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Anordnung zur Erzeugung eines Quadrupolfeldes (Quadrupol) für eine
mit Zyklotronwellen arbeitende parametrische Elektronenstrahlverstärkerröhre Die
Erfindung betrifft eine Anordnung zur Erzeugung eines Quadrupolfeldes (Quadrupol)
für eine mit Zyklotronwellen arbeitende parametrische Elektronenstrahlverstärkerröhre,
bei der die Verstärkung mittels eines räumlich periodischen, elektrostatischen Quadrupolfeldes
erzielt wird.
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Die Verstärkung von sehr hochfrequenten elektromagnetischen Schwingungen
mit Hilfe von Zyklotronwellen ist ein Prinzip, das gegenüber den bei den Lauffeld-
und Triftröhren angewandten Verfahren einige bemerkenswerte Vorteile besitzt. Dazu
gehört neben der Errichtung von geringen Rauschfaktoren auch die Erzielung eines
guten Wirkungsgrades. Dieses an sich bekannte Prinzip soll im folgenden nochmals
kurz beschrieben werden.
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Ein Elektronenstrahl wird von einem Strahlerzeugungssystem in den
sogenannten »Einkuppler« geschossen. Parallel zur Elektronenstrahlachse ist längs
des gesamten Strahlweges ein konstantes Magnetfeld vorhanden. Der Einkuppler ist
so ausgebildet, daß das dort von den zu verstärkenden Schwingungen aufgebaute elektromagnetische
Feld eine elektrische Feldkomkonente besitzt, die transversal zur Bewegungsrichtung
des Elektronenstrahls liegt. In Verbindung mit dem konstanten Magnetfeld bewirkt
dieses elektrische Feld, daß sich die Strahlelektronen nach Verlassen des Kupplers
auf schraubenförmigen Bahnen konstanten Durchmessers bewegen. Soll eine Verstärkung
eines dem Elektronenstrahl auf diese Weise aufgeprägten Eingangssignals erreicht
werden, so ist dafür zu sorgen, daß dem Elektronenstrahl Energie zugeführt wird.
Dies hat so zu erfolgen, daß sich dessen über eine zeitliche Periode gernittelte
kinetische Energie vergrößert. Es gibt dazu zwei Möglichkeiten: 1. Der Elektronenstrahl
wird durch ein elektromagnetisches Quadrupolfeld geschickt, dessen Frequenz und
Phasengeschwindigkeit den entsprechenden Größen des Elektronenstrahls angepaßt sind,
oder 2. der Elektronenstrahl durchläuft ein geeignetes räumlich periodisches elektrostatisches
Quadrupolfeld.
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Wenn den einzelnen Strahlelektronen Energie zugeführt werden soll,
durch die deren kinetische Energie vergrößert wird, so müssen sie durch ein äußeres
elektrisches Feld beschleunigt werden. Der Vorgang wird an Hand der F i g. 1 erläutert.
Diese Figur stellt die Projektion einer Elektronenbahn auf eine zur Strahlachse
senkrechte Ebene in einem elektrostatischen Quadrupolsystem dar. In dieser Ebene
ist die Projektion der Elektronenbahn ein Kreis. Es sei angenommen, daß ein Elektron
sich an der Stelle 5 befindet und die durch den Pfeil gekennzeichnete Bewegungsrichtung
besitzt. Die zwei auf verschiedenem Gleichpotential befindlichen Elektroden 1 und
2 erzeugen ein das Elektron beschleunigendes elektrisches Feld, das die kinetische
Energie des Elektrons erhöht. Um ein zum Mittelpunkt der Kreisbahn symmetrisches
Feld zu erhalten, sind die zwei Elektroden 1 und 2 durch zwei weitere Elektroden
3 und 4 ergänzt, die ein ähnliches elektrisches Feld wie die Elektroden 1 und 2
erzeugen. Würde sich das Elektron in dem so erzeugten elektrischen Feld längs der
Kreisbahn zum Punkt 6 bewegen, so würde es dort ein bremsendes elektrisches Feld
vorfinden, das seine kinetische Energie herabsetzt.
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Da das Elektron neben seiner Rotationsbewegung aber auch -noch eine
Triftbewegung vollführt, kann das dargestellte elektrische Feld örtlich so begrenzt
werden, daß sich das Elektron, ehe es zum Punkt 6 kommt, aus demselben herausbewegt
hat. Es muß dann zur weiteren Erhöhung der kinetischen Energie des Elektrons ein
neues elektrisches Feld angeordnet sein, das auf das Elektron die gleiche Beschleunigende
Wirkung ausübt wie das elektrische Feld zwischen den Elektroden 1 und 2.
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Es ist also festzustellen, daß die kinetische Energie eines Elektrons
dann ständig erhöht werden kann, wenn ein statisches elektrisches Feld vorhanden
ist, das durch eine räumlich periodische Folge von Elementarquadrupolen erzeugt
wird.
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Die Realisierung solcher räumlich periodischer Quadrupolfelder ist
in verschiedenen Ausführungsformen bekannt.
Eine naheliegende und
in den meisten Fällen angewendete Form besteht darin, daß entsprechend der Darstellung
in F i g. 2 vier elektrisch voneinander isolierte Bleche 7 symmetrisch zur
Röhrenachse (Elektronenstrahlachse) angeordnet sind und eine Reihe solcher Elementarquadrupole
periodisch längs der Röhrenachse. Zwei aufeinanderfolgende Elementarquadrupole sind
dabei gegeneinander um 90° verdreht. Der Nachteil dieser Form eines Quadrupolsystems
besteht darin, daß eine große Anzahl von Einzelteilen herzustellen ist, deren richtige
Lage zueinander sehr genau eingehalten werden muß. Dies bereitet beim Aufbau des
Systems große Schwierigkeiten.
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Eine weitere bekannte Möglichkeit, einen räumlich periodischen elektrostatischen
Quadrupol herzustellen, ist die Verwendung einer Quadrufilarwendel (vgl. hierzu
beispielsweise die britische Patentschrift 876 836). Es handelt sich hierbei um
vier gleichsinnig ineinandergewickelte, untereinander gleiche Wendeln, deren Windungsabstand
voneinander gleich ist. Diese Anordnung bereitet in der Herstellung ebenfalls Schwierigkeiten,
die der zuerst beschriebenen Anordnung ähnlich sind. Außerdem besitzt sie noch den
Nachteil, daß die Aquipotentiallinien in unmittelbarer Nachbarschaft der Wendeldrähte
konzentrische Kreise sind, die erst in einem größeren Abstand von den Drähten in
hyperbelähnliche Linien übergehen. Dadurch erfordert diese Anordnung eine größere
Potentialdifferenz zwischen den einzelnen Wendeldrähten, als es im Fall des oben
beschriebenen Quadrupols erforderlich ist. Eine Anordnung dieser Art ist in F i
g. 3 schematisiert im Querschnitt dargestellt. Die Punkte 8, 9, 10 und 11 stellen
die Querschnitte der vier Wendeldrähte dar. Die kreisförmigen bzw. hyperbelähnlichen
Linien sind die Aquipotentiallinien des erzeugten elektrostatischen Feldes.
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Es ist ferner eine mit Zyklotronwellen arbeitende parametrische Elektronenstrahlverstärkerröhre
bekannt, bei der das Quadrupolfeld durch ein hochfrequentes Pumpsignal erzeugt wird.
Diese Quadrupolanordnung arbeitet unter anderem mit vier untereinander gleichen,
parallel zueinander und mit Abstand voneinander symmetrisch um die Achse des Quadrupolfeldes
angeordneten Wendeln. Ein solcher Hochfrequenzquadrupol erfordert einen erheblich
höheren Aufwand 'als eine elektrostatische Quadrupolanordnung.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur Erzeugung
eines Quadrupolfeldes für eine mit Zyklotronwellen arbeitende parametrische Elektronenstrahlverstärkerröhre,
bei der die Verstärkung mittels eines räumlich periodischen, elektrostatischen Quadrupolfeldes
erzielt wird, zu schaffen, die die vorgenannten Nachteile nicht besitzt.
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Die Erfindung besteht im einfachsten Fall darin, daß zur Erzeugung
des räumlich periodischen, elektrostatischen Quadrupolfeldes eine geradzahlige Anzahl,
mindestens jedoch vier, untereinander gleicher Einfachwendeln vorgesehen ist, die
parallel zueinander und mit Abstand voneinander symmetrisch um die Achse des Quadrupolfeldes
(Elektronenstrahlachse) angeordnet sind und von denen je zwei in Umfangsrichtung
benachbarte Wendeln entgegengesetzte elektrische Polarität besitzen. Hierbei ist
davon ausgegangen, daß vier zylindrische Leiter, deren Mittelpunkte auf den Ecken
eines Quadrats liegen, bei Anschaltung entsprechender elektrischer Potentiale an
die einzelnen Leiter ein Ouadrupolfeld im Innern der Anordnung erzeugen. Um diesem
Feld die erforderliche räumliche Periodizität zu geben, sind die zylindrischen Leiter
erfindungsgemäß durch Wendeln ersetzt worden.
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In F i g. 4 ist eine solche Anordnung nach der Erfindung im Querschnitt
sowie in einer Seitenansicht schematisch dargestellt. Die Wendeln sind mit den Bezugszeichen
12, 13, 14 und 15 bezeichnet. Je zwei in Umfangsrichtung der Anordnung benachbarte
Wendeln besitzen entgegengesetzte elektrische Polarität. Deshalb ist nur der Einsatz
einer geradzahligen Anzahl von Wendeln möglich. Mit wachsender Anzahl der Wendeln
steigt auch die Folge der räumlich periodischen elektrostatischen Felder.
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Erfindungsgemäß kann die Anordnung auch so gestaltet sein, daß zur
Erzeugung des räumlich periodischen, elektrostatischen Quadrupolfeldes eine geradzahlige
Anzahl, mindestens jedoch vier, untereinander gleicher Doppelwendeln vorgesehen
ist, die, aus je zwei untereinander gleichen, symmetrisch ineinandergewickelten
Einzelwendeln bestehend, parallel zueinander und mit Abstand voneinander symmetrisch
um die Achse des Quadrupolfeldes (Elektronenstrahlachse) angeordnet sind und von
denen die Einzelwendeln jeder Doppelwendel sowie je zwei in Umfangsrichtung benachbarte
Einzelwendeln der Doppelwendeln entgegengesetzte elektrische Polarität besitzen.
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F i g. 5 zeigt eine solche Anordnung im Querschnitt und in der Seitenansicht
schematisch. Jede der vier Doppelwendeln 16, 17, 18 und 19 besteht aus den Einzelwendeln
20 und 21.
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Die Herstellung solcher Doppelwendeln bietet keine Schwierigkeit;
die Justierung, die zur Erreichung einer genauen räumlichen Periodizität notwendig
ist, wird bei der Herstellung gesichert. Außerdem fällt der bei den Quadrufilarwendeln
geschilderte Nachteil (größerer Potentialunterschied) fort.
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Die erfindungsgemäße Anordnung ist dann besonders wirkungsvoll einzusetzen,
wenn der Wickelsinn der Wendeln so gewählt ist, daß der durch das Quadrupolfeld
bedingte Drehsinn mit dem Drehsinn der Elektronenbahnen übereinstimmt. Dadurch ist
der Wirkungsgrad der Anordnung wesentlich zu erhöhen.
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Bekanntlich bewegen sich die Elektronen in der Quadrupolanordnung
auf spiralförmigen Bahnen. Bei einem senkrecht zur Röhrenachse (Elektronenstrahlachse)
angeordneten Elementarquadrupol wirkt das elektrostatische Feld des Quadrupols nur
mit dem Cosinus des Winkels (p) der Elektronenbahnrichtung ein. Dies wirkt
sich um so nachteiliger aus, je größer die Triftgeschwindigkeit des Elektrons ist.
Bei den beschriebenen erfindungsgemäßen Anordnungen kann dies aber verringert werden,
wenn sich die Wendeln mit den entgegengesetzten Potentialen an den Punkten engster
Nachbarschaft direkt gegenüberstehen. Dann besitzen die Quadrupolfelder die gleiche
»schraubenförmige Struktur« wie die Elektronenbahnen. In diesem Falle ist der Winkel
zwischen elektrostatischem Feld und Elektronenbahn annähernd Null geworden und somit
cos q9=1. Damit sind dann nicht nur die Nachteile der bekannten Quadrupolanordnungen
beseitigt worden, sondern es ist durch passende Wahl der Lage der benachbarten Wendeln
zueinander sogar noch eine Verbesserung erreicht worden.