DE68916365T2

DE68916365T2 - Durch plamsma unterstüzter hochleistungsmikrowellengenerator.

Info

Publication number: DE68916365T2
Application number: DE68916365T
Authority: DE
Inventors: Robin Harvey; Julius Hyman; Joseph Santoru; Robert Schumacher
Original assignee: Hughes Aircraft Co
Current assignee: DirecTV Group Inc
Priority date: 1988-04-14
Filing date: 1989-03-06
Publication date: 1994-10-06
Anticipated expiration: 2009-03-07
Also published as: DE68916365D1; WO1989010000A1; EP0364574B1; US4912367A; JPH03501074A; EP0364574A1; JPH088071B2; IL89839A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Hochstrom- Elektronenkanone und einen Oszillator, der eine solche Hochstrom-Elektronenkanone aufweist, und bezieht sich insbesondere auf einen Hochleistungsgenerator für Mikrowellen/Millimeterwellen, im besonderen auf einen Oszillator, der mit Kopplung eines Elektronenstrahls mit einer langsamen elektromagnetischen Welle in einem plasmagefüllten Wellenleiter mit gewellter Wand arbeitet.
Aus der GB-A-1 011 449 ist eine elektronische Entladungsröhre bekannt, welche Mittel zum Bilden einer periodischen, nicht-homogenen Struktur in der Plasmasäule aufweist, durch die Verwendung geeigneter Spannungen, oder eines Magnetfeldes mit einer Intensität, die periodisch schwankt entlang der Achse der Hülle, die das Gas enthält und von einer Wand umgeben ist, die einen Wellenleiter bildet.
Aus der US-A-3 274 507 ist ein Elektronenstrahl-Plasmaverstärker mit einer Wellenleiterkopplung bekannt, der aufweist: eine Hülle, welche ein ionisierbares Gasmedium enthält, Mittel innerhalb der Hülle zum Erzeugen eines Elektronenstrahls, Mittel zum Erzeugen eines Plasmas, und Eingangs- und Ausgangskoppler, wobei mindestens einer der Signalkoppler im Bereich des Plasmas angeordnet ist, während der Koppler in Form eines Kopplers hergestellt ist, der zur Verwendung in einem Wellenleitersystem geeignet ist. Mindestens einer der Signalkoppler ist im Wechselwirkungsraum des Elektronenstrahls und des Plasmas angeordnet.
Es sind einige weitere Vorrichtungen bekannt, welche als Hochleistungsgeneratoren für Mikrowellen oder Millimeterwellen fungieren, wie etwa Virtuellkathoden-Oszillatoren (Vircatoren), Magnetrone, Klystrone, Gyrotrone, und Rückwärtswellenoszillatoren. Solche Vorrichtungen sind beschrieben in J. Feinstein und K. Felch, "Status Review of Research on Millimeter-Wave Tubes", IEEE Transactions on Electron Devices, Bd. ED-34, Nr. 2, Februar 1987, Seiten 461-467; H. K. Florig, "The Future Battlefield: A Blast of Gigawatts?", IEEE Spectrum, März 1988, Seiten 50-54; Gordon T. Leifeste et al., "Ku-Band Radiation Produced by a Relativistic Backward Wave Oscillator", J.Appl.Phys., 59(4), 15. Februar 1986, Seiten 1366-1378; und James Benford, "High Power Microwave Simulator Development", Microwave Journal, Dezember 1987, Seiten 97-105. Bei zahlreichen Variationen ist der Ansatz im allgemeinen, einen Elektronenstrahl mit einem evakuierten Wellenleiteraufbau mit einem Hochvakuum in der Größenordnung von 10&supmin;&sup4; Pa (10&supmin;&sup6; Torr) oder weniger zu koppeln. Eine Raumladungswelle wird an den Elektronenstrahl induziert und koppelt sich innerhalb des Wellenleiteraufbaus an eine elektromagnetische Wellenleitermode und emittiert dadurch am Ende des Leiters Mikrowellen- oder Millimeterwellenenergie.
Mit diesem Ansatz traf man auf einige Einschränkungen und Nachteile. Ein hohes, oder "hartes", Vakuum kann bei ultrahohen Leistungsniveaus schwer aufrechtzuerhalten sein. Auch stellen die Elektronen im Strahl eine Raumladung mit gegenseitiger Abstoßung her, welche ohne einen Steuermechanismus den Strahl veranlaßt, sich schnell auszubreiten und jegliche Fokussierung oder Kollimation des Strahls zu zerstören; dies wird als Raumladungsexplosion bezeichnet. In der Folge muß ein sehr starkes Magnetfeld von bis zu 1 T (10 kGauss) verwendet werden, was den Aufbau kompliziert, die Effektivität verringert und den Aufwand für den Mikrowellengenerator erhöht. Selbst wenn ein Magnetfeld verwendet wird, ereignet sich immer noch eine Potentialabsenkung über den Strahl, und das negative Potential reduziert die Spannung des Strahls in der Nähe seiner Achse. Das Resultat ist, daß sich die Elektronen in der Nähe der Strahlachse verlangsamen, ein Phänomen, das als axiale Geschwindigkeitsabscherung bezeichnet wird, welches das Erreichen einer guten Kopplung zwischen dem Strahl und dem Wellenleiteraufbau behindert.
Bei sehr hohen Ausgangsleistungen können die Vorrichtungen des Standes der Technik keine Impulslängen über einigen Hundert Nanosekunden erzeugen, da sie in ihren Elektronenkanonen feldemittierende Kathoden verwenden; diese erzeugen eine sich erweiternde, ungesteuerte Plasmaoberfläche im Spalt der Elektronenkanone mit evakuierter Hochspannungsdiode. Die Plasmaoberfläche propagiert sich von Kathode zu Anode, wodurch sie den Spalt in 100 - 1000 Nanosekunden kurzschließt und dadurch den Impuls beendet. Vorrichtungen wie der Vircator verwenden auch eine Metallfolien-Anode, die sich in etwa 100 Nanosekunden selbst zerstört.
Die magnetische Fokussierung, die erforderlich ist, um einer Raumladungsexplosion entgegenzuwirken, benötigt ein sehr starkes Magnetfeld in der Größenordnung von 1 T (10 kGauss) oder mehr sowie zugeordnete klobige Magneten. Die von den raumgeladenen Feldern erzeugte axiale Geschwindigkeitsabscherung reduziert auch die Effektivität des Oszillators bei hohen Strahlstromdichten.
Weitere Typen von Elektronenkanonen umfassen Plasmaanodenvorrichtungen und Drahtionen-Plasmakanonen. Die erstere Vorrichtung ist beschrieben im US-Patent Nr. 4, 707,637, erteilt am 17. November, 1987 für Robin J. Harvey, während die letztere im US-Patent Nr. 4,025,818 beschrieben ist, das am 24. Mai 1977 auf Robert P. Giguere erteilt wurde, und beide wurden angemeldet im Namen der Hughes Aircraft Company, der Anmelderin der vorliegenden Erfindung. Eine weitere Elektronenkanone ist im US-Patent Nr. 3,831,052 beschrieben, das am 20, August 1974 für Ronald C. Knechtli erteilt wurde, ebenfalls angemeldet im Namen der Hughes Aircraft Company. Die letztere Vorrichtung ist ein Hohlkathoden-Gasentladungsmechanismus, der verwendet wird, um einen Elektronenstrahl mit rechtwinkligem Querschnitt zum Betreiben von Gaslasern herzustellen. Es sind Stromdichten im Bereich von 10&supmin;&sup4; bis 1 A/cm² beschrieben. Eine Entladung wird durch ein Gas innerhalb der Kathode ausgelöst, zwischen den Kathodenwänden und einer rechtwinkligen perforierten Anode, welche innerhalb eines Kathodenausgangsschlitzes angeordnet ist. Eine relative positive Polarität wird an die Anodenelektrode gelegt, um aus dem Plasma Elektronen zu extrahieren. Die Elektronen werden durch eine höhere positive Polarität an einem Steuergitter beschleunigt und hinter dem Steuergitter weiter beschleunigt durch ein Hochspannungs-Beschleunigungsfeld zwischen einem Dünnfolienfenster und dem Gitter.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Mikrowellen-/Millimeterwellenoszillator zum Erzeugen von Hochleistungsstrahlung mit langen Impulsen von bis zu 100 Mikrosekunden zur Verfügung zu stellen, und zwar mit einem System, das eine Raumladungsexplosion des Elektronenstrahls ohne die Verwendung von extern angelegten Magnetfeldern neutralisiert. Eine erhöhte Effektivität, die Vermeidung von Verunreinigungen im System, ein einfacher Mechanismus zum Auskoppeln von Energie aus dem System, eine Fähigkeit der einfachen Einstellung der Frequenz der erzeugten Strahlung, und ein allgemein vereinfachter und kostengünstiger Aufbau sind weitere angestrebte Vorteile. Eine verbesserte Elektronenkanone zur Verwendung im Oszillator, welche in der Lage ist, viel höhere Stromdichten als die bisher verfügbaren zu erreichen, ist ein weiterer Aspekt der Erfindung.
Die Erfindung ist definiert durch eine Hochstrom-Elektronenkanone gemäß Patentanspruch 1 sowie einen eine solche Elektronenkanone aufweisenden Oszillator gemäß Patentanspruch 6.
Die Erfindung erreicht diese Ziele durch Injizieren eines Elektronenstrahls mit einer hohen Stromdichte von bis zu 100 A/cm², mindestens aber 1 A/cm², in einen Wellenleiteraufbau mit einem "weichen" Vakuum innerhalb des ungefähren Bereiches von 0,13 - 13 Pa (1 - 20 mTorr) im Gegensatz zu dem früheren "harten" Vakuum in der Größenordnung von 10&supmin;² Pa (10&supmin;&sup6; Torr) oder weniger. Die Stromdichte des Elektronenstrahls ist hoch genug, um das Gas innerhalb des Wellenleiters wenigstens teilweise zu ionisieren. Der Gasdruck wird auf einem Niveau gehalten, das niedrig genug ist, um einen Spannungsdurchbruch in der Elektronenkanone zu vermeiden, aber hoch genug, um genügend Ionen zur Verfügung zu stellen, um eine Raumladungsexplosion des Strahls im wesentlichen zu neutralisieren und die Potentialabsenkung zu beseitigen.
Der Oszillator kann als Langsamwellenröhre ausgeführt sein, bei der das Wellenleitergehäuse eine gewellte Wand aufweist und eine Mikrowellenstrahlung in Einzelmode sowie mit schmaler Bandbreite und niedriger Frequenz erzeugt wird, indem der Gasdruck in dem ungefähren Bereich von 0,13 - 0,7 Pa (1 - 5 mTorr) gehalten wird. Eine rauschmodulierte Mikrowellen- und Millimeterwellenstrahlung mit breiter Bandbreite und hoher Frequenz wird erreicht, indem der Gasdruck in dem ungefähren Bereich von 1,3 - 3 Pa (10 - 20 mTorr) gehalten wird.
Ein neuer Typ von Elektronenkanone zum Erreichen der hohen Stromdichte verwendet eine Hohlkathode, ein mit Öffnungen versehenes Gitter, das an eine Mehrzahl von Auslässen aus der Kathode angrenzend angeordnet ist, und Mittel zum Herstellen einer elektrischen Glühentladung durch ein Gas zwischen der Kathode und dem Gitter, um innerhalb der Kathode ein Plasma zu erzeugen. Das Gitter weist eine im allgemeinen hohe Transparenz auf, aber mit Öffnungen, die klein genug sind, um den Durchgang von Plasma durch das Gitter zu verhindern. Eine im allgemeinen transparente Anode auf der der Kathode gegenüberliegenden Seite des Gitters erhält ein hohes positives elektrisches Potential aufrecht, um aus dem Plasma hinter dem Gitter einen Elektronenstrahl zu extrahieren. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Elektronenkanone ist die Kathodeninnenfläche aus einem chemisch aktiven Metall gebildet, und das Gas ist mit einem Spurenbetrag von Sauerstoff dotiert, um ein Oxid des Metalls zu bilden, wodurch der sekundäre Ertrag von Elektronen von der Kathode erhöht und ein Betrieb im niedrigeren Druckbereich ermöglicht wird. Strahlverluste sind dadurch reduziert, daß die Kathode, das Gitter und die Anode mit jeweiligen Sätzen von Öffnungen vorgesehen sind, die aufeinander ausgerichtet sind. Das Gitter, die Anode und die Endfläche der Kathode sind konkav gekrümmt im Verhältnis zum Strahl, um den Strahl geometrisch zu fokussieren, während die Außenfläche der Hohlkathode zylindrisch ist, um einen Elektronenstrahl mit im wesentlichen kreisförmigem Querschnitt zu erzeugen.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Weitere Einzelheiten, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigt:
Fig. 1 ein Diagramm einer in der Erfindung verwendeten neuen Konfiguration einer Elektronenkanone;
Fig. 2 eine Schnittansicht einer bevorzugten Elektronenkanone mit mehrfachen Öffnungen, die mit einem gewellten Wellenleiter gekoppelt ist, um eine Langsamwellenröhre mit einem Mikrowellenausgang zu bilden;
Fig. 3 eine Darstellung des eigenmagnetischen Einschnürungseffektes, der zum Einschränken des Elektronenstrahls beiträgt;
Fig. 4 eine Gruppe von Kurven zur Veranschaulichung von Hohlkathoden- und Strahlstromimpulsen, die bei einer Demonstration der Erfindung erzeugt wurden;
Fig. 5 eine Kurve des Elektronenstrahlstromes in Abhängigkeit von dem Hohlkathoden-Entladungsstrom;
Fig. 6 eine Kurve des Hohlkathoden-Entladungsstroms und der Entladungsspannung in Abhängigkeit von Zeit;
Fig. 7 eine Kurve der Ausgangsfrequenz in Abhängigkeit von der Strahlspannung;
Fig. 8 eine Schnittansicht eines experimentellen Systems, das verwendet wurde, um die Anwendung der Erfindung als Langsamwellenröhre zu demonstrieren;
Fig. 9 eine Schnittansicht der bevorzugten Elektronenkanone mit mehrfachen Öffnungen, die mit einem zylindrischen Wellenleiter gekoppelt ist, um eine Plasmawellenröhre mit einem Mikrowellen- oder Millimeterwellenausgang zu bilden; und
Fig. 10 eine Gruppe von Kurven zur Veranschaulichung des bei einer Demonstration der Plasmawellenröhre erhaltenen Frequenzganges.
Der Mikrowellen-/Millimeterwellenoszillator der vorliegenden Erfindung verwendet eine "weiche", teilweise gasgefüllte Vakuumröhre, um eine elektromagnetische Strahlung mit höherer Leistung zu erzeugen im Gegensatz zu den früheren "harten" Röhren (mit sehr hohem Vakuum). Er verwendet den herkömmlichen Ansatz der Kopplung einer Elektronenstrahl-Raumladungswelle mit einer elektromagnetischen Wellenleitermode. Er vereinfacht jedoch beträchtlich den Entwurf und die Herstellung eines Hochleistungsoszillators, während er gleichzeitig seine Leistungsfähigkeit um einen weiten Bereich verstärkt. Dies wird durch die Kombination von drei synergistischen, auf Plasma beruhenden Technologien erreicht. Sie umfassen eine Kathodenelektrodenkanone mit stabilisiertem Plasma, Strahltransport in einem Niederdruckgas durch Ionenfokussierung und Bennett-Einschnürung, und verbesserte Kopplung durch Brechungseffekte und kollektive Wechselwirkung von Strahl und Plasma. Diese Elemente sind synergistisch, da das Gas, das zur Erzeugung des Plasmas in der Elektronenkanone durch den Strahl verwendet wird, ionisiert wird, um die Propagierung des Strahles zu ermöglichen, ohne starke Magnetfelder anwenden zu müssen, und das ionisierte Gas im Strahl auch die Kopplung verbessert. Die beiden letzteren Effekte können bei herkömmlichen Mikrowellenröhren nicht erzielt werden, da das Gas die Kathode vergiften und/oder einen Durchbruch im Hochspannungsspalt der Elektronenkanone verursachen würde.
Eine neue Konfiguration einer Elektronenkanone ist in Fig. 1 dargestellt. Sie verwendet eine Hohlkathodeneinfassung 2, die mit einem ionisierbaren Gas auf dem gewünschten Druck gefüllt ist. Gase wie Wasserstoff und Neon können verwendet werden, aber Helium ist wegen seiner Fähigkeit, hohen Spannungsniveaus zu widerstehen, bevorzugt.
Ein Entladungsgitter 4 ist unmittelbar außerhalb einer mit Öffnungen versehenen Auslaßoberfläche 6 in der Wand der Hohlkathode angeordnet. Ein hohes Verhältnis der Kathodenfläche zur Gitterfläche ist vorgesehen, um eine ausreichende Einschränkung von ionisierenden Elektronen innerhalb der Hohlkathode und somit die Erzeugung eines hochdichten Plasmas bei niedrigen Gasdrücken herzustellen. Ein Plasma wird durch Anlegen eines negativen Impulses relativ zum Entladungsgitter von einem Entladungsimpulsgeber 8 an die Hohlkathode in der Hohlkathode erzeugt und moduliert. Ein Erregeranodendraht 10 ist in die Hohlkathode eingesetzt und auf etwa 1 kV vorgespannt, um zwischen den Impulsen eine kontinuierliche Entladung mit Niedrigstrom (etwa 10 mA) aufrechtzuerhalten, so daß der Hochstrom-Entladungsimpuls mit dem Befehl des geringen Jitters initiiert werden kann. Das Entladungsgitter 4 weist eine hohe optische Transparenz in der Größenordnung von etwa 80% auf, aber mit sehr kleinen Öffnungen von etwa 250 um, durch welche Elektronen aus dem Plasma extrahiert werden. Durch Steuern der Plasmadichte mit dem Entladungsimpulsgeber und Zurückhalten des Plasmas hinter dem Gitter können langandauernde Enladungsimpulse erzeugt werden, ohne daß das Plasma den Aufbau bei hohen Spannungsniveaus überbrückt.
Ein hochdichtes Plasma in der Größenordnung von etwa 3 × 10¹² cm&supmin;³ bei einer Stromdichte von 60 A/cm² wird hinter dem Gitter gebildet. Elektronen werden aus dem Plasma extrahiert und in einer Emission mit hoher Stromdichte auf eine hohe Energie beschleunigt, indem ein hohes positives Potential an eine Anodenelektrode 12 gelegt wird, die auf der der Hohlkathode 2 gegenüberliegenden Seite des Gitters 4 angeordnet ist. Die Belastung im Spalt zwischen der Anode 12 und dem Gitter 4 durch das elektrische Feld wird unterhalb eines Wertes gehalten, der durch Feldemission und sich daraus ergebenden hohen Spannungsdurchbruch auf etwa 100 kV/cm begrenzt ist. Die Spannung kann auch durch Paschen- Durchbruch begrenzt sein, wenn das Produkt aus dem Gasdruck und dem Spaltabstand, oder Pd, einen typischen Wert von 40 Pa cm (0,3 Torr-cm) übersteigt. Ein Paschen-Durchbruch kann bei sehr hohen Strahlspannungen durch die Verwendung einer mehrstufigen Beschleunigungsanordnung vermieden werden, bei der das gesamte Anodenpotential über mehrere Anodenaufbauten abgestuft ist, die durch kleine Lücken voneinander getrennt sind.
Das Material der Hohlkathode in der Elektronenkanone weist ein Metall auf, vorzugsweise ein nicht-magnetisches Metall wie Edelstahl, Molybdän, Wolfram oder Chrom. Diese Materialien bieten eine angemessene Sekundärelektronenemission für den Betrieb einer Hohlkathoden-Glühentladung. Eine Entladung mit hohem sekundärem Elektronenertrag von der Kathode kann erhalten werden, indem man die Kathodenoberfläche mit einem Oxid eines leichten, chemisch reaktionsfreudigen Metall wie Aluminium, Beryllium oder Magnesium beschichtet. Dies wird erreicht, indem die Kathode aus dem gewünschten Metall gebildet und das Füllgas mit einem Spurenbetrag von O&sub2; dotiert wird, vorzugsweise etwa 0,03 Pa (0,2 mTorr). Diese Anordnung resultiert in einer dünnen Schicht von Metalloxid auf der Hohlkathodenoberfläche, welche die Arbeitsfunktion herabsetzt und den sekundären Elektronenertrag der Kathode verbessert. Der höhere Ertrag erhöht die Ionisationsrate und erlaubt die Erzeugung eines hochdichten Plasmas bei einem niedrigeren Druck. Dies macht wiederum die Verwendung großer Spaltabstände für Elektronenkanonen mit sehr hohen Spannungen in der Größenordnung von 400 kV möglich, ohne daß sich ein Paschen-Durchbruch ereignet. Die Extraktionsspannung wird von einer Hochspannungsquelle 14 an die Anode geliefert.
Während eine ausreichend hohe Strahlstromdichte theoretisch erzielt werden kann, indem einfach das Verhältnis der Emissionsfläche der Anode zum Abstand zwischen dem Gitter und der Anode erhöht wird, gerät der Strahl in der Praxis aus der Fokussierung, wenn der Durchmesser der Anodenöffnung zu einem beträchtlichen Bruchteil des Spaltes zwischen dem Gitter und der Anode wird. Gemäß der Erfindung wird jedoch eine hohe Netto-Perveanz (die als I/V3/2 definiert ist, wobei I der raumladungsbegrenzte Strom des Strahles und V die Anodenspannung ist) durch die Verwendung von mehrfachen Öffnungen erreicht. In dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist eine hexagonale Anordnung von kreisförmigen Öffnungen in der Hohlkathode mit einer ähnlichen Anordnung von Öffnungen 30 in der Anode und dem Gitter ausgerichtet, so daß die Gesamtperveanz gleich der Perveanz pro Öffnung multipliziert mit der Anzahl von Öffnungen ist. Durch die Verwendung eines Elektronenstrahlbahn-Folgecomputercodes, der Raumladungsfelder anzeigt, kann die Strahloptik so ausgelegt werden, daß sie eine Anordnung von Elektronen-Teilstrahlen 32 erzeugt, welche die Anodenelektrode 12 nicht schneiden. Der Auslaß 6 der mit Öffnungen versehenen Kathode, das Entladungsgitter 4 und die Anode 12 sind vorzugsweise im Verhältnis zum Strahl konkav gekrümmt, um eine geometrische Fokussierung der Teilstrahlen 32 zu erhalten, welche sich in einen einzigen Strahl 34 mit kreisförmigem Querschnitt vereinigen, der in das gewellte Wellenleitergehäuse 16 injiziert wird.
Die Ionisierung des Füllgases durch die Strahlelektronen erzeugt Ionen, die den Strahl neutralisieren und eine Raumladungsexplosion verhindern. Eine stabile Propagierung des Strahles mit einem im Gleichgewicht befindlichen Strahldurchmesser wird erhalten, indem der verbleibende Außenthermaldruck im Strahl mit der magnetischen selbsteinschnürenden Bennett-Kraft und die elektrostatische Kraft zur Beschränkung der positiv geladenen Ionen balanciert werden. Die Magnetkraft ergibt sich aus dem Axialstrom im Strahl, der ein azimutales Magnetfeld erzeugt. Dieses Feld wirkt zurück auf den Strom, wie in Fig. 3 gezeigt ist, um eine nach innen gerichtete Kraft auf den Strahl 34 zu erzeugen, während er aus einer Anodenöffnung 36 austritt.
Fig. 4 zeigt Oszillogramme der Hohlkathodenentladung und der Strahlstromimpulse für eine praxisgerechte Reduktion der mit 53 kV arbeitenden Elektronenkanone, mit einer Stromdichte von 14 A/cm² und einer Impulsdauer von 12 Mikrosekunden. Der Strahlstrom kann bis zu einem raumladungsbeschränkten (SCL-)Niveau gesteuert werden durch Variieren des Hohlkathodenentladungsstromes, wie in Fig. 5 gezeigt ist. Das Verhältnis der beiden Ströme ist fast identisch gleich zur Hohlkathoden-Gitter-Transparenz. Es wurde demonstriert, daß die 5 cm²-Kathode in der Lage ist, 60 A/cm² Emission über einen 100 us langen Impuls zu liefern, indem die Hohlkathodenentladung 100 us lang bei 300 A betrieben wird; der Entladungsstrom und die Entladungsspannung sind in Fig. 6 gezeigt. Im allgemeinen sind lange Strahlimpulse in der Größenordnung von etwa 1 - 100 us bevorzugt.
Die beschriebene Elektronenkanone wird verwendet, um einen Elektronenstrahl in einen Wellenleiteraufbau zu injizieren. Die Betriebscharakteristiken der Anordnung können durch Steuern des internen Gasdruckes einfach gesteuert werden. Bei einem Gasdruck im ungefähren Bereich von 0,13 - 0,7 Pa (1 - 5 mTorr) kann die Anordnung so konstruiert werden, daß sie als Langsamwellenröhre mit einem Mikrowellenausgang arbeitet. Ein Betrieb als Langsamwellenoszillator wird bei deutlich geringeren Drücken als 0,13 Pa (1 mTorr) nicht erreicht aufgrund des Mangels an ausreichendem Plasma, um eine Raumladungsexplosion des Strahles zu verhindern. Bei einem höheren Druck im ungefähren Bereich von 1,3 - 3 Pa (10 - 20 mTorr) kann die Anordnung als Plasmawellenröhre mit einem Breitband-Mikrowellen- und/oder Millimeterwellen- Strahlungsausgang arbeiten. Niedrigere Gasdrücke erzeugen im allgemeinen nicht ein ausreichendes Plasma für die Plasmawellenröhre-Betriebsmode, während wesentlich höhere Gasdrücke dazu tendieren, einen Durchbruch in der Elektronenkanone zu verursachen. Für die Anwendung als Langsamwellenröhre stellte sich eine minimale Elektronenstrahl-Stromdichte von etwa 1 A/cm² als nötig heraus, um eine elektromagnetische Strahlung zu erzeugen; ein Minimum von etwa 10 A/cm² stellte sich als nötig heraus für die Anwendung als Plasmawellenröhre. Typische Strahlstromdichten liegen im Bereich von 50 - 100 A/cm².
Eine durch Kopplung der neuartigen Elektronenkanone mit einem herkömmlichen gewellten Wellenleitergehäuse 16 gebildete Langsamwellenröhre ist in Fig. 2 gezeigt. Die Elektronenkanone und das Wellenleitergehäuse werden mit Heliumgas aus einem Tank 20 versorgt durch ein jeweiliges Nadelventil 22 und 24; weitere Gasversorgungen wie ein ZrH&sub2;-Gastank, welcher erwärmt wird, um Wasserstoff abzugeben, könnten auch verwendet werden. Eine Isolierbuchse 26 ist um das Äußere der Kanone vorgesehen, wobei (hier nicht gezeigte) elektrische Verbindungen zur Hohlkathode 2, zum Entladungsgitter 4 und zur Anode 12 durch die Stecker 28 hergestellt sind.
Der gewellte Wellenleiter 16 dient als Langsamwellenaufbau zur Reduzierung der Phasengeschwindigkeit des elektromagnetischen Wellenleitermodus, um die Geschwindigkeit des Elektronenstrahls, der mit weniger als Lichtgeschwindigkeit driftet, anzupassen. Raumladungswellen am Strahl können dann resonant mit Wellenleitermoden gekoppelt werden, um Energie aus dem Strahl an die Mikrowellenfelder zu übertragen. Da der Strahl nicht wie in einem Laser mit freien Elektronen auf die erste Größenordnung in der Querrichtung gestört wird, stehen die Strahlelektronen in erster Linie in Wechselwirkung mit den axialen Komponenten des Mikrowellenfeldes, die von den Wellungen im Wellenleiter unterstützt werden. Somit werden in erster Linie transversal-magnetische (TM-) Moden erzeugt. Eine Ausgangs-Hornantenne 35 strahlt die abgegebene elektromagnetische Energie in eine bevorzugte Richtung im Raum ab.
Das Vorhandensein von Plasma im Wellenleiter verstärkt die anwachsenden Wellen weiter, da der Brechungseffekt des Plasmas die Wellenlänge der Strahlung und damit den Kopplungseffekt des Strahles mit dem Langsamwellenaufbau erhöht. Es wird angenommen, daß auch die Erregung von Elektron-Plasma-Wellenharmonischen aus der Wechselwirkung von Strahl und Plasma die Strahlbündelung und Langsamwellenkopplung verbessert.
Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Strahlstrom ausreichend hoch, so daß die Verstärkung der Mikrowellenfelder in einem Durchgang des Strahles durch den Wellenleiter wesentlich größer als 1 ist. Somit ist die Erfindung in der Lage, als Hochleistungsoszillator zu arbeiten, ohne die Notwendigkeit, einen Abschnitt der Strahlung zurück in den Wellenleiter zu reflektieren, um den Wellenleiter als Hohlraum arbeiten zu lassen. Bei alternativen Ausführungsbeispielen kann jedoch ein Strahl mit niedrigem Strom verwendet werden, wenn bei einer Arbeitsweise die Verstärkung geringer als 1 ist. In diesem Fall können Reflektoren an den Enden des gewellten Wellenleiters angeordnet werden, um einen Hohlraum mit einem hohen Q-Wert zu bilden. Der Hohlraum wäre dann in der Lage, die wachsenden Mikrowellenfelder einzufangen und einen Oszillatorbetrieb mit sehr enger Zeilenbreite mit niedrigem Strahlstrom zu erlauben. In einer solchen Konfiguration verwendbare Reflektoren sind beispielsweise in der schwebenden Patentanmeldung mit dem amtlichen Aktenzeichen Nr. 031,327 beschrieben, die am 27. März 1987 hinterlegt wurde auf "Ideal Distributed Bragg Reflectors and Resonators" für R. J. Harvey (US-A-9745617), und im US-Patent Nr. 4,697,272, erteilt am 6. April 1987 für R. J. Harvey für "Corrugated Reflector Apparatus and Method for Free Electron Lasers", beide angemeldet im Namen der Hughes Aircraft Company, der Anmelderin der vorliegenden Erfindung.
Eine praxisgerechte Reduzierung der Langsamwellenröhre ist in Fig. 8 gezeigt; gemeinsame Elemente mit denjenigen in vorangegangenen Figuren sind durch gleiche Bezugszeichen identifiziert, und ähnliche elektrische Versorgungsschaltungen (hier nicht gezeigt) wurden verwendet. Der gewellte Wellenleiter 16 wurde als gewöhnliches, flexibles Wasserrohr aus Kupfer ausgeführt. Der durchschnittliche Radius war 9,2 mm, der Unterschied zwischen minimalem und maximalem Radius betrug 2,2 mm, und die gewellte Periode betrug 7,6 mm. Die Anodenspannung wurde von einer Anodenverlängerungsröhre 38 her von einer Leitung 40 durch eine Buchse 42 zugeführt. Die gesamte Anordnung war im Inneren eines geerdeten Vakuumgehäuses 44 vorgesehen, das durch eine Vakuumpumpe 46 evakuiert wurde.
Eine graphische Darstellung der vorhergesagten Ausgangsfrequenz für die Langsamwellenröhre von Fig. 8 in Abhängigkeit von der Strahlspannung ist in Fig. 7 vorgesehen. Diese Kurve sagt voraus, daß die niedrigste Grenzfrequenzmode bei etwa 12 GHz erregt wird, wenn die Strahlspannung auf etwa 25 bis 30 kV eingestellt ist. Bei niedrigen Strahlströmen, bei denen die Wachstumsrate der Langsamwellen niedrig ist und die Verstärkung pro Durchgang durch den Wellenleiter weniger als 1 ist, erwartet man, daß die Vorrichtung nur bei Abschaltung oszilliert, da bei dieser Frequenz der Wellenleiter als Hohlraum mit hoher Qualität arbeitet. Die offenen Enden des Wellenleiters reflektieren die Mikrowellensignale und fangen die Signalwelle ein, wodurch sie es den Wellenfeldern ermöglichen, auf eine große Amplitude anzuwachsen.
Ein echter Betrieb als Langsamwellenoszillator wurde beobachtet, indem die Hohlkathodenkanone bei einem niedrigen Heliumdruck von 0,5 Pa (4 mTorr) betrieben wurde, so daß ein Plasma mit ausreichender Dichte in dem Wellenleiter erzeugt wurde, um einen guten Strahltransport zu erhalten, aber ohne so viel Plasma zu erzeugen, daß die Langsamwellen von dem Plasma selbst überbrückt worden wären. Dies erforderte eine über der Plasmafrequenz liegende Mikrowellensignalfrequenz, so daß die Plasmadichte geringer als 2 x 10¹² cm&supmin;³ war. Das System wurde mit 0,03 Pa (0,2 mTorr) Sauerstoff dotiert, um einen Betrieb bei diesem niedrigen Heliumdruck zu ermöglichen.
Während der Strahlstrom auf 30 - 35 A eingestellt war, wurde die Strahlspannung über den 10 41 kV-Bereich abgetastet. Es wurden Frequenzgänge beobachtet, die mit der Erregung des Abschalt-TM&sub0;&sub1; bei 12 - 13 GHz konsistent waren, von dem vorhergesagt war, daß es bei etwa 30 kV eintreten würde (siehe Fig. 7).
Die Anwendung der vorliegenden Erfindung als Plasmawellenröhre ist in Fig. 9 dargestellt. Die gleiche Elektronenkanone ist in der Anwendung als Langsamwellenröhre verwendet und durch die gleichen Bezugszeichen angedeutet. Bei der Anwendung als Plasmawellenröhre braucht die Wand des Wellenleiters jedoch nicht gewellt zu sein. Ein glattes, zylindrisches Wellenleitergehäuse 48 ist anstatt des gewellten Gehäuses des Langsamwellen-Anwendungsbeispiels vorgesehen.
Es zeigte sich, daß bei einem "weichen" Gasdruck im Inneren der Röhre ein Elektronenstrahl mit einer hohen Stromdichte das Gas mindestens teilweise ionisiert und eine Plasmawelle mit sehr großer Amplitude bildet. Bei einer ausreichend hohen Strahlstromdichte wird die Plasmadichte auf periodische Weise modifiziert, so daß sie als ein Streuaufbau der Plasmawellen erscheint; dies erzeugt wiederum eine rückwärts gestreute Plasmawelle. Das Ergebnis ist tatsächlich ein Paar von gegenläufigen Plasmawellen, die aus einem einzigen Elektronenstrahl erzeugt werden und sich nicht-linear mit dem Plasma koppeln, um eine elektromagnetische Strahlung zu erzeugen. Vormals mußten zu diesem Zweck zwei separate Elektronenstrahlen erzeugt werden, wie beispielsweise in der ebenfalls schwebenden US-Patentanmeldung mit dem amtlichen Aktenzeichen Nr. 181,340, "Improved Plasma Wave Tube", die am 14. April 1988 für Robert W. Schumacher et al. hinterlegt wurde von der Anmeldering Hughes Aircraft Company (US-A-4916361).
Zusammen mit dem Einführen eines Paares von gegenläufigen Plasmawellen erzeugt der Elektronenstrahl genügend Ionen aus dem Gas, um die Raumladung wirksam zu neutralisieren, wodurch eine Raumladungsexplosion verhindert und der Strahl ohne die Verwendung von Magnetfeldern beschränkt wird. Das Ergebnis ist ein höherer Leistungsausgang und die Vermeidung der Raumladungs-Spannungsabsenkung, axiale Geschwindigkeitsabscherung, Komplexität und Aufwand, die mit magnetischen Systemen verbunden sind.
Der Betrieb als Plasmawellenröhre wurde demonstriert, indem der Heliumgasdruck auf 2 Pa (15 mTorr) erhöht wurde, was die Plasmadichte im Wellenleiter erhöhte. In dieser Mode ist die Langsamwellen-Oszillationsfrequenz geringer als die Plasmafrequenz, und die Plasmadichte ist höher als 2 × 12 cm&supmin;³. Der Elektronenstrahl treibt intensive Elektronenplasmawellen an, welche das Hintergrundplasma nicht-linear modulieren, wodurch Plasmastrukturen mit einer Frequenz nahe Null erzeugt werden. Die vorwärts angetriebenen Wellen streuen sich an den Aufbauten und erzeugen rückwärts gestreute Plasmawellen. Endlich koppeln sich die nach vorwärts und rückwärts fortpflanzenden Wellen und erzeugen eine Wellenleitermode bei einer Frequenz, die zweimal so hoch wie die Plasmafrequenz ist. Da das Plasma ziemlich ungleichförmig ist, ergibt sich eine Ausbreitung in der Plasmafrequenz und folglich ein Breitbandausgang mit Mikrowellen-/Millimeterwellenfrequenz.
Fig. 10 ist eine Reihe von graphischen Darstellungen von Oszilloskoplinien, die den mit einem bei 2 Pa (15 mTorr) arbeitenden System erhaltenen Breitbandausgang, eine Entladungsspannung von 33 kV und einen Entladungsstrom von 30 A darstellen. Ein X-Bandfilter wurde verwendet, um das untere Ende des Frequenzausgangs zu erfassen. Obwohl X-Band-Detektoren über einen Bereich von etwa 8 bis 12 GHz sehr effektiv sind, sind sie Hochpaßfilter, die auch gegenüber höheren Frequenzen empfindlich sind. Die untere Grenze der Ausgangsfrequenz wurde auf der Grundlage der Wellenleiterabmessungen und Plasmadichte als 15 GHz errechnet. Ein Frequenzgang von bis zu 40 GHz im Ka-Band wurde beobachtet.
Die obenstehende Demonstration ist von großer Wichtigkeit für die Entwicklung der Plasmawellenröhre, da sie beweist, daß die Strahlung einer Plasmawellenröhre von einem einzigen Hochstromdichtestrahl angetrieben werden kann. Wo vormals nur Niederstromdichtenstrahlen mit weniger als 2 A/cm² verwendet wurde, war immer ein Paar von gegenläufigen Strahlen erforderlich. Die Verwendung nur eines einzigen Strahles vereinfacht die Konstruktion der Plasmawellenröhre, die Ausgangskopplung und die Rückgewinnung der Strahlenergie.
Während die hier als Teil der Erfindung beschriebene neue Elektronenkanone eine primäre Anwendung auf Langsamwellenröhren und Plasmawellenröhren besitzt, kann sie auch für weitere Anwendungen nützlich sein. Zu diesen könnten die Verwendung der Elektronenkanone zum Betreiben eines Lasers oder zum Freilegen von Abdeckmaterial in Verbindung mit Elektronenstrahl-Lithographie gehören.
Es wurden verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung gezeigt und beschrieben. Da sich zahlreiche Variationen und alternative Ausführungsbeispiele für den Fachmann ergeben, soll die Erfindung nur im Sinne der Patentansprüche eingeschränkt sein.

Claims

1. Hochstrom-Elektronenkanone, welche aufweist:

eine Hohlkathode (2) mit mehreren Auslässen,

Mittel (18, 20, 22, 24) zum Einführen eines ionisierbaren Gases in die Kathode,

ein perforiertes Gitter (4), welches an die Mehrzahl von Kathodenauslässen angrenzend angeordnet ist, wobei das Gitter Öffnungen aufweist, die klein genug sind, um den Durchgang von Plasma zu verhindern,

Mittel (8, 10) zum Herstellen einer elektrischen Glühentladung zwischen der Kathode (2) und dem Gitter (4), um in der Kathode (2) ein Plasma zu erzeugen,

eine perforierte Anode (12) auf der der Kathode (2) gegenüberliegenden Seite des Gitters (4), und

Mittel (14) zum Anlegen eines elektrischen Potentials an die Anode (12) zum Extrahieren eines Elektronenstrahls (4) aus dem hinter dem Gitter (4) befindlichen Plasma,

wobei Kathode und Anode (12) jeweilige Gruppen von Öffnungen aufweisen, welche für den Erhalt eines Strahls hoher Perveanz zueinander angeordnet sind.

2. Elektronenkanone nach Anspruch 1, bei der die innere Kathodenoberfläche aus einem nicht-magnetischen Metall gebildet ist.

3. Elektronenkanone nach Anspruch 1 oder 2, bei der die innere Kathodenoberfläche aus einem chemisch aktiven Metall gebildet ist, und das Gaseinführungsmittel (18, 20, 22, 24) Mittel (20, 24) zum Dotieren des Gases mit einem Spurenbetrag an Sauerstoff aufweist, welcher mit dem Metall reagiert und ein Oxid davon bildet, wodurch der sekundäre Elektronenertrag von der Kathode (2) verbessert wird.

4. Elektronenkanone nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der die Kathode, das Gitter (4) und die Anode (12) in Bezug auf den Strahl (34) konkav gekrümmt sind, um den Strahl geometrisch zu fokussieren.

5. Elektronenkanone nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Hohlkathode (2) zylindrisch ist, um einen Elektronenstrahl (34) mit einem im wesentlichen kreisförmigen Querschnitt zu erzeugen.

6. Oszillator zum Erzeugen einer elektromagnetischen Strahlung im Bereich von Mikrowellen bis Millimeterwellen, welcher aufweist:

ein Wellenleitergehäuse (16; 48),

Mittel zum Einführen eines ionisierbaren Gases in das Wellenleitergehäuse (16; 48),

eine Elektronenkanone nach einem der vorstehenden Ansprüche zum Injizieren eines Elektronenstrahls (32, 34) in das Wellenleitergehäuse (16; 48),

Mittel (46) zum Aufrechterhalten des Gasdruckes im Inneren des Wellenleitergehäuses (16; 48) auf einem Niveau, das niedrig genug ist, um einen Spannungsdurchbruch des Strahls (32, 34) zu verhindern, und hoch genug ist, um genügend Ionen für eine im wesentlichen Neutralisierung der räumlichen Ladungsausdehnung des Strahls zur Verfügung zu stellen, wobei die Elektronenkanone den Strahl (32, 34) in das Wellenleitergehäuse (16; 48) mit einer Stromdichte injiziert, welche ausreicht, um das Gas darin zumindest teilweise zu ionisieren und bei dem Gasdruck eine elektromagnetische Strahlung zu erzeugen.

7. Oszillator nach Anspruch 6, worin der Gasdruck in dem ungefähren Bereich von 0,13 bis 3 Pa (1 bis 20 mTorr) aufrechterhalten ist.

8. Oszillator nach Anspruch 6 oder 7, welcher als Röhre für langsame Wellen ausgeführt ist, wobei das Wellenleitergehäuse (16) eine gewellte Wand aufweist, worin der Gasdruck in dem ungefähren Bereich von 0,13 bis 0,7 Pa (1 bis 5 mTorr) aufrechterhalten ist.

9. Oszillator nach Anspruch 6 oder 7, welcher als Plasmawellenröhre ausgeführt ist, worin der Gasdruck in dem ungefähren Bereich von 1,3 bis 3 Pa (10 bis 20 mTorr) aufrechterhalten ist.

10. Oszillator nach einem der Ansprüche 6 bis 9, worin die Elektronenröhre einen Strahl mit einer Stromdichte von mindestens etwa 1 A/cm² erzeugt.

11. Oszillator nach einem der Ansprüche 6 bis 10, worin das Mittel zum Einführen eines ionisierbaren Gases in das Wellenleitergehäuse (16; 48) das ionisierbare Gas auch in die Elektronenkanone einführt bei einem Druck, der in etwa gleich dem Druck im Inneren des Wellenleitergehäuses (16; 48) ist.

12. Oszillator nach einem der Ansprüche 6 bis 11, wobei die Elektronenkanone Mittel aufweist zum Herstellen einer elektrischen Glühentladung durch das ionisierbare Gas innerhalb der Kanone, um darin ein Plasma herzustellen, wobei das Plasma eine Elektronenquelle für den Strahl (32, 34) zur Verfügung stellt.

13. Oszillator nach Anspruch 12, wobei die Elektronenkanone Mittel (8) zum Erzeugen der Entladung in Impulsen mit einer Dauer von etwa 1 bis 100 us aufweist.

14. Oszillator nach einem der Ansprüche 6 bis 13, wobei die Elektronenkanone den Elektronenstrahl (32, 34) in ein Ende des Wellenleitergehäuses (16; 48) injiziert, und welcher des weiteren am gegenüberliegenden Ende des Wellenleitergehäuses (16; 48) eine Hornantenne (35) zum Emittieren einer ausgegebenen elektromagnetischen Strahlung aufweist.

15. Elektronenkanone und/oder Oszillator nach einem der vorstehenden Ansprüche, worin das Gas Helium ist.

16. Oszillator nach einem der Ansprüche 6 bis 15, worin das Wellenleitergehäuse (16; 48) eine glatte zylindrische Wand aufweist und ein einzelner Elektronenstrahl in das Gehäuse (16; 48) injiziert wird, um ein Paar von gegenläufigen Plasmawellen zu erzeugen.