DE1182357B

DE1182357B - Cavity resonator for high frequency discharge tubes with speed modulation

Info

Publication number: DE1182357B
Application number: DEV11811A
Authority: DE
Inventors: Robert Lawrence Jepsen
Original assignee: Varian Associates Inc
Current assignee: Varian Medical Systems Inc
Priority date: 1956-01-30
Filing date: 1957-01-22
Publication date: 1964-11-26

Description

Hohlraumresonator für Hochfrequenzentladungsröhren mit Geschwindigkeitsmodulation Die Erfindung bezieht sich auf Hohlraumresonatoren für Hochfrequenzentladungsröhren mit Geschwindigkeitsmodulation und befaßt sich mit der Verhinderung des Multipaktor-Effekts in solchen Röhren. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf die Vermeidung von Leistungsverlusten und Rückwirkungen durch den Multipaktor-Effekt, der von geladenen Teilchen (Elektronen) herrührt, die zwischen einander gegenüberliegenden metallischen Oberflächen unter dem Einfluß eines zwischen diesen Oberflächen bestehenden hochfrequenten elektrischen Wechselfeldes hin- und herlaufen, was bisher zu Funktionsstörungen geführt hat.Cavity resonator for high frequency discharge tubes with speed modulation The invention relates to cavity resonators for high frequency discharge tubes with speed modulation and deals with the prevention of the multipactor effect in such tubes. In particular, the invention relates to the avoidance of Loss of power and repercussions due to the multipactor effect caused by charged Particles (electrons) originate between opposing metallic ones Surfaces under the influence of a high frequency existing between these surfaces alternating electric field running back and forth, which has previously led to malfunctions has led.

Die Multipaktorauswirkungen auf die Arbeitsweise solcher Röhren betreffen in erster Linie die Leistungsabgabe, obgleich sie auch geringe Verstimmungen hervorrufen können. Die Multipaktorverluste können bei Klystrons im wesentlichen als Leistungsverlust angesehen werden. Dieser Leistungsverlust kann sich sehr schnell mit der Hochfrequenzspannung und deshalb auch mit dem Leistungsniveau der Röhre ändern. Also kann man von Klystronverstärkern, in denen ein Multipaktor entsteht, eine nichtlineare Leistungsabgabe erwarten. In Klystronoszillatoren kann dieselbe Erscheinung auftreten, wobei sich hier eine begrenzte maximale Arbeitsleistung ergibt und nachteilig bemerkbar macht. (Beim Einschwingen kann der Multipaktor ausgelöst werden, etwas Leistung aufnehmen und die erzeugte Hochfrequenzspannung begrenzen. Da diese Spannung - gegebenenfalls zurückgekoppelt - zur Modulation des Strahls benutzt wird, wird auch die Anregung begrenzt, weshalb die angefachten Schwingungen nicht weiter verstärkt werden können und die Arbeitsleistung somit geringer als erwartet ist.) Der Multipaktorvorgang kann nicht existieren, wenn das Sekundäremissionsverhältnis kleiner als Eins ist. Bisher sind schon verschiedene Mittel zur Verminderung des Sekundäremissionsverhältnisses einander gegenüberliegender metallischer Flächen verwendet worden. Ein Mittel, das bei Klystronröhren weitgehend verwendet wird, die einen Hohlraumresonator enthalten, der zwei in den Hohlraum hineinragende, einander koaxial gegenüberliegende rohrförmige Abschnitte aufweist, besteht darin, die einander gegenüberliegenden Rohrenden außen abzuschrägen, wodurch der Abstand zwischen den einander gegenüberliegenden Flächen (und damit auch die Laufzeit der für den Multipaktor maßgeblichen Elektronen) unterschiedlich wird, die Multipaktorausbildung daher schon erheblich reduziert ist.The multipactor effects on the operation of such tubes concern primarily the power output, although they also cause slight resentments can. In klystrons, the multipactor losses can essentially be seen as a loss of performance be considered. This loss of power can increase very quickly with the high frequency voltage and therefore also change with the performance level of the tube. So, from klystron amplifiers, in which a multipactor arises, expect a non-linear power output. In Klystronic oscillators can have the same phenomenon, although there is a limited one here results in maximum work performance and makes it disadvantageously noticeable. (When settling the multipactor can be triggered, absorb some power and the generated Limit high frequency voltage. Since this tension - possibly fed back - is used to modulate the beam, the excitation is also limited, which is why the fanned vibrations cannot be further amplified and the work performance is therefore less than expected.) The multipactor process cannot exist, when the secondary emission ratio is less than one. So far there are different Means for reducing the ratio of secondary emissions opposite one another metallic surfaces have been used. A remedy that is largely used with klystron tubes is used, which contain a cavity resonator, the two in the cavity has protruding, coaxially opposed tubular sections, is to bevel the opposite pipe ends on the outside, whereby the distance between the opposing surfaces (and thus also the Transit time of the electrons relevant for the multipactor) becomes different, the multipactor training is therefore already considerably reduced.

