EP0403811A1 - Quasi-optical gyrotron - Google Patents

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Publication number
EP0403811A1
EP0403811A1 EP90109716A EP90109716A EP0403811A1 EP 0403811 A1 EP0403811 A1 EP 0403811A1 EP 90109716 A EP90109716 A EP 90109716A EP 90109716 A EP90109716 A EP 90109716A EP 0403811 A1 EP0403811 A1 EP 0403811A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
quasi
resonator
electromagnetic radiation
optical
mirrors
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP90109716A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Hans-Günter Dr. Mathews
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ABB Asea Brown Boveri Ltd
ABB AB
Original Assignee
ABB Asea Brown Boveri Ltd
Asea Brown Boveri AB
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ABB Asea Brown Boveri Ltd, Asea Brown Boveri AB filed Critical ABB Asea Brown Boveri Ltd
Publication of EP0403811A1 publication Critical patent/EP0403811A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J23/00—Details of transit-time tubes of the types covered by group H01J25/00
    • H01J23/16—Circuit elements, having distributed capacitance and inductance, structurally associated with the tube and interacting with the discharge
    • H01J23/18—Resonators
    • H01J23/20—Cavity resonators; Adjustment or tuning thereof
    • H01J23/207—Tuning of single resonator
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J25/00—Transit-time tubes, e.g. klystrons, travelling-wave tubes, magnetrons
    • H01J25/02—Tubes with electron stream modulated in velocity or density in a modulator zone and thereafter giving up energy in an inducing zone, the zones being associated with one or more resonators
    • H01J25/025—Tubes with electron stream modulated in velocity or density in a modulator zone and thereafter giving up energy in an inducing zone, the zones being associated with one or more resonators with an electron stream following a helical path

Definitions

  • the invention relates to a quasi-optical gyrotron for generating electromagnetic radiation in the millimeter and submillimeter range, in which electrons running along an electron beam axis are forced to gyrate by a static magnetic field aligned parallel to the electron beam axis and in a quasi-optical resonator, which is two, on one includes mirrors arranged opposite one another perpendicular to the electron beam axis, excite an alternating electromagnetic field, so that the electromagnetic radiation can be coupled out of the resonator.
  • a quasi-optical gyrotron of the type mentioned at the outset is, for example, from the patent CH-664045 or from the article "The gyrotron, key component for high-power microwave transmitters", HG Mathews, Minh Quang Tran, Brown Boveri Review 6-1987, pp. 303-307. With such a gyrotron, electromagnetic radiation in a frequency range of typically more than 100 GHz can be generated with great power.
  • the solution is that the mirrors of the quasi-optical resonator are at a mutual distance which is much larger than half a wavelength of the electromagnetic radiation and means are provided for varying the spacing of the mirrors at high frequency are which cause the distance to vary by at least about half a wavelength of the electromagnetic radiation.
  • the radiation is preferably generated in the form of pulses which have a pulse duration of no more than about 10 ms.
  • the means for high-frequency variation work at a frequency that is much larger than the inverse pulse duration. It is typically on the order of a multiple of the inverse pulse duration.
  • the other mirror is attached to a vibrator and is moved with a vibration amplitude which is not less than approximately half a wavelength of the electromagnetic radiation.
  • each vibrator works with a vibration amplitude that corresponds to about a quarter of a half wavelength of the electromagnetic radiation.
  • means can be provided for generating a slowly changing auxiliary magnetic field which is superimposed on the static magnetic field.
  • FIG. 1 shows the parts of an inventive quasi-optical gyrotron which are essential for explaining the invention.
  • An electron gun not shown in the figure, injects electrons in the form of e.g. ring-shaped electron beam 1.
  • the electrons run along an electron beam axis 2.
  • Two coils 3a and 3b are arranged on the electron beam axis 2 at a distance corresponding to their radius (so-called Helmholtz arrangement). They generate a static magnetic field aligned parallel to the electron beam axis 2, which forces the electrons to gyrate.
  • a quasi-optical resonator is arranged between the two coils 3a, 3b. It consists of two spherical, circular mirrors 4a and 4b, which are arranged opposite one another on a resonator axis 5.
  • the resonator axis 5 is perpendicular to the electron beam axis 2.
  • the electrons excite an alternating electromagnetic field in the quasi-optical resonator, so that in one of the two mirrors 4a, which is used for this purpose e.g. is provided with suitable ring-shaped coupling-out slots 6, the desired microwaves can be coupled out and guided through a window 7 and a waveguide 8 to a consumer.
  • the two coils 3a, 3b, the resonator and, of course, the electron beam 1 are located in a vessel 9 in a high vacuum.
  • the two mirrors 4a, 4b of the resonator are at a mutual distance D.
  • this distance D determines the possible resonance frequencies of the resonator in the stationary case. They are given by the condition that the distance D must be an integral multiple of half a wavelength of the alternating electromagnetic field. According to the invention, the distance is now much larger than half a wavelength. As a result, the electrons can excite several adjacent resonance frequencies simultaneously in the resonator.
  • the gyrotron changes to the steady state, in which a mode with a certain resonance frequency dominates.
  • one of the mirrors 4b preferably the one in which no radiation is coupled out, is attached to a vibrator 10.
  • the vibrator 10 is fixed to the vessel 9, for example. It moves the mirror 4b back and forth on the resonator axis 5 with a vibration amplitude which corresponds to approximately half a wavelength.
  • the effect of the vibrator 10 can be explained with reference to FIG. 2a.
  • Varying the distance is done at a high speed, respectively. a high frequency. It is not absolutely necessary for the distance to vary with a fixed, high frequency. Under certain circumstances, it may also be advantageous to vibrate the mirror periodically or stochastically as desired. In any case, the electromagnetic radiation generated will statistically cover the desired bandwidth B (Histisch) due to the fluctuating energy of the different modes.
  • the quasi-optical gyrotron operates in pulse mode, so that radiation in the form of pulses with a pulse duration of no more than about 10 ms is generated.
  • the radiation generated thus always has a maximum bandwidth B (H0).
  • the vibration frequency is preferably in a range from several 100 Hz to several kHz.
  • the size of the required vibration amplitude and the mechanical vibration properties of the mirror play a key role in determining the vibration frequency.
  • the corresponding mirror is advantageously moved stochastically.
  • the high-frequency variation of the distance D between the mirrors 4a, 4b by at least half a wavelength can of course also be achieved by each of the two mirrors 4a and 4b being attached to its own vibrator.
  • Each of the two vibrators then preferably works with a vibration amplitude of only a quarter of the wavelength. This second embodiment of the invention is particularly desirable when large vibration amplitudes are required.
  • piezoelectric vibration transmitters are preferably used as vibrators.
  • means are additionally provided for generating a slowly changing auxiliary magnetic field.
  • This has the task of modulating the static magnetic field in its field strength so that the gyration frequency of the electrons slowly, i.e. from pulse to pulse, changes and the average bandwidth of the coupled electromagnetic radiation is additionally broadened.
  • the auxiliary magnetic field is thus superimposed on the static magnetic field. It has essentially the same direction and a field strength which is small in relation to that of the static magnetic field.
  • auxiliary coils 11a and 11b are arranged in a Helmholtz arrangement coaxial to the electron beam axis 2 on both sides of the resonator axis 5. In this way, they generate the desired, slowly changing auxiliary magnetic field in the vicinity of the axis of the electron beam axis 2, which is also substantially parallel to the electron beam axis 2.
  • Fig. 2a shows the spectrum of the electromagnetic radiation when the auxiliary magnetic field disappears, ie at a magnetic field strength H0 (static magnetic field).
  • Fig. 2b shows the spectrum when the auxiliary magnetic field has the value + dH, ie with a total magnetic field strength H + dH.
  • the higher gyration frequency of the electrons due to the stronger magnetic field means that higher modes are excited in the resonator.
  • the shifted bandwidth B (H (+ dH) now includes, for example, the resonance frequencies f3, ..., f8.
  • the bandwidth B H0-dH
  • the auxiliary magnetic field cannot be changed so quickly that the above-described increase in the average bandwidth can occur within a single pulse.
  • the shift has an effect from pulse to pulse and leads to the described increase in bandwidth over a number of pulses. This is typically on the order of 10-20% of the bandwidth B (H0), i.e. without auxiliary magnetic field.
  • the electromagnetic radiation from the gyrotron should have an average frequency (fundamental frequency) of 150 GHz.
  • the wavelength (in a vacuum) is then about 2 mm.
  • B (H 3.) 3.75 GHz, which corresponds to approximately 2.5% of the average frequency of 150 GHz.
  • the quasi-optical gyrotron according to the invention thus generates millimeter and submillimeter waves, the bandwidth of which is about a factor of 10 3 larger than in the prior art.
  • the distance varies by about half a wavelength. It is clear that with smaller changes (significantly less than half a wavelength) the entire spectral range of the given bandwidth cannot be covered. Rather, there are gaps. However, it is entirely within the scope of the invention to vary the distance, for example periodically or irregularly, by more than half a wavelength, since the entire bandwidth is also covered in this way.
  • the invention has created a broadband source of high power for millimeter and submillimeter waves, which is particularly suitable for use in jammers.

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  • Lasers (AREA)

Abstract

Bei einem quasi-optisches Gyrotron erzeugen zwei Spulen (3a, 3b) in Helmholtz-Anordnung ein statisches, parallel zu einer Elektronenstrahlachse (2) ausgerichtetes Magnetfeld. Dadurch werden die auf der Elektronenstrahlachse (2) parallel zum Magnetfeld laufenden Elektronen zur Gyration gezwungen und regen in einem quasi-optischen Resonator ein elektromagne­tisches Wechselfeld an. Der Resonator umfasst zwei, auf einer Resonatorachse (5) einander gegenüberliegend angeordnete Spiegel (4a, 4b). Die Resonatorachse (5) ist zwischen den zwei Spulen (3a, 3b) senkrecht zur Elektronenstahlachse (2) ausgerichtet. Die Spiegel weisen einen gegenseitigen Abstand auf, welcher viel grösser als eine halbe Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung ist. Zur Erzeugung breitbandiger Strahlung wird mindestens ein Spiegel (4b) durch einen Vibrator (10) hochfrequent um mindestens etwa eine halbe Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung bewegt.

Figure imgaf001
In a quasi-optical gyrotron, two coils (3a, 3b) in a Helmholtz arrangement generate a static magnetic field aligned parallel to an electron beam axis (2). As a result, the electrons running on the electron beam axis (2) parallel to the magnetic field are forced to gyrate and excite an alternating electromagnetic field in a quasi-optical resonator. The resonator comprises two mirrors (4a, 4b) arranged opposite one another on a resonator axis (5). The resonator axis (5) is aligned between the two coils (3a, 3b) perpendicular to the electron steel axis (2). The mirrors are at a mutual distance, which is much larger than half a wavelength of the electromagnetic radiation. To generate broadband radiation, at least one mirror (4b) is moved by a vibrator (10) at a high frequency by at least about half a wavelength of the electromagnetic radiation.
Figure imgaf001

Description

Technisches GebietTechnical field

Die Erfindung betrifft ein quasi-optisches Gyrotron zur Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung im Millimeter- und Submillimeterbereich, bei welchem entlang einer Elektronenstrahlachse laufende Elektronen durch ein statisches, parallel zur Elektronenstrahlachse ausgerichtetes Magnetfeld zur Gyration gezwungen werden und in einem quasi­optischen Resonator, welcher zwei, auf einer senkrecht zur Elektronenstrahlachse ausgerichteten Resonatorachse einander gegenüberliegend angeordnete Spiegel umfasst, ein elektromagnetisches Wechselfeld anregen, sodass aus dem Resonator die elektromagnetische Strahlung ausgekoppelt werden kann.The invention relates to a quasi-optical gyrotron for generating electromagnetic radiation in the millimeter and submillimeter range, in which electrons running along an electron beam axis are forced to gyrate by a static magnetic field aligned parallel to the electron beam axis and in a quasi-optical resonator, which is two, on one includes mirrors arranged opposite one another perpendicular to the electron beam axis, excite an alternating electromagnetic field, so that the electromagnetic radiation can be coupled out of the resonator.

Stand der TechnikState of the art

Ein quasi-optisches Gyrotron der eingangs genannten Art ist z.B. aus dem Patent CH-664045 oder aus dem Artikel "Das Gyrotron, Schlüsselkomponente für Hochleistungs-Mikrowellen­sender", H.G. Mathews, Minh Quang Tran, Brown Boveri Review 6-1987, pp. 303-307, bekannt. Mit einem solchen Gyrotron lässt sich elektromagnetische Strahlung in einem Frequenzbereich von typischerweise mehr als 100 GHz mit grosser Leistung erzeugen.A quasi-optical gyrotron of the type mentioned at the outset is, for example, from the patent CH-664045 or from the article "The gyrotron, key component for high-power microwave transmitters", HG Mathews, Minh Quang Tran, Brown Boveri Review 6-1987, pp. 303-307. With such a gyrotron, electromagnetic radiation in a frequency range of typically more than 100 GHz can be generated with great power.

Alle bisher bekannten Hochleistungsquellen für Millimeter- und Submillimeterwellen zeichnen sich dadurch aus, dass sie bei einer festen Frequenz und mit einer äusserst geringen Bandbreite arbeiten. Beim quasi-optischen Gyrotron beispielsweise beträgt diese Bandbreite nur wenige MHz. Bei gewissen nachrichtentechnischen Anwendungen (z.B. bei den sogenannten "electronic countermeasures") ist es aber mitunter erforderlich, dass hochfrequente Strahlung grosser Bandbreite zur Verfügung gestellt werden kann.All previously known high-performance sources for millimeter and submillimeter waves are characterized by the fact that they work at a fixed frequency and with an extremely small bandwidth. In the quasi-optical gyrotron, for example, this bandwidth is only a few MHz. In certain communications technology applications (e.g. in the so-called "electronic countermeasures") it is sometimes necessary that high-frequency radiation with a wide bandwidth can be made available.

Wenn es beispielsweise darum geht, eine elektromagnetische Nachrichtenverbindung zu stören oder zu verunmöglichen, dann genügt es nicht, mit einem Störsender hoher Leistung aber fester Frequenz zu interferieren. Es ist nämlich bekannt, dass einem derartigen "Jamming" durch systematisches Frequenzhüpfen aus dem Weg gegangen werden kann.For example, when it comes to disrupting or preventing an electromagnetic communications link, it is not enough to interfere with a high power but fixed frequency jammer. It is known that such "jamming" can be avoided by systematic frequency hopping.

Wenn nun aber ein breites Frequenzband mit dem Störsender abgedeckt werden kann, dann muss auch das Frequenzhüpfen versagen.However, if a broad frequency band can now be covered with the jammer, the frequency hopping must also fail.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, ganz allgemein eine Millimeterquelle grosser Bandbreite und hoher Leistung anzugeben.It is therefore an object of the invention to specify, in general, a millimeter source with a large bandwidth and high power.

Insbesondere ist es auch Aufgabe der Erfindung, ein quasi­optisches Gyrotron der eingangs genannten Art anzugeben, welches Strahlung in Form von Millimeter- und Submillimeter­wellen mit einer relativ grossen Bandbreite erzeugen kann.In particular, it is also an object of the invention to provide a quasi-optical gyrotron of the type mentioned at the outset, which can generate radiation in the form of millimeter and submillimeter waves with a relatively large bandwidth.

Erfindungsgemäss besteht die Lösung darin, dass die Spiegel des quasi-optischen Resonators einen gegenseitigen Abstand aufweisen, welcher viel grösser als eine halbe Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung ist und Mittel zum hochfrequenten Variieren des Abstandes der Spiegel vorgesehen sind, welche ein Variieren des Abstandes um mindestens etwa eine halbe Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung bewirken.According to the invention, the solution is that the mirrors of the quasi-optical resonator are at a mutual distance which is much larger than half a wavelength of the electromagnetic radiation and means are provided for varying the spacing of the mirrors at high frequency are which cause the distance to vary by at least about half a wavelength of the electromagnetic radiation.

Vorzugsweise wird die Strahlung in Form von Pulsen, welche eine Pulsdauer von nicht mehr als etwa 10 ms haben, erzeugt. Die Mittel zum hochfrequenten Variieren arbeiten dabei mit einer Frequenz, welche viel grösser als die inverse Pulsdauer ist. Typischerweise liegt sie in der Grössenordnung eines Mehrfachen der inversen Pulsdauer.The radiation is preferably generated in the form of pulses which have a pulse duration of no more than about 10 ms. The means for high-frequency variation work at a frequency that is much larger than the inverse pulse duration. It is typically on the order of a multiple of the inverse pulse duration.

Wenn die Strahlung bei einem Spiegel aus dem Resonator ausgekoppelt wird, dann ist es von Vorteil, wenn der andere Spiegel auf einem Vibrator befestigt ist und mit einer Vibrationsamplitude bewegt wird, welche nicht weniger als etwa eine halbe Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung beträgt.If the radiation is coupled out of the resonator at one mirror, then it is advantageous if the other mirror is attached to a vibrator and is moved with a vibration amplitude which is not less than approximately half a wavelength of the electromagnetic radiation.

Für gewisse Ausführungsformen ist es von Vorteil, wenn zwei Vibratoren vorgesehen sind, d.h. für jeden Spiegel einen. In diesem Fall arbeitet jeder Vibrator mit einer Vibrations­amplitude die etwa einem Viertel einer halben Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung entspricht.For certain embodiments it is advantageous if two vibrators are provided, i.e. one for each mirror. In this case, each vibrator works with a vibration amplitude that corresponds to about a quarter of a half wavelength of the electromagnetic radiation.

Um die mittlere Bandbreite der elektromagnetischen Strahlung noch zu vergrössern, können Mittel zum Erzeugen eines langsam sich ändernden Hilfsmagnetfeldes, welches dem statischen Magnetfeld überlagert ist, vorgesehen sein.In order to further increase the average bandwidth of the electromagnetic radiation, means can be provided for generating a slowly changing auxiliary magnetic field which is superimposed on the static magnetic field.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.Further advantageous embodiments result from the dependent patent claims.

Kurze Beschreibung der ZeichnungBrief description of the drawing

Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Ausführungsbei­spielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigt:

  • Fig. 1 eine schematische Darstellung eines quasi-optisches Gyrotrons; und
  • Fig. 2a-c eine grafische Darstellung des Spektrums der erzeugten Strahlung.
The invention will be explained in more detail below on the basis of exemplary embodiments in conjunction with the drawing. It shows:
  • Figure 1 is a schematic representation of a quasi-optical gyrotron. and
  • 2a-c is a graphic representation of the spectrum of the radiation generated.

Die in der Zeichnung verwendeten Bezugszeichen und deren Bedeutung sind in der Bezeichnungsliste zusammenfassend tabelliert. Grundsätzlich sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.The reference symbols used in the drawing and their meaning are summarized in the list of designations. In principle, the same parts are provided with the same reference symbols.

Wege zur Ausführung der ErfindungWays of Carrying Out the Invention

Fig. 1 zeigt die zur Erläuterung der Erfindung wesentlichen Teile eines erfindungsgemässen quasi-optischen Gyrotrons. Eine in der Figur nicht gezeigte Elektronenkanone injiziert Elektronen in Form eines z.B. ringförmigen Elektronenstrahls 1. Die Elektronen laufen entlang einer Elektronenstrahlachse 2. Zwei Spulen 3a und 3b sind auf der Elektronenstrahlachse 2 in einem ihrem Radius entsprechenden Abstand (sog. Helmholtz-­Anordnung) angeordnet. Sie erzeugen ein statisches, parallel zur Elektronenstrahlachse 2 ausgerichtetes Magnetfeld, welches die Elektronen zur Gyration zwingt.1 shows the parts of an inventive quasi-optical gyrotron which are essential for explaining the invention. An electron gun, not shown in the figure, injects electrons in the form of e.g. ring-shaped electron beam 1. The electrons run along an electron beam axis 2. Two coils 3a and 3b are arranged on the electron beam axis 2 at a distance corresponding to their radius (so-called Helmholtz arrangement). They generate a static magnetic field aligned parallel to the electron beam axis 2, which forces the electrons to gyrate.

Zwischen den beiden Spulen 3a, 3b ist ein quasi-optischer Resonator angeordnet. Er besteht aus zwei sphärischen, kreis­förmigen Spiegeln 4a und 4b, welche auf einer Resonatorachse 5 einander gegenüberliegend angeordnet sind. Die Resonatorachse 5 steht dabei senkrecht zur Elektronenstrahlachse 2.A quasi-optical resonator is arranged between the two coils 3a, 3b. It consists of two spherical, circular mirrors 4a and 4b, which are arranged opposite one another on a resonator axis 5. The resonator axis 5 is perpendicular to the electron beam axis 2.

Die Elektronen regen im quasi-optischen Resonator ein elektromagnetisches Wechselfeld an, sodass bei einem der beiden Spiegel 4a, welcher zu diesem Zweck z.B. mit geeigneten ringförmigen Auskoppelschlitzen 6 versehen ist, die gewünschten Mikrowellen ausgekoppelt und durch ein Fenster 7 und einen Wellenleiter 8 zu einem Verbraucher geführt werden können. Die beiden Spulen 3a, 3b, der Resonator und natürlich der Elektronenstrahl 1 befinden sich in einem Gefäss 9 im Hochvakuum.The electrons excite an alternating electromagnetic field in the quasi-optical resonator, so that in one of the two mirrors 4a, which is used for this purpose e.g. is provided with suitable ring-shaped coupling-out slots 6, the desired microwaves can be coupled out and guided through a window 7 and a waveguide 8 to a consumer. The two coils 3a, 3b, the resonator and, of course, the electron beam 1 are located in a vessel 9 in a high vacuum.

Die bis jetzt beschriebenen Teile des quasi-optischen Gyrotrons sind bereits bekannt (z.B. aus dem oben zitierten Artikel von Mathews und Tran) und bedürfen deshalb keiner weiteren Erläuterung. Was hingegen neu ist, sind die nachfolgend zu erläuternden Mittel zum hochfrequenten Variieren des Abstandes der Spiegel.The parts of the quasi-optical gyrotron described so far are already known (e.g. from the article by Mathews and Tran cited above) and therefore require no further explanation. What is new, on the other hand, are the means to be explained below for varying the spacing of the mirrors at high frequency.

Die beiden Spiegel 4a, 4b des Resonators haben einen gegenseitigen Abstand D. Dieser Abstand D bestimmt im stationären Fall bekanntlich die möglichen Resonanzfrequenzen des Resonators. Sie sind durch die Bedingung gegeben, dass der Abstand D ein ganzzahliges Vielfaches einer halben Wellenlänge des elektromagnetischen Wechselfeldes betragen muss. Gemäss der Erfindung ist nun der Abstand viel grösser als eine halbe Wellenlänge. Dadurch können im Resonator durch die Elektronen mehrere nebeneinanderliegende Resonanzfrequenzen gleichzeitig angeregt werden.The two mirrors 4a, 4b of the resonator are at a mutual distance D. As is known, this distance D determines the possible resonance frequencies of the resonator in the stationary case. They are given by the condition that the distance D must be an integral multiple of half a wavelength of the alternating electromagnetic field. According to the invention, the distance is now much larger than half a wavelength. As a result, the electrons can excite several adjacent resonance frequencies simultaneously in the resonator.

Fig. 2a zeigt eine Darstellung dieses Sachverhalts im Frequenzbereich. Auf der Abszisse ist die Frequenz f aufgetragen. Die oben genannte Resonanzbedingung führt zu einer Reihe von Resonanzfrequenzen fi, i = 1, 2,.., welche jeweils einen Frequenzabstand df = c/2D (c = Lichtgeschwindigkeit) und eine sehr geringe Resonanzbreite δf = fi/Q (Q = Güte des Resonators) haben.2a shows a representation of this situation in the frequency domain. The frequency f is plotted on the abscissa. The above-mentioned resonance condition leads to a series of resonance frequencies f i , i = 1, 2, .., each of which has a frequency spacing df = c / 2D (c = speed of light) and a very small resonance width δf = f i / Q (Q = Goodness of the resonator).

Im stationären Betrieb ist im Resonator in der Regel ein einziger starker Mode vorhanden, welcher bei einer der möglichen Resonanzfrequenzen fi (z.B. i = 3) schwingt. Dies trifft jedoch für den nichtstationären Fall nicht zu. Modellrechnungen und Versuche haben nämlich gezeigt, dass das quasi-optische Gyrotron im "Multimodenbetrieb" anschwingt. Während des Anschwingens werden im Resonator also gleichzeitig mehrere verschiedene Resonanzfrequenzen angeregt. Die entsprechenden Moden haben dabei eine fluktuierende Energie, sie "bekämpfen" sich quasi. Typischerweise konkurrieren etwa 10 Moden während des Einschwingvorganges (d.h. fi, i = 1,..,10).In stationary operation, there is usually only one strong mode in the resonator, which is one of the possible resonance frequencies f i (e.g. i = 3) oscillates. However, this does not apply to the non-stationary case. Model calculations and tests have shown that the quasi-optical gyrotron swings in "multimode mode". During the oscillation, several different resonance frequencies are excited simultaneously in the resonator. The corresponding modes have fluctuating energy, they "fight" each other, so to speak. Typically, about 10 modes compete during the transient process (ie f i , i = 1, .., 10).

Nach einer gewissen Zeit geht das Gyrotron in den stationären Zustand über, in welchem ein Mode mit einer bestimmten Resonanzfrequenz dominiert.After a certain time, the gyrotron changes to the steady state, in which a mode with a certain resonance frequency dominates.

Zur erfindungsgemässen Erzeugung breitbandiger Strahlung sind nun Mittel zum hochfrequenten Variieren des Abstandes D der Spiegel vorgesehen. In der Ausführungsform von Fig. 1 ist einer der Spiegel 4b, vorzugsweise derjenige, bei welchem keine Strahlung ausgekoppelt wird, auf einem Vibrator 10 befestigt. Der Vibrator 10 ist beispielsweise am Gefäss 9 fixiert. Er bewegt den Spiegel 4b mit einer Vibrationsamplitude, welche etwa einer halben Wellenlänge entspricht, auf der Resonatorachse 5 hin und her.To generate broadband radiation according to the invention, means are now provided for high-frequency variation of the distance D between the mirrors. In the embodiment of FIG. 1, one of the mirrors 4b, preferably the one in which no radiation is coupled out, is attached to a vibrator 10. The vibrator 10 is fixed to the vessel 9, for example. It moves the mirror 4b back and forth on the resonator axis 5 with a vibration amplitude which corresponds to approximately half a wavelength.

Der Effekt des Vibrators 10 lässt sich anhand der Fig. 2a erläutern. Die äusserst schmalen Resonanzfrequenzen f₁, f₂,..., f₆, deren Lage durch den Abstand D der Spiegel bestimmt ist, verschieben sich aufgrund der Variation des Abstandes D auf der Frequenzachse hin und her. Wenn nun der Abstand D um eine halbe Wellenlänge variiert, dann verschieben sich die Resonanzfrequenzen je um den Frequenzabstand df. Wenn somit im nichtstationären Betrieb beispielsweise sechs Resonanzfrequenzen f₁,..,f₆ gleichzeitig schwingen, hat die Vibration des Spiegels zur Folge, dass ein ganzes Frequenzband B(H₀) abgedeckt wird.The effect of the vibrator 10 can be explained with reference to FIG. 2a. The extremely narrow resonance frequencies f₁, f₂, ..., f₆, whose position is determined by the distance D of the mirror, shift back and forth on the frequency axis due to the variation of the distance D. If the distance D now varies by half a wavelength, then the resonance frequencies shift by the frequency distance df. If, for example, six resonance frequencies f₁, .., f₆ vibrate simultaneously in non-stationary operation, the vibration of the mirror has the result that an entire frequency band B (H₀) is covered.

Das Variieren des Abstandes erfolgt mit einer grossen Geschwindigkeit, resp. einer hohen Frequenz. Es ist dabei nicht unbedingt nötig, dass der Abstand mit einer fest vorgegebenen, hohen Frequenz variiert. Unter Umständen kann es auch vorteilhaft sein, den Spiegel beliebig periodisch oder auch stochastisch zu vibrieren. In jedem Fall wird die erzeugte elektromagnetische Strahlung aufgrund der fluktuierenden Energie der verschiedenen Moden die gewünschte Bandbreite B(H₀) statistisch abdecken.Varying the distance is done at a high speed, respectively. a high frequency. It is not absolutely necessary for the distance to vary with a fixed, high frequency. Under certain circumstances, it may also be advantageous to vibrate the mirror periodically or stochastically as desired. In any case, the electromagnetic radiation generated will statistically cover the desired bandwidth B (Histisch) due to the fluctuating energy of the different modes.

Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform arbeitet das quasi-­optische Gyrotron im Pulsbetrieb, sodass Strahlung in Form von Pulsen einer Pulsdauer von nicht mehr als etwa 10 ms erzeugt wird. Der Vibrator arbeitet dann bei einer Vibrationsfrequenz, die viel grösser als die inverse Pulsdauer von etwa 1/10ms = 100 Hz ist. Bei einem solchen Pulsbetrieb kann sich nie ein stationärer Zustand einstellen. Die erzeugte Strahlung weist somit stets eine maximale Bandbreite B(H₀) auf.According to a preferred embodiment, the quasi-optical gyrotron operates in pulse mode, so that radiation in the form of pulses with a pulse duration of no more than about 10 ms is generated. The vibrator then works at a vibration frequency that is much greater than the inverse pulse duration of about 1 / 10ms = 100 Hz. With such a pulse operation, a steady state can never occur. The radiation generated thus always has a maximum bandwidth B (H₀).

Die Vibrationsfrequenz liegt vorzugsweise in einem Bereich von mehreren 100 Hz bis zu einigen kHz. Im konkreten Fall spielen die Grösse der geforderten Vibrationsamplitude und die mechanischen Schwingungseigenschaften des Spiegels eine massgebliche Rolle bei der Festlegung der Vibrationsfrequenz. In diesem Zusammenhang ist zu beachten, dass im Fall niedriger Vibrationsfrequenzen (einige 100 Hz) der entsprechende Spiegel mit Vorteil stochastisch bewegt wird.The vibration frequency is preferably in a range from several 100 Hz to several kHz. In this specific case, the size of the required vibration amplitude and the mechanical vibration properties of the mirror play a key role in determining the vibration frequency. In this context, it should be noted that in the case of low vibration frequencies (a few 100 Hz), the corresponding mirror is advantageously moved stochastically.

Das hochfrequente Variieren des Abstandes D der Spiegel 4a, 4b um zumindest eine halbe Wellenlänge kann natürlich auch erreicht werden, indem jeder der beiden Spiegel 4a und 4b auf einem eigenen Vibrator befestigt ist. Jeder der beiden Vibratoren arbeitet dann vorzugsweise mit einer Vibrations­amplitude von nur noch einem Viertel der Wellenlänge. Diese zweite Ausführungsform der Erfindung ist insbesondere dann erstrebenswert, wenn grosse Vibrationsamplituden gefordert sind.The high-frequency variation of the distance D between the mirrors 4a, 4b by at least half a wavelength can of course also be achieved by each of the two mirrors 4a and 4b being attached to its own vibrator. Each of the two vibrators then preferably works with a vibration amplitude of only a quarter of the wavelength. This second embodiment of the invention is particularly desirable when large vibration amplitudes are required.

Vorzugsweise werden als Vibratoren als solche bekannte piezoelektrische Schwingungsgeber eingesetzt.Known piezoelectric vibration transmitters are preferably used as vibrators.

Gemäss einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind zusätzlich Mittel zum Erzeugen eines langsam sich ändernden Hilfsmagnetfeldes vorgesehen. Dieses hat die Aufgabe, das statische Magnetfeld in seiner Feldstärke zu modulieren, sodass sich die Gyrationsfrequenz der Elektronen langsam, d.h. von Puls zu Puls, ändert und die mittlere Bandbreite der ausgekoppelten elektromagnetischen Strahlung zusätzlich verbreitert wird. Das Hilfsmagnetfeld ist somit dem statischen Magnetfeld überlagert. Es hat im wesentlichen die selbe Richtung und eine Feldstärke die klein im Verhältnis zu derjenigen des statischen Magnetfeldes ist.According to a further embodiment of the invention, means are additionally provided for generating a slowly changing auxiliary magnetic field. This has the task of modulating the static magnetic field in its field strength so that the gyration frequency of the electrons slowly, i.e. from pulse to pulse, changes and the average bandwidth of the coupled electromagnetic radiation is additionally broadened. The auxiliary magnetic field is thus superimposed on the static magnetic field. It has essentially the same direction and a field strength which is small in relation to that of the static magnetic field.

Fig. 1 zeigt beispielhaft, wie diese Mittel zum Erzeugen eines Hilfsmagnetfeldes realisiert werden können. Zwei Hilfsspulen 11a und 11b sind in Helmholtz-Anordnung koaxial zur Elektronenstrahlachse 2 beidseitig der Resonatorachse 5 angeordnet. Damit erzeugen sie in achsennaher Umgebung der Elektronenstrahlachse 2 das gewünschte, ebenfalls im wesentlichen parallel zur Elektronenstrahlachse 2 ausgerichtete, langsam sich ändernde Hilfsmagnetfeld.1 shows an example of how these means for generating an auxiliary magnetic field can be implemented. Two auxiliary coils 11a and 11b are arranged in a Helmholtz arrangement coaxial to the electron beam axis 2 on both sides of the resonator axis 5. In this way, they generate the desired, slowly changing auxiliary magnetic field in the vicinity of the axis of the electron beam axis 2, which is also substantially parallel to the electron beam axis 2.

Anhand der Figuren 2a-c soll nun die Wirkung des überlagerten Hilfsmagnetfeldes erläutert werden. Fig. 2a zeigt das Spektrum der elektromagnetischen Strahlung, wenn das Hilfsmagnetfeld verschwindet, d.h. bei einer Magnetfeldstärke H₀ (statisches Magnetfeld). Fig. 2b zeigt das Spektrum, wenn das Hilfsmagnetfeld den Wert +dH annumt, d.h. bei einer gesamten Magnetfeldstärke H₀+dH. Die aufgrund des stärkeren Magnetfeldes höhere Gyrationsfrequenz der Elektronen führt dazu, dass im Resonator höhere Moden angeregt werden. Die nach oben verschobene Bandbreite B(H₀+dH) umfasst nun z.B. die Resonanzfrequenzen f₃,...,f₈. Wenn andererseits das Hilfsmagnetfeld den Wert -dH annimmt, wie in Fig. 2c dargestellt, dann verschiebt sich die Bandbreite B(H₀-dH) nach unten, da nun z.B. die Resonanzfrequenzen f₋₁,...,f₄ angeregt werden. Insgesamt wird damit im Zeitmittel die Bandbreite der elektromagnetischen Strahlung zusätzlich vergrössert.The effect of the superimposed auxiliary magnetic field will now be explained with reference to FIGS. 2a-c. Fig. 2a shows the spectrum of the electromagnetic radiation when the auxiliary magnetic field disappears, ie at a magnetic field strength H₀ (static magnetic field). Fig. 2b shows the spectrum when the auxiliary magnetic field has the value + dH, ie with a total magnetic field strength H + dH. The higher gyration frequency of the electrons due to the stronger magnetic field means that higher modes are excited in the resonator. The shifted bandwidth B (H (+ dH) now includes, for example, the resonance frequencies f₃, ..., f₈. On the other hand, if the auxiliary magnetic field takes the value -dH, as shown in Fig. 2c, then the bandwidth B (H₀-dH) shifts below, since now for example the resonance frequencies f₋₁, ..., f₄ are excited. Overall, the bandwidth of the electromagnetic radiation is thus additionally increased on average.

Das Hilfsmagnetfeld lässt sich im allgemeinen nicht so schnell ändern, dass die oben beschriebene Vergrösserung der mittleren Bandbreite innerhalb eines einzigen Pulses zustande kommen kann. Die Verschiebung wirkt sich aber von Puls zu Puls aus und führt über mehrere Pulse gemittelt zur beschriebenen Bandbreitenvergrösserung. Diese liegt typischerweise in der Grössenordnung von 10 - 20% der Bandbreite B(H₀), d.h. ohne Hilfsmagnetfeld.In general, the auxiliary magnetic field cannot be changed so quickly that the above-described increase in the average bandwidth can occur within a single pulse. The shift has an effect from pulse to pulse and leads to the described increase in bandwidth over a number of pulses. This is typically on the order of 10-20% of the bandwidth B (H₀), i.e. without auxiliary magnetic field.

Zur Verdeutlichung des Effektes der Erfindung, soll noch ein kleines Zahlenbeispiel angegeben werden. Es wird dabei angenommen, dass die elektromagnetische Strahlung des Gyrotrons eine mittlere Frequenz (Grundfrequenz) von 150 GHz haben soll. Die Wellenlänge (im Vakuum) beträgt dann etwa 2 mm. Bei einem Abstand der Spiegel von D = 400 mm beträgt der Frequenzabstand df = 0.375 GHz. Beim Anschwingen von typischerweise 10 Resonanzfrequenzen ergibt sich somit eine Bandbreite B(H₀) = 3.75 GHz, was etwa 2.5% der mittleren Frequenz von 150 GHz enspricht. Das erfindungsgemässe quasi-­optische Gyrotron erzeugt somit Millimeter- und Submillimeterwellen, deren Bandbreite gegenüber dem Stand der Technik um etwa einen Faktor 10³ grösser ist.To illustrate the effect of the invention, a small numerical example will be given. It is assumed that the electromagnetic radiation from the gyrotron should have an average frequency (fundamental frequency) of 150 GHz. The wavelength (in a vacuum) is then about 2 mm. With a spacing of the mirrors of D = 400 mm, the frequency spacing is df = 0.375 GHz. When typically 10 resonance frequencies start to oscillate, this results in a bandwidth B (H 3.) = 3.75 GHz, which corresponds to approximately 2.5% of the average frequency of 150 GHz. The quasi-optical gyrotron according to the invention thus generates millimeter and submillimeter waves, the bandwidth of which is about a factor of 10 3 larger than in the prior art.

Bisher wurde immer davon ausgegangen, dass der Abstand um etwa eine halbe Wellenlänge variiert. Es ist klar, dass bei kleineren Veränderungen (wesentlich weniger als eine halbe Wellenlänge) nicht der gesamte Spektralbereich der gegebenen Bandbreite abgedeckt werden kann. Vielmehr bestehen freie Lücken. Es liegt jedoch durchaus im Rahmen der Erfindung, den Abstand z.B. periodisch oder unregelmässig um mehr als eine halbe Wellenlänge zu variieren, da auch so die ganze Bandbreite abgedeckt wird.So far, it has always been assumed that the distance varies by about half a wavelength. It is clear that with smaller changes (significantly less than half a wavelength) the entire spectral range of the given bandwidth cannot be covered. Rather, there are gaps. However, it is entirely within the scope of the invention to vary the distance, for example periodically or irregularly, by more than half a wavelength, since the entire bandwidth is also covered in this way.

Zusammenfassend kann gesagt werden, dass durch die Erfindung eine breitbandige Quelle hoher Leistung für Millimeter- und Submillimeterwellen geschaffen worden ist, welche sich im Besonderen für den Einsatz in Störsendern eignet.In summary, it can be said that the invention has created a broadband source of high power for millimeter and submillimeter waves, which is particularly suitable for use in jammers.

BezeichnungslisteLabel list

  • 1 - Elektronenstrahl;1 - electron beam;
  • 2 - Elektronenstrahlache;2 - electron beam axis;
  • 3a, 3b - Spulen;3a, 3b - coils;
  • 4a, 4b - Spiegel;4a, 4b - mirror;
  • 5 - Resonatorachse;5 - resonator axis;
  • 6 - Auskoppelschlitz;6 - decoupling slot;
  • 7 - Fenster;7 - window;
  • 8 - Wellenleiter;8 - waveguide;
  • 9 - Gefäss;9 - vessel;
  • 10 - Vibrator;10 - vibrator;
  • 11a, 11b - Hilfsspulen.11a, 11b - auxiliary coils.

Claims (9)

1. Quasi-optisches Gyrotron zur Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung im Millimeter- und Submillimeterbereich, bei welchem a) entlang einer Elektronenstrahlachse laufende Elektronen durch ein statisches, parallel zur Elektronenstrahlachse ausgerichtetes Magnetfeld zur Gyration gezwungen werden und b) in einem quasi-optischen Resonator, welcher zwei, auf einer senkrecht zur Elektronenstrahlachse ausgerichteten Resonatorachse einander gegenüberliegend angeordnete Spiegel umfasst, ein elektromagnetisches Wechselfeld anregen, sodass aus dem Resonator die elektromagnetische Strahlung ausgekoppelt werden kann,
dadurch gekennzeichnet, dass c) die Spiegel des quasi-optischen Resonators einen gegenseitigen Abstand aufweisen, welcher viel grösser als eine halbe Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung ist und d) Mittel zum hochfrequenten Variieren des Abstandes der Spiegel vorgesehen sind, welche ein Variieren des Abstandes um mindestens etwa eine halbe Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung bewirken. 1. Quasi-optical gyrotron for generating electromagnetic radiation in the millimeter and submillimeter range, in which a) electrons running along an electron beam axis are forced to gyrate by a static magnetic field aligned parallel to the electron beam axis and b) excite an alternating electromagnetic field in a quasi-optical resonator, which comprises two mirrors arranged opposite one another on a resonator axis oriented perpendicular to the electron beam axis, so that the electromagnetic radiation can be coupled out from the resonator,
characterized in that c) the mirrors of the quasi-optical resonator are at a mutual distance which is much larger than half a wavelength of the electromagnetic radiation and d) Means for high-frequency variation of the distance between the mirrors are provided, which effect a variation of the distance by at least about half a wavelength of the electromagnetic radiation. 2. Quasi-optisches Gyrotron nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass a) die elektromagnetische Strahlung in Form von Pulsen einer Pulsdauer von nicht mehr als etwa 10 ms erzeugt wird und dass b) die Mittel zum hochfrequenten Variieren des Abstandes bei Vibrationsfrequenzen arbeiten, welche ein Mehrfaches der inversen Pulsdauer betragen. 2. Quasi-optical gyrotron according to claim 1, characterized in that a) the electromagnetic radiation is generated in the form of pulses with a pulse duration of no more than about 10 ms and that b) the means for high-frequency variation of the distance work at vibration frequencies which are a multiple of the inverse pulse duration. 3. Quasi-optisches Gyrotron nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum hochfrequenten Variieren des Abstandes einen Vibrator umfassen, welcher einen Spiegel des Resonators entlang der Resonatorachse mit einer Vibrationsamplitude bewegt, welche mindestens so gross wie etwa eine halbe Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung ist.3. Quasi-optical gyrotron according to claim 1, characterized in that the means for high-frequency variation of the distance comprise a vibrator which moves a mirror of the resonator along the resonator axis with a vibration amplitude which is at least as large as about half a wavelength of the electromagnetic radiation is. 4. Quasi-optisches Gyrotron nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum hochfrequenten Variieren des Abstandes für jeden der beiden Spiegel des Resonators je einen Vibrator umfassen, welcher den jeweiligen Spiegel des Resonators entlang der Resonatorachse je mit einer Vibrationsamplitude bewegt, welche mindestens so gross wie etwa ein Viertel der Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung ist.4. Quasi-optical gyrotron according to claim 1, characterized in that the means for high-frequency variation of the distance for each of the two mirrors of the resonator each comprise a vibrator which moves the respective mirror of the resonator along the resonator axis with a vibration amplitude, which at least as large as about a quarter of the wavelength of the electromagnetic radiation. 5. Quasi-optisches Gyrotron nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Vibratoren piezoelektrische Schwingungsgeber sind.5. Quasi-optical gyrotron according to claim 3 or 4, characterized in that the vibrators are piezoelectric vibrators. 6. Quasi-optisches Gyrotron nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektromagnetische Strahlung eine Frequenz von mehr als etwa 100 GHz aufweist.6. Quasi-optical gyrotron according to claim 1, characterized in that the electromagnetic radiation has a frequency of more than about 100 GHz. 7. Quasi-optisches Gyrotron nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiegel einen gegenseitigen Abstand von mehr als etwa 100 halbe Wellenlängen haben.7. Quasi-optical gyrotron according to claim 1, characterized in that the mirrors have a mutual spacing of more than about 100 half wavelengths. 8. Quasi-optisches Gyrotron nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass a) das statische Magnetfeld durch zwei koaxial zur Elektronenstrahlachse in Helmholtz-Anordnung ausgerichtete Spulen erzeugt wird und b) der Resonator zwischen den beiden Spulen angeordnet ist. 8. Quasi-optical gyrotron according to claim 2, characterized in that a) the static magnetic field is generated by two coils aligned coaxially to the electron beam axis in a Helmholtz arrangement and b) the resonator is arranged between the two coils. 9. Quasi-optisches Gyrotron nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zum Erzeugen eines langsam sich ändernden Hilfsmagnetfeldes vorgesehen sind, welches dem statischen Magnetfeld überlagert ist.9. Quasi-optical gyrotron according to claim 1, characterized in that means are provided for generating a slowly changing auxiliary magnetic field which is superimposed on the static magnetic field.
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