DE3827411C1

DE3827411C1 - Hollow-beam electron gun for generating a hollow electron beam having low-scattering transverse velocity component

Info

Publication number: DE3827411C1
Application number: DE19883827411
Authority: DE
Inventors: Bernhard 7504 Weingarten De Piosczyk
Original assignee: Kernforschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Priority date: 1988-08-12
Filing date: 1988-08-12
Publication date: 1989-11-30

Abstract

The invention relates to a hollow-beam electron gun for generating a hollow electron beam having a low-scattering transverse velocity component, in which the precondition is created by the electrode geometry and in particular by the position of the electron emission ring that leaving electrons initially strongly interact only with a present electrical field. The formation of space charges in front of the electron emission ring causes no deterioration of the beam property. The scattering of the transverse velocity of the electrons in the beam is low. The electron current can be switched by the electrode arrangement.

Description

Die Erfindung betrifft eine Elektronenhohlstrahlkanone gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches.The invention relates to a hollow electron gun according to the preamble of the claim.

Von solchen Kanonen emittierte Hohlstrahlen erzeugen Hochfre quenzwellen in Gyrotrons, die z. B. in Fusionsplasmen zur Auf heizung eingestrahlt werden oder in der Radartechnik für Meß zwecke verwendet werden.Hollow beams emitted by such cannons produce high frequencies quenz waves in gyrotrons z. B. in fusion plasmas heating are irradiated or in the radar technology for measurement used for purposes.

In Gyrotrons werden zwei Typen von Elektronenhohlstrahlkanonen eingesetzt, hauptsächlich der Magnetron-Typ, kurz MIG (Magne tron Injection Gun) und der Universität-Sydney-Typ.In gyrotrons there are two types of electron beam guns used, mainly the magnetron type, short MIG (Magne tron Injection Gun) and the University Sydney type.

Charakteristisch für den MIG-Typ ist der auf der Mantelfläche der kegelstumpfförmigen Kathode eingelassene Emitterring. Die kegelstumpfförmige Anordnung der Kathode mit dem Emitterring bewirkt, daß im Bereich der Emitteroberfläche das elektrische Feld E und das magnetische Feld B einen Winkel miteinander bilden. Dadurch erfahren Elektronen, welche aus dem Emitter austreten, eine Lorentzkraft, die zu einer Gyrationsbewegung der Elektronen um die Montagefeldlinien führt. Diese Gyrations bewegung bildet, bezogen auf die Achse der Strahlkanone, die transversale Komponente der sich korkenzieherartig in axialer Richtung bewegenden Elektronen. Die Größe der transversalen Komponente wird wesentlich durch die Größe der ×-Drift im Bereich des Emitters bestimmt. Mikroskopisch betrachtet hängt daher die Größe der transversalen Geschwindigkeit der Elektro nen bei einer MIG-Kanone empfindlich von der Rauhigkeit der Emitteroberfläche ab. Das bedeutet, daß die Streuung der transversalen Geschwindigkeit im Elektronenstrahl durch die Beschaffenheit der Emitteroberfläche stark beeinflußt wird. The MIG type is characterized by the emitter ring embedded on the outer surface of the truncated cone-shaped cathode. The frustoconical arrangement of the cathode with the emitter ring causes the electric field E and the magnetic field B to form an angle with one another in the region of the emitter surface. As a result, electrons that emerge from the emitter experience a Lorentz force, which leads to a gyration movement of the electrons around the assembly field lines. This gyration movement forms, with respect to the axis of the beam gun, the transverse component of the electrons moving in the axial direction like a corkscrew. The size of the transverse component is essentially determined by the size of the × drift in the area of the emitter. From a microscopic point of view, the size of the transverse speed of the electrons in a MIG gun is sensitive to the roughness of the emitter surface. This means that the scattering of the transverse velocity in the electron beam is strongly influenced by the nature of the emitter surface.

Die vor der Emitteroberfläche verteilte Raumladung hat auf grund der MIG-Elektrodenanordnung eine ungleiche Dichtevertei lung in Richtung der Symmetrieachse. Raumladungseffekte wirken sich daher verschieden stark auf die extrahierten Elektronen aus. Der Betrieb von MIG's ist durch diese Eigenschaft sehr beschränkt, da die Strahlqualität unter diesen Effekten ganz erheblich leidet.The space charge distributed in front of the emitter surface is open an uneven density distribution due to the MIG electrode arrangement tion in the direction of the axis of symmetry. Space charge effects work therefore different degrees on the extracted electrons out. The operation of MIG's is very good due to this property limited because the beam quality under these effects entirely suffers significantly.

Der Stand der Technik für den MIG-Typ ist z. B. in J. M. Baird, W. Lawson, Int. J. Electronics, 1986, Vol. 61, No. 6, 953-967 und M. Caplan, C. Thorington, Int. J. Electronics, 1981, Vol. 51, No. 4, 415-426 beschrieben.The prior art for the MIG type is e.g. B. in J.M. Baird, W. Lawson, Int. J. Electronics, 1986, Vol. 61, No. 6, 953-967 and M. Caplan, C. Thorington, Int. J. Electronics, 1981, Vol. 51, No. 4, 415-426.

Die gattungsgemäße Elektronenhohlstrahlkanone ist aus J. Y. L. Ma, "A New Cylindrial Electron Gun for Low-Power Tunable Gy rotrons with high Magnetic Compression Ratios", IEEE Transac tions on Microware Theory and Techniques, Vol. MTT 33, No. 4, April 1985, P. 323-327 bekannt. Diese Elektronenhohlstrahlka none, auch als Universität-Sydney-Typ bezeichnet, emittiert die Elektronen aus einem konzentrisch zur Symmetrieachse in die Stirnfläche der Kathode plan eingelassen Ring. Es erfolgt somit die Extraktion im dort parallelen elektrischen und ma gnetischen Feld. Jedoch ist eine völlige Abschirmung der Ka thode gegen die Anode aufgrund der Elektrodenanordnung nicht gewährleistet. Der Elektronenstrom ist somit nicht schaltbar. Die Strahleigenschaft weist eine hohe Geschwindigkeitsstreuung der Elektronen auf.The generic electron beam gun is from J. Y. L. Ma, "A New Cylindrial Electron Gun for Low-Power Tunable Gy rotrons with high magnetic compression ratios ", IEEE Transac tions on Microware Theory and Techniques, Vol. MTT 33, No. 4, April 1985, P. 323-327. This electron beam beam none, also known as the University of Sydney type the electrons from a concentric to the axis of symmetry in the face of the cathode is flush with the ring. It takes place thus the extraction in the parallel electrical and ma genetic field. However, complete shielding of the Ka not against the anode due to the electrode arrangement guaranteed. The electron current is therefore not switchable. The Beam property exhibits a high speed spread of the Electrons on.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, in einer Elektronen hohlstrahlkanone wie dem Universität-Sydney-Typ die Elektro dengeometrie so auszulegen, daß der Elektronenstrom schaltbar ist und daß die Elektronen im parallelen elektrischen und magnetischen Feld emittiert werden und ihnen da nach eine transversale Geschwindigkeitskomponente geringer Steuerung aufgezwungen wird. The invention has for its object in an electron hollow beam cannon like the University Sydney type the Elektro to interpret the geometry so that the electron current is switchable and that the electrons in parallel electric and magnetic field are emitted and there them after a transverse speed component lower Control is forced.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß am Boden einer Kathode, konzentrisch zur Symmetrieachse ein Ring einge lassen ist, der Elektronen leicht emittiert. Dieser Elektronenemissionsring ist dort planabschließend oder graben förmig vertieft eingelassen. Durch einen Spalt von der Kathode getrennt, ist eine ringförmige Modulationsanode in Höhe des Endes des zylinderförmigen Kathodenteils konzentrisch zur Sym metrieachse angebracht. Schließlich folgt eine rohrförmige bzw. hohlzylinderförmige Anode zur Extraktion des Elektronen strahles.The object is achieved in that on the floor a cathode, a ring concentric to the axis of symmetry is left, which easily emits electrons. This Electron emission ring there is final or digging deeply recessed. Through a gap from the cathode separated, is an annular modulation anode at the level of End of the cylindrical cathode part concentric to the sym metric axis attached. Finally there is a tubular one or hollow cylindrical anode for extracting the electron radiant.

Die konzentrische Elektrodenanordnung befindet sich in einem Magnetfeld, dessen Feldlinien im Bereich des Emissionsringes nur axiale Komponenten haben und somit senkrecht auf der zum Spalt weisenden, ebenen Fläche des Emitterringes stehen.The concentric electrode arrangement is in one Magnetic field, whose field lines in the area of the emission ring only have axial components and thus perpendicular to the gap facing, flat surface of the emitter ring.

Unterscheidet sich das elektrische Potential der Modulations anode von dem der Kathode, dann wirkt ein elektrisches Feld in den Spalträumen, wobei die elektrischen Feldlinien ebenfalls senkrecht - und somit parallel zum Magnetfeld - auf der Fläche des Emitterrings stehen.The electrical potential of the modulation differs anode from that of the cathode, then an electric field acts in the gap spaces, the electric field lines also perpendicular - and thus parallel to the magnetic field - on the surface of the emitter ring.

Elektronen, die von der freien Ringfläche des Elektronenemis sionsringes zum Spalt hin austreten, werden zunächst durch das dort senkrecht stehende elektrische Feld in den Spalt hinein beschleunigt. Ein genügend hohes, elektrisches Potential auf der Modulationsanode gibt dem elektrischen Feld im Spalt einen radialen Anteil, so daß die Elektronen dort eine radiale Bewe gungskomponente aufgeprägt bekommen und sich schließlich dann wegen des axialen Magnetfelds auf einer korkenzieherartigen Bahn in Richtung Achse bewegen.Electrons emitted by the free ring surface of the electron emis emerge sion ring towards the gap, are first by the there vertical field into the gap accelerates. A sufficiently high electrical potential the modulation anode gives the electric field in the gap one radial portion, so that the electrons move there radially get stamped and then finally because of the axial magnetic field on a corkscrew-like Move the web in the direction of the axis.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen darin, daß erheblich kleinere, elektrische Feldstärken auf der Emit teroberfläche für die zunächst longitudinale Bewegung der aus getretenen Elektronen nötig sind. Die Rauhigkeit der Emit teroberfläche geht daher nicht so empfindlich in die Streuung der Transversalbewegung der Elektronen ein. Durch das auf der freien Oberfläche des Emissionsringes senkrecht stehende, elektrische und magnetische Feld ist ein Emissionsbetrieb über den ganzen Strombereich bis hin zu den Grenzen der raumla dungsbegrenzten Emission möglich. Der wesentliche Anteil der radialen bzw. transversalen Bewegung (Gyration) wird den Elek tronen im Spalt zwischen Kathode und Modulationsanode aufge prägt.The advantages achieved by the invention are that considerably smaller electrical field strengths on the Emit surface for the initially longitudinal movement of the kicked electrons are necessary. The roughness of the emit The surface is therefore less sensitive to scattering the transverse movement of the electrons. Through that on the free surface of the emission ring standing vertically, electric and magnetic field is an emission operation about the entire current range up to the limits of raumla limited emission possible. Most of the radial or transverse movement (gyration) is the elec trons in the gap between cathode and modulation anode shapes.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in Form einer numeri schen Simulation ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden beschrieben. Es zeigtAn embodiment of the invention in the form of a numeri simulation is shown in the drawing and is shown in described below. It shows

Fig. 1 den Schnitt des schematischen Aufbaus der vorge schlagenen Elektronenhohlstrahl kanone; Figure 1 shows the section of the schematic structure of the pre-proposed hollow electron beam cannon.

Fig. 2 Ergebnisse einer numerischen Simulation mit plan abschließendem Elektronenemissionsring. Fig. 2 results of a numerical simulation with a flat final electron emission ring.

In Fig. 1 ist schematisch der koaxiale Elektrodenaufbau mit ei nem Schnitt durch die Symmetrieachse dargestellt. Konzentrisch zur Symmetrieachse 6 ist im Boden der Kathode 1 um die zylin derförmige Erhebung der Kathode 2 der Emissionsring 3 grabenförmig eingelassen. Die offene, ebene Fläche des Emissi onsringes 3 weist zum Spalt 5 hin. Die ringförmige, flache Modulationsanode 4 ist konzentrisch zur Kathode 1, 2 angeord net und von dieser durch den Spaltraum 5 getrennt. Nach rechts schließt sich konzentrisch, durch den Anodenspaltraum 7 ge trennt, die rohrförmige Anode 8 an. In Fig. 1, the coaxial electrode structure is shown schematically with a section through the axis of symmetry. Concentric to the axis of symmetry 6 in the bottom of the cathode 1 around the cylin-shaped elevation of the cathode 2, the emission ring 3 is embedded in a trench. The open, flat surface of the emission ring 3 points to the gap 5 . The annular, flat modulation anode 4 is concentric with the cathode 1, 2 and is separated from it by the gap space 5 . To the right, concentrically, through the anode gap space 7, separates the tubular anode 8 .

Bei dieser konzentrischen Elektrodengeometrie ist gewährlei stet, daß auf der freien Fläche des Emissionsringes 3 das elektrische Feld parallel bzw. antiparallel zum von außen an gelegten axialen Magnetfeld ist und austretende Elektronen so fort in den Spaltraum hineinbeschleunigt werden.With this concentric electrode geometry it is ensured that the electric field is parallel or antiparallel to the external axial magnetic field on the free surface of the emission ring 3 and emerging electrons are accelerated into the gap space immediately.

In Fig. 2 ist der örtliche, quantitative Verlauf des axial ge richteten, äußeren Magnetfeldes 9 in Zuordnung zur Elektroden geometrie eingezeichnet. Die Potentiallinien 10 sind in den beiden Spalträumen 5, 7 angedeutet. Die numerische Simulation ergibt den dargestellten Schnitt durch den Elektronen hohlstrahl bzw. der Strahltrajektorien 11. In diesem Fall ist der Elektronenemissionsring plan abschließend zur Kathode ein gelassen. Die optimale Anordnung der Elektroden als auch die Einbettung des Emissionsringes ergibt sich durch numeri sche Simulation, da eine analytische Lösung nicht mehr möglich ist. In Fig. 2, the local, quantitative course of the axially directed ge external magnetic field 9 is drawn in association with the electrode geometry. The potential lines 10 are indicated in the two gap spaces 5, 7 . The numerical simulation shows the section through the hollow electron beam or the beam trajectories 11 . In this case, the electron emission ring is flush with the cathode. The optimal arrangement of the electrodes as well as the embedding of the emission ring results from numerical simulation, since an analytical solution is no longer possible.

BezugszeichenlisteReference symbol list

1 Boden, Kathode
2 zylinderförmige Erhebung, Kathode
3 Elektronenemissionsring
4 Modulationsanode
5 Kathoden-Modulationsanodenspalt
6 Symmetrieachse
7 Kathoden-Anodenspalt
8 Anode
9 Magnetfeld
10 Potentiallinien
11 Strahltrajektorien, Hohlstrahl 1 bottom, cathode
2 cylindrical elevation, cathode
3 electron emission ring
4 modulation anode
5 cathode modulation anode gap
6 axis of symmetry
7 cathode-anode gap
8 anode
9 magnetic field
10 potential lines
11 beam trajectories, hollow beam

Claims

Hollow electron gun; consisting of

a) a coaxial electrode arrangement ( 1, 2, 4, 8 ), wherein
b) a with an electron emission ring ( 3 ) Ka method ( 1, 2 ) and a hollow cylindrical modulation anode ( 4 ) are attached insulated to the dielectric bottom of the arrangement with a certain radial distance,
c) there is a hollow cylindrical anode ( 8 ) separated from these electrodes ( 1, 2, 4 ) by a gap ( 7 ),
d) the entire electrode arrangement ( 1, 2, 4, 8 ) is located in a magnetic field that is rotationally symmetrical with respect to its axis of symmetry,

characterized in that

e) the flat bottom ( 1 ) together with a coaxial, cylindrical elevation ( 2 ) forms the cathode ( 1, 2 );
f) the electron emission ring ( 3 ) in the bottom ( 1 ) around the cylindrical elevation ( 2 ) of the cathode ( 1, 2 ) is recessed plan from closing or recessed;
g) the annular modulation anode ( 4 ) is mounted at the level of the cylindrical elevation ( 2 ) of the cathode ( 1, 2 ) so that the electron current can be switched via the electrical potential of the modulation anode ( 4 ).