DE1164583B - Geradliniger durch einen Wanderfeld-Oszillator erregter Wanderfeld-Elektronenbeschleuniger - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Internat. Kl.: H 05 h

Deutsche Kl.: 21g-36

Nummer: 1 164 583

Aktenzeichen: C1705

Anmeldetag: 24. Juni 1958

Auslegetag: 5. März 1964

Die Erfindung betrifft einen geradlinigen, durch einen Wanderfeld-Oszillator erregten Wanderfeld-Elektronenbeschleuniger.

Vor der eigentlichen Beschreibung der Erfindung erscheint es zweckmäßig, die verwendete Terminologie zu erläutern. Der Ausdruck »Wanderfeld« wird im folgenden ebenso in bezug auf die eigentlichen Beschleuniger als auch auf die Oszillatoren verwendet und erstreckt sich sowohl auf die Röhren, die auf Grund der Wechselwirkung mit einem vorwärts laufenden Wanderfeld arbeiten, als auch auf solche mit einem rückwärts gerichteten Wanderfeld. Ein solches rückwärtslaufendes Wanderfeld wird auch mit Rückwärtsfeld bzw. Rückwärtswelle bezeichnet. Oszillatoren, die auf Grund der Wechselwirkung mit einer Rückwärtswelle arbeiten, sind in der Technik auch unter dem Namen »Carcinotron« bekannt. Ihr Aufbau und ihre Betriebsweise gehen ausführlicher aus der deutschen Patentschrift 966 271 hervor. Es erscheint fernerhin an dieser Stelle angebracht, darauf hinzuweisen, daß bekanntlich jede geometrisch-periodische Verzögerungsleitung aus einer Kette von miteinander gekoppelten Zellen aufgebaut ist oder jedenfalls einem kettenähnlichen Gebilde ähnlich sieht. Wenn schließlich der Einfachheit halber von »Steigung« (englisch: pitch) der Leitung die Rede sein wird, so soll mit diesem Terminus die Längenabmessung der einzelnen Zelle gemeint sein.

Die geradlinigen Elektronenbeschleuniger nach dem Wanderfeldprinzip, wie sie gemäß dem Stand der Technik bekannt sind, besitzen eine Verzögerungsleitung mit veränderlicher Steigung, welche zwecks Wechselwirkung mit einem Elektronenstrahl gekoppelt ist. Der Strahl wird seinerseits beschleunigt, wenn die Leitung von einer Wanderwelle gegebener Frequenz und geeigneter Phasengeschvvindigkeit durchlaufen wird.

Das Wanderfeld wird in der Verzögerungsleitung von einem Mikrowellengenerator erzeugt, der entweder außerhalb oder innerhalb der den Beschleuniger enthaltenden Röhre angebracht ist. Im letzteren Falle, besonders dann, wenn der Beschleuniger auf Grund der Wechselwirkung mit einer vorwärtsgerichteten räumlichen Grundwelle arbeitet, ist es bekannt, als Generator einen selbsterregten Oszillator vom Wanderfeldtyp zu verwenden, der ebenfalls auf Grund der Wechselwirkung mit der vorwärts gerichteten räumlichen Grundwelle arbeitet. Diese Wechselwirkung wird dadurch erreicht, daß der Strahl, der schließlich beschleunigt werden soll, mit einem Verzögerungsteil gekoppelt wird, der in Verlängerung des den Strahl beschleunigenden Teiles der Verzögerungsleitung liegt.

Geradliniger durch einen Wanderfeld-Oszillator
erregter Wanderfeld-Elektronenbeschleuniger

Anmelder:

Compagnie Generale de Telegraphic sans FiI,
Paris

Vertreter:

Dr. W. Müller-Bore, Patentanwalt,
Braunschweig, Am Bürgerpark 8

Als Erfinder benannt:
Germaine Vincent,
Hubert Leboutet, Paris

Beanspruchte Priorität:

Frankreich vom 25. Juni 1957 (Nr. 741 739)

Die bekannte Röhre, die diese Oszillator- und Beschleunigeranordnung enthält, ist also von relativ großer Länge, denn sie umfaßt in Längsrichtung hintereinander zwei Verzögerungsleitungsteile, nämlich einen für die Erzeugung der Schwingungen und einen für die Beschleunigung des Strahles.

Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen geradlinigen, von einem innerhalb derselben Röhre angeordneten Generator erregten Elektronenbeschleuniger mit einer verringerten Baulänge zu schaffen.

Dieses Ziel wird bei einem geradlinigen durch einen Wanderfeld-Oszillator erregten Wanderfeld-Elektronenbeschleuniger mit einer Verzögerungsleitung erfindungsgemäß erreicht durch eine einzige Verzögerungsleitung, deren Parameter so bemessen sind, daß das sich in ihr ausbreitende Wanderfeld gleichzeitig zur Elektronenbeschleunigung mit einem ersten Elektronenstrahl und zur Erzeugung der Erregungsschwingungen mit einem zweiten Elektronenstrahl in Wechselwirkung tritt.

Bei dem Beschleuniger nach der Erfindung sind je nach der verwendeten Verzögerungsleitung zwei Fälle zu unterscheiden. Wenn die Verzögerungsleitung so beschaffen ist, daß die räumliche Grundwelle vorwärts gerichtet ist, dann ist die erste räumliche Harmonische rückwärts gerichtet, und der Erregungsoszillator ist dann ein allgemein unter dem Namen »Carcinotron« bekannter Oszillator, d. h. ein Oszillator vom Rück-

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wärtswellentyp. Wenn — und das ist der zweite Fall — Beschleunigers konzentrisch liegen. Zur Erleichterung die räumliche Grundwelle dagegen nach rückwärts der Konstruktion und des Aufbaues besteht jeder gerichtet ist, läuft die erste räumliche Harmonische Hohlraum aus zwei Halbhohlräumen, die in der vorwärts, und der Oszillator wird etwa von jenem Querebene 16 aneinandergefügt sind. Die beiden Typ sein, bei dem entweder über einen äußeren Kreis 5 Halbhohlräume zu beiden Seiten der Kopplungsoder durch Reflexion im Inneren eine Rückkopplung öffnung 15 werden durch ein einziges Kupferstück 17 vorgesehen ist. gebildet. Jedes dieser Stücke 17 besitzt zwei ohrartige

Nach einer bevorzugten /usführungsform der Ansätze 18, die einander diametral gegenüberliegen. Erfindung ist vorgesehen, daß die Li.ngenabmessungen Alle Stücke 17 werden zusammengebaut, indem sie, der einzelnen Zellen der Verzögerungsleitung (Steigung) io eines am anderen, aneinandergereiht und hinterunterschiedlich sind und daß die mit Ausnahme der einander ausgerichtet werden. Der Zusammenbau Steigung vorhandenen anderen Parameter der einzelnen erfolgt mittels zweier Hohlröhrchen 19, auf die die Zellen so bemessen sind, daß die Phasengeschwindig- ohrförmigen Ansätze 18 aufgeschoben werden. Die keit der ersten räumlichen Harmonischen für eine Röhrchen 19 werden dadurch gekühlt, daß eine gegebene Frequenz über die Leitungslänge konstant 15 Kühlflüssigkeit in ihnen zirkuliert, wodurch, auf dem und gleich der Geschwindigkeit des für die Erzeugung Wege der Konvektion, auch die Hohlräume gekühlt der Schwingungen benutzten Elektronenstrahles ist. werden. Die Röhrchen 19 sind am einen Ende durch Der zweite Strahl ist dann vermöge seiner Wechsel- Hartlösung mit einem Kollektor 20 derart verbunden, wirkung mit der räumlichen Grundwelle, die sich daß ihre Enden in einem ringförmigen Kühlkanal 21 längs der Leitung mit zunehmender Geschwindigkeit 20 auslaufen, der in dem Kollektor 20 vorgesehen ist. ausbreitet, einer Beschleunigung unterworfen. Der Durchmesser des Kollektors 20 ist gleich dem

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Er- Innendurchmesser des Zylinders 1. Mit diesem Zylinder findung wird der zu beschleunigende Strahl dadurch ist der Kollektor in irgendeiner geeigneten Art und gebildet, daß wenigstens ein Teil des zur Schwingungs- Weise, beispielsweise durch Hartlötung, verbunden, erzeugung benutzten Elektronenstrahles an einer 25 Die Röhrchen 19 treten an ihrem anderen Ende frei Reflexionselektrcde reflektiert wird. durch entsprechende öffnungen in der Beschleunigungs-Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung anode 22 hindurch. Der Durchmesser der Beschleuniwerden aus der nachfolgenden Beschreibung von Aus- gungsanode stimmt ebenfalls mit dem inneren Durchführungsbeispielen an Hand der Zeichnung hervor- messer des Zylinders 1 überein, die Anode kann aber gehen. 30 längs der Zylinderinnenwand frei gleiten. Nach dem

F i g. 1 ist ein Axialschnitt einer ersten Aus- Zusammenbau der Stücke 17 der Verzögerungsleitung

führungsform eines gemäß der Erfindung ausgebildeten wird über die Röhrchen 19 schließlich die Anode 22

geradlinigen Elektronenbeschleunigers; aufgesetzt und die ganze Anordnung mittels Muttern23

F i g. 2 ist ein Diagramm mit Dispersionskurven fest verspannt. Zu diesem Zweck sind die in Frage

für einige Zellen der Verzögerungsleitung nach F i g. 1; 35 kommenden Abschnitte der Röhrchen 19 in geeigneter

F i g. 3 ist ein Längsschnitt durch eine zweite Weise mit Gewinde versehen. Jedes der Röhrchen 19

Ausführungsform eines gemäß der Erfindung aus- ist noch um ein Stück weiter fortgesetzt, das durch

gebildeten geradlinigen Elektronenbeschleunigers; den Deckel 2 hindurchtritt. Unter Zwischenlage einer

Fig. 4 ist ein Querschnitt längs der Linie4-4 der Dichtung24 beliebiger geeigneter Konstruktion sind

Fig. 3; 40 sie dann mit den Endstücken 25 verbunden, über die

F i g. 5 ist eine perspektivische Ansicht der in den sie an das Kühlsystem anzuschließen sind.

Fi g. 3 und 4 dargestellten Verzögerungsleitung; Die ersten, dem Kollektor 20 benachbarten Hohl-

F i g. 6 zeigt eine Dispersionskurve für die Ver- räume am einen Ende der Verzögerungsleitung, z. B.

zögerungsleitung nach der F i g. 5. die Hohlräume 6 und 7, tragen auf ihrer Oberfläche

45 einen Dämpfungsbelag, der in axialer Richtung mehr

Erste spezielle Ausführungsform des Beschleunigers ™^{d mehr} abnimmt, wie in der Zeichnung durch die

^F Schattierung 38 angedeutet ist. An Stelle des in

A. Aufbau und Dimensionierung F i g. 1 gezeigten Dämpfungsbelages können jedoch

selbstverständlich auch irgendwelche anderen ge-

Nunmehrwird auf die Zeichnungen Bezug genommen, 50 eigneten und gleichwertigen Mittel verwendet werden, in denen für gleiche Teile durchgehend gleiche Beispielsweise kann man für die ersten der Hohlraum-Bezugszahlen verwendet sind. In F i g. 1 sieht man blöcke 17 der Verzögerungsleitung verlustreiches einen Beschleuniger im Längsschnitt. Die Bezugszahl 1 Material verwenden.

bezeichnet eine aus einem metallischen Zylinder Die Anode 22, die in ihrer Mitte eine Öffnung 26

gebildete Hülle, die den Beschleuniger enthält. Der 55 geeigneten Querschnitts besitzt, trägt an ihrer Außen-

Zylinder ist auf seiner einen Seite durch einen seite unter Zwischenschaltung von Isolierstäbchen 27

metallischen Deckel 2 abgeschlossen und auf seiner eine Kathode 28, z. B. in Gestalt einer Spirale aus

anderen Seite durch einen keramischen Deckel 3, thoriertem Wolfram, die in ihrer Mitte ein Loch oder

der einen Pumpstutzen 4 mit öffnung 5 zum Anschluß eine Öffnung freiläßt. Die Kathodenspirale 28 wird

an die Vakuumpumpe besitzt, die die Aufrecht- 60 mittels einer Stromquelle 29 geheizt. Die Anschlüsse 30

erhaltung eines Hochvakuums in der Hülle 1 der sind durch eine isolierte Durchführung 31 in der

Röhre ermöglicht. Im Inneren der Hülle 1 befindet Röhre 1 geführt.

sich eine Verzögerungsleitung, deren Einzelheiten Der Deckel 2 ist in seiner Mitte durchbohrt und die

hinsichtlich ihrer Dimensionierung weiter unten Öffnung durch ein sehr dünnes Fenster 36 aus

diskutiert werden sollen. Die Verzögerungsleitung 65 Aluminium oder Platin, das mit der Halterung hart

besteht aus einer Kette zylindrischer Hohlräume 6, 7, verlötet ist, abgedichtet.

8, 9, 10, 11, 12, 13 und 14, die miteinander durch Die Kathode 28 ist durch ihren Hochspannungs-Öffnungen 15 gekoppelt sind, welche zur Achse des anschluß -HT₁ mit dem negativen Pol der Hoch-

Spannungsquelle beliebiger Konstruktion verbunden, deren positive Klemme +HT ebenso wie der ganze Aufbau der Röhre 1 und wie alle anderen elektrisch mit ihm verbundenen Teile an Masse gelegt ist.

Die Kathode 28 emittiert Elektronen, die durch die Öffnung 26 der gegenüber der Kathode auf relaitv hohem Potential gehaltenen Anode 22 hindurchtreten und dabei in einen zylindrischen Strahl 32 fokussiert werden, der sich längs der Achse des Systems durch die Kopplungsöffnungen 15 hindurch ausbreitet. An dem Ende seiner Bahn wird der Strahl 32 mit Ausnahme eines kleinen Teils von dem Kollektor 20 absorbiert. Der erwähnte nicht absorbierte Teil des Strahles tritt durch einen axialen Kanal 33 hindurch, der in dem Kollektor 20 vorgesehen ist und einen wesentlich kleineren Durchmesser besitzt als der Strahl 32. Auf diese Weise durchsetzt ein kleiner Teil des Strahles 32 den Kollektor 20, und die Elektronen dieses kleinen Strahlteiles kehren unter der Wirkung eines von einem Hochspannungsanschluß —.flTagespeistenReflektors 34 um. Der Hochspannungsanschluß -HT₂, dessen Potential gleich oder geringer ist als das der Kathode 28 und außerdem verändert werden kann, ist durch den Isolierdeckel 3 durchgeführt. Die von dem Reflektor 34 zurückgeworfenen Elektronen bilden einen Strahl 35 geringer Intensität, der erneut durch den Kanal 33 hindurchtritt, sich darauf durch den Strahl 32 hindurch und in der Achse desselben in einer diesem Strahl entgegengesetzten Richtung ausbreitet, die Kopplungsöffnungen 15 durchsetzt sowie die Öffnung 26 und das Loch in der Mitte der Kathode 28 und schließlich durch das Ausgangsfenster 36 austritt.

Die Strahlen 32 und 35werden durch ein magnetisches I ängsfeld fokussiert, das von der Spule 37 oder einem gleichwertigen Permanentmagneten geeigneter Konstruktion bereitgestellt wird.

Die Überlegungen, die auf die Dimensionierungsregeln der Hohlraumkette 6 bis 14 führen, wird man besser an Hand der F i g. 2 verstehen. Dort ist eine Schar von Dispersionskurven wiedergegeben, also

Kurven, die den Quotienten — als Funktion von A

darstellen, wobei c die Lichtgeschwindigkeit, ν die Phasengeschwindigkeit und A die Wellenlänge der sich ausbreitenden Welle ist, und zwar bei einer Verzögerungsleitung von jenem Typ, bei dem die Grundwelle vorwärtsgerichtet ist. Die in F i g. 1 als Beispiel angeführte Hohlraumleitung gehört, wie bekannt, zu dieser Klasse der Verzögerungsleitungen.

Drei Dispersionskurven AiOAa, BiMBa und CiNCa, deren Lage im Koordinatensystem von den Aufbauparametern der Verzögerungsleitung abhängt, sind in Fig. 2 gezeigt. Jede Kurve besitzt einen Ast sogenannter Geradeaus- oder Vorwärtsdispersion, nämlich den Ast OAa, MBa bzw. NCa, der der räumlichen Grundwelle entspricht, sowie einen Ast mit entgegengesetzt gerichteter oder Rückwärtsdispersion, nämlich OAi, MBi bzw. NCi, welcher der ersten räumlichen Harmonischen entspricht. Die gemeinsamen Punkte O, M bzw. TV der beiden Äste bezeichnen den π-Modus als Betriebszustand.

