DE3315689A1 - Mikrowellen-diode - Google Patents

Description

R 5879

Mikrowellen - Diode

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung von Mikrowellen und insbesondere auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung von kohärenten Mikrowellen mit einer neuen
Klasse einer Mikrowellen-Vorrichtung, die durch einen Fluß von Elektronen oder anderen geladenen Teilchen betrieben wird, und zwar unter Ausnutzung der Wechselwirkung der elektromagnetischen Wellen mit dem Elektronenfluß in Dioden bei dem NichtVorhandensein eines externen magnetischen Feldes.

Mikrowellen liegen in einem Bereich des elektromagnetischen Spektrums, der durch Radiowellen auf der Seite längerer Wellen und durch Infrarotwellen auf der Seite kürzerer

Wellen begrenzt ist. Obwohl es keine scharfen Grenzen zwischen diesen Bereichen gibt, so wird oftmals davon ausgegangen, daß Mikrowellenfrequenzen im Bereich zwischen

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10 Hz und 3x10 Hz besitzen oder aber Mikrowellen haben in äquivalenter Ausdrucksweise freie Raumwellenlängen im Bereich zwischen ungefähr 1 mm und 30 cm. Mikrowellen werden für zahlreiche Zwecke verwendet. Einige dieser Zwecke sind die folgenden: Gepulste Strahlungsquellen für Radarverfolgung; Trägerwellen in Relaisverbindungen für die Mehrkanal-Übertragung bei Telefon-, Telegrafen- und Fernseh-Signalen; Mikrowellenspektroskopie zur Untersuchung der Struktur zahlloser Moleküle und Kristalle; Atomuhren verwenden Mikrowellenresonanz-Wechselwirkungen entweder in Cesium-Atomen oder Ammoniuminolekülen; Verwendung in Festkörpermasern, die praktisch rauschlose Verstärker sein können; in der Radio-Astronomie; beim Kochen von Nahrungsmitteln und für Hochenergie-Linearbeschleuniger und ähnliche Vorrichtungen.

Eine niedrige Leistung aufweisende Mehrfachfrequenz-Mikrowellen können einfach als thermische Strahlung von Wärmekörpern erzeugt werden, oder als direkte inkohärente Strahlung von elektrischen Funken, die an Hochspannungs-Zündspalten auftreten. Für die modernen Anwendungsfälle sind jedoch sämtliche modernen Mikrowellen-Generatoren elektronische Vorrichtungen, die frequenz-abstimmbare, eine kontinuierliche Welle aufweisende Oszillationen (CW-Oszillationen) erzeugen. Zu diesen Vorrichtungen gehören Magnetrone, Klystrone und Laufwellen-Röhren. Ein Magnetron arbeitet in der Weise, daß durch eine Kathode erzeugte Elektronen unter Einwirkung der kombinierten Kraft eines radialen elektrischen Feldes und eines externen axialen magnetischen Feldes laufen, wobei diese Elektronen synchron mit den Laufwellenkomponenten eines

stehenden Mikrowellen-Musters derart in Wechselwirkung geraten, daß die Elektronen-Potential-Energie in Mikrowellen-Energie umgewandelt wird. Relativistische Elektronenstrahlglattbohrungs- und konventionelle Magnetrone werden in der folgenden Literaturstelle diskutiert: Orzechowski und Bekefi in Phys. Fluids Z2_r 978 (1979) und Palevsky und Bekefi in Phys. Fluids 22^ 986 (1979) U.S.PS 4,200,821 beschreibt eine relativistische Elektronenstrahl-Kreuzfeld-Magnetronvorrichtung. Ein Nachteil des Magnetrons besteht darin, daß es bei Verwendung zur Erzeugung kohärenter Mikrowellen mit hoher Intensität einen sehr großen externen Magneten erfordert, der zu dessen größerem Gewicht einen großen Beitrag liefert.

Ein Klystron arbeitet in der Weise, daß ein geschwindigkeits-modulierter zusammengefaßter Elektronenstrahl durch einen Ausgangs-Hohlraum läuft und seine Wechselstrom-Energie darauf überträgt, und zwar für die darauffolgende Kopplung in eine Mikrowellen-Übertragungsleitung. Ein externes Magnetfeld parallel zur Elektronenstrahl-Achse hält den Strahl zusammen, wobei die elektrostatische Abstoßung zwischen Elektronen überwunden wird, die ansonsten das schnelle Ausbreiten des Strahls bewirken würde. Eine Laufwellen-Röhre arbeitet als ein Verstärker dadurch, daß man einen über die Röhrenlänge hinweg durch Fokussiermittel wie beispielsweise ein externes longitudinal festgelegtes Magnetfeld zurückgehaltenen Elektronenstrahl kontinuierlich zur Wechselwirkung bringt "und über einen merklichen Abstand hinweg mit Mikrowellen, die sich längs eines Langsam-Wellenkreises fortpflanzen. Mikrowellen-Energie kann auch üblicherweise durch verschiedene aktive Festkörper-Mikrowellen-Vorrichtungen erzeugt werden.

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Zudem können Mikrowellen durch einige weniger bekannte Vorrichtungen erzeugt we'rden, wie beispielsweise das Femitron, das in der folgenden Literaturstelle von Charbonnier et al. beschrieben ist: "Basic and Applied Studies of Field Emission at Microwave Frequencies" in Proceedings of the IEEE₇ 5_1_, 991-1004, JuIi 1963. Das in vielen Hinsichten dem Klystron ähnelnde Femitron arbeitet durch Ausnutzung der starken Nichtlinearität der Feldemissions-Kennlinie einer Kaltkathode, angeordnet im Spalt eines Hohlraum-Resonators, um eine direkte longitudinale Bündelung des feld-emittierten Elektronenstrahls zu erreichen. Das Femitron verwendet Mehrfach-Nadelkathoden zur Emission von Elektronen, entsprechend dem Fowler-Nordheim'sehen Feldemissionsgesetz. Die Elektronen-Emission ist keine Raumladungs begrenzte Child-Langmuir-Strömung. Es gibt ferner zahlreiche Varianten der bekannten Mikrowellen-Vorrichtungen. Beispielsweise beschreibt U.S. PS 2 513 933 eine neue Konstruktion von Kathoden der Kaltemissions-Bauart, die für verschiedene Mikrowellen-Vorrichtungen verwendet werden können, insbesondere denjenigen der Magnetron-Klasse.

Es gibt somit derzeit zahlreiche unterschiedliche Klassen elektronischer Vorrichtungen, die in der Lage sind, Mikrowellen mit verschiedenen Leistungspegeln und Wirkungsgraden zu erzeugen. Im Hinblick jedoch auf die Wichtigkeit und die extreme Unterschiedlichkeit der Mikrowellen-Technologie verbleibt ein ständiges Bedürfnis für innovative und strukturell einfache neue Klassen von Vorrichtungen zur Erzeugung kohärenter Mikrowellen. Es wäre von Vorteil, wenn diese neuen Vorrichtungsklassen durch Elektronenströmung oder andere geladene Teilchenströmungen betrieben werden könnten.

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Zusammenfassung der Erfindung. Ein Ziel der Erfindung besteht darin, eine neue Vorrichtungsklasse anzugeben, die in der Lage ist, kohärente Mikrowellen zu erzeugen, und zwar durch die Wechselwirkung elektromagnetischer Wellen mit der Elektronenströmung oder dem Elektronenfluß in Dioden.

Weiterhin bezweckt die Erfindung eine durch Elektronenfluß oder andere geladene Teilchenströmung betriebene Vorrichtungsklasse anzugeben, um so kohärente Mikrowellen zu erzeugen.

Ferner bezweckt die Erfindung eine Vorrichtungsklasse anzugeben, die kohärente Mikrowellen mit hoher Leistung erzeugt, und zwar durch die Wechselwirkung elektromagnetischer Wellen mit der Elektronenströmung in kleinen, leichten Dioden, wobei kein externes Magnetfeld erforderlich ist.

Weitere Vorteile, Ziele und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen sowie den Ansprüchen.

Zur Erreichung der erwähnten Ziele kann das Verfahren sowie die Vorrichtung zur Erzeugung kohärenter Mikrowellen-Strahlung folgendes aufweisen: Vorsehen einer Anode mit einer Anodenoberfläche und einer gesonderten Kathode mit einer Kathodenoberfläche, wobei die beiden Oberflächen Strukturen aufweisen, die in der Lage sind, eine Vielzahl von Mikrowellen-Moden zu tragen, und zwar einschließlich einer Resonanzfrequenz-Mikrowellen-Mode. Ein elektrisches Gleichspannungsfeld wird überlagert, und zwar über eine Zeitspanne hinweg von mindestens einer Periode der Resonanzfrequenz-Mikrowellen-Mode, und zwar innerhalb des durch die Mikrowellen-Moden be setzten Raumvolumens. Das

elektrische Feld stimuliert einen Elektronenstrahl derart, daß er einen beschleunigten Fluß von der Kathodenoberfläche in das Raumvolumen erfährt. Die kollektive Bewegung des beschleunigten Elektronenstrahls gerat in Wechselwirkung mit der Resonanzfrequenz-Mikrowellen-Mode durch fundamentale Änderung des Musters, durch Erzeugung elektromagnetischer Felder, durch longitudinale und transversale räumliche Bündelung des Elektronenstrahls und durch Pumpen der Resonanzfrequenz-Mikrowellen-Mode. Die Resonanzfrequenz-Mikrowellen-Strahlung wird aus der Vorrichtung herausgekoppelt. In einigen Ausführungsbeispielen der Erfindung kann der Strahl einen Strahl aus thermionisch oder feldemittierten Elektronen aufweisen, und zwar stimuliert durch das elektrische Gleichspannungsfeld, um von der Kathodenoberfläche zu fließen. In einigen Ausführungsbeispielen der Erfindung kann das elektrische Gleichspannungsfeld dadurch aufgebaut werden, daß man die Anode positiv auflädt, und zwar bezüglich der Kathode mit einer Marx-Gruppen-Spannungsquelle. Zudem kann bei einigen Ausführungsbeispielen der Erfindung das elektrische Gleichspannungsfeld dadurch aufgebaut werden, daß man die Anode oder die Kathode lädt, und zwar im wesentlichen durch Einbetten eines geladenen Teilchenstrahls in die eine oder die andere.

Bei einigen Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung kohärenter Mikrowellen-Strahlung irt es bevorzugt, daß die Kathode den Mittelleiter einer Koaxialleitung aufweist und daß die Anode den Außenleiter der Koaxialleitung aufweist, wobei die Kathodenoberfläche mindestens einen Teil der Außenoberfläche des Mittelleiters aufweist, und wobei die Anodenoberfläche mindestens einen Teil der Innenoberfläche des Außenleiters aufweist.

Bei einigen Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung kohärenter Mikrowellen-Strahlung ist es bevorzugt, daß die Kathode und Anode zwei Scheiben aufweisen, wobei die Kathodenoberfläche Teil einer ebenen Oberfläche der ersten Scheibe umfaßt, während die Anodenoberfläche Teil einer ebenen Oberfläche der anderen Scheibe umfaßt, und wobei die beiden Scheiben gegenüber mit koinzidenten Achsen angeordnet sind, und wobei ferner die zwei als Kathode und Anode wirkenden Oberflächen aufeinanderzuweisen.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung kann das Verfahren sowie die Vorrichtung zur Erzeugung kohärenter Mikrowellen-Strahlung eine hohle Metalldose oder ein Gehäuse mit einer Innengehäusekammer aufweisen und es kann ferner eine scheibenförmige Platte derart innerhalb der Dose angeordnet sein, daß von jeder Stelle auf der Platte der kürzeste Abstand zur Innenoberfläche der Dose annähernd konstant ist. Die Platten- und Innen-Oberflache der Dose weisen eine Struktur auf, die in der Lage ist, geometrisch eine Vielzahl von Mikrowellen-Moden zu stützen, und zwar insbesondere einschließlich einer Resonanzfrequenz-Mikrowellen-Mode. Eine große Spannungsdifferenz wird zwischen der Platte und der Dose aufgebaut, und zwar durch substantielles Einbetten eines geladenen Teilchenstrahls in der Platte. Diese Spannung Prägt ein elektrisches Gleichspannungsfeld auf, und zwar über eine Zeit von mindestens einer Periode der Resonanzfrequenz-Mikrowellen-Mode, und zwar innerhalb des durch die Mikrowellen-Moden besetzten Raumvolumens. Das elektrische Feld stimuliert einen Strahl aus Elektronen, um einen beschleunigten Fluß in das Raumvolumen von der Platte oder Dose zu erfahren, abhängig davon, welches Bauteil negativ

geladen ist. Die kollektive Bewegung des beschleunigten Elektronenstrahls kommt in Wechselwirkung mit der Resonanzfrequenz-Mikrowellen-Mode durch fundamentale Änderung des Musters, durch Erzeugung elektromagnetischer Felder, durch longitudinale und transversale räumliche Bündelung des Elektronenstrahls und durch Pumpen der Resonanzfrequenz-Mikrowellen-Mode. Die Resonanzfrequenz-Mikrowellen-Strahlung wird aus der Dose herausgekoppelt.

Die günstigen Auswirkungen und Vorteile der vorliegenden Erfindung, die eine neue Vorrichtungsklasse bildet, zeigen sich durch den Betrieb mit einer Elektronenströmung oder einer anderen geladenen Teilchenströmung zur Erzeugung einer kohärenten Mikrowellenstrahlung durch die Wechselwirkung des Elektronenflußes mit elektromagnetischen Wellen in kleinen und leichtgewichtigen Dioden, wobei kein externes Magnetfeld erforderlich ist.

Im folgenden seien kurz die Zeichnungen erläutert, die die Prinzipien der Erfindung veranschaulichen; in der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 eine perspektivische teilweise schematische und teilweise geschnittene Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels einer Diode zur Erzeugung kohärenter Mikrowellen-Strahlung gemäß der Erfindung;

Fig. 2 eine perspektivische teilweise schematische und teilweise geschnittene Ansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Diode zur Erzeugung kohärenter Mikrowellen-Strahlung gemäß der Erfindung;

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Fig. 3 eine perspektivische teilweise schematische und teilweise geschnittene Ansicht eines dritten Ausführungsbeispiels einer Diode zur Erzeugung kohärenter Mikrowellen-Strahlung gemäß der Erfindung.

Es sei nunmehr im einzelnen auf die Zeichnungen Bezug genommen. Bei der Erfindung handelt es sich um eine neue Klasse von Vorrichtungen, und zwar betrieben durch Elektronen oder einen Fluß anderer geladener Teilchen, die kohärente Mikrowellen dadurch erzeugen, daß elektromagnetische Wellen mit dem Elektronenfluß in Dioden in Wechselwirkung kommen. Der Elektronenfluß kann durch Elektronen-Emission oder Injektion hervorgerufen werden. Kein externes Magnetfeld ist erforderlich. Der neuen Vorrichtung wurde der Name "Emitron" gegeben. Die Hauptmerkmale der Diode sind eine Anode mit einer Anodenoberfläche, eine Kathode mit einer Kathodenoberfläche und ein dazwischen vorgesehener Spalt. Offene oder geschlossene Geometrien, die in der Lage sind, Mikrowellen-Moden zu unterstützen und die die Aufrechterhaltung eines elektrischen Gleichspannungsfeldes über einen Teil der Anoden- und Kathodenoberflächen gestatten, sind zulässig. Mit dem Ausdruck "Mode" wird hier eine Form einer natürlichen elektromagnetischen Schwingung (Oszillation) bezeichnet, die durch ein spezielles Feldmuster gekennzeichnet ist. Die Vorrichtung wird durch einen Elektronenfluß oder einen anderen geladenen Teilchenfluß betrieben oder mit Leistung versorgt: Anders ausgedrückt kann die Anode bezüglich der Kathode durch eine konventionelle Spannungsquelle oder durch einen geladenen Teilchenstrom geladen werden. Infolge der Ladung beschleunigt ein sich von der einen Elektrodenoberfläche zur anderen erstreckendes Gleichspan-

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nungsfeld einen Elektronenstrahl. Dieser Strahl kann aus thermionischen oder feld-emittierten Elektronen zusammengesetzt sein, die von der Kathode wegfließen. In einigen Ausführungsbeispielen der Erfindung kann der Strahl jedoch Elektronen von einer anderen geeigneten Quelle aufweisen. Kohärente Mikrowellen werden durch die starke Wechselwirkung des Elektronenstrahls mit einer oder mehreren der Mikrowellen-Moden erzeugt, welch letztere durch die spezielle Geometrie der speziellen Diode zulässig sind. Dieser komplexe Synergismus hat das dreidimensionale räumliche Bündeln des Elektronenstrahls sowohl longitudinal als auch transversal zur Richtung des Elektronenstrahlflußes und das Pumpen einer oder mehrerer dominanter Mikrowellen-Moden zur Folge. D.h. während der Wechselwirkung werden die Amplituden der Mikrowellen-Moden dauernd als eine Funktion von sowohl Position als auch Zeit geändert. Zur gleichen Zeit und infolge davon erfährt der Elektronenstrahl auch eine räumliche und zeitmäßige Evolution, die als Bündeln bezeichnet werden kann. Die Frequenzen der dominanten Moden sind eine Funktion des Elektrodenabstands und der Größe des elektrischen Gleichspannungsfelds. Wenn gewünscht, können diese Frequenzen durch die Anwendung eines kleinen Magnetfeldes senkrecht zum elektrischen Gleichspannungsfeld verschoben oder unterdrückt (quench) werfen. Wenn der Betrieb in dieser Weise erfolgt, so kann die Erfindung bei Schaltungen eingesetzt werden, wo Rückkopplungsschleifen zur Frequenzabstimmung und/oder zum logischen Steuern vorhanden sind. Die Erfindung vereinfacht die Mikrowellen-Röhrenkonstruktion sehr stark, weil die Diode nicht das große externe Magnetfeld der Magnetron-Röhre erfordert und auch nicht die zusätzlichen Elektroden von Trioden-oder Tetroden-Röhren. Die Erfindung ist ein unerwartetes Ergebnis von Berechnungen, ausgeführt unter Verwendung des MASK-Computer-Codes des Lawrence Livermore National Labo-

ratory. Der MASK-Code ist ein 2-1/2 dimensionaler elektromagnetischer, relativistscher Teilchen-in-Zelle-Code, der zur zuverlässigen Nachbildung konventioneller Elektronen- und Ionenstrahl-Dioden verwendet wurde.

Es sei nunmehr auf die Fig. 1 Bezug genommen, wo das erste Ausführungsbeispiel einer elektronischen Diode gezeigt ist, die kohärente Mikrowellen-Strahlung erfindungsgemäß erzeugt. Die eine glatte Bohrung aufweisende Koaxial-Diode weist einen Mittelleiter 10 auf, der eine Kathode bildet und ein Außenleiter 12 bildet eine Anode. Eine Kathodenoberfläche 14 weist mindestens Teil der Außenoberfläche des Mittelleiters 10 auf und eine Anodenoberfläche 16 weist mindestens Teil der Innenoberfläche des Außenleiters 12 auf. Die Elektronen-Emissionscharakteristik einer Oberfläche kann durch Oberflächenbehandlung modifiziert werden, beispielsweise durch Riffeln, um die Elektronen-Emission von einem Teil der Oberfläche zu lokalisieren. Mittelleiter 10 und Außenleiter 12 bilden eine Koaxialleitung. Die Kathodenoberfläche 14 kann einen Radius von 1,86 cm besitzen, und die Anodenoberfläche 16 kann einen Radius von 2,20 cm aufweisen. Die erste Endplatte 18 und die zweite Endplatte 20 sind an den Enden des Außenleiters 12 befestigt und bilden luftdichte Abdichtungen damit. Der Mittelleiter 10 ist innerhalb des Außenleiters 12 mittels Isolationsstützen 22 und 24 befestigt, die schematisch dargestellt sind. Man erkennt jedoch, daß die Erfindung in keiner Weise auf die spezielle Tragstruktur begrenzt ist und daß der Mittelleiter 10 innerhalb des Außenleiters durch irgendwelche anderen geeigneten Mittel befestigt sein kann. Die Anordnung wird mittels einer Vakuumöffnung 26 und Vakuumpumpe 28 evakuiert, wobei letztere schematisch dargestellt ist. Es sei noch bemerkt, daß die Erfindung in keiner Weise auf ein spezielles Vakuumsystem beschränkt

ist, und daß die Anordnung auch durch andere geeignete Mittel evakuiert werden kann. Für optimale Betriebsbedingungen ist es zweckmäßig, frühzeitig den Verlust an Mikrowellen-Strahlung aus der Vorrichtung zu minimieren. Dies kann durch Endplatten 18 und 20 erreicht werden, die das Strahlungsleck verhindern, wobei die Axiallänge des Anodenzu Kathodenspalts größer ist als der Umfang des Mittelleiters 10. Eine Vielzahl von Mikrowellen-Moden, insbesondere einschließlich mindestens einer Resonanzfrequenz-Mikrowellen-Mode können innerhalb des Anoden- zu Kathodenspalts unterhalten sein. Die schematisch dargestellte Hochspannungsquelle 30 liefert die Mittel zur Aufrechterhaltung eines elektrischen Gleichspannungsfeldes zwischen Mittelleiter 10 und Außenleiter 12, und zwar über eine Zeit von mindestens einer Periode der Resonanzfrequenz-Mikrowellen-Mode hinweg. Die Quelle 30 kann eine 350 kV-Quelle mit einer Anstiegszeit von 0,5 ns sein. Vorzugsweise kann die Hochspannungsquelle 30 eine Marx-Gruppen-Spannungsquelle sein. Die Hochspannungsquelle 30 kann auch das positive Laden der Anode bezüglich der Kathode repräsentieren, und zwar durch substantielles Einbetten eines geladenen Teilchenstrahls entweder in der Kathode oder der Anode. Das elektrische Gleichspannungsfeld bewirkt, daß ein Elektronenstrom einen beschleunigten Fluß über den Anoden- zu Kathodenspalt in Radialrichtung erfährt. Der Strom kann auch thermionisch oder feldemittierte Elektronen aufweisen. Zuerst wir d der Elektronenstrom gleichförmig in der azimuthalen Richtung in Übereinstimmung mit dem Child-

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Langmuir V Gesetz für raumladungsbegrenzten Fluß in zylindrischer Geometrie verteilt. Der durch die Hochspannungsquelle 30 angelegte Spannungswert sollte derart sein, daß er die Elektronen zur Überquerung des Anodenzu Kathodenspalts veranlaßt, und zwar in annähernd einer Periode oder einem ganzen Vielfachen davon, und zwar von

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der Resonanzfrequenz-Mikrowellen-Mode, die innerhalb des Anoden-zu Kathodenspalts getragen ist. Später regt der Raumladungsfluß starke Mikrowellen-Oszillationen an und der Raumladungsfluß wird longitudinal und transversal räumlich bezüglich der Elektronenflußrichtung gebündelt. Die Mikrowellenfeld-Energie steigt an und oszilliert kohärent. Somit kommt die kollektive Bewegung der beschleunigten Elektronen in Wechselwirkung mit den zugelassenen Mikrowellen-Moden durch fundamentale Änderung ihres Musters, Erzeugung elektromagnetischer Felder, longitudinale und transversale räumliche Bündelung der Elektronen und Pumpen von mindestens einer dominanten Mikrowellen-Mode. Die dominante Mikrowellen-Moden-Mikrowellen-Strahlung, die in diesem Ausführungsbeispiel einen Wert von 35 GHz besitzen kann, wird aus der Diode herausgekoppelt, und zwar mittels eines Mikrowellen-Horns und einer öffnung 32, was schematisch dargestellt ist. Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß die Erfindung in keiner Weise auf ein spezielles Strahlungskopplungssystem beschränkt ist, und daß die Mikrowellenstrahlung aus der Diode durch irgendwelche geeigneten Mittel herausgekoppelt werden kann.

Es sei nunmehr auf Fig. 2 Bezug genommen, wo ein zweites Ausführungsbeispiel einer elektronischen Diode zur Erzeugung kohärenter Mikrowellen-Strahlung gemäß der Erfindung dargestellt ist. Eine erste Scheibe 40 bildet eine Kathode und eine zweite Scheibe 42 bildet eine Anode. Mit Scheibe wird hier ein dünnes kreisförmiges Objekt bezeichnet. Eine Kathodenoberfläche 44 weist mindestens einen Teil einer ebenen Oberfläche der Scheibe 40 auf und eine Anodenoberfläche 46 weist mindestens Teil einer planaren Oberfläche von Scheibe 42 auf. Es sei bemerkt, daß die Elektronen-Emissionscharakteristik einer Oberfläche durch Oberflächenbehandlung modifiziert werden kann,

beispielsweise durch Riffelung, um so die Elektronen-Emission auf nur einen Teil der Oberfläche zu lokalisieren. Die Scheiben 40 und 42 sind innerhalb des Gehäuses 48 angeordnet. Die Scheibe 40 ist innerhalb des Gehäuses 48 mittels eines ersten Isolierträgers 50 befestigt, und die Scheibe 42 ist innerhalb des Gehäuses 48 mittels eines zweiten Isolierträgers 52 befestigt. Gehäuse 48 und Stützen 50 und 52 sind schematisch dargestellt. Es sei noch bemerkt, daß die Erfindung in keiner Weise auf ein spezielles Gehäuse oder eine spezielle Tragstruktur beschränkt ist, und daß Scheiben 40 und 42 auch durch irgendwelche anderen geeigneten Mittel angeordnet und befestigt sein können. Die Anordnung wird mittels einer Vakuumöffnung 54 und einer schematisch dargestellten Pumpe 56 evakuiert. Es sei jedoch bemerkt, daß die Erfindung in keiner Weise auf irgendein spezielles Vakuumsystem beschränkt ist, und daß die Anordnung auch durch irgendwelche anderen geeigneten Mittel evakuiert werden kann. Scheiben 40 und 42 sind einander gegenüber mit zusammenfallenden Achsen angeordnet und die Kathodenoberfläche 44 und die Anodenoberfläche weisen aufeinander zu. Eine Vielzahl von Mikrowellen-Moden, insbesondere einschließlich mindestens einer Resonanzfrequenz-Mikrowellen-Mode sind innerhalb des Anoden- zu Kathodenspalts aufnehmbar oder stützbar. Um den Verlust an Mikrowellenstrahlung aus der Diode frühzeitig zu minimieren, muß der Radius jeder Scheibe 40 und 42 größer sein als der Abstand des Spalts zwischen den Scheiben. Eine Hochspannungsquelle 58 ist schematisch dargestellt und sieht die Mittel vor, um ein elektrisches Gleichspannungsfeld zwischen der ersten Scheibe 40 und der zweiten Scheibe 42 aufrechtzuerhalten, und zwar über eine Zeit von mindestens einer Periode der Resonanzfrequenz-Mikrowellen-Mode hinweg. Vorzugsweise kann die Hochspannungsquelle 58 eine Marx'sehe Gruppenspannungsquelle sein. Die Hoch-

Spannungsquelle 58 kann auch das positive Laden der Anode bezüglich der Kathode repräsentieren, und zwar durch substantielles Einbetten eines geladenen Teilchenstrahls in entweder der Kathode oder der Anode. Das elektrische Gleichspannungsfeld bewirkt, daß ein Elektronenstrom eine beschleunigte Strömung über den Anoden/Kathoden-Spalt erfährt, und zwar dadurch, daß die Elektronen aus der Kathodenoberfläche 44 herausgezogen werden. Obwohl dies nicht erforderlich ist, so kann doch ein kleines magnetisches Führungsfeld Verwendung finden, um das Auseinanderbreiten des Stroms zu verhindern. Der Strom kann thermionische oder feld-emittierte Elektronen aufweisen. Zuerst ist der Elektronenstrom gleichförmig verteilt und entspricht der klassischen Theorie. Der Wert der durch die Hochspannungsquelle 58 angelegten Spannung sollte derart gewählt sein, daß Elektronen veranlaßt werden, den Anoden-zu Kathodenspalt in annähernd einer Periode zu überqueren, oder aber in einem ganzen Vielfachen davon, und zwar von der Resonanzfrequenz-Mikrowellen-Mode, die innerhalb des Anodenzu Kathodenspalts getragen ist. Später regt die Raumladung starke Mikrowellen-Oszillationen an und der Raumladungsfluß wird in Längsrichtung und Transversalrichtung räumlich bezüglich der Richtung des Elektronenflußes gebündelt. Die Mikrowellenfeld-Energie steigt an und oszilliert in kohärenter Weise. Somit kommt die kollektive Bewegung der beschleunigten Elektronen in Wechselwirkung mit den zulässigen Mikrowellen-Moden durch fundamentale Änderung ihres Musters, Erzeugung elektromagnetischer Felder, longitudinaler und transversaler räumlicher Bündelung der Elektronen und Pumpen von mindestens einer dominanten Mikrowellen-Mode. Die dominante Mikrowellen-Mode - Mikrowellen-Strahlung wird aus der Diode herausgekoppelt, und zwar mittels eines Mikrowellen-Horns und einer Öffnung 60, was schematisch dargestellt ist. Es sei noch bemerkt,

daß die Erfindung in keiner Weise auf irgendein spezielles Strahlungskopplungssystem beschränkt ist und daß die Mikrowellen-Strahlung aus der Diode auch durch irgendwelche anderen geeigneten Mittel herausgekoppelt werden kann.

Es sei nunmehr auf Fig. 3 Bezug genommen, wo ein drittes Ausführungsbeispiel einer Diode dargestellt ist, um kohärente Mikrowellen-Strahlung gemäß der Erfindung zu erzeugen. Die Diode weist eine hohle Dose 70 und eine scheiben förmige Platte 72 auf. Mit Scheibe ist hier ein dünnes kreisförmiges Objekt bezeichnet. Die Dose 70 ist einfach ein Gehäuse mit einer inneren Gehäusekammer. Die Platte 72 ist innerhalb der Dose 70 mittels eines Isolierträgers 74 befestigt, der schematisch dargestellt ist. Es sei noch bemerkt, daß die Erfindung in keiner Weise auf eine spezielle Tragstruktur beschränkt ist und daß die Platte 72 auch durch irgendwelche anderen geeigneten Mittel innerhalb der Dose 70 befestigbar ist. Die Anordnung wird mittels einer Vakuumöffnung 76 und schematisch dargestellter Vakuumpumpe 78 evakuiert. Es sei jedoch bemerkt, daß die Erfindung in keiner Weise auf ein spezielles Vakuumsystem beschränkt ist und daß die Anordnung durch irgendwelche anderen geeigneten Mittel evakuiert werden kann. Die Platte 72 ist derart positioniert, daß ein Spalt zwischen Platte 72 und Dose 70 existiert, wobei der dichteste Abstand von jeder Stelle auf der Platte 72 zur Innenoberfläche der hohlen Dose 70 annähernd konstant ist. Platte 72 und Dose 70 können eine Vielzahl von Mikrowellen-Moden tragen, und zwar einschließlich mindestens einer Resonanzfrequenz-Mikrowellen-Mode, und zwar innerhalb des Platte 72 und Dose 70 trennenden Spalts. Um den Verlust an Mikrowellen-Strahlung aus der Diode frühzeitig zu minimieren, ist der Radius der Platte 72

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größer als der Abstand über den Dose 70 von Platte 72 trennenden Spalt hinweg. Ein schematisch dargestellter, hohe Energie aufweisender, geladene Teilchen umfassender Strahl 80 bildet Mittel zur Aufprägung eines elektrischen Gleichspannungsfelds innerhalb des Platte 72 von Dose 70 trennenden Spalts, und zwar über eine Zeit von mindestens einer Periode der Resonanzfrequenz-Mikrowellen-Mode hinweg. Der Strahl 80 wird durch eine Oberfläche der Dose eingegeben und ist im wesentlichen in Platte 72 eingebettet, wodurch bewirkt wird, daß eine große Spannungsdifferenz zwischen Platte 72 und Dose 70 aufgebaut wird. Beispiele geladener Teilchen, aus denen der Strahl 80 zusammengesetzt sein kann, sind die folgenden: Elektronen, Positionen, Protonen, Antiprotone, Alpha-Teilchen, jedwede Ionen, Quarks und verschiedene kurzlebige Teilchen wie beispielsweise Pione und Muone. Der Teil der Wand der Dose 70, durch den der Strahl 8 0 eingegeben wird, muß hinreichend dünn sein, um zu gestatten, daß der größte Teil des Strahls 80 ungestört hindurchläuft. Die Polarität der Spannungsdifferenz und die Richtung des resultierenden elektrischen Gleichspannungsfelds ist eine Funktion des Vorzeichens, positiv oder negativ, der den Strahl 80 bildenden Teilchen. Ein Strom aus thermionischen oder feld-emittierten Elektronen wird von entweder der Dose 70 oder der Platte 72 emittiert, und zwar abhängig von der Richtung des elektrischen Gleichspannungsfeldes, und stimuliert zur Erreichung eines beschleunigten Flußes in den Platte 72 und Dose 70 trennenden Spalt. Es sei bemerkt, daß die ^Elektronen-Emissionseigenschaften einer Oberfläche durch Oberflächenbehandlung modifiziert werden können, beispielsweise durch Riffeln, um so die Elektronen-Emission auf nur einen Teil der Oberfläche zu lokalisieren. Der Spannungswert am Platte 72 und Dose 70 trennenden Spalt sollte so vorgesehen sein, daß Elektronen veranlaßt werden, diesen

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Spalt in annähernd einer Periode oder einem ganzen Vielfachen davon zu überqueren, und zwar der darin unterhaltenen Resonanzfrequenz-Mikrowellen-Mode. Obwohl dies nicht erforderlich ist, so kann ein kleines Führungsitiagnetfeld verwendet werden, um das Auseinanderbreiten des Stromes zu verhindern. Als erstes wird der Elektronenstrom, von dem der größte Teil im Platte 72 und Dose 70 trennenden Spalt auftritt, gleichförmig verteilt und stimmt mit der klassischen Theorie überein. Später regt der Raumladungs-.JIuIJ starke Mikrowellenschwingungen (Oszillationen) an und der Raumladungsfluß wird longitudinal und transversal räumlich bezüglich der Richtung des Elektronenflußes gebündelt. Die Mikrowellenfeld-Energie steigt an und oszilliert in kohärenter Weise. Auf diese Weise kommt die kollektive Bewegung der beschleunigten Elektronen mit den zulässigen Mikrowellen-Moden in Wechselwirkung, und zwar durch fundamentale Änderung ihres Musters, Erzeugung elektromagnetischer Felder, longitudinale und transversale räumliche Bündelung der Elektronen und Pumpen von mindestens einer dominanten Mikrowellen-Mode. Die dominante Mikrowellen-Mode-Mikrowellen-Strahlung wird aus der Diode mittels eines Mikrowellen-Horns oder einer Öffnung 82 herausgekoppelt, was schematisch dargestellt ist. Es sei noch darauf hingewiesen, daß die Erfindung in keiner Weise auf ein spezielles Strahlungskopplungssystem beschränkt ist und daß die Mikrowellen-Strahlung aus der Diode durch irgendwelche anderen geeigneten Mittel herausgekoppelt werden kann.

Die drei erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiele gemäß den Fig. 1 bis 3 sind jeweils Glieder einer neuen Klasse von Vorrichtungen, und zwar betrieben durch einen Fluß von Elektronen oder anderen geladenen Teilchen, die kohärente Mikrowellen erzeugen können, und zwar durch die Wechselwirkung von elektromagnetischen Wellen mit dem

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Elektronenfluß in kleinen und leichtgewichtigen Dioden, wobei ein externes Magnetfeld nicht erforderlich ist.

Zusammenfassend sieht die Erfindung folgendes vor:

Es wird eine neue Vorrichtungsklasse angegeben, bei der ein Elektronenstrom oder ein Strom aus anderen geladenen Teilchen kohärente Mikrowellen erzeugt, und zwar unter Verwendung der Wechselwirkung elektromagnetischer Wellen mit dem Elektronenfluß in Dioden, ohne daß ein externes Magnetfeld erforderlich ist. Anoden-und Kathodenoberflächen werden elektrisch bezüglich einander durch den Elektronenfluß oder durch den Fluß anderer beladener Teilchen geladen; der Elektronenfluß kann beispielsweise durch eine Marx'sehe Gruppen-Spannungsquelle erzeugt werden, und der Fluß aus anderen geladenen Teilchen kann beispielsweise durch einen eine hohe Energie besitzenden geladenen Teilchenstrahl erzeugt werden. Dadurch wird ein elektrisches Feld erzeugt, welches einen emittierten Elektronenstrahl zum Fluß in der Anoden/Kathoden-Zone stimuliert. Die emittierten Elektronen werden durch das elektrische Feld beschleunigt und kohärente Mikrowellen werden durch die dreidimensionale räumliche und zeitliche Wechselwirkung der beschleunigten Elektronen mit geometrisch zulässigen Mikrowellen-Moden erzeugt, was die Bündelung der Elektronen zur Folge hat und das Pumpen von mindestens einer dominanten Mikrowellen-Mode.

Leerseite

Claims (10)

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   Ansprüche

   Λ,. Verfahren zur Erzeugung kohärenter Resonanzfrequenz-Mikrowellen-Strahlung, wobei folgende Schritte vorgesehen sind:

   Aufprägen eines elektrischen Gleichspannurigsfeldes innerhalb eines räumlichen Volumens, definiert durch eine Anode und eine Kathode, wobei die Anode eine Anodenoberfläche und die Kathode eine Kathodenoberfläche in mit Abstand angeordneter Beziehung aufweisen, wobei ferner die Kathodenoberfläche und die Anodenoberfläche eine Struktur besitzen, die in der Lage ist, innerhalb des Raumvolumens eine Resonanzfrequenz-Mikrowellen-Mode zu unterstützen, und zwar über eine Zeit von mindestens einer Periode der Resonanzfreguenz-Mikrowellen-Mode hinweg, wobei das elektrische Feld einen Strahl von Elektronen stimuliert, einen beschleunigten Fluß von der Kathodenoberfläche in das Raumvolumen zu erfahren, wobei die kollektive Bewegung des beschleunigten Elektronenstrahls dazu dient, um mit der Resonanzfrequenz-Mikrowellen-Mode in Wechselwirkung zu treten, und zwar durch fundamentale Änderung ihres Musters, durch Erzeugung elektromagnetischer Felder, durch longitudinale und transversale räumliche Bündelung des Elektronenstrahls und durch Pumpen der Resonanzfrequenz-Mikrowellen-Mode und

   Herauskoppeln der Resonanzfrequenz-Mikrowellen-Strahlung aus dem räumlichen Volumen.

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   -A-
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Aufprägschritt das positive Laden der Anode bezüglich der Kathode mit einer Marx'sehen Gruppen-Spannungsquelle vorsieht.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Schritt des Aufprägens das positive Laden der Anode bezüglich der Kathode vorsieht, und zwar durch substantielles Einbetten eines geladenen Teilchenstroms in entweder der Kathode oder der Anode.
4. 4. Verfahren zur Erzeugung kohärenter Resonanzfrequenz-Mikrowellen-Strahlung, wobei folgende Schritte vorgesehen sind:

   Positionierung einer scheibenförmigen Platte innerhalb eines Gehäuses mit einer inneren Gehäusekaminer, wobei der dichteste Abstand von jeder Stelle auf der Platte zur Oberfläche der inneren Gehäusekammer eine annähernde Konstante ist, und wobei die Platte und das Gehäuse eine Struktur aufweisen, die in der Lage ist, um eine Resonanzfrequenz-Mikrowellen-Mode innerhalb eines RaumVolumens zu tragen, welches innerhalb der Gehäusekammer angeordnet ist und in dem die Platte vom Gehäuse trennenden Spalt, und wobei ferner der Radius der Platte größer ist als der Abstand über den die Platte vom Gehäuse trennenden Spalt,

   Einbetten, in substantieller Weise, eines geladenen Teilchenstrahls in der Platte, wobei der eingebettete Strahl eine große Spannungsdifferenz aufbaut zwischen der Platte und dem Gehäuse, wodurch ein elektrisches Gleichspannungsfeld innerhalb des Raumvolumens vorgesehen wird, und zwar über eine Zeit von mindestens einer Periode der Resonanz-

   freguenz-Mikrowellen-Mode hinweg, wobei das elektrische Feld einen Elektronenstrahl dazu stimuliert, eine beschleunigte Strömung in das Raumvolumen zu erfahren, wobei die kollektive Bewegung des beschleunigten Elektronenstrahls die Wechselwirkung mit der Resonanzfrequenz-Mikrowellen-Mode bewirkt, und zwar durch fundamentale Änderung ihres Musters, durch Erzeugung magnetischer Felder, durch longitudinale und transversale räumliche Bündelung des Elektronenstrahls und durch Pumpen der Resonanzfrequenz-Mikrowellen-Mode, und

   Herauskoppeln der Resonanzfrequenz-Mikrowellen-Strahlung aus dem Gehäuse.
5. 5. Eine elektronische Diode zur Erzeugung kohärenter Resonanzfrequenz-Mikroewellen-Strahlung, wobei die Diode folgendes aufweist:

   eine Anode mit einer Anodenoberfläche,

   eine Kathode mit einer Kathodenoberfläche, wobei die Kathode mit Abstand gegenüber der Anode angeordnet ist, und wobei die Kathodenoberfläche und die Anodenoberfläche eine Struktur aufweisen, die in der Lage ist, eine Resonanzfrequenz-Mikrowellen-Mode innerhalb eines Raumvolumens zu unterstützen,

   Mittel, elektrisch verbunden mit der Kathode und der Anode, um ein elektrisches Gleichspannungsfeld innerhalb des Raumvolumens vorzusehen, und zwar über eine Zeit hinweg von mindestens einer Periode der Resonanzfrequenz-Mikrowellen-Mode, wobei das elektrische Feld die Stimulation eines Strahls aus Elektronen bewirkt, um einen beschleunigten Fluß von der Kathodenoberfläche in das Raumvolumen zu erfahren, und wobei die kollektive Bewegung des beschleunigten

   -If.

   Elektronenstrahls dazu dient, in Wechselwirkung zu treten mit der Resonanzfrequenz-Mikrowellen-Mode durch fundamentale Änderung ihres Musters, durch Erzeugung elektromagnetischer Felder, durch longitudinale und transversale räumliche Bündelung des Elektronenstrahls und durch Pumpen der Resonanzfrequenz-Mikrowellen-Mode, und

   Mittel zum Herauskoppeln der Resonanzfrequenz-Mikrowellen-Strahlung aus dem Raumvolumen.
6. 6. Elektronische Diode zur Erzeugung kohärenter Resonanzfrequenz-Mikrowellen-Strahlung nach Anspruch 5, wobei die Mittel zur Erzeugung des elektrischen Gleichspannungsfeldes eine Marx-Gruppenspannungsquelle aufweisen, und zwar verwendet zur positiven Ladung der Anode bezüglich der Kathode.
7. 7. Diode nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß die das elektrische Gleichspannungsfeld erzeugenden Mittel zum positiven Aufladen der Anode bezüglich der Kathode gebildet werden durch substantielles Einbetten eines geladenen Teilchenstrahls in entweder Kathode oder Anode.
8. 8. Diode nach Anspruch 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet , daß die Kathode den Mittelleiter einer Koaxialleitung aufweist, wobei die Kathodenoberfläche mindestens ein Teil der Außenoberfläche ausmacht, und wobei die Anode den Außenleiter der Koaxialleitung aufweist, wobei die Anodenoberfläche mindestens ein Teil der Innenoberfläche derselben ausmacht, und wobei ferner die Axiallänge des Anoden- zu Kathodenspalts wesentlich größer ist als der Umfang des Mittelleiters.

   - S-
9. 9. Diode nach Anspruch 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet , daß die Kathode eine erste Scheibe aufweist, wobei die Kathodenoberfläche mindestens Teil einer ersten planaren Oberfläche davon umfaßt, und wobei die Anode eine zweite Scheibe aufweist, und wobei ferner die Anodenoberfläche mindestens ein Teil einer zweiten planaren Oberfläche davon umfaßt, und wobei schließlich die ersten und zweiten Scheiben benachbart mit zusammenfallenden Achsen angeordnet sind, und wobei die erste planare Oberfläche auf die zweite planare Oberfläche hinweist, wobei schließlich der Radius der ersten Scheibe und der Radius der zweiten Scheibe jeweils größer sind als der Abstand des Spalts zwischen den ersten und zweiten Scheiben.
10. 10. Elektronische Diode zur Erzeugung kohärenter Resonanzfreguenz-Mikrowellen-Strahlung, wobei folgendes vorgesehen ist:

    ein Gehäuse mit einer inneren Gehäusekammer,

    eine scheibenförmige Platte innerhalb der Gehäusekammer, derart positioniert, daß der dichteste Abstand von jeder Stelle auf der Platte zur Oberfläche der inneren Gehäusekammer annähernd konstant ist, wobei Platte und Gehäuse eine Struktur aufweisen, die in der Lage ist, eine Resonanzfrequenz-Mikrowellen-Mode innerhalb des Raumvolumens, angeordnet innerhalb der Gehäusekammer und in dem die Platte vom Gehäuse trennenden Spalt zu unterhalten, wobei der Radius der Platte größer ist als der Abstand über den die Platte vom Gehäuse trennenden Spalt hinweg,

    Mittel zum substantiellen Einbetten eines geladenen Teilchenstrahls in der Platte, wobei der eingebettete Strahl eine große Spannungsdifferenz zwischen der Platte und

    -M-

    dem Gehäuse bewirkt, wodurch ein elektrisches Gleichspannungsfeld aufgeprägt wird innerhalb des räumlichen Volumens und über eine Zeit von mindestens einer Periode der Resonanzfrequenz-Mikrowellen-Mode hinweg, wobei das elektrische Feld, welches den Elektronenstrahl stimuliert, um einen beschleunigten Fluß in das Raumvolumen zu erfahren, wobei die kollektive Bewegung des beschleunigten Elektronenstrahls dazu dient, um mit der Resonanzfrequenz-Mikrowellen-Mode in Wechselwirkung zu treten, und zwar durch fundamentale Änderung ihres Musters, durch Erzeugung elektromagnetischer Felder, durch longitudinale und transversale räumliche Bündelung des Elektronenstrahls und durch Pumpen der Resonanzfrequenz-Mikrowellen-Mode, und

    Mittel zum Herauskoppeln der Resonanzfrequenz-Mikrowellen-Strahlung aus dem Gehäuse.