DE1273708B - Vorrichtung zur Verkuerzung von Elektronenimpulsen, die von einer Elektronenkanone emittiert werden - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND DEUTSCHES #f# PATENTAMT Int. CL:

AUSLEGESCHRIFT

HOIj

Deutsche Kl.: 21g-21/01

Nummer: 1273 708

Aktenzeichen: P 12 73 708.5-33 (C 39884)

Anmeldetag: 16. August 1966

Auslegetag: 25. Juli 1968

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Verkürzung von Elektronenimpulsen, die von einer Elektronenkanone mit einer Folgefrequenz / emittiert werden, auf Impulsdauern, die kleiner sind als der durch die Zeitkonstante der Elektronenkanone nach unten festgelegt.

Beim Pulsen von Elektronenkanonen ist infolge der Zeitkonstante des Gitter-Kathoden-Kreises der Elektronenkanone eine minimal erzielbare Impulslänge auf etwa 6 Nanosekunden begrenzt. Sollen darüber hinaus hohe Intensitäten erreicht werden, ohne an die Elektroden der Elektronenkanone hohe Spannungen anzulegen, so wird vorzugsweise oberhalb dieses Grenzwertes gearbeitet und die Impulslänge nicht unter etwa 10 bis 12 Nanosekunden verkürzt.

Werden derartige Elektronenimpulse in Beschleuniger eingespeist, so ist es häufig wünschenswert, die Impulslänge soweit wie möglich auf die minimale theoretische Impulslänge zu verkürzen, die sich sowohl durch die in der Technik begründeten Nichtlinearitäten als auch durch die Raumladung ergibt. Dieser Grenzwert liegt bei einer Impulslänge von etwa 1,5 Nanosekunden. Für den praktischen Gebrauch sind Impulslängen in der Größenordnung von 2 bis 3 Nanosekunden wünschenswert. Da jedoch beim Pulsen von Elektronenkanonen für Elektronenimpulse mit hoher Intensität nur Impulslängen von etwa 10 bis 12 Nanosekunden erreichbar sind, müssen diese von der Elektronenkanone emittierten Impulse im Verhältnis 1:4 bis 1:6 in ihrer Länge verkürzt werden.

Es sind bereits Paketierungsvorrichtungen bekannt, mit denen ein kontinuierlicher Elektronenfiuß in Elektronenimpulse verdichtet werden kann, die sich als Folge einer periodischen Änderung der Raumladungsdichte im Kern des kontinuierlichen Elektronenflusses ausbilden. Bei diesen Elektronenimpulsen ist die Elektronendichte somit nicht in jedem Punkt des Impulses konstant. Außerdem können mit diesen bekannten Paketierungsvorrichtungen keine Elektronenimpulse mit Impulslängen in der gewünschten Größenordnung von 2 bis 3 Nanosekunden erzeugt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die von einer Elektronenkanone emittierten Elektronenimpulse auf Impulslängen zu verkürzen, die in der Nähe der theoretisch kleinstmöglichen Impulslänge liegen. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß eine Paketierungsvorrichtung in der Bahn der Elektronen vorgesehen ist, die jeden Impuls durch Phasenfokussierung mit einer HF-Welle in eine Reihe von Vorrichtung zur Verkürzung

von Elektronenimpulsen, die von einer

Elektronenkanone emittiert werden

Anmelder:

CSF Compagnie generate de telegraphic
Sans FiI, Paris

Vertreter:

Dr. W. Müller-Bore,
Dipl.-Ing. H. Gralfs

und Dr. rer. nat. G. Manitz, Patentanwälte,
8000 München 22, Robert-Koch-Str. 1

Als Erfinder benannt:
Jacques Soffer,
Jean-Paul Mangin, Paris

Beanspruchte Priorität:
^ao Frankreich vom 3. September 1965 (30 331)

kürzeren Einzelimpulsen zerlegt, und daß dieser eine Entpaketierungsvorrichtung nachgeschaltet ist, in der die Einzelimpulse in Wechselwirkung mit einer hochfrequenten Wanderwelle treten, von der sie wieder auf Grund verschiedener Phasenlagen zu einem einzigen Impuls zusammengeschoben werden, welcher kürzer ist als der von der Elektronenkanone emittierte Elektronenimpuls.

