DE1491355C

DE1491355C - Coaxial cavity resonator for a drift tube

Info

Publication number: DE1491355C
Authority: DE
Inventors: Ryoka Kokubunji Kaneko Yoichi Hachioji Sawada, (Japan)
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Publication date: 1972-09-07

Description

Die Erfindung betrifft einen koaxialen Hohlraumresonator für eine Triftröhre in Form eines sym- metrischen Topfkreises, dessen Stirnseiten und deren beide jeweils an einer Stirnseite befestigten, sich gegenüberstehenden zentralen Stempel koaxiale öffnungen für den Durchlaß eines in der Hohlraumresonatorachse gerichteten Ladungsträgerstrahies aufweisen und in welchem zwischen den Stempeln senkrecht zum Ladungsträgerstrahl mehrere Wechselwirkungsspalte vorgesehen sind.The invention relates to a coaxial cavity resonator for a drift tube in the form of a sym- metric pot circle, the end faces and both of which are each attached to one end face opposite central punch coaxial openings for the passage of one in the cavity resonator axis have directed charge carrier beam and in which between the punches perpendicular several interaction gaps are provided for the charge carrier beam.

Die bisher in Klystronverstärkern für Mikrowellen, insbesondere verhältnismäßig niedriger Frequenzen, verwendeten Hohlraumresonatoren besitzen sehr große Abmessungen selbst bei mäßiger Leistung. Hieraus ergeben sich zwangläufig auch große Abmessungen der Fokussierspule; selbst bei Röhren großer Leistung ist es bisher außerordentlich schwierig, die äußeren Abmessungen zu verkleinern, ohne Einbußen an Leistung und Wirkungsgrad zu erleiden. Eine bloße Verringerung der Abmessungen des Hohlraumresonators könnte durch Vergrößerung der elektrostatischen Kapazität der Wechselwirkungsspalte erzielt werden, in denen der Elektronenstrahl und das elektrische Feld des Hohlraumresonators zusammenwirken, während die Induktivität verringert werden müßte. Derart ausgebildete Hohlraumresonatoren hätten jedoch den schwerwiegenden Nachteil einer Verringerung des Wellenwiderstands und einer Vergrößerung der Leistungsverluste.The previously used in klystron amplifiers for microwaves, especially relatively low frequencies, The cavity resonators used have very large dimensions, even with moderate power. This inevitably results in large dimensions of the focusing coil; even with tubes high performance, it has been extremely difficult to reduce the external dimensions without To suffer losses in performance and efficiency. A mere reduction in the size of the cavity resonator could be achieved by increasing the electrostatic capacity of the interaction column can be achieved in which the electron beam and the electric field of the cavity resonator work together, while the inductance would have to be reduced. Such designed cavity resonators however, would have the serious disadvantage of a reduction in the wave resistance and an increase in size the power losses.

Außer diesen obenerwähnten Hohlraumresonatoren mit einem einzigen Wechselwirkungsspalt gibt es bereits Hohlraumresonatoren mit mehreren Wechselwirkungsspalten bzw. Hohlräumen, die einer Kombination von mehreren Hohlraumresonatoren mit einem Wechselwirkungsspalt entsprechen und deren Vorteile in einer Vergrößerung der Bandbreite und einer Verringerung der Leistungsverluste bestehen. Die be- r,₀ kannten Hohlraumresonatoren mit mehreren Wechselwirkungsspalten liefern jedoch Schwingungen_ldie der Zahl der im Hohlraumresonator enthaltenen Wechselwirkungsspalte entsprechen und gegenüber der Grundschwingung unterdrückt werden müssen, was verhältnismäßig schwierig ist. So ist eine Triftröhre mit koaxialen Hohlraumresonator'?:-- der eingangs genannten Art bekanntgeworden (vgl. USA. Patentschrift 2 547061). Die zentralen Stempel sind dabei auch an der Seitenwand des Topfkreises ebenso wie weitere Stempel befestigt, die zwischen den zentralen Stempeln liegen und ebenfalls mit je einer öffnung zum Durchlaß des Ladungsträgerstrahls versehen sind. Alle Stempel sind also Zylinder mit exzentrischer öffnung. Wegen der dadurch bedingten unterschiedlichen Potentialverhältnisse können mit diesem Hohlraumresonator nur elektrische Hochfrequenzfelder von wesentlich unterschiedlichem Betrag in den verschiedenen Wechselwirkungsspalten erzeugt werden.In addition to these above-mentioned cavity resonators with a single interaction gap, there are already cavity resonators with several interaction gaps or cavities which correspond to a combination of several cavity resonators with an interaction gap and the advantages of which are an increase in bandwidth and a reduction in power losses. However, working r, ₀ knew cavity resonators with several interaction columns provide vibrations _l to the number of the interaction column contained in the cavity correspond to and have to be suppressed relative to the fundamental mode, which is relatively difficult. For example, a drift tube with a coaxial cavity resonator of the type mentioned at the beginning has become known (cf. USA. Patent 2 547061). The central stamps are also attached to the side wall of the pot circle, as are other stamps which are located between the central stamps and are also each provided with an opening for the passage of the charge carrier beam. All punches are therefore cylinders with an eccentric opening. Because of the different potential relationships caused by this, only electrical high-frequency fields of significantly different magnitudes can be generated in the various interaction gaps with this cavity resonator.

An Hand von F i g. 1 sei ein bekannter Hohlraumresonator mit einem Wechselwirkungsspalt näher erläutert.With reference to FIG. Let 1 be a known cavity resonator explained in more detail with an interaction gap.

Dieser Hohlraumresonator enthält zwei Stempel 2 mit koaxialen öffnungen 3 zum Durchlaß eines Elektronenstrahles. Die Stempel 2 sitzen an einander gegenüberliegenden, leitenden Stirnseiten eines Topfkreises 1. Bei einer Verringerung der Abmessungen dieses Hohlraumraonators ergibt sich eine propor tionale Verkleinerung der Induktivität L und der Kapazität C. Da die Induktivität L des Hohlraumresonators mit der Größe praktisch feststeht, muß die Kapazität C vergrößert werden, um die gleiche Grundresonanzfrequenz aufrechtzuerhalten. Zu diesem Zweck müßte der Querschnitt der Stempel 2 vergrößert oder ein dazwischenliegender Spalt 4 verkleinert werden, wodurch das elektrische Feld unnötigerweise auf Bereiche erstreckt würde, in denen es mit dem Elektronenstrahl nicht zusammenwirkt, was die Leistungsverluste des Hohlraumresonators vergrößern würde.This cavity resonator contains two stamps 2 with coaxial openings 3 for the passage of an electron beam. The stamps 2 sit on opposite, conductive end faces of a pot circle 1. When the dimensions of this cavity resonator is reduced, the inductance L and the capacitance C are proportional. Since the inductance L of the cavity resonator is practically fixed with the size, the capacitance must C can be increased to maintain the same fundamental resonance frequency. For this purpose, the cross section of the stamp 2 would have to be enlarged or an intermediate gap 4 would have to be reduced, whereby the electric field would unnecessarily be extended to areas in which it does not interact with the electron beam, which would increase the power losses of the cavity resonator.

Bei einem aus mehreren Wechselwirkungsspalten zusammengesetzten Hohlraumresonator, der eine Kombination mehrerer aus einem Wechselwirkungsspalt bestehender Hohlraumresonatoren darstellt, kann man die Erregerspannung entsprechend der Zahl der Wechselwirkungsspalte aufteilen und diese Teilspannungen in den einzelnen Wechselwirkungsspalten wirksam werden lassen. Auf diese Weise kann der Leistungsverlust eines solchen, aus mehreren Wechselwirkungsspalten bestehenden Resonators verringert und seine Frequenzbandbreite vergrößert werden. Andererseits besitzt — wie bereits erwähnt — ein derartiger, aus mehreren Wechselwirkungsspalten bestehender Hohlraumresonator den entscheidenden Nachteil, daß außer der Grundresonanzfrequenz unerwünschte Schwingungen auftreten.In the case of a cavity resonator composed of several interaction columns, the one Represents a combination of several cavity resonators consisting of an interaction gap, you can divide the excitation voltage according to the number of interaction columns and these Let partial stresses in the individual interaction columns become effective. That way you can the power loss of such a resonator consisting of several interaction columns is reduced and its frequency bandwidth can be increased. On the other hand - as already mentioned - such a cavity resonator consisting of several interaction gaps is decisive Disadvantage that, in addition to the fundamental resonance frequency, undesired vibrations occur.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Hohlraumresonator der eingangs genannten Art so weiterzuentwickeln, daß er einen verhältnismäßig kleinen Außendurchmesser aufweist, in der Nähe seiner Grundresonanzfrequenz keine unerwünschten Schwingungen zeigt, ferner nur verhältnismäßig kleine Leistungsverluste erleidet und eine hohe Verstärkung besitzt, wenn er in einer Triftröhre verwendet wird.The invention is therefore based on the object of providing a cavity resonator of the type mentioned at the beginning Art to be further developed so that it has a relatively small outer diameter in which Near its basic resonance frequency shows no undesirable oscillations, furthermore only relatively suffers small loss of power and has high gain when used in a drift tube will.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Wechselwirkungsspalte, in welchen die elektrischen Felder benachbarter Wechselwirkungsspalte entgegengesetzt gerichtet sind, dadurch gebildet sind, daß die freien Enden der beiden Stempel in Form einer Interdigitalleitung ineinandergreifen.This object is achieved according to the invention in that the interaction column in which the Electric fields of adjacent interaction columns are directed in opposite directions, thereby formed are that the free ends of the two stamps interlock in the form of an interdigital line.

Es ist zwar bereits ein Resonanzwellenleiter-Rückwärtswellen-Oszillator mit Interdigitalstruktur bekanntgeworden (vgl. USA.-Patentschrift 2 899 595). Bei dem dort in F i g. 3 und 4 abgebildeten Oszillator sind beide Enden von zwei Platten, die mehrereIt is true that it is already a resonant waveguide reverse wave oscillator with interdigital structure became known (see US Pat. No. 2,899,595). In the case of the one in FIG. 3 and 4 the oscillator shown are both ends of two plates that are multiple

durchbrochene Vorsprünge tragen, mit einer Endplatte bzw. einer leitenden Trennwand verbunden, so daß ein lnäanderförmiger Kanal zwischen den zwei Platten an seinen beiden Enden kurzgeschlossen ist. Daher werden die Mikrowellen an beiden Enden des mäanderfÖrmigcn Kanals reflektiert, so daß sie in diesem wiederholt hin- und herlaufen. Der durch den Kanal gebildete Resonator hat deshalb mehrere harmonische Resonanzfrequenzen. Ferner finden Wechselwirkungen zwischen dem Elektronenstrahl und der elektromagnetischen Welle in der unteren Hälfte des Resonators statt, während die obere Hälfte :> Is impedanzwandelnder Abschluß dient. Bei dem dort i- > F i g. 5 und 6 abgebildeten Oszillator ist ein Ende von zwei Platten direkt und das andere Ende über je einen leitenden Stab mit dem Gehäuse verbunden, so daß eine Langsamwellen-Struktur ausgebildet wird. Auch hier werden die Mikrowellen an beiden Enden . ies zwischen den zwei Platte»! geformten Kanals *e flektiert, so daß sie in ihm wiederholt hin- und her-L ufen. Daher hat diese Ausführung des bekannten I! ohlraumresonators ebenfalls viele harmonische Re- :; manzfrequenzen.carry perforated projections, connected to an end plate or a conductive partition, so that a meander-shaped channel is short-circuited between the two plates at both ends is. Therefore, the microwaves are reflected at both ends of the meandering channel, so that they in this run back and forth repeatedly. The resonator formed by the channel therefore has several harmonic resonance frequencies. There are also interactions between the electron beam and the electromagnetic wave takes place in the lower half of the resonator, while the upper half :> Is impedance-converting termination is used. With that one there i-> F i g. The oscillator shown in Figures 5 and 6 is one end two plates directly and the other end connected to the housing via a conductive rod each, so that a slow wave structure is formed. Again, the microwaves are on both ends . ies between the two plates »! shaped channel * e is inflected so that it is repeated to and fro in it -L uf. Therefore, this version of the well-known I! cavity resonator also has many harmonic resonances :; mance frequencies.

Beim Hohlraumresonator gemäß der Erfindung ist ■Jagegen jeweils das eine Ende der beiden Stempel vollkommen frei, so daß der von der betreffenden Stirnseite ausgehende Teil jedes Stempels im wesentlichen das gleiche Potential wie die Stirnseite selbst hat, mit der er verbunden ist. Diese Ausbildung ist unterschiedlich zu einer Langsamwellen-Struktur. Ferner schwingt der Hohlraumresonator gemäß der Erfindung vorteilhafterweise nur mit der Grundresonanzfrequenz, Schwingungen anderer Frequenzen treten also nicht auf. Deshalb findet beim erfindungsgemäßen Hohlraumresonator kein Hin- und Herlaufen von Mikrowellen im Kanal statt, der durch die beiden !Stempel begrenzt ist, so daß der ganze Hohlraumresonator in dem Schwingungsmodus einer stehenden Welle mit der Grundresonanzfrequenz schwingt.In the case of the cavity resonator according to the invention, Jagegen is one end of the two stamps completely free, so that the part of each stamp extending from the relevant end face is essentially has the same potential as the face itself to which it is connected. This training is different from a slow wave structure. Furthermore, the cavity resonator vibrates according to FIG Invention advantageously only with the fundamental resonance frequency, Oscillations of other frequencies do not occur. Therefore takes place in the invention Cavity resonator does not take place back and forth of microwaves in the channel passing through the two! punch is limited, so that the whole cavity resonator in the oscillation mode one standing wave oscillates with the fundamental resonance frequency.

Im übrigen ist auch ein Wanderwellenoszillator beschrieben worden (vgl. USA.-Patentschrift 2 878 412). der einen Wellenleiterabschnitt mit einer interdigitalen Langsamwellen-Struktur hat, und schließlich eine Elektronenröhre (vgl. »Archiv der elektrischen übertragung (AEÜ)«, Dezember 1960, S. 531 ff.), die eine interdigitale Langsamwellen-Struktur verwendet, um eine Wechselwirkung zwischen einem Elektronenstrahl und einer Mikrowelle hervorzurufen, die durch eine Langsamwellen-Struktur verzögert ist.In addition, a traveling wave oscillator has also been described (see US Pat. No. 2,878,412). which has a waveguide section with an interdigital slow wave structure, and finally an electron tube (cf. "Archive of electrical transmission (AEÜ)", December 1960, p. 531 ff.), the an interdigital slow wave structure used to create an interaction between an electron beam and a microwave delayed by a slow wave structure.

