum Ausdruck kommt.

Es ist weiter bekannt, den Durchmesser des bereits reflektierten Strahles mindestens so groß zu machen, daß möglichst keine Elektronen mehr in den Kathodenraum zurückfallen, um den als Hysterese bekannten nachteiligen Effekt zu vermeiden.

Weiterhin ist es bekannt, zur Erreichung einer großen elektronischen Bandbreite, d. h. einer guten Abstimmbarkeit durch Änderung der Reflektorspannung, ein möglichst großes Verhältnis zwischen dem inneren Leitwert und der Kapazität zwischen den den Spalt begrenzenden Elektroden zu erreichen.

Bei diesen bekannten Anordnungen ist es jedoch möglich, daß ein Teil der reflektierten Elektronen nicht nur den Steuerspalt, sondern den ganzen Resonatorraum bis zur gegenüberliegenden Resonatorwand durchläuft. Dadurch kann der stabile Betrieb eines Reflexionsklystrons in einem vorgegebenen Frequenzgebiet in Frage gestellt werden.

Erfindungsgemäß wird daher vorgeschlagen, daß die Perveanz des Elektronenrohrstrahles derart groß gewählt ist, daß in an sich bekannter Weise der äußere Strahldurchmesser beim Verlassen des Umkehrraumes Reflexionsklystron

Anmelder:

Telefunken G.m.b.H.,
Berlin NW 87, Sickingenstr. 71

Dr. Richard Hechtel, Herxlingen (Württ),
ist als Erfinder genannt worden

das 1,5- bis 3fache des Strahldurchmessers beim Eintritt in den Umkehrraum beträgt, und daß eine praktisch in der Eintrittsebene des Elektronenstrahles in den Steuerspalt liegender Teil der Resonatorwandung derart ausgebildet ist, daß er im wesentlichen alle reflektierten Elektronen auffängt.

Nachstehend wird an Hand eines Ausführungsbeispieles die Erfindung näher erläutert. In der Abbilas dung ist ein Reflektionsklystron dargestellt, bestehend aus einem Strahlerzeugungssystem, einem Hohlraumresonator 2 und einer Reflektorelektrode 3. Das Strahlerzeugungssystem ist in an sich bekannter Weise aufgebaut und umfaßt eine Kathode 1, eine Fokussierungselektrode 4 und erzeugt im Betriebszustand einen im Anfangsbereich konvergenten Elektronenstrahl, der durch den Steuerspalt 5, 6 des Hohlraumresonators 2 hindurchläuft. Der Steuerspalt des Hohlraumresonators ist hierbei in an sich bekannter Weise durch zwei gitterförmige Elektroden 5, 6 begrenzt, um eine zu große Feldausbreitung in Strahlrichtung zu unterbinden. Beim Durchtritt durch den Steuerspalt besitzt der Elektronenstrahl angenähert zylinderförmige Gestalt und tritt so in den Umkehrraum vor der Reflektorelektrode 3 ein. Diese im Betriebszustand stets negativ gegenüber der Kathode vorgespannte Reflektorelektrode ist in ebenfalls an sich bekannter Weise topfförmig ausgebildet, d. h., sie besitzt einen zum Resonator hin angesetzten kurzen leitenden Flansch, der etwa ein Viertel des Reflektordurchmessers beträgt.

Die so ausgebildete Reflektorelektrode 3 wirkt im Betriebszustand wie ein Konkavspiegel auf die in den Umkehrraum eintretenden und die den Umkehrraum verlassenden Elektronen ein, d. h., sie übt eine Sammel- bzw. Bündelungswirkung auf die Elektronen aus. Durch die erfindungsgemäße Wahl der Perveanz des Elektronenstrahles, vorzugsweise gleich oder größer als 2· 10 ~⁶ Amp./Volt^3/2, überwiegt die Auf-

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spreizung durch die innere Raumladung des Strahles diese Bündelungswirkung, und zwar derart, daß bei geeigneter Wahl der Elektronenlaufzeit im Umkehrraum der Strahldurchmesser beim Verlassen des Umkehrraumes etwa das 1,5- bis 3fache des Strahldurchmessers beim Eintritt in den Umkehrraum beträgt, in welchem Zustand der Strahl auf den Elektronenauffänger 8 auf trifft, der den hinlaufenden Strahl eng umschließt. Gleichzeitig stellt diese Reflektorform sicher, daß die Elektronenlaufzeiten im Umkehrraum im wesentlichen gleich sind.

