DE68917081T2

DE68917081T2 - Hochfrequenz-Oszillator.

Info

Publication number: DE68917081T2
Application number: DE68917081T
Authority: DE
Inventors: Tadashi Intellectual P Okamoto; Shoichi Intellectual Prope Ono; Kuniyoshi Intellectual P Yokoo
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1988-10-31
Filing date: 1989-10-27
Publication date: 1994-11-10
Anticipated expiration: 2009-10-28
Also published as: JPH02265146A; EP0367155A3; JPH0817081B2; EP0367155A2; DE68917081D1; EP0367155B1; US4988956A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Hochfrequenz-Oszillator gemäß dem ersten Teil von Anspruch 1 und besonders auf einen Hochfrequenz-Oszillator mit einem Hochfrequenz-Schaltungsaufbau, der einen resonanten Hohlraum und einen Wellenleiter umfaßt, in dem jedes der in einem magnetischen Gleichfeld kreisenden Elektronen mit elektromagnetischen Wellen der TE-Mode wechselwirkt, die sich innerhalb der Hochfrequenz-Schaltungsaufbaus ausbreiten, um dadurch elektromagnetische Wellen mit Wellenlängen in der Größenordnung von Millimetern bis Sub-Millimetern zu oszillieren.
Ein derartiger Oszillator ist aus JP-A-60115132 bekannt, dessen Patentzusammenfassung später diskutiert werden wird.
Eine der bekannten Elektronenröhren dieser Art ist das Peniotron. Wie in der japanischen Patentveröffentlichung Nr. 45-35334 und der japanischen Patentbekanntgabe Nr. 61-273833 offenbart, ist das Peniotron eine Hochleistungs-Elektronenröhre, die einen Hochfrequenz-Schaltungsaufbau umfaßt und aufgrund des Phasentrennungseffekts, der aus der Wechselwirkung zwischen in einem magnetischen Gleichfeld kreisenden Elektronen und sich innerhalb des Schaltungsaufbaus ausbreitenden elektromagnetischen Wellen resultiert, elektromagnetische Wellen oszilliert oder verstärkt.
Das Peniotron nutzt den Effekt, der aus den Bewegungen von Führungszentren resultiert, um die Elektronen in einem räumlich nicht einheitlichen, hochfrequenten elektromagnetischen Feld kreisen. Jedes Elektron wird jedes Mal wenn es um das Führungszentrum kreist, abwechselnd beschleunigt und abgebremst. Die Beschleunigungen und Abbremsungen jedes Elektrons summieren sich allmählich. Bei dieser Wechselwirkung ist die nachfolgende Abbremsung stärker als die vorherige Beschleunigung. Die kinetische Energie jedes Elektrons, die der angehäuften Abbremsung entspricht, wird in elektromagnetische Hochfrequenzenergie umgewandelt. Die wesentliche Eigenschaft der Arbeitsweise des Peniotrons ist der Energieaustausch zwischen den einzelnen Elektronen und dem hochfrequenten elektromagnetischen Feld. Die Arbeitsweise des Peniotrons unterscheidet sich grundlegend von der des Klystrons oder des Gyrotrons, in denen das elektromagnetische Feld verstärkt oder oszilliert wird, weil eine Bündelung von Elektronen mit dem elektromagnetischen Feld wechselwirkt. Folglich kann das Peniotron unabhängig von der Phasenbeziehung zwischen den Elektronen und dem hochfrequenten elektromagnetischen Feld einen Betrieb durchführen, in dem die Elektronen in Gang sind. Alle Elektronen werden deshalb wegen des Phasentrennungseffekts im bremsenden elektrischen Feld der elektromagnetischen Wellen gefangen. Theoretisch kann die gesamte kinetische Energie der Kreisbewegung der Elektronen in Energie der elektromagnetischen Wellen umgewandelt werden. Aus dieser Sicht kann ein außerordentlich hoher Wirkungsgrad der Energieumwandlung von den Elektronen zu den elektromagnetischen Wellen erwartet werden.
Der herkömmliche, oben beschriebene Oszillator kann die kinetische Energie in der Längsrichtung der Röhre nicht in Energie der elektromagnetischen Wellen umwandeln. Mit einem Oszillator nach dem Stand der Technik ist es unmöglich, den Wirkungsgrad der Energieumwandlung auf einen Wert nahe 100 % zu erhöhen, ohne daß der Oszillator mit einem perfekten unterdrückten Kollektor ausgestattet wird. Ein weiteres Problem am herkömmlichen Oszillator ist, daß der resonante Hohlraum und der Wellenleiter des Hochfrequenz- Schaltungsaufbaus um so kleiner sein sollten, je höher die Frequenz der elektromagnetischen Wellen ist. Je kleiner der resonante Hohlraum und der Wellenleiter sind, desto niedriger ist die widerstehende elektrische Leistung, da der zulässige Verlust der Schaltung an elektrischer Leistung begrenzt wird. Desweiteren erfordert der Oszillator ein starkes magnetisches Gleichfeld und die Frequenz der elektromagnetischen Wellen ist beschränkt. Die bis jetzt entwickelten Oszillatoren können bei einer Betriebsfrequenz von 45 GHz bestenfalls 10 kW liefern.
Das zum Stand der Technik gehörende Dokument PATENT ABSTRACTS OF JAPAN, Vol. 9, No. 270 (E-353) (1993), 26. Oktober 1985 & JP-A-60 115 132 (NIPPON DENKI K.K.), 21. Juni 1985 offenbart eine Ultra-Hochfrequenz-Elektronenröhre, in der eine Hochfrequenzschaltung einen zylindrischen Hohlraumresonator enthält, der in seiner Mitte bei der Betriebsfrequenz der Röhre in der TE&sub0;&sub2;&sub1;-Mode in Resonanz ist. Eine Elektronenkanonenseite hat einen Abschnitt mit kleinem Durchmesser, so daß die TE&sub0;&sub2;-Mode abgeschnitten werden kann und eine Steckerseite hat einen großen Durchmesser, so daß sich die TE&sub0;&sub2;-Mode ausbreiten kann. Zusätzlich tritt durch Einstellen einer Zylinderspule, so daß die Zyklotron-Winkelfrequenz ωc der Spiralbewegung eines Elektronenstrahls für die Doppler-verschobene Winkelfrequenz ω der elektromagnetischen Welle der TE&sub0;&sub2;&sub1;-Mode des runden zylindrischen Hohlraumresonators die Formel ω = (2n-1)ωc erfüllt, eine starke Wechselwirkung zwischen dem Elektronenstrahl und der elektromagnetischen Welle der TE&sub0;&sub2;&sub1;-Mode des zylindrischen Hohlraumresonators auf und die kinetische Energie des Elektronenstrahls wird in elektrische Energie umgewandelt und dann wird eine elektromagnetische Welle hoher Leistung erzeugt.
- Es ist das Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Hochleistungs-Hochfrequenzoszillator bereitzustellen, der eigenresonante Bedingungen erfüllt, die zum Oszillieren hochfrequenter elektromagnetischer Wellen erforderlich sind, deshalb einen Wirkungsgrad der Energieumwandlung hat, der so hoch wie der theoretische Wirkungsgrad der Energieumwandlung des Peniotrons ist und der elektromagnetische Wellen mit Wellenlängen in der Größenordnung von Millimetern bis Sub-Millimetern oszillieren kann.
Um dieses Ziel zu erreichen, stellt die vorliegende Erfindung einen Hochfrequenz-Oszillator wie in Anspruch 1 spezifiziert bereit. Die untergeordneten Ansprüche beschreiben besondere Ausführungsformen der Erfindung.
Es wird ein Hochfrequenz-Oszillator bereitgestellt, in dem jedes der kreisenden Elektronen, d.h. der umlaufenden und sich hin- und herbewegenden Elektronen und elektromagnetische Wellen in der TE-Mode innerhalb eines Hochfrequenz-Schaltungsaufbaus wechselwirken, wobei eigenresonante Bedingungen erfüllt werden, wenn die Phasengeschwindigkeit vp der Wellen gleich oder nahezu gleich der Lichtgeschwindigkeit c ist. Der Hochfrequenz-Schaltungsaufbau umfaßt einen resonanten Hohlraum und einen Ausbreitungs-Wellenlei ter, der mit dem Austrittsende des Hohlraums verbunden ist. Die Hochfrequenzleistung, die im Hohlraum oszilliert wird, wird genügend auf einen Wert unterdrückt, der kleiner als der der Hochfrequenzleistung ist, die vom Wellenleiter ausgegeben wird. Der Hochfrequenz-Oszillator dieser Erfindung wird in dieser Beschreibung als eigenresonantes Peniotron bezeichnet.
Der Oszillator führt im eigenresonanten Hohlraum eine vorbereitende Oszillation niedriger Leistung durch. Genauer gesagt wechselwirken Elektronen im Hohlraum zu einem verhältnismäßig niedrigen Grad mit einer elektromagnetischen Welle der TE-Mode, die sich entlang des Strahls ausbreitet. Folglich beeinflussen reflektierte, im Hohlraum erzeugte elektromagnetische Wellen die eigenresonanten Bedingungen nicht, so daß die eigenresonanten Bedingungen immer aufrechterhalten werden. Die Veränderungen des Verhaltens der Elektronen werden unterdrückt. Der Pegel der im Hohlraum oszillierenden Leistung kann durch Wählen des Q-Wertes des Hohlraums gesetzt werden. Ein Strahl aus den durch den Hohlraum laufenden Elektronen und die elektromagnetischen Wellen treten in den Ausbreitungs-Wellenleiter aus. Im Wellenleiter wechselwirken der Strahl und die Welle, während die eigenresonanten Bedingungen erhalten bleiben. Deshalb dient nicht nur die kinetische Energie der Kreisbewegung der Elektronen, sondern auch die kinetische Energie der Längsbewegung dazu, das elektromagnetische Feld im Ausbreitungs-Wellenleiter zu verstärken. Folglich hat der Oszillator einen hohen Wirkungsgrad der Energieumwandlung.
Diese Erfindung kann aus der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen besser verstanden werden, in denen
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Peniotrons gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
Fig. 2 eine Grafik ist, die erklärt, wie sich die kinetische Energie der Elektronen in der axialen Richtung des Oszillators ändert, wenn die Elektronen sich im in Fig. 1 gezeigten Ausbreitungs-Wellenleiter bewegen;
Fig. 3 eine Grafik ist, die das Verhältnis zwischen der oszillierenden Leistung im resonanten Hohlraum des Peniotrons ünd dem Wirkungsgrad der Energieumwandlung des Peniotrons darstellt;
Fig. 4, 5 und 6 ebenfalls Grafiken sind, die die Betriebseigenschaften eines weiteren Peniotrons gemäß der vorliegenden Erfindung zeigen.
Nun wird eine Ausführungsform der Erfindung mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen detailliert beschrieben werden.
Fig. 1 zeigt schematisch ein Peniotron, das eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist. Wie in Fig. 1 gezeigt ist, umfaßt das Peniotron einen Elektronenkanonen- Aufbau 11, einen Strahlführungsabschnitt 12, der mit dem Elektronenkanonen-Aufbau 11 gekoppelt ist, und einen resonanten Hohlraumabschnitt 13, der mit dem Strahlführungsabschnitt 12 verbunden ist. Der Elektronenkanonen-Aufbau 11 erstreckt sich in Richtung der z-Achse des Peniotrons. Der Abschnitt 12 führt den vom Aufbau 11 emittierten Elektronenstrahl in den resonanten Hohlraumabschnitt 13.
Das Peniotron umfaßt desweiteren einen Ausbreitungs-Wellenleiter 14, der mit dem Austrittsende des Abschnitts 13 verbunden ist, einen Kollektorabschnitt 15, der mit dem Ausgangsende des Wellenleiters 14 verbunden ist, und einen Ausgangs-Wellenleiter 17, der mit dem Ausgangsende des Kollektors 15 verbunden ist. Der Ausbreitungs-Wellenleiter 14 hat einen ähnlichen Querschnitt wie der resonante Hohlraumabschnitt 13 und der Kollektorabschnitt 15 ist zum Sammeln von Elektronen vorgesehen. Ein Fenster 16, das ein dielektrisches Glied ist, befindet sich innerhalb der Verbindung zwischen dem Kollektorabschnitt 15 und dem Ausgangs-Wellenleiter 17 und ist auf luftdichte Weise an der inneren Oberfläche der Verbindung angebracht.
Das Peniotron umfaßt desweiteren drei Magnetspuleneinheiten 18, 19 und 20. Die Spuleneinheiten 18 und 19 umgeben den Elektronenkanonen-Aufbau 11. Die Magnetspuleneinheit 20 umgibt sowohl den resonanten Hohlraumabschnitt 13 als auch den Ausbreitungs-Wellenleiter 14.
Der Elektronenkanonen-Aufbau 11 hat eine Kathode 21 und eine Beschleunigungsanode 22. Wenn sie geheizt wird, emittiert die Kathode 21 Elektronen aus ihrem umgebenden Bereich. Die Anode 22 beschleunigt die von der Kathode 21 emittierten Elektronen. Als Ergebnis davon emittiert der Elektronenkanonen-Aufbau 11 einen hohlen Elektronenstrahl e. Die Magnetspuleneinheiten 18 und 19, die beide den Elektronenkanonen-Aufbau 11 umgeben, erzeugen magnetische Gleichfelder mit vorherbestimmten Stärken. Wegen dieser magnetischen Gleichfelder führt jedes Elektron des hohlen Elektronenstrahls e eine Kreisbewegung aus. Die Magnetspuleneinheit 20 erzeugt ein magnetisches Gleichfeld mit einer vorherbestimmten Stärke, das sich beinahe parallel zur z- Achse des Peniotrons erstreckt, was bewirkt, daß die Elektronen des Elektronenstrahls e in einem vorherbestimmten Zyklus kreisen. Der resonante Hohlraumabschnitt 13 und der Ausbreitungs-Wellenleiter 14 haben einen inneren Durchmesser, der weit größer als die Wellenlänge der im Peniotron oszillierenden elektromagnetischen Wellen ist. Dies ermöglicht, daß die elektromagnetischen Wellen einer vorherbestimmten Mode sich durch den Wellenleiter 14 mit einer Phasengeschwindigkeit vp ausbreiten, die nahezu gleich der Lichtgeschwindigkeit c ist. Als Ergebnis davon bleiben das Innere des Hohlraums und des Wellenleiters unter eigenresonanten Bedingungen. Die im in Fig. 1 gezeigten Peniotron oszillierten elektromagnetischen Wellen haben eine vorherbestimmte Mode, in der das hochfrequente elektromagnetische Feld in einem Bereich, der entfernt vom Kreiselzentrum, um das die Elektronen umlaufen, liegt, stärker ist als in einem Bereich, der nahe diesem Zentrum liegt. Beispiele für solche Moden sind die TE&sub1;&sub1;-Mode für einen Wellenleiter mit rechtwinkligem Querschnitt und die TE&sub2;&sub1;-Mode für einen Wellenleiter mit kreisförmigem Querschnitt.
Die Wechselwirkung zwischen dem kreisenden Elektron und den elektromagnetischen Wellen einer bestimmten Mode erfolgt im resonanten Hohlraumabschnitt 13. Diese Wechselwirkung zwischen Elektron und Welle gibt einen Teil der kinetischen Energie des Elektrons an die elektromagnetische Welle ab. Dadurch werden elektromagnetische Wellen bestimmter Stärke und Mode oszilliert. Die so oszillierten elektromagnetischen Wellen breiten sich aus und der Elektronenstrahl läuft vom resonanten Hohlraum 13 in den Wellenleiter 14. Im Wellenleiter 14 wechselwirken die Wellen mit dem Elektronenstrahl und werden intensiviert oder verstärkt.
Das Peniotron, das wie beschrieben arbeitet, kann die kinetische Energie der Elektronen mit hohem Wirkungsgrad in Energie der elektromagnetischen Wellen umwandeln. Es wird erklärt werden, wie das Peniotron einen hohen Wirkungsgrad der Energieumwandlung erreicht.
Wie gezeigt wurde, wird die kinetische Energie des Elektronenstrahls in zwei Schritten in die der elektromagnetischen Wellen umgewandelt. Als erstes wird im resonanten Hohlraumabschnitt 13 ein Teil der kinetischen Energie an die elektromagnetischen Wellen abgegeben. Dann wird im Ausbreitungs-Wellenleiter 14, der mit dem Austrittsende des resonanten Hohlraumabschnitts 13 verbunden ist, der Rest der Energie an die elektromagnetischen Wellen abgegeben. Fig. 2 zeigt das Verhältnis zwischen der kinetischen Energie Eel des Elektronenstrahls und der Position innerhalb des Wellenleiters 14, wobei das Verhältnis durch eine Computersimulation bestimmt wurde, in der für den Wellenleiter die TE&sub2;&sub1;-Mode gewählt wurde und eigenresonante Bedingungen gesetzt wurden. Fig. 2 veranschaulicht, wie die durchschnittliche kinetische Energie von 24 Probeelektronen mit unterschiedlichen Einfallsphasen bezüglich der TE-Mode sich verändert, während sie durch den Wellenleiter 14 entlang dessen z-Achse in Richtung des Ausgangsendes des Wellenleiters 14 laufen. Wie die in Fig. 2 dargestellte Kurve zeigt, geben alle kreisenden, den Strahl formenden Elektronen ihre jeweiligen Energien an die elektromagnetischen Wellen ab und verlieren dann Energie - im wesentlichen in der selben Zeit, als wenn ein einzelnes Elektron eine große Energie an die elektromagnetischen Wellen abgeben und seine Energie verlieren würde. Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, erreichte das Peniotron einen maximalen Wirkungsgrad der Energieumwandlung von 95 %. Wie die Ergebnisse der Computersimulation nahelegen, kann das in Fig. 1 gezeigte Peniotron die kinetische Energie eines Elektrons mit einem Wirkungsgrad, der näherungsweise gleich 100 % ist, in Energie elektromagnetischer Wellen umwandeln, falls das Peniotron unter optimalen Betriebsbedingungen gehalten wird.
Dieser hohe Wirkungsgrad der Energieumwandlung könnte nicht erreicht werden, wenn die gesamte kinetische Energie des Elektronenstrahls entsprechend der gesamten Ausgangsleistung des Peniotrons nur im Hohlraumabschnitt 13 in Hochfrequenzenergie umgewandelt würde. Die Erfinder haben eine Computersimulation durchgeführt, um den Wirkungsgrad zu bestimmen, bei dem die gesamte Energie des Strahls nur im resonanten Hohlraumabschnitt 13 in Hochfrequenzenergie umgewandelt werden könnte. Das Ergebnis dieser Simulation war ein bester Wirkungsgrad der Umwandlung von 67 %. Dies gilt, weil im Hohlraumabschnitt 13 keine eigenresonanten Bedingungen hergestellt werden können. Genauer gesagt gilt dies, weil, solange die Elektronen nur im resonanten Hohlraumabschnitt 13 mit den elektromagnetischen Wellen wechselwirken, deren kinetische Energien durch reflektierte Wellen, die im Hohlraumabschnitt 13 erzeugt werden, uneinheitlich erniedrigt werden, so daß die kinetischen Energien der Elektronen nicht einheitlich in die der elektromagnetischen Wellen umgewandelt werden können. Somit wird von den Erfindern bestätigt, das die Uneinheitlichkeit der kinetischen Energien erzeugt wird, nachdem beinahe die gesamte kinetische Energie in elektromagnetische Energie umgewandelt worden ist und die Elektronen verringerte kinetische Energien haben.
In dem in Fig. 1 gezeigten Oszillator wird die elektromagnetische Welle im Hohlraum bei geringer Leistung oszilliert und dann wird die restliche kinetische Energie im Wellenleiterabschnitt 14 fast in die elektromagnetischen Wellen umgewandelt. Folglich ist es möglich, daß der Oszillator wie in Fig. 2 gezeigt einen hohen Wirkungsgrad der Energieumwandlung hat.
Fig. 3 ist eine Grafik, die das Verhältnis zwischen dem Wirkungsgrad η der Energieumwandlung und der im resonanten Hohlraumabschnitt 13 oszillierten Leistung darstellt, wobei das Verhältnis das Ergebnis einer Computersimulation ist. In dieser Simulation war eine Hochfrequenzleistung von etwa 6,4 MW als Ziel gesetzt. Wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, kann der Wirkungsgrad der Energieumwandlung über 90 % gehalten werden, wenn 8 % oder weniger, oder vorzugsweise 4 % oder weniger (unnötig zu sagen, nicht 0 %) der zu erzielenden Ausgangsleistung im resonanten Hohlraumabschnitt 13 oszilliert wird.
Außer dem hohen Wirkungsgrad der Energieumwandlung hat das in Fig. 1 gezeigte Peniotron weitere Vorteile. Erstens kann es einen größeren Rohrdurchmesser als ein Peniotron nach dem Stand der Technik haben, da die Elektronen in dem aus dem resonanten Hohlraumabschnitt 13 und dem Ausbreitungs-Wellenleiter 14 bestehenden Hochfrequenz-Schaltungsaufbau unter eigenresonanten Bedingungen mit den elektromagnetischen Wellen wechselwirken. Zweitens wird nur ein weit weniger starkes magnetisches Gleichfeld benötigt, als es in einem Peniotron nach dem Stand der Technik erforderlich ist, um elektromagnetische Wellen bei derselben Frequenz aus einem Hochleistungs-Elektronenstrahl zu oszillieren. Deshalb kann das Peniotron elektromagnetische Wellen selbst mit Wellenlängen in der Größenordnung von Sub-Millimetern mit hohem Wirkungsgrad oszillieren.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die in Fig. 1 dargestellte Ausführungsform beschränkt. Zum Beispiel kann die Magnetspuleneinheit 20 durch eine Vielzahl von Magnetspuleneinheiten ersetzt werden, die entlang der z-Achse des Peniotrons angeordnet sind. In diesem Fall erzeugen die Spuleneinheiten magnetische Felder, deren Stärken sich so unterscheiden, daß diese magnetischen Felder ein magnetisches Gleichfeld formen, das sich entlang der z-Achse erstreckt und an der Austrittsseite des Wellenleiters 14 wie in Fig. 4, 5 und 6 gezeigt eine spitz zulaufende Stärkeverteilung Bz hat. Für den gegenwärtigen Wellenleiter wird bestätigt, daß die Phasengeschwindigkeit vp der elektromagnetischen Welle größer als die Lichtgeschwindigkeit c ist. Somit können die idealen eigenresonanten Bedingungen im gewöhnlichen Peniotron nicht erhalten werden. Die eigenresonanten Bedingungen können jedoch erhalten werden, falls das magnetische Gleichfeld die spitz zulaufende Stärkeverteilung gemäß der Ausführungsform der Erfindung hat. Folglich kann diese Ausführungsform ebenfalls einen ausreichend hohen Wirkungsgrad der Energieumwandlung erreichen, wie aus Fig. 4, 5 und 6 ersichtlich wird, die die Ergebnisse der von den Erfindern durchgeführten Simulation darstellen.
- In dieser Simulation wurde die Phasengeschwindigkeit Vp auf 1,05 mal der Lichtgeschwindigkeit c gesetzt, die TE&sub2;&sub1;-Mode wurde ausgewählt und die Oszillationsfrequenz und die Beschleunigungsspannung wurden jeweils auf 200 GHz und 1 MV gesetzt. Desweiteren wurde das Verhältnis der Geschwindigkeit, mit der die Elektronen kreisen, zu der Geschwindigkeit, mit der die Elektronen sich in Richtung der z-Achse bewegen, als 1,109 gewählt und die Stärke des Magnetfeldes am Eintrittsende des Wellenleiters und der innere Durchmesser des Wellenleiters wurden jeweils auf 8,41 Tesla und 2,39 mm gesetzt.
Fig. 4 veranschaulicht, wie die Hochfrequenzleistung P und das magnetische Gleichfeld Bz im Wellenleiter 14 verteilt sind, wenn die vom Hohlraum 13 in den Wellenleiter 14 eingespeiste Hochfrequenzleistung 1 KW ist. Fig. 5 zeigt ähnlich, wie die Leistung P und das Magnetfeld Bz im Wellenleiter 14 verteilt sind, wenn die vom Hohlraum 13 in den Wellenleiter 14 eingespeiste Hochfrequenzleistung 10 KW ist. Fig. 6 zeigt, wie die Leistung P und das Magnetfeld Bz im Wellenleiter 14 verteilt sind, wenn die vom Hohlraum 13 in den Wellenleiter 14 eingespeiste Hochfrequenzleistung 100 KW ist. Genauer gesagt, in diesen Abbildungen zeigen die Intensitätskurven 1, 2 und 3 die Stärkeverteilungen des magnetischen Gleichfeldes Bz an, die eingestellt werden, wenn der Strom des Elektronenstrahls jeweils 1 A, 10 A und 100 A ist. Desweiteren repräsentieren in jeder der Fig. 4, 5 und 6 die Leistungskurven 1, 2 und 3 die Verteilungen der Hochfrequenzleistung P, die jeweils aus den Intensitätsverteilungen bei Strömen des Elektronenstrahls von 1 A, 10 A und 100 A berechnet sind.
Wie aus Fig. 4, 5 und 6 ersichtlich ist, erhöht sich die Hochfrequenzleistung P, wenn der Elektronenstrahl in Richtung des Austrittsendes des Wellenleiters läuft. Dies gilt, da das magnetische Gleichfeld im Eintrittsteil des Wellenleiters 14 auf einem im wesentlichen konstanten Pegel gehalten wird und im Austrittsteil des Wellenleiters 14 allmählich erniedrigt wird. Das Magnetfeld wird im Eintrittsteil des Wellenleiters, in dem der Elektronenstrahl mit den elektromagnetischen Wellen zu einem niedrigen Grad wechselwirkt, fast auf einem im wesentlichen konstanten Pegel gehalten. Im Gegensatz dazu wird das Magnetfeld im Austrittsteil, in dem die Wechselwirkung zwischen dem Strahl und den elektromagnetischen Wellen erhöht wird, allmählich erniedrigt und die eigenresonanten Bedingungen, die sich wegen der Änderung der Elektronenmasse und der Geschwindigkeit der Elektronen verändern, werden durch die spitz zulaufenden Verteilungen 1, 2 oder 3 der Kurve Bz korrigiert. Folglich kann das Peniotron gemäß der zweiten Ausführungsform auch einen hohen Wirkungsgrad der Energieumwandlung erreichen und eine Hochfrequenzleistung ausgeben.
Wie erklärt wurde, umfaßt das Peniotron gemäß der Erfindung einen Hochfrequenz-Schaltungsaufbau mit einem resonanten Hohlraumabschnitt und einem mit dem Austrittsende des resonanten Hohlraumabschnitts verbundenen Ausbreitungs- Wellenleiter. Im Schaltungsaufbau kreist das Elektron und elektromagnetische Wellen werden oszilliert und verstärkt. Die Elektronen und die Wellen wechselwirken, währen sie die für die Eigenresonanz erforderlichen Bedingungen erfüllen. Genauer, der Elektronenstrahl wechselwirkt im Hohlraum und im Eintrittsteil des Wellenleiters mit den elektromagnetischen Wellen zu einem niedrigen Grad und erzeugt eine Hochfrequenzleistung mit einem Wert, der weit niedriger ist als der angestrebte Wert und wechselwirkt dann im Austrittsteil des Wellenleiters zu einem ausreichenden Grad mit den Wellen und erzeugt dadurch die dem angestrebten Wert entsprechende Hochfrequenzleistung. Es ist möglich, daß sowohl der resonante Hohlraumabschnitt als auch der Ausbreitungs-Wellenleiter Innendurchmesser haben, die größer als die ihrer Gegenstücke im gewöhnlichen Peniotron sind. Wegen der in zwei Schritten erfolgenden Wechselwirkung zwischen dem Elektronenstrahl und den elektromagnetischen Wellen und auch wegen der Verwendung des resonanten Hohlraumabschnitts und des Wellenleiters, die beide einen großen Innendurchmesser haben, kann das Peniotron gemäß der Erfindung einen Elektronenstrahl mit einem hohen Wirkungsgrad der Energieumwandlung in eine hohe Hochfrequenzleistung umwandeln.

Claims

1. Hochfrequenzoszillator, der folgendes umfaßt:

- eine Strahlerzeugungseinrichtung (11, 21, 22) zum Erzeugen eines Elektronenstrahls aus Elektronen (e) und zum Richten der Elektronen (e) in eine vorherbestimmte Richtung;

- eine Einrichtung (18, 19, 20) zum Anlegen eines magnetischen Gleichfeldes an die von der genannten Strahlerzeugungseinrichtung (11, 21, 22) erzeugten Elektronen (e), um dadurch zu bewirken, daß jedes der Elektronen (e) entlang der vorherbestimmten Richtung kreist;

- eine Energieumwandlungseinrichtung (13), die bewirkt, daß die Elektronen (e) mit elektromagnetischen Wellen wechselwirken, um dadurch die kinetische Energie der kreisenden Elektronen (e) in Energie der elektromagnetischen Wellen umzuwandeln, wobei die genannte Energieumwandlungseinrichtung (13) einen resonanten Hohlraumteil (13) und einen mit dem resonanten Hohlraumteil (13) verbundenen Ausbreitungs-Wellenleiterteil (14) enthält, und die Elektronen (e) mit der elektromagnetischen Welle der TE-Mode im resonanten Hohlraumteil und im Ausbreitungs-Wellenleiterteil (13, 14) wechselwirken, um dadurch die kinetische Energie der kreisenden Elektronen (e) in Energie der elektromagnetischen Wellen umzuwandeln;

- eine Elektronen-Sammeleinrichtung (15) zum Sammmeln der Elektronen (e); und

- eine Führungseinrichtung zum Führen der elektromagnetischen Wellen, die einen Ausgangs-Wellenleiterteil (17) und einen zwischen dem Ausbreitungs-Wellenleiterteil (14) und dem Ausgangs-Wellenleiterteil (17) eingefügten Fensterteil (16) enthält;

dadurch gekennzeichnet, daß

- der genannte Wellenleiterteil (14) einen ähnlichen Querschnitt wie der resonante Hohlraumteil (13) hat,

- im Hohlraum- und Wellenleiterteil (13, 14) eigenresonante Bedingungen aufrechterhalten werden,

- die elektromagnetische Welle im genannten resonanten Hohlraumteil (13) schwingt und im Wellenleiterteil (14) verstärkt wird und

- die Leistung der im genannten resonanten Hohlraumteil (13) schwingenden elektromagnetischen Welle 8 % oder weniger, aber nicht 0 % der Leistung der elektromagnetischen Welle ist, die vom genannten Ausbreitungs- Wellenleiter (14) ausgegeben wird.

2. Hochfrequenzoszillator gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich das magnetische Gleichfeld durch den genannten Ausbreitungs-Wellenleiterteil (14) erstreckt und in Richtung von dessen Ausgangsende an der abgewandten Seite des Elektronenstrahls (e) allmählich weniger stark wird.

3. Hochfrequenzoszillator gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Strahlerzeugungseinrichtung (11, 21, 22) einen hohlen Elektronenstrahl erzeugt.