DE1219098B

DE1219098B - Anordnung zur Erzeugung hoechstfrequenter elektromagnetischer Schwingungen, vorzugsweise im Millimeter- und Submillimetergebiet

Info

Publication number: DE1219098B
Application number: DEM50946A
Authority: DE
Inventors: Dr Gerd Landauer
Original assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Current assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Priority date: 1961-06-29
Filing date: 1961-11-21
Publication date: 1966-06-16
Also published as: DE1203320B; DE1150717B; GB1015481A; US3313979A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

H03b

Deutsche KL: 21 a4-9/02'

Nummer: 1219 098

Aktenzeichen: M 50946IX d/21 a4

Anmeldetag: 21. November 1961

Auslegetag: 16. Juni 1966

Das Hauptpatent betrifft eine Anordnung zur Erzeugung höchstfrequenter elektromagnetischer Schwingungen, vorzugsweise im Millimeter- und Submillimetergebiet, durch Auskoppeln von Harmonischen der Elektronen-Cyclotronfrequenz aus einem von einem Magnetfeld durchsetzten Plasma, bei dem zumindest in einem Teil des Plasmas der Brechungsindex η so hoch ist, daß die Wellenlänge der Elektronen-Cyclotronfrequenz f_e wenigstens annähernd in der Größenordnung des Bahnumfanges der umlaufenden Elektronen liegt. Durch die Wahl einer geeigneten Harmonischen und durch Veränderung der Stärke des im Plasma herrschenden Magnetfeldes kann die Frequenz der ausgekoppelten Schwingungen in weiten Bereichen geändert werden. Die Anordnung kann also als Höchstfrequenzgenerator verwendet werden, dessen nutzbarer Wellenlängenbereich bis ins langwellige Infrarot reicht.

Bei einer Ausführungsform des Hauptpatentes wird in das Plasma, das auf irgendeine bekannte oder vorgeschlagene Weise erzeugt und aufrechterhalten wird, zusätzlich ein Elektronenstrahl mit einer Geschwindigkeit eingeschossen, die wenigstens annähernd gleich dem Quotienten ein (c=Lichtgeschwindigkeit; η = Brechungsindex des Piasmas) ist.

Die vorliegende Erfindung baut auf dieser letztgenannten Ausführungsform des Hauptpatentes auf. Es hat sich nämlich gezeigt, daß sich die Intensität der Harmonischen erhöhen läßt, wenn der Elektronenstrahl mit einer der Elektronen-Cyclotronfrequenz f_e im Plasma entsprechenden Frequenz moduliert wird. Außerdem tritt durch eine derartige Modulation eine gewisse Kopplung der Elektronenumläufe ein, so daß die auskoppelbaren Harmonischen einen größeren Anteil an kohärenter Schwingung enthalten.

Eine Anordnung zur Erzeugung höchstfrequenter elektromagnetischer Schwingungen, vorzugsweise im Millimeter- und Submillimetergebiet, durch Auskoppeln von Harmonischen der Elektronen-Cyclotronfrequenz aus einem von einem Magnetfeld durchsetzten Plasma, bei dem der Brechungsindex zumindest in einem Teil des Plasmas so hoch ist, daß die Wellenlänge der Elektronen-Cyclotronfrequenz wenigstens annähernd in der Größenordnung des Bahnumfanges der umlaufenden Elektronen liegt, mit einer Einrichtung zum Einschießen eines Elektronenstrahls in das Plasma, nach Zusatzpatent 1 203 320, ist gemäß der Erfindung gekennzeichnet durch eine Anordnung zur Modulation des in das Plasma eingeschossenen Elektronenstrahls mit einer Anordnung zur Erzeugung höchstfrequenter , elektromagnetischer Schwingungen, vorzugsweise im Millimeter- und Submillimetergebiet

Zusatz zum Zusatzpatent: 1203 320

Anmelder:

Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der

Wissenschaften e. V.,

Göttingen, Bunsenstr. 10,

vertreten durch den geschäftsführenden Direktor des Max-Planck-Institutes für Physik und

Astrophysik,

München 23, Föhringer Ring 6

Als Erfinder benannt:

Dr. Gerd Landauer, Unterhaching bei München

Frequenz, die wenigstens annähernd mit der Elektronen-Cyclotronfrequenz übereinstimmt.

Es kann mit einer Geschwindigkeitsmodulation und/oder einer Dichtemodulation gearbeitet werden. Die Dichtemodulation des Elektronenstrahls kann wie bei Klystrons durch eine Geschwindigkeitsmodulation bewirkt werden, wobei der Ort maximaler Dichteschwankungen in den Empfangsbereich der Auskoppelanordnung gelegt wird.

Der Elektronenstrahl kann parallel oder senkrecht zum Magnetfeld eingeschossen werden. Für das Entstehen der hier interessierenden, durch das Magnetfeld verursachten Umlaufbewegung der Elektronen ist es bekanntlich erforderlich, daß die Elektronengeschwindigkeit eine senkrecht auf der Richtung des Magnetfeldes stehende Komponente hat. Eine solche senkrecht auf der Richtung des Magnetfeldes stehende Geschwindigkeitskomponente tritt jedoch durch sekundäre Effekte im Plasma, z. B. durch Stöße oder den Einfluß von Coulombkräften, auch dann auf, wenn der Elektronenstrahl anfangs genau parallel zur Richtung des Magnetfeldes eingeschossen wird.

Die Erfindung soll nun an Hand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert werden.

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In der in der Zeichnung dargestellten Anordnung wird das Plasma beispielsweise durch eine Penningentladung erzeugt. Die dargestellte Anordnung enthält ein metallisches Vakuumgefäß 1, in deren Enden sich zwei Keramikeinsätze 2, 3 befinden. Innerhalb der Keramikeinsätze befinden sich zwei Plasmakathoden 4, 5. Das Plasma wird zwischen den Plasmakathoden 4, 5 und dem metallischen Vakuumgefäß 1 gezündet Zur Erzeugung eines achsparallelen Magnetfeldes dient eine Magnetspule 6, die das aus einem nichtferromagnetischen Werkstoff bestehende Vakuumgefäß 1 umgibt. An einem Fenster 7 zum Austritt elektromagnetischer Strahlung aus dem Vakuumgefäß 1 ist ein Koppelhorn 8 angeordnet, durch das die gewünschten höchstfrequenten Schwingungen¹ aus dem Plasma ausgekoppelt werden.
M-In'das Plasma zwischen den Kathoden 4, 5 wird ein Elektronenstrahl eingeschossen, der durch ein im ganzen mit 9 bezeichnetes Strahlerzeugungssystem hergestellt wird, das in der üblichen Weise Kathode, Steuer-, Beschleunigungs- und Fokussierelektroden und eine Auffängerelektrode 11 enthält.

Der Elektronenstrahl durchläuft eine Modulationsgitteranordnung 10, z. B. einen Hohlraumresonator, wie er als Eingangshohlraum eines Zweikammerklystrons Verwendung findet, der von einem nicht dargestellten, außerhalb des Vakuumgefäßes befindlichen Generator eine Hochfrequenzspannung zugeführt wird, deren Frequenz gleich oder wenigstens annähernd gleich der Elektronen-Cyclotronfrequenz ist,: die der Höhe des Magnetfeldes entspricht. Als Generator kann irgendeine bekannte Einrichtung, beispielsweise ein Klystron, Magnetron u. dgl., dienen.

Durch die sich ergebende Dichtemodulation des Elektronenstrahls wird wenigstens bis zu einem gewissen Grade ein Synchronismus der umlaufenden Elektronen erzielt und damit eine Phasenkohärenz der von den umlaufenden Elektronen ausgestrahlten elektromagnetischen Wellen. Diese Phasenkohärenz gilt nicht nur für die Grundwelle, sondern auch für die Harmonischen.

Ein heiterer Vorteil ergibt sich dadurch, daß die dem Elektronenstrahl in Form der Dichtemodulation mitgeteilte Hochfrequenzenergie (ζ. Β. 1W und darüber) auch eine höhere Leistung der Harmonischen mit sich bringt, die um einige Zehnerpotenzen über der Leistung liegen kann, die ohne den modulierten Strahl zu erreichen ist.

Falls es der verwendete Frequenzbereich zuläßt, kann die Dichtemodulation in an sich bekannter Weise am Wehneltzylinder erfolgen. Kathode und Wehneltzylinder werden dann vorzugsweise als ebene Elektroden ausgebildet.

Zusätzlich zu der Gitteranordnung 10 zur effektiven Dichtemodulation des Elektronenstrahls kann eine Anordnung zur Geschwindigkeitsmodulation des Elektronenstrahls verwendet werden, z.B., indem man die positive Beschleunigungsspannung des Elektronenstrahls moduliert. Durch eine solche Geschwindigkeitsmodulation des Elektronenstrahls wird der auf die im Plasma herrschende Phasengeschwindigkeit bezogene quasi-relativistische Bereich periodisch durchlaufen, so daß die Bedingung für die Elektronengeschwindigkeit v=cjn (c=Licht-

geschwindigkeit; n=Brechungsindex des Plasmas) periodisch erfüllt wird. Die letztgenannte Modulation kann beispielsweise zur Amplitudenmodulation der ausgekoppelten HF-Schwingung dienen.

Die Zeichnung ist stark schematisiert, selbstverständlich sind die einzelnen Elektroden isoliert und vakuumdicht durch das Vakuumgefäß 1 durchgeführt. Das Strahlerzeugungssystem kann irgendeine geeignete, bekannte Form besitzen, es liefert vorzugsweise einen sich etwas kegelförmig erweitern-

den Strahl in das Plasma zwischen den Elektroden 4, 5.

Claims

Patentansprüche:

as 1. Anordnung zur Erzeugung höchstfrequenter

elektromagnetischer Schwingungen, vorzugsweise im Millimeter- und Submillimetergebiet, durch Auskoppeln von Harmonischen der Elektronen-Cyclotronfrequenz aus einem von einem Magnet-

feld durchsetzten Plasma, bei dem der Brechungsindex zumindest in einem Teil des Plasmas so hoch ist, daß die Wellenlänge der Elektronen-Cyclotronfrequenz wenigstens annähernd in der Größenordnung desBahnumfanges der umlaufenden Elektronen liegt, mit einer Einrichtung zum Einschießen eines Elektronenstrahls in das Plasma, nach Zusatzpatent 1203 320, gekennzeichnet durch eine Anordnung zur Modulation des in das Plasma eingeschossenen Elektronenstrahls mit einer Frequenz, die wenigstens annähernd mit der Elektronen-Cyclotronfrequenz übereinstimmt.
2. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Dichtemodulation des Elektronenstrahls.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Geschwindigkeitsmodulation des Elektronenstrahls.
4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand des Ortes der Geschwindigkeitsmodulation vom Plasma so gewählt ist, daß sich in dem Bereich des Plasmas maximale Dichteschwankungen ergeben, der von einer Anordnung zum Auskoppeln der höchstfrequenten elektromagnetischen Schwingungen erfaßt ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen