DE3038405C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung ist auf eine Vorrichtung zum Erzeugen von elektromagnetischen Wellen in einem Frequenzbereich zwischen 10 und 1000 MHz gerichtet.

Es sind bereits verschiedene Arten von Vorrichtungen bekannt, die HF-Leistungen mit Wellenlängen zwischen ungefähr 10 und 200 cm erzeugen. Derartige Vorrichtungen verwenden lineare Elektronenstrahlen und können in drei Grundbauarten unterteilt werden. Bei der ersten Bauart sind Vorrichtungen vorgesehen, welche eine longitudinale Kompression oder Bündelung des Elektronenstrahls bewirken. Die zweite Bauart verwendet Vorrichtungen, welche die HF-Ablenkung eines Elektronenstrahls verwenden, und die dritte Bauart umfaßt schließlich Vorrich­ tungen, welche ein Gitter benutzen, um die Dichte eines Elektronenstrahls zu verändern.

Vorrichtungen der ersten Bauart, wie beispielsweise die Klystrone und die Wanderfeldröhren verwenden die Strahl­ geschwindigkeitsmodulation. Die Gesamtlänge der Vorrichtung muß dabei proportional zur erzeugten Wellenlänge sein, was zur Folge hat, daß diese Vorrichtungen recht lang und kompliziert für Wellenlängen größer als 100 cm sind. Ferner ist das Maxi­ malverhältnis aus der erzeugten HF-Leistung zur Verbrauchten Gleichstromleistung bei derartigen Vorrichtungen annähernd 0,7. Der Fachmann erkennt, daß ein höheres Verhältnis für große Hochleistungs-HF-Systeme zweckmäßig ist.

Die Vorrichtung der zweiten Bauart, d. h. diejenigen, welche die HF-Ablenkung des Elektronenstrahls verwenden, wie bei­ spielsweise das Gyrotron, liefern höhere Gleichstrom/HF-Um­ wandlungswirkungsgrade in der Größenordnung von 0,8. Diese Vorrichtungen sind jedoch im 100 bis 200 cm-Bereich sehr groß, schwer und kompliziert.

Die Vorrichtungen der dritten Bauart, d. h. diejenigen, welche ein Gitter zur Veränderung der Dichte eines Elektronenstrahls verwenden, wie beispielsweise die Trioden- und Tetroden-Git­ terelektronenröhren, liefern nur eine begrenzte Leistung aus einzelnen derartigen Vorrichtungen. Der Gleichstrom/HF-Umwand­ lungsgesamtwirkungsgrad ist niedriger als für die ersten beiden Bauarten und liegt bestenfalls bei 0,65.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine alternative Vorrichtung zum Erzeugen von elektromagnetischen Welle in einem Frequenzbereich zwischen 10 und 1000 MHz für hohe Leistungen (Größenordnung 300 kW) mit hohem Wirkungsgrad zu entwickeln, wobei Vorrichtungselemente des in der US-PS 34 03 257 gezeigten Demodulators verwendet werden.

Diese Aufgabe wird mit dem Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. Ausgestaltungen der Er­ findung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist insbesondere zur Erzeu­ gung großer HF-Leistungen im Bereich von 10 bis 200 cm Wellen­ länge geeignet, wobei sich ein preisgünstiger und kompakter Aufbau ergibt.

Infolge der bei größeren Wellenlängen sehr guten Bündelung werden elektronische Wirkungsgrade von oberhalb 90% erreicht. Der Gesamtwirkungsgrad hängt vom Wirkungsgrad des Lasers ab und kann zwischen 80% und 90% bei gut ausgelegten Vorrich­ tungen betragen.

Im folgenden ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert. In der Zeich­ nung zeigt

Fig. 1 das Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 2 eine grafische Darstellung der durch die Lichtquelle des Ausführungsbeispiels erzeugten Licht­ impulse;

Fig. 3 die Beziehung zwischen dem Elektronenstrom und der HF-Ausgangsgröße des Ausfüh­ rungsbeispiels der Fig. 1.

Es sei auf das in Fig. 1 gezeigte bevorzugte Ausfüh­ rungsbeispiel Bezug genommen, wo eine Lichtquelle 10 darge­ stellt ist, die einen Laser 12, Spiegel 16 und 18 und eine Modeverriegelungsvorrichtung 14 umfaßt.

Der Laser 12 emittiert Licht in Impulsen, und zwar bestimmt durch eine Modeverriegelungsvorrichtung 14, die beispielswei­ se ein elektrooptischer oder akustooptischer Modulator oder aber eine passive Farbstoffzelle sein kann. Die Modeverriege­ lungsvorrichtung 14 unterdrückt die Vielzahl der optischen Mo­ den, die zwischen den Spiegeln existieren können, wodurch der Energiegehalt der dominanten Mode vergrößert wird. Dies bildet einen Lichtimpuls, der sich zwischen den Spiegeln 16 und 18 rückwärts und vorwärts bewegt. Der Spiegel 16 ist teilweise durchlässig, um zu gestatten, daß ein Teil jedes Lichtimpulses die Quelle 10 als brauchbarer Lichtstrahl verläßt.

Die Quelle 10 erzeugt einen Lichtstrahl 20, der durch einen Frequenzschieber 22 frequenzmäßig geändert werden kann, wie bei­ spielsweise einen Ammonium-Dihydrogen-Phosphat-Kristall (ADP- Kristall). Der Strahl 20, der durch einen Frequenzschieber 22 laufen oder auch nicht laufen kann, läuft sodann durch ein Fenster 24, wie beispielsweise ein Quarzfenster in einer Vorrichtung 26, die eine Umgebung reduzierten Drucks vorsieht, wie bei­ spielsweise eine Vakuumkammer.

Die Fotoakathode und der Elektrodenstrahl müssen in einem Vaku­ um von weniger als 1,0 × 10^-6 torr sein. Die Vakuumkammer 26 sollte Metall aufweisen, um die Mikrowellen- und Röntgen-Strah­ lung in unerwünschte Richtungen zu eliminieren. Nach dem Durch­ gang durch das Fenster 24 trifft der Strahl 20 auf die Oberflä­ che 27 eines Teils aus fotoemittierendem Material (Fotokathode) 28 auf. In­ folgedessen erzeugt das fotoemittierende Material 28 einen Elek­ tronenstrahl 30 mit einer Impulsbreite und Frequenz entsprechend der Impulsbreite und Frequenz des Lichtstrahls 20.

Fig. 2 zeigt die Breite "A" von Lichtimpulsen, die zu Zeitinter­ vallen "B" emittiert werden. Die Impulsbreiten des Elektronen­ strahls 30 sind die gleichen wie diejenigen des Lichtstrahls 20 und besitzen auch Impulsbreiten "A", wie dies in Fig. 3 gezeigt ist. Das Intervall zwischen den Elektronenstrahlimpulsen ist in gleicher Weise in Fig. 3 als Intervall "B" bezeichnet. Die Elek­ tronen im Strahl 30, emittiert von der Oberfläche 27, werden durch einen HF-Resonator 32 beschleunigt, der einen Hohlraum und einen Spalt vorsehende Kanten 34 und 36 besitzt. Dies geschieht durch eine hohe Spannung, vorgesehen zwischen Resonator 32 und fotoemittierendem Material (Fotokathode) 28, und zwar geliefert von einer Lei­ stungsversorgung 38 über elektrische Verbindungsleitungen 40 und 42, die durch die Wand der Vakuumkammer 26 mittels elektrisch isolierter Durchführungen 44 und 46 verlaufen. Die Resonanzfrequenz des Resonators 32 ist die gleiche oder ist eine Harmonische der gepulsten Frequenz des Lichtstrahls 20. Die Beschleunigung des Elektronenstrahls 30 durch die Leistungsversorgung 38 erhöht dessen an den Resonator 32 abgegebene Energie. Der Resonator 32 kann beispielsweise ein Mikrowellenresonator sein, wie er in Klystrons verwen­ det wird. Der Resonator 32 absorbiert die kinetische Energie von den sich schnell bewegenden Elektronen durch Erzeugung von HF-Schwingungen innerhalb des Resonators 32. Die verbrauchten Elektronen mit ihrer verbleibenden Energie treten aus dem Re­ sonator 32 aus und werden von einem Elektronenkollektor 48 aufge­ fangen. Ihre verbleibende Energie wird als Wärme vom Kollektor 48 verteilt. Eine zusätzliche Leistungsversorgung 50 kann über Leiter 52 und 54 am Kollektor 48 und Resonator 32 liegen, um zu verhindern, daß Sekundärelektronen vom Kollektor 48 zum Re­ sonator 32 zurückkehren. Ein Leiter 54 verläuft durch eine isolierte Durchführung 56 in die Vakuumkammer hinein, wobei Leiter 52 die Durchführung 46 mit dem Leiter 42 teilt.

Die HF-Leistung wird aus dem Resonator 32 durch die Wechsel­ wirkung der HF-Felder innerhalb des Resonators selbst mit ei­ ner Kopplungs-Schleife (Koppelvorrichtung) 58 entfernt und wird durch eine isolierte elektrische Durchführung 60 herausgeführt. Die Elek­ tronen erzeugen eine elektromagnetische Strahlung (Welle) im Hohlraum, wenn sie durch das Hohlraumfeld verlangsamt werden. Das Magnet­ feld im Hohlraum verläuft primär in azimutaler Richtung und die Kopplungsschleife 58 ist senkrecht zum Magnetfeld orientiert, um die Hohlraumenergie zu einer externen HF-Last auszukoppeln.

Die Lichtquelle 10 kann entweder innerhalb oder außerhalb des Vakuums an­ geordnet sein. Letzteres ist im bevorzugten Ausführungsbeispiel dargestellt. Der Frequenzschieber 22 kann innerhalb der Vakuumkammer 26 selbst dann angeordnet sein, wenn die Lichtquelle 10 außerhalb angeordnet ist.

Fig. 2 zeigt die Intensität des Lichtstrahls als eine Funktion der Zeit und zeigt die Impulse im "ein"-Zustand für eine Zeit "A" für jedes Zeitintervall "B". Der Elektronenstrahl 30 hat im wesentlichen die gleiche Struktur, d. h. die gleiche Intensität bezüglich der Zeit wie der Lichtstrahl 20.

Die Spannung "V" am Spalt zwischen den Punkten 34 und 36 am Resonator 32 kann als Sinuswelle gezeigt in Fig. 3 mit einer Periode "C" dargestellt werden. Die Elektronen im Strahl 30, die den Resonator 32 anregen und die Spannung "V" induzieren, sind in Fig. 3 als den Spalt an den Kanten 34 und 36 durchlaufend dargestellt, und zwar während der Zeitperiode "A" und in der fundamentalen oder Grundmode wiederum nach dem Zeitinter­ vall "B", welches gleich der HF-Periode "C" ist.

Die Laseranordnung oder eine andere Form einer Lichtquelle 10 ist derart abgestimmt, daß ihre Lichtimpulse 20 Elektronenim­ pulse 30 mit der Resonanzfrequenz des Resonators 32 erzeugen. Das Zeitintervall "B" zwischen Impulsen wird bestimmt durch den Abstand zwischen den Spiegeln 16 und 18. Die Impulsbreite "A" wird bestimmt durch die Eigenschaften des Lasers 12 und der Mo­ deverriegelungsvorrichtung 14. Es ist zweckmäßig, eine Elektro­ nenimpulsbreite "A" mit einem kleinen Bruchteil, weniger als ungefähr 15% der HF-Periode "C" vorzusehen. Das Zeitintervall zwischen den Impulsen "B" muß ein ganzes Viel­ faches von "C" sein, welches bestimmt wird durch das Volumen des Resonators 32. Der Abstand zwischen den Spiegeln 16 und 18 oder das Volumen des Resonators 32 muß eingestellt sein, um "B" ein ganzes Vielfaches von "C" zu machen, und sie beide können derart miteinander eingestellt werden, daß die Ausgangshochfre­ quenz auf Leitung 60 verändert wird.

Die obere Grenze der Ausgangsfrequenz des dargestellten lichtmodulierten HF- Emitters (Vorrichtung zum Erzeugen elektromagnetischer Wellen) wird bestimmt dadurch, wie dicht man die Spiegel 16 und 18 körperlich zueinander anordnen kann. Der derzeitige Stand der Technik erfordert einen Spiegelabstand in der Größenordnung von 15 cm, was eine Grund-HF-Ausgangsgröße von 1000 MHz ergibt. Hö­ here Frequenzen können dadurch erreicht werden, daß man das Vo­ lumen des Resonators 32 reduziert, so daß dessen neue Grund- oder Fundamentalfrequenz ein ganzer Bruchteil des Elektronenimpuls­ intervalls "B" ist. Die untere Grenze der Ausgangsgröße dieses Emitters wird bestimmt durch die physikalische Größenbeschrän­ kung und liegt im Bereich von einigen 10 MHz. Andere Emitter­ typen werden bei niedrigeren Frequenzen konkurrenzfähig, was in der Praxis eine untere Frequenzgrenze von 80 bis 100 MHz bedeutet.

Bei der Durchführung der Erfindung im bevorzugten Ausführungs­ beispiel hat die Lichtquelle vorzugsweise eine Frequenz im Ultraviolettbereich des Lichtspektrums und beleuchtet eine me­ tallische fotoemittierende Oberfläche 27, die eine niedrige Austrittsarbeit besitzt. Materialien mit einer niedrigen Aus­ trittsarbeit benötigen weniger optische Energie zur Lieferung jedes Elektrons. Somit sind Materialien mit niedriger Austritts­ arbeit für die fotoemittierende Oberfläche 27 zweckmäßig. Der­ artige emittierende Oberflächen werden aus Metallen der Reihen I und II erhalten, wie beispielsweise aus Li, Ma, Mg, K, Ca, Rb, Sr, Cs und Ba und deren Legierungen sowie Verbindungen.

Eine beispielhafte Vorrichtung ist ein Deodymium-Yag Laser, der 1,17 eV Lichtphotonen liefert, und zwar eingeschaltet für an­ nähernd 50 Picosekunden durch die Modeverriegelung. Dies erzeugt einen Strahl, der 1,5 cm lange Pakete "A" aufweist. Die Spiegel 16 und 18 sind mit 30 cm Abstand voneinander angeordnet und be­ wirken, daß die Pakete mit 60 cm Abstand angeordnet werden, wo­ bei die Pakete um 2 Nanosekunden getrennt sind. Der Strahl 20 läuft durch einen Frequenz-Vervierfacher 22, der die Photonen­ energie auf 4,68 eV erhöht und die Impulslänge von 50 Picosekun­ den auf ungefähr 15 Picosekunden verkürzt. Ein Quarzfenster 24 ist in der Vakuumkammer 26 vorgesehen und gestattet das Auftreffen des Strahls 20 auf eine reine Magnesiumoberfläche 27, die durch Was­ ser gekühlt ist, welches innerhalb der Wände ihrer Tragvorrich­ tung zirkuliert. Da Magnesium eine fotoelektrische Schwelle von annähernd 3,7 eV besitzt, werden Elektronen aus der Oberfläche in Impulsen emittiert, die im wesentlichen die gleichen sind wie das auf die Oberfläche auftretende Licht. Eine 100 kV, 3 Ampere Leistungsversorgung 38 beschleunigt die Fotoelektro­ nen zum Resonator 32 hin. Beim Durchlaufen eines 1,5 cm Spalts zwischen den Kanten 34 und 36 im Resonator 32 induzieren die Elektronen ein HF-Feld. Da die Elektronen den Spalt alle 2 Nano­ sekunden durchlaufen, ist der Resonator 32 auf Resonanz bei 500 MHz abgestimmt. Die Elektronen werden durch die HF-Span­ nung am Spalt 34 und 36 verzögert und treten aus dem Resonator 32 mit nur einigen wenigen Kilovolt an Energie aus und treffen auf den Elektronenkollektor 48 auf, der elektrisch mit einer Erde 50 kurzgeschlossen ist. In dieser Vorrichtung ist das fotoemittie­ rende Material 28 die einzige auf einer hohen Spannung liegende Komponente. Die HF-Leistung wird aus dem Resonator 32 durch eine Kopplungsschleife 58 und eine koaxiale Übertragungsleitung 60 ent­ fernt. Der Druck innerhalb der Umhüllung 26 wird auf weniger als 10^-6 torr gehalten, weil Sauerstoff normalerweise für foto­ emittierende Oberflächen schädlich ist.

Claims (11)

1. Vorrichtung zum Erzeugen von elektromagnetischen Wellen in einem Frequenzbereich zwischen 10 und 1000 MHz mit den folgenden Merkmalen:
eine gepulste Lichtquelle (10) sendet als Lichtstrahl (20) periodisch Lichtimpulse aus,
eine Photokathode (28) empfängt die Lichtimpulse und sendet einen gleichartig gepulsten Elektronenstrahl (30) aus,
der Elektronenstrahl (30) wird beschleunigt und durchquert einen Resonator (32), wo seine Energie in Energie einer elektromagnetischen Welle umgewandelt wird,
die Periode (B) der Lichtimpulse der Lichtquelle (10) ist gleich einem Vielfachen der Resonanzperiode des Resonators (32),
die Breite (A) der Lichtimpulse ist kleiner als 15% der Resonanzperiode des Resonators (32),
eine Koppelvorrichtung (58) dient zum Auskoppeln der elektromagnetischen Welle, und
die Photokathode (28), der Elektronenstrahl (30) und der Resonator (32) sind in einem Vakuum von weniger als 10^-6 Torr angeordnet.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Vakuum ein Kollektor (48) angeordnet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Kollektor (48) eine Spannung angelegt ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (10) ein Laser ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Modenverriegelungsvorrichtung (14) für den Laser zur Bildung der Impulse vorgesehen ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Modenverriegelungsvorrichtung (14) einen elektrooptischen Modulator aufweist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Modenverriegelungsvorrichtung (14) einen akustooptischen Modulator aufweist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Modenverriegelungsvorrichtung (14) eine passive Farbstoffzelle aufweist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch Einstellvorrichtungen für die Periode der Lichtimpulse oder für das Volumen des Resonators (32).

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (10) außerhalb des Vakuums angeordnet ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle innerhalb des Vakuums angeordnet ist.