DE1284475B - Vorrichtung zum Erzeugen einer hoeheren Harmonischen einer hochfrequenten elektromagnetischen Schwingung mit einer Geschwindigkeitsmodulationsroehre - Google Patents
Vorrichtung zum Erzeugen einer hoeheren Harmonischen einer hochfrequenten elektromagnetischen Schwingung mit einer GeschwindigkeitsmodulationsroehreInfo
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- H01J25/10—Klystrons, i.e. tubes having two or more resonators, without reflection of the electron stream, and in which the stream is modulated mainly by velocity in the zone of the input resonator
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Description
1 ' 2
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung man schließen, daß es, im Gegensatz zum. oben-für
die Erzeugung einer höheren Harmonischen genannten Wert von wenigstens 10 000 V, günstig
einer hochfrequenten elektromagnetischen Schwin- wäre, einen möglichst niedrigen Wert für die Gleichgung
mittels einer Geschwindigkeitsmodulations- spannung des Elektronenstrahles zu wählen. Beröhre,
die Mittel für die Erzeugung eines Elektronen- 5 kannte Vorrichtungen arbeiten dann auch mit einer
Strahles enthält, der durch ein Magnetfeld fokussiert wesentlich niedrigeren Gleichspannung. Wenn jedoch
wird und von einer Kathode aus nacheinander das Ausgangssystem mit in die Betrachtungen einwenigstens
ein Modulationssystem, einen Triftraum bezogen wird und dieses System einen Hohlraum-
- und ein Ausgangssystem durchläuft, wobei die resonator mit im wesentlichen ebenen Wänden,
Hochfrequenzschwingung dem Modulationssystefn 10 d. h. ohne eine kapazitive Belastung an der Stelle
zugeführt und die höhere-· Harmonische dem Aus- des Strahldurchtritts, aufweist, so zeigt sich, daß
gangssystem entnommen wird. Weiter bezieht die man eine größere Ausgangsleistung erhält, wenn
Erfindung sich auf eine Röhre für eine solche Vor- man eine höhere Gleichspannung wählt. Eine hohe
richtung. Gleichspannung hat weiter den Vorteil, daß bei
Es sind bereits Vorrichtungen und Röhren der i5 einer gegebenen Stärke des fokussierenden Magnetobigen Art bekannt, denen Dezimeter- oder Zenti- feldes eine kleinere Dichte des Kathodenstromes als
meterwellen zugeführt werden, die mit mehr oder bei einer kleinen Gleichspannung erförderlich ist,
weniger üblichen Mitteln erzeugt werden, und mit um dieselbe Bündelstromstärke zu bekommen. Bei
denen es möglich ist, Harmonische mit einer Wellen- einer höheren Gleichspannung können außerdem
länge von nur einigen Zentimetern zu erzeugen. 20 die Abmessungen der Systeme in der Röhre größer
Auch ist es gelungen, ausgehend von einer Schwin- gewählt werden, und zwar etwa proportional zur
gung mit einer Wellenlänge von 8 mm, durch Fre- Wurzel aus der Gleichspannung. Dadurch wird
quenzverdopplung in den 4-MiHimeter-Bereich ein- nicht nur die Herstellung der Röhre einfacher, sonzudringen.
dem es werden auch die Abstände zwischen den
Solche Vorrichtungen sind z. B. in den USA.- 25 Elektroden des Strahlsystems größer, so daß trotz
Patentschriften 2 424 959 und 2 747 129 beschrieben. der höheren Gleichspannung eine geringere Gefahr
In diesen Vorrichtungen haben die Ausgängssyste„nie, von Überschlägen besteht.
wie allgemein bei Geschwindigkeitsmodulations-" Die Erfindung wird an Hand einer Anzahl von
röhren üblich, die Form eines an den Stellen des Ausführungsbeispielen der Vorrichtung gemäß der
Strahldurchtrittes kapazitiv durch vorspringende 30 Erfindung und der dabei zu verwendenden Röhren
Teile belasteten Hohlraumresonators. Einen solchen näher erläutert.
kapazitiv belasteten Hohlraumresonator hat eben- Fig. 1 zeigt in ausführlicher Darstellung eine
falls eine Vorrichtung dieser Art, die in den »IRE Ausführungsform einer Vorrichtung, die nicht als
Transactions on Electron Devices ED 6«, April Oszillator verwendet wird.