Es ist stets möglich, in der Koordinatenebene einen Punkt O zu setzen, der einer gewünschten Wellenlänge A₀ und einem gewünschten Wert des Quotienten —,

z. B. — = 2, zugeordnet ist. Dabei bedeutet vi die Phasengeschwindigkeit des ersten harmonischen räumlichen Modus (umgekehrter Modus) in einer gegebenen Zelle bei einer gegebenen Wellenlänge A₀.

Die Verzögerungsleitung des erfindungsgemäß ausgebildeten Beschleunigers ist aus einer Aneinanderreihung von Zellen gebildet, die verschieden dimensioniert sind und von denen jede eine Dispersionskurve besitzt, die im Koordinatensystem jeweils eine andere Lage einnimmt. Das gemeinsame Merkmal dieser verschiedenen Kurven liegt darin, daß ihre der Rückwärtsdispersion entsprechenden Äste sämtlich durch den Punkt O hindurchgehen. Die Verzögerungsleitung ist also gemäß der vorliegenden Erfindung mit anderen Worten so beschaffen, daß sich die Dispersionskurven aller einzelnen Zellen trotz der unterschiedlichen räumlichen Abmessungen derselben mit ihren Rückwärtsästen sämtlich in einem gemeinsamen Punkt, z. B. dem Punkt O der F i g. 2, schneiden.

Es ist bemerkenswert, daß die Verläufe der Kurven in F i g. 2 nur innerhalb zweier fester Grenzen liegen können. Die eine Grenze ist dadurch gegeben, daß der Punkt O dem π-Modus entspricht, was auf die Kurve AiOAa als Grenzkurve führt. Die andere Grenzkurve geht mit ihrem der Vorwärtsdispersion entsprechenden Ast durch den Punkt D hindurch, der

durch die Koordinaten /I₀ und — = 1 festgelegt ist.

Dabei stellt die Geschwindigkeit ν = c die oberste Grenze dar, bis zu der eine Beschleunigung noch möglich ist. Die letztgenannte Kurve ist in der Zeichnung die Kurve CiNCa-

Vorzugsweise, obgleich nicht unbedingt notwendig, werden die Endhohlräume der Leitung, wie z. B. die Hohlräume 6 und 14, so dimensioniert, daß sich für den Hohlraum 6 eine Dispersionskurve gemäß der Kurve AiOAa und für den Hohlraum 14 eine Dispersionskurve gemäß der Kurve CiNCa ergibt. Die dazwischenliegenden Hohlräume der Verzögerungsleitung, also die Hohlräume 7, 8, 9, 10, 11, 12 und 13 werden dann in der Weise realisiert, daß ihre Dispersionskurven zwischen den beiden letzterwähnten Kurven liegen, wie beispielsweise die Kurve BiMBa, die in F i g. 2 als Beispiel gestrichelt angedeutet ist. Der der Vorwärtsdispersion entsprechende Ast dieser Kurve, kurz Vorwärtsast genannt, schneidet die Senkrechte durch die Abszisse A₀ in einem Punkt E

mit der Ordinate

Dabei bezeichnet va die Phasengeschwindigkeit des räumlichen Grundmodus (direkter Modus) in einer gegebenen Zelle bei der gegebenen Wellenlänge A₀.

Es ist bekannt, daß in Leitungen mit periodischer Struktur und der Steigung ρ die Phasengeschwindigkeit durch folgenden allgemeinen Ausdruck gegeben ist:

ν =

2π· ep

Hierin ist ψ_ά die Phasendrehung pro Zelle für die Grundwelle, und es gilt 0 < y>_d < π, wenn der Grundwellenmodus eine Vorwärtswelle ist. K bezeichnet den Rang der räumlichen Komponente (k = 0 für den Grundmodus, k = — 1 für den ersten harmonischen [umgekehrten] Modus).

Aus Gleichung (1) erhält man für den Grundwellenmodus mit ν = να und k = Null:

va

2π

7 8

Für den Modus der ersten Harmonischen gilt, mit Es zeigte sich, daß in der hier besprochenen

ν =—ν«, rückwärts gerichteter Phasengeschwindigkeit speziellen Ausführungsform der Erfindung die ge- und Jt = —-1: wünschten Eigenschaften dadurch verwirklicht werden

konnten, daß der Hohlraumdurchmesser d in sehr ,0) 5 geringem Maße verkleinert wird, und zwar ausgehend

2_π ¹Jp' ^von einem Wert 8,3 cm für den Hohlraum 6 bis zu

einem Wert von 8,2 cm für den Hohlraum 14, und Die Gleichung (3) gibt unmittelbar die Beziehung ferner dadurch, daß man den Durchmesser j der zwischen der Phasendrehung?/^ und der Steigung/? öffnungen 15 von 3 cm für den Hohlraum 6 zu einem

,. ... . , r, ,, j τ . t- · u c ίο Wert von 1,85 cm für den Hohlraum 14 in dem Maße

an, diefur jedeZelle der Leitung be. gegebenem ^ er- _{abnehmen läßt> wie die Stdgung größer wird}

erfüllt sein muß: „ , , .

B. Arbeitsweise

W Nachdem nunmehr Aufbau und Dimensionierung

15 einer Ausführungsform des erfindungsgemäß aus-

Die Steigung der äußeren oder Endzellen kann man gebildeten Beschleunigers vollständig beschrieben sind,

folgendermaßen erhalten. Wenn der Hohlraum 6 für ebenso wie das mathematische Verfahren, das dahin

den Betrieb im π-Modus entsprechend dem Punkt O führt, soll jetzt die Arbeitsweise in größerer Aus-

der Kurve AiOAa eingerichtet ist, gilt die Beziehung führlichkeit dargestellt werden.

cc ^ao An die Kathode 28 und den Reflektor 34 werden

~"~ ⁼ ~"· Spannungen angelegt, die sich nach dem gewählten

TT- ·* ,, ^, ■ ,. _/on ... · Wert des Quotienten bestimmen. Beispielsweise wird

Hiermit geht Gleichung (2) über m: ^x 17 ^v

X_n bei einem Wert ^c = 2, also v_t gleich 150000 km/sec,

ρ = --—. (5) ^a5 f/

2. ^c ein negatives Potential an den Hochspannungs-

Vi anschluß -HT₁ angelegt, das dieser Geschwindigkeit,

ausgedrückt in Volt, entspricht, wobei die relati-Wenn der Hohlraum 14 für eine Ausbreitung im vistische Korrektur in Rechnung gestellt wird. Das

·,, .. _t j .. e _Λ . t,jj η ι*/-. 3o ergibt ein negatives Potential von ungefähr 80000 Volt. Vorwartsmodus mit—= 1 entsprechend dem Punkt O . ⁶ , ,* , ., _n ττ-r ■ j

ν,; ^v An den Hochspannungsanschluß -HT₂ wird em

der Kurve CiOCa ausgebildet ist, erhält man durch niedrigeres negatives Potential gelegt, beispielsweise

Elimination von ip_d aus den Gleichungen (2) und (3) etwa 8100OVoIt. Die Kathode 28 emittiert dann

. einen Strahl 32, der sich mit der konstanten Geschwin-

p — J> , (6) 35 digkeit von 150000 km/sec zwischen der Anode 22

1 , ^c und dem Kollektor 20 in Richtung der Abnahme der

Vi Leitungssteigung ausbreitet. Die Wechselwirkung

zwischen dem Strahl 32 und der Leitung bewirkt nach

Für die zwischen den Endhohlräumen 6 und 14 dem wohlbekannten Erregungsmechanismus des Rückliegenden Hohlräume ändert sich die Steigung/? 40 wärtswellenoszillators in der letzteren die Anregung zwischen den durch die Gleichungen (5) und (6) einer Schwingung von der gewählten Wellenlänge X₀ gegebenen Werten nach einem solchen Gesetz, daß in dem der rückwärtsgerichteten ersten räumlichen die Änderung der Phasengeschwindigkeit, die die Harmonischen entsprechenden Schwingungsmodus. Wanderwelle erfährt, so gleichmäßig wie möglich mit Da alle Zellen der Verzögerungsleitung im Betriebsder Geschwindigkeitsänderung zusammenfällt, der die 45 punkt O der F i g. 2 arbeiten, besitzt diese erste Elektronen des beschleunigten Strahles unterworfen räumliche Harmonische eine konstante Phasenwerden. Nachdem auf dieser Grundlage die Steigung ρ geschwindigkeit. Ihre Ausbreitungsrichtung ist der jeder Zelle festgelegt ist, kann man aus Gleichung (4) Richtung des Strahles 32 entgegengesetzt, d. h. also die Phasendrehung ermitteln, welche die jeweilige vom Kollektor 20 zur Anode 22 gerichtet, während Zelle aufweisen muß und die dadurch realisiert werden 50 ihre Phasengeschwindigkeit mit dem Strahl 32 die kann, daß man die anderen Aufbauparameter der gleiche Richtung hat und mit ihm synchron bleibt. Zelle außer der bereits festgelegten Steigung in Die am Ende der Leitung in der Nähe des Kollektors 20 geeigneter Weise bemißt. Bei den Hohlräumen sind angebrachte Dämpfung 38 hat die in Verbindung mit die noch freien Aufbauparameter der Hohlraum- einem »Carcinotron« bekannten Aufgaben. Da die durchmesser und der Durchmesser der Kopplungs- 55 Verzögerungsleitung hier im Gegensatz zu jener des öffnung. »Carcinotrons« an ihrem kathodenseitigen Ende nicht

·,,, _u ■ ■ , · c _ J₁ .„ mit einem Abschluß am Ausgang versehen ist, sondern

Wenn man beispielsweise — = 2 und /„ = 10cm , „ , ... ,,. ., _t . ,⁶ ..r ,. „.. ' _r -_o

^r V₁ " dort leerlauft, ergibt sich fur die Dampfung 38

vorgibt, erhält man für den Hohlraum 6: ρ = 2,5 cm darüber hinaus die zusätzliche Aufgabe, jene Energie

und v_d = zt, sowie für den Hohlraum 14: ρ — 3,33 cm 60 zu absorbieren, die dem Strahl nicht mitgeteilt worden

und v_d = 0,667 ze. ist und nun, am leer laufenden Ende reflektiert, längs

Die Steigung/? ist gleich dem Abstand der Mittel- der Leitung zurückläuft.

ebenen der Trennwände zwischen zwei benachbarten Der rückwärtsgerichtete reflektierte Strahl 35 tritt

Hohlräumen. in die Verzögerungsleitung mit eben der Geschwindig-

Für die zwischen den Endhohlräumen liegenden 65 keit ein, die der Beschleunigungsspannung von der

Hohlräume 7 bis 13 liegen die Werte ρ und ipa zwischen Größenordnung 80 000 Volt zwischen dem Kollektor 20

den beiden oben für die Hohlräume 6 und 14 an- und dem Reflektor 34 entspricht. Er breitet sich dann

gegebenen Daten. in der Achse der Verzögerungsleitung aus, in der in

gleicher Richtung das von dem Oszillatormechanismus mit der Wellenlänge λ₀ induzierte Wanderfeld verläuft, dessen Grundmodus vorwärtsgerichtet ist. Die Phasengeschwindigkeit dieses Modus, von gleicher Richtung wie der Strahl 35, steigt in Richtung desselben an. Der Betriebspunkt des Vorwärtsmodus bewegt sich somit zwischen den Punkten O und D in F i g. 2 und entspricht jeweils einem Punkt auf der Leitung. Der Strahl 35 synchronisiert sich demzufolge mit der wirkt, einen laminaren Strahl 52 parallel zur Verzögerungsleitung 41 in Richtung der Abnahme der Leitungssteigung. Der Strahl wird von der Platte 42, die als Kollektor arbeitet, absorbiert. Die Strahlen 49 und 52 werden durch ein magnetisches Längsfeld fokussiert, das z. B. durch die Wicklung 53 oder durch einen geeignet konstruierten gleichwertigen Permanentmagneten aufgebaut wird.
Die Hülle 40 endet auf einer Seite in einem Glas-

Wanderwelle, d. h., seine Geschwindigkeit ändert sich io Verschluß 54 durch den die Hochspannungsanschlüsse derart, daß er ständig in Wechselwirkung bleibt und -HT₁ des Systems 48 hindurchtreten. An ihrem

anderen Ende ist die Hülle 40 von einem metallischen Deckel 55 abgeschlossen, in den durch Hartlötung ein dünnes Ausgangsfenster 56 eingesetzt ist, das mit

die von der Welle mitgeführte Energie übernimmt. Man sieht also, daß der Strahl 35 beschleunigt wird uns seine Geschwindigkeit am Ende der Bahn beim

Durchtritt durch den Hohlraum 14 in Überein- 15 dem Kanal 45 und der öffnung 47 in einer Linie liegt.

Stimmung mit den für diesen Hohlraum realisierten Daten einen Wert v<z erreicht, der die Lichtgeschwindigkeit c gleich ist oder sich dieser jedenfalls weitgehend genähert hat.

Da der beschleunigte Strahl 35 eine große Energie besitzt, wird er im Ausgang des Kanals 26 durch das verzögernde Feld auf Grund der Potentialdifferenz zwischen der Kathode 23 und der Anode 22 nur sehr geringfügig gebremst. Nach Durchtritt durch die Kathode 28 wird er darüber hinaus durch dieselbe Potentialdifferenz zwischen dem Deckel 2 und der Kathode 28 wieder beschleunigt und erreicht das Ausgangsfenster 36 mit derselben Energie, die er am Ende der Leitung besessen hatte. Dank dieser Energie tritt er durch das Fenster 36 leicht hindurch und steht auf der Außenseite des Beschleunigers für eine weitere Verwendung zur Verfügung.

Zweite spezielle Ausführungsform des Beschleunigers

35 A. Aufbau und Dimensionierung

Die F i g. 3 und 4 zeigen eine andere Ausführungsform des Beschleunigers gemäß der Erfindung. Diese abgewandelte Ausführungsform enthält im Inneren einer röhrenförmigen, evakuierten Hülle 40 eine Verzögerungsleitung 41 vom Interdigitaltyp, deren Steigung, Leitungsbreite und Fingerlänge unterschiedlich sind und die in F i g. 5 perspektivisch dargestellt ist. Die Verzögerungsleitung ist aus zwei kammartigen Gebilden 41' und 41" zusammengesetzt, die in irgendeiner geeigneten Weise mit der metallischen Hülle 40 fest verbunden sind. Die Verzögerungsleitung ist an ihren beiden Enden durch Reflexionsebenen abgeschlossen, die aus zwei kreisförmigen Platten 42 und 43 bestehen. Die Finger 44' und 44" der kammartigen Gebilde 41' bzw. 41" sind in Längsrichtung derart durchbohrt, daß ein Kanal 45 entsteht, mit dem die Öffnungen 46 und 47 in den Platten 42 und 43 in einer Fluchtlinie liegen. Ein Elektronenstrahlerzeugungssystem 48 mit punktförmiger Kathode und mit Wehnelt-Elektrode ist passend zur Öffnung 46 angebracht. Das System emittiert durch die Platte 42, die nach Art einer Beschleunigungsanode wirkt, einen geradlinigen Elektronenstrahl 49 schwacher Intensität, der in der Richtung der Zunahme der Steigung der Verzögerungsleitung 41 durch den Kanal 45 und die Öffnung 47 hindurchtritt.

Die Platte 43 besitzt aber auch einen Schlitz 50 parallel zur Ebene der Verzögerungsleitung. Hinter diesem Schlitz 50 ist ein zweites Elektronenstrahlerzeugungssystem 51 mit geradliniger Kathode und Wehnelt-Elektrode in Stellung gebracht. Dieses System emittiert durch die Platte 43, die als Anode Die Hochspannungsanschlüsse -HT₂ des Systems 51 treten nach außen durch den Glasverschluß 57 aus, der an der seitlichen Oberfläche der Hülle 40 vorgesehen ist.

Die äußere Oberfläche der Hülle 40 ist in der Nachbarschaft der Platte 42 mit Kühlrippen 58 versehen.

Die in F i g. 5 dargestellte Leitung ist von jenem Typ mit rückwärtsgerichteter räumlicher Grundwelle und mit einer ersten räumlichen Harmonischen, die vorwärts gerichtet ist. Die allgemeine Gestalt der Dispersionskurve für diese Leitung zeigt F i g. 6.

Die Phasengeschwindigkeit kann für diesen Fall in einer allgemeinen, zur Gleichung (1) analogen Formel ausgedrückt werden:

2nc ρ

ν =

A₀ Ιψ_{ -\-2kn — 2π\

(7)

Hierin gilt 2 π > ψ_ι > π; ip_t ist die Phasendrehung pro Zelle für den rückwärts gerichteten Grundwellenmodus.

