DE3211971C2

DE3211971C2 -

Info

Publication number: DE3211971C2
Application number: DE19823211971
Authority: DE
Inventors: Norman James Wenham Mass. Us Taylor
Original assignee: Varian Associates Inc
Current assignee: Varian Medical Systems Inc
Priority date: 1981-04-06
Filing date: 1982-03-31
Publication date: 1990-12-20
Also published as: JPH0656738B2; DE3211971A1; FR2503451B1; FR2503451A1; GB2096392B; CA1175144A; JPS57165938A; GB2096392A

Description

Die Erfindung geht aus von einer Mikrowellen-Elektronen röhre nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, wie sie aus der Zeitschrift "IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. MTT-25, Nr. 6 (1977), S. 514-521" bekannt ist.The invention is based on a microwave electron tube according to the preamble of claim 1, as made the journal "IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. MTT-25, No. 6 (1977), pp. 514-521 "is known.

Als neuzeitliches Beispiel für solche Röhren sei das Gyrotron genannt. Hier werden gewöhnlich Hohlraumresonatoren verwendet, die in einem Modus höherer Ordnung ar beiten, z. B. einem Modus mit einem kreisrunden elektrischen Feld.The gyrotron is a modern example of such tubes. This is where cavity resonators are usually made used that ar in a higher order mode work, e.g. B. a mode with a circular electrical Field.

Bis jetzt werden Gyrotronröhren gewöhnlich mit einem Strahl- Wechselwirkungshohlraum versehen, der so ausgebildet ist, daß er eine elektromagnetische Welle in einem TE_om1-Modus unterstützt. Hierbei ergibt sich das Problem, daß es vor kommt, daß dieser Modus zufällig in andere Modi übergeht, die ebenfalls in dem Hohlraum unterstützt werden können. Eine Umwandlung in Modi mit nicht kreisrundem Feld ist auf eine etwaige Abweichung der Kreise von der Kreissymmetrie zurückzuführen. Daher ist es bis jetzt allgemein üblich, dem Ausgangshohlleiter eine zylindrische Form zu geben, ihn gleichachsig mit dem Wechselwirkungshohlraum anzuordnen und ihn so auszubilden, daß eine Fortpflanzung des TE_om-Modus erfolgt. Der hohle Elektronenstrahl wird dadurch aufgespreizt, daß das axiale magnetische Fokussierfeld mit einem Abschluß versehen wird. Dann wird der Strahl auf der ihn umgebenden Wand des Hohlleiters gesammelt, während sich die Welle wei ter durch ein dielektrisches Ausgangsfenster hindurch fort pflanzt.Until now, gyrotron tubes have usually been provided with a beam interaction _cavity that is designed to support an electromagnetic wave in a TE _om1 mode. The problem that arises here is that this mode happens to pass into other modes that can also be supported in the cavity. A conversion to modes with a non-circular field is due to a possible deviation of the circles from the circular symmetry. Therefore, it has been common until now to give the output waveguide a cylindrical shape, to arrange it coaxially with the interaction cavity, and to form it so that the TE _om mode is propagated. The hollow electron beam is spread out in that the axial magnetic focusing field is provided with a termination. Then the beam is collected on the surrounding wall of the waveguide as the wave continues to propagate through a dielectric exit window.

Ein Hauptnachteil dieser bekannten Anordnung besteht darin, daß die Größe und damit auch die Fähigkeit des Kollektors, Energie zu vernichten, durch den Durchmesser des Hohlleiters eingeschränkt wird.A major disadvantage of this known arrangement is that that the size and hence the ability of the collector Destroy energy by the diameter of the waveguide is restricted.