Die Erfindung wird an Hand der folgenden Beschreibung einiger Ausführungsbeispiele näher erläutert. In der Zeichnung zeigtThe invention is explained in more detail on the basis of the following description of some exemplary embodiments. In the drawing shows

F i g. 1 einen Längs- und Querschnitt durch einen bekannten koaxialen Hohlraumresonator,F i g. 1 shows a longitudinal and cross section through a known coaxial cavity resonator,

F i g. 2 und 3 einen Längs- und einen Querschnitt durch zwei Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Hohlraumresonators,F i g. 2 and 3 show a longitudinal and a cross section through two embodiments of the invention Cavity resonator,

F i g. 4 einen Längsschnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung,F i g. 4 shows a longitudinal section through a further exemplary embodiment the invention,

Fig. 5a, 5b und 5c Ersatzschallbilder des erfindungsgemäßen Hohlraumresonators von F i g» 2.5a, 5b and 5c are equivalent sound images of the invention Cavity resonator of F i g »2.

F i g. 6 und 7 Diagramme zur Erläuterung der Wirkungsweise der Erfindung undF i g. 6 and 7 are diagrams to explain the mode of operation of the invention and

F i g. 8 einen Längsschnitt durch eine Triftröhre mit erfindungsgemäßen Hohlraumresonatoren.F i g. 8 shows a longitudinal section through a drift tube with cavity resonators according to the invention.

In F i g. 2 ist zu sehen ein Hohlraumresonator in Form eines Topfkreises 1 mit zwei Stempeln 5, die mit zum Durchlaß eines Elektroneustrahles dienenden axialen Öffnungen 3 versehen sind. Die Stempel 5 stellen eine Abwandlung der Stempel 2 dar, die bei dem mit einem einzigen Wechselwirkungsspalt 4 versehenen Hohlraumresonator gemäß Fig. 1 vorhanden sind. Die Stempel 5 weisen je einen seitlich versetzt angeordneten Leiter 6 auf, wobei zwischen je zwei benachbarten Elementen der Stempel S ein Wechselwirkungsspalt 4 vorgesehen ist. Während bei dem Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 2 insgesamt drei Wechselwirkungsspalte vorhanden sind, so ist doch ohne weiteres verständlich, daß nach dem gleichen Prinzip auch Hohlraumresonatoren mit einer größeren Zahl von Wechselwirkungsspalten gebaut werden können.In Fig. 2 shows a cavity resonator in the form of a cup circle 1 with two punches 5, the are provided with axial openings 3 serving for the passage of an electron beam. The stamp 5 represent a modification of the punch 2, which in the case of the one with a single interaction gap 4 provided cavity resonator according to FIG. 1 are present. The stamp 5 each have a side offset arranged conductor 6, wherein between every two adjacent elements of the punch S a Interaction gap 4 is provided. While in the embodiment according to FIG. 2 in total three interaction columns are present, it is easy to understand that after the The same principle is also used to build cavity resonators with a larger number of interaction gaps can be.

Das Ersatzschaltbild des Hohlraumresonators gemäß Fig. 2 ist in Fig. 5a dargestellt. Mit den Bezugszeichen C₁, C₂ und C₃ sind die elektrostatischen Kapazitäten der einzelnen Wechselwirkungsspalte des Hohlraumresonators (einschließlich zusätzlicher elektrostatischer Kapazitäten in Nachbarbereichen der Wechseiwirkungsspalte) bezeichnet. L₁ und L₂ sind die Induktivitäten der einzelnen Leiter 6. Mit L₀ ist die Induktivität des Hohlraumes und mit r ein dem Hohlraumverlust entsprechender Serienwiderstand bezeichnet. Wenn die Induktivitäten L₁ und L₂ der Leiter 6 verhältnismäßig klein sind, ergeben sich näherungsweise die Ersatzschaltbilder gemäß den Fig. 5b und 5c. Nimmt man an, daß die drei Wechselwirkungsspalte dieselbe Kapazität aufweisen, so ist die Gesamtkapazität offensichtlich dreimal so groß wie die eines einzelnen Wechselwirkungsspaltes; demgemäß kann die Hohlrauminduktivität L₀ bis auf ein Drittel der Induktivität eines gleichwertigen H ohlraumresonators mit einem Wechselwirkungsspalt verringert werden. Dies bedeutet, daß sich die Abmessungen eines derartigen Hohlraumresonators erheblich verkleinern lassen. Im Hinblick auf die Verwendung eines einzigen Hohlraumes werden ferner bei diesem Resonator alle unerwünschten Schwingungen außer der Grundresonanzfrequenz vermieden. In F i g. 6 ist die elektrische Feldverteilung in den Wechselwirkungsspalten 4 des erfindungsgemäßen Hohlraumresoüdiors mit drei Wechselwirkungsspalten (gemäß Fig. 2) in einem Betriebszeitpunkt veranschaulicht. Die Phase des elektrischen Feldes E kehrt sich abwechselnd in aufeinanderfolgenden Wechsel-The equivalent circuit diagram of the cavity resonator according to FIG. 2 is shown in FIG. 5a. The electrostatic capacities of the individual interaction gaps of the cavity resonator (including additional electrostatic capacitances in neighboring areas of the interaction gaps) are denoted by the reference symbols C ₁ , C ₂ and C _3. L ₁ and L ₂ are the inductances of the individual conductors 6. L ₀ denotes the inductance of the cavity and r denotes a series resistance corresponding to the loss of the cavity. If the inductances L ₁ and L _{2 of} the conductors 6 are relatively small, the equivalent circuit diagrams according to FIGS. 5b and 5c result approximately. Assuming that the three interaction gaps have the same capacity, the total capacity is obviously three times that of a single interaction gap; accordingly, the cavity inductance L ₀ can be reduced to a third of the inductance of an equivalent cavity resonator with an interaction gap. This means that the dimensions of such a cavity resonator can be reduced considerably. With regard to the use of a single cavity, all undesirable vibrations other than the fundamental resonance frequency are also avoided in this resonator. In Fig. 6 shows the electric field distribution in the interaction gaps 4 of the cavity resonator according to the invention with three interaction gaps (according to FIG. 2) at one operating time. The phase of the electric field E reverses alternately in successive alternations

SICH auWblaioviuvA χι« »».w _w YOURSELF auWblaioviuvA χι «» ».w _w

Wirkungsspalten um; die hochfrequenten Erregerfelder in den einzelnen Wechselwirkungsspalten besitzen im wesentlichen die gleiche Amplitude, da die durch einen der Leiter 6 verbundenen durchbrochenen Elemente der Stempel 5 auf etwa gleichem Potential gehalten werden. Bei einem Versuch ν-ar jedoch die Spannung im zwischenliegenden Wechselwirkungsspalt 4 etwa zweimal so groß wie die Spannungen in den beiden anderen Wechselwirkungsspalten 4.Effect columns around; the high-frequency excitation fields in the individual interaction columns have essentially the same amplitude, since the through one of the conductors 6 connected perforated elements of the stamp 5 at approximately the same potential being held. In an attempt ν-ar, however, the Stress in the intermediate interaction gap 4 is about twice as large as the stresses in the other two interaction columns 4.

Im folgenden sei die Wirkungsweise des Hohlraumresonators bei Verwendung zur Geschwindigkeitsmodulation eines Elektronenslrahles erläutert. Es sei angenommen, daß der Hohlraumresonator eine ungerade Zahl (;i) von Wechselwjrkungsspalten aufweist, bei denen eine gleiche Spannungsamplitude anliegt und die Phase des elektrischen Feldes sich abwechselnd umkehrt. Es sei ferner angenommen, daß der Elektronenlaufzeitwinkel von Wechselwirkungsspalt zu Wechselwirkungsspalt durch den ganzen Hohlraumresonator identisch ist. Weiterhin sei angenommen, daß Elektronen, dieThe following is the mode of operation of the cavity resonator when used for speed modulation an electron beam explained. Assume that the cavity resonator is a has an odd number (; i) of alternation columns, at which an equal voltage amplitude is applied and the phase of the electric field changes alternately reverses. It is also assumed that the electron transit time angle of the interaction gap is identical to the interaction gap through the entire cavity resonator. It is also assumed that electrons that

mil einer Anfangsgeschwindigkeit t'_oinden Hohlraumresonator eintreten, eine Ausgangsgeschwindigkeit V aufweisen, nachdem sie durch die verschiedenen Wechselwirkungsspalte des Hohlraumresonators hindurchgelaufen sind. Es ergibt sich dann allgemein folgende Beziehung für sehr kleine Signale:Entering the cavity with an initial velocity t ' _{o have} an exit velocity V after passing through the various interaction gaps of the cavity. The following relationship then generally results for very small signals:

υ² =υ ² =

wobei K₀ die Strahlspannung bedeutet, Fe-'''"' die hochfrequente Erregerspannung für jeden Spalt und β den Strahlkopplungskoeffizienten, β läßt sich wie folgt ausdrücken:where K _{0 means} the beam voltage, Fe- '''"' the high-frequency excitation voltage for each gap and β the beam coupling coefficient, β can be expressed as follows:

ß= ßo-ß'ß = ßo-ß '

Cos ^-ΦCos ^ -Φ

Cos —Cos -

wobei ft, der Strahlkopplungskoeffizient für einen Hohlraumresonator mit einem Wechselwirkungsspalt ist.where ft, the beam coupling coefficient for a Is cavity resonator with an interaction gap.