Durch Überlegungen, analog jenen, die im Zusammenhang mit F i g. 2 und mit der im Beschleuniger nach F i g. 1 benutzten Leitung aufgezeigt wurden, kann man ohne weiteres zu einer Bestimmung der Fingerlänge / und der Steigung der in F i g. 5 dargestellten Leitung kommen, wobei man davon ausgeht, daß im vorwärts gerichteten Modus der ersten Harmonischen alle Zellen mit dem gleichen Verzögerungsverhältnis — und mit derselben Wellen-

länge λ₀ arbeiten.

Unter Benutzung derselben Überlegungen wie oben erhält man

P =

(8)

(9)

Die Abmessungen der Leitung sind so, daß diese Ausdrücke für jede Zelle der Verzögerungsleitung gültig sind. Dabei ändert sich -^- beispielsweise

zwischen dem Wert — andern engen Ende der Leitung und dem Wert 1 an dem weiten Ende der Leitung.

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Die Breite der einzelnen Finger ist konstant und der Abstand s zwischen dem Ende des einzelnen Fingers und dem ihm gegenüberliegenden Kammjoch ergibt sich als Mittelwert der Breite der Abstände zwischen den zwei benachbarten Fingern und dem betrachteten Finger selbst, so daß man ohne weiteres erkennt, daß auch die Weite / + s der Leitung mit der Fingerlänge / und der Steigung;? zunimmt.

Analog zum Falle der Verzögerungsleitung nach F i g. 1 sind, abgesehen von der Steigung, die Parameter der in F i g. 5 dargestellten Leitung nach Wahl des Gesetzes, nach dem sich die Steigung ändert, so festgelegt, daß die Phasengeschwindigkeit der ersten räumlichen Harmonischen längs der Leitung konstant ist, während die der Grundwelle in Richtung der Zunahme der Steigung anwäschst.

B. Arbeitsweise

Die Arbeitsweise des Beschleunigers nach den Fig. 3 bis 6 ist zu der des Beschleunigers nach F i g. 1 reziprok, d. h., die Beschleunigung findet durch Wechselwirkung mit einem Rückwärtsmodus statt und die Erzeugung des Mikrowellenfeldes durch Wechselwirkung mit einem Vorwärtsmodus. Nachdem an die Hochspannungsanschlüsse -HT₂ die zur Erreichung der gewünschten Geschwindigkeit va notwenidge Hochspannung angelegt ist, breitet sich der Elektronenstrahl 52 mit dieser konstanten Geschwindigkeit να aus, und es ist bekannt, daß unter diesen Bedingungen ein Gebilde wie das vorstehend unter Bezugnahme auf die Fig. 3 bis 5 beschriebene zu schwingen beginnen kann. Dementsprechend breitet sich längs der Leitung 41 ein Wanderfeld aus, das an den Ebenen 42 und 43 vielfache Reflexionen erfährt. Der Oszillator arbeitet daher praktisch mit stehender Welle. Eine solche läßt sich bekanntlich in zwei fortschreitende Wellen mit entgegengesetzter Ausbreitungsrichtung zerlegen; lediglich die eine dieser Wellen breitet sich in derselben Richtung wie der Strahl 52 aus und tritt in ihrem Vorwärtsmodus (erste Harmonische), dessen Phasengeschwindigkeit dieselbe Richtung wie der Strahl 52 hat und längs der Leitung konstant ist, in Wechselwirkung.

Wenn die Hochspannung an die Hochspannungsanschlüsse -HT₁ in der Weise angelegt wird, daß der Strahl 49 in den Kanal 45 mit einer Geschwindigkeit vj eintritt, die vorzugsweise gleich oder nahe der Geschwindigkeit va ist, entsteht zwischen diesem Strahl 49 und dem erwähnten vorwärtsgerichteten, sich entgegengesetzt zum Strahl 49 ausbreitenden Wanderfeld eine Wechselwirkung. Diese erfolgt im Rückwärts-(Grundwellen)-Modus, dessen Phasengeschwindigkeit der Ausbreitungsrichtung entgegengesetzt ist, also mit dem Strahl 49 gleichsinnig verläuft. Da diese Phasengeschwindigkeit anwächst, kommt es zu einer Wechselwirkung dann, wenn der Strahl mit der Phasengeschwindigkeit synchronisiert ist, wenn er also beschleunigt wird. Man sieht also, daß das Ergebnis letztlich dasselbe bleibt wie bei dem Beschleuniger nach Fig. 1. Der beschleunigte Strahl tritt durch das Fenster 56 nach außen aus.

Die hier beschriebenen Vorrichtungen gestatten die Nutzbarmachung des Elektronenstrahles außerhalb der Röhre. Wenn lediglich ein Bündel von Gammastrahlen verlangt ist, wird das Ende der Röhre, d. h. also das Ende der Bahn des beschleunigten Elektronenstrahles, vorteilhafterweise durch ein Plättchen aus beispielsweise Kupfer oder Gold abgeschlossen. Die Anordnung kann außerdem unmittelbar als Quelle schneller Neutronen dadurch eingerichtet werden, daß man einen Berylliumblock unmittelbar am Ausgangsfenster anbringt.

Die vorliegende Erfindung beschränkt sich nicht auf die in den Zeichnungen gezeigten Ausführungsformen. Beispielsweise kann an Stelle des mit Reflexion arbeitenden Systems nach F i g. 1 auch die Anordnung zweier ElektronenstrahlerzeugungssystemegemäßF i g.3 verwendet werden und umgekehrt. Das Vorhandensein des Reflektors ist jedoch vorteilhaft; denn durch Veränderung des Reflektorpotentials ist es möglich, die Eingangsphase der reflektierten Elektronenpakete, mit der diese in das Hochfrequenzfeld eintreten, zu regeln. Die Tatsache, daß die nachfolgend zur Beschleunigung gelangenden Elektronen bereits zu Paketen gruppiert sind, erleichtert die Regelung der Beschleunigung und verleiht dem Gerät ein sehr enges Energiespektrum.