1959, S. 236 bis 241, beschrieben ist. Diese Vor- 35 In den folgenden Figuren sind die Vorrichtungen
richtung wurde mit einer Anodenspannung von schematisch dargestellt und eine große Anzahl an
rund 3000 V betrieben, wobei verhältnismäßig kleine sich bekannter Einzelteile weggelassen. Dabei zeigt
Änderungen der Anodenspannung bereits große F i g. 2 eine als Oszillator ausgebildete VorÄnderungen
der Ausgangsleistung bewirkten. richtung,
Durch entsprechende Verkleinerung der bekannten 40 F i g. 3 eine andere Ausführiingsform einer nicht
Vorrichtungen und Röhren ist jedoch praktisch als Oszillator wirkenden Vorrichtung,
nicht die Erzeugung noch kürzerer Wellen im Milli- F i g. 4 eine nicht als Oszillator wirkende Vormeteroder
Submillimeterbereich möglich. Eine richtung mit Verstärkung des Eingangssignals,
solche Verkleinerung würde zu derart großen Katho- F i g. 5 eine Vorrichtung, in der das Eingangs-
denbetastungen, derart starken Magnetfeldern und 45 system aus zwei gekoppelten Hohlraumresonatoren
derart hohen Verlustleistungen führen, daß eine besteht und
Verwirklichung sehr in Frage gestellt ist. Außerdem F i g. 6 eine Vorrichtung, in der das Ausgangswerden
die in der Röhre zu verwendenden Bauteile system aus einer Anzahl gekoppelter Hohlraumzu
kleine Abmessungen bekommen, um noch ohne resonatoren besteht.
zu große Schwierigkeiten herstellbar zu sein. 50 Die Vorrichtung gemäß Fig. 1 enthält eine
Die Erfindung zielt darauf ab, eine Vorrichtung Geschwindigkeitsmodulationsröhre I, die im wesent-
und eine zugehörige Röhre zu schaffen, mit denen liehen aus einem Strahlerzeugungssystem 2, einem
Wellen im Millimeter- und Submillimeterbereich auf Modulationssystem 3, einem Triftraum 4, einem
verhältnismäßig einfache Weise erzeugt werden kön- Ausgangssystem 5, von dem ein Teil ausführlicher
nen und die verhältnismäßig einfach, vor allem mit 55 in F i g. 1 a mit dem Bezugszeichen 6 dargestellt .
größeren Abmessungen, herstellbar sind, als sie bei ist, und einem Koilektorteil 7 zusammengesetzt ist.
einer der gewünschten Wellenlänge entsprechenden Das Strahlerzeugungssystem, das eine bekannte
Verkleinerung der bekannten Vorrichtungen zu Konstruktion haben kann, enthält unter anderem
erreichen wären. eine Kathode 8, die vorzugsweise als Vorratskathode
Die Vorrichtung nach der Erfindung ist dadurch 60 ausgebildet ist, und eine Fokussierelektrode 9. Die
gekennzeichnet, daß das Ausgangssys^em einen Zuführungsdrähte Tür die Fokussierelektrode, die
Hohlraumresonator aufweist, dessen Seitenwände Kathode und den Heizer der Kathode sind auf
durchgehend im wesentlichen eben sind und sich bekannte Weise über einen Röhrenfuß 10 vakuumsenkrecht
zur Richtung des Elektronenstrahlcs er- dicht durch einen Glas- oder Keramikteil II der
strecken, und daß die Gleichspannung des Elektro- 65 Röhrenwand nach außen gerührt, wo sie mit Konnenstrahles
wenigstens 10 000 V beträgt. taktstiften versehen sind. Der mit der Kathode 8 ,
Aus allgemeinen Betrachtungen über in der CIc- verbundene Kontaktstift 12 ist an den negativen
schwindigkeit modulierte Elektronensirahlen würde Pol einer Gleichspannungsquelle 13 angeschlossen.
3 4
Die Speisung der Kathode und die S'pannungszu- Weise Wellenleiter für die Weiterleitung der erzeug-
fuhrung an die Fokussierelektrode können auf be- ten harmonischen Schwingung bzw. für Anpassungs-
kannte, hier nicht dargestellte Weise durchgeführt zwecke angeschlossen werden,
werden. Nach dem Durchlaufen des Ausgangssystems
Der Teil der Röhrenwand, der den vorderen Teil 5 wird der Elektronenstrahl durch den Kollektor?
des Strahlerzeugungssystems, das . Modulationssy- aufgefangen.
stern, den Triftraum und das Ausgangssystefn ent- Bei einer Vorrichtung des beschriebenen Typs
hält, ist aus Metall hergestellt und ist mit dem posi- wurde über die Öffnung 22 eine Schwingung mit
liven Pol der Gleichspannungsquelle 13 verbunden. einer Wellenlänge von 30 mm dem Hohlraumreso-Der
ebenfalls aus Metall hergestellte Kollektorteil 7, io nator 3 zugeführt und über einen der Wellenleiter 28
der vakuumdicht durch einen Glas- oder Keramik- und 29 eine Schwingung mit einer Wellenlänge von
ring 14 mit dem weiteren Metallgehäuse verbunden 2,5 mm dem Hohlraumresonator 23 des Ausgangsist,
ist auch an den positiven Pol der Spannungs- systems 5 entnommen. Die Spannung der Gleichquelle
13 angeschlossen. Dies ist nicht unbedingt Spannungsquelle 13 war dabei 25 000 V. Der Gleicherforderlich, das Potential des Kollektors kann auch 15 strom in der Röhre war 20 mA und die Stromdichte
zwischen dem der Kathode und des übrigen Teiles an der Kathode bei einem Kathodendurchmesser
des Gehäuses gewählt werden. In diesem Fail muß von 1,5 mm 1,1 A/cm2. Der Durchmesser der Bohman
im allgemeinen der Isolierung des Kollektor- rung 32 im Hohlraumresonator 23 war 0,5 mm und
teiles? mehr Aufmerksamkeit als bei der Röhre der Durchmesser des Elektronenstrahles etwa 0,5 mm.
nach Fig. ! widmen. 20 Die Stärke des Magnetfeldes war etwa 1500Gauß.
Der in der Röhre erzeugte Elektronenstrahl wird Die zugeführte Leistung war etwa 12,5 W und die
mittels eines axialen rotationssymmetrischen Magnet- Ausgangsleistung etwa 30 mW.
feldes fokussiert, das mit einem außerhalb der Röhre Wenn man zum Erzeugen einer Schwingung von
angeordneten Magnetsystem erzeugt wird. 2,5 mm Wellenlänge die bekannten Reflexklystrons
Bei der Vorrichtung nach F i g. 1 besteht dieses 25 verwenden würde, würde dabei die Stromdichte an
System aus zwei Spulen 15 und 16, einem Joch 17 der Kathode etwa 7 A/cm2 statt 1,1 A/cm"2 bei der
und zwei Polschuhen 18 und 18 a. Es können jedoch Röhre nach der Erfindung betragen. Der kleinste im
auch andere bekannte Magnetsysteme für diesen Reflexklystron auftretende Durchmesser, nämlich
Zweck verwendet werden, die auch ganz oder teil- der Durchmesser der Bohrung im Hohlraumreso-
weise innerhalb der Röhre angeordnet sein können 30 nator, wäre dann 0,15 mm gegen 0,5 mm bei der
Die aus der Kathode 8 austretenden Elektronen Röhre nach der Erfindung. Die Verlustleistung bei
werden infolge der am Metallgehäuse der Röhre einem solchen Reflexklystron wäre etwa 45 Watt;
liegenden Gleichspannung beschleunigt und durch diese Leistung wird auch in der Umgebung des Hohl-
das Magnetfeld fokussiert. Der Elektronenstrahl raumresonators 23 bei der Röhre nach der Erfindung
durchläuft dabei zuerst axial das als toroidaler Hohl- 35 abgegeben, aber dort ist die Oberfläche viel größer-
raumresonator ausgebildete Modulationssystem 3. Auch wegen der Verlustleistung ist es von großer
Dieser Hohlraumresonator ist durch eine Kapazität Bedeutung, daß beim Hohlraumresonator 23 keine
zwischen den Teilen 19 und 20 in der Mitte belastet. kapazitiv vorstehenden Teile vorhanden sind, da
Eine Wechselspannung, die über dem zwischen den diese sehr kleine Abmessungen haben müßten und
beiden zylindrischen Teilen 19 und 20 gebildeten 40 demzufolge bald zu warm werden würden.
