DE1491522B1

DE1491522B1 - Verfahren zum Unterdruecken unerwuenschter Schwingungsmodi im Treiberteil von Mehrkammerklystronverstaerkerroehren und Roehre zur Durchfuehrung dieses Verfahrens

Info

Publication number: DE1491522B1
Application number: DE1965V0027593
Authority: DE
Inventors: Larue Albert Durbin; Symons Robert Spencer
Original assignee: Varian Associates Inc
Current assignee: Varian Medical Systems Inc
Priority date: 1964-02-03
Filing date: 1965-01-22
Publication date: 1970-04-02
Also published as: US3381163A; FR1423457A; GB1077884A

Description

1 2

Es sind breitbandige Mehrkammerklystronverstär- nicht merklich herabsetzt, die unerwünschten Schwinkerröhren bekannt, bei denen der Gesamtgütefaktor gungsmodi jedoch ausreichend dämpft,
des Treiberresonators kleiner als 200 ist, und dieser Die Erfindung soll an Hand der Zeichnung erläutert

niedrige Gütefaktor ist beispielsweise dadurch er- werden; es zeigt

reicht worden, daß die Innenseiten der Wand des 5 F i g. 1 eine verkürzte, teilweise geschnittene Seiten-Treiberresonators — oder diese Wand selbst — zu- ansicht einer Mehrkammerklystronverstärkerröhre, mindest teilweise aus Dämpfungsmaterial bestehen, F i g. 2 einen Schnitt durch einen Zwischen-HF-

oder daß der Gütefaktor allein durch Strahlbelastung Hohlraum der Röhre nach F i g. 1 und
herabgesetzt wird (britische Patentschrift 945 510). F i g. 3 einen Schnitt längs der Linie 3-3 in F i g. 2.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum io Die in F i g. 1 dargestellte Mehrkammerklystron-Unterdrücken unerwünschter Schwingungsmodi in verstärkerröhre besteht aus einem evakuierten Gefäß 11, einem Hohlraumresonator des Treiberteils (Treiber- das durch eine Pumpe, die durch geeignete Röhren 13 resonator) einer Mehrkammerklystronverstärkerröhre mit dem Inneren des Gefäßes 11 in Gasverbindung und eine Röhre zur Durchführung dieses Verfahrens zu steht, evakuiert wird. Eine Elektronenstrahlerzeuschaffen. 15 gungseinrichtung 14 ist an einem Ende des Gefäßes 11

Zur Lösung dieser Aufgabe wird von einer mitStrahl- angeordnet und dient dazu, einen Elektronenstrahl zu belastung arbeitenden Mehrkammerklystronverstärker- bilden und axial in Längsrichtung des Gefäßes 11 zu röhre, bei der die Innenseiten der Wand des Treiber- richten. Am der Strahlerzeugungseinrichtung 14 gegenresonators — oder diese Wand selbst — zumindest überliegenden Ende des Gefäßes 11 ist ein Auffänger 15 teilweise aus Dämpfungsmaterial bestehen, so daß für ao zur Aufnahme des Elektronenstrahls angeordnet. Der den gewünschten Betriebsmodus (Hauptschwingungs- Auffänger 15 ist mit Kühlmittelleitungen versehen, in modus) der Gesamtgütefaktor des Treiberresonators denen durch Verteiler, die mit Anschlüssen 17 verbei Strahlbelastung kleiner als 200 ist, ausgegangen und sehen sind, zugeführtes Kühlmittel zirkuliert,
diese erfindungsgemäß so aufgebaut und betrieben, Eine Anzahl doppelt einspringender Treiberresona-

daß das Dämpfungsmaterial so gewählt ist und so 25 toren 21 ist im Gefäß 11 längs des Strahlweges axial große Wandflächen des Treiberresonators einnimmt, voneinander entfernt angeordnet, um mit dem hindaß für die zu unterdrückenden Schwingungsmodi durchtretenden Strahl in Wechselwirkung zu treten, jeweils gilt: Zu verstärkende Eingangsschwingungsenergie wird

2 ^ j einem strahlaufwärts liegenden Eingangs-Treiber-

— = 1 > 0, 30 resonator 22 über eine Eingangsschleife 23 und eine

Qt Qb Qo Koaxialleitung 24 zugeführt. Durch diese Energie

wird der Strahl geschwindigkeitsmoduliert, und die

wobei Q₀ = Gütefaktor des Treiberresonators ohne Eingangssignale werden in folgenden Resonatoren 25, Strahlbeslastung (normaler Gütefaktor die längs des Strahlweges voneinander entfernt angedes Treiberresonators, stets positiv), 35 ordnet sind, verstärkt.

Q_b = Gütefaktor des Treiberresonators auf Die verstärkte Schwing^ngsenergie wird in üblicher Grund der Strahlbelastung allein (positiv Weise ^uber Ψ* ^B1<f^de f aus einem Ausgangsresona- oder negativ") ausgekoppelt und einer nicht dargestellten Be-

lastung über einen Ausgangshohlleiter 27 zugeführt,

Qt = Gesamtgütefaktor des Treiberresonators ₄₀ der vakuumdicht mittels eines nicht dargestellten bei Strahlbelastung. wellendurchlässigen Vakuumfensters angeschlossen ist.

Ein Solenoid 29 umgibt das längliche Vakuumge-

Eine Mehrkammerklystronverstärkerröhre zur faß 11 koaxial und liefert ein axial gerichtetes magneti-Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist sches Strahlfokussierfeld von beispielsweise 1000 Gauß. dementsprechend dadurch, gekennzeichnet, daß das 45 Das Magnetfeld schränkt den Strahl auf einen vorge-Dämpfungsmaterial den größten Teil der Wandflächen gebenen Strahldurchmesser ein und richtet den Strahl des Treiberresonators einnimmt. in Achsenrichtung durch die Röhre. Ein hohler,

Vorzugsweise besteht das Dämpfungsmaterial ge- zylindrischer Magnetschirm 31, beispielsweise aus wichtsmäßig überwiegend aus Eisenpartikeln, außer- Weicheisen, umgibt das Solenoid, um ein eventuelles dem kann es eine Mischung aus Aluminium-, Chrom- 50 Streufeld zu verringern. Am Elektronenstrahler- und Kobaltpartikeln enthalten. zeugungsende des Gefäßes 11 liegt der Schirm 31 an

Ferner ist es möglich, im Treiberresonator die einer mit Öffnungen versehenen Platte 32, beispiels-Außenseiten der Driftelektroden ebenfalls aus Dämp- weise aus Weicheisen, an, die die Oberseite eines Eisenfungsmaterial bestehen zu lassen, und wenn der tanks 33 bildet, der ein Ölbad 34 enthält, in das das Treiberresonator einen zylindrischen Teil und zwei 55 Elektronenstrahlerzeugungsende des Gefäßes, eineinander parallel gegenüberliegende Endwände auf- schließlich des Solenoides 29, eintaucht. Das Eisen des weist, die die Stirnseiten des zylindrischen Teils ab- Tanks 33 bildet einen Teil des Magnetschirms, und das schließen, bestehen zweckmäßigerweise die Innen- Ölbad 34, dessen dielektrische Festigkeit größer ist als Seiten der Endteile praktisch vollständig aus Dämp- die der Luft, setzt die Wahrscheinlichkeit von Überfungsmaterial. 60 schlagen zwischen den Isolatoren der Elektronenstrahl-

Uberraschenderweise hat sich gezeigt, daß die Be- Zeugungseinrichtung 14 herab.

lasrung des Betriebsmodus (Hauptschwingungsmodus) In F i g. 2 ist einer der Treiberresonatoren dargestellt,

durch das Dämpfungsmaterial den normalen Röhren- Der Treiberresonator 25 besteht aus einem hohlzylinbetrieb nicht merkbar beeinflußt, und das ist darauf drischen Teil 41, beispielsweise aus Kupfer, dessen zurückzuführen, daß der Hauptschwingungsmodus 65 Stirnseiten durch ringförmige Endteile 42 und 43, beidurch die Kopplung mit dem Strahl bereits so stark spielsweise aus Kupfer, geschlossen sind. In den Resobelastet ist, daß das Dämpfungsmaterial den effektiven nator 25 ragen von den Öffnungen in den Endteilen 42 Gesamtgütefaktor für diesen Hauptschwingungsmodus und 43 her zwei hohlzylindrische Driftröhren 44 und 45,

3 4

beispielsweise aus Kupfer, deren Enden verjüngt sind gungsmodi im Hohlraum gekennzeichnet. Die kri-

und voneinander entfernt sind, um einen langen Drift- tischen Bedingungen für Modusunterdrückung sind die

röhrenspalt im Resonator zu bilden. folgenden:

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Er- Der effektive Gesamtgütefaktor Qt jedes Modus ist: findung sind die Innenflächen des Resonators 25 ein- 5

schließlich dem Inneren des zylindrischen Teils 41, dem 111

Inneren der Endteile 22 und 23 und dem Äußeren der —- = — l· ~— ·

Driftröhren 44 und 45, beispielsweise durch Flammen- *" ^⁶ öo sprühen, zu einer Stärke von etwa 0,125 mm mit einem

Dämpfungsmaterial beschichtet, beispielsweise Kan- io Qt ist der effektive Gesamtgütefaktor des Hohlraums; thai A. Kanthai A besteht aus 5% Aluminium, 22% Q_b j_st der Gütefaktor auf Grund der Strahlbelastung Chrom, 0,5% Kobalt, Rest Eisen. Dieses verteilte allein (kann negativ oder positiv sein); Dämpfungsmaterial ergibt eine hohe Dämpfung für --....,. * i* j t. ι <. _TT r.i alle möglichen Schwingungsmodi einschließlich des Q" ^{ist der normal}f ^Gut^efa^^{tor des} ^belasteten Hohlerwünschten Hauptmodus. Die Verwendung des 15 raums unter Berücksichtigung der mit verteiltem Dämpfungsmaterials auf den Resonatorendteilen und Dampfungsmaterial versehenen Oberflache des den Driftröhren ist besonders günstig, weil dort die Resonators, meisten Ströme unerwünschter Schwingungsmodi konzentriert sind. Eine Dämpfung an diesen Stellen ist des- Die Verwendung von Dämpfungsmaterial im Resohalb am wirksamsten. 20 nator zur Herabsetzung von Q₀ ergibt eine Herab-

Die Verwendung eines verteilten Dämpfungsmate- Setzung des Gesamtgütefaktors. Wenn Qb, der Güte-

rials als Mittel zur Modusbelastung und selektiven Her- faktor durch Strahlbelastung, negativ und kleiner als

absetzung der Resonatorbetriebsgütefaktoren für die Q₀ ist, ist der Gesamtgütefaktor negativ, und eine

betreffenden Modi ist wegen der starken Belastung des Schwingung ist möglich. Das Dämpfungsmaterial im

gewünschten Betriebsmodus (Hauptschwingungsmo- 25 Resonator muß deshalb so angeordnet werden, daß Q₀

dus) mit dem Strahl nicht möglich. Die Hinzufügung kleiner ist als der negative Ausdruck Qb (wenn dieser

des Dämpfungsmaterials im Resonator hat einen negativ sein sollte).

wesentlich kleineren Einfluß auf den Betriebsgütefak- Ein praktisches Ausführungsbeispiel, auf das die tor des Hauptschwingungsmodus als auf die Betriebs- Erfindung jedoch nicht eingeschränkt sein soll, ist ein modi der energieverzehrenden Modi. Der Haupt- 30 Höchstleistungsklystron mit Merkmalen der Erfindung, Schwingungsmodus in einem doppelt einspringenden das eine Bandbreite von 8 bis 10 % im L-Frequenzband Resonanzhohlraum entspricht weitgehend dem Modus und eine Ausgangsleistung von mehreren Megawatt TAf₀Io ^m der Nomenklatur zylindrischer Resonanz- hat. In diesem Klystron werden Zwischentreiberhohlräume, gestört durch die einspringenden Drift- resonatoren mit einem Rsjmnt/Q-Vethältrns von etwa röhren. Die Bezeichnung TM₀₁₀ wird verwendet, um 35 190 verwendet, eine Strahlimpedanz von 1000 Ohm und diesen Betriebsmodus in einem doppelt einspringenden eine Wechselwirkungsspaltlänge von 1,5 bis 2 Radians. Resonanzhohlraum zu bezeichnen, und die elektrischen In einem solchen Klystron hat ein Resonator, der einen und magnetischen Feldlinien dieses Modus sind mit E normalen unbelasteten Gütefaktor für den Hauptbzw. H in F i g. 2 bezeichnet. ÜTi%₁₀-Modus in der Größenordnung von 2000 hat, nor-

Selbstverständlich können auch andere Materialien 40 malerweise einen effektiven Gesamtgütefaktor Q_t von

als Kanthai A verwendet werden, um die Belastung des etwa 49,2. Wenn die Oberflächen des Hohlraumreso-

Resonators zu erhalten, und in dieser Beziehung sind nators aber mit Kanthai A beschichtet sind, ist der

Werkstoffe mit einem wesentlich größeren elektrischen Gütefaktor für den unbelasteten Hauptschwingungs-

Widerstand als Kupfer, beispielsweise unmagnetischer modus in der Größenordnung von 400, und der

rostfreier Stahl, in einigen Anwendungsfällen brauch- 45 effektive Gesamtgütefaktor des Resonators Qt ist nur

bar, wenn dieser Werkstoff unter gewissen Umständen auf 44,5 herabgesetzt, entsprechend der Beziehung auch bei weitem nicht so wirksam ist wie Kanthai A.

Das zur Modusunterdrückung verwendete Kriterium 111

besteht darin, daß der effektive Gesamtgütefaktor des -— — —r—h —- >

Resonators ßijedes zu unterdrückenden Modus positiv 50 ß* ö& Qo sein muß. Wenn diese Bedingung erfüllt ist, ist in diesem

Modus keine Schwingung möglich. Bei gewissen Wer- worin Qt wieder der effektive Gesamtgütefaktor

ten der Frequenz, des Spaltleitwertes und anderer ist, Qt, der Gütefaktor durch die Strahlbelastung

Parameter, die später näher beschrieben werden, hat und Q₀ der normale Gütefaktor des Resonators

rostfreier Stahl oder ein anderes Dämpfungsmaterial 55 ohne Strahlbelastung. Ersichtlich hat also die Einfüh-

nicht genügend Verluste, um Schwingungen gewisser rung des Belastungsmaterials in den Resonator nur eine

unerwünschter Modi zu verhindern, während unter kleine Wirkung auf den Betriebsgütefaktor für den

anderen Bedingungen, d. h. höherer Frequenz, kürze- Hauptschwingungsmodus, dämpft aber die uner-

ren Spalten usw., rostfreier Stahl ausreichen würde. wünschten Modi stark und hindert sie daran, zu schwin-

Hohlraumseitenwände aus rostfreiem Stahl sind be- 60 g_eri. in der Röhre sind alle störenden Modi, einschließ-

reits verwendet worden, jedoch nicht unter ausreichen- Hch der störenden Modi TE₃₁₁, TM₁₁₁, TM₂₁₀, TM₀₁₁,

den Bedingungen, um zu erreichen, daß die Dämpfung TE₂₁₁, TE₁₁₁, TM₀₁₁ in den Treiberresonatoren durch die

im rostfreien Stahl allein ausreicht, unerwünschte Kanthal-A-Beschichtung über den größeren Teil der