Es ist ferner schon bekannt, die einander koaxial gegenüberliegenden Rohrenden gezackt auszubilden. Diese Maßnahme wie auch weitere bereits bekannte Mittel zur Unterdrückung des Multipaktor-Effekts tragen zwar zur Verminderung des Effekts bei, sind aber häufig von wesentlich geringerer Wirkung, als dies erwünscht oder erforderlich ist.It is also already known that coaxially opposite one another To form the pipe ends serrated. This measure as well as others already known Means to suppress the multipactor effect contribute to the reduction of the However, they are often much less effective than desired or is required.

Die Erfindung bietet nun eine besonders wirksame, zusätzliche Möglichkeit zur Unterdrückung des Multipaktor-Effekts.The invention now offers a particularly effective, additional option to suppress the multipactor effect.

Bei einem Hohlraumresonatör für Hochfrequenzentladungsröhren mit Geschwindigkeitsmodulation, der zwei in den Hohlraum' `'hineinragende starkwandige rohrförmige Abschnitte aufweist, die; einander koaxial gegenüberstehend, zwischen sich einen Spalt für die Wechselwirkung. zwischen dem hochfrequenten elektrischen Feld des Hohlraumresonators und einem die rohrförmigen Abschnitte durchsetzenden Elektronenstrahl bilden und deren einander gegenüberstehende Röhrenden jeweils eine glatte kreiszylindrische' Innenoberfläche besitzen, während sie außen zum Spalt zu konisch schwächer werden, sind die Mittel zur Verhinderung des Multipaktor-Effekts erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die äußeren, konischen Flächen der einander gegenüberst6h-enden Rohrenden rundum mit einer großen Anzahl senkrecht zur Umfangsrichtung der Rohrenden verlaufender schmaler Rillen versehen sind. Zweckmäßig ist bei Rillen mit rechteckigem Querschnitt die Dicke der zwischen den Rillen stehenbleibenden Stege klein im Verhältnis zu dem Abstand zwischen den einander gegenüberstehenden Rohrenden. Es empfiehlt sich dabei, daß die Höhe der Stege ebenso groß oder größer ist, als der Abstand zwischen benachbarten Stegen.In the case of a cavity resonator for high-frequency discharge tubes with speed modulation, which has two thick-walled tubular sections protruding into the cavity '' ', the; facing each other coaxially, between them a gap for the interaction. between the high frequency electric field of the cavity resonator and a die Form tubular sections penetrating electron beam and their each other opposite tube ends each have a smooth circular cylindrical 'inner surface own, while they become too conically weaker on the outside towards the gap, are the means to prevent the multipactor effect according to the invention characterized in that that the outer, conical surfaces of the pipe ends facing each other all around with a large number perpendicular to the circumferential direction of the pipe ends narrow grooves are provided. It is useful for grooves with a rectangular shape Cross-section the thickness of the webs remaining between the grooves is small in relation to each other to the distance between the opposing pipe ends. It recommends that the height of the webs is just as large or greater than the distance between adjacent bars.

In Geräten mit hochfrequenten elektromagnetischen Feldern, beispielsweise Hohlraumresonatoren, sind die elektrischen Kenngrößen eine Funktion der Strombahn, die dem Gerät zugeordnet ist. Bei sehr hohen Frequenzen befinden sich die Strombahnen immer mehr an der Außenfläche der elektrischen Leiter. Zum Beispiel ist in einem Kupferleiter, der Wechselstrom von 1 MHz führt, die Stromdichte in einer Tiefe von 0,065 mm auf 36,8% des Oberflächenwertes abgefallen. Wenn dabei die Leiteroberfläche mit Rillen versehen ist und die Rillen in einem gewissen Winkel zu den Strombahnen verlaufen, dann müssen die Ströme über die Außenfläche der die Rillen begrenzenden Stege fließen, wodurch die Länge der Strombahnen wesentlich zunimmt und sich somit auch die elektrischen Kenngrößen ändern. Wenn dagegen wie beim Erfindungsgegenstand die Rillen bezüglich den Strombahnen so gestellt sind, daß die Ströme parallel zu den Rillen fließen, dann bleibt die Länge der Strombahnen im wesentlichen ungeändert. Entsprechend sind auch die elektrischen Kenngrößen eines erfindungsgemäßen Hohlraumresonators unverändert, wenn man von der Unterdrückung des Multipaktors absieht.In devices with high-frequency electromagnetic fields, for example Cavity resonators, are the electrical parameters a function of the current path, assigned to the device. The current paths are at very high frequencies more and more on the outer surface of the electrical conductor. For example is in one Copper conductor carrying alternating current of 1 MHz, the current density at a depth of 0.065 mm dropped to 36.8% of the surface value. If doing the conductor surface is provided with grooves and the grooves at a certain angle to the current paths run, then the currents must over the outer surface of the delimiting the grooves Bridges flow, whereby the length of the current paths increases significantly and thus also change the electrical parameters. If, on the other hand, as with the subject matter of the invention the grooves are placed with respect to the current paths so that the currents are parallel to the grooves flow, then the length of the current paths remains essentially unchanged. The electrical parameters of a cavity resonator according to the invention are also corresponding unchanged, if one disregards the suppression of the multipactor.

