DE1491370A1 - Strahlungsgenerator - Google Patents

Description

295-9392P-LWi (7) ■26.3.1964

OF AVIAi¹IOiI IN HSR BiIlTANNIC MAJESIY¹S GOVEHNMESiI OF THE ICIN&DpIi OF GHEAI ΒΙΙΪΪΑΙΙϊ AHD HOM¹HEKM IRELAND, London W.C.2

Strahlungsgenerator

Die Erfindung "bezieht sich auf einen Generator für elektromagnetische Strahlungen, der in dem Millimeter-Wellenbereich m und darunter arbeitet.

Erfindungsgemäß enthält ein solcher Generator zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung Mittel zum Einspeisen eines Blektronenstromes in ein magnetisches Feld, -Mittel zur Erzeugung eines starken magnetischen Feldes..und J.^vtj.t-tel für das Hindurchführen des Elektronenstromes durch das starke Magnetfeld.

Zur näheren Erläuterung der Erfindung werden Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Strahlungsgenerators beschrieben, λ die in der Zeichnung "veranschaulicht sind} es zeigen:

Fig. 1 einen Strahlungsgenerator gemäß der Erfindung in schematischer Schnitt-Darstellung;

Fig. 2 bis 7 zur Erläuterung der Wirkungsweise des er-

findungsgeinäßen Stralilungsgenerators dienende Kurven- und Schemadarstellungen}

Fig. ö eine verbesserte Ausführungsform der Elektronenröhre des Generators nach Fig. 1 und

Fig· 9 eine Variante der Ausführung der Elektronenröhre

nach Fig. 1. ;

9098 U/0659 _0Ri_6INa_L ,_nspecteu

Die Giashülle einer zur Erzeugung des Elektronenstroiaes dienenden Elektronenröhre 1 ist koaxial in ein. Solenoid 2 eingesetzt. Die Röhre 1 iiat einen erweiterten Teil 3, der eine Kathode 4, ein Gitter 5 und eine Anode 7 enthält. Im Anschluß an den erweiterten Teil 3 verringert sich der Querschnitt der Röhre in einem kegelstuiapff örniigen.AIdschnitt- 8, an den sich ein langgestrecktes Rohr 9 von kleinerem Querschnitt als der Teil 3 anschließt. Das Rohr 9 ist innerhalb eines zweiten Solenoids 11 untergebracht und an seinem, äußeren Ende durch ein Quarzfenster 10 abgeschlossen. Das Solenoid 11 ist seinerseits innerhalb des Solenoids 2 angeordnet und liegt unmittelbar in der Nähe des kegelstumpfförmigen Abschnittes 8 des Rohres, an den es wie an eine Schulter herangeschoben ist.

Die inneren Überflächen des kegelstumpfförmigen Rohrabschnittes ö und des langgestreckten Rohres 9 tragen einen Silberbelag 12, der in Längsrichtung durch einen Schlitz 13 unterteilt ist. Eine fest in der versilberten Wand des Abschnittes 8 des Rohres 1 festgelegte Anschlußelektrode 14 ist mit der Anode 7 verbunden. ■

Die Kathode 4 bildet zusammen mit dem Gitter 5 und der Anode 7 der Röhre 1 eine "Elektronenkanone", die ihre Elektronen in einer durch den Pfeil E angegebenen "Schußrichtung" unter einem Winkel zu der Längsrichtung des Magnetfeldes B1 aussendet, das durch das Solenoid 2 erzeugt wird. Dieser Winkel ist in Fig. 2 besonders dargestellt.

Im Betrieb des Generators ist das Solenoid 2 'erregt, es er-

909814/0659 BAD PRIG.NAL

zeugt ein Magnetfeld B1 von ungefähr 2000 Gauss in Längsrichtung der Röhre 1 und das Solenoid 11 ist an eine Stromquelle angeschlossen, die ^tromimpulse erzeugt, welche in dem Rohrteil 9 der Röhre 1 ein gleichmäßig konzentriertes pulsierendes Magnetfeld Bp Hervorrufen. Der praktische Effekt "besteht darin, daß in dem erweiterten Rohrteil 3 um die Elektronenkanonen-Anordnung herum ein gleichmäßiges Magnetfeld erzeugt wird und innerhalb des Solenoids ein sehr konzentriertes pulsierendes Magnetfeld, das im mittleren Abschnitt einen kurzen gleichmäßigen Bereich hat,

Fig. 4 zeigt die Feldverteilung innerhalb des Solenoids einschließlich des Bereiches des gleichmäßigen Feldes.

