DE1491455A1 - Anordnung zur Umwandlung von Mikrowellenenergie in elektrische Gleichstromenergie mit einer Elektronenstrahlroehre - Google Patents

Description

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Anordnung sur Umwandlung von Mikrowellenenergie in
elelctrißche Gleichstromenergie mit einer Elektronenstrahlröhre

Me Erfindung "betrifft eine Anordnung zur Umwandlung
von liikrowellenenergie in elektrische Gleichstromenergie

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mit einer Elektronenstrahlröhre, welche einen Koppelteil zur Einkopplung der Mikrowellenenergie auf den Elektronenstrahl und eine Einrichtung zum Abbremsen des mit der Mikrowellenenergie beaufschlagten Elektronenstrahls enthält.

Seit einiger Zeit wird an dem Problem gearbeitet, eine drahtlose Energieübertragung mit Hilfe von Mikrowellen zu erzielen. Die drahtlose Übertragung großer Leistungen ist insbesondere für die Energieversorgung von Flugkörpern von wesentlicher Bedeutung. Weiterhin kann eine Energieübertragung mittels Mikrowellen auch auf der Erde über große Strecken bedeutungsvoll werden.

Bei den bisher bekannten Versuchen, große Leistungen mit Hilfe von Mikrowellen zu übertragen, hat man unter anderem zur Gleichrichtung der Mikrowellenenergie eine elektrostatisch fokussierte Klystronröhre benutzt. Dabei wird der Elektronenstrahl des Klystrons mit der Mikrowellenenergie moduliert und anschließend durch Abbremsen des Elektronenstrahls ein Teil der Mikrowellenleistung in Gleichenergie umgewandelt. Ein geschwindigkeitsmodulierter Elektronenstrahl, wie er bekanntlich in Klystrons auftritt, weist allerdings eine, longitudinale Geschwindigkeitsverteilung auf·, so daß dadurch der Wirkungegrad fter Umwandlung von Mikrowellenenergie

in Gleichenergie von vornherein begrenzt ist.

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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur Umwandlung von Mikrowellenenergie in Glcichenergie mit Hilfe einer Elektronenstrahlröhre zu schaffen, deren Wirkungsgrad nicht durch eine longitudinale Geschwindigkeitsverteilung der Strahlelektronen beschränkt ist. Zur lösung dieser Aufgabe v/ird bei einer Anordnung der eingangs erwähnten Art nach der Erfindung vorgeschlagen, daß der Koppelteil der Elektronenstrahlröhre als ein Koppler ausgebildet ist, in dem die Elektronen des Elektronenstrahls zusätzlich zu ihrer Bewegung in Elektronenstrahlrichtung eine radiale Ablenkung aus der Achse des unmodulierten Elektronenstrahls erfahren, wobei die Ablenkung des Elektronenstrahls in eine gleichmäßige Erhöhung der Triftgeschwindigkeit der Elektronen umgesetzt wird.

Eine erfindungsgemäße Anordnung hat den Vorteil, daß bei der Einkopplung der Mikrowellenenergie auf den Elektronenstrahl" in wesentlichen keine longitudinale (

Geschwindigkeitsverteilung eintritt. Die dem Elektronenstrahl erteilte Ablenkung aus der Strahlachse drückt sich .entweder unmittelbar in einer gleichmäßigen Erhöhung der Triftgeschwindigkeit der Elektronen aus oder wird in eine entsprechende Geschwindigkeitserhöhung umgesetzt. Dadurch können sämtliche Elektronen des Elektronenstrahls gleichmäßig abgebremst werden, . V ■

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oo daß die gesamte vom Strahl geführte Energie in Form von GleichotroinleiGtung zurückgewonnen wird. Der Wirkungograd der Anordnung hängt im wesentlichen nur von den Verlusten im Koppler ab und kann deshalb Werte von über 90^5 erreichen.

s.' Ein Elektronenstrahl, der in. einem zur Elektronenstrahlrichtung longitudinalen stationären homogenen Magnetfeld verläuft, wird bekanntlich mit sogenannten Transversalwellen moduliert, wenn ein transversal zur Elektronenstrahlachse gerichtetes Hochfrequenzfeld auf den Elektronenstrahl einwirkt. Die Elektronenstrahlröhre einer erfindungsgemäßen Anordnung kann mit derartigen Transversalwellen arbeiten, wobei zweckmäßig im Elektronenstrahl zunächst eine rasche Zyklotron- . welle erzeugt wird, die durch eine Umkehr der magnetischen Feldstärkerichtung in eine Synchronwelle umgewan-

« delt wird. .

Anstelle einer Modulation mit den bekannten .Transversalwellen kann die Elektronenstrahlröhre einer erfindungsgemäßen Anordnung auch rein elektrostatisch, also ohne Magnetfeld, betrieben werden. Hierzu ist es erforderlich, daß der Koppler für die Mikrowellenenergie so ausgebildet ist, daß die Elektronen deo Elektronenstrahls eine zusätzliche Energie in radialer'

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Richtung erhalten. Der Elektronenstrahl rotiert dann al3 Ganzes auf einem Kegelmantel. In diesem Fall muß dafür gesorgt werden, daß die Abbremsrichtung mit der Richtung der einzelnen, divergierenden Elektronen- . bahnen übereinstimmt. Dies läßt sich einfach dadurch erreichen, daß die Abbremselektrode eine zum ankommenden Strahl konkav gewölbte Fläche ist.

Anhand der in den Figuren der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele soll die Erfindung nachstehend "

naher erläutert werden: , · '

Die Figur 1 zeigt schematisch die Elektronenstrahlröhre einer-erfindungsgemäßen Anordnung, unter die in Figur 2 der Verlauf des Magnetfeldes gezeichnet ist, der sich längs der Röhrenachse erstrecken soll. Ein Elektronenstrahlerzeugungssystem, das von einer Kathode 1 und Fokussierungselektroden 2 gebildet ist, erzeugt einen Elektronenstrahl 3., Dieser Elektronen- . { strahl durchsetzt einen Koppelteil 4» der mit Hoch-, frequenzenergie HF beaufschlagt wird. Auf den Koppelteil 4 folgt eine Auffangelektrode 5. Die Auffangelektrode 5 ist mit einem Gitter 6 versehen, an dem der Elektronenstrahl abgebremst wird. Der Koppelteil 4 ist vorteilhaft ein sogenannter Cuccia-Koppler. Ein solcher besteht im einfachsten Fall aus zwei in

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Elektronenstrahlrichtung parallel zur Strahlachse sich erstreckenden Elektroden, denen die Hochfrequenzener-' gie HF so zugeführt wird, daß sich zwischen den genannten Elektroden ein linear polarisiertes transversales elektrisches Feld ausbildet. Die Frequenz der Hochfrequenzenergie soll dabei im wesentlichen der allgemein als Zyklotronfrequenz _t bezeichneten Uralauffrequenz der Elektronen in dem Magnetfeld B₃ (Figur 2) entsprechen, welches am Ort des Kopplera vorhanden ist. Der Cuccia-Koppler erzeugt dann in Elektronenstrahl eine Zyklotronwelle positiver Energie, was sich darin äußert, daß den Elektronen des Elektronenstrahls bei gleichbleibender Bewegung in Elektronenstrahlrichtung eine Rotationsenergie zugeführt wird, welche der eingekoppelten Mikrowellenenergie entspricht. Diese Zyklotronwelle _twird anschließend in eine schnelle Synchronwelle durch eine Richtungsumkehr des Magnetfeldes B_ umgewandelt.

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Diese Magnetfeldumkehr ist theoretisch an sich abrupt zu machen. Praktisch genügt eo jedoch, daß die Umkehrlänge klein gegenüber der Zyklotronwellenlänge 13t. Die Umwandlung.der Zyklotronwellenlänge in eine Synchronwelle bedeutet, daß die Rotatiohsenergie der _ >■■ Elektronen sich in eine Erhöhung der longitudinalen Geschwindigkeit der Elektronen umsetzt. (Dao Modell einer bynchronwelle ist bekanntlich ein Elektronenstrahl, dessen Elektronen geradeaus verlaufen und der

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alo Ganzes um seine Achse rotiert.) Am Gitter 6 der Auffangelcktrode 5 können somit die Elektronen de3 Elektronenstrahls gleichmäßig auf Null abgebremst werden, so daß die den Elektronenstrahl zugeführte Hochfrequenzenergie praktisch vollständig zusammen mit der dein Strahl in Strahlerzeuger erteilten Energie als gleichgerichtete Leistung ;an Widerstand 7 gewonnen wird.

Die Verwendung eines Cuccia-Kopplers hat den Vorteil, daß selbst dann keine wesentliche longitudinale Geschwindigkeitsverteilung in Elektronenstrahl auftritt, wenn dieser einen sehr großen Querschnitt hat. Andererseits besteht beim Cuccia-Koppler die strenge Beziehung , zwischen Signal- und Zyklotronfreqtienz. Wenn man mit einen geringeren Hagnetfeld auskommen möchte, kann anstelle des Cuccia-Kopplers jeder andere bekannte Transversalwellenkoppler verwendet werden. Insbesondere kommt al3 Kopplungsorgan für eine schnelle Zyklotronwelle ein . I Koppler in Frage, der ein transversal zur Elektronenstrahlachse gerichtetes hochfrequentes elektrisches Feld führt, das zirkulär polarisiert ist. Die zirkuläre Polarisation des elektrischen Wechselfeldes ist notwendig, um eine Zyklotronwelle nur mit positiver Energie zu erzielen. ' . ···■