Eine nach den Merkmalen der Erfindung ausgeführte Vorrichtung zur Verkürzung von Elektronenimpulsen bietet in vorteilhafter Weise die Möglichkeit, die von einer Elektronenkanone emittierten Elektronenimpulse mit im wesentlichen über die gesamte Impulsdauer konstanter Elektronendichte auf einen Bruchteil ihrer Impulslänge zu verkürzen, wobei der verkürzte Elektronenimpuls ebenfalls eine im wesentlichen über die gesamte Impulsdauer konstante Elektronendichte aufweist.

Die Erfindung ist nachfolgend an Hand der Zeichnung beispielsweise beschrieben.

F i g. 1 zeigt als Blockschaltbild eine Vorrichtung zur Verkürzung von Elektronenimpulsen;

F i g. 2 zeigt ein Diagramm zur Erläuterung der Vorrichtung nach F i g. 1;

F i g. 3 zeigt die Vorrichtung nach F i g. 1 zur Elektroneneinspeisung in einen Linearbeschleuniger; F i g. 4 zeigt schematisch eine Alternativausführung einer Vorrichtung zur Verkürzung von Elektronenimpulsen, und

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Fig. 5 zeigt ein Diagramm zur Erläuterung der sen Bedingungen sind beide WßUenZ₁ und/₂ in Phase

Vorrichtung nach F i g. 4, mit der Mitte des ursprünglichen Elektronenim-

Die Vorrichtung gemäß Fig. 1 besteht aus einer pulses.

Elektronenkanone 1, welche einen Elektronenstrahl Aus den Zeilen c und d in F i g. 2 kann entnomemittiert, der sich längs der gestrichelt dargestellten 5 inen werden, d,aß der pr§te Einzelimpuls p_% bei der Achse 2 fortpflanzt. Die Elektronenkanone 1 wird Phasenlage B der Welle /₈ in de# Hohlleiter $ eintritt. durch eine Quelle? mit der Frequenz/ gesteuert, Dieser Punkts eilt dem Maximum der Welle um wobei / beispielsweise 3333Hz beträgt. Bei einer einen Phasenwinkel (X₁ nach. Der letzte Einzelimderartigen Steuerung werden die Elektronen in Form puls p„ tritt in den Wellenleiter 6 ein, wenn die von Impulsen emittiert, die eine Wiederholungs- io Welle /₂ die Phasenlage C hat, die um einen Phasenfrequenz von 3333 Hz und folglich einen Abstand winkel a₂ dem Wellenmaximum voreilt. Zwischen von 300 Mikrosekunden voneinander haben. Es soll den Eintrittsphasen der beiden Einzelimpulse liegt vorausgesetzt werden, daß ohne übermäßigen Auf- eine Phasenverschiebung, die gleich der Summe der wand in der Energieversorgungsvorrichtung die Mög- absoluten Werte Oi₁ und «» ist. Diese Phasenverlichkeit besteht, Impulse hoher Intensität mit einer 15 Schiebung entspricht <x — 2nmfT. Dauer von T = 12 Nanosekunden zu erzielen. Für mf = 21,65 MHz und T = 12 Nanosekunden

In der Bahn 2 der Elektronen ist eine Paketisie- ergibt sich « = 94°.

rungsvorrichtung 4 angeordnet, die geeignet ist, Entsprechend der Einstellung des Phasenschie-

durch Verdichtung eine Folge von Einzelimpulsen zu bers 9 und dem Umstand, daß die Frequenz mf ein

erzeugen. Diese Vorrichtung 4 wird durch eine Kette 20 Vielfaches der Frequenz / ist, werden die gleichen

von einigen Hohlraumresonatoren gebildet, die einen Bedingungen bei allen folgenden Elektronenimpulsen

gleichmäßigen Abstand voneinander haben und mit eingehalten.

einer Frequenz Z₁ von einer Quelle 5 erregt werden. Es soll nun in Betracht gezogen werden, daß sich Darauffolgend ist ein verzögerungsfreier Hohlleiter- die Welle der Frequenz /₂ verzögerungsfrei, d. h. also teil 6 angeordnet, der von einer Quelle 7 mit einer 25 mit Lichtgeschwindigkeit fortpflanzt, während die Frequenz Z₂ erregt wird, deren Energie nicht genügt, Elektronen eine relativ geringe Verzögerung innerdie Elektronen über den Zustand hinaus zu be- halb der Paketierungseinrichtung 4 erfahren haben schleunigen, bei dem die Einzelimpulse mit der und sich folglich mit einer wesentlich geringeren GeWelle in einer festen Phasenlage sind. Die Quelle 5 schwindigkeit ausbreiten. Darüber hinaus können die besteht aus einem Mischer, in dem die Frequenz Z₂, 30 Einzelimpulse von der Welle nicht eingefangen beispielsweise 1200MHz, der Frequenz mf über- werden, weil die Energie der Welle hierzu unzulagert wird. Diese wird durch einen Frequenzverviel- reichend ist. Die Einzelimpulse eilen daher der Welle fächer erzeugt, der die Frequenz/ mit einem Fak- nach.

tor m multipliziert und beispielsweise aus einer Die Einzelimpulse, die beispielsweise wie p_± der Kaskadenschaltung von acht Frequenzverdreifachern 35 Welle nacheilen, und die Einzelimpulse, die beispiejsmit dem Faktor m = 3⁸ = 6561 besteht, wobei weise wie p_n der Welle voreilen, verhalten sich unter- mf = 3333 · 6561 = 21,65 MHz ist. Aus dem Mi- schiedlich. Die beiden Gruppen korrespondieren scher 5 wird die Summenfrequenz 1200 + 21,65 beim Eintritt in das beschleunigende Feld mit den = 1221,65 MHz abgeleitet, welche die in die Pake- positiven Anteilen der Kurve /₂. Der Einzelimpuls P₁ tierungseinrichtung 4 eingespeiste Frequenz Z₁ ist. Die 40 tritt jedoch in den negativen Teil der Kurve /₂, der Frequenz Z₃ liegt folglich etwas unter der Frequenz/_r dem verzögernden Feld entspricht, nach einer Drift Eine einstellbare Phasenschiebereinrichtung 9 ist längs des kurzen Wellenanteils BD, der dem Phasenzwischen die Elemente 8 und 5 geschaltet. winkel ß_x entspricht, ein, während der Einzelimpuls Die Vorrichtung arbeitet wie folgt: F i g· 2 zeigt in p_n in den negativen Teil der Kurve eintritt, d. h. also der Zeu.e α einen Elektronenimpuls mit der Zeit- 45 in das verzögernde Feld, nachdem er längs des dauer T, der von der Elektronenkanone 1 emittiert Wellenanteils CE entsprechend dem Phasenwinkel ß₂, wird und in die Paketierungsvorrichtung 4 eintritt. der wesentlich größer als der Winkel /J₁ ist, wie aus In der Paketierungseinrichtung 4 treten die Elektro- dem Diagramm hervorgeht, eine wesentlich längere nen, die in dem Impuls enthalten sind, mit der Welle Drift erfahren hat, Folglich bleibt der Einzelimeiner Frequenz Z₁, deren Kurvenverlauf auf Zeile b 50 puls p_n länger in dem beschleunigenden Feld als der in F i g. 2 dargestellt ist, in Wechselwirkung. Infolge Einzelimpujs p_v Einzelimpulse entsprechend p_n der Erscheinung, in eine feste Phasenlage zu fallen, haben in dem verzögerungsfreien Hohlleiter eine wie durch die Punkte A u. dgl. in F i g. 2 dargestellt mittlere Geschwindigkeit, die höher ist als die der ist, werden die Elektronen zu einer Folge von Einzel- Einzelimpulse entsprechend p_v so daß sie diese impulsen P₁, p_m, P_n verdichtet, die in Zeile c der 55 während ihrer Fortpflanzung einholen. Gleichzeitig F i g. 2 dargestellt sind. Diese Folge hat im wesent- wird die Verdichtung der Einzelimpulse aufgelöst, liehen die gleiche Gesamtzeitdauer T wie der ur- und die Elektronen bilden erneut einen Elektronensprüngliche Elektrpnenimpuls, und die BreiteS jedes impuls am Ausgang des Hphlleiters (Fig. 1). Dieser Einzelimpulses entspricht etwa 20° Phasenänderung Impuls, der auf Zeile e in F i g. 2 dargestellt ist, hat der Welle Z₁. Diese Folgen von Einzelimpulsen treten 60 eine Dauer T, die kürzer ist als die Eingangsimpulsin den verzögerungsfreien Hohlleiter 6 ein. dauer T. Die relative Verringerung der Impulsdauer In diesem Hohlleiter breitet sich eine Welle mit entspricht dem Verhältnis 5:«, im gegebenen Beider Frequenz /₂ aus, deren Kurvenzug in Zeile d der spiel also 2Q° : 94° = 1:4,7. Die ursprüngliche F i g. 2 dargestellt ist. Durch Einstellen des Phasen- Dauer von 12 Nanosekunden wird so auf etwa Schiebers 9 kann erzielt werden, daß die Schwebungs- 65 2,5 Nanosekunden reduziert.

knoten der Frequenzen /₂ und mf in dem Augenblick F i g. 3, in der zur Bezeichnung entsprechender

zusammenfallen, in dem der mittlere Einzelimpuls Elemente die gleichen Bezugsnummern wie in F i g. 1

P_m aus der Folge in den Hohlleiter eintritt. Bei die- verwendet sind, zeigt schematisch eine Anwendung

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der Vorrichtung nach F i g. 1 zur Speisung von Elektronen in einen Linearbeschleuniger. Die aus dem Hohlleiter 6 austretenden verkürzten Elektronenimpulse treten in eine vorgeschaltete konventionelle Paketierungsvorrichtung 10 ein, in der die Elektronenimpulse zu Einzelimpulsen verdichtet werden. Die Einzelimpulse treten dann in den Beschleunigungsabschnitt 11 ein, der konventionell aufgebaut ist und zur Beschleunigung der Elektronen auf eine Geschwindigkeit, die nahe der Lichtgeschwindigkeit ist und ihnen eine hohe Energie erteilt, dient. Falls erforderlich, können die beschleunigten Einzelimpulse, die aus dem Abschnitt 11 austreten, mit Hilfe einer Regruppierungsvorrichtung 12 zu einer verkürzten Gruppe gruppiert werden. Die Elektronen, die aus der Regruppierungseinrichtung 12 oder direkt aus dem Beschleuniger 11 austreten, werden zur Weiterbenutzung einer nicht dargestellten Vorrichtung zugeführt.

Die Paketierungsvorrichtung 10 und der Beschleuniger 11 werden mit einer geeigneten hohen Frequenz /₃ und mit hoher Leistung gespeist. Darüber hinaus ist es, um die Anzahl der verwendeten Quellen zu reduzieren, vorteilhaft, /₃ = /₂ zu wählen und die Quelle 7 für die Frequenz /₂ sowohl für die Lieferung der vollen Leistung zu den Elementen 10 und 11 als auch der reduzierten Leistung für den Hohlleiter 6 und den Mischer 5 über ein dazwischen geschaltetes Dämpfungsglied 13 heranzuziehen.

In F i g. 4 zeigt der Block 1 wie in F i g. 1 eine Elektronenkanone, welche Elektronen emittiert, die sich längs der gestrichelten Achse 2 fortpflanzen. Die Elektronen werden in Impulsen mit einer Dauer von größenordnungsmäßig 12 Nanosekunden und mit einer Folgefrequenz / in der Größenordnung von einigen Kilohertz emittiert. In der Bahn 2 der Elektronen ist eine Paketierungsvorrichtung 14 angeordnet, die mit einer Frequenz f_i erregt wird, beispielsweise in der Größenordnung von 3000 MHz. Diese Frequenz wird von einer Quelle 15 geliefert, die mit einer Frequenz F, beispielsweise in der Größenordnung von 20 MHz (ein Vielfaches von /), stark amplitudenmoduliert ist. Die Frequenz F wird von einer Quelle 16 geliefert, die ein Vervielfacher der Frequenz / sein kann und mit der Quelle 3 für die Frequenz / phasenverriegelt ist. Die Länge der Paketierungsvorrichtung 14 wird in der Größenordnung von

-~ gewählt, wobei v_g die Gruppengeschwindigkeit

der modulierten Welle während der Ausbreitung innerhalb der Paketierungsvorrichtung ist. Mit /₄ = 3000 MHz kann die Paketierungsvorrichtung so konstruiert werden, daß v_g = 8000 km/sec ist und somit für F = 20 MHz die Länge der Paketierungsvorrichtung in der Größenordnung von 20 cm liegt.

Die Paketierungsvorrichtung 14 ist um den Beschleunigerhohlleiter 17 verlängert, in dem sich die modulierte Welle mit einer konstanten Phasengeschwindigkeit ausbreitet, die nahe der Lichtgeschwindigkeit ist. Am Ausgang dieses Hohlleiters werden die Elektronen beispielsweise in einen Hochenergiebeschleuniger 18 eingespeist, der ähnlich dem Block 11 in F i g. 3 ist und von einer Quelle 19 erregt wird.

Diese Vorrichtung arbeitet wie folgt: Es soll angenommen werden, daß die Modulationsgröße, die von der Quelle 15 geliefert wird, derart ist, daß die die Paketierungsvorrichtung erregende Energie sich sinusförmig mit der Frequenz F ändert. Diese Energie erzeugt ein Feld, das sich in dem Raum sinusförmig zwischen Null und einem Spitzenwert ändert.

Diese sinusförmige Verteilung der Periode -^- breitet

sich in der Paketierungsvorrichtung mit einer Gruppengeschwindigkeit v_g aus. Ist die Länge der Paketierungsvorrichtung gleich einer halben Periode dieser Raumverteilung, so ändert sich das Feld längs

ίο der Paketierungsvorrichtung periodisch in der Zeit zwischen zwei Raumverteilungen, von denen die eine durch die Kurve A und die andere durch die Kurve B in F i g. 5 dargestellt ist. In F i g. 5 ist das Feld als Funktion der axialen Koordinate der Paketierungsvorrichtung gegeben. Es ist ersichtlich, daß die Elektronen, die in die Paketierungsvorrichtung während der Verteilung A eintreten, am Anfang ein schwaches Feld antreffen, so daß sie relativ wenig beschleunigt werden und die Paketierungsvorrich-

ao tung mit einer relativ geringen mittleren Geschwindigkeit verlassen. Anderseits treffen die Elektronen, die in die Paketierungsvorrichtung während der Verteilung B eintreten, während ihres gesamten Durchlaufs durch die Paketierungsvorrichtung auf ein relativ starkes Feld, das ihnen eine starke Beschleunigung erteilt und somit eine relativ hohe mittlere Geschwindigkeit. Diese Elektronen verdichten sich selbst zu Einzelimpulsen nahe dem Maximum der Welle (Phase π), während die vorgenannten Elektronen sich zu Einzelimpulsen nahe der Phase ~ verdichten.

Mit richtig eingestellten Phasen kommen die Elektronen aus der ersten Hälfte des ursprünglichen Elektronenimpulses während der Verteilung/1 und die aus der zweiten Hälfte während der Verteilung B an.

Wenn die beiden Arten von Einzelimpulsen in den Beschleunigerhohlleiter 17 eintreten, verhalten sie sich unterschiedlich. Die, welche mit der höheren mittleren Geschwindigkeit bei der Phasenlage π (entsprechend der zweiten Hälfte des ursprünglichen Impulses) eintreffen, werden von der Welle, die sich mit einer konstanten Phasengeschwindigkeit ausbreitet, eingefangen oder driften relativ langsam hinter der Welle her. Diejenigen, welche mit der geringeren mittleren Geschwindigkeit bei der Phasenlage y (entsprechend der ersten Hälfte des ursprünglichen Impulses) eintreffen, werden von der Welle nicht gefangen und driften schnell hinter dieser her. Die mittlere Geschwindigkeit der ersteren bleibt höher als die der letzteren, und die ersteren holen die letzteren ein, wodurch eine Auflösung der Einzelimpulse erzielt wird, wobei am Ausgang des Hohlleiters 17 ein verkürzter Elektronenimpuls der Form, wie in Zeile e der F i g. 2 dargestellt ist, erscheint.

Diese Betriebszustände wiederholen sich für jeden von der Elektronenkanone emittierten Impuls infolge des Vervielfachungsfaktors, der die Frequenzen F und / verbindet, und der Phasensynchronisation.

Die Modulation der Quelle 15 braucht nicht sinusförmig zu sein. Es genügt, die Länge oder die Lage der Impulse zu modulieren derart, daß die Ausgangsleistung der Quelle 15 sich während der Dauer des Impulses, der von der Elektronenkanone ausgesandt wird, entsprechend dem Bogen einer Sinuskurve ändert.

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Verkürzung von Elektronenimpulsen, die von einer Elektronenkanone mit einer Folgefrequenz/ emittiert werden, auf Impulsdauern, die kleiner sind als die durch die Zeitkonstante der Elektronenkanone nach unten festgelegte, dadurch gekennzeichnet, daß eine Paketierungsvorrichtung in der Bahn der Elektronen vorgesehen ist, die jeden Impuls durch Phasenfokussierung mit einer HF-Welle in eine Reihe von kürzeren Einzelimpulsen zerlegt, und daß dieser eine Entpaketierungsvorrichtung nachgeschaltet ist, in der die Einzelimpulse in Wechselwirkung mit einer hochfrequenten Wanderwelle treten, von der sie wieder auf Grund verschiedener Phasenlagen zu einem einzigen Impuls zusammengeschoben werden, welcher kürzer ist als der von der Elektronenkanone emittierte Elektronenimpuls.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektronen in der Paketierungsvorrichtung mit einer HF-Welle einer Frequenz f_v die etwas höher ist als die Frequenz^ der Welle, die sich in der Entpaketierungsvorrichtung ausbreitet, in Wechselwirkung treten.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Unterschied zwischen den Frequenzen Z₁ und f₂ gleich einer Frequenz mf ist, die ein ganzzahliges Vielfaches der Frequenz / ist, welche die Elektronenkanone steuert.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz f_t die Uberlagerungs-Summenfrequenz ist, die durch Mischen der Frequenzen mf und /₂ erhalten wird.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur Einstellung der Phasenlage der Welle mit der Frequenz«/ vorgesehen sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Einstellung der Phasenlage derart eingestellt sind, daß ein Uberlagerungsknoten aus den Frequenzen Z₁ und f₂ in der Mitte des Elektronenimpulses erzielt wird.

7. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Paketierungsvorrichtung die Elektronen veranlaßt, mit der HF-Welle der Frequenz mf in Wechselwirkung zu treten, welche mit einer Frequenz f₂ amplitudenmoduliert ist, während die Entpaketierungsvorrichtung ein Beschleunigungshohlleiter ist, in dem sich die amplitudenmodulierte Welle mit einer konstanten Phasengeschwindigkeit, die gleich der Lichtgeschwindigkeit ist, ausbreitet.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß sie die Phasenlagen der beiden Frequenzen synchron hält.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der Paketierungsvorrichtung gleich

ist, wobei v_g die

2mf ^*' """^w ε
Gruppengeschwindigkeit der modulierten Welle ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Britische Patentschrift Nr. 815 063;
USA.-Patentschrift Nr. 2 813 996.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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