DE1491358C - Impulsbetriebene Laufzeitröhre zur Geschwindigkeitsmodulation eines Ladungsträgerstrahls - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine impwlsbetriebene Lauf- und dergleichen

zeitröhre zur Geschwindigkeitsmodulation eines La- Optimum nahekommt und es ι

dungsträgei-strahls, insbesondere Elektronenstrahls. etwa 9Q^q/_p der vom Strahlerzeuger B⁶"⁶»*^

bestehend aus einem LadungstrBgerstrablermiger- nen innerhalb ± 0,1 η Radiant Jn

system, mindestens zwei in Strahlrichtung aufeinander- 5 stimmten Phasenwinkels ~~

folgende, Wechselwirkungsspalte aufweisende und je- Bei den meisten Elek

weils mit anschließenden Triftstrecken versehene wird die mittlere ElektropengeschwindigKeit )>„ am

Resonatoren, insbesondere Hohlraumresonatoren, die Eingang der Beschleunigungsröhre (die rn^Fj 8- Ijse-

galvanisch voneinander isoliert und über Koaxialkabel zeigte Stelle P₁) so gewählt, daß:

mit einer Hochfrequenzenergiequelle verbunden sind, jo und zwar

und aus einem Ladungsträger-Auffängersystem. staltung und der

Zum erleichterten Verständnis ist in der Zeichnung, kann dann, wenn

und zwar in Abb. 1, ein vereinfachtes Schaltbild schwindigkeit von 0,5 C

einer derartigen bekannten Laufzeitröhre dargestellt. ziert werden, die entsprechende Injektionsspannung

Dabei wird ein Elektronenstrahl 1 von einer Strahl- 15 mit V, = 80 kV angenommen werden,

quelle ausgesandt, deren Gehäuse mit 30 bezeichnet ist. Einerseits werden die Werte der Amplituden K₁ und

Der Elektronenstrahl tritt aufeinanderfolgend durch K₂ üblicherweise so gewählt, daß die Bedingung

einen ersten Hohlraumresonator 8, eine erste Trift- _v ν <r()lV

strecke 9, einenzweiten Hohlraumresonator 10 und eine ^r" ^{K| f} ' ^ψ- - ^ °

zweite Triftstrecke Il hindurch. 20 erfüllt ist. um so eine wirksame Geschwindigkeits-

Die Elektronen werden mit einer Injektionsspan- modulation zu erreichen und außerdem zu verhindern, nung Vo und einer Injektionsgeschwindigkeit v_e0 aus- daß die Elektronen am Punkt P₂ eine übermäßige Gegesendet. Der erste Hohlraum 8 weist einen Koppel- schwindigkeitsdispersion aufweisen,
spalt C₁, in welchem eine hochfrequente Spannung mit Wenn beispielsweise die Amplituden so gewählt sind, der Amplitude V_x erzeugt wird, und der zweite Hohl- 25 daß Fi)_xV_x - 2 kV und e>?₂K₂ 20 kV (wobei angeraum einen Koppelspalt G₂ auf, in ,velchem eine nommen wird, daß *■- 0,8 und K₀ -80 kV), so wird hochfrequente Spannung mit der Amplitude K₂ er- durch einfache Berechnungen eine Bauform, wie durch zeugt wird. Der Spalt C₁ weist einen Mittelpunkte die nachfolgenden Werte charakterisiert, möglich,
und einen Spaltkopplungskoeffizienten ?/„ der SpaltG_{2 π} „ y
einen Mittelpunkt P_x und einen Spaltkopplungskoef- 30 X_x n\ X₂ ; * ' =0.1,
fizienten η₂ auf. Die Phasenfokussierung oder Teilchen- 2 η₂ K₂
ballung soll an einem Punkt P₂ stattfind.n. Die Punkte _{f ;/l} V_x 2 kV; ε η₂ V₂ =- 20 kV,
P und P_x sind voneinander durch den Abstand /„ die _{ή on} 1 ->n 1
Punkte P₁ und P₂ durch den Abstand I₂ getrennt. ^φ°· ^8υπ> ' "

Das Ballungsmaß X₁ für den ersten Hohlraum 8 und 35 (wobei λ die Wellenlänge der Hoohfrequenzschwingung

das Ballungsmaß X₂ für den zweiten Hohlraum 10 ist im freien Raum ist),

dann durch die folgenden Gleichungen gegeben: ' λ λ ι ι

V₀₂ — 4Jt, I₂ - A.