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Die Figur 3 2eigt scheinatisch ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei der die Elektronenstrahlröhre ohne Magnetfeld arbeitet. Aufgrund der Abwesenheit des Magnetfeldes sind hier die Begriffe Zyklotron- und Synchronv/elle nicht verwendbar. Trotzdem laßt sich, ähnlich v/ie mit den bekannten Trarisversalwellenkopplern, erreichen, daß der Elektronenstrahl 3 mit Hochfrequenzenergie moduliert wird, ohne eine longitudinale Geschwind igke it svert eilung erteilt zu bekommen. Hierfür wird vorgeschlagen, daß der Koppelteil 4 zwei zueinander parallele Elektroden enthalt, denen die Hochfrequenzenergie in gleicher Weise wie beim "Cuccia- * Koppler zugeführt,wird und die in Elektronenstrahlrichtung fortlaufend go miteinander verdrillt sind, daß die Elektronen zusätzlich-zu ihrer Bewegung in Elektronenstrahlrichtung eine radiale Auslenkung aus der Strahlachse erfahren. Eine derartige Kopplung zwischen der Hochfrequenzenergie und dem Elektronenstrahl wirkt sich so aus, daß der Strahl als Ganzes auf einem Kegelmantel rotiert. Um die Energie der Elektronen in eine elektrische Gleichspannung umzuwandeln, ist es dann notwendig, daß die Abbremselektrode 5,6 eine zum ankommenden Strahl gewölbte Fläche bildet? beispielsweise ist beim dargestellten Ausführungsbeicpiel der Auffänger 5 und die Abbremsqlektrode 6 eine

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. Kugelßchale. Die Abbremselektrode 6 iot dabei so nah Wie möglich an den Koppelteil herangeführt, weil wegen der Abwesenheit einen magnetischen Führungsfeldes der Elektronenstrahl sich nach Verlassen deo Kopplero stark aufweitet. '

Pur den Koppelteil den in Figur 3 dargestellten Ausführungsbeispiels eignet sich vorteilhaft ein Gebilde, wie es in Figur 4 dargestellt ist. Es handelt sich dabei um einen Hohlleiter rechteckigen Querschnitts, der " in Elektronenstrählrichtung verdrillt ist. Die Verdrillung ist so zu wählen, daß die Elektronen eine ständige radiale Auslenkung aus der ßtrahlachse erfahren. Es müssen also wahrend einer halben Periode der Hochfrequenzschwingung, die dem Koppelteil zugeführt wird, die Elektronen eine Verdrillung von 180° durchlaufen. Der verdrillte Hohlleiter hat zweckmäßig Resonanzcharakter, wobei seine Länge etv/a eine halbe Wellenlänge der Hochfrequenzschwingung beträgt. Die Herstel- { lung des in Figur 4 gezeigten verdrillten Hohlleiters kann· beispielsweise dadurch erfolgen, daß man einen geraden Hohlleiter aus Kupfer mit Sand oder dergleichen füllt und danach schraubenförmig verdrillt. Eine weite- ^: : rc Herstellungsmethode kann darin bestehen, daß man einen Zinnstab rechteckigen Querschnitts schraubenförmig

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verdreht und dann in elektrolytischen Bad mit Kupfer bedeckt, worauf durch chemisches Herauslösen deo Zinndorns der Koppler erhalten wird. _v

6 Patentansprüche
4 Figuren

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Claims (6)

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   Pat entansprüche

   - Χ/, Anordnung, zur Umwandlung von Mikrowellenenergie

   in elektrische Gleichstromenergie mit einer Elektronenstrahlröhre,^ welche einen Koppelteil zur ... Einkopplung der Mikrowellenenergie auf den Elektronenstrahl und eine Einrichtung zum Abbremsen deo mit der Mikrowellenenergie beaufschlagten Elektronenstrahls enthält, dadurch gekennzeichnet, ' daß -der Koppelteil der Elektronenstrahlröhre alc ein Koppler ausgebildet ist, in dem die Elektronen , des Elektronenstrahls zusätzlich zu ihrer Bewegung in Elektronenstrahlrichtung eine radiale Ablenkung aus der Achse dea unmodulierten Elektronenstrahls erfahren, Wobei die Ablenkung .des Elektronenstrahls in der Röhre in eine gleichmäßige Erhöhung der Triftgeschwindigkeit der Elektronen umgesetzt wird.

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2. 2. Anordnung"nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Koppelteil der Elektronenstrahlröhre bei Anwesenheit eines longitudinal in Elektronenstrahl-. richtung verlaufenden homogenen Magnetfeldes ein Koppler für eine schnelle Zyklotronwelle ist, auf. * welchen eine Umkehr der magnetiechen Feldstärke-

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   richtung in der Weise folgt, daß die Zyklotronwelle sich in eine Synchronwelle umwandelt.'
3. 3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Zyklotronwellenkoppler ein Cuccia-Koppler mit Resonanzeigenschaft ist.
4. 4. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Zyklotronwellenkoppler aus einen Wellenleiter besteht, der ein transversal zur Elektronenstrahlachse gerichtetes elektrisches Feld führt, das zirkulär polarisiert ist.'
5. 5. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,- '■ daß die Elektronenstrahlröhre rein elektrostatisch arbeitet, wobei der Koppelteil zwei zueinander parallele in Elektronenstrahlrichtung fortlaufend miteinander verdrillte Elektroden enthält und die Abbremselektrode eine zum ankommenden Strahl konkav gewölbte Flüche, insbesondere öine Kugelschale, bildet.
6. 6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Koppelteil ein verdrillter Hohlleiter rechteckigen Querschnitts ist, 'hinter dem unmittel- , bar die Abbremselektrode angeordnet ist.

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