Das Gitter 5 ist an eine Vorspannungsquelle angeschlossen, deren Spannung von +50 V bis -50 V gegenüber der Kathode geändert werden kann; die Elektrode 14 ist geerdet und die Kathode 4 wird zusammen mit dem Gitter pulsierend gespeist.

Die Pulse der Kathodenspannung haben eine Dauer von etwa einer Millisekunde oder weniger und jeder dieser Pulse ist zeitlich derart gelegt, daß er in dem mittleren Perioden-Zeitabschnitt derjenigen Pulse auftritt, mit denen das Solenoid 11 erregt wird. Obgleich das konzentrierte Magnetfeld pulsiert, so verändert es sich dennoch während des kurzen Pulses von 1 msek im Strom αer Röhre nur sehr wenig. Der Elektronenstrahl oder -strom kann infolgedessen so betrachtet werden, als ob er ein ma_t'i:netiscnes Gleichfeld DO vorfindet, dessen Verlauf im wesentlichen den gestrichelten Linien in ^ig. 7 entspricht.

"⁽ " 90 98 U /0659

Die Form des magnetischen Feldes ergibt sich, aus der Vek- tor summe der 'Magnetfelder der "beiden Solenoide 2 und 11 , den G-renzfeidern und den Zusatzfeldern, die durch Wirbelströme in den Metallteilen der Apparatur hervorgerufen werden.

Die aus der Elektronenkanone kommenden Elektronen werden unter einem Winkel zu der Längs-Magnetfeldrichtung in dem Röhrte il 3 ausgesandt, so daß sie unter der Wirkung dieses Feldes sich auf einer scliraubenlinienförmigen ^ahn bewegen, von der man annehmen kann, daß sie auf der Mantelfläche eines "Rohres" der Magnetkraftlinien des Feldes B1 verläuft. Da das Magnetfeld in dem Rohr 1 im Bereich der Einziehung 8 zusammengedrängt wird und schließlich in den Bereich des gleichförmigen Feldes innerhalb des Solenoids 11 übergeht, nimmt die schraubenlinienförmige Bahn eines Elektrons sowohl in Bezug auf die Steigung, als auch den Radius stark ab, wie dies etwa in der Figo 5 veranschaulicht ist, in der die Linien 15 die Abgrenzung eines "Kraftlinienrohres" darstellen sollen und die Linie 16 den schraubenförmigen Weg eines typischen Elektrons zeigt.

In dem Bereich des gleichmäßigen Feldes innerhalb des Solenoids 11 entsteht durch das Zusammenwirken des Feldes und der Elektronen innerhalb des durch den Silberbelag des Rohrxeiles und die reflektierende Oberfläche des Quarzfensters 10 gebildeten Hohlraumes eine elektromagnetische Wellenstrahlung} diese Wellen wandern in Längsrichtung durch den Röhrteil y der Röhre 1 und treten durch aas Quarzfenster 10 als ein Wellen-Strahlenbündel aus ο Der innere Silber belag des Rohrteiles 9

9098U/0659

dient als ^lektronen-Auffangelektrode und als Wellenführung bei diesem Vorgang, während der 2rennschlitz 125 das Auftreten von Kreis- oder Wirbelströmen verhindert, die in der Versilberungsschicht fließen könnten; dadurch wird die Drenung der Polarisationsebene des Wellenstrahlenbündels innerhalb der umsehließ enden Wellenf ührun'g verhindert.

Die ausgestrahlte leistung hat sich zu mehreren Größenordnungen (etwa 2) größer erwiesen, als diejenige Strahlungsleistung, die sich aufgrund der klassischen elektromagnetischen Iheorie für inkoherente Strahlung vorhersagen läßt. Als typisch ergibt sich, daß das Volumen,, welches von den strahlenden Elektronen eingenommen wird, ein Zylinder von 2 1/2 cm Länge und 0,5. cm -Uurchmesser ist. Die Änderung oder Variation der transversalen •^lektronengeschwindigkeit V_r(, in dem gleichmäßig niedrigen Magnetxeldbereich (in dem V,,, die Komponente der Elektronengeschwindigkeit senkrecht zur Achse des Rohres ist) wurde in Pig. b dargestellt.