Es ist gleichfalls offensichtlich, daß die Quelle des zu beschleunigenden Elektronenstrahles auch aus einer Platte mit Sekundäremission bestehen könnte, anstatt aus einem Reflektor oder einem Elektronenstrahlerzeugungssystem.

Die oben beschriebenen Ausführungsformen von Verzögerungsleitungen dienen lediglich zur Erläuterung. Selbstverständlich können sie abgewandelt werden; z. B. kann jedwede Leitungsart, die die allgemeinen, für die Leitungen nach F i g. 1 bzw. 5 beschriebenen Eigenschaften aufweist und gemäß den oben dargelegten Überlegungen dimensioniert ist, zur Anwendung gelangen.

Der Oszillator vom Vorwärtswellentyp, der mit inneren Reflexionen arbeitet und im Zusammenhang mit der Ausführungsform nach F i g. 3 beschrieben wurde, könnte auch durch irgendeinen anderen geeigneten Oszillator ersetzt werden, z. B. einen solchen, der eine Rückkopplung über eine äußere Leitung oder Hohlleitung usw. verwendet.

Das Ziel der vorliegenden Erfindung, also ein Beschleuniger vom Wanderfeldtyp, erregt durch einen Oszillator, ebenfalls vom Wanderfeldtyp, ist jeweils dann erreicht, wenn dieselbe Verzögerungsleitung sowohl für die eigentliche Beschleunigung als auch für die Schwingungserregung benutzt wird, wodurch sich die Länge des Konstruktionsaufbaues gegenüber solchen Röhren, in denen diese Kreise zwar innerhalb derselben Hülle angeordnet, aber voneinander getrennt sind, reduziert.

Claims (16)

Patentansprüche:

1. Geradliniger durch einen Wanderfeld-Oszillator erregter Wanderfeld-Elektronenbeschleuniger mit einer Verzögerungsleitung, gekennzeichnet durch eine einzige Verzögerungsleitung, (6 bis 14 bzw. 41', 41"), deren Parameter so bemessen sind, daß das sich in ihr ausbreitende Wanderfeld gleichzeitig zur Elektronenbeschleunigung mit einem ersten Elektronenstrahl (35, 49) und zur Erzeugung der Erregungsschwingungen mit einem zweiten Elektronenstrahl (32, 52) in Wechselwirkung tritt.

2. Beschleuniger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Elektronenstrahlen einander entgegengesetzt parallel zur Verzögerungsleitung gerichtet sind.

3. Beschleuniger nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet, durch eine solche Bemessung der

Verzögerungsleitung, daß der zu beschleunigende Strahl einer Wechselwirkung mit der räumlichen Grundwelle des in der Verzögerungsleitung sich ausbreitenden Wanderfeldes unterliegt und daß der zweite Elektronenstrahl mit der ersten räumliehen Harmonischen desselben Feldes in Wechselwirkung steht.

4. Beschleuniger nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Längenabmessungen der einzelnen Zellen der Verzögerungsleitung (Steigung) * unterschiedlich sind und daß die mit Ausnahme der Steigung vorhandenen anderen Parameter der einzelnen Zellen so bemessen sind, daß die Phasengeschwindigkeit der ersten räumlichen Harmonischen für eine gegebene Frequenz über der Leitungslänge konstant und gleich der Geschwindigkeit des für die Erzeugung der Schwingungen benutzten Elektronenstrahles ist.

5. Beschleuniger nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die äußerste Zelle auf der Seite der Verzögerungsleitung, wo die Elektronenbeschleunigung beginnt, derart bemessen ist, daß sie im π-Modus oder in dessen unmittelbaren Nachbarschaft arbeitet.

6. Beschleuniger nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die äußerste Verzögerungsleitungszelle auf der Austrittsseite der beschleunigten Elektrone so bemessen ist, daß sie mit einer Phasengeschwindigkeit arbeitet, die nahe an die Lichtgeschwindigkeit heranreicht.

7. Beschleuniger nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerungsleitung von einem solchen Typ ist, bei dem die räumliche Grundwelle vorwärts gerichtet und die erste räumliche Harmonische rückwärts gerichtet ist.

8. Beschleuniger nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerungsleitung vom Typ mit gekoppelten Hohlräumen ist.

9. Beschleuniger nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerungsleitung von einem solchen Typ ist, bei dem die räumliche Grundwelle rückwärts und die erste räumliche Harmonische vorwärts gerichtet ist.

10. Beschleuniger nach einem der Ansprüche 4 bis 6 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerungsleitung vom Interdigitaltyp ist.

11. Beschleuniger nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Elektronenstrahlen von zwei getrennten Elektronenstrahlerzeugungssystemen geliefert werden.

12. Beschleuniger nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zu beschleunigende Elektronenstrahl dadurch gebildet wird, daß wenigstens ein Teil des zur Schwingungserzeugung benutzten Elektronenstrahls an einer Reflexionselektrode reflektiert ist.

13. Beschleuniger nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zur Schwingungserzeugung benutzte Elektronenstrahl aus einer primären Elektronenquelle geliefert wird und der zu beschleunigende Strahl aus einer Sekundärelektronenquelle.

14. Beschleuniger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine solche Ausbildung des Strahlaustrittsfensters, daß aus dem Beschleuniger ein Elektronenstrahl großer Energie austritt.

15. Beschleuniger nach einem der Ansprüche 1 bis 13, gekennzeichnet durch solche Mittel, daß aus ihm ein Bündel von Gammastrahlen austritt.

16. Beschleuniger nach einem der Ansprüche 1 bis 13, gekennzeichnet durch solche Mittel, daß aus ihm ein Strahl schneller Neutronen austritt.

In Betracht gezogene ältere Patente:
Deutsches Patent Nr. 1 117 794.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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