Dies kann dadurch verbessert werden, daß man den Durch messer des Hohlleiters vergrößert. Wird dieser Durchmesser dann z. B. vor dem Ausgangsfenster verkleinert, können einige der Modi höherer Ordnung, die an dem sich verjüngenden Unstetig keiten erzeugt werden, eingefangen werden und in Resonanz tre ten. Wird bei dem sich erweiternden Abschnitt kein ausreichen der Verlust vorgesehen, können sich die Amplituden bis auf einen solchen Wert aufbauen, daß der Betrieb der Röhre dadurch unterbrochen wird, daß eine Reflexion zu dem Hohlraum bei Modi stattfindet, die geeignet sind, eine Übertragung zu dem Hohl raum zu bewirken. Dies führt zu sprunghaften Veränderungen des Ausgangssignals und zu häufigen Frequenzsprüngen zu konkur rierenden Modi.This can be improved by making the through Knife of the waveguide enlarged. This diameter then z. B. reduced in front of the exit window, some the higher order modes that are discontinuous on the tapered generated, captured and resonant Ten will not be enough with the expanding section provided the loss, the amplitudes can vary up to build up such a value that the operation of the tube thereby interrupted that reflection to the cavity in modes takes place, which are suitable for transmission to the hollow space to effect. This leads to sudden changes in the Output signal and too frequent frequency jumps too short modes.

Bei der Konstruktion mancher Gyrotrone zeigt es sich, daß das Magnetfeld nicht mehr die Fähigkeit hat, den Strahl über die ganze Länge eines langgestreckten Kollektors zu steuern. In diesem Fall ist es erforderlich, den Durchmesser des Kollektors weiter zu vergrößern, damit sich eine ausreichende Fläche für die Vernichtung der Strahlenergie ergibt. Dies bedeutet, daß man entweder größere Unstetigkeiten oder übermäßig lange sich erweiternde Abschnitte vorsehen muß.The design of some gyrotrons shows that this Magnetic field no longer has the ability to cross the beam to control the entire length of an elongated collector. In In this case it is necessary to measure the diameter of the collector to enlarge further so that there is sufficient space for the destruction of the radiation energy results. This means that you either have major discontinuities or are excessively long must provide expanding sections.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Röhre nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 dahingehend weiterzuentwickeln, daß sie eine höhere Leistung liefern kann, indem Störschwingungen in einem geringeren Ausmaß auftreten. Diese Aufgabe wird mit der Röhre nach dem Anspruch 1 gelöst.The invention has for its object the tube to further develop according to the preamble of claim 1, that they deliver higher performance can occur to a lesser extent by spurious vibrations. This object is achieved with the tube according to claim 1.

Danach ist der Ausgangswellenleiter mit einem Querspalt versehen, durch den hindurch der verbrauch te Elektronenstrahl von dem Hohlleiter aus nach außen in einen ihm umgebenden größeren Hohlraum gerichtet wird, auf dessen Wänden er gesammelt wird. Die in den Kollektorhohlraum hinein entweichende Wellenenergie wird gemäß der Ausgestaltung nach Anspruch 2 von einer Last aufge nommen, die innerhalb des evakuierten Kollektorkolbens oder außerhalb desselben angeordnet sein kann. Weitere Ausge staltungen der Elektronenröhre sind in den übrigen Unter ansprüchen angegeben.Then the output waveguide is with provide a transverse gap through which the consumption electron beam from the waveguide to the outside in is directed towards a larger cavity surrounding it the walls of which it is collected. The in the collector cavity wave energy escaping into it is applied by a load in accordance with the embodiment according to claim 2 taken within the evacuated collector flask or can be arranged outside the same. Further Ausge events of the electron tube are in the remaining sub claims specified.

Im folgenden wird die Erfindung anhand schematischer Zeich nungen von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigtIn the following the invention with reference to schematic drawing Solutions of exemplary embodiments explained in more detail. It shows

Fig. 1 einen Axialschnitt enes Gyrotronoszillators bekann ter Art; Fig. 1 an axial section of a gyrotron oscillator known ter type;

Fig. 2 einen Axialschnitt des Ausgangsteils einer anderen Aus führungsform eines Gyrotrons bekannter Art; Figure 2 is an axial section of the output part from another imple mentation form of a gyrotron known type.

Fig. 3 einen Axialschnitt des Ausgangsteils eines Gyrotrons; und Fig. 3 is an axial section of the output portion of a gyrotron; and

Fig. 4 einen Axialschnitt des Kollektorteils einer Weiter bildung eines Gyrotrons. Fig. 4 is an axial section of the collector part of a further education of a gyrotron.

In Fig. 1 ist ein Gyrotronoszillator bekannter Art in Form eines Monotrons dargestellt. Bei dem Gyrotron handelt es sich um eine Mikrowellenröhre, bei der ein Strahl, der aus Elek tronen besteht, welche schraubenlinienförmige Bewegungen in einem axialen Magnetfeld parallel zu ihrer Driftrichtung aus führen, in Wechselwirkung mit den querliegenden elektrischen Feldern eines Wellenunterstützungskreises tritt. Bei für den praktischen Gebrauch geeigneten Röhren befindet sich das elektrische Feld in einem Modus mit einem kreisrunden elek trischen Feld. Bei einem Gyro-Klystron wird der Wellenunter stützungskreis durch einen resonanzfähigen Hohlraum gebildet, bei dem eine Resonanz gewöhnlich nach einem TE_om1-Modus auf tritt.In Fig. 1, a Gyrotronoszillator known type is shown a Monotrons in shape. The gyrotron is a microwave tube in which a beam consisting of electrons, which lead to helical movements in an axial magnetic field parallel to their direction of drift, interacts with the transverse electric fields of a wave support circuit. In tubes suitable for practical use, the electric field is in a mode with a circular electric field. In a gyro klystron, the wave support circuit is formed by a resonant cavity in which resonance usually occurs after a TE _om1 mode.

Bei dem Gyromonotron nach Fig. 1 wird eine thermionische Kathode 20 durch eine Stirnwand 22 des evakuierten Röhrenkol bens unterstützt. Die Stirnwand 22 ist mit einer Beschleuni gungsanode 24 aus Metall mit abdichtender Wirkung durch ein isolierendes Kolbenteil 26 verbunden. Die Anode 24 ist ihrer seits mit dem Hauptkörper 28 der Röhre durch ein zweites iso lierendes Bauteil 30 mit abdichtender Wirkung verbunden. Wäh rend des Betriebs wird die Kathode 20 durch eine Spannungs quelle 32 auf einem gegenüber der Anode 24 negativen Poten tial gehalten. Die Kathode 20 wird mittels einer nicht darge stellten innenliegenden Heizeinrichtung durch Strahlungswärme beheizt. Von der Kathode 20 werden thermionische Elektronen an ihrer konischen äußeren Emissionsfläche durch das Anzie hungsfeld der gleichachsig damit angeordneten konischen Anode 24 abgezogen. Die gesamte Konstruktion befindet sich in einem axialen Magnetfeld H, das durch einen sie umgebenden, nicht dargestellten Elektromagneten erzeugt wird. Die anfängliche radiale Bewegung der Elektronen wird durch die sich kreuzen den elektrischen und magnetischen Felder in eine Bewegung um gewandelt, die von der Kathode 20 weg gerichtet ist und schrau benlinienförmig um magnetische Feldlinie herum verläuft, so daß ein hohler Strahl 34 entsteht. Die Anode 24 wird durch eine zweite Spannungsquelle 36 auf einem gegenüber dem Röhren körper 28 negativen Potential gehalten, wodurch eine weitere axiale Beschleunigung des Strahls 34 herbeigeführt wird. In dem Bereich zwischen der Kathode 20 und dem Röhrenkörper 28 wird die Stärke des Magnetfeldes H erheblich vergrößert, so daß der Strahl 34 auf einen kleineren Durchmesser kompri miert wird und außerdem seine Rotationsenergie auf Kosten der axialen Energie vergrößert. Bei der Rotationsenergie handelt es sich um denjenigen Teil der Energie, welcher bei der nutz baren Wechselwirkung mit Wellenfeldern eine Rolle spielt. Die axiale Energie bewirkt lediglich, daß der Strahl durch den Wechselwirkungsbereich hindurch transportiert wird.In the gyromonotron of FIG. 1, a thermionic cathode 20 is supported by an end wall 22 of the evacuated tube piston. The end wall 22 is connected to an acceleration anode 24 made of metal with a sealing effect by an insulating piston part 26 . The anode 24 is in turn connected to the main body 28 of the tube by a second insulating component 30 with a sealing effect. During operation, the cathode 20 is held by a voltage source 32 on a relative to the anode 24 negative potential. The cathode 20 is heated by radiant heat by means of an internal heater, not shown. Thermionic electrons are drawn off from the cathode 20 on their conical outer emission surface by the attraction field of the conical anode 24 arranged coaxially therewith. The entire construction is located in an axial magnetic field H, which is generated by an electromagnet surrounding it, not shown. The initial radial movement of the electrons is converted by the crossing of the electric and magnetic fields into a movement which is directed away from the cathode 20 and which extends in a helical manner around the magnetic field line, so that a hollow beam 34 is formed. The anode 24 is held by a second voltage source 36 at a negative potential compared to the tube body 28 , whereby a further axial acceleration of the beam 34 is brought about. In the area between the cathode 20 and the tube body 28 , the strength of the magnetic field H is increased considerably, so that the beam 34 is compressed to a smaller diameter and also increases its rotational energy at the expense of the axial energy. The rotational energy is the part of the energy that plays a role in the usable interaction with wave fields. The axial energy only causes the beam to be transported through the interaction area.

Der Strahl 34 durchläuft eine Laufzeitröhre oder Öffnung 38, um dann in den Wechselwirkungshohlraum 60 einzutreten, der bei der Betriebsfrequenz in einem TE_om1-Modus in Resonanz tritt. Die Stärke des Magnetfeldes H wird so eingestellt, daß die Cyclotronfrequenz-Drehbewegung der Elektronen annähernd mit der Hohlraumresonanz synchron ist. Dann können die Elek tronen Rotationsenergie an das kreisrunde elektrische Feld abgeben und eine anhaltende Schwingung hervorrufen.The beam 34 passes through a drift tube or opening 38, and then enters into the interaction cavity 60, which occurs at the operating frequency in a TE mode in _om1 resonance. The strength of the magnetic field H is adjusted so that the cyclotron frequency rotation of the electrons is approximately synchronous with the cavity resonance. Then the electrons can emit rotational energy to the circular electric field and cause a sustained vibration.

Am Ausgangsende der Hohlraums 40 kann sich die Innenwand des Röhrenkörpers 28 verjüngen, d. h. ihr Durchmesser kann sich so verkleinern, daß eine Blende 42 vorhanden ist, welche so bemessen ist, daß sie das richtige Ausmaß an Kopplung von Energie aus dem Hohlraum 40 heraus liefert. Bei Röhren von sehr hoher Leistung kann man eine solche sich verengende Blende fortlassen, d. h. das Ende des Hohlraums kann vollständig offen sein, damit eine maximale Kopplungswirkung hervorgerufen wird. In jedem Fall dient ein sich erweiternder Abschnitt 44 dazu, die Ausgangsenergie in einen Hohlleiter 46 von gleichmäßi ger Querschnittsform einzukoppeln, der einen größeren Durch messer hat als der resonanzfähige Hohlraum 40, damit sich eine Wanderwelle fortpflanzt. Nahe dem Ausgang des Hohlraums 40 wird das Magnetfeld H abgeschwächt. Daher vergrößert sich der Durchmesser des Strahls 34 unter dem Einfluß der sich auf spreizenden Magnetfeldlinien und seiner eigenen, eine Selbst abstoßung bewirkenden Raumladung. Danach wird der Strahl 34 auf der Innenwand des Hohlleiters 46 gesammelt, der gleich zeitig als Strahlkollektor zur Wirkung kommt. Quer zu dem Hohlleiter 46 erstreckt sich ein isolierendes Fenster 48, das z. B. aus einem keramischen Aluminiumoxidmaterial besteht und gegenüber dem Hohlleiter abgedichtet ist, um den evaku ierten Röhrenkolben abzuschließen.At the exit end of the cavity 40 , the inner wall of the tube body 28 may taper, ie its diameter may decrease so that there is an aperture 42 which is dimensioned to provide the correct amount of coupling of energy out of the cavity 40 . In the case of tubes of very high power, such a narrowing diaphragm can be omitted, ie the end of the cavity can be completely open, so that a maximum coupling effect is brought about. In any case, an expanding section 44 serves to couple the output energy into a waveguide 46 of uniform cross-sectional shape, which has a larger diameter than the resonant cavity 40 , so that a traveling wave propagates. The magnetic field H is weakened near the exit of the cavity 40 . Therefore, the diameter of the beam 34 increases under the influence of the spreading magnetic field lines and its own self-repelling space charge. Thereafter, the beam 34 is collected on the inner wall of the waveguide 46 , which acts simultaneously as a beam collector. Extending across the waveguide 46 is an insulating window 48 which, for. B. consists of a ceramic aluminum oxide material and is sealed against the waveguide to complete the evacuated tube bulb.

Da der Strahlkollektor gleichzeitig den Ausgangshohl leiter 46 bildet, wird sein Durchmesser durch die Abmessungen be schränkt, die für die Fortpflanzung erforderlich sind, wenn die Röhre nach dem TE_om-Modus arbeiten soll. Daher wird auch die Fähigkeit zur Vernichtung von Energie eingeschränkt. Wenn man TE_om-Gyrotrone frequenzmäßig hochsetzt, zeigt es sich, daß die Steuerung des Elektronenstrahls in dem Kollektor unzureichend wird und daß es daher schwierig wird, achssymmetrische Felder zu be nutzen, um den Strahl über einen Kollektor von größerer Länge auszu breiten.Since the beam collector forms the output hollow conductor 46 at the same time, its diameter is limited by the dimensions that are required for the propagation if the tube is to work according to the TE _om mode. Therefore, the ability to destroy energy is limited. If one increases the frequency of TE _om gyrotrons, it becomes apparent that the control of the electron beam in the collector becomes insufficient and that it is therefore difficult to use axially symmetric fields to spread the beam over a collector of greater length.

Fig. 2 zeigt den Ausgangsteil eines weiteren Gyrotrons bekann ter Art. In diesem Fall ist der Hohlraum 40′ durch einen koni schen Abschnitt 44′ mit einem Kollektorabschnitt 50 gekoppelt, der einen erheblich größeren Durchmesser hat als der Ausgangs hohlleiter 46′. Ein zweiter konischer Abschnitt 52 bewirkt, daß sich der Durchmesser in Richtung von dem Kollektor 50 zu dem Hohlleiter 46′ allmählich verkleinert. Die Welle durch läuft den Hohlleiter 46′ und ein elektrisch isolierendes Fenster 48′, um zu der Nutzlast zu gelangen. Die Anordnung nach Fig. 2 bewirkt eine Verringerung der Leistungsvernich tungsdichte, da der Kollektor 50 einen größeren Durchmesser hat als der entsprechend einem Hohlleiter bemessene Kollek tor nach Fig. 1. Jedoch können die konischen Abschnitte selbst zu einer Veränderung des Modus führen, wobei gewöhnlich ein Übergang von einem Modus mit einer Kreissymmetrie zu einem anderen Modus mit der gleichen Symmetrie stattfindet. Da der Strahlkollektor 50 gleichzeitig den Ausgangshohlleiter bil det, wird sein Durchmesser durch die zulässige Länge der koni schen Abschnitte beschränkt, die zu dem Hohlleiter führen bzw. sich daran anschließen, welche erforderlich ist, um das Ausmaß der Modusumwandlung gering zu halten. Außerdem kann der Abschnitt des vergrößerten Hohlleiters, der durch den Kollektor 50 gebildet wird, Modi von höherer Ordnung unter halten, die jenseits der Grenzfrequenz des Hohlleiters 46′ liegen, so daß diese Modi nicht aus dem erweiterten Abschnitt entweichen können. Daher ist der Q-Wert dieses Abschnitts sehr hoch, und die störenden Modi können sich bis zu Amplituden von gefähr licher Größe aufbauen. Diese führen infolge einer Umwandlung zu hohlraumunterstützten Modi sowie einer Reflexion in Rich tung auf den Hohlraum zu einer Störung der Wechselwirkung, einem Leistungsverlust und häufig zu Frequenzsprüngen zu einem konkurierenden Modus. Aus diesem Grunde wird normalerweise dafür gesorgt, daß in dem sich erweiternden Kollektor ein Verlust auftritt, um die Amplitude der eingeschlossenen Reso nanzen zu begrenzen. Zu diesem Zweck kann man einen kleinen Spalt vorsehen, der so bemessen ist, daß der Verlust bei den gewünschten Fortpflanzungsmodi gering ist, während störende Modi nach außen fortgepflanzt und auf der Außenseite der Röhre absorbiert werden. Fig. 2 shows the output part of another gyrotron known ter Art. In this case, the cavity 40 ' is coupled by a conical section 44' with a collector section 50 , which has a considerably larger diameter than the output waveguide 46 ' . A second conical section 52 causes the diameter to gradually decrease in the direction from the collector 50 to the waveguide 46 ' . The wave runs through the waveguide 46 ' and an electrically insulating window 48' to arrive at the payload. The arrangement according to FIG. 2 causes a reduction in the power density since the collector 50 has a larger diameter than the collector dimensioned according to a waveguide according to FIG. 1. However, the conical sections themselves can lead to a change in the mode, usually a Transition from one mode with circular symmetry to another mode with the same symmetry takes place. Since the beam collector 50 simultaneously detects the output waveguide, its diameter is limited by the permissible length of the conical sections leading to or connecting to the waveguide, which is required in order to keep the extent of the mode conversion low. In addition, the portion of the enlarged waveguide, which is formed by the collector 50 , maintain higher order modes that are beyond the cutoff frequency of the waveguide 46 ' , so that these modes cannot escape from the expanded section. Therefore, the Q value of this section is very high and the disturbing modes can build up to amplitudes of dangerous size. As a result of a conversion to cavity-assisted modes and a reflection in the direction of the cavity, these lead to a disruption of the interaction, a loss of power and frequently frequency hops to a competing mode. For this reason, it is usually ensured that a loss occurs in the expanding collector in order to limit the amplitude of the enclosed resonances. For this purpose, a small gap can be provided which is dimensioned such that the loss in the desired propagation modes is small, while disturbing modes are propagated outwards and absorbed on the outside of the tube.

Fig. 3 zeigt in einem Axialschnitt das Ausgangsende einer Ausführungsform einer Gyrotronröhre nach dem Anspruch 1. Hier bei ist der Resonanzhohlraum 40′′ durch einen sich verjüngen den Abschnitt 44′′ mit einem Hohlleiter 46′′ verbunden, dessen Durchmesser nur wenig größer ist als der Durchmesser des Hohl raums 40′′, jedoch genügend groß, um eine Wanderwelle aufzu nehmen. Bei diesem kleiner bemessenen konischen Abschnitt be steht eine geringere Neigung zur Umwandlung des Modus als bei dem in Fig. 2 dargestellten, größer bemessenen konischen Ab schnitt bekannter Art. Fig. 3 shows in an axial section the output end of an embodiment of a gyrotron tube according to claim 1. Here, the resonance cavity 40 '' by a tapered section 44 '' connected to a waveguide 46 '' , the diameter of which is only slightly larger than the diameter of the cavity 40 '' , but large enough to take a traveling wave. In this smaller sized conical section there is less tendency to convert the mode than in the larger sized conical section shown in Fig. 2 from known type.

Der Hohlleiter 46′′ setzt sich durch ein Fenster 48′′ zur Nutzlast fort. Gemäß Fig. 3 ist der Hohlleiter 46′′ in dem Bereich, in dem sich der Strahl 34′′ aufspreizt, durch einen Spalt 56 unterbrochen. Das Magnetfeld bildet ein solches Muster, daß der Strahl 34′′ den Spalt 56 durchläuft, ohne auf den Hohlleiter 46′′ aufzutreffen. Der Strahl 34′′ spreizt sich weiter auf und wird auf der Innenfläche 57 der erweiter ten Kollektorkammer 58 gesammelt. Die Kollektorfläche wird durch zirkulierendes Wasser 54′′ oder ein anderes Fluid ge kühlt. In den Endabschnitten des Kollektors 58, die von dem Strahl 34′′ durch einen Abstand getrennt sind, sind Ringe 60 aus einem Wellenenergie absorbierenden dielektrischen Material angeordnet, z. B. Berylliumoxidkeramik, die Teilchen aus Silizium karbid enthält, ein Material, das mit sehr hohem Verlust behaftet ist.The waveguide 46 '' continues through a window 48 '' to the payload. Referring to FIG. 3, the waveguide 46 '' in the area where the beam 34 in the 'spreads', interrupted by a gap 56. The magnetic field forms such a pattern that the beam 34 '' passes through the gap 56 without hitting the waveguide 46 '' . The beam 34 '' spreads further and is collected on the inner surface 57 of the expanded th collector chamber 58 . The collector surface is cooled by circulating water 54 '' or another fluid. In the end portions of the collector 58 , which are separated from the beam 34 '' by a distance, rings 60 made of a wave energy absorbing dielectric material are arranged, for. B. beryllium oxide ceramic, which contains particles of silicon carbide, a material which is associated with very high loss.

Jeder Ring 60 kann durch Hartlöten mit der wassergekühlten Wand des Kollektorhohlraums 58 verbunden sein, um eine Kühlung durch Wärmeleitung zu bewirken, oder er kann so aufgehängt sein, daß er sich erwärmen und die von ihm absorbierte Energie abstrahlen kann. Um den Verlust weiter zu vergrößern, kann man bestimmte Innenwände des Kollektors 58 mit einem Metall von hohem Widerstand beschichten. Diese ver lustbehafteten Elemente absorbieren jede Mikrowellenstrahlung, die in den Kollektor 58 durch den Spalt 56 des Hohlleiters eintritt, wodurch verhindert wird, daß sich Resonanzen von großer Amplitude aufbauen.Each ring 60 may be brazed to the water-cooled wall of the collector cavity 58 to effect thermal conduction cooling, or it may be suspended so that it can heat up and radiate the energy it absorbs. To further increase the loss, certain interior walls of collector 58 can be coated with a high resistance metal. These ver lusty elements absorb any microwave radiation that enters the collector 58 through the gap 56 of the waveguide, thereby preventing resonances of large amplitude build up.

Die Menge der Wellenenergie, die aus dem Hohlleiter 46′′ zu dem Kollektor 58 entweicht, ist eine abnehmende Funktion des Durchmessers des Hohlleiters 46′′ und eine zunehmende Funk tion der Länge des Spaltes 56, wobei diese beiden Größen in Wellenlängen im freien Raum gemessen werden. Sowohl theoreti sche Berechnungen als auch versuchsmäßige Messungen haben ge zeigt, daß es bei einer Röhre für den praktischen Betrieb mög lich ist, den Energieverlust in annehmbaren Grenzen zu halten. Beispielsweise zeigen Messungen an einem Hohlleiter mit einem Durchmesser von etwa 125 mm, daß man einen Spalt mit einer Länge von etwa 165 mm vorsehen könnte, wobei ein Verlust von weniger als 4% bei 120 GHz beim TE_o2-Fortpflanzungs modus auftritt, bzw. daß man einen Spalt mit einer Länge von etwa 300 mm vorsehen könnte, bei dem der Verlust weniger als 10% beträgt. Diese Spalte könnten es dem Elektronenstrahl er möglichen, zu einem Kollektor zu gelangen, dessen Durchmesser ausreicht, um eine genügende Energievernichtung zu bewirken.The amount of wave energy that escapes from the waveguide 46 '' to the collector 58 is a decreasing function of the diameter of the waveguide 46 '' and an increasing function of the length of the gap 56 , these two quantities being measured in wavelengths in free space will. Both theoretical calculations and experimental measurements have shown that it is possible for a tube for practical operation to keep the energy loss within acceptable limits. For example, measurements on a waveguide with a diameter of about 125 mm show that a gap with a length of about 165 mm could be provided, with a loss of less than 4% at 120 GHz in the TE _o2 propagation mode, or that a gap of about 300 mm in length could be provided, in which the loss is less than 10%. This gap could enable the electron beam to reach a collector whose diameter is sufficient to cause sufficient energy dissipation.

Fig. 4 zeigt in einem Axialschnitt das Ausgangsende einer etwas abgeänderten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Gyrotrons. In diesem Fall wird die Wellenabsorptionsfunktion in dem Kollektorhohlraum 58′′′ dadurch erreicht, daß an einem Ende oder an jedem Ende ein isolierendes Wellenfortpflanzungs fenster 62 angeordnet ist. Das bzw. jedes Fenster 62 besteht vorzugsweise aus einem verlustarmen Material, z. B. einem kera mischen Material mit hohem Aluminiumoxidgehalt. Auf den Außen seiten der Fenster 62 sind Wasserlastabschnitte 64 angeordnet, die ein verlustbehaftetes dielektrisches Fluid 66, z. B. Wasser, enthalten, das durch Zu- und Abführungsleitungen 68 zirkuliert. Die unerwünschte Wellenenergie wird von der Fluidmasse 66 di rekt absorbiert, so daß sich die auf die Konvektion von Wärme zurückzuführenden Schwierigkeiten erheblich verringern. Alter nativ kann der Hohlraum 58′′′ über die Fenster 62 hinaus ver längert werden, so daß sie luftgefüllte Hohlleiter bilden, die durch Hohlleiterlasten beliebiger bekannter Art abge schlossen werden können. Fig. 4 shows in an axial section the output end of a slightly modified embodiment of a gyrotron according to the invention. In this case, the wave absorption function in the collector cavity 58 ''' is achieved in that at one end or at each end an insulating wave propagation window 62 is arranged. The or each window 62 is preferably made of a low loss material, e.g. B. a Kera mix material with high alumina content. On the outer sides of the window 62 , water load sections 64 are arranged which contain a lossy dielectric fluid 66 , for. B. water, which circulates through supply and discharge lines 68 . The unwanted wave energy is directly absorbed by the fluid mass 66 di, so that the difficulties attributable to the convection of heat are considerably reduced. Alter native, the cavity 58 ''' can be lengthened ver beyond the window 62 so that they form air-filled waveguides, which can be closed by waveguide loads of any known type.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 4 kann sich der Ausgangs hohlleiter 46′′′ ähnlich wie bei der Ausführungsform nach Fig. 3 auf einen größeren Durchmesser 50′′′ er weitern, wobei der Unterschied gegenüber der Anordnung nach Fig. 4 darin besteht, daß die Innenfläche 50′′′ nicht die Strahlenergie zu beseitigen braucht, die von der sogar noch größeren Fläche 57′′′ des Kollektorhohlraums 58′′′ aufgenommen werden muß.In the embodiment of Fig. 4, the output may waveguide 46 '''similar to the embodiment of FIG. 3 on a larger diameter 50''' it farther, the difference from the arrangement of FIG. 4 is that the inner surface 50 ''' does not need to eliminate the radiation energy which must be absorbed by the even larger surface 57''' of the collector cavity 58 ''' .

Claims

1. Microwave electron tube with a cathode ( 20 ) and an anode ( 24 ) for generating a hollow electron beam ( 34 ''; 34 ''' ), an interaction cavity ( 40 ) for maintaining an electromagnetic wave which is in interaction with the electron beam ( 34 ''; 34 ''' ) is a circular waveguide ( 46'';46''' ) in the same axis arrangement with the electron beam ( 34 ''; 34 ''' ) to transmit energy from the shaft an external load in a mode with circular electrical fields and with an electron collector ( 58, 58 ''' ), characterized by a transverse gap ( 56; 56''' ) with which the waveguide ( 46 ''; 46 '') ' ) Is provided and which is passed through by the electron beam ( 34'';34''' ) to the outside, and in that the gap ( 56; 56 ''' ) from the hollow electron collector ( 58; 58''' ) is surrounded.

2. Electron tube according to claim 1, characterized by a wave absorption device ( 60 ) for the electromagnetic waves which pass through the gap ( 56; 56 ''' ).

3. Electron tube according to claim 1, characterized in that the collector ( 58; 58 ''' ) has the shape of a coaxial with the hollow conductor ( 46'';46''' ).

4. Electron tube according to claim 2, characterized in that the collector ( 58; 58 ''' ) and the Wellenabsorptionsein direction ( 60 ) have the shape of with the waveguide ( 46'';46''' ) coaxially rotating figures.

5. Electron tube according to claim 2, characterized in that the wave absorption device ( 60 ) includes an at least on a part of the inner surface of the collector ( 58 ) angeord designated layer of resistive material.

6. Electron tube according to claim 2, characterized in that it is in the wave absorption device ( 60 ) is a lossy dielectric material ( 66 ).

7. Electron tube according to claim 6, characterized in that the dielectric material ( 66 ) is arranged in the collector ( 58 ).

8. Electron tube according to claim 1, characterized by a permeable dielectric window ( 62 ) which forms part of an evacuated enclosure of the collector ( 58; 58 ''' ).

9. Electron tube according to claim 6, characterized by a window ( 62 ) for mechanically supporting the lossy dielectric material ( 66 ).

10. Electron tube according to claim 9, characterized in that the lossy dielectric material ( 66 ) is water.

11. Electron tube according to claim 1, characterized by a device for generating a coaxial with the electron beam magnetic field for directing the electron beam ( 34 ''; 34 ''' ).

12. Electron tube according to claim 11, characterized by a directions ( 54 ''; 54 ''' ) for reducing the strength of the magnetic field in the vicinity of the gap ( 56; 56''' ) such that the electron beam ( 34 ''; 34 ''' ) is directed so that the gap ( 56; 56''' ) passes through to the outside.