DE1591331A1 - Strahlungsquelle fuer Microwellen mit einer Gasentladungsroehre - Google Patents

Description

Abschrift

N.V. Philips'Gloeilampenfabrieken, Eindhoven/Holland

"Strahlungsquelle für Mikrowellen mit einer Gasentladungsröhre"

Die Erfindung bezieht sich auf eine Quelle inkohärenter Strahlung für Mikrowellen, bei der die in der positiven Säule einer Gasentladung erzeugte Mikrowellenstrahlung in einem Hohlleiter aufgefangen wird.

Eine derartige Strahlungsquelle ist beispielsweise bei spektroskopischer Untersuchung eines Stoffes verwendbar; dabei wird das Absorptionsvermögen des Stoffes bei bestimmten Frequenzen bestimmt. Im allgemeinen muß für eine Strahlungsquelle eine Anzahl Schwingungstypen und vorzugsweise eine möglichst große Anzahl Schwingungstypen im betreffenden Wellenlängenintervall verfügbar sein; wäre dies nicht der Fall, dann wäre die Energie für den betreffenden Zweck zu klein. Wenn die Strahlungsquelle jedoch derart bemessen ist, daß nur ein Schwingungstyp austreten kann, handelt es sich um eine besondere Strahlungsquelle, die gewöhnlich Rauschgenerator genannt wird. Ein Rauschgenerator wird beispielsweise beim Messen der Rauschzahl von Empfängern, beispielsweise Radarempfängern, und auch als Normalrauschquelle bei Untersuchungen auf dem Gebiete der PlasmaphyBik verwendet,

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Die positive Säule einer Gasentladung ist außerordentlich gut geeignet, weil die äquivalente Strahlungstemperatur hoch ist, und äußere Faktoren, wie die Größe des Entladungsströmes, die Heizspannung und die Umgebungstemperatur meistens wenig Einfluß auf die Strahlungstemperatur und auf die Anpassung ausüben. Die positive Säule kann im Mikrowellengebiet als schwarzer Körper mit einer sehr hohen äquivalenten Temperatur aufgefaßt werden, die der Elektronentemperatur der positiven Säule sehr nahekommt. Die Elektronentemperatur wird hauptsächlich durch das benutzte Gas bestimmt, wenigstens unter den Verhältnissen, wie man diese für die Säule einer Strahlungsquelle wählt, und ist umso höher, je leichter die Gasatome sind. Es wird eine, maximale Energie erhalten, wenn die positive Säule als schwarzer Körper wirksam ist. Dies ist der Fall, wenn umgekehrt diese positive Säule eine eingesandte Strahlung völlig absorbiert. Der Weg, den die eingesandte Strahlung in der positiven Säule zurücklegen muß, damit diese völlig absorbiert wird, ist abhängig vom Gas, aber es hat sich zugleich herausgestellt, daß er dem Quadrat der Wellenlänge ungefähr umgekehrt proportional ist. So ist beispielsweise in einem bestimmten Fall für eine Wellenlänge von 2 mm ein Weg von 4 bis 10 cm erforderlich, für eine Wellenlänge von 500 /um ein Weg von 64 bis 160 cm und für eine Wellenlänge von 100 /um ein Weg von 1600 bis 4000 cm. Es dürfte einleuchten, daß die praktische Verwirklichung davon Probleme herbeiführt, insbesondere wenn die Wellenlänge kleiner als 1 mm ist.

Die Erfindung vermeidet diese Probleme und schafft dafür eine Lösung. Nach der Erfindung ist im Strahlungsweg mindestens eine für die Mikrowellenstrahlung spiegelnde Vorrichtung vorhanden. Die Strahlungsquelle ist derart ausgebildet, daß infolge der auftretenden Spiegelungen der in der positiven Säule von der Strahlung zurückgelegte Weg

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vergrößert wird. Für den optimalen Fall muß die optische Weglänge für die gewünschte Strahlung groß genug sein, um die positive Säule als schwarzer Körper wirken zu lassen. Als Spiegelwand ist die Zylinderwand des Wellenleiters verwendbar, wobei dann die Austrittsöffnung der Strahlungsquelle derart angeordnet sein muß, daß die austretende Strahlung gegen die Wand reflektiert wird.

Insbesondere ist in der positiven Säule der Gasentladung, deren Achse nahezu mit der Längsachse des Wellenleiters zusammenfällt, mindestens eine Vorrichtung angeordnet, die für die Gasentladung durchlässig und für die Mikrowellenstrahlung spiegelnd ist. In dieser Weise wird ein großes Wechselwirkungsgebiet erhalten. Um die Strahlungsquelle für ein großes Gebiet von Wellenlängen geeignet zu machen, sind dann zwei Vorrichtungen vorhanden, die in einigem Abstand" voneinander über einen Teil der Gasentladung innerhalb des Wellenleiters, und zwar kathodenseitig der Gasentladung liegen.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert, in denen die Fig. 1, 2, 3, 4 und 5 Längsschnitte durch Strahlungsquellen darstellen.