DE1189209B - Arrangement for generating a quadrupole field (quadrupole) for a parametric electron beam amplifier tube that works with cyclotron waves - Google Patents

Description

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.Arrangement for generating a quadrupole field (quadrupole) for a cyclotron wave parametric electron beam amplifier tube Die The invention relates to an arrangement for generating a quadrupole field (quadrupole) for a parametric electron beam amplifier tube working with cyclotron waves, in which the amplification by means of a spatially periodic, electrostatic quadrupole field is achieved.

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.The amplification of very high frequency electromagnetic oscillations with the help of cyclotron waves is a principle that differs from the and drift tubes has some notable advantages. In addition In addition to the establishment of low noise factors, one also needs to achieve one good efficiency. This principle, which is known per se, is to be repeated in the following briefly described.

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.An electron beam is generated by a beam generation system in the so-called »Einkuppler« shot. Parallel to the electron beam axis is longitudinal A constant magnetic field is present along the entire beam path. The coupler is designed so that the built up there by the vibrations to be amplified electromagnetic Field has an electrical field component that is transverse to the direction of movement of the electron beam lies. In conjunction with the constant magnetic field this electric field that the beam electrons after leaving the coupler move on helical paths of constant diameter. Should a reinforcement an input signal impressed on the electron beam in this way it must be ensured that energy is supplied to the electron beam. This has to be done in such a way that it is averaged over a period of time kinetic energy increased. There are two ways to do this: 1. The electron beam is sent through an electromagnetic quadrupole field, its frequency and Phase velocities are adapted to the corresponding sizes of the electron beam, or 2. the electron beam passes through a suitable spatially periodic electrostatic Quadrupole field.

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.If energy is to be supplied to the individual beam electrons, through which their kinetic energy is increased, they must through an external electric field can be accelerated. The process is illustrated in FIG. 1 explained. This figure represents the projection of an electron trajectory onto a beam axis vertical plane in an electrostatic quadrupole system. In this plane the projection of the electron orbit is a circle. Assume that an electron is at point 5 and the direction of movement indicated by the arrow owns. The two electrodes 1 and 2 generate an electric field that accelerates the electron, the kinetic Energy of the electron increased. To a symmetrical to the center of the circular path To obtain the field, the two electrodes 1 and 2 are replaced by two additional electrodes 3 and 4 added, which have a similar electric field as electrodes 1 and 2 produce. If the electron were to move in the generated electric field along the Move the circular path to point 6, so there would be a braking electric field find that reduces its kinetic energy.

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.Since, in addition to its rotational movement, the electron also has another If the drifting movement is carried out, the electrical field shown can be locally limited be that the electron, before it comes to point 6, moves out of it Has. It must then be used to further increase the kinetic energy of the electron new electric field be arranged, accelerating the same on the electron Has the same effect as the electric field between electrodes 1 and 2.

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.So it is to be noted that the kinetic energy of an electron can then be increased continuously if a static electric field is present is generated by a spatially periodic sequence of elementary quadrupoles will.

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.The realization of such spatially periodic quadrupole fields is known in various embodiments. An obvious form that is used in most cases is that, as shown in FIG. 2 four electrically isolated metal sheets 7 are arranged symmetrically to the tube axis (electron beam axis) and a number of such elementary quadrupoles periodically along the tube axis. Two successive elementary quadrupoles are rotated against each other by 90 °. The disadvantage of this form of a quadrupole system is that a large number of individual parts must be produced, the correct position of which must be adhered to very precisely. This creates great difficulties when building the system.

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.Another known possibility is a spatially periodic electrostatic To produce a quadrupole is the use of a quadrufilar helix (see for example British patent specification 876 836). This is four coiled coils in the same direction, identical to one another, their winding spacing is equal to each other. This arrangement also causes difficulties in production, which are similar to the arrangement described first. She also has the Disadvantage that the equipotential lines are in the immediate vicinity of the helical wires are concentric circles that are only at a greater distance from the wires in skip hyperbola-like lines. As a result, this arrangement requires a larger one Potential difference between the individual filament wires than in the case of the above described quadrupole is required. An arrangement of this type is shown in FIG G. 3 shown schematically in cross section. Set points 8, 9, 10 and 11 represent the cross-sections of the four helical wires. The circular or hyperbolic ones Lines are the equipotential lines of the generated electrostatic field.

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.It is also a parametric electron beam amplifier tube operating with cyclotron waves known, in which the quadrupole field is generated by a high-frequency pump signal. This quadrupole arrangement works, among other things, with four identical, parallel to each other and at a distance from each other symmetrically about the axis of the quadrupole field arranged coils. Such a high frequency quadrupole requires a considerable amount higher effort 'than an electrostatic quadrupole arrangement.

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.The invention is based on the object of an arrangement for generating a quadrupole field for a parametric electron beam amplifier tube working with cyclotron waves, in which the amplification by means of a spatially periodic, electrostatic quadrupole field is achieved to create that does not have the aforementioned disadvantages.

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.The invention consists in the simplest case that for the generation of the spatially periodic, electrostatic quadrupole field an even number, However, at least four identical single coils are provided which parallel to each other and at a distance from each other symmetrically about the axis of the quadrupole field (Electron beam axis) are arranged and of which two each in the circumferential direction adjacent coils have opposite electrical polarity. Here is assumed that four cylindrical conductors whose centers are on the corners of a square are present when the corresponding electrical potentials are connected the individual conductors generate a quadrupole field inside the arrangement. To this The cylindrical conductors are used to give the required spatial periodicity to the field has been replaced by coils according to the invention.

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.In Fig. Figure 4 is such an arrangement according to the invention in cross section and shown schematically in a side view. The coils are identified by the reference symbols 12, 13, 14 and 15. Two adjacent in the circumferential direction of the arrangement Coils have opposite electrical polarity. So that's just the stake an even number of spirals possible. With an increasing number of coils the sequence of spatially periodic electrostatic fields also increases.

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.According to the invention, the arrangement can also be designed so that for Generation of the spatially periodic, electrostatic quadrupole field an even number Number, but at least four, identical double helices provided is, the, from two equal to each other, symmetrically wound into each other Consisting of individual coils, parallel to one another and symmetrically spaced from one another are arranged around the axis of the quadrupole field (electron beam axis) and from which are the individual coils of each double coil and two adjacent ones in the circumferential direction Single coils of the double coils have opposite electrical polarity.

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.F i g. 5 shows such an arrangement in cross section and in side view schematic. Each of the four double coils 16, 17, 18 and 19 consists of the individual coils 20 and 21.

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.The production of such double helices presents no difficulty; the adjustment necessary to achieve an exact spatial periodicity is secured during manufacture. In addition, the one that falls with the quadrufilar helixes described disadvantage (larger potential difference).

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.The arrangement according to the invention can then be used particularly effectively, if the winding direction of the helix is chosen so that that through the quadrupole field conditional direction of rotation coincides with the direction of rotation of the electron orbits. This is to increase the efficiency of the arrangement significantly.

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.It is known that the electrons in the quadrupole arrangement move on spiral paths. In the case of an elementary quadrupole arranged perpendicular to the tube axis (electron beam axis), the electrostatic field of the quadrupole acts only with the cosine of the angle ( p ) of the electron path direction. The greater the drift speed of the electron, the more disadvantageous it is. In the case of the described arrangements according to the invention, however, this can be reduced if the coils with the opposite potentials are directly opposite one another at the points of closest proximity. Then the quadrupole fields have the same "helical structure" as the electron orbits. In this case the angle between the electrostatic field and the electron path has become almost zero and therefore cos q9 = 1. In this way, not only have the disadvantages of the known quadrupole arrangements been eliminated, but an improvement has even been achieved through a suitable choice of the position of the adjacent coils relative to one another.

Claims (3)

Patentansprüche: 1. 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, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t, 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 (Fi g. 4). Claims: 1. Arrangement for generating a quadrupole field (Quadrupole) for a parametric electron beam amplifier tube working with cyclotron waves, in which the amplification by means of a spatially periodic, electrostatic quadrupole field is achieved, d a d u r c h e -k e n n n z e i c h n e t that to generate the spatially periodic, electrostatic quadrupole fields an even number, However, at least four identical single coils are provided which parallel to each other and at a distance from each other symmetrically about the axis of the quadrupole field (Electron beam axis) are arranged and of which two each in the circumferential direction adjacent coils have opposite electrical polarity (Fig. 4). 2. 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, dadurch gekennzeichnet, 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 (F i g. 5). 2. Arrangement for generating a quadrupole field (quadrupole) for one with cyclotron waves working parametric electron beam amplifier tube in which the gain is achieved by means of a spatially periodic, electrostatic quadrupole field, characterized in that for generating the spatially periodic, electrostatic Quadrupole fields an even number, but at least four, one below the other the same double helix is provided, which, made up of two equal to each other, Consisting of symmetrical single helices, parallel to each other and at a distance from each other symmetrically around the axis of the quadrupole field (electron beam axis) are arranged and of which the individual coils of each double coil and two each in the circumferential direction adjacent individual coils of the double coils are opposite have electrical polarity (Fig. 5). 3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wickelsinn der Wendeln so gewählt ist, daß der durch das Quadrupolfeld bedingte Drehsinn mit dem Drehsinn der Elektronenbahnen übereinstimmt. In Betracht gezogene Druckschriften: Französische Patentschrift Nr. 1228 568.3. Arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that the winding direction of the helix is chosen so that the through the direction of rotation caused by the quadrupole field corresponds to the direction of rotation of the electron orbits. Documents considered: French patent specification No. 1228 568.