DE2332118A1

DE2332118A1 - Verfahren und vorrichtung zur minimisierung der querkomponenten der geschwindigkeit in einem elektronenstrahl

Info

Publication number: DE2332118A1
Application number: DE2332118A
Authority: DE
Inventors: Henry G Kosmahl
Original assignee: National Aeronautics and Space Administration NASA
Current assignee: National Aeronautics and Space Administration NASA
Priority date: 1972-06-27
Filing date: 1973-06-23
Publication date: 1974-01-17
Also published as: FR2191251B1; US3764850A; AU5728473A; FR2191251A1; AU472491B2; CA979062A; IT989490B; BE801131A; GB1430005A; NL7308986A

Description

NATIONAL AERONAUTICS AND SPACE ADMINISTRATION, Washington, D. C. 20546, USA

Verfahren und Vorrichtung zur Minimisierung der Querkomponenten der Geschwindigkeit in einem Elektronenstrahl.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Minimisierung der Querkomponenten der Geschwindigkeit in einem verbrauchten Elektronenstrahl sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Die Erfindung ist insbesondere bei solchen Geräten anwendbar, bei denen einem Elektronenstrahl Energie entzogen wird, bevor die Elektronen des Strahles von einer Kollektorvorrichtung eingefangen werden.

Moderne Raum-Kommunikationssysteme erfordern den höchstmöglichen Wirkungsgrad bei den Sendeeinrichtungen, nicht nur um eine möglichst hohe Primärleistung zu erhalten, sondern auch um die Verlustwärmeausbreitung, die infolge schlechter Wirkungsgrade im Raum auftreten kann, geringzuhaLten. Neben hohen inneren Wirkungsgraden, die als

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elektronische Wirkungsgrade bezeichnet werden, bieten sog. zusammengedrückte Kollektoren eine Lösung, in Mikrowellenröhren einen hohen Gesamtwirkungsgrad zu erzielen. Man kann jedoch zeigen, daß die Realisierung der Energierückgewinnung bei solchen Kollektoren ganz strikt und kritisch von dem Grad der Unordnung abhängt, in dem sich die Elektronen in dem verbrauchten Elektronenstrahl befinden. Theoretisch wäre in einem gut konstruierten Kollektor, der mit einem einer punktförmigen Elektronenquelle entstammenden Strahl mit ausschließlich axialer Geschwindigkeitsverteilung zusammenarbeitet, ein Wirkungsgrad von 100 % möglich.

In der Praxis haben die verbrauchten Elektronenstrahlen aber ein sehr komplexes Geschwindigkeitsspektrum, das radiale und azimutale Geschwindigkeiten und zusätzlich zu dem Spektrum der axialen Geschwindigkeiten eine radiale Positionsverteilung enthält. Außerdem können bei hohen Frequenzen des Mikrowellenbereiches und bei Leistungen im kW-Bereich die Stromdichten im Elektro-

nenstrahl 20 bis 1200 A/cm betragen. Es ist bekannt, daß derartige Strahlen radial explodieren, wenn die foskussierenden Felder entfernt werden und sich daher in viele Kollektortypen nicht einführen lassen, insbesondere nicht in einen Kollektor von "zusammengedrücktem" Typ (depressed collector). Hieraus wird klar, daß eine wesentliche

"Verdünnung" der Stromdichten bis auf wenige A/cm vorgenommen werden muß, bevor der Elektronenstrahl in bestimmte Kollektortypen eingeführt werden kann, wenn ein hoher Wirkungsgrad erzielt werden soll. Zusätzlich zu der Herabsetzung der Stromdichten sollten die Querkomponenten der Geschwindigkeit eliminiert oder miniaiisiert werden.

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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Refokussierung eines verbrauchten Elektronenstrahles durch Minimisierung der Quergeschwindigkeiten in dem Elektronenstrahl durchzuführen, wobei die Elektronen, die unterschiedliche· Axialgeschwindigkeiten haben, mit hohem Wirkungsgrad von den Kollektorelektroden sortiert werden.

Zur Lösung dieser Aufgabe sind erfindungsgemäß die folgenden Verfahrensschritte vorgesehen: Expandieren des Elektronenstrahles auf einer Axialstrecke von etwa einer Zyklotron-Wellenlänge bis etwa drei Zyklotron-Wellenlängen;

Stabilisieren des Elektronenstrahles auf eine Axialentfernung von etwa einer halben Zyklotron-Wellenlänge bis einer Zyklotron-Wellenlänge; und Sammeln des Elektronenstrahles.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in weiterer Ausgestaltung der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß Einrichtungen zur radialen Expandierung des Elektronenstrahles auf einer Axiallänge von etwa einer Zyklotron-Wellenlänge bis .zu etwa drei Zyklotron-Wellenlängen vorgesehen sind, daß dahinter Einrichtungen zur Verhinderung der Expansion des Elektronenstrahles für eine Axiallänge von etwa einer halben Zyklotron-Wellenlänge bis einer Zyklotron-Wellenlänge angeordnet sind, und daß hinter diesen eine den Elektronenstrahl formende Kollektorvorrichtung für die Elektronen angeordnet ist, wobei jede der genannten Einrichtungen in der Reihenfolge ihrer Aufzählung von der Elektronenquelle aus positioniert ist.

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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der entsprechenden Vorrichtung werden die Querkomponenten der Geschwindigkeit in einem verbrauchten Elektronenstrahl minimisiert. Der Elektronenstrahl wird in einer entsprechenden Vorrichtung, die leicht an eine Mikrowellen-Elektronenröhre anschließbar ist, refokussiert. Bei der Refokussierung des verbrauchten Elektronenstrahls wird eine nur vernachlässigbare oder überhaupt keine Energie verbraucht .

Ein vd.terer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß die Einführung des verbrauchten Elektronenstrahls in einen Kollektor mit hohem Wirkungsgrad ohne komplexe Überwachungs- und Programmierschritte möglich ist. Schließlich wird nur eine ganz geringe Anzahl von Bauteilen benötigt. Zur Refokussierung können entweder Spulenwicklungen, Permanentmagnete oder permanent mit periodischen Magneten fokussierte Röhren benutzt werden.

Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Figuren an einem bevorzugten Ausfuhrungsbeispiel näher erläutert.

Fig. 1 zeigt die obere Hälfte eines Längsschnittes durch eine Mikrowellenoszillator-Röhre nach der Erfindung, und

Fig. 2 zeigt in grafischer Darstellung die magnetische Feldstärke aufgetragen über der Axiallänge der Röhre, wobei die Länge der Abszisse proportional der Länge der Röhre 1 von Fig. 1 ist.

Aus Fig. 1 ist ersichtlich, daß die erfindungsgemäß aufgebaute Mikrowellenröhre generell in einen Wechselwirkungsbereich (Einwirkungsbereich) 10, einen Refokussierbereich 11,

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einen Strahl-Stabilisierungsbereich 12 und einen Kollektorbereich 13 aufgeteilt werden kann. Die genannten vier Bereiche werden von den Vertikallinien 14, 15» 16, 17 und 18 begrenzt.

Ein Elektronenstrahl 19 hat entsprechend der vorliegenden Erfindung die "in Fig. 1 gezeichnete generelle Form, wobei der verbrauchte Elektronenstrahl, dem im Bereich 10 Erffgie entzogen worden ist, innerhalb des Einwirkungsbereiches der Röhre einen relativ konstanten Durchmesser aufweist, wie bei 20 angedeutet ist. Danach vergrößert sich der Radius im Refokussierbereich 11, wie bei 21 angedeutet ist. Schließlich erfolgt die Stabilisierung der Radialgeschwindigkeiten, wie bei 22 dargestellt, indem die Geschwindigkeiten und der Radius im Kollektorbereich 13 auf einen festen maximalen Mittelwert, wie bei 23 angedeutet, beschränkt werden.

Der Einwirkungsbereich 10 kann eine Magnetspule aus einer stromführenden Wicklung 24 und einem Polstück 25 enthalten, die ein Magnetfeld konstanter Stärke erzeugt, wie in Fig. bei 26 dargestellt ist. In Strahlenrichtung hinter der ersten Magnetspule ist eine zweite Magnetspule mit stromführenden Wicklungen 27, einem rückwärtigen Polstück 28 und einem vorderen Polstück 29 angeordnet. Die zweite Magnetspule erzeugt ein konstantes Magnetfeld 30 (Fig. 2) im Stabilisierungsbereich 12. Dieses Magnetfeld hat eine wesentlich geringere Intensität als das Magnetfeld der ersten Magnetspule.

Im Stabilisierungsbereich 12 werden die Querkomponenten der Geschwindigkeiten des Strahles zu einem Minimum. Vorteilhafterweise treiben diejenigen Gruppen,die geringere Axialgeschwindigkeiten haben, vorwiegend zum Rand des Strahles und bewirken so eine natürliche Geschwindigkeit/ Position-Verteilung, die die anschließend noch in dem

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Kollektorbereich 13 erforderliche Sortierung verringert. Durch diese Vorsortierung wird die Wirksamkeit des Kollektors erhöht, weil von dem Kollektor weniger Energie für die Sortierung aufgewandt werden muß.

Man sieht, daß das Magnetfeld im Refokussierbereich 11 von Fig. 1 stetig, jedoch nicht notwendigerweise linear, von seiner von der ersten Magnetspule erzeugten Intensität auf die geringere Intensität, wie sie von der zweiten Magnetspule erzeugt wird, abfällt, wie in Fig. 2 bei 31 dargestellt ist. Das Verhältnis des Magnetfeldes an der Stelle 26 zu demjenigen an der Stelle 30 in Fig. 2 wird von dem Grad der geforderten Verringerung der Stromdichte in dem verbrauchten Elektronenstrahl bestimmt. Da der mittlere Strahlradius umgekehrt proportional zu dem lokalen Magnetfeld ist, wird die Abschwächung des Strahles näherungsweise durch den Faktor (B^/Bg) gegeben, wobei B™ und EL· die Werte der Magnetfelder im Bereich der Röhre 10 (EL,) und des Stabilisierungsbereiches 12 (B_g) bezeichnen. Da die Stromdichte I-, des Röhrenbereiches von der Röhrenkonstruktion her bekannt ist und die Stromdichte I_ am

2 Eingang in den Kollektor nicht den Wert von etwa 10 A/cm überschreiten sollte, ergibt sich die folgende Beziehung:

^BS \ ¹C

Ein Polstück 32 von kleinerem Durchmesser als das Polstück 29 kann vor dem Polstück 29 angeordnet werden, um eine stetige schrittweise Änderung des Magnetfeldes bis auf dessen Stabilisierungswert zu erzielen. Dieser glatte und stoßfreie Übergang ist in Fig. 2 mit 33 bezeichnet.

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Im Kollektorbereich 13 sind alle den Elektronenstrahl bildenden Elektronen gesammelt. Wie in Fig. 2 bei 38 gezeigt, existiert in diesem Bereich,mit Ausnahme eines mit 39 bezeichneten Restbetrages hinter der Stelle 40, an der ein abrupter Abfall des Magnetfeldes erfolgt, kein Magnetfeld. Die Kollektorvorrichtung des Kollektorbereiches 13 kann zum Auffangen gekrümmte Platten 34, 35, 36 und enthalten. Fachleuten auf dem in Frage kommenden Gebiet ist jedoch klar, daß auch andere geeignete bekannte Kollektortypen, beispielsweise solche Kollektoren, wie sie für Mikrowellenelektronenröhren verwendet werden, eingesetzt werden können. Die Kollektoren sind an einen von einer Gleichspannungsquelle 42 versorgten Spannungsteil 41 angeschlossen, um eine in Richtung des Elektronenstrahles von der Elektronenquelle fort zunehmend negative Spannung an jeden der Kollektoren 34 bis 37 anzulegen. Die positive Seite der Gleichspannungsquelle 42 ist bei 43 geerdet, ebenso wie die Polstücke 25, 28, 29 und 32. Die Bezugszeichen 44 bis 49 kennzeichnen einige der Elektronenbahnen, denen die Elektronen auf ihrem Weg zu den Kollektorplatten folgen.

Gemäß Fig. 1 stellen L die Entfernung zwischen den gestrichelten vertikalen Linien 15 und 16, bzw. L_? die Entfernung zwischen den gestrichelten vertikalen Linien l6 und 17, jeweils die Länge de Refokussierbereiches und des Stabilisierungsbetfeiches dar. Nach der Erfindung hat L, eine Länge von etwa 1 Zyklotron-Wellenlänge bis zu etwa 3 Zyklotron-Wellenlängen, während Lp eine Länge von etwa 1/2 Zyklotron-Wellenlängen bis zu etwa 1 Zyklotron-Wellenlängen aufweist. Eine Zyklotron-Wellenlänge ist definiert

J C₊, U _ ρ

als λ , = 2 π g=~ _t wobei u, — und B die mittlere Elektronen-

m
geschwindigkeit, das Verhältnis von Elektronenladung zu Masse

von 1,76 χ 10¹¹ coul/kg und das örtliche Magnetfeld B be-

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zeichnen. PUr Fachleute auf dem Gebiet der Elektronenstrahldynamik in Mikrowellenverstärkern ist klar, daß die optimalen Längen L, und L„ exakt nur durch komplexe Berechnungen bestimmt werden können, wenn man die Quergeschwindigkeit beim Eintritt in den Kollektor minimisieren will. Die Erfindung liefert jedoch die Größe der erforderlichen Felder, die Größenordnung geeigneter Längen L-, und Lp sowie das Verfahren zur Formung der Refokussierfeider.

Selbstverständlich können anstelle der in Fig. 1 beschriebenen Magnetspulen auch Permanentmagnete eingesetzt werden;

Wird eine mit Permanentmagneten arbeitende Röhre zum Fokussieren im Einwirkungsbereich verwandt, um das Gewicht und den Energieverbrauch zu minimisieren, dann wird man vorzugsweise ebenfalls die Magnete für den Stabilisierungsbereich als Permanentmagnete ausbilden. In diesem Fall kann ein einziger Permanentmagnet so ausgebildet sein, daß er das erforderliche Profil für die refokussierenden Felder durch geeignete Platzierung von Polstücken 25, 29 und 28 und geeignete Formgebung des Magneten selbst erzeugt.

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Claims

Ansprüche

1./Verfahren zur Minimisierung der Querkomponenten der Geschwindigkeit in einem verbrauchten Elektronenstrahl, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte:

Expandieren des Elektronenstrahles auf einer Axialstrecke von etwa einer Zyklotron-Wellenlänge bis etwa drei Zyklotron-Wellenlängen;

Stabilisieren des Elektronenstrahles auf eine Axialentfernung von etwa einer halben Zyklotron-Wellenlänge bis einer Zyklotron-Wellenlänge; und

Sammeln des Elektronenstrahles.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man den Elektronenstrahl einem schrittweise abgeschwächten magnetischen Feld aussetzt, das sich bis auf eine Stabilisierungsintensität verringert, daß das abgeschwächte magnetische Feld in axialer Richtung eine Länge von etwa einer Zyklotron-Wellenlänge bis etwa drei Zyklotron-Wellenlängen aufweist, daß man den Elektronenstrahl über eine Axiallänge von etwa einer halben Zyklotron-Wellenlänge bis zu einer ganzen Zyklotron-Wellenlänge der Stabilisierungsintensität aussetzt, wonach das Magnetfeld zu Null wird, und daß schließlich die den Elektronenstrahl bildenden Elektronen hinter der Stelle, an der die Stabilisierungsintensität auf Null absinkt, gesammelt werden.

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3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stabilisierungsintensität 1/4 bis 1/10 der Intensität des ersten magnetischen Feldes beträgt.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch zum Zwecke der Fokussierung eines Elektronenstrahles, dadurch gekennzeichnet, daß Einrichtungen (11) zur radialen Expandierung des Elektronenstrahles auf einer Axiallänge von etwa einer Zyklotron-Wellenlänge bis zu etwa drei Zyklotron-Wellenlängen vorgesehen sind, daß dahinter Einrichtungen (12) zur Verhinderung der Expansion des Elektronenstrahles für eine Axiallänge von etwa einer halben Zyklotron-Wellenlänge bis einer Zyklotron-Wellenlänge angeordnet sind, und daß hinter diesen eine den Elektronenstrahl formende Kollektorvorrichtung für die Elektronen angeordnet ist, wobei jede der genannten Einrichtungen in der Reihenfolge ihrer Aufzählung von der Elektronenquelle aus positioniert ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (11) zur radialen Hxpandierung in Richtung des ElektronenstrahlVerlaufes hinter einer Einrichtung (10), die dem Elektronenstrahl Energie entzieht, angeordnet ist und aus einer magnetischen Fokussiervorrichtung besteht, daß hinter der Fokussiervorrichtung eine Stabilisiervorriehtung angeordnet ist, die ein konstantes Magnetfeld geringerer Intensität als die erste Einrichtung (lo) erzeugt, daß die Felder der ersten Einrichtung (10) und der Stabilisiereinrichtung (12) zur Erzeugung eines in Elektronenstrahl richtung graduell abgeschwächten Refokussierfeldes ineinander übergehen, und daß hinter der Stabilisiervorrichtung (12) die Kollektorvorrichtung (13) angeordnet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die erste magnetische Einrichtung (10) und die Stabilisier-

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vorrichtung (12) aus Magnetspulen bestehen.

7· Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Stabilisiervorrichtung (12) ein vorderes Polstück (29) mit einem entgegen der Elektronenstrahlrichtung nach vorne weisenden ringförmigen Stufenbereich von kleinerem Durchmesser als das Polstück versehen ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß die erste magnetische Einrichtung (10) und die Stabilisiervorrichtung (12) als Permanentmagnete ausgebildet sind.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kollektorvorrichtung (13) als zusammengedrückter Kollektor (depressed type) aμsgebildet ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder den folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Stabilisiervorrichtung (12) an ihrer in Richtung des Elektronenstrahls rückwärtigen Fläche eine magnetische Hilfseinrichtung (28) zur Erzeugung eines stetigen graduellen Überganges aufweist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder den folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Stabilisiervorriehtung (12) ein Magnetfeld mit einer Stärke von 1/10 bis 1/4 des von der ersten magnetischen Einrichtung (10) erzeugten Feldes erzeugt .

12. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder den folgenden, dadurch gekennzei chnet, daß eine Vorrichtung (28) zur abrupten Be-

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grenzung des von der Stabilisiervorrichtung (12) in der Elektronenstrahlrichtung oberhalb der Kollektorvorrichtung (19) erzeugten Feldes vorgesehen sind.

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