-
Langgestreckte Laufzeitverstärkerröhre mit Laufraumresonator Die Erfindung
betrifft eine langgestreckte Laufzeitverstärkerröhre mit einem Elektronenstrahlerzeugungssystem
(Strahlerzeuger) am einen und einer Auffangelektrode (Auffänger) am anderen Röhrenende,
mit einem Eingangsresonator zum Einkoppeln der zu verstärkenden Hochfrequenzenergie
auf den Elektronenstrahl am strahlerzeugerseitigen Röhrenende und einem Ausgangsresonator
zum Auskoppeln der verstärkten Hochfrequenzenergie aus dem Elektronenstrahl am auffängerseitigen
Röhrenende und mit einem Laufraum zwischen dem Eingangs- und dem Ausgangsresonator,
der als vom Elektronenstrahl durchsetzter zylindrischer Verzögerungsleitungsresonanzkreis
ausgebildet ist (Laufraumresonator).
-
Bei einer üblichen Laufzeitverstärkerröhre nach Art eines Klystrons
werden die Strahlelektronen zunächst durch das hochfrequente elektrische Feld eines
Hohlraumresonators in der Geschwindigkeit moduliert und anschließend durch einen
von hochfrequenten Feldern im wesentlichen feldfreien Raum (Laufraum) geschickt,
um Elektronenpakete in t7bereinstimmung mit der Modulation zu bilden. Die in den
Elektronenpaketen enthaltene verstärkte Wellenenergie wird dem Elektronenstrahl
in einem weiteren Hohlraumresonator, durch den der Elektronenstrahl geführt wird,
entzogen und kann dann aus diesem Hohlraumresonator entnommen werden.
-
Bei einem Klystron, insbesondere bei einem Klystron mit mehreren Hohlraumresonatoren,
sowie bei anderen Laufzeitverstärkerröhren, bei denen die verstärkte Wellenenergie
aus einem paketierten Elektronenstrahl entnommen wird, sind die Verstärkung und
der Wirkungsgrad der Leistungsumwandlung durch einen Vorgang, der als »Entbündelung«
bezeichnet wird, begrenzt. Dieser Effekt rührt von den Raumladungskräften des Elektronenstrahls
her, die eine ideale axiale Kompression der Elektronen in die gewünschten dichten
Elektronenpakete verhindern.
-
Bekannte Verfahren zur wirksamen Verminderung dieses Entbündelungseffekts
sind im allgemeinen sehr verwickelt und bringen eine Anzahl von aufbau-oder schaltungstechnischen
Komplikationen mit sich. So sind z. B. Verfahren und Anordnungen bekannt, die in
ausgewählten Laufraumbereichen besondere Beschleunigungsfelder großer Länge vorsehen,
um die durchschnittliche Elektronengeschwindigkeit zu erhöhen und dadurch die Bündelung
zu verbessern. Eine andere bekannte Anordnung macht von einem Laufraum mit einem
besonderen verzögernden Feld Gebrauch, um langsam laufende Elektronen zurückzuschicken
und hierdurch eine verhältnismäßig sofortige Umwandlung der Geschwindigkeitsmodulation
in eine Dichtemodulation ohne Verwendung eines üblichen Laufraums zu bewirken. Andere
bekannte Verfahren und Anordnungen verwenden verschiedene andere Mittel, um durch
Beeinflussung der effektiven Laufzeit der Elektronen eine gute Elektronenbündelung
(Paketierung) zu erzielen.
-
Aufgabe der Erfindung ist es, die vorgenannten Schwierigkeiten zu
überwinden. Diese Schwierigkeiten werden dadurch überwunden, daß bei einer langgestreckten
Laufzeitverstärkerröhre der eingangs erwähnten Art erfindungsgemäß der Laufraumresonator
aus einer einfachen Wendel besteht, die in einer sie allseitig umschließenden metallischen
Kammer angeordnet ist, deren quer zum Elektronenstrahl sich erstreckende, mit den
Wendelenden galvanisch verbundene Wandungsteile mit Durchtrittsöffnungen für den
Elektronenstrahl versehen sind, und daß der Laufraumresonator, insbesondere dessen
Wendel, so bemessen ist, daß die durch ihn bewirkte Phasenfokussierung der Strahlelektronen
(Gruppenbildung, Paketierung) möglichst groß ist.
-
Es wurde bereits ein zylindrischer Verzögerungsleitungsresonanzkreis
zur Verwendung in einer Laufzeitverstärkerröhre vorgeschlagen, und zwar auch schon
als Laufraumresonator (deutsches Patent 1232 659). Die Verzögerungsleitung
besteht dabei
jedoch aus zwei kreuzweise gewickelten Wendeln oder
einer einer solchen Verzögerungsleitung elektrisch äquivalenten Verzögerungsstruktur.
Diese Konstruktion wurde gewählt, um ein erhöhtes Produkt aus Verstärkung und Bandbreite
zu erzielen.
-
Die Vorteile der Erfindung liegen in einer sehr dichten Elektronenpaketierung
bei Einfachheit der Konstruktion und großer Verfügungsfreiheit über die Konstruktionslemente.
Es ist vorteilhaft, auch den Eingangs- und den Ausgangsresonator als Verzögerungsleitungsresonanzkreis
mit einer Wendel als Verzögerungsleitung auszubilden.
-
Weitere Einzelheiten und Weiterbildung der Erfindung werden im folgenden
an Hand der Figuren näher beschrieben.
-
F i g. 1 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel einer Laufzeitverstärkerröhre
gemäß der Erfindung; F i g. 2 und 3 zeigen Kurven, die zur Erläuterung der Arbeitsweise
des Erfindungsgegenstandes dienen, und F i g. 4 bis 6 zeigen weitere Ausführungsformen
von Laufzeitverstärkerröhren gemäß der Erfindung.
-
F i g. 1 veranschaulicht eine Laufzeitverstärkerröhre, in der der
Elektronenstrahl zunächst mit dem zu verstärkenden Signal geschwindigkeitsmoduliert
wird und dann einen Laufraumresonator nach der Erfindung durchläuft.
-
Das Strahlerzeugungssystem 10 weist eine Kathode
11 mit einer konkaven Emissionsfläche 12 auf, welche durch eine Wicklung
13 geheizt wird. Die Heizleistung wird von einer Stromquelle 14 über Leiter 15 und
16 geliefert, welche durch die Glashülle 17 hindurchgeführt sind. Ein Elektrodenhalter
18 trägt die Kathode 11; er ist mit dem Glasrohr 19 verschmolzen,
das seinerseits mit der Endwandung 20 des Hohlraumresonators 21 verbunden
ist. Der Elektronenstrahl 22 durchläuft zunächst den Hohlraumresonator
21 (Eingangsresonator), dann den Laufraumresonator 23 und hierauf den Hohlraumresonator
24 (Ausgangsresonator) und wird schließlich von einer Auffangelektrode 25 aufgefangen.
-
Der Eingangsresonator 21 wird von Querwandungen 20 und 26 und
den Längswandungen 27 und 42 gebildet. Er enthält eine einfache Wendel
28
als Resonanzwendel und ist durch einen Kolben 29 abstimmbar. Der Kolben
29 wird durch einen Stab 30 betätigt. Er ist mit federnden Schleifkontakten 31 versehen,
um eine galvanische Verbindung mit den Wandungen des Eingangsresonators herzustellen.
Die Wendel 28 ist mit dem Innenleiter 32 einer koaxialen . Eingangsleitung
verbunden, um ihr die zu verstärkende Schwingungsenergie zuführen zu können.
-
Der Laufraumresonator 23 enthält eine einfache Wendel 33 als Resonanzwendel
und einen Abstimmkolben 34. Die Wendel 33 ist in einer sie allseitig umschließenden
metallischen Kammer angeordnet, deren Querwandungen 26 und 44 mit den Wendelenden
galvanisch verbunden sind. Der Abstimmkolben ist mit einem Stab 35 und Schleifkontaktfedern
36 versehen, so daß der Laufraumresonator auf eine gewünschte Frequenz abgestimmt
werden kann.
-
Der Ausgangsresonator 24, der von den Querwandungen 43 und 44 und
den Längswandungen 27 und 42 gebildet wird, enthält eine einfache Wendel 37 als
Resonanzwendel und einen Abstimmkolben 38, der durch einen Stab 39 betätigt wird
und mit Schleifkontaktfedern 40 versehen ist. Die verstärkte Schwingungsenergie
wird aus dem Ausgangsresonator 24 mit Hilfe einer koaxialen Leitung ausgekoppelt,
deren Innenleiter 41 mit der Wendel 37 verbunden ist.
-
Die die Resonatoren bildenden Kammern werden normalerweise auf Erdpotential
gehalten. Die Kathode 11 des Strahlerzeugungssystems wird mit Hilfe der Spannungsquelle
4, die über eine Anzapfung 5
das notwendige Beschleunigungspotential
zum Betrieb der Röhre liefert, auf einem hohen negativen Gleichpotential gehalten.
-
Die in F i g. 1 dargestellte Laufzeitverstärkerröhre ist im Grunde
eine Zweispaltklystronverstärkerröhre, bei der der Einkoppelspalt und der Auskoppelspalt
durch je einen Wendelabschnitt und der übliche feldfreie Laufraum durch einen Laufraumresonator
mit einer auf den Strahl einwirkenden wendelförmigen Verzögerungsleitung ersetzt
ist.
-
Zum Betrieb der in F i g. 1 dargestellten Röhre wird das von der Spannungsquelle
4 gelieferte Beschleunigungspotential so gewählt, daß die Gleichgeschwindigkeit
der Elektronen in dem Elektronenstrahl 22 ungefähr gleich der axialen Geschwindigkeit
eines längs der Wendeln laufenden elektromagnetischen Wellenfeldes ist. Die Resonatoren
21,23 und 24 sind etwa auf die Mittenfrequenz des Betriebsfrequenzbandes
abgestimmt. Die zu verstärkende Schwingungsenergie wird der Wendel 28 des
Eingangsresonators über den Leiter 32 zugeführt und bewirkt eine Geschwindigkeitsmodulation
der Strahlelektronen, so daß sich beim Durchlaufen des Laufraumresonators 23 Elektronenzusammenballungen
(Gruppenbildung, Paketierung) ergeben. Die geschwindigkeits- und dichtmodulierten
Elektronen wirken dabei mit der Wendel 33 zusammen. Es entstehen auf der
Wendel 33 entlanglaufende elektromagnetische Wellen, die ihrerseits mit den
Elektronengruppen zusammenwirken und den Bündelungseffekt unterstützen (die Entbündelung
der paketierten Elektronen also vermeiden). Wenn die so vorpaketierten Elektronengruppen
in den Ausgangsresonator 24 eintreten, wird dieser erregt, und die verstärkte
Schwingungsenergie kann von der Wendel 37 über den Leiter 41 entnommen werden.
-
Durch Verwendung des erfindungsgemäßen Laufraumresonators entsteht
eine Entladungseinrichtung, die. einen »aktiven Laufraum« aufweist (im Gegensatz
zu dem üblichen feldfreien oder passiven Laufraum, der bei den bekannten Elektronenstrahlröhren
mit Geschwindigkeitsmodulation vorhanden ist). Außerdem sei bemerkt, daß durch die
Verwendung von Resonanzwendeln an Stelle der üblichen Wechselwirkungsspalte die
bekannten Nachteile der Spalte weitgehend entfallen.
-
Die in F i g. 1 dargestellte Röhre kann z. B. mit einer Strahlspannung
von 1000 Volt bei einer Bandmittenfrequenz von 1000 MHz betrieben werden, wobei
sich eine Verstärkung in der Größenordnung von 20 Dezibet und ein Wirkungsgrad in
der Größenordnung von 30';f, über einen Frequenzbereich in der Größenordnung von
± 10°% ergibt.
-
Die F i g. 2 zeigt die wünschenswerte Verstärkungscharakteristik,
die mit Röhren gemäß der Erfindung erzielt wird. Die Ordinate E `-`°- definiert
die maximale Po L' Stromdichte, die bei einer gegebenen Geschwindigkeitsmodulation
in einem Laufraum von N Wellenlängen verfügbar ist. Dabei ist p die Wechselstromkomponente
der
linearen Raumladungsdichte, die sich mit ei,' -- r= ändert; po ist die Gleichstromkomponente
der Raumladungsdichte (durchschnittliche Ladung pro Längeneinheit), die gleich -
ist (1o = Strahlgleichstromstärke, U, = Strahlgleichspannung); v ist die Wechselkomponente
der Geschwindigkeit der Strahlelektronen, die sich mit ei-t-'= ändert; und uo ist
die Gleichkomponente der Geschwindigkeit der Strahlelektronen (durchschnittliche
Geschwindigkeit der Strahlelektronen).
-
Die Linie A stellt die maximal erreichbare Stromdichte bei einer gegebenen
Geschwindigkeitsmodulation in einem feldfreien Laufraum dar. Die Kurve B stellt
die maximal erhältliche Stromdichte dar, wenn der Elektronenstrahl, der in eine
Wendel eintritt, einige Elektronen enthält, die dicbtemoduliert sind, und einige
Elektronen, die noch eine Geschwindigkeitsmodulationskomponente aufweisen. Die Kurve
C stellt die maximal erhältliche Stromdichte dar, wenn der Wendel unmittelbar (elektromagnetische)
Schwingungsenergie zugeführt wird.
-
Es ist ersichtlich (Kurven B und C), daß mit einer hinreichend langen
Wendel eine erheblich stärkere Gruppenbildung im Vergleich zu derjenigen erhalten
werden kann, die sich bei Verwendung eines feldfreien Laufraums einstellt.
-
Um die Parameter abzuschätzen, die mit einem auf den Elektronenstrahl
einwirkenden hochfrequenten Spaltfeld verknüpft sind, sei von der bekannten Grundbeziehung
i@ = 13 . i6 ausgegangen; in der i, der in dem betreffenden Kreis induzierte
Strom, i6 der im Strahl verfügbare Wechselstrom und E3 der bekannte Spaltkoeffizient
ist. Aus der Gleichung (1) ist ersichtlich, daß die verfügbare Leistung Po durch
den Ausdruck Po = ir.R =I32.ib.R (2)
definiert ist, wobei R die Spaltbelastung
darstellt. Eine Betrachtung der Gleichung (2) zeigt, daß Q32 - R als »Gütefaktor«
für den Wirkungsgrad des gesamten Kreises (also einschließlich des Spaltes) betrachtet
werden kann.
-
F i g. 3 zeigt, wie der Spaltkoeffizient 13 sich mit dem Elektronenlaufzeitwinkel
für den Spalt, bei einem üblichen Spalt und Resonator ändert. Da der Laufzeitwinkel
0 stets größer ist als 0, der Spaltkoeffizient 13 daher stets kleiner als 1, liegt
selbst bei günstigster Formgebung die Leistungsumformung an dem Spalt in der Größenordnung
von 0,5 bis 0,6 der verfügbaren Strahlleistung.
-
Es kann gezeigt werden, daß Wendeln mit wirksamen Spaltkoeffizienten
in der Größenordnung von 1 für eine große Zahl verschiedener Bedingungen angegeben
werden können.
-
Der Spaltkoeffizient für einen Spalt mit Resonanzwendel entspricht
im wesentlichen der Beziehung
wobei das obere 1+)-Vorzeichen für galvanisch offene Wendelspalte und das untere
(-)-Vorzeichen für galvanisch kurzgeschlossene Wendelspalte gilt und (%"
=
L = 11, 2 11, 3 11, . . . ,
0e = Elektronenlaufzeitwinkel für den Spalt,
Eo = Amplitude der hochfrequenten axialen elektrischen Feldstärke im Spalt, V =
Amplitude der hochfrequenten Spaltspannung und L = Spaltlänge ist. Es ist ersichtlich,
daß ein Spalt mit Resonanzwendel dazu benutzt werden kann, um eine hochwirksame
Geschwindigkeitsmodulation in einem Elektronenstrahl zu erhalten. Durch passende
Wahl kann man so einen optimalen Wirkungsgrad und günstigste Verstärkung erhalten.
-
Die F i g. 4 stellt in schematischer Form eine Laufzeitverstärkerröhre
dar, die einen Hohlraumresonator 45 (Eingangsresonator) mit einem auf den Elektronenstrahl
52 einwirkenden üblichen Wechselwirkungsspalt 46, einen erfindungsgemäßen
Laufraumresonator 47 mit einer einfachen Wendel 48
und einen Hohlraumresonator
49 (Ausgangsresonator) mit einem üblichen Wechselwirkungsspalt 50 enthält. Die Kathode
51 liefert den Elektronenstrahl 52, der nach dem Durchlaufen der Resonatoren
45, 47
und 49 von der Auffangelektrode 53 aufgefangen wird. Die Resonatoren
45, 47 und 49 sind geerdet. Die Kathode 51 wird durch eine Spannungsquelle 55 auf
einem hohen negativen Gleichpotential gehalten. Die Resonatoren können in üblicher
Weise oder wie es in F i g. 1 dargestellt ist, abstimmbar sein. Die zu verstärkende
Schwingungsenergie wird dem Eingangsresonator 45 durch eine koaxiale Leitung
56
zugeführt, die verstärkte Schwingungsenergie dem Ausgangsresonator
49 durch eine koaxiale Leitung 57
entnommen.
-
Die dem Eingangsresonator 45 zugeführte Schwingungsenergie, die in
diesem bekanntlich eine stehende Welle erzeugt, ruft an dem Spalt 46 eine Geschwindigkeitsmodulation
der Strahlelektronen hervor. Die geschwindigkeitsmodulierten Elektronen gelangen
in den erfindungsgemäßen Laufraumresonator 47 und treten mit der Wendel 48 in Wechselwirkung,
so daß auf der Wendel eine immer mehr anwachsende Welle entsteht, welche die Gruppenbildung
der Strahlelektronen entlang der Wendel 48 fortlaufend vergrößert. Die Bemessung
des Laufraumresonators ist so gewählt, daß eine maximale Gruppenbildung erreicht
wird, eine Entbündelung der Elektronen infolge der zwischen ihnen wirksamen Raumladungskräfte
also vermieden wird. Der so paketierte Elektronenstrahl induziert im Ausgangsresonator
49 beim Durchlaufen des Spaltes 50 in bekannter Weise ein elektromagnetisches Feld
und als Folge dessen eine stehende Welle, so daß dem Resonator .l9 die ver= stärkte
Schwingungsenergie mittels der koaxialen Leitung 57 entnommen werden kann.
-
Die F i g. 5 zeigt die Anwendung eines erfindungsgemäßen Laufraumresonators
zur Erhöhung des Wirkungsgrades einer Laufzeitverstärkerröhre, die als »Superbüridelungsforiri«
bezeichnet werden kann.
-
Der von der Kathode 58 ausgehende Elektronenstrahl 59 durchsetzt
zunächst ein den llohlrauinresonator
66 (Eingangsresonator)
mitbegrenzendes Steuergitter 60, dann ein Beschleunigungsgitter
61
und wird nach Durchlaufen der Wendel 62 eines erfindungsgemäßen
Laufraumresonators 71 und des Auskopplungsspaltes 63 des Hohlraumresonators 64 (Ausgangsresonator)
von einer Auffangelektrode 65 aufgefangen. Der Eingangsresonator 66, der mit einer
Abstimmeinrichtung versehen sein kann, wird über eine koaxiale Eingangsleitung 67
erregt. Die verstärkte Energie wird dem Ausgangsresonator 64 mittels der koaxialen
Ausgangsleitung 68 entnommen. Durch die Spannungsquelle 69 wird das Steuergitter
60 auf negativem Gleichpotential gegenüber der Kathode 58 und die übrigen Elektroden
auf positivem Gleichpotential gegenüber der Kathode 58 gehalten. Ringkondensatoren
70 trennen das Steuergitter 60 gleichstrommäßig von der Kathode und den übrigen
Elektroden und bilden einen Nebenschluß für Hochfrequenz.
-
Die über die koaxiale Eingangsleitung 67 dem Eingangsresonator 66
zugeführte Schwingungsenergie bewirkt sowohl eine Raumladungssteuerung (Dichtesteuerung)
als auch eine Geschwindigkeitssteuerung der Elektronen, die den Spalt 72 des Eingangsresonators
66 durchlaufen. Dieser geschwindigkeits- und dichtemodulierte Elektronenstrahl durchläuft
dann den Laufraumresonator 71, wo die beschriebene Wechselwirkung mit der Wendel
62 stattfindet, um eine fortlaufend zunehmende Gruppenbildung der Strahlelektronen
zu erhalten. Der so paketierte Elektronenstrahl erregt dann den Ausgangsresonator
64, aus dem die (verstärkte) Schwingungsenergie über die koaxiale Leitung 68 ausgekoppelt
wird.
-
F i g. 6 zeigt eine Laufzeitverstärkerröhre der Klystronbauart mit
drei üblichen Wechselwirkungsspalten, bei der zwischen diesen Spalten jeweils ein
Laufraumresonator nach der Erfindung verwendet wird.
-
Der von der Kathode 73, die durch die Spannungsquelle 74 auf negativem
Gleichpotential gehalten ist, ausgehende Elektronenstrahl 75 durchläuft die
Entladungseinrichtung und wird von der Auffangelektrode 76 aufgenommen. Die zu verstärkende
Schwingungsenergie, die über eine koaxiale Leitung 77' zugeführt wird, erregt den
Hohlraumresonator 77 (Eingangsresonator) und ruft durch das hochfrequente elektrische
Feld an dem Spalt 78 eine Geschwindigkeitsmodulation des Elektronenstrahls hervor.
Wenn die Elektronen den ersten erfindungsgemäßen Laufraumresonator 79 durchlaufen,
findet auf Grund der Wechselwirkung des Elektronenstrahls mit der Wendel 80 in der
beschriebenen Weise eine fortlaufend zunehmende Gruppenbildung der Elektronen statt.
-
Wenn dann diese Elektronengruppen den Spalt 81 des Hohlraumresonators
82 durchlaufen, wird dieser Resonator, der nur mit dem Elektronenstrahl
75
gekoppelt ist, erregt und wirkt in bekannter Weise mit dem Elektronenstrahl
so zusammen, daß eine weitere Vergrößerung der Gruppenbildung erzielt wird. Die
Elektronengruppen gelangen dann in den zweiten erfindungsgemäßen Laufraumresonator
83, wo eine weitere fortlaufend zunehmende Gruppenbildung im Zusammenwirken mit
der Wendel 84 stattfindet. Die Elektronengruppen erregen dann über den Spalt 86
den Ausgangsresonator 85, aus dem die verstärkte Schwingungsenergie mit Hilfe der
koaxialen Ausgangsleitung 87 ausgekoppelt werden kann. Es ist offensichtlich, daß
einzelne oder auch sämtliche der in F i g. 6 dargestellten Resonatoren mit Abstimmeinrichtungen,
wie beispielsweise Abstimmkolben nach Art der F i g. 1, versehen sein können. An
Stelle der Hohlraumresonatoren mit Wechselwirkungsspalt können auch Verzögerungsleitungsresonanzkreise
mit einer Wendel als Verzögerungsleitung verwendet werden, um die obenerwähnten
Vorteile der Resonanzwendel auszunutzen.