Schwingungsmodi in einem Klystrontreiberhohlraum Innenflächen unterdrückt.

mit langem Spalt (größer als 1,0 Radians Strahltransit- 65 Ein typisches Klystron mit den obigen Werten ist

winkel), der stark mit dem Strahl belastet ist, zu unter- etwa 2,75 m lang und hat sechs Treiberresonatoren,

drücken. Solche Hohlräume sind durch hohe negative Bei der Ausführung der Erfindung tritt durch die

Spaltleitfähigkeit für viele der unerwünschten Schwin- Verwendung des Dämpfungsmaterials in den HF-

Treiberresonatoren ein Problem auf, nämlich die Leistung, die im Hauptschwingungsmodus in Form von Wärme verbraucht wird. Die überschüssige Wärme wird zweckmäßigerweise vom Resonator abgeführt, um ein Schmelzen der Elemente zu verhindern, auf die das Dämpfungsmaterial aufgebracht ist. Vom praktischen Standpunkt wird also das Dämpfungsmaterial bei einem Klystron, das viele Megawatt Spitzenleistung liefert, vorzugsweise nur auf solche gekühlten Innenflächen in den Resonatoren aufgebracht, in denen die zirkulierenden Energien hoch sind, etwa in den Hohlräumen nahe am Ausgangshohlraum. Die Oberflächen werden durch Flüssigkeitsleitungen gekühlt, die in den Resonatorteilen und in den Driftröhren gebildet sind. Ein geeignetes Kühlmittel, beispielsweise Wasser, zirkuliert durch diese nicht dargestellten Leitungen. Der Ausgangsresonator wird vorzugsweise nicht mit Dämpfungsmaterial beschichtet, weil die starke Belastung des Ausgangssystems mit dem Verbraucher irgendwelche Schwingungsneigungen in unerwünschten Modi hier wirksam kontrolliert.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Unterdrücken unerwünschter Schwingungsmodi in einem Hohlraumresonator des Treiberteils (Treiberresonator) einer mit Strahlbelastung arbeitenden Mehrkammerklystronverstärkerröhre, bei der die Innenseiten der Wand des Treiberresonators — oder diese Wand selbst —zumindest teilweise aus Dämpfungsmaterial bestehen, so daß für den gewünschten Betriebsmodus (Haupt-Schwingungsmodus) der Gesamtgütefaktor des Treiberresonators bei Strahlbelastung kleiner als 200 ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Dämpfungsmaterial so gewählt ist und so große Wandflächen des Treiberresonators einnimmt, daß für die zu unterdrückenden Schwingungsmodi jeweils gilt:

Qo

wobei Q₀ = Gütefaktor des Treiberresonators ohne Strahlbeslatung (normaler Gütefaktor des Treiberresonators, stets positiv),

Qi = Gütefaktor des Treiberresonators auf Grund der Strahlbelastung allein (positiv oder negativ),

Qt = Gesamtgütefaktor des Treiberresonators bei Strahlbelastung.

2. Mehrkammerklystronverstärkerröhre zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Dämpfungsmaterial den größten Teil der Wandflächen des Treiberresonators einnimmt.

3. Röhre nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Dämpfungsmaterial gewichtsmäßig überwiegend aus Eisenpartikeln besteht.

4. Röhre nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Dämpfungsmaterial außerdem eine Mischung aus Aluminium-, Chrom- und Kobaltpartikeln enthält.

5. Röhre nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Treiberresonator die Außenseiten der Driftelektroden ebenfalls aus Dämpfungsmaterial bestehen.

6. Röhre nach Anspruch 5, bei der der Treiberresonator einen zylindrischen Teil und zwei einander parallel gegenüberliegende Endteile aufweist, die die Stirnseiten des zylindrischen Teils abschließen, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenseiten der Endteile praktisch vollständig aus Dämpfungsmaterial bestehen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen