DE69016712T2 - Mikrowellengenerator mit einer virtuellen kathode. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung von Mikrowellen, die den sogenannten virtuellen Kathodeneffekt ausnützt.
• Um Mikrowellen zu erzeugen, ist es insbesondere bekannt, sog. Virkator-Vorrichtungen zu verwenden, wie sie beispielsweise in der Druckschrift US-A-4 730 170 beschrieben sind. Diese Vorrichtungen nutzen den Raumladungseffekt aus, der in von der Elektronenkanone einer Elektronenröhre erzeugten Elektronenstrahlen existiert. Hier handelt es sich nämlich um Effekte, die für gegebene Spannungen einen Maximalwert des Stroms festlegen, der durch eine Elektronenkanone erzeugt wird oder auch in einem gegebenen Raum für eine Elektrodenkonfiguration gegebener Geometrie transportiert werden kann. In einem Virkator speist man in einen definierten Raum einen Elektronenstrom ein, der meist ein Mehrfaches des maximalen Stroms beträgt, der tatsächlich diesen Raum durchqueren könnte. Dadurch ergibt sich eine Ansammlung von Elektronen, die eine Potentialsenke bildet und auch virtuelle Kathode genannt wird. Diese Senke bewirkt die Reflexion eines mehr oder minder großen Anteils der Elektronen des Strahls. Diese virtuelle Kathode ist nicht stabil, d.h. daß die Amplitude ihre Potentialabsenkung und ihre Lage Schwingungen ausführen und zu einer periodischen Variation der Anzahl der reflektierten bzw. durchgelassenen Elektronen führt. Eine solche Vorrichtung kann elektromagnetische Felder im Mikrowellenbereich mit hohen Leistungen und in einem engen Volumen erzeugen. Man stellt jedoch fest, daß das ausgesendete Signal nur eine mäßige Qualität besitzt, d.h. daß die Leistung in zahlreichen Energiemodi und einer Mehrzahl von gleichzeitigen oder aufeinanderfolgenden Frequenzen ausgesendet wird. Die Druckschrift 1983 IEEE International Conference on Plasma Science, 23. bis 25. Mai 1983, San Diego, Kalifornien, IEEE Conference Record Abstracts, New York, USA, Artikel von T.J.T. Kwan et al "Microwave Generation by Virtual Cathodes and Reflexing Systems", Seite 40, Zusammenfassung 2D6, berichtet über eine Studie durch Simulation der ausgesendeten Signale, die zeigt, daß die Signale mit zwei getrennten Frequenzen ausgesendet werden, von denen eine der Schwingung der virtuellen Kathode und die andere den zwischen der realen und der virtuellen Kathode reflektierten Elektronen entspricht. Die Verwendbarkeit derartiger Signale wird dadurch stark eingeschränkt. Außerdem ist der Umwandlungswirkungsgrad schlecht (höchstens 2 bis 3%) im Vergleich zum Wirkungsgrad, der mit anderen Generatoren erreicht werden kann, wie z.B. üblichen Elektronenröhren mit Geschwindigkeitsmodulation.
• Ziel der vorliegenden Erfindung ist ein Generator zur Erzeugung von Mikrowellen, der den Effekt der schwingenden virtuellen Kathode ausnützt, aber eine Mikrowellenenergie höherer Spektralgüte mit einem höheren Umwandlungswirkungsgrad als die klassischen Virkatoren zu erzielen erlaubt.
• Genau gesagt ist Gegenstand der Erfindung eine Vorrichtung zur Erzeugung von Mikrowellen, wie sie in Anspruch 1 definiert ist.
• Andere Gegenstände, Besonderheiten und Ergebnisse der Erfindung gehen aus der nachfolgenden, nicht beschränkend zu verstehenden Beschreibung und den beiliegenden Figuren hervor.
• Figur 1 zeigt eine erste Ausführungsform einer bekannten Vorrichtung, in der der Mikrowellen-Ausgangskreis die von der virtuellen Kathode übertragenen Elektronen verwendet.
• Figur 2 zeigt die Vorrichtung aus Figur 1, bei der der Mikrowellen-Ausgangskreis außerdem eine Nachbeschleunigung der verwendeten Elektronen durchführt.
• Figur 3 zeigt eine andere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, in der die Mikrowellen-Ausgangsstufe einerseits die von der virtuellen Kathode durchgelassenen Elektronen und andererseits die von dieser virtuellen Kathode reflektierten Elektronen, jedoch nach geeigneter Phasenverschiebung, verwendet.
• Die Figuren 4, 5 und 6 zeigen Varianten der obigen Ausführungsformen, in denen der Elektronenstrahl einen unterschiedlichen Querschnitt besitzt.
• In verschiedenen Figuren tragen gleiche Elemente die gleichen Bezugszeichen.
• Figur 1 zeigt somit eine erste Ausführungsform einer bekannten Vorrichtung schematisch im Längsschnitt.
• Dieser Generator ist drehsymmetrisch zu einer Längsachse ZZ.
• Er enthält eine Elektronenkanone 1, bestehend aus einer Kathode 11 und einer Anode, die von einer Armatur 20 und einem Schirm 21 gebildet wird. Die Kathode 11 wird von einem leitenden Zylinder gebildet, der koaxial zur Achse ZZ liegt und dessen Umfang einen Vorsprung 10 bildet, derart, daß die von dieser Kathode ausgehenden Elektronen einen ringförmigen Strahl bilden, der durch die punktierte Zone 8 in der Figur markiert ist. Die Armatur 20 der Anode besteht aus einem zur Kathode koaxialen Zylinder und wird durch eine ringförmige Schulter 23 sowie einen Schirm 21 in Form Scheibe einer abgeschlossen, die nur einen Ringspalt 22 für den Durchlaß des Elektronenstrahls 8 freilassen. Der Schirm 21 ist beispielsweise mit drei nicht dargestellten Stegen auf der Schulter 23 befestigt.
• Der bekannte Generator enthält weiter einen Mikrowellenausgangskreis 4, der in dieser Ausführungsform koaxial ist. Er besteht aus einem inneren leitenden Zylinder 5 und einem äußeren Leiter, der von der Verlängerung der Armatur 20 gebildet wird, wobei zwischen dem inneren leitenden Zylinder und dem äußeren Leiter ein Ringraum 44 definiert ist. Der Ausgangskreis ist im wesentlichen symmetrisch zur Elektronikkanone 1 bezüglich einer Ebene senkrecht zur Zeichenebene, d.h. daß der äußere Leiter eine ringförmige Schulter 43 und einen Schirm 41 besitzt, die beispielsweise über Stege au der Schulter 43 gehalten werden und mit dieser Schulter einen Ringschlitz 42 für den Durchlaß der Elektronen des Strahls 8 definieren. Der Elektronenstrahl trifft auf einen ringförmigen Vorsprung 50 des inneren Leiters 5. Ganz allgemein sind die Geometrien des Ausgangskreises 4 und der Elektronenkanone 1 derart gewählt, daß die beiden Impedanzen nahe beieinander liegen.
• Zwischen den Elementen 21, 23 einerseits und 41, 43 andererseits ergibt sich eine sogenannte Injektionszone 3. Diese Zone wird seitlich durch die Wand 20 begrenzt.
• Der Betrieb dieser Vorrichtung wird nun erläutert.
• Durch Anlegen einer negativen Spannung bezüglich der Anodenspannung an die Kathode 11 ergibt sich die Emission des ringförmigen Elektronenstrahls 8. Beispielsweise liegen die Armatur 20, der Schirm 21 und die Elemente des Ausgangskreises 4 auf Massepotential, während an die Kathode 11 eine Spannung von -V&sub0; angelegt wird. Die Parameter sind so gewählt, daß sich in der Injektionszone 3 eine virtuelle Kathode 80 ergibt. Mit einem Pfeil 82 sind die Elektronen markiert, die von der virtuellen Kathode 80 durchgelassen werden, während Pfeile 81 die von dieser virtuellen Kathode reflektierten Elektronen bezeichnen. Außerdem wird vorzugsweise an die Struktur mit Hilfe nicht dargestellter Mittel ein Längsmagnetfeld der Achse ZZ angelegt, um den so erzeugten Strahl 8 zu fokussieren.
• Nachfolgend wird der Mechanismus der Bildung einer virtuellen Kathode erläutert. Im Inneren eines Elektronenstrahls existiert eine Raumladung: In der Strahlachse sind Potential und Geschwindigkeit der Elektronen niedriger als an der Peripherie dieses Strahls. Wenn die Elektronendichte und damit der transportierte Strom zunehmen, dann nehmen das Potential und die Geschwindigkeit der Elektronen ab bis zum Wert Null. Die Elektronen bilden also eine negativ geladene Wolke und so eine Potentialsenke, die virtuelle Kathode genannt wird. Diese virtuelle Kathode schwingt, und die Frequenz der Schwingungen hängt hauptsächlich vom Injektionsstrom ab. Die Frequenz liegt üblicherweise im Gigahertzbereich. Außerdem ist die Intensität des Maximalstroms, oberhalb dessen die Elektronen eine virtuelle Kathode bilden, vom Potential des Elektronenstrahls sowie von den Abmessungen des Strahls und der Injektionszone 3 abhängig. Der maximale Strom für einen gegebenen Elektronenstrahl ist geringer, wenn die Injektionszone einen größeren Durchmesser besitzt.
• Gemäß dem Stand der Technik wählt man die Dimensionen der Vorrichtung (Elektronenkanone und Injektionszone) sowie den Wert des Stroms des Elektronenstrahls derart, daß der Strom größer als der maximale Strom ist, der die Zone 3 durchfließen kann, so daß sich eine virtuelle Kathode ergibt. Auf diese Weise bilden die durchgelassenen Elektronen einen mit der Schwingungsfrequenz der virtuellen Kathode modulierten Strom. Die durchgelassenen Elektronen, und nur sie, wandeln ihre kinetische Energie in ein elektromagnetisches Feld mit Hilfe des Ausgangskreises 4 um, genauer gesagt, im Bremsraum zwischen dem Leiter 5 und dem Schirm 41. Die erzeugte Energie wird durch den koaxialen Ausgangskreis 4 nach außen abgegeben.
• Diese Energie wird also mit einem Wirkungsgrad erzeugt, der deutlich größer als der der üblichen Virkatoren ist. Untersuchungen bei der Anmelderin haben nämlich gezeigt, daß einer der Gründe für den geringen Wirkungsgrad der bekannten Virkatoren darin lag, daß eine Kopplungsschaltung verwendet wurde, die ein elektromagnetisches Feld erfordert, dessen Phase für alle Elektronen, also die durchgelassenen wie die von der virtuellen Kathode reflektierten Elektronen, gleich ist. Diese beiden Arten von Elektronen liegen aber im wesentlichen in Gegenphase und die von ihnen erzeugten Energien heben sich großteils gegenseitig auf. Erfindungsgemäß verwendet man daher getrennt die Energie der durchgelassenen Elektronen und die Energie der reflektierten Elektronen. Beim Stand der Technik verwendet man nur die durchgelassenen Elektronen.
• Außerdem hat die Tatsache, daß erfindungsgemäß getrennt die durchgelassenen und die reflektierten Elektronen benutzt werden, zur Folge, daß eine engere Kopplung zwischen Elektronen und der Ausgangskreis und damit eine elektromagnetische Energie höherer spektraler Güte erreicht werden kann.
• Eine nicht dargestellte Variante besteht darin, den Ausgangskreis 4 so anzuordnen, daß nur die von der virtuellen Kathode reflektierten Elektronen verwendet werden.
• Es sei außerdem bemerkt, daß vorzugsweise die Abmessungen der Elektronenkanone und der Injektionszone so gewählt werden, daß der Strahlstrom geringfügig größer als der Maximalstrom ist, so daß der durchgelassene Strom im Mittel ein wichtiger Teil des gesamten in die Injektionszone eingespeisten Stroms bildet.
• Figur 2 zeigt die Vorrichtung aus Figur 1, die außerdem Mittel zur Nachbeschleunigung der verwendeten Elektronen enthält, wobei diese Figur ebenfalls einen schematischen Längsschnitt zeigt.
• Beispielsweise verwendet der in Figur 2 gezeigte Generator die Struktur aus Figur 1, ausgenommen die Tatsache, daß der Ausgangskreis 4 elektrisch von der Elektronenkanone 1 isoliert ist. Genauer betrachtet ist die Armatur 20, die die Anode der Elektronenkanone bildet, nicht in elektrischem Kontakt mit dem äußeren Leiter 40 des Ausgangskreises 4. Beispielsweise verlängert sich der Leiter 40 um die Armatur 20 herum in Form eines Hohlzylinders gleicher Achse ZZ wie diese Armatur. Diese Ausführungsform enthält weiter Mittel 7, um zwischen die Kathode 11 und die Ausgangskreis 4 eine Spannung V&sub1; anzulegen, die größer als die Kathoden/Anoden-Spannung V&sub0; ist. Beispielsweise bestehen die Mittel 7 aus einem Transformator, dessen Primärwicklung 71 die Speisespannung empfängt und dessen Sekundärwicklung
• - mit einem ihrer Enden an die Wand 40 (Massepotential),
• - mit ihrem anderen Ende an die Kathode (Potential -V&sub1;),
• - und mit einem Zwischenabgriff an die Anode (20) angeschlossen ist, derart, daß das Anodenpotential gleich -V&sub1;+V&sub0; ist.
• Damit die Bildung einer virtuellen Kathode möglich bleibt, wenn die verwendete Spannung V&sub1; größer als die Spannung V&sub0; der vorhergehenden Ausführungsform ist, muß man bekanntlich die Länge der Injektionszone 3 vergrößern, und zwar umso mehr, je größer das Verhältnis V&sub1;/V&sub0; wird.
• Figur 3 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Generators, in dem sowohl die von der virtuellen Kathode durchgelassenen als auch die von ihr reflektierten Elektronen verwendet werden.
• In dieser Figur erkennt man die Elektronenkanone 1, die von der Kathode 11 und der Anode 20, 21 gebildet wird. Die Kanone 1 erzeugt hier auch einen Elektronenstrahl 8 unter solchen Bedingungen, daß sich eine virtuelle Kathode 80 ergibt und ein Teil der Elektronen reflektiert wird (Pfeile 81), während ein anderer Teil der Elektronen (Pfeil 82) beispielsweise auf eine Metallwand 50 trifft, die die Injektionszone 3 begrenzt.
• In dieser Ausführungsform enthält der Mikrowellen-Ausgangskreis zwei Kanäle: ein Kanal mündet in eine Zone 4A zwischen der Anode 20 und der virtuellen Kathode 80 und soll die Energie der reflektierten Elektronen aufnehmen. Der andere Kanal mündet in eine Zone 4B zwischen der virtuellen Kathode 80 und der Wand 50 und soll die Energie der durchgelassenen Elektronen 82 aufnehmen. Da die von der virtuellen Kathode reflektierten Elektronen 81 mit einer mittleren zeitlichen Verschiebung in der Größenordnung einer halben Schwingungsperiode der virtuellen Kathode bezüglich der übertragenen Elektronen 82 reflektiert werden, muß man zur Kumulierung ihrer Wirkungen die von der einen Art Elektronen erzeugte Energie um einen Wert von im wesentlichen 180º bezüglich der von der anderen Art Elektronen erzeugten Energie in der Phase verschieben. Dies ist durch einen Phasenschieber 45 schematisch dargestellt, der auf beliebige Art hergestellt werden kann und in einen der Kanäle 4A oder 4B eingefügt wird, ehe die Energien in den beiden Kanälen sich zur Ausgangsenergie zusammenfinden.
• Es sei bemerkt, daß die Wand 46 zwischen den Kanälen 4A und 4B eine ausreichende Dicke haben muß, um zu vermeiden, daß die in den beiden Kanälen vorhandenen Felder vor der virtuellen Kathode 80 gekoppelt werden. Die Dicke dieser Wand 46 liegt in der Größenordnung des Abstands der Wand 46 von der virtuellen Kathode.
• In Figur 3 ist eine besondere Ausführungsform des Kreises 4 gezeigt. Andere Varianten sind natürlich möglich, die beispielsweise darin bestehen, für jeden der Kanäle 4A und 4B eine koaxiale Struktur wie die in Figur 1 für den Kreis 4 gezeigte zu realisieren.
• Figur 4 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, in der der von der Elektronenkanone erzeugte Strahl ein Vollzylinder ist, wobei auch diese Figur einen schematischen Längsschnitt zeigt.
• In dieser Figur erkennt man beispielsweise eine Struktur ähnlich der aus Figur 1 mit Ausnahme der Tatsache, daß die Emissionsoberfläche der Kathode 12 der Elektronenkanone Scheibenform besitzt, so daß sie einen Elektronenstrahl 88 in Form eines Vollzylinders emittiert. In gleicher Weise besteht der innere Leiter 51 des Ausgangskreises 4 aus einer ebenen Oberfläche in Form einer Scheibe. Die Schirme 21 und 41 aus Figur 1 sind hier durch Elemente 26 und 46 ersetzt, die durch Gitter oder hinreichend dünne Metallfolien gebildet werden, damit ihre Elektronenabsorption sehr gering ist.
• Der Betrieb dieser Vorrichtung entspricht dem, der anhand der Figur 1 beschrieben wurde, mit Bildung einer virtuellen Kathode 83, reflektierten Elektronen 84 und durchgelassenen Elektronen 85, deren kinetische Energie durch den Ausgangskreis 4 in Mikrowellenenergie umgewandelt wird.
• Es sei bemerkt, daß für einen zufriedenstellenden Betrieb der Durchmesser der Kathode 12 deutlich kleiner als die Wellenlänge der am Ausgang erhaltenen Mikrowellenenergie sein muß, beispielsweise in der Größenordnung einer halben Wellenlänge. In der Praxis sind jedoch auch Kathoden mit größeren Durchmessern verwendbar, da die Elektronen die Tendenz besitzen, sich an der Peripherie der virtuellen Kathode zu konzentrieren.
• Figur 5 zeigt eine andere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Generators, bei der der verwendete Elektronenstrahl die Form eines Vollzylinders hat und der Generator weiter Mittel zur Nachbeschleunigung besitzt.
• Diese Figur zeigt eine Struktur ähnlich der aus Figur 2, abgesehen von der Kathode 11 der Kanone 1, dem zentralen Leiter 5 des Ausgangskreises 4 und den Schirmen 21 und 41, die durch die Elemente 12, 51, 26 und 46 gemäß Figur 4 ersetzt sind.
• Die gleichen Bemerkungen sind hier anwendbar, die hinsichtlich Figur 4 gemacht wurden.
• In gleicher Weise zeigt die Figur 6 eine ähnliche Ausführungsform wie Figur 3, wobei jedoch der ringförmige Elektronenstrahl durch einen Strahl in Form eines Vollzylinders ersetzt ist.
• Es ergibt sich damit eine Struktur ähnlich der aus Figur 3 mit Ausnahme der Struktur der Kathode 11, die hier das Bezugszeichen 12 trägt, und des Elektronenstrahls 8, der hier ein Vollzylinder 88 wird, wie im Fall der Figuren 4 und 5.

Claims (6)

1. Vorrichtung zur Erzeugung von Mikrowellen

- mit einer Elektronenkanone (1), die einen Elektronenstrahl (8; 88) in einer Injektionszone (3) erzeugen kann, wobei der transportierte Strom, unter Berücksichtigung der Abmessungen der Elektronenkanone und der Injektionszone ausreicht, um die Bildung einer virtuellen Kathode (80; 83) in der Injektionszone hervorzurufen,

- und mit einem Mikrowellenausgangskreis (4), der die Umwandlung der kinetischen Energie der Elektronen in eine Mikrowellenenergie bewirkt,

dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Kanal (4A), der die reflektierten Elektronen (81; 84) empfängt, und ein zweiter Kanal (4B), der die durchgelassenen Elektronen (82; 85) empfängt, sowie ein Phasenschieber (45) vorgesehen sind, der die von einem der Kanäle erzeugte Energie im wesentlichen um 180º in der Phase verschiebt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgangskreis (4) vom koaxialen Typ ist.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgangskreis (4) elektrisch von der Elektronenkanone (1) isoliert ist und daß eine Spannung (V&sub1;) zur Beschleunigung der Elektronen zwischen die Kanone und den Ausgangskreis angelegt ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektronenstrahl (8) die Form eines Hohlzylinders hat.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektronenstrahl (88) die Form eines Vollzylinders hat.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie weiter Mittel zum Anlegen eines Magnetfelds aufweist, um den Elektronenstrahl zu fokussieren.