Die wesentliche Verringerung der Hysterese bei dieser erfindungsgemäßen Ausbildung läßt sich etwa auf folgende Weise erklären. Die Hysterese wird verursacht durch Elektronen, die nach dem zweiten Durchlaufen des Hohlraumresonators in den Kathodenraum zurückkehren und sich dort falschphasig den zum ersten Durchlaufen des Resonators gelangenden Elektronen eingliedern. Wählt man daher die Aufspreizung derart, wie vorstehend angegeben, zwischen dem 1,5- und 3fachen des Elektronenstrahldurchmessers beim ersten Durchlaufen des Resonators, und ist die Öffnung des Steuerspaltes bzw. des den Elektronenstrahl auf seinem Hinweg umfassenden Elektronenauffängers gerade so groß gewählt, daß sie dem Strahldurchmesser beim ersten Durchlauf entspricht bzw. daß sie den Elektronenstrahl an dieser Stelle wenigstens angenähert eng umschließt, so werden die zurückfliegenden Elektronen mit Ausnahme eines nachfolgend dargelegten praktisch verschwindend kleinen Teiles im wesentlichen auf den Elektronenauffänger auftreffen und damit vom Entladungsvorgang ausgeschieden. Beim Ausführungsbeispiel ist der Elektronenauffänger 8 aus Vereinfachungsgründen mit der Steuerelektrode 6 baulich vereinigt, was jedoch für die Zwecke der Erfindung nicht unbedingt erforderlich ist. Lediglich die in dem mittleren schraffierten Bereich 9 des Elektronenstrahles enthaltenen Elektronen vermögen nach der Reflexion in den Kathodenraum zurückzukehren. Dieser an und für sich sehr geringe Anteil an unerwünschten Elektronen läßt sich zweckmäßig dadurch noch weiter verringern bzw. vollständig beseitigen, daß ein Strahlerzeugungssystem vorgesehen wird, dessen zentraler Kathodenbereich eine wesentlich geringere Strombelastung besitzt bzw. überhaupt nicht zur Emission von Elektronen fähig ist.

Die obere Grenze der Aufspreizung liegt etwa bei dem Wert 3, da sich für größere Werte keine nennenswerte weitere Verminderung der Hysterese erzielen läßt, andererseits jedoch die Kapazität des Resonators unerwünscht stark zunimmt. Diese unerwünschte starke Zunahme der Resonatorkapazität macht sich in einer erheblichen Abnahme des Resonanzwiderstandes und damit der elektronischen Bandbreite und des Wirkungsgrades störend bemerkbar.

Zweckmäßig wählt man des weiteren bei der erfindungsgemäßen Anordnung die Laufzeit der Elektronen im Umkehr raum — für die dieAufspreizungsbedingung mit von wesentlicher Bedeutung ist — wenigstens angenähert zu 1,5 τι, 3,5 π oder 5,5 π, da sich hierdurch außer dem durch die Aufspreizung erzielten Vorteil der Hysteresefreiheit der Vorteil eines hohen Wirkungsgrades ergibt. Eine weitere Erhöhung des Wirkungsgrades bei gleichzeitiger Erhöhung der

ίο elektronischen Bandbreite einer erfindungsgemäßen Anordnung läßt sich dadurch erreichen, daß man den Durchmesser des Elektronenstrahles beim Eintritt in den Umkehrraum in der Größenordnung von etwa einem Zehntel des Resonatordurchmessers oder auch kleiner wählt. Hierdurch wird die Kapazität des Hohlraumresonators wesentlich verringert, im Vergleich zu den bekannten Anordnungen dieser Art, wodurch sich der Resonanzwiderstand des Resonators und damit die elektronische Bandbreite und der Wirkungsgrad erhöhen, wenn man eine optimal angekoppelte Last zugrunde legt.

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Reflexionsklystron, bei dem ein aus einem anfänglich konvergierenden Elektronenstrahl entstehender Rohrstrahl nach seinem ersten Durchtritt durch den Steuerspalt eines Hohlraumresonators vor einer Reflektorelektrode seine Bewegungsrichtung umkehrt und beim Rückflug unter Aufspreizung infolge der inneren Raumladung des Strahles nach seinem zweiten Durchlaufen des Hohlraumresonators auf dessen Wandung auftrifft, bei dem ferner die Elektronenlaufzeiten im Umkehrraum im wesentlichen gleich sind und bei dem außerdem die Resonatorwandung derart ausgebildet und angeordnet ist, daß sie den Elektronenstrahl vor dem ersten Durchlauf des Steuerspaltes eng umschließt, dadurch gekennzeichnet, daß die Perveanz des Elektronenrohrstrahles derart groß gewählt ist, daß in an sich bekannter Weise der äußere Strahldurchmesser beim Verlassen des Umkehrraumes das 1,5- bis 3fache des Strahldurchmessers beim Eintritt in den Umkehrraum beträgt, und daß eine praktisch in der Eintrittsebene des Elektronenstrahles in den Steuerspalt liegender Teil der Resonatorwandung (8) derart ausgebildet ist, daß er im wesentlichen alle reflektierten Elektronen auffängt.

   In Betracht gezogene Druckschriften:
   Deutsche Patentschrift Nr. 809 328;
   britische Patentschriften Nr. 703 375, 712 266;
   Hamilton, Knipp und Kuper, Klystrons and Microwave Triodes, New York, 1948, S. 312.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen