DE1003287B - Generator zur Erzeugung von elektromagnetischen Schwingungen sehr hoher Frequenz - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Generatoren zur Erzeugung von elektromagnetischen Wellen mit extrem kurzen Wellenlängen.

Es besteht ein großer Bedarf an Generatoren für Millimeterwellen. Der Ausdruck Millimeterwelle bezieht sich auf eine elektromagnetische Schwingung, deren Wellenlänge kleiner als 1 cm ist. Der Umbau von Zentimeterwellengeneratoren für die Erzeugung von Millimeterwellen bringt mechanische Forderungen mit sich, die äußerst schwer zu erfüllen sind, und selbst wenn diese Forderungen erfüllt werden können, sind die Generatoren verhältnismäßig inkonstant und vermögen nur eine sehr geringe Leistung abzugeben.

Es ist deshalb bereits vorgeschlagen worden, zur Erzeugung extrem hoher Frequenzen die Bewegungseigenschaften freier Elektronen auszunutzen. So ist es bekannt, im Zuge eines runden Hohlleiters ein Vakuum vorzusehen, innerhalb dessen längs einer Glühkathode austretende oder in Form eines Elektronenstrahls bewegte Elektronen von einem parallel gerichteten Magnetfeld abgelenkt werden.

Die Elektronen beschreiben dabei kreisförmige Bahnen mit einer ganz bestimmten Umlauf frequenz. Gerade diese Frequenz wird infolgesessen von den in ungeordneter thermischer Bewegung befindlichen Elektronen bevorzugt eingenommen. Dadurch lassen sich Schwingungen erzeugen, sofern die geometrischen Abmessungen des Elektronenraumes entsprechend eingestellt sind.

Ein Nachteil dieser Anordnung ist die verhältnismäßig geringe erreichbare Schwingungsenergie, da die Steuerung der Elektronen an einer möglichst genau definierten Stelle des Einwirkungraumes stattfinden muß. Der zu erregende Elektronenstrahl, der in senkrechter Richtung diesen Einwirkungsraum durchsetzt, muß auf die Länge einer Wellenlänge beschränkt sein und bedarf daher einer starken Elektronendichte, wenn eine brauchbare Abstrahlung auftreten soll. An dieser Stelle müssen deshalb unter Umständen besondere Kühlungsmaßnahmen vorgesehen werden. Demzufolge ist der Wirkungsgrad dieser Anordnung außerordentlich klein. Ein weiterer Nachteil liegt in der Abhängigkeit der erregten Betriebsfrequenz von den äußeren Abmessungen des Einwirkungsraumes. Dies gilt sowohl in bezug auf die Konstanthaltung der Frequenz als auch im Falle einer vorzunehmenden Variation des Absolutwertes. Ein evakuierter Raum läßt sich nämlich nur unter großen Schwierigkeiten in seiner Größe verändern, insbesondere wenn das Vakuum hierbei erhalten bleiben soll.

Diese Nachteile werden bei einem als Hohlleiterabschnitt ausgebildeten Generator gemäß der Erfindung dadurch beseitigt, daß senkrecht zur Hauptbewegungsrichtung der Elektronen in einem beliebig großen Einwirkungsraum ein Hilfspotential angelegt ist und daß die verteilte Bewegungsenergie der Elektronen wolke derart Generator zur Erzeugung

von elektromagnetischen Schwingungen

sehr hoher Frequenz

Anmelder:

International Standard Electric
Corporation, New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter: Dipl.-Ing. H. Ciaessen, Patentanwalt,
Stuttgart-Zuffenhausen, Hellmuth-Hirth-Str. 42

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 5. Februar 1952

Ladislas Goldstein, Urbana, 111.,

Murray A. Lampert, Brooklyn, N. Y.,

und John F. Heney, Clifton, N. J. (V. St. Α.),

sind als Erfinder genannt worden

geordnet wird, daß unabhängig von den äußeren Abmessungen des Einwirkungsraumes ausgeprägte Schwingungen der mit der Umlauffrequenz abgelenkten Elektronen auftreten, sofern eine Übereinstimmung mit der sogenannten Plasmafrequenz besteht. Die Plasmafrequenz, die bekanntlich durch den Ausdruck

N_n

ms ε₀

definiert ist, ist dabei durch die Elementarladung a, die Elektronenmasse m, die Elektronendichte N₀ und das Dielektrikum ε ε₀ bestimmt.

Durch die Erfindung wird also ein Generator angegeben, dessen Einwirkungsraum praktisch das gesamte Vakuum umfassen kann. Dies wird dadurch erreicht, daß die Frequenz dieses Generators von den Abmessungen des Vakuums unabhängig ist und daß diese Abmessungen lediglich aus Gründen der Leistungsauskopplung optimal bemessen werden können. An die Stelle einer Wechselwirkung mechanischer Teile mit der Umlauffrequenz der Elektronen in einem magnetischen Feld wird erfindungsgemäß das Resonanzverhalten zweier charakteristischer Elektronenfrequenzen, nämlich der magnetischen Umlauffrequenz und der genannten Plasmafrequenz vorgeschlagen. Eine Variation der auf diese Weise erzeugten Generatorfrequenz kann also auf rein elektrostatischem Wege erreicht werden.

609 837/314

_n <J²/V₀

3 4

Ein wesentliches Merkmal der Erfindung ist weiterhin Raum im Wellenleiter zwischen den Magnetpolflächen 2_a

die Anlegung eines Hilfspotentials senkrecht zur Haupt- und 2_b, der als Einwirküngsraum bezeichnet werden soll,

bewegungsrichtung der Elektronen, zu dem Zweck, diese kann durch Wände 5 und 6 abgeschlossen sein, die aus

aus ihrer Richtung zu verdrängen. einem geeigneten Dielektrikum, z. B. Glas, bestehen. Dadurch lassen sich bereits im Hochvakuum Elek- 5 Der Einwirkungsraum enthält entweder nur Elektronen

tronenschwingungen unter Verwendung der Plasma- oder ein geeignetes Gas bzw. eine Mischung von ein-

frequenz erzeugen, und diese selbst kann dabei in bestimm- atomigen Gasen bei einem entsprechenden Vakuum, das

ten Grenzen variiert werden. Ferner kann der als Ein- von einem Elektronenstrom durchsetzt wird. Wenn der

Wirkungsraum ausgebildete Hohlleiterabschnitt auch in Einwirkungsraum Gas enthält, z. B. Helium oder eine einem spitzen Winkel zu der senkrecht zum Magnetfeld io Gasmischung, wie z. B. Neon und Argon bei einem Druck

liegenden Richtung angeordnet werden, wenn die Elektro- im Bereich von 10~³ bis 10 mm Quecksilbersäule, wird

nen außer der normalerweise auftretenden Längsschwin- bei einer elektrischen Entladung zwischen den Elek-

gung eine zusätzliche hierzu senkrechte Schwingungs- troden 3 und 4 ein dichtes Gasentladungsplasma erzeugt,

komponente aufweisen. Die Abstrahlung der durch die Beim Fehlen eines Magnetfeldes neigen die Elektronen

Schwingungen erzeugten Leistung, deren Wirkung unter i5 in diesem Plasma dazu, mit einer Kreisfrequenz o)_p zu

der Bezeichnung »Elektronenschallwellen« bekannt ist, schwingen, und zwar in Abhängigkeit von der Elek-

erreicht dadurch in der Auskopplungsrichtung ein tronendichte N₀, der Dielektrizitätskonstante des freien

Maximum. . Raumes ε₀, der Elektronenladung e und der Masse m,

In Verfolg des Erfindungsgedankens ist der Ein- gemäß der Formel
wirkungsraum vorteilhaft nur teilweise evakuiert, so daß 20

ein ausgesprochenes »Plasma* von positiven und nega- ⁰³p
tiven Ladungsträgern zur Verfügung steht. Diese

Ladungen kompensieren sich zum größten Teil nach Die Frequenz

außen hin. Dadurch entsteht eine vergleichsweise sehr _ω

hohe Dichte der Ladungsträger, insbesondere der Elek- 25 T₇, = ~2~r
tronen. Während die positiven Träger, die Ionen, infolge

ihrer sehr viel größeren Masse bekanntlich nur schwache ist als Plasmafrequenz bekannt.

Plasmaschwingungen auszuführen vermögen, hat man Ist dagegen ein Magnetfeld vorhanden, so wird ein also die Möglichkeit, auf diese Weise die gewünschte Elektron in einem homogenen einseitig gerichteten Feld, Elektronendichte N₀ besonders leicht herzustellen. In 3° welches Kräften unterworfen wird, die Komponenten jedem Fall ist die Beweglichkeit der Elektronen allein senkrecht zu diesem Feld haben, eine Schwingungsmaßgebend für die Wirkungsweise des vorgeschlagenen komponente der Bewegung erhalten. Die Kreisfrequenz Generators. (Winkelgeschwindigkeit) ω η dieser Schwingung ist ab-Die Erfindung soll auf Grund der in den Zeichnungen dar- hängig von der Magnetnußdichte B, der Elektronengestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. 35 ladung e und der Masse m gemäß der Formel

Fig. 1 stellt eine schematische perspektivische Ansicht, _e β

teilweise im Schnitt eines Millimeterwellengenerators ^{°h — -^- ·
gemäß der Erfindung dar;

Fig. 2 gibt die entsprechende Ansicht einer anderen Die Frequenz

Ausführungsform mit einem teilweise abgewinkelten 40 _0)H

Hohlleiter wieder; Th ⁼ 'juT

Fig. 3 und 4 sind schematische Darstellungen von

Millimeterwellengeneratoren, welche zylindrische Hohl- wird auch gyromagnetische Resonanzfrequenz genannt räume aufweisen, wobei die in Fig. 3 dargestellte An- und ist unabhängig von der Geschwindigkeit des Elekordnung noch von den geometrischen Abmessungen, die 45 trons. Wenn die gyromagnetische Resonanzfrequenz fg, in Fig. 4 dargestellte Anordnung ausschließlich von den die durch die Intensität des magnetischen Feldes bestimmt charakteristischen Elektronenfrequenzen gemäß der Er- wird, praktisch gleich der Frequenz f_p der Plasma-Elekfindung abhängig arbeitet. tronen-Schwingungen ist, werden die Elektronenschwin-Der in Fig. 1 gezeigte Millimeterwellengenerator besteht gungen außerordentlich stark. Es tritt ein Resonanzaus einem rechteckigen Hohlleiterteil 1, welches an einem 5° phänomen ein. Dieses schwingende »Elektronengas« wird Ende l_o geschlossen ist. Durch einen Permanent- elektromagnetische Energie in den Wellenleiter I₆ mit magneten 2 wird ein praktisch homogenes, einseitig ge- dieser Resonanzfrequenz und Harmonischen derselben richtetes magnetisches Feld H erzeugt. An Stelle des abstrahlen. Es können dann Wellenleiter auf bauten und Permanentmagneten 2 können selbstverständlich auch Filter vorgesehen sein, so daß die Ausgangsenergie bei Solenoidspulen oder Elektromagneten verwendet werden. 55 der gewünschten Frequenz entweder von der Grund-Mittels der Elektroden 3 und 4 wird eine elektrische schwingung oder einer Harmonischen derselben ist. Entladung im wesentlichen parallel zum Magnetfeld Um dafür zu sorgen, daß die Elektronen, welche den erzeugt. Die Mitten der Elektroden 3 und 4 können Wellenleiterteil zwischen den Elektroden 3 und 4 kreuzen, praktisch eine Viertelwellenlänge oder ein ungeradzahliges nicht direkt einer geraden Bahn folgen, sondern seitwärts Vielfaches davon vom kurzgeschlossenen Ende l_a des ^5o gerichtete Bewegungskomponente erhalten, sind ferner Wellenleiters 1 entfernt sein. Bei einigen Anwendungen Hilfselektroden 7 und 8· vorgesehen. Die zusätzliche dieser Vorrrichtung, wo ein Verbraucher angepaßt werden Spannung zwischen den Elektroden 7 und 8, welche ein soll, kann die Entfernung zwischen dem Mittelpunkt der elektrisches Feld senkrecht zum Elektronenweg zwischen Elektroden 3 und 4 und dem geschlossenen Ende des den Elektroden 3 und 4 und den magnetischen Kraft-Wellenleiterteiles 1 von einer Viertelwellenlänge etwas 65 linien erzeugt, bildet eine zusätzliche Energiequelle, um unterschiedlich sein. Die Elektroden 3 und 4, die durch jedes einzelne Elektron zu zwingen, einem Weg zu folgen, Isolationen 3_a und 4_a sorgfältig vom Wellenleiter auf welchem es eine schwingende Winkelbewegungsisoliert sind, können Teile der Magnetpolflächen 2_a und komponente durch den Einfluß des Magnetfeldes erhält. 2_b sein, oder sie können einen Teil der Wände des Wellen- Wenn diese zusätzliche Spannungsquelle, d. h. die leiters 1 bilden, wie dies in Fig. 1 dargestellt ist. Der 7° Elektroden 7 und 8 vorhanden sind, dann kann die er-

wähnte Resonanz der Plasmafrequenz f_p und der Gyrofrequenz fn hierdurch verschoben werden, um eine entsprechende Schwingung der elektromagnetischen Energie im Hohlleiter hervorzurufen. Für jede Elektronendichte im Plasma tritt selbstverständlich eine andere Strahlung auf, wobei die Elektronenbewegung eine starke schwingende Winkelkomponente hat, die durch die angelegten Felder erzeugt wird.

Beim Fehlen eines Gasentladungsplasmas kann die elektronenmittierende Kathode dazu dienen, lediglich einen Elektronenstrahl im Vakuum zwischen den Elektroden 3 und 4 zu erzeugen. Dieser Elektronenstrahl hat normalerweise keine genügende Elektronendichte, um verwendbare, plasmaähnliche Schwingungen zu erzeugen ohne das zusätzliche elektrische Feld, geschaffen durch die Hilfselektroden 7 und 8, das die Elektronen dazu zwingt, mit der Gyroresonanzfrequenz fg zu schwingen. Die schwingenden Elektronen strahlen elektromagnetische Energie in den Wellenleiter mit der gyromagnetischen Resonanzfrequenz und Harmonischen derselben, wie zuvor erläutert wurde.

In Fig. 2 ist ein Millimeterwellengenerator ähnlich der Vorrichtung von Fig. 1 mit einem rechteckigen Wellenleiter 9 gezeigt. Dieser weist einen Teil 13 auf, der unter einem schrägen Winkel zu den magnetischen Kraftlinien eines Magneten 10 steht. Der Magnet 10 erzeugt auch hier ein praktisch homogenes, einseitig gerichtetes Magnetfeld im Einwirkungsraum des Hohlleiters, der zwischen den Magnetpolflächen 10_a und 10;, liegt. Der Einwirkungsraum enthält ein Elektronengasmedium wie in der Vorrichtung von Fig. 1.

Die Elektroden 11 und 12 liegen parallel zu den magnetischen Polflächen 10_o und 1O₆ und unter einem spitzen Winkel zu der Längsachse vom Teil 13. Das elektrische Feld zwischen den Elektroden 11 und 12 ist im wesentlichen parallel zu dem magnetischen Feld zwischen den Polflächen 10_a und 1O₆. Die Achse vom Teil 13 des Wellenleiters, welcher den Einwirkungsraum enthält, bildet einen spitzen Winkel mit den Kraftlinien des magnetischen Feldes.

Die Energie, die von den Elektronen im Hohlleiterabschnitt abgestrahlt wird, kann als Längsstrahlung bezeichnet werden, d. h., die Energie wird in praktisch derselben Richtung abgestrahlt, in der die Winkelbewegungskomponente der Elektronen schwingt. Wenn die hierzu senkrechte Breitseitenstrahlung, d. h. die Strahlung in einer Richtung senkrecht zu der Winkelkomponente der Elektronen verhältnismäßig stark ist, dann hat ein zu den magnetischen Kraftlinien geneigter Wellenleiterteil 13 (Fig. 2) eine günstigere Ausbildung für die Aussendung elektromagnetischer Strahlung in den Übertragungswellenleiter 9_a, infolge des Winkels zwischen der Achse der Wellenleiterteile 13 und 9.

Der in Fig. 3 gezeigte Ultrahochfrequenzgenerator besteht aus einem Strahlerzeugungssystem 14, einem zylindrischen Hohlraumteil 15 und einer Magnetspule 16, die konzentrisch um den Hohlraumteil 15 angeordnet ist. Die Magnetspule 16 ist an jeder Seite durch Endplatten 17 und 18 abgeschlossen, die aus einem Material hoher Permeabilität bestehen. Die Endplatten 17 und 18 begrenzen das magnetische Feld auf den zylindrischen Hohlraum 15.

Die Zylinderwand 15„ besteht aus einem nichtmagnetischen Leiter. Das Elektronenstrahlerzeugungssystem 14 außerhalb des magnetischen Feldes besteht aus einer Kathode 19 und einer ringförmigen Strahlfokussierungselektrode 20. Eine negative Spannung wird durch die Spannungsquelle 21 an die Kathode 19 angelegt, und die Fokussierungselektrode 20 ist negativ bezüglich der Kathode vorgespannt.

Der Elektronenstrahl von der Quelle 14 durchquert den zylindrischen Hohlraum 15 über die zentrale Öffnung 22 in der Endplatte 17 in Richtung der Anode 23. Die Anode 23 ist von der Endplatte 18 durch den dielektrischen Ring 24 isoliert und von der Spannungsquelle 25 wird über den Widerstand 25 ein positives Potential an die Anode gelegt. Hilfselektroden 27 und 28 erzeugen ein elektrisches Feld senkrecht zur Richtung des Elektronenstrahles.

Beim Fehlen eines magnetischen Feldes tritt eine verhältnismäßig schwache Elektronenschwingung in dem zylindrischen Hohlraum infolge der Hochfrequenzfelder im Hohlraum auf, deren Frequenz durch die Ausbildung des Hohlraumes bestimmt wird. Die Hinzufügung des transversalen elektrischen Feldes durch die Hilfselektroden 27 und 28 und des magnetischen Feldes durch die Magnetspule 16 erzeugt eine Elektronenbewegung mit Schwingungskomponenten der gyromagnetischen Resonanzfrequenz. Bei Resonanz dieser Frequenz mit der Hochfrequenz-Hohlraumfrequenz wird die gegenseitige Einwirkung der Elektronen mit dem Hochfrequenzfeld des Hohlraumresonators starke elektromagnetische Wellen erzeugen, die mittels einer koaxialen Schleife 29 ausgekoppelt und einem Verbraucher zugeführt werden können.

Die beschriebene Anordnung gemäß Fig. 3 ist also noch von den geometrischen Abmessungen des Hohlraumresonators abhängig. Dies kann nun durch die Erzeugung einer ausgeprägten Plasmaschwingung vermieden werden. Eine Alternative der in Fig. 3 gezeigten Vorrichtung ist nämlich in Fig. 4 dargestellt. Die Anode 30 von Fig. 4 ist mit einer Quelle negativer Spannung 31 über einen Widerstand 32 verbunden und wirkt so als eine Reflexionselektrode im Gegensatz zu der Kollektorelektrode 23 nach Fig. 3. Durch die Umkehr des von der Kathode ausgehenden Elektronenstromes wird eine dichte Elektronenwolke innerhalb des zylindrischen Hohlraumes 15 gebildet. Die Elektronen innerhalb dieser Elektronenwolke werden dabei zu Plasmaschwingungen in der zuvor erwähnten Weise veranlaßt. Eine Sonde 29 koppelt die Schwingungsenergie aus der Elektronenwolke an einen Verbraucher.

Claims (8)

Patentansprüche.·

1. Generator zur Erzeugung von elektromagnetischen Schwingungen sehr hoher Frequenz mit Hilfe von frei beweglichen, in einem evakuierten Hohlleiterabschnitt erzeugten Elektronen, die einer durch ein elektrisches Feld bestimmten Hauptbewegungsrichtung folgen und in einem in der gleichen Richtung überlagerten magnetischen Feld bei Abweichung von dieser Richtung kreisförmig abgelenkt werden und dabei ohne Rücksicht auf ihre augenblickliche Geschwindigkeit einer gemeinsamen, durch die Magnetflußdichte B₁ die Elementarladung e und die Elektronenmasse m definierten Umlauffrequenz gemäß der Formel

eB

(Oh =

gehorchen, dadurch gekennzeichnet, daß senkrecht zur Hauptbewegungsrichtung an diesen beliebig großen Einwirkungsraum der Felder ein Hilf spotential angelegt ist und daß die verteilte Bewegungsenergie der Elektronenwolke derart geordnet wird, daß unabhängig von den äußeren Abmessungen des Einwirkungsraumes ausgeprägte Schwingungen der mit der Umlauffrequenz

abgelenkten Elektronen auftreten, sofern gleichzeitige Resonanz mit der »Plasmafrequenz«

= e

durch die Elektronendichte N₀ in einem Dielektrikum ε ε₀ eingestellt ist.

2. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Einwirkungsraum nur teilweise evakuiert ist und dabei ein ausgesprochenes »Plasma« von Ladungsträgern in Gestalt von Elektronen und Ionen enthält.

3. Generator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Einwirkungsraum ein rechteckiger Hohlleiter ist, dessen HF-E-FeId unter einem spitzen Winkel zu den magnetischen Kraftlinien verläuft.

4. Generator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Hauptfeld durch zwei Elektroden erzeugt wird, die auf gegenüberliegenden Seiten des Wellenleiters angeordnet sind und die durch Isolatoren vom Wellenleiter isoliert sind.

5. Generator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetische Feld durch einen Magneten erzeugt wird, dessen Polflächen an gegenüberliegenden Seiten des Wellenleiters angeordnet sind.

6. Generator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die das elektrische Feld erzeugenden Elektroden an gegenüberliegenden Polflächen des Magneten angeordnet sind und durch Isolatoren von den Magnetpolflächen isoliert sind.

7. Generator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetische Feld durch einen Elektromagneten erzeugt wird, der konzentrisch um den Wellenleiter angeordnet ist.

8. Generator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Einwirkungsraum ein aus Helium bestehendes Gas oder eine Gasmischung, z. B. Neon und Argon, bei einem Druck im Bereich von etwa 10~³ bis 10 mm Hg enthält.

In Betracht gezogene Druckschriften:
USA.-Patentschrift Nr. 2 233 263;
französische Patentschriften Nr. 859 753, 875 224.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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