Ein besonderer Vorteil der Erfindung ist in einer erheblichen Erhöhung der Nutzleistung der betreffenden Röhren zu sehen.A particular advantage of the invention is a considerable increase to see the useful power of the tubes in question.

Mit Hilfe der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele soll die Erfindung näher erläutert werden.With the aid of the exemplary embodiments shown in the figures, the invention will be explained in more detail.

F i g. 1 ist ein Längsschnitt durch einen Hohlraumresonator gemäß der Erfindung; F i g. 2 ist eine vergrößerte Teilansicht aus F i g. 1 entsprechend der Linie 2-2; F i g. 3 ist ein Querschnitt durch ein abgewinkeltes Oberflächenteilstück, das mit erfindungsgemäßen Rillen rechteckigen Querschnitts versehen ist; F i g. 4 ist ein Querschnitt durch ein abgewickeltes Oberflächenteilstück, das erfindungsgemäße Rillen dreieckigen Querschnitts aufweist.F i g. 1 is a longitudinal section through a cavity resonator according to FIG the invention; F i g. FIG. 2 is an enlarged partial view of FIG. 1 accordingly the line 2-2; F i g. 3 is a cross-section through an angled surface section; which is provided with grooves according to the invention of rectangular cross section; F i g. Figure 4 is a cross-section through a developed surface section embodying the invention Has grooves of triangular cross-section.

Die F i g. 1 und 2 zeigen ein typisches Ausführungsbeispiel nach der Erfindung. Der Hohlraumresonator 7 ist von der eingangs erwähnten Art. Die beiden rohrförmigen Abschnitte 9 ragen, aus den einander gegenüberliegenden Stirnwänden 8 des Hohlraumresonators 7 heraustretend, in den Hohlraum hinein. Die einander koaxial gegenüberliegenden Rohrenden besitzen eine glatte kreiszylindrische Innenoberfläche 11 und werden außen zum Wechselwirkungsspalt (Breite s) zu konisch schwächer. Die konische Abschrägung dient bereits der Unterdrükkung des Multipaktors in bekannter Weise. Um nun die Multipaktorwirkung noch weiter zu unterdrücken, sind erfindungsgemäß die äußeren, konischen Flächen der Rohrenden rundum mit einer großen Anzahl senkrecht zur Umfangsrichtung der Rohrenden verlaufender schmaler Rillen 12 versehen. Beim Betrieb der Röhre fließen hochfrequente Ströme auf den Innenflächen des - Hohlraumresonators 7. An den äußeren Oberflächen der rohrförmigen Abschnitte 9 fließen dabei die Ströme (i) in Längsrichtung dieser Teile. Dementsprechend verlaufen die erfindungsgemäßen Rillen 12 derart, daß die Ströme parallel zu ihnen fließen, wodurch die Länge der Strombahn und infolgedessen die elektrischen Kenngrößen des Hohlraumresonators unverändert bleiben.The F i g. 1 and 2 show a typical embodiment according to FIG Invention. The cavity resonator 7 is of the type mentioned at the beginning. The two tubular sections 9 protrude from the opposite end walls 8 of the cavity resonator 7 emerging into the cavity. Which are coaxial with each other opposite pipe ends have a smooth circular cylindrical inner surface 11 and become too conically weaker on the outside towards the interaction gap (width s). the conical bevel is already used to suppress the multipactor in the well-known Way. In order to suppress the multipactor effect even further, are according to the invention the outer, conical surfaces of the pipe ends all around with a large number perpendicular to the circumferential direction of the pipe ends extending narrow grooves 12 are provided. At the During operation of the tube, high-frequency currents flow on the inner surfaces of the - cavity resonator 7. The currents flow on the outer surfaces of the tubular sections 9 (i) in the longitudinal direction of these parts. The processes according to the invention proceed accordingly Grooves 12 such that the currents flow parallel to them, thereby increasing the length of the The current path and, as a result, the electrical parameters of the cavity resonator remain unchanged stay.