Die Elektronenkanone ist derart ausgelegt, daß die Elektronen durch das Anodennetz mit einstellbaren und gleichmäßigen Geschwindigkeitsvektoren austreten; insbesondere ist die ^rfransversalgeschwindigkeit einstellbar. Meßergebnisse lassen vermuten, daß die durch das Fenster 10 ausgesandte Strahlung zum l^veil eine koherente Strahlung ist. Eine genaue theoretische Analyse der Wirkungsweise des Hohres ist noch nicht durchgeführt worden.

9098U /0659

In einer typischen Blektronenrönre, vie sie die Fig. zeigt, ist die Kathode 4 eine flache, mit einem Oxydüberzug versehene Scheibe von 5 cm Durchmesser; in Rücksicht auf die Einfachheit der Darstellungen sind die Verbin'dungoiit den Pulsquellen und den Vorspannungsquelleh des Rohres nicht ge- ' zeigt; in gleicher Weise sind in der Fig. 1 auch diejenigen- · Stromquellen weggelassen, die zur Speisung der Solenoide 2 und 11 dienen. " ' '

Wesentliche Überlegungen, die bei der Einstellung des Strahlungsgenerators wichtig sind, betreffen die Größe des Feldes B1, das durch das Hauptsolenoid 2 erzeugt wird, die relative Anordnung von Anode und Gitter, die Gitter-Anodenspannung V , den Winkel zwischen dem Feld B1 und der Normalen Ϊ2 zu der Kathode 4 und schließlich das Vernältnis Bp/B1. Die Ausgangsfrequenz des Strahlungsgenerators kann durch Regelung des.Feldes Bp, verändert werden, iüine typische Gitter-Anodenspannung ist 10 kV, das Gitter und die Kathode werden zusammen pulsierend gespeist; das-Feld B1 ist typisch 2000 Gauss; das durch aas Solenoid 11 erzeugte Feld Bp ist dabei 100 Kilogäuss (was eine Ausgangs-Strahlung mit ungefähr 1 mm Wellenlänge ergibt).. Bs lassen sich auf einfache Weise empirisch andere Werte bestimmen, um die günstigsten Arbeitsbedingungen für eine entsprechende Röhre zu erhalten. Bei der Wellenlänge von 1 mn wurde eine Leistungsabgabe von 1 mW erzielt.

Die erzeugte Strahlung kann unter Ausnutzung der Steuerung 9098U/0659

durch das ■ Gritter . 5 in ihrer Amplitude moduliert werden; man — kann auch ihre Frequenz modulieren, wenn man ein zusätzliches Gitter einbaut und dieses Gitter zur Änderung der Längsgeschwindigkeit der Elektronen benutzt, wodurch eine Doppler-Verschiebung der Ausgangsfrequenz entsteht. In. dem letzten Falle würde das Gitter 5 von der Ausgangsgröße der Röhre servo-gesteuert werden, um eine Amplitudenmodulation auf Grund der Änderung der ülektronendichte in dem Bereich des hohen Feldes zu vermeiden.

Der Generator kann auch stetig betrieben werden, wenn durch Gleichstrom erregte Magnetfelder zur Verfügung stehen.

Es wurde auch eine' Ausführung entwickelt, welche eine günstigere oder bessere Arbeitsweise ergibt. In I¹Ig. '8 ist eine entsprechend modifizierte Röhre 1 gezeigt, bei der quer zur Längsachse der Röhre 1 innerhalb des erweiterten Rohrteiles 3 ein total reflektierender Spiegel b gegenüber dem Quarzi'enster 1Ü und. in der Achse des engen Rohrteiles 9 der Röhre 1 angeordnet ist. Dadurch erhält der Resonanzhohlraum, der aus der inneren Versilberung und dem teilweise reflektierenden Quarzfenster 10 besteht, eine bessere Wirkung.

Bine Weiterentwicklung besteht darin, Mittel für die Längeneinstellung des·Spiegels 6 vorzusehen oder wahlweise einen weiteren, senkrecht zu der Achse des Rohres außerhalb dieses Rohres und hinter dem Quarzfenster 10 angeordneten reflektierenden Spiegel vorzusehen, der in axialer Richtung einstellbar ist.

9098U/0659

Fig. 9 zeigt eine wahlweise Anordnung oder Ausbildung einer Elektronenröhre ähnlich "^ig. 1. Der Einfachheit wegen sind die Elektroden der Röhre nicht dargestellt. Die Glashülle 1 der Röhre ist in ihrem erweiterten Rohrteil 3 von vier Solenoiden· 18, 20, 22 und 24 umgeben, die in der sich aus den Zahlen ergebenden Reihenfolge längs des erweiterten Teiles 3 des Rohres aufeinander folgend angeordnet sind. Die Solenoide 18 und 24 haben größere Durchmesser als die Solenoide 20 und 22.

Der langgestreckte ^ohrteil 9 der Röhre liegt in einer axialen Höhlung 25 innerhalb eines zylindrischen Kryostaten 26, ein supraleitendes Solenoid 28 in dem Kryostaten kann ein dauerndes, gleichbleibendes Magnetfeld von 50 Kilogauss liefern.

Bei dieser Anordnung kann die Röhre eine dauernde oder stetige Strahlung abgeben, statt einer pulsierenden Strahlung.

Die Anordnung der Solenoide 18, 20, 22 und 24 ist so vorgesehen, daß ein gleichförmiges magnetisches Feld in dem erweiterten Teil 3 der Röhre auf folgende Weise erzeugt wird: das Magnetfeld des Solenoids 28 nimmt in dem betrachteten Bereich ab, d.h. es ist im Bereich des Solenoids 22 noch größer, als im Bereich des Solenoids 20. Deshalb ist das Solenoid 22 derart bemessen, daß es ein Magnetfeld liefert, welches dem Magnetfeld des Solenoids 28 entgegengesetzt gerichtet ist und das Solenoid 20 ist so bemessen, daß es ein magnetisches Feld liefert, das das Magnetfeld des Solenoids 28 an

9 0 9 8 14/0659

..·.-:.-.; - 9 - 1497370

der betreffenden Stelle verstärkt. Auf diß se Weise wird in dem erweiterten Teil 3 der Röhre 1 über dessen gesamte Ringe ein zumindest angenähert gleichmäßiges Magnetfeld erzeugt. Die Sdlenoide 18 und 24 können dazu benutzt werden, magnetisch© Felder zu erzeugen, welche die Möglichkeit bieten, das gesamte ißeld noch gleichmäßiger zu machen und durch Änderung der Intensitäten der von den Solenoiden 18, 20, 22 und 24 erzeugten 'üfekäsr kann das gesamte Feld in gegebenen Grenzen derart geändert werden,, daü es dennoch im wesentlichen gleichmäßig bleibt.

Claims (1)

1. - TO -

   Patentansprüche

   { ίϊ Vorrichtung zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung (Strahlungsgenerator), gekennzeichnet durch Mittel zum Einspeisen eines Elektronenstromes (E) in ein .,... Hagnetfeld (B1), Mittel zur Schaffung eines starken Magnetfeldes (Bp) und Mittel, die das Führen des Elektronenstromes durch aas stance Magnetfeld "bewirken.

   2. Torrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein mit einer elektrisch leitenden inneren Oberfläche (12) versehenes Rohr (9), das in dem starken Hagnetfeld (Bp) angeordnet ist und durch das der Blektronenstrom hindurchgeführt werden kann.

   3. "Vorricntung nach Anspruch 1 oder 2_f gekennzeichnet durch ein supraleitendes Solenoid (28) für die Schaffung des starken Magnetfeldes, (i'ig. 9)

   4. Strahlungsgenerator nit eliner ID ektromrnkanone, gekennzeichnet durch ein erstes Magnetfeld (B1), in dem sich die Elektronenkanone (4,5,7) "befindet, deren "Scnußrichtung" (S) schräg zu dem ersten Magnetfeld liegt, und ein starkes zweites Magnetfeld (Bp) in der Bewegungsbann des von der Elektronenkanone ausgesandten Elektronenstromes.

   5. Generator nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch ein mit einer

   elektrisch leitenden inneren Oberfläche (12) versehenes Rohr (9),

   durch das der Elektronenstrom hindurchfüh^bar ist und das in dem zweiten Magnetfeld (Bp) angeordnet ist.

   9 0 9 8 14/06 59

   fa. Generator nach Anspruch !?, gekennzeichnet durch zumindest ein quer zu dem Rohr angeordnetes reflektierendes Organ (ti), das außerhalb des Rohres (9) liegt.

   7. Generator nach Anspruch 4, 5 oder 6, gekennzeichnet durch ein supraleitendes Solenoid (28) .zur Schaffung des zweiten Magnetfeldes. '

   90 98U/0659