DE2117924A1

DE2117924A1 - Geschwindigkeitsmodulationsröhre mit harmonischer Vorbündelung zur Erreichung eines hohen Wirkungsgrades

Info

Publication number: DE2117924A1
Application number: DE19712117924
Authority: DE
Inventors: Erling Louis Los Altos Calif. Lien (V.St.A.)
Original assignee: Varian Associates Inc
Current assignee: Varian Medical Systems Inc
Priority date: 1970-04-15
Filing date: 1971-04-14
Publication date: 1971-10-28
Also published as: JPS5330985B1; NL7104993A; CA956387A; DE2117924B2; GB1350269A; DE2117924C3; FR2089691A5; NL174599C; US3622834A

Description

U₁ As;ii

DR. CLAUS RiSNL.ÄNDER

ARDT

D-8 Ni Of! CM EN 60 V1 P288 D

BACKE P. STRAS SF 3

VARIAN ASSOCIATES
Palo Alto, California V. St. v. Amerika

Geschwindigkeitsmodulationsröhre mit harmonischer Vorbündelung zur Erreichung eines hohen Wirkungsgrades

Priorität: 15. April 1970; 0SA; Ser. Nr. 28 792

Zusammenfassung:

Es wird eine Geschwindlgkeitsmodulationsröhre angegeben. Die Röhre enthält Strahl-Feld-Wechselwirkungskreise, die längs des Strahlweges in folgender Reihenfolge angeordnet sind: Vorbündeler, schwimmender Bündelungsresonator, Ausgangskreis· Der Vorbündeler, der Bündeler und die Ausgangskreise sind alle auf einen Grundresonanzmodus in der Nähe des Durchlaßbandes der Röhre abgestimmt. Zwischen den Wechselwirkungsspalten des Vorbündelers und des nächstfolgenden, schwimmenden Bündelers ist ein abnorm langer Laufraum vorgesehen, d.h. ein Laufraum größer als 90° und vorzugsweise ungefähr 120° des reduzierten Plasmawinkels, wodurch durch die Zweit-Harmonische-Raumladungskomponente der sich ergebenden Stromdichtemodulation des Strahles eine vorteilhafte Bündelung der Elektronen am Eingang des Bündelungshohlraumes erreicht wird, up tür die Röhre einen verbesserten Umwandlungswirkungsgrad'

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zu erhalten.

Ausgangspunkt der Erfindung;

Bisher war vorgeschlagen worden, in Geschwindigkeitsmodulationsröhren strahloberhalb eines Schlußbündelungsresonators einen Zweit-Harmonischen-Vorbündelungsresonator zu verwenden, um den Elektronenstrahl mit einer Zweit-Hanaonischen Spannung äea zu verstärkenden Signals derart gesehwindigkeitszumodulieren, daß durch die Zweit-Harmonische Weehselwirkungsspannung eine günstige Bündelung der Elektronen an dem Sehlußbündeler erreicht wird, um einen verbesserten Umwandlungswirkungsgrad zu erhalten. Im einzelnen diente die zweite Harmonische der Hochfrequenzspannung dazu, die Zwischenbünäelelektronen gegen die Slektronenbündel hin su bewegen während gleichfalls die Geschwindigkeitsspeizung in den sich ergebenden Elektronenbündeln verringert wurde, wodurch der Umwandlungswirkungsgrad der Röhre verbessert wurde, line derartige Elektronenröhre ist in dem Patent ... (Patentanmeldung P 19 50 199«6) beschrieben.

Eine der Schwierigkeiten bei diesem vorgeschlagenen harmonischen Torb'ündeler zur Verbesserung des Wirkungsgrades bestand daring daß die Verwendung eines Zweit-Harmonisehen-Hohlraumes in dem Vorbündelungssystem die Ausgangsbandbreite sehr begrenzte. Deshalb ist es erwünscht, eine harmonische Vorbündelung zur Verbesserung des Wirkungsgrades in der Art vorzuseh.en₉ daß die Bandbreite der Röhre nicht so stark begrenzt wird.