In F i g. 3 ist ein Querschnitt durch ein abgewikkeltes Oberflächenteilstück gezeigt, das mit erfindungsgemäßen Rillen rechteckigen Querschnitts zur (zusätzlichen) Unterdrückung des Multipaktors versehen ist. Der Feldlinienverlauf (E) ist eingezeichnet, um zu zeigen, daß das hochfrequente elektrische Feld im Bereich der freien Enden der Stege 5 wesentlich stärker ist als in den Rillen. Die Bedeutung des schwachen elektrischen Feldes in den Rillen ergibt sich aus der Tatsache, daß die in den Rillen emittierten Sekundärelektronen, die bei der Emission eine geringe Anfangsbeschleunigung haben, relativ wenig durch das hochfrequente elektrische Feld beeinflußt werden. Die Wahrscheinlichkeit für eine Rückkehr zum benachbarten Steg 5 (in F i g. 3 gestrichelt angedeutet), bevor diese Teilchen in die den Multipaktor-Effekt bedingende Ladungswolke eintreten können, wird dadurch vergrößert. Darüber hinaus sind die Laufzeiten der nicht eingefangenen Sekundärelektronen vollkommen verschieden, so daß die Multipaktorwirkung weitgehend unterdrückt wird. Wenn die Dicke d der Stege 5 klein gegenüber dem Abstand s (F i g. 1) zwischen den Rohrenden ist, wird die Wahrscheinlichkeit der Multipaktorentstehung sehr verringert. Wenn dazu noch die Höhe h der Stege 5 genügend groß gegenüber der Rillenbreite w ist, werden zudem im wesentlichen alle in den Rillen emittierten Sekundärelektronen wieder eingefangen. In diesem Fall ist dann das Sekundäremisisonsverhältnis für die den Multipaktor unterdrückende Fläche effektiv etwa um einen Faktor verringert, der proportional der Gesamtfläche aller Stegquerschnitte und umgekehrt proportional der Gesamtfläche der ursprünglichen, nicht mit Rillen versehenen (d. h. glatten) Konusfläche ist. Es ist dann also worin Se" das effektive Sekundäremissionsverhältnis der gerillten Oberfläche, S das Sekundäremisisonsverhältnis der glatten Oberfläche, Ad die Gesamtfläche aller Stegquerschnitte und A, die Gesamtfläche der ursprünglichen, nicht gerillten (d. h. glatten) Konusfläche ist. Wenn z. B. das Sekundäremissionsverhältnis S 10 :1 beträgt und die Querschnittsgesamtfläche Ad aller Stege auf ein Zehntel der ursprünglichen glatten Konusfläche A, verringert ist, Ad : A, als 1:10 ist, wird das effektive Sekundäremissionsverhältnis Seff auf den Wert l vermindert, was ausreicht, um die Entstehung eines Multipaktors zu verhindern.In Fig. 3 shows a cross section through a developed surface section which is provided with grooves according to the invention of a rectangular cross section for (additional) suppression of the multipactor. The field line course (E) is drawn in to show that the high-frequency electric field in the area of the free ends of the webs 5 is much stronger than in the grooves. The importance of the weak electric field in the grooves results from the fact that the secondary electrons emitted in the grooves, which have a low initial acceleration during emission, are relatively little influenced by the high-frequency electric field. The probability of a return to the adjacent web 5 (indicated by dashed lines in FIG. 3) before these particles can enter the charge cloud causing the multipactor effect is thereby increased. In addition, the transit times of the secondary electrons that are not captured are completely different, so that the multipactor effect is largely suppressed. If the thickness d of the webs 5 is small compared to the distance s (FIG. 1) between the pipe ends, the probability of multipactor formation is greatly reduced. If, in addition, the height h of the webs 5 is sufficiently large compared to the groove width w, then essentially all of the secondary electrons emitted in the grooves are captured again. In this case, the secondary emission ratio for the area suppressing the multipactor is effectively reduced by a factor that is proportional to the total area of all web cross-sections and inversely proportional to the total area of the original, non-grooved (i.e. smooth) cone area. So it is then where Se "is the effective secondary emission ratio of the grooved surface, S is the secondary emission ratio of the smooth surface, Ad is the total area of all web cross-sections and A is the total area of the original, non-grooved (i.e. smooth) cone surface. If, for example, the secondary emission ratio S is 10: 1 and the total cross-sectional area Ad of all webs is reduced to a tenth of the original smooth cone area A, Ad: A, than 1:10 , the effective secondary emission ratio Seff is reduced to the value l, which is sufficient to prevent the development of a multipactor .

In F i g. 4 ist eine andere Ausführungsform nach der Erfindung wiedergegeben, bei der die Oberflächengestalt, die erfindungsgemäß den Multipaktor zusätzlich unterdrückt, von Rillen und Stegen dreieckigen Querschnittes gebildet wird. Der Feldlinienverlauf (E) ist eingezeichnet, um wiederum zu zeigen, daß das hochfrequente elektrische Feld im Bereich der Spitzen (Schneiden) der Stege 6 weitaus am stärksten ist. Die Wahrscheinlichkeit, daß die in den Rillen emittierten Sekundärelektronen zum benachbarten Steg 6 rückkehren (in F i g. 4 gestrichelt angedeutet ), ehe sie in die den Multipaktor-Effekt bedingende Ladungswolke eintreten können, ist dadurch besonders groß. Auch sind wieder die Laufzeiten der nicht eingefangenen Sekundärelektronen vollkommen verschieden, so daß die Multipaktorwirkung unterdrückt wird. Die Gründe für die ungleichen Laufzeiten sind mannigfaltig. Wenn das Primärteilchen im Bereich des schwachen elektrischen Feldes auftrifft, können einige ausgelöste Sekundärteilchen durch einen benachbarten Steg 6 wieder eingefangen werden. Andere Sekundärteilchen gelangen in den Bereich des stärkeren elektrischen Feldes, in dem sie unterschiedlich stark beschleunigt werden. Außerdem ist der Weg, den die Sekundärteilchen vor ihrem Aufschlag auf der gegenüberliegenden Fläche zurücklegen müssen, unterschiedlich lang, wodurch die gleiche Laufzeit als Bedingung für die Entstehung eines Multipaktors praktisch ausgeschlossen ist.In Fig. 4 shows another embodiment according to the invention, in which the surface shape, which according to the invention additionally suppresses the multipactor, is formed by grooves and ridges of triangular cross-section. The course of the field lines (E) is drawn to show again that the high frequency electrical Field in the area of the tips (cutting) of the webs 6 is by far the strongest. the Probability that the secondary electrons emitted in the grooves to the neighboring Return web 6 (indicated by dashed lines in FIG. 4 ) before they into which the charge cloud, which causes the multipactor effect, can enter, is extraordinary big. Also again are the transit times of the secondary electrons not captured completely different, so that the multipactor effect is suppressed. The reasons for the unequal maturities are manifold. When the primary particle is in the area of the weak electric field, some secondary particles can be triggered be caught again by an adjacent web 6. Other offspring get into the area of the stronger electric field in which they differ be greatly accelerated. It is also the path that the offspring will take in front of theirs Have to cover the serve on the opposite surface, differently long, which means the same runtime as a condition for the creation of a multipactor is practically impossible.

Claims

Claims: 1. Cavity resonator for high frequency discharge tubes with speed modulation, the two thick-walled ones protruding into the cavity having tubular portions which, coaxially opposed to each other, between create a gap for the interaction between the high frequency electrical Field of the cavity resonator and one penetrating the tubular sections Form electron beam and the opposite tube ends each have one have smooth circular cylindrical inner surface, while outside to the gap conical become weaker, d u r c h g e - indicates that the outer, conical Areas of the opposite pipe ends all around with a large number provided narrow grooves running perpendicular to the circumferential direction of the pipe ends are.

2. Cavity resonator according to claim 1, wherein the grooves are rectangular in cross-section have, characterized in that the thickness (d) of the remaining between the grooves Ridges is small in relation to the distance (s) between the opposing ones Pipe ends.

3. Cavity resonator according to claim 2, characterized in that the Height (h) of the webs is equal to or greater than the distance (w) between adjacent ones Webs.

4. Cavity resonator according to claim 1, characterized in that the grooves and webs have a triangular cross-section.

5. Cavity resonator according to claim 4, characterized in that the height (h) of the triangular webs is greater than their base (b). Documents considered: French Patent No. 1038 542; British Patent Nos. 582 484, 582 490; "Les Tubes Electroniques A Commande Par Modulation De Vitisse", Paris 1951, pp. 444, 445 and 451.