Spalt auftritt, bewirkt eine Geschwindigkeitsmodu- Eine der ebenen Seitenwände, und zwar 25, und
lation des Elektronenstrahles. Die Teile 19 und 20 die zylindrische Wand werden vorzugsweise durch
haben keine Gitter. einen ringförmigen Metallkörper gebildet, der mit
Eine Hochfrequenzschwingung wird auf bekannte einem dünnen membranartigen Teil 34 versehen ist,
Weise über einen nicht dargestellten Wellenleiter, 45 der ziemlich leicht deformiert werden kann. Auf
der an eine Aussparung 21 in der Röhrenwand ange- diese Weise ist es möglich, die gewünschte Reso-
schlossen wird und durch eine Öffnung 22 mit dem nanzfrequenz des Hohlraumresonators 23 durch
Hohlraumresonator 3 verbunden ist, dem Hohl- axiale Verschiebung des Körpers 33 einzustellen,
raumresonator zugeführt. Der vakuumdichte Ab- Im Hinblick auf die maximale Modulationstiefe,
schluß der Röhrenwand kann auf an sich bekannte 50 die im Modulator der beschriebenen Vorrichtung in
Weise mittels eines Fensters aus geeignetem Ma- Abhängigkeit von der Größe der zugeführten Lei-
terial bewirkt werden. stung erhalten werden kann," ist es erwünscht, daß
Nachdem der Elektronenstrahl im Spalt des Hohl- der Scheinleitwert des Elektronenstrahles, d. h. der
raumresonators 3 in der Geschwindigkeit moduliert Quotient aus der Stromstärke in Ampere und der
ist, durchläuft er den Triftraum 4 und erreicht darauf 55 Gleichspannung in Volt, kleiner als 5 · 10 6 A/V ist.
das Ausgangssystem 5, das teilweise unter 6 in ver- Es hat sich weiter gezeigt, daß es fur einen optigrößertem
Maßstab dargestellt ist. Dieses Aus- malen Wirkungsgrad erforderlich ist, daß der
gangssystem ist als zylindrische Buchse 23 ausge- Durchmesser des Elektronenstrahles gleich 0,5- bis
bildet, die axial vom Elektronenstrahl durchlaufen !mal der elektronischen Wellenlänge des Ausgangswird.
Die Seitenwände 24 und 25 stehen im wesent- &» signals ist. Unter der elektronischen Wellenlänge des
liehen senkrecht zur Richtung des Elektronenstrahles Ausgangssignals versteht man den Abstand zwischen
und sind im wesentlichen eben. Der Hohlraumreso- den Elektronenverdichtungen im Elektronenstrahl,
nator 23 ist durch den ringförmigen Spalt 26, der die der Frequenz des Ausgangssignals entsprechen,
sich radial über etwa eine Viertel wellenlänge er- Die elektronische Wellenlänge Λ· hängt im nichtstreckt,
mit dem ringförmigen Raum 27 verbunden. 65 relativistischen Bereich mit der Wellenlänge fa in
Dieser ringförmige Raum 27 ist mit zwei Wellen- Luft nach der Formel |/2
leitern 28 und 29 verbunden. Auf der Außenseite X=X ^" '
der Röhrenwand können bei 30 und 31 auf bekannte '' " 500
leitern 28 und 29 verbunden. Auf der Außenseite X=X ^" '
der Röhrenwand können bei 30 und 31 auf bekannte '' " 500
zusammen, wobei V0 die Gleichspannung des Elektronenstrahles
in Volt ist. Im vorliegenden Fall beträgt I0 2,5 mm und V0 = 25 000 Volt, so daß '
/.«. = 0,8 min ist. Der Durchmesser des Elektronen-Strahles
ist etwa 0,50 mm, was innerhalb den oben angegebenen Grenzen liegt.
Wie bereits erwähnt, erzeugt die oben beschriebene Vorrichtung die zwölfte Harmonische der zugefiihrten
Schwingung, wobei in diesem Fall, ausgehend von einer Schwingung mit einer Wellenlänge
von 30 mm, eine Ausgangsschwingung mit einer Wellenlänge von 2,5 mm entsteht. Dabei ist die
kleinste Abmessung, die in der Röhre verwirklicht werden muß — der Durchmesser der Bohrung 32
im Ausgangshohlraumresonator — noch 0,5 mm groß. Diese verhältnismäßig große Abmessung, die
geringe Stromdichte an der Kathode und die verhältnismäßig niedrige magnetische Feldstärke lassen
eine Verkleinerung zu, wie sie für die Erzeugung von Schwingungen kürzerer Wellenlänge erforder-Hch
ist.
Bei der Vorrichtung nach Fig. 1 wird eine Hochfrequenzschwingung von außen zugeführt. Es
ist jedoch auch möglich, die Vorrichtung als Oszillator
auszubilden, wie an Hand der schematischen F i g. 2 und 3 erläutert wird. In diesen Figuren,
wie auch in den F i g. 4. 5 und 6, sind das magnetische Fokussiersystem. die Spannungszuführung
und eine Anzahl weiterer Bauteile, die für das Verständnis der Erfindung nicht erforderlich sind, fortgelassen.
Gleiche Teile in diesen Figuren sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
Die Vorrichtung nach F i g. 2 enthält eine Röhre mit einer Kathode 35. einer Fokussierelektrode 36
und einem Kollektor 37.
Das System für die Erzeugung der Qrundschwingung enthält zwei kapazitiv belastete Hohlraumresonatoren
38 und 39. die über eine koaxiale Leitung^, deren Innenleiter 41 mit einer Koppelschleife
42 im Hohlraumresonator 38 und einer Koppelschleife 43 im Hohlraumresonator 39 versehen
ist. regenerativ miteinander gekoppelt sind. Bei höheren Frequenzen wird man vorzugsweise
einen Wellenleiter zum Koppein der beiden Hohlraumresonatoren
verwenden, was auf bekannte Weise erfolgen kann. Zwischen den beiden Hohlraumresonatoren
befindet sich ein Triflraum 50. Bei richtiger Kopplung wird durch dieses System, eine hochfrequente
elektromagnetische Schwingung erzeugt, deren Frequenz im wesentlichen durch die Eigenfrequenzen
der Hohlraumresonatoren 38 und 39 bestimmt wird. Der Elektronenstrahl wird unter Einfluß dieser
Schwingung in der Geschwindigkeit und dann in der Dichte moduliert und passiert darauf den Hohlraumresonator 44. dem die höhere harmonische
Schwingung entnommen wird.
Bei der Verwendung nach Fig3 findet die
Geschwindigkeitsmodulation mittels des Hohlraumresonator 45 statt, der durch die koaxiale Leitung-47.
auf analoge Weise wie in Fig. 2. regenerativ mit einem zweiten Hohlraumresonator 46 gekoppelt
ist. der in diesem Fall hinter dem Ausgangshohlraumresonator 44 liegt.
Die Vorrichtung nach F i g. 4 arbeitet nicht' als Oszillator, sondern mit Verstärkung eines zugefuhrten
Signals. Die Eingangsschwingung wird über die Koppelschleife 48 einen ersten Hohlraumresonator 49 zugeführt. In einem Abstand von diesem
in Richtung des Elektronenstrahls ist hinter dem Triftraum 52 ein zweiter Hohlraumresonator 51, der
auf die Frequenz des Eingangssignals abgestimmt ist, derart angeordnet, daß dort das zugeführte Signal
verstärkt ist.
Bei der Vorrichtung nach Fig. 5 wird die Hochfrequenzschwingung über die Koppelschleife
dem Hohlraumresonator 54 zugeführt, der durch eine öffnung und eine Koppelschleife auf bekannte
Weise mit einem Hohlraumresonator 55 gekoppelt ist; beide Resonatoren bilden eine Baueinheit.
Schließlich ist in F i g. 6 eine Vorrichtung dargestellt, bei der das Ausgangssystem 56 aus einer
Anzahl miteinander gekoppelter Hohlraumresonatoren besteht. Das Eingangssignal wird über die
Koppelschleife 57 dem Hohlraumresonator 58· zugeführt.
Claims (6)
1. Vorrichtung für die Erzeugung einer höheren Harmonischen aus einer hochfrequenten elektromagnetischen
Schwingung mittels einer Geschwindigkeitsmodulaüonsröhre.
die Mittel für die Erzeugung eines Elektronenstrahls enthält, der durch ein Magnetfeld fokussiert wird und
von einer Kathode aus nacheinander wenigstens ein Modulationssystem. einen Triftraum und ein
Ausgangssystem durchläuft, wobei die Hochfrequenzschwingung dem Modulaüonssystem zugeführt
wird und die höhere Harmonische dem Ausgangssystem entnommen wird, dadurch
gekennzeichnet, daß das Ausgangssystem
einen Hohlraumresonator aufweist, dessen Seitenwände durchgehend im wesentlichen eben
sind und sich senkrecht zur Richtung des Elektronenslrahles
erstrecken, und daß die Gleichspannung des Eleklronenstrahlcs wenigstens
10 000 V beträgt.
2. Vorrichtung nach Anspruch I. dadurch gekennzeichnet,
daß der Scheinleitwerl des Elektronenstrahls kleiner als 5 10"AV ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch I oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des
Elektronenstrahles gleich 0.5- bis Imal der elektronischen
Wellenlänge des Ausgangssignals ist.
4. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß das Modulationssystem durch einen von zwei regenerativ gekoppelten Hohlraumresonatoren
gebildet ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4. dadurch gekennzeichnet,
daß das Ausgangssystem zwischen zwei regenerativ gekoppelten Hohlraumresonatoren
liegt.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4. dadurch gekennzeichnet,
daß die beiden regenerativ gekoppelten Hohlraumresonatoren vor dem Ausgangshohlraumresonator
liegen.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
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