F i g. 7 veranschaulicht das Verhältnis zwischen ß' und Φ für einen Hohlraumresonator mit drei Wechselwirkungsspalten, d. h. für η = 3, wobei die Werte von Φ als Abszisse aufgetragen sind. Bei einer ungeraden Zahl (n) von Wechselwirkungsspalten ergibt sich die maximale Strahlkopplung im allgemeinen dann, wenn der Wert \ß'\ sein Maximum besitzt, d. h. fürF i g. 7 illustrates the relationship between β ' and Φ for a cavity resonator with three interaction gaps, ie for η = 3, the values of Φ being plotted as the abscissa. With an odd number (n) of interaction columns, the maximum beam coupling generally results when the value \ ß '\ has its maximum, ie for

|^| = π[Φ = (2ιβ-1)]«,(ιπ= 1,2,3...)- (4)| ^ | = π [Φ = (2ιβ-1)] «, (ιπ = 1,2,3 ...) - (4)

Man kann daher einen Kopplungskoeffizienten, der η-mal so groß wie der für einen Hohlraumresonator mit einem Wechselwirkungsspalt (kurz Einspalthohlraumresonator genannte) ist, erzielen, wenn der Elektronenlaufzeitwinkel beispielsweise gleich π gewählt wird. Wird ein solcher Hohlraumresonator mit mehreren Wechselwirkungsspalten (kurz Vielspalthohlraumresonator genannt) zur Strahlmodulation benutzt, so ist die Gesamtwechselwirkungsspaltkapazität C₀ η-mal so groß wie die eines Einspalthohlraumresonators und die Hohlrauminduktivität L₀ nur l/n wie die Induktivität eines Einspalthohliaumresonators. Wird ein Serienwiderstand r proportional zu L₀ oder in der gleichen Größenordnung wie für einen Emspalthohlraumresonator gewählt, so wird der Parallelresonanzwiderstand R_A = -k^- auf einen Wert zwischen l/n und l/n² desA coupling coefficient which is η times as large as that for a cavity resonator with an interaction gap (referred to as a single-gap cavity resonator for short) can therefore be achieved if the electron transit time angle is selected to be π, for example. If such a cavity resonator with several interaction gaps (called multi-gap cavity resonator for short) is used for beam modulation, the total interaction gap capacitance C ₀ η times as large as that of a single-gap cavity resonator and the cavity _{inductance L 0} only l / n as the inductance of a single-gap cavity resonator. If a series resistance r is _{chosen proportional to L 0} or in the same order of magnitude as for an Emspalthohlraumresonator, then the parallel resonance resistance R _A = -k ^ - to a value between l / n and l / n ² des

W
Wertes eines Einspalthohlraumresonators verringertW.
Reduced the value of a single gap cavity resonator

und der Gütefaktor Q = —^=⁹- auf l/n. Bei einem Vielspalthohlraumresonator kann jedoch wegen des •hohen Strahlkopplungskoeffizienten die hochfrequente Erregerspannung für jeden Wechselwirkungsspalt auf l/n verringert werden, wenn eine Geschwindigkeitsmodulation erzielt werden soll, die der eines Einspalthohlraumresonators äquivalent ist; der Leistungsverlust (= V²/2 R^) des Vielspalthohlraumresonators, der höchstens gleich dem eines Einspalthohlraumresonptors ist, kann auf l/n des letzteren verringert werden. Dies bedeutet, daß die erforderliche Leistung für einen Vielspalthohlraumresonator unter Berücksichtigung des größten Leistungsverlustes etwa gleich der eines Einspalthohlraumresonators gewählt werden kann. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Hohlraumresonators liegt ferner darin, daß bei manchen Anwendungsfällen die Betriebsbandbreite mit Rücksicht auf den niedrigen Wert Q des Hohlraumes etwa auf den η-fachen Wert vergrößert werden kann.
F i g. 3 zeigt ein weiteres Ausfiihrungsbeispiel der Erfindung. Mit den Bezugszeichen 1, 3, 4 und 6 sind die gleichen Elemente wie beim Ausfiihrungsbeispiel gemäß F i g. 2 bezeichnet. Bei der Ausführung gemäß F i g. 3 sind je zwei Elemente der beiden Stempel 2 durch je zwei zugleich als Stützen dienende Leiter 6 miteinander verbunden. Eine derartige Ausführung ist nicht nur im Hinblick auf die erzielte mechanische Festigkeit vorteilhaft, sondern verringert auch die Induktivität des Kreises gegenüber dem zuvor erläuterten Ausführungsbeispiel (F i g. 2), bei dem die zusammengehörigen durchbrochenen Elemente der Stempel nur durch einen einzigen, zugleich als Stütze dienenden Leiter 6 verbunden sind.and the quality factor Q = - ^ = ⁹ - on l / n. In the case of a multi-gap cavity resonator, however, because of the • high beam coupling coefficient, the high-frequency excitation voltage for each interaction gap can be reduced to l / n if a speed modulation is to be achieved which is equivalent to that of a single-gap cavity resonator; the power loss (= V ^2/2 R ^) of the multi-gap cavity resonator, which is at most equal to that of a single-gap cavity resonator, can be reduced to 1 / n of the latter. This means that the required power for a multi-gap cavity resonator can be selected to be approximately equal to that of a single-gap cavity resonator, taking into account the greatest power loss. Another advantage of the cavity resonator according to the invention is that, in some applications, the operating bandwidth can be increased to approximately η times the value with regard to the low value Q of the cavity.
F i g. 3 shows a further exemplary embodiment of the invention. The reference numerals 1, 3, 4 and 6 denote the same elements as in the exemplary embodiment according to FIG. 2 designated. In the execution according to FIG. 3, two elements of the two stamps 2 are connected to one another by two conductors 6 each serving as supports. Such a design is advantageous not only in terms of the mechanical strength achieved, but also reduces the inductance of the circuit compared to the previously explained embodiment (FIG Support serving conductors 6 are connected.

Es sind zahlreiche weitere Ausgestaltungen der Erfindung möglich. Bei dem Ausfiihrungsbeispiel gemäß F i g. 4 sind mit den Bezugszeichen 1, 3, 4 und 6 wiederum gleiche Elemente wie beim Ausfiihrungsbeispiel gemäß F i g. 2 und 3 bezeichnet. Die zugleich als Stütz- und Tragelemente dienenden Leiter 6, die die zusammengehörigen durchbrochenen Elemente der Stempel 2 verbinden, müssen weder die gleiche axiale Länge besitzen noch symmetrisch angeordnet sein. Ihre Form kann vielmehr in weiten Grenzen beliebig gewählt werden, wobei lediglich wesentlich ist, daß sie eine elektrische Verbindung zwischen jedem zweiten durchbrochenen Element herstellen. Wenn die öffnungen zum Durchtritt des Elektronenstrahles verhältnismäßig große Abmessungen haben, so können geeignete Gitter vorgesehen werden, um den ganzen üffhungsbereich auf einer Äquipotentialfläche zu halten.Numerous other embodiments of the invention are possible. In the exemplary embodiment according to FIG. 4 with the reference numerals 1, 3, 4 and 6 are again the same elements as in the exemplary embodiment according to FIG. 2 and 3 designated. Which also serve as support and load-bearing elements Head 6, which connect the related openwork elements of the punch 2, need neither have the same axial length and still be arranged symmetrically. Rather, their shape can be wide Limits can be chosen arbitrarily, the only essential thing being that they have an electrical connection between every other perforated element. If the openings for the passage of the Electron beam have relatively large dimensions, so suitable grids can be provided in order to keep the entire flow area on an equipotential surface.

Wesentliche Vorteile des erfindungsgemäßen Hohlraumresonators bestehen in seinem kompakten Aufbau, seinem kleinen Leistungsverlust, dem weiten Frequenz-Betriebsbereich, dem Fehlen unerwünschter Schwingungen in der Nähe der Grundresonanzfrequenz sowie in der hohen Verstärkung.The main advantages of the cavity resonator according to the invention are its compact design, its small power loss, the wide frequency operating range, the lack of undesirable Oscillations in the vicinity of the fundamental resonance frequency as well as in the high gain.

F i g. 8 zeigt eine Triftröhre mit mehreren erfindungsgemäßen Vielspalthohlraumresonatoren. Bei diesem Anwendungsbeispiel sind ein Eingangshohlraumresonator 9, ein Bündelungshohlraumresonator 10 und ein Ausgangshohlraumresonator 11 axial hintereinander in der genannten Reihenfolge zwischen einem Elektronenstrahlerzeuger 7, der einen Elektronenstrahl emittiert, und einem Auffänger 8 angeordnet, der den Elektronenstrahl nach seinem Durchtritt durch die Hohlraumresonatoren 9, 10 und 11 auffängt. Die Hohlraumresonatoren 9, 10 und 11 sind erfindungsgemäß ausgebildet und enthalten je eine Frequenzsteuereinrichtung 12 in Form einer Platte, die im Hohlraum den Wechselwirkungsspalten gegenüber angeordnet ist Diese Platte bildet eine zusätzliche Kapazität zu den Wechselwirkungsspalten und ist einstellbar, so daß die Resonanzfrequenz des zugehörigen Honlraumresonators geändert wcrden kann. Eine zu verstärkende elektromagnetische Welle wird durch einen Koaxial-Eingangsanschluß 13 in den Hohlraumresonator 9 eingeführt und erregt die Hohlraumresonatoren, wobei an den Wechsel-F i g. 8 shows a drift tube with several multi-gap cavity resonators according to the invention. at In this application example are an input cavity resonator 9, a focusing cavity resonator 10 and an output cavity resonator 11 axially one behind the other in the order named between an electron gun 7, which emits an electron beam, and a collector 8 is arranged, which the electron beam after its passage through the cavity resonators 9, 10 and 11 catches. The cavity resonators 9, 10 and 11 are designed according to the invention and each contain a frequency control device 12 in the form of a plate, the interaction columns in the cavity is arranged opposite this plate forms an additional capacity to the interaction gaps and is adjustable so that the resonance frequency of the associated cavity resonator is changed can. An electromagnetic wave to be amplified is inputted through a coaxial input terminal 13 introduced into the cavity resonator 9 and excites the cavity resonators, with the alternating

w in rc z\w in rc z \

z> a ez> a e

wirkungsspalten im wesentlichen gleich große, jedoch in ihrer Phasenlage einander entgegengerichtete Erregerspannungen anliegen. Der Abstand zwischen je zwei benachbarten Wechselwirkungsspalten ist so gewühlt, daß sich ein Elektronenlaufzeilwinkel von etwa τι ergibt. Da der Wechselwirkungsspaltkoeffizienl größer und der Wert Q des Hohlraumes kleiner als bei einem Einspahhohlraumresonator ist, kann eine Geschwindigkeitsmodulation des Elektronenstrahles mit besserem Wirkungsgrad über einen größeren Frequenzbereich als mit einem Einspalthohlraumresonator erzielt werden. Der Elektronenstrahl wird zur Dichtenmodulation vor Eintritt in den folgenden Hohlraum gebündelt und durch Erregung dieses Bündelungshohlraumresonators 10 einer zusätzlichen Geschwindigkeitsmodulation unterworfen. Im Ausgangshohlraumresonator 11 enthält daher der Elektronenstrahl alle diejenigen Dichtemodulationskomponenten, die in den jeweiligen vorausgegangenen Hohlraumresonatoren erzeugt wurden. Die Energie des Elektronenstrahles wird dann durch einen Koaxial-Ausgangsanschluß 14 im Ausgangs-Hohlraumresonalor 11 abgestrahlt und einer äußeren Belastung als hochfrequente Erregerlcistung zugeführt. Wenn der Elcktronenlaufzeitwinkcl von Wechselwirkungsspall zu Wechselwirkungsspalt in jedemColumns of action of essentially the same size, but opposing excitation voltages in their phase position. The distance between two adjacent interaction columns is chosen so that an electron travel angle of approximately τι results. Since the interaction gap coefficient is larger and the value Q of the cavity is smaller than with a single-slot cavity resonator, a speed modulation of the electron beam can be achieved with better efficiency over a larger frequency range than with a single-slot cavity resonator. For density modulation, the electron beam is bundled before it enters the following cavity and, by exciting this bundling cavity resonator 10, is subjected to an additional speed modulation. In the output cavity resonator 11, the electron beam therefore contains all those density modulation components which were generated in the respective preceding cavity resonators. The energy of the electron beam is then emitted through a coaxial output connection 14 in the output cavity resonator 11 and supplied to an external load as high-frequency excitation power. If the electron transit time angle from interaction gap to interaction gap in each

Hohlraumresonator etwas größer als .-τ ist, so wird der Wert Q des Hohlraumes verringert und die Verstärkungsbandbreite wegen der positiven Belastung weiter vergrößert. Für den Ausgangshohlraumresonator 11, der selbst bei einer größeren BandbreiteCavity resonator is somewhat larger than.-Τ, the value Q of the cavity is reduced and the gain bandwidth is further increased because of the positive loading. For the output cavity resonator 11, which even with a larger bandwidth

■ο stark belastet ist, kann eine negative Strahlbelasrung so lange verwendet werden, als sich keine Selbsterregung ergibt, indem ein Eleklronenlaufzeitwinkel kleiner als .-τ gewählt wird, um dadurch die Ausgangsleistung zu vergrößern. ■ ο is heavily loaded, negative radiation exposure can occur can be used as long as there is no self-excitation by means of an electron transit time angle smaller than.-τ is chosen to thereby increase the output power.

'5 Die Erfindung ist nicht nur für Verstärkerröhren geeignet, sondern beispielsweise auch für Mikrowellenoszillatoren, Frequenzvervielfacher sowie zur Beschleunigung oder Abbremsung geladener Teilchen und zur Phasenfokussierung. In allen diesen Fällen'5 The invention is not only suitable for amplifier tubes, but also, for example, for microwave oscillators, Frequency multiplier and for accelerating or decelerating charged particles and for phase focusing. In all of these cases

kommen die spezifischen Vorteile des geringen Raumbedarfes, der hohen Leistung und der großen Bandbreite zur Geltung.come the specific advantages of the small space requirement, the high performance and the wide range come into their own.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

Claim:

Coaxial cavity resonator for a drift tube in the form of a symmetrical pot circle, its end faces and both of which are attached to one end face and face one another Stamp coaxial openings for the passage of one directed in the cavity resonator axis Have charge carrier beam, and in which between the stamps perpendicular to Charge carrier beam several interaction gaps are provided, characterized in that that the interaction column in which the electric fields of neighboring interaction columns are directed in opposite directions are formed in that the free ends of the two stamps are in the form of an interdigital line interlock.

2020th