X_t __ ¹J ^Vx η₁ Φ₀₁, ^Die gegenwärtig am häufigsten für diesen Zweck ver-

2 Vo 40 wendeten Hochfrequenzschwingungen weisen im freien

Raum Wellenlängen von etwa 10 cm auf. Der resultie-

_χ ' _f U₂ Φνι, ^rende Abstand /, beträgt dementsprechend etwa 2 m.

² 2 Vo ' Eine Anordnung, bei welcher ein solch langer Weg vor

wobei: der Beschleunigerröhre des Beschleunigers vorgesehen

2 Π rf ²I t\ - I 1 — ß ²\ 45 ist, verlängert jedoch die Gesamtlänge des Beschleuni-

F ^l "°^M " Γ ^p'°! ; gers übermäßig und ist daher nicht wünschenswert.

ß,„ Diese Schwierigkeit kann dadurch überwunden werden,

daß die mittlere Geschwindigkeit der Elektronen auf

ß_t0 ^v"> ■ einem niedrigen Wert gehalten wird, zumindest bis die

C ' 50 Elektronen den Abstand /, durchlaufen haben. Zu

„,...,..... uii. diesem Zweck kann, wenn das Potential am Punkt P₂

C .st dabe. die Lichtgeschwindigkeit. _Nu„ _{und das PotentiaI der} Kathode des Strahlerer-

Somitwird: zeugers K₀ sein soll, die Anordnung so getroffen

werden, daß das PotentiaI V des ersten Hohlraumes 8 0_m 2 η f ' 55 und der ersten Triftstrecke 9 der Ungleichung

und "" -V_%< V'<0

a * * ^l* genügt.

V_n *■ 2 η f Bei ^nef Anordnung von der in P i g. 1 dargestellten

60 Art, wird die mittlere Geschwindigkeit der Elektronen,

wobei /die Frequenz der hochfrequenten Erregerwelle zumindest bis sie den Abstand /, durchlaufen haben,

ist. allein durch die Energiekomponente bestimmt, welche

Für die Wahl der Werte von X„ X„ V_x und V, wur· V₉ - V entsprich:. Daher betragt, wenn die Potentiate

den bereit» Vorschlage gemacht, gemefl welchen die V, und V so gewählt sind, daß beispielsweise

Wahl entsprechend β» V₀ - 80 kV und V - TO kV, die Blektronengeschwin*

_v digkeit 0,19 C, so daß die Lflngt des Abstände» /, auf

¹ 0,1; Xf n\ X_% - einen Wert von etwa einem Zwanzigstel de» üblichen

V- 1 Wertes verkürzt werden kann.

I 491 358

einer solchen Anordnung wird jedoch in der gelangt der Elektronenstrahl \ zu einem Ueschleuniger-J Praxis die Erregung des ersten Hohlraumes 8 durch rohr 2, welches von Fokussierungsspulen 39 gleich-• <]as Potential V mit Hochfrequenzenergie zu einem achsig umgeben ist. Die Enden des Beschleuniger- ~ schwierigen Problem, Wenn beispielsweise die Hoch- rohres % stehen mit Wellenleitern »JO in Verbindung, ! freqiienzenergiequelle auf eine Spannungsabgube von 5 von denen einer um anderen Ende miteinerungepaßten -70 kV ausgelegt ist, so wird die Vorrichtung wegen Belastung 30 versehen ist. Der andere Wellenleiter ist ■ tier besonderen Probleme der Hochspannungsisolie- am äußersten Ende mit einem Hochfrequenzmodulatnr rung außerordentlich groß, so daß die Vorrichtung 33 (beispielsweise mit einem Magnetron) verbunden \ vom Gesichtspunkt des Raumbedarfes und der Wirt- und mit llichtungskopplungselementen 31 und einem schaftlichkeit her unvorteilhaft ist, io Evakuierungssystem 32 gekuppelt. Die Leitungen 26 Aufgabe der Erfindung ist es, diese Schwierigkeiten *_ und 27 sind koaxiale Kabel. Das eine Ende des Ko- ; zu überwinden und die Laufzeitröhren der erwähnten axialkabels 26 tritt in das Gehäuse 3 durch einen vaku-Bauari mit Hinblick auf die Hochfrequenzanregung umdichlcn Isolator 12 ein. An jedem der Richtungsderart zu verbessern, daß der Raumbedarf und der Ver- kopplungselemente31 sind ein Übertragungselement 41 brauch an Hochfrequenzenergie wesentlich vermindert 15 vom Wellenleiter zur koaxialen Leitung, ein verändersind. Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe da- liches Dämpfungsglied 28, ein Phasenschieber 2') und j durch gelöst, daß bis auf aas zum in Strahlrichtung ge- eine angepaßte Belastung 30 vorgesehen.

sehen letzten Hohlraumresonator führende Koaxial- Der Hochfrequenzmodulator 33 ist mit einer Impulskabel mindestens eines der übrigen Koaxialkabel als quelle 34 verbunden. Das Anoden-Schaltelement 2(1 ; zusätzliche Wicklung auf einen zur Speisung des La- 20 ist mit einem Impulsmodulator 35 für die erste Amide dungsträgerstrahlerzeugersystems mit Hochspannungs- und die Primärseite des Hoc' .pannungiimpulsüber- -' impulsen dienenden Impulsübertrager derart aufge- tragers 19 mit einem Hochspannangsimpulsmodulator bracht ist, daß diesem Resonator bzw. diesen Resona- 36 für die Strahlquelle verbunden. Die Impulsquelle 34 toren Hochspannungsimpulse zuführbar sind, die im und die Impulsmodulatoren 35 und 36 sind mit einem Vergleich zu den dem Ladungsträgerstrahlerzeuger- 15 Triggergenerator 37 gekoppelt. Der Isolierträger 3H system zugeführten Hochspannungsimpulsen die gleiche isoliert den ersten Hohlraumresonator 8 gegenüber Dauer und Polarität, aber eine niedrigere Spannung dem Gehäuse 3.

aufweisen. Bei dieser Vorrichtung wird also für die Zufuhr von Die Erfindung erbringt den Vorteil, daR die Trift- Hochfrequenzquellen zum ersten Hohlraum 8 ein strecken kürzer gehalten werden können, womit Größe 30 Koaxialkabel 26 verwendet. Außerdem ist dieses und Gewicht der Vorrichtung sich verkleinern. Weiter- Koaxialkabel 26 als Sekundärwicklung des Hochspanhin ist bei der Erfindung der Verbrauch an Hochfre- nungsimpulsübertragers 19 ausgebildet, und zwar in quenzenergie zur Durchführung der Geschwindigkeits- ähnlicher Weise wie die Sekundärwicklungen 15, 16. 17 modulation im Vergleich zur Vorrichtung nach dem und 18, jedoch mit weniger Windungen als diese Stand der Technik verringert, was die Wirtschaftlich- 35 Wicklungen. Da der Mittelleiter und der Außenleiter keit erhöht. Schließlich werden bei der crfindungsge- dieses Koaxialkabels mit dem im Eisenkern des Impukmäßen Laufzeitröhre übermäßige Schwankungen der Übertragers 19 erzeugten Magnetfluß verkettet sind, kinetischen Energie de^r pnasenfokussierten Teilchen nimmt das pulsierende Potential Jen gewünschten vermieden. Zustand ein, und es pflanzen sich außerdem hochfre-Eine Ausführungsform der Erfindung ist beispiels- 40 quente Wellen durch das Innere des Kabels fort, woweise in F i g. 2 der Zeichnung dargestellt. durch eine Erregung des Hohlraumes 8 erfolgt.

In F i g. 2 wird ein Elektronenstrahl! von einer DaindiesemFalldieHochfrequenzenergiequelle über Strahlquelle erzeugt, die ein Gehäuse 3, eine Kathode 5, das koaxiale Kabel mit der geerdeten Seite der eine erste Anode 4 zum Abziehen des Elektronen- Sekundärwicklung gekoppelt ist, welche die Erdungsstrahls, eine Fokussierungselektrode 6 und eine Heiz- 45 wicklung des Hochspannungsimpulsübertragers bildet, einiithtung 7aufweist. Das Gehäuse 3 beinhaltet ferner stellt die erforderliche Hochspannungsisolierung kein einen ersten Hohlraum 8 und eine erste Triftstrecke 9. Problem dar, und der Raumbedarf ist wesentlich ver- und zwar axial in der Achse des Elektronenstrahls 1. mindert, wodurch ein wesentlicher wirtschaftlicher Am quellenseitigen Ende des Gehäuses ist ein Isola- Vorteil erzielt wird. Da die für die Erregung des Hohltor 13 vorgesehen, der die Abschlußwand bildet und 50 raumes 8 erforderliche Hochfrequenzenergie höchstens mit vakuumdichten Klemmen 14 versehen ist. etwa 1 Kilowatt als Spitzenwert beträgt, ist es ferner Die erste Anode 4 ist mit einem ersten Übertrager 20 r..oglich, beispielsweise mit Hilfe des Richtungskoppzum Aufprägen einer geeigneten Anodenspannung ver- lungselementes 31 nur einen Teil der Energie des bunden, während die Heizeinrichtung 7 und die Fokus- Spitzenwertes von einigen MW vom Hochfrequenzsierungselektroije 6 mit Sekundärwicklung 15, 16 und SS leistungsmodulator 33 des Beschleunigersystems zu 17 eines Hochspannungs-Impulsübertragers 19 ver- entnehmen und, nach einer geeigneten Bemessung bunden sind, der außerdem noch eine Sekundärwick- dieses abgezweigten Teils der Energie mit Hilfe beilung 18 besitzt, die in der gezeigten Weise geschaltet spielsweise des Phasenschiebers 29 und des veränderist. Die Sekundärwicklungen sind an ihren anderen liehen Dämpfungsgliedes 28, diesen Teil der Energie Enden mit eine«· Hefeenergliujuelle 23, einer Vorspan· 6» vom Übertragungselement 41 von dem Wellenleiter zur nungsqueHe 24 für die Fokussierungselektrode und koaxialen Leitung zu entnehmen, einer Vorspanmungsquetle 29 für die erste Anode ver· Zur Darlegung der Phasenfokussierungseigenschaf· bunden. Mit 21 .md 22 sind angepaßte Scheinwider· ten der in F i g> 2 gezeigten Vorrichtung wird das folstände bezeichnet, dip in der gezeigten Weise geschaltet gende Beispiel gegeben. Die Betriebsbedingungen hin· sind. 65 sichtlich der Potentiale werden wie folgt gewählt: Ein zweiter Hohlraumresonator IO und eine zweite Das Potential des zweiten Hohlraumes 10 und der Triftstrecke ff sind der ernten Triftstrecke 9 gleich- zweiten Triftstrecke fl ist Erdpotential; das Potential nflchaes<!haltel. Nach Verlassen der Strecke U des ersten Hohlraumes 8 und der ersten Trifistrecke 9

ist ein pulsierendes Potential von — 70 kV; das Polen· tial der Kathode S ist in ähnlicher Weise pulsierend und beträgt -8OkVj die effektive Hoehfrequenzspanttung am Punkt P (Mitte des Koppelspaltes des ersten Hohlraumes 8) beträgt »/ι y_t -■ 2 kV, und die effektive Hochfrequetizspannung am Punkt P, (Mitte des Koppelspaltes des zweiten Hohlraums 10) beträgt 'It K = 20 kV. Unter diesen Bedingungen werden etwa 90°/₀ der Gesamtmenge der Elektronen innerhalb ι 0.1 u Radiant um den Mittelwert der Phase am Punkt P_t (der Punkt, an welchem die Phasenfokussierung stattfinden soll) zusammengeballt. Unter diesen Bedingungen beträgt die erforderliche Länge der ersten Triftstrecke 9 etwa 10 cm.

Je nach den Erfordernissen kann die Erregung des zweiten Hohlraumes 10 in der gleichen Weise wie die Erregung des ersten Hohlraumes 8 erfolgen. Ferner ist es nicht in jedem Fall erforderlich, daß der übertrager, um welchen das Koaxialkabel 26 gewickelt ist, zugleich der Hochspannungsimpulsübertrager für die Strahlquelle ist. Auch ist die Erfindung nicht nur für den in F i g. 2 gezeigten Elektronenbeschleuniger mit einer Impulsdauer von etwa 6 Mikrosekunden und einer Impulsfrequenz von etwa 300 Hz verwendet, vielmehr kann die Erfindung auch bei Beschleunigern angewendet werden, die durch pulsierende Hochspannung betrieben werden.

Zur weiteren Erläuterung der Wirkungsweise und Anwendbarkeit der Erfindung wird nachfolgend eine kurze Zusammenfassung der besonderen Merkmale gegeben.

Bei der Phasenfokussierung geladener Teitchen mit Hilfe einer erfindungsgemäßen, intermittierend arbeitenden Vorrichtung werden die Potentiale des Bereiches, in welchem die geladenen Teilchen bezüglich der Geschwindigkeit moduliert werden, und des Triftraumes, in welchem die geschwindigkeitsmodulierten Teilchen bezüglich der Dichte moduliert werden, so eingestellt, daß die mittlere Geschwindigkeit der diese Bereiche durchlaufenden Teilchen vermindert ist. Durch diese Arbeitsweise ist es möglich:

1. die Bahnlänge der Triftstrecken zu verkürzen und dadurch die Größe und das Gewicht der Vorrichtung herabzusetzen;

2. den Verbrauch an Hochfrequenzenergie zur Durchführung der Geschwindigkeitsmodulation /ti verringern und dadurch die Wirtschaftlichkeit zu erhöhen:

3. übermäßige Schwankungen der kinetischen Energie der phasenfokussierten Teilchen zu vermeiden.

Demgemäß ist die Erfindung nicht nur auf die üblichen Teilchenbeschleuniger anwendbar, sondern auch auf Hochfrequenz-Elektronenröhren, wie z. B. Mehrfachklystrons, Resnatrons u. dgl. So weist z. B. ein Mehrfachkjystron mindestens einen Eingangs-Hohlraumresonator zur Geschwindigkeitsmodulation der Elektronen, einen Triftraum zur Phasenfokussierung des geschwindigkeitsmodulierten Elektronenstrahls und einen Ausgangshohlraumresonator zur hochfrequenten Entnahme der kinetischen Energie des phasenfnkussierten Strahls auf. Die Erfindung wird in der Weise auf ein solches Klystron ang« wendet, daß die Potentiale des Eingangshnhlraum

resonators und des Triftraumes mit Bezug auf da* Potential des Ausgangshohlraumresonatofs negativ gewählt werden, so daß in letzterem eine Phasenfokussierung der Elektronen stattfindet, woibei dann auch hier die angegebenen Vorteilhaften Wirkungen

ίο 1. 2 und 3 auftreten. Im Falle eines Klystrons ist dabei die Wirkung 2 wegen der Erhöhung: der Verstärkung und des Wirkungsgrades besonder« wertvoll. Im Falle eines Resnatrons erfolgt die Fokussierung in dem sich zwischen der Kathode und dem Steuer gitter befindenden Röhrenbereich, wobei dan Potential dieses Bereiches von dem des AusgangssteueMpaltes abweichen muß. In diesem Falle besteht eine .'Schwierigkeit, die dem vorerwähnten Klystron und dim Resnatron gemeinsam ist. darin, daß die Hochfrequenz-

ao wellen dem Phasenfokussierungsbereich zugeführt werden müssen, d. h. beim Klystron dem Fingangshohlraum und beim Resnatron dem Bereich zwischen der Kathode und dem Steuergitter. Mit der Erfahrung werden nun offensichtlich diese Schwierigkeiten über-

wunden, und zwar auf die gleiche Weise wie im Fall der Zufuhr von Hochfrequenzwcllen zu einem Teilchenbeschleuniger.

Aus dem Vorangehenden ergibt sich, daß mit der Erfindung unter Beibehalten eine·- verhältnismäßig

einfachen Bauform und Anordnung eine beträchtliche Verkleinerung von Vorrichtungen zur PhasenÜokussierung geladener Teilchen ermöglicht wird, was bezüglich des Raumbedarfes und der Wirtschaftlichkeit von großem Vorteil ist.

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Impulsbetriebene Laufzeitröhre zur Geschwindigkeitsmodulation eines Ladungsträgerstrahl, ins-

   besondere Elektronenstrahls, bestehend aus einem Ladungsträgerstrahlerzeugersystem, mindestens zwei in Strahlrichtung aufeinanderfolgende. Wechselwirkungsspalte aufweisende und jeweils mit anschließenden Triftstrecken versehene Resonatoren, insbesondere Hohlraumresonatoren, die galvanisch voneinander isoliert und über Koaxialkabel mit einer Hochfrequenzenergiequelle verbunden s"id, und einem Ladungsträgerauffängersystein, d adurch gekennzeichnet, daß birs auf das zum in Strahlrichtung gesehenen letzten Hohlraumresonator führende Koaxialkabel mindestens eines der übrigen Koaxialkabel als zusätzliche Wicklung auf einen zur Speisung des Ladungsträgerstrahlerzeugersystems mit Hochspannungsimpulsen dienen-

   den Impulsüberträger derart aufgebracht! ist, daß diesem Resonator bzw. diesen Resonatoren Hochspannungsimpulse zuführbar ist (sind), die im Vergleich zu den dem Ladungsträgerstrahlerzeugersystem zugeführten Hochspannungsimpulsen die

   gleiche Dauer und Polarität, aber eine niedrigere Spannung aufweisen.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

   109?