Zusammenfassung der Erfindung;

Die vorliegende Erfindung strebt hauptsächlich eine verbesserte Geschwindigkeitsmodulations-Röhre mit einer harmoni-

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sehen Vorbündelung an.

Gemäß der Erfindung wird in einer G-eschwindigkeitsmodulations-RÖhre ein Vorbündeler vorgesehen, der strahlaufwärtβ von einem schwimmenden Bündelungsresonator angeordnet ist, wobei ein Laufraum zwischen der Mitte des Wecheelwirkungespaltes des Vorbündelers und der Mitte des Wechselwirkungsspaltes des nachfolgenden schwimmenden Bündelers vorgesehen ist, der größer als 90° des reduzierten Plasmawinkels ist, so daß durch die Zweit-Harmonisehe-Komponente der sich ergebenden Raumladungsdichtemodulation des Strahles eine weitere Bündelung des Strahles dadurch bewirkt wird, daß Zwischenbündelelektronen in die Elektronenbündel bewegt werden, wodurch der Umwandlungswirkungsgrad der Röhre weiter erhöht wird.

Vorzugsweise ist der schwimmende Bündelungsresonator auf einen Grundresonanzmodus bei einer Frequenz abgestimmt, die höher als die obere Frequenzkante des Durchlaßbandes der Röhre liegt.

Zweckmäßigerweise ist weiterhin wenigstens ein zusätzlicher Vorbündeler strahloberhalb des zuerst erwähnten Vorbündelers vorgesehen, und zweckmäßigerweise ist der ersterwähnte Vorbündeler ein schwimmender Resonator, der durch den modulierten Strahl angeregt wird, um den durch den Resonator laufenden Strahl gesghwindigkeitszumodulieren.

Vorzugsweise ist der zuerst erwähnte Vorbündeler auf einen Ckrundreeonanzmodus bei einer Frequenz abgestimmt, die unter der Mittelfrequenz des Durchlaßbandes der Röhre liegt.

Der Laufraum swiechen dem Vorbündeler und dem nächstfolgenden schwimmenden Bündelungsresonator beträgt annähernd 120° des

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reduzierten Plasmawinkels«

Im folgenden soll die Erfim&ung näher anhand von in der Zeichnung dargestellten Torzugeweisen Ausführungsformen erläutert werden. In der Zeichnung zeigen:

Pig. 1 eine sehematische Darstellung eines mehrere Hohlräume aufweisenden Klystronverstärkers, der Merkmale der vorliegenden Erfindung aufweist,

Pig. 2 eine graphische Darstellung des gebündelten Strahl-

als Funktion des Abstandes, die ein Elektro-

Pig„ 3 ©in© graphische !Darstellung der G-rundraumladungswelle iwA eier Zweit-Hamonische-Haumladungsv/alle, durch die die Stro@di6hte*jaocLi!2lation des Strahles der Pig. 2

t wirdj

Pig« 4 eia.e graphische Darstellung der llektronenphasenwiE.-kel g@m©ss©n in Haöiaas gegen den normierten Afcsta&d

in HaälsELS entlang dem Strahlenweg in dem Bereich . ztii&Qiw& ä@a ¥or"b'üaäGltmgshohlra,i5ii der Pig_c 1 waä

5 eisi© gEmpkisolä© Earstelliasg eise© iÄ©rmiert®B. H©eh»

für die Grrwidkomponente fies

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Pig«, 6 ©la© graphische Bareteliimg des Hochfrequenzumwand-

sgraaeFd -g©g@n äen noriaiertsn Lastleitwert

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für den Ausgangskreis der Röhre der Fig. 1,

Pig, 7 eine schematische Darstellung, in der eine andere Ausführungsform eines Klystronverstärkers dargestellt ist, der Merkmale der vorliegenden Erfindung aufweist,

Fig. 8 eine graphische Darstellung des Verstärkungsgrades in db gegen die Frequenz, wobei der Ausgangsfrequenzgang der in Pig. 7 dargestellten Röhre gezeigt ist und die Abstimmung und die Q-Werte für die Hohlräume der Fig. 7 dargestellt sind, und

Fig. 9 eine schematische Darstellung einer anderen Ausführungsform einer gemäß der Erfindung ausgebildeten Gesehwindigkeitsmodulationsröhre.

Beschreibung vorzugsweiser Ausführungsformen:

In Fig. 1 ist eine Klystronverstärkerröhre 1 dargestellt, die Merkmale der vorliegenden Erfindung aufweist. Die Röhre 1 enthält ein Elektronenerzeugungssystem 2, um einen Strahl aus Elektronen 3 zu erzeugen, der entlang einem langgestreckten Strahlenweg zu einer Kollektoranordnung 4 geleitet wird, die an dem Abschlußende des Strahles 3 angeordnet ist. Ein einspringender Vorbündelungshohlraum 5 ist an dem stromaufwärtigen Ende des Strahles 3 angeordnet und wird über eine Eingangskopplungsschleife 6 durch zu verstärkende Hochfrequenzenergie angeregt. Der Vorbündelungehohlraum 5 enthält einen Wechselwirkungsspalt 7» der zwischen den freien Enden der einspringenden laufröhrenteile des einspringenden Hohlraumes 5 gebildet wird, so daß die elektrischen Felder des angeregten Hohlraumes mit dem Elektronenstrahl 3 in Wechselwirkung

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-. 6 —

kommen, um den Strahl geschwindigkeitszumodulieren.

Ein leitendes Laufröhrenglied 8 umgibt den Elektronenstrahl 3 in dem Bereich, der strahlabwärts von dem ersten Vorbündelungshohlraum 5 liegt, um einen hochfrequenz-feidfreien Raum zu bilden, in dem die Elektronen mit Geschwindigkeiten laufen können, die den Elektronen durch die Geschwindigkeitsmodulation, die durch den Vorbündelungshohlraum 5 erzeugt wird, erteilt werden. Zusätzlich beeinflussen Raumladungskräfte, die in dem gebündelten Strahl vorhanden sind, weiterhin die Bündelung der Elektronen, während diese durch die Laufröhre 8 zu einem folgenden, stromabwärts angeordneten Bündelungshohlraum 9 laufen.

Der Bündelungshohlraum 9 besteht aus einem schwimmenden Resonator, worunter ein Resonator verstanden wird, für den außerhalb des Klystrons keine Energiequelle vorgesehen ist und der nicht mit einer Last gekoppelt ist, die die Ausgangsspannung des Resonators verwertet; es kann jedoch ein Schaltelement mit dem schwimmenden Resonator gekoppelt sein, mit dem nur einige elektrische Eigenschaften des schwimmenden Resonators beeinflußt werden, beispielsweise sein Gütefaktor Q oder seine Frequenz. Der Bündelungshohlraum 9 besteht aus einem einspringenden Hohlraum, der einen Wechselwirkungsspalt 11 aufweist, der zwischen den freien Endteilen der einspringenden Laufröhrenglieder gebildet wird, um die elektrischen Felder des Resonators 9 mit dem hierdurch hindurchlaufenden Elektronenstrahl in Wechselwirkung zu bringen. Der erste Bündelungshohlraum 9 soll durch den in der Stromdichte modulierten (gebündelten) Elektronenstrom 3 in Resonanz angeregt werden, wenn der Elektronenstrom durch den Resonator läuft, wobei durch diese Anregung des Hohlraumes ein elektrisches Feld in dem Wechselwirkungsspalt 11 erzeugt wird,

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der auf die Elektronen zurückwirkt, um diese geschwindigkeitszumodulieren, wodurch die Bündelung des Elektronenstrahls strahlabwärta von dem ersten Bündeler 9 weiter verbessert wird.

Ein zweiter Bündelungshohlraum 12, der im wesentlichen gleich dem ersten Bündelungshohlraum 9 ausgebildet ist, ist zur Wechselwirkung mit dem Elektronenstrahl strahlabwärts von dem ersten Bündeler 9 angeordnet, um die Bündelung des Strahls weiter zu verbessern. Ein einspringender Hohlraumresonator 13 ist strahlabwärts von dem vorgenannten Bündelungshohlraum 12 angeordnet. Der Ausgangshohlraum 13 besteht aus einem einspringenden Hohlraum, der einen Weehselwirkungsspalt 14 aufweist, der zwischen den freien Endteilen der einspringenden Laufröhrenglieder zur Wechselwirkung mit dem Elektronenstrahl gebildet wird. Im einzelnen regt der in der Stromdichte modulierte Elektronenstrahl den Ausgangsresonator 13 in Resonanz an und dem Ausgangsresonator 13 wird über eine Ausgangskopplungseinrichtung 15, wie etwa eine Kopplungsschleife, Ausgangsenergie entnommen. Die dem Ausgangsresonator 13 entzogene Energie wird sodann einer geeigneten Verwendungsvorrichtung, wie etwa einer Antenne, die nicht dargestellt ist, zugeführt. Zwischen den Hohlräumen 9 und 12 sowie 12 und sind Laufröhren 16 bzw. 17 vorgesehen, um zwischen diesen Hohlräumen feldfreie Laufbereiche zu bilden·

Eine Z^t-Har^onische-Vorbündelung wird in der in Fig. 1 gezeigten Eöhre dadurch erhalten, daß die Länge der Laufröhre 8 so bemessen wird, daß die normierte Lauflänge zwischen der Mitte des Wechselwirkungsspaltes 7 und der Mitte des nächstfolgenden Wechselwirkungsspaltes 11 des Bündelers 9 größer als ein Viertel einer reduzierten Plasmawellenlänge ist. Die normierte Lauflänge ist definiert als?

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worin tog die reduzierte Plasmafrequenz in Radians pro Sekunde, ν die Gleichstromstrahlgeschwindigkeit und 1 die physikalische liänge des Laufraumes zwischen dem Wechselwir kungsspalt ? und 11 ist, und eine reduzierte Plasmawellenlänge wird definiert als:

* tag

Die Zweit-Harmonische-Vorbündelung entlang der abnorm langen Laufröhre 8 wird durch das Zweit-Harmonische-Raumladungsfeld erzeugt, das In dem modulierten Strahl vorhanden ist. Diese zweite Harmonische des Baumladungsfeldes wird anstelle des Zweit-Harmonische-Kreises des Hauptpatentes ··· (Patentanmeldung P 19 50 199*6) verwandt, um die Bündelung des Strahls zu verbessern*

Anhand der Hg. 2 und 4- sollen nunmehr die Zweit-Harmonischen-Raumladunge-Vortündelungekräfte im einzelnen näher beschrieben werden. Im einzelnen wird durch die Geschwindigkeitsmodulation, die auf den Elektronenstrom 3 in dem Vorbündelungehohlraum 5 ausgeübt wird, eine Geschwindigkeitsmodulation erzeugt, durch die die Elektronen auf einer verhältnismäßig kurzen Länge des nachfolgenden Laufraumee gebündelt werden, wie es in Pig. 2 dargestellt ist. Dieses Raumladungebündel kann so angesehen werden als sei es aus einem Anteil einer Grundraumladungswelle, wie sie durch die Kurve 18 dargestellt wird, und einem Anteil aus einer Zweit-Harmoniechen-Raumladungswelle zusammengesetzt, wie sie durch die Kurve 19 dargestellt ist. Die Grund- und Zweit-Harmonieche-Rauialadungekräfte, die durch eine solche Grundwelle 18 biw. Zweit-Harmonische-Welle 19 erzeugt werden, und wie sie durch die

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Pfeile dargestellt sind, wirken in der Nähe der Mitte.des Elektronenbündels in derselben Richtung, Jedoch sind sie in dem Zwischenbündelbereich zueinander entgegengesetzt gerichtet.

Die Elektronen in dem Zwischenbündelbereich laufen deshalb weiter gegen das Bündel hin, selbst wenn der Mittelteil des Bündels sich bereits aufgrund der Raumladungskräfte zu spreizen beginnt, Somit werden die Elektronen in dem Zwischenbtindelbereich^ dadurch, daß man die Elektronenbündel über eine abnormlange Laufstrecke laufen läßt, z.B. eine Laufstrecke grosser als 90° und kleiner als 15ü° und voz-Bugaweiüe /on i2G° des reduzierten Plasmawinkels, in die Bündel hineinbewegt, ohne daß eine zu starke Abnahme der Bündelung in den Elektronenbündeln auftritt. Der strahlabwärts angeordnete Bündelungshohlraum 9 dient dazu, die Elektronenbündel wieder zu bündeln, bevor der gebündelte Strahl durch den zweiten Bündelungshohlraum 12 und sodann durch den Wechselwirkungsspalt 14 des Ausgangsresonators 13 läuft.

Pig. 1 zeigt eine typische Anordnung der Hohlräume 5-13 für den G-roßsignalteil des Hochfrequenzkreises eines Klystron-Verstärkers mit hohem Wirkungsgrad. Im einzelnen würden normalerweise zusätzliche G-rundmodus Vor bJindelungshohlräume ähnlich dem Hohlraum 5 strahlaufwarts von einem Schlußbündelungshohlraum 5 vorgesehen werden, um eine zusätzliche Verstärkung zu erreichen. Solche zusätzliche Vorbtindelungshohlräume würden auf verschiedene Frequenzen in dem Durchlaßband der Röhre abgestimmt, und sie würden gleichfalle den Frequenzbereich verbessern, d.h. sie würden das Durchlaßband der Röhre verbreitern, was noch ausführlicher weiter unten anhand der Figuren 7 und 8 beschrieben werden soll. Bei einem typiechen Beispiel beträgt die normierte Lauflänge zwischen der Mitte des Spal-

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tes des strahlabwärtigen Vorbündelungshohlraumes 5 und dem strahlaufwärtigem Schlußbündelungshohlraum 9 120° des reduzierten Plasmawinkels, während die entsprechenden lauflängen zwischen der Mitte der Wechselwirkungsspalte 11 und 11! sowie 11· und 14 der Bündelungshohlräume 60 bzw. 25° eines reduzierten Plasmawinkels betragen.

In Pig· 4 ist der Elektronenankunftsphasenwinkel in Radians von 32 Bezugselektronen, die in einer Hochfrequenzperiode verwandt werden, gegen den normierten Abstand in Radians entlang dem Strahlenweg durch die verschiedenen Wechselwirkungsöpttlfcb xür die HSIire der Tig. 1 dargestellt. Der Elektronenphasenwinkel ist in Bezug gesetzt zu einem Bezugselektron, das sich mit der Gleichspannungsgeschwindigkeit des Strahls bewegt, und es ist ersichtlich, daß eine äußerst günstige Bündelung des Elektronenstrahls am Ausgangsspalt erhalten wird.

In Fig. 5 sind die normierten Amplituden der Grundkomponente des Hochfrequenzstrahlstromes (1../Iq) und der Zweit-Harmonischen-Komponente des Hochfrequenzstrahlstromes (I^/Iq) als Punktion des normierten Abstandes entlang dem Strahlenweg dargestellt. Es ist ersichtlich, daß die normierte Grundkomponente des Strahlstromes ein Maximum von annähernd 1,8 an dem Ausgangsspalt erreicht, und dies führt zu einem verhältnismäßig hohen berechneten Umwandlungswirkungsgrad, wie es durch die Kurve 20 in Pig. 6 dargestellt ist. Aus Pig. 6 ist zu ersehen, daß sich der berechnete Umwandlungswirkungsgrad 80 <f> bei einem normierten lastleitwert für den Ausgangsresonator 13 von 1,0 annähert. Der lastleitwert des Ausgangsresonators Gt ist bezogen auf den Gleichstromstrahlleitwert Gq. Dieser Umwandlungswirkungsgrad, wie er in Pig· 6 graphisch aufgezeichnet ist, gilt für einen Strahl, der eine Mikroperveance von 1 besitzt und der entsprechende Umwandlungs-

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wirkungsgrad für einen Strahl mit einer Mikroperveance von 0,5 liegt um annähernd 5 # höher, nämlich bei 85 #.

Im folgenden soll Bezug auf die Figuren 7 und 8 genommen werden. In Pig· 7 ist die Anordnung von Resonatoren für einen Breitbandklystronverstärker dargestellt, der den Großsignal — Teil des in Pig. 1 gezeigten Hochfrequenzkreiees enthält. Bei der Ausftihrungsform der in Fig. 7 dargestellten Röhre sind zwei zusätzliche Vorbündelungshohlräume, nämlich 21 und 22, strahlaufwärts von dem schwimmenden strahlabwärte angeordneten Vorbtindelungshohlraum 5 angeordnet. Der Resonator 21 ist ein schwimmender Resonator und der Resonator 22 bildet den Eingangsresonator, dem die zu verstärkende Mikrowellenenergie über die Eingangskopplungsschleife 6 zugeführt wird. Die Hohlräume, die entsprechend ihrer Reihenfolge von dem strahlaufwärtigen Ende zu dem strahlabwärtigen Ende mit den Zahlen 1-6 bezeichnet sind, sind auf Frequenzen abgestimmt, die durch die entsprechenden Pfeile mit den Zahlen 1 - 6 in der graphischen Darstellung in Fig. 8 bezeichnet sind, so daß die Röhre bei einer Hittelfrequenz von annähernd 12 200 HHa arbeitet. Die Lauflängen zwischen den Hittelpunkten der Wechselwirkungsspalte aufeinanderfolgender Resonatoren sind in Fig. 7 mit 60°, 60°, 120°, 90° bzw. 30° dargestellt, wie es aus der Darstellung der Fig. 7 zu ersehen iet. Die Q-Werte für die jeweiligen Hohlräume sind in der graphischen Darstellung der Fig. 8 angegeben, und aus dieser Darstellung ist zu ersehen, daß die beiden Schlußbündelungshohlräume 9 und 10, die dem vierten und fünften Resonator entsprechen, ein verhältnismäßig hohes belastetes Q von 850 aufweisen, und daß sie auf Frequenzen abgestimmt sind, die wesentlich höher als die obere Bandkantenfrequenz des Durchlaßbandes der Röhre sind, wobei die Bandkantenfrequenzen durch die Funkte auf der Veretärkungekurve 31 bestimmt werden, in denen die

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— 12 «·

Verstärkung um 3 db gegenüber der maximalen Verstärkung in der Mitte des Durchlaßbandes der Röhre abgefallen ist. Aus dieser Darstellung ist gleichfalls zu ersehen, daß der strahlabwärtig angeordnete Vorbündelungshohlraum 5, der der dritte Hohlraum in der Seihenfolge ist, auf eine Frequenz abgestimmt ist, die etwas unter der unteren Frequenzbandkantenfrequenz und beträchtlich unter der Mittelfrequenz des Durchlaßbandes der Röhre liegt. Der Eingangs- und der Ausgangsresonator, der mit 1 bzw, 6 bezeichnet ist, sind auf Frequenzen innerhalb des Durchlaßbandes der Röhre abgestimmt. Eine Liste für die typischen Bemessungsparameter einer Röhre der in Fig. 7 gezeigten Art ist unten in Tabelle I zusammengestellt.

!Tabelle I Zusammenstellung von Bemessungsparametern;

Frequenz 12,2 GHz

Bandbreite (-3 dB Minimum) 40 MHz

Strahlspannung 12,1 kV

Strahlstrom 0,66 A

Strahlperveance 0,5 x 10~⁶A/V⁵/²

Strahlbereiclikonvergenz 100 : 1

Kathodenbelasttmg (Maximum) 2 A / cm

Kathodendurehmesser 0,787 cm

Zahl der Hohlräume β

der Bündelungshohlräume (geschätzt) 110 0hm g^ des Ausgangshohlraumes (geschätzt) 100 0hm Normierte Länge der Wechselwirkungsspalte: Bündelungshohlräume 1,0 Radians

Ausgangshohlraum 0,7 Radians

Länge der Wechselwirkungsspalte:
Bündelungshohlräume 0,083 cm

Ausgangshohlraiam 0,058 cm

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Normierter Tunnelradius b Tunneldurchmesser 2a ^J Strahlfüllungsfaktor, t/a. Normierte Lauflängen, ß

q. 1,2 Vz. Vs, V4.5 Vü.6

Lauflängen:

¹3.4

Gesamt Q-Paktor der Hohlräume: Q-Eingang «2

^Q4

^Ausgang Hohlraumabs timmung:

^f1 ^f2 ^f3 ^f4 ^f5

0,7 Radians	cm
0,119
0,66
60°
60°
120°
90°
50°	cm
1,290	cm
1,290	cm
2,578	cm
1,952	cm
0,645
200
200
500
850
850
180	HHz
12,181	MHz
12,222	MHz
12,171	MHz
12,266	MHz
12,285	MHz
12,200

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Magnetisches Fokkuslerungsfeld (2,5 x Brillouin PeId) 4000 Gauss.

In Pig. 9 ist eine andere Klystron-Ausführung gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt. Diese Ausführungsform ist im wesentlichen dieselbe wie die in Pig, 1 gezeigte Ausführungsform mit der Ausnahme, daß lediglich ein einziger Schlußbündelungshohlraum 9 zwischen dem Vorbündelungshohlraum 5 und dem Ausgangshohlraum 13 verwandt wird. Der laufraum zwischen der Mitte des Wechselwirkungsspaltes 7 des Eingangsresonators 5, der gleichfalls der Vorbündelungsresonator ist, und dem Wechselwirkungsspalt des Schlußbündelungshohlraumes 9 ist größer als 90° des reduzierten Plasmawinkels, und die Lauflänge zwischen dem Wechselwirkungsspalt 11 in dem Bündelungshohlraum 9 und dem Wechselwirkungsspalt 14 in dem Ausg;
Plasmawinkels·

14 in dem Ausgangsresonator 13 beträgt 35° des reduzierten

Bei allen Ausführungsformen der Piguren 1,7 und 9 sind die Resonatoren alle auf einen Grundresonanzmodus in der Nähe des Durchlaßbandes der Röhre abgestimmt. Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß eine harmonische Vorbündelung mit Hohlräumen erreicht werden kann, die auf eine Grundresonanz in der Nähe des Durchlaßbandes der Röhre abgestimmt sind im Gegensatz zu den früher vorgeschlagenen Röhren, bei denen Zweit-Harmonische-Resonatoren verwandt wurden, die auf einen Grundresonanzmodus bei der zweiten Harmonischen des Durchlaßbandes abgestimmt werden mußten. Bei Frequenzen über dem S-Band wird ein tibermäßiger Teil des Volumens eines Zweit-Harmonisehen Hohlraumes durch den Strahl eingenommen.

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Es ist nicht erforderlich, daß die Resonatorkreise, die "bei den erfindungsgemäßen Röhren verwandt werden, einspringende Hohlraumresonatoren sind. Es können auch andere Arten von Resonanzkreisen verwandt werden, wie etwa schraubenförmige Resonatoren mit verteiltem Feld (wobei entweder Resonatoren mit einer einzigen Schraube oder Resonatoren mit einer über Kreuz gewickelten Schraube verwandt werden können). Weiterhin kann der Ausgangsresonatorkreis 13 z.B. einen !»angsam-Wellenkreis oder einen langgestrekten Wechselwirkungskreis enthalten, der durch mehrere miteinander gekoppelte Hohlraumresonatoren gebildet wird. Mit anderen Worten ist die vorliegende Erfindung nicht nur auf Klystron-Verstärker sondern auf Geschwindigkeitsmodulationsmikrowellenröhren allgemein anwendbar, bei denen abgestimmte Resonanzstrukturen verwandt werden, die entlang dem Strahlenweg zur Wechselwirkung mit dem Strahl angeordnet sind.

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Claims

Patentansprüche

Geschwindigkeitsmodulations-Röhre mit einem bestimmten Durchlaßfrequenzband und mit einem Strahlerzeugungssystem zur Erzeugung eines länglichen Elektronenstrahls, mit einem Vorbündelungsresonatorkreis, der an dem Strahlenweg angeordnet ist und einen Wechselwirkungsspalt zur elektro-magnetischen Wechselwirkung mit dem Strahl aufweist, um an dem durch den Wechselwirkungsspalt laufenden Strahl eine Geschwindigkeitsmodulations auszuführen, mit einem schwimmenden Vorbündelungsresonanzkreis, der an dem Strahlenweg strahlabwärts von und als nächster folgend auf die Vorbündelungseinrichtung angeordnet ist und einen Wechselwirkungsspalt für eine Anregung durch den geschwindigkeitsmodulierten Strahl und zur weiteren elektromagnetischen Wechselwirkung mit dem Strahl aufweist, um an dem durch diesen Wechselwirkungsspalt laufenden Strahl eine Geschwindigkeitsmodulation auszuführen, mit einem Ausgangskreis, der an dem Strahlenweg strahlabwärts von der Bündelungseinrichtung angeordnet ist, zur Erregung durch den modulierten Strahl und zum Entnehmen von Ausgangswellenenergie aus dem Strahl, dadurch gekennzeichnet , daß eine erste Laufröhreneinrichtung (8) zwischen der Vorbündelungseinrichtung (5) und der nächstfolgenden Bündelungseinrichtung (9) zur Abschirmung des Strahls gegen die Hochfrequenzfelder außerhalb des Strahles angeordnet ist, um in dem Strahl zwischen, der Mitte des Wechselwirkungsspaltes der Vorbündelungseinrichtung (5) und der Mitte des Wechselwirkungsspaltes der Bündelungseinrichtung (9) einen im wesentlichen ununterbrochenen hochfrequenzfeidfreien Laufraum mit einer normierten Driftlange zu bilden, die größer als 90° des reduzierten Plasmawinkels ist,

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wodurch, der Hochfrequenzumwandlungswirkungsgrad der Röhre erhöht wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Bündelungseinrichtung (9) auf einen Grundresonanzmodus bei einer Frequenz abgestimmt ist, die höher als die obere Bandkantenfrequenz des Durchlaßbandes der Röhre ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß ein zweiter schwimmender Bündelungsresonanzkreis (12) εη dssi Strahlenwsg zwischen der ersten schwimmenden Bündelungseinrichtung (9) und dem Ausgangskreis (13) zur Anregung durch die Modulation des Strahles und zur Geschwindigkeitsmodulation des hierdurch laufenden Strahles angeordnet ist und daß die erste und die zweite Bündelungseinrichtung (9»12) für einen Grundresonanzmodus auf eine Frequenz abgestimmt sind, die höher als die obere Bandkantenfrequenz des Durchlaßbandes der Röhre ist.

4· Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß wenigstens ein zusätzlicher Vorbündelungeresonator (21,22) an dem Strahlenweg strahlaufwärts von der ersten Vorbündelungseinrichtung (5) zur Geschwindigkeitsmodulation des Strahles mit einer Signalwellenenergie innerhalb des Durchlaßbandes der Röhre angeordnet ist, und daß der erste Vorbündeler aus einem schwimmenden Resonator besteht, der durch den modulierten Strahl zur Geschwindigkeitsmodulation des durch diesen hindurchlaufenden Strahls anregbar ist.

5· Vorrichtung nach Anspruch 4» dadurch gekennzeichnet , daß der erste Vorbündeler auf einen Grundreeonanzmodue bei einer Frequenz abgestimmt 1st, die

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niedriger als die Mittelfrequenz des Durchlaßbandes der Röhre ist.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß zusätzliche Laufröhreneinrichtungen (16,17) entlang dem Strahlenweg zwischen den verbleibenden Resonatoren angeordnet sind, wodurch zwischen diesen Resonatoren hochfrequenzfeldireie Laufräume für den Strahl gebildet werden, und daß jede dieser zusätzlichen Laufröhreneinrichtungen eine normierte Lauflänge aufweist, die kleiner als 90° des reduzierten Plasmawinkels ist.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die normierte Lauflänge der ersten LaufrÖhreneinrichtung gleichfalls kleiner als 150° des reduzierten Plasmawinkels ist.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die normierte Lauflänge der ersten Laufröhreneinrichtung annähernd 120° des reduzierten Plasmawinkels beträgt.

9. Vorrichtung nach einem der. vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die Bündelungseinrichtung (9,12), die Vorbündelungseinrichtung (5,22, 21) und der Ausgangskreis (13.) alle aus einspringenden Hohlraumresonatoren bestehen·

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