EP0177668A1

EP0177668A1 - Vorrichtung zur Führung eines Elektronenstrahls

Info

Publication number: EP0177668A1
Application number: EP85105321A
Authority: EP
Inventors: Minh Quang Dr. Tran; Anders Dr. Bondeson
Original assignee: European Atomic Energy Community Euratom
Current assignee: ABB Asea Brown Boveri Ltd
Priority date: 1984-10-02
Filing date: 1985-05-02
Publication date: 1986-04-16
Also published as: EP0177668B1; CH664044A5; DE3563803D1; JPS61179030A; US4705988A

Abstract

Bei einer Microwollenquelle nach dem Prinzip des Gyrotrons wird zur Führung des Eloktronenstrahls (2) eine Strahlführung (5) verwendet, die als elektrisch gut leitende Mantelfläche den Elektronenstrahl (2) umschließt. Zur Dämpfung unerwünschter Wellenmoden innerhalb der Strahlführung sind in der Mantelfläche eine Vielzahl von Dämpfungsöffnungen (13) vorgesehen, deren charakteristische Öffnungsweite (a) oberhalb der Wellenlänge der zu dämpfenden Moden liegt. Besonders einfach ist die Realisierung einer solchen gedämpften Strahlführung (5), wenn als Material für die Mantelfläche gemäß einer bevorzugten Ausführungsform Drahtgewebe mit entsprechender Maschenweite verwendet wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Führung eines Elektronenstrahls in einer nach dem Prinzip des Gyrotrons arbeitenden Mikrowellenquelle gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine solche Vorrichtung ist z.B. aus dem Artikel von J.D. Silverstein et al. in Int. J. Electronics 53 (6), S. 539-546 (1982) bekannt.
Bei einem Gyrotron, wie es in dem vorstehend zitierten Artikel beschrieben ist, wird ein aus einer Elektronenkanone stammender, energiereicher Elektronenstrahl durch ein parallel zur Strahlachse orientiertes, starkes Magnetfeld geschickt. Die Elektronen laufen dann auf Spiralbahnen mit einer von der magnetischen Induktion abhängigen Zyklotronfrequenz um die Strahlachse herum.
Durchquert nun dieser Strahl umlaufender Elektronen einen Mikrowellenresonator geeigneter Abmessungen, so werden in diesem Resonator elektromagnetische Schwingungen angeregt, die aus dem Resonator ausgekoppelt werden können.
Für die Führung des Elektronenstrahls von der Elektronenkanone zum Mikrowellenresonator, der beim Gyrotron als Hohlraumresonator ausgebildet ist, wird eine Strahlführung (beam duct) verwendet, die als elektrisch leitende, zylindrische Mantelfläche den Strahl umschliesst und durch eine Begrenzung von Raumladungseffekten die ungehinderte Ausbreitung des Elektronenstrahls ermöglicht.
Die in radialer Richtung geschlossene Mantelfläche einer Strahlführung nach dem Stand der Technik stellt jedoch einen Wellenleiter dar. Bei hohen Frequenzen (in der Grössenordnung von 100 GHz) und hohen Leistungen (in der Grössenordnung von 100 kW) ist der Radius des Elektronenstrahls gross im Vergleich zur Abschneide-Wellenlänge (cut-off wavelength) des kreisförmigen Wellenleitermodes bei der Betriebsfrequenz. Daher können in der Strahlführung unerwünschte Wellenmoden angeregt werden, wenn nicht geeignete Massnahmen zur Dämpfung solcher Moden vorgesehen sind.
Als geeignete Dämpfungsmassnahme ist es bekannt, innerhalb der Strahlführung längs der Strahlachse Stapel aus ringförmigen Platten vorzusehen, die abwechselnd aus absorbierender Keramik (z.B. auf der Basis von SiC) und hochleitfähigem Kupfer bestehen (siehe z.B. Fig. 5 in der eingangs zitierten Druckschrift).
Eine solche Strahlführung mit stapelförmigen integrierten Wellenfiltern ist jedoch kompliziert im Aufbau und bei der Herstellung mit erheblichem Aufwand verbunden.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, eine Strahlführung anzugeben, bei der die Dämpfung unerwünschter Wellenmoden mit vergleichsweise einfachen Mitteln erreicht wird.
Die Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art durch die Merkmale aus dem Kennzeichen des Anspruchs gelöst.
Der Kern der Erfindung besteht darin, dass zur Dämpfung unerwünschter Moden in der Mantelfläche der Strahlführung Dämpfungsöffnungen mit hinreichend grosser Oeffnungsweite vorgesehen sind, um eine ausreichende Durchlässigkeit der Mantelfläche für die genannten Moden und damit eine entsprechende Dämpfung zu erzielen.
Besonders vorteilhaft ist es, gemäss einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung als Material für die Mantelfläche der Strahlführung Drahtgewebe aus elektrisch gut leitendem Metalldraht mit geeigneter Maschenweite zu verwenden.
Die Erfindung soll nun nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 die schematisierte Darstellung eines Gyrotrons mit einer gedämpften Strahlführung nach dem Stand der Technik;
Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel einer Strahlführung nach der Erfindung für ein Gyrotron gemäss Fig. 1;
Fig. 3 die prinzipielle Anordnung eines quasi-optischen Gyrotrons mit einer Strahlführung nach der Erfindung; und
Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel einer Strahlführung nach der Erfindung für ein quasi-optisches Gyrotron gemäss Fig. 3 (in perspektivischer Darstellung).

Das in Fig. 1 dargestellte Gyrotron bekannter Bauart zur Erzeugung von Mikrowellen hoher Leistung umfasst im wesentlichen eine Elektronenkanone 1, eine Strahlführung 5, einen Hohlraumresonator 6 und einen Ausgangswellenleiter 7.
Die aufgezählten Teile sind in einer nicht eingezeichneten Vakuumkammer untergebracht und von einer ebenfalls nicht eingezeichneten Solenoid-Spule umschlossen, welche das für den Gyrotron-Effekt unabdingbare starke Magnetfeld erzeugt.
Die Elektronenkanone 1 emittiert einen Elektronenstrahl 2. Der Durchmesser des Elektronenstrahls 2 ist mit typischerweise 4 mm für ein 120 GHz-Gyrotron klein gehalten, um eine hohe Effektivität bei der Umwandlung von Strahlenergie in elektromagnetische Wellenenergie zu erreichen.
Aufgrund der mit dem kleinen Durchmesser verbundenen hohen Raumladungsdichte innerhalb des Elektronenstrahls 2 treten Raumladungseffekte wie z.B. eine Strombegrenzung oder eine Absenkung des Strahlpotentials auf, die den Energietransport im Strahl begrenzen.
Um eine ungehinderte Ausbreitung des Elektronenstrahls 2 von der Elektronenkanone 1 zum Hohlraumresonator 6, in dem die Wechselwirkung zwischen Strahl und elektromagnetischen Feld erfolgt, zu ermöglichen, ist zwischen beiden die Strahlführung 5 angeordnet, die im Inneren eine Stapelfolge von Metallringen 3 und Keramikringen 4 enthält.
Diese Stapelfolge stellt eine Massnahme zur Dämpfung von unerwünschten Wellenmoden dar, die durch den Elektronenstrahl 2 in der als Wellenleiter wirkenden, geschlossenen Mantelfläche der Strahlführung 5 angeregt werden können. Auf diese Weise wird erreicht, dass ausschliesslich die gewünschten elektromagnetischen Wellen im Hohlraumresonator 6 angeregt und über den Ausgangswellenleiter 7 ausgekoppelt werden.
Gemäss der vorliegenden Erfindung wird nun eine Modendämpfung in der Strahlführung 5 auf bedeutend einfachere Weise dadurch realisiert, dass anstelle des integrierten Stapels aus Metallringen 3 und Keramikringen 4 in der Mantelfläche der Strahlführung eine Vielzahl von Dämpfungsöffnungen vorgesehen sind, die das Austreten elektromagnetischer Felder gestatten und dadurch die Eigengüte Q der Strahl- führ_'ung auf einen unterkritischen Wert herabsetzen.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel für eine Strahlführung, deren Mantelfläche eine Vielzahl von Dämpfungsöffnungen aufweist, ist in Fig. 2 in perspektivischer Sicht wiedergegeben. Die Strahlführung 5 hat in diesem Ausführungsbeispiel eine zylindrische Mantelfläche aus einem Drahtgewebe oder Drahtnetz, welche den Elektronenstrahl 2 umschliesst. Das Drahtgewebe enthält als Dämpfungsöffnungen 13 die Maschen des Gewebes bzw. Netzes. Die charakteristische Oeffnungsweite a der Maschen ist dabei so gewählt, dass sie ungefähr gleich der oder grösser als die Wellenlänge der zu dämpfenden Wellenmode ist. Auf der anderen Seite ist es im Fall der zylindrischen Strahlführung 5 besonders vorteilhaft, wenn die charakteristische Oeffnungsweite a kleiner ist als die halbe Differenz zwischen dem Radius der Mantelfläche und dem Radius des Elektronenstrahls 2, weil dann die Führungseigenschaften der Strahlführung 5 besonders ausgeprägt sind. Beide Dimensionierungsvorschriften für die charakteristische Oeffnungsweite a lassen sich für hohe Frequenzen oberhalb 100 GHz leicht erfüllen.
Das Drahtgewebe der Strahlführung 5 aus Fig. 2 besteht vorzugsweise aus Kupfer, Silber oder ähnlichen, elektrisch gut leitenden Materialien. Der Radius der zylindrischen Mantelfläche liegt zwischen 2 und 8 mm und beträgt typischerweise 5 mm, wobei ein Radius des Elektronenstrahls von etwa 2 mm vorausgesetzt ist.
Der genaue Zylinderradius wird durch die maximal mögliche Potentialabsenkung des Elektronenstrahls bestimmt. Liegt dieser Zylinderradius fest, ergibt sich die charakteristische Oeffnungsweite a aus den oben genannten Dimensionierungsvorschriften.
Neben dem Gyrotron, das in der eingangs zitierten Druckschrift beschrieben und für Wellenlängen im cm-Bereich geeignet ist, sind als Weiterentwicklungen für den Millimeterwellenbereich das quasi-optische Gyrotron und das quasi-optische Gyroklystron bekannt (A. Bondeson et al. in Int. J. Electronics 53 (6), S. 547 ff. (1982)).
Bei dem quasi-optischen Gyrotron, das hier als Beispiel herausgegriffen ist, wird gemäss Fig. 3 der von der Elektronenkanone 1 emittierte Elektronenstrahl zur Wechselwirkung mit einem elektromagnetischen Wechselfeld in einen quasi-optischen offenen Resonator 10 geschickt, der aus zwei gegenüberliegenden, konkaven Resonatorspiegeln 8 und 9 besteht. Die Geometrie der Anordnung macht es hierbei erforderlich, in der Mantelfläche der Strahlführung 5, die in dem Ausführungsbeispiel der Fig. 3 als Dämpfungsöffnungen 13 Durchgangslöcher in einer leitenden Platte (z.B. aus Blech) aufweist, zusätzliche Durchgangsöffnungen 11 und 12 im Bereich des offenen Resonators 10 vorzusehen, durch welche die Resonatorwellen ungehindert hindurchtreten können.
Die Ausführung einer Strahlführung 5 für ein quasi-optisches Gyrotron gemäss Fig. 3, bei der die Mantelflächen wiederum durch Drahtgewebe realisiert werden, ist in Fig. 4 perspektivisch dargestellt. Die Strahlführung weist senkrecht zur Achse des Elektronenstrahls 2 einen rechteckigen Querschnitt auf, dessen Höhe h konstant ist und z.B. 10 mm beträgt und dessen Breite in der Mitte ein Maximum von z.B. 80 mm erreicht und zu beiden Seiten hin linear abnimmt.
Das Drahtgewebe der Mantelfläche wird vorzugsweise von einem Rahmen 14 gehalten, welcher der Strahlführung 5 die notwendige Stabilität verleiht und zugleich die Durchgangsöffnungen 11 und 12 für die Wellen des offenen Resonators 10 begrenzt.
Die Maschen des Drahtgewebes bilden wiederum die Dämpfungsöffnungen 13, deren charakteristische Oeffnungsweite a nach den bereits beschriebenen Dimensionierungsvorschriften bestimmt ist.
In analoger Weise ergibt sich die Ausführung einer Strahlführung für ein quasi-optisches Gyroklystron, mit dem Unterschied, dass in diesem Durchgangsöffnungen für zwei offene, quasi-optische Resonatoren vorgesehen werden müssen.
Insgesamt steht mit der Erfindung eine Moden-gedämpfte Strahlführung für Gyrotrons zur Verfügung, die sich durch einen besonders einfachen und robusten Aufbau auszeichnet und mit entsprechend wenig Aufwand realisiert werden kann.

B e z e i c h n u n g s 1 i s t e

1 Elektronenkanone
2 Elektronenstrahl
3 Metallring
4 Keramikring
5 Strahlführung
6 Hohlraumresonator
7 Ausgangswellenleiter
8, 9 Resonatorspiegel
10 offener Resonator
11, 12 Durchgangsöffnung
13 Dämpfungsöffnung
14 Rahmen
a Oeffnungsweite
h Höhe

Claims

1. Vorrichtung zur Führung eines Elektronenstrahls von einer Elektronenkanone zu einem Mikrowellenresonator in einer nach dem Prinzip des Gyrotrons arbeitenden Mikrowellenquelle, welche Vorrichtung eine Strahlführung aus einem elektrisch leitenden Material umfasst, die den Elektronenstrahl entlang seiner Ausbreitungsrichtung in der Gestalt einer Mantelfläche umschliesst, und welche Vorrichtung innerhalb der Strahlführung Mittel zur Dämpfung unerwünschter Wellenmoden aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Dämpfungsmittel eine Vielzahl von Dämpfungsöffnungen (13) in der Mantelfläche umfassen, und die charakteristische Oeffnungsweite (a) der Dämpfungsöffnungen (13) grösser oder ungefähr gleich der Wellenlänge der zu dämpfenden Wellenmoden ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlführung (5) als zylindrische Mantelfläche ausgebildet ist, und die charakteristische Oeffnungsweite (a) der Dämpfungsöffnungen (13) kleiner als die oder ungefähr gleich der halben Differenz zwischen dem Radius der Mantelfläche und dem Radius des Elektronenstrahls (2) ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Radius der zylindrischen Mantelfläche zwischen 2 mm und 8 mm, vorzugsweise etwa 5 mm, beträgt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 für eine Mikrowellenquelle mit quasi-optischem, offenen Resonator (10), dadurch gekennzeichnet, dass die Mantelfläche senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Elektronenstrahls (2) einen rechteckigen Querschnitt mit konstanter Höhe (h) und einer veränderlichen Breite aufweist, und die Mantelfläche im Bereich des offenen Resonators (10) mit Durchgangsöffnungen (11, 12) für den ungehinderten Durchgang der Resonatorwellen versehen ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass die Mantelfläche der Strahlführung im wesentlichen aus einem Drahtgewebe besteht, dessen Maschenweite gleich der charakteristischen Oeffnungsweite (a) ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass die Mantelfläche der Strahlführung (5) im wesentlichen aus einem mit einer Vielzahl von Durchgangslöchern versehenen Blech besteht, und die Durchmesser der Durchgangslöcher gleich der charakteristischen Oeffnungsweite (a) sind.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlführung im wesentlichen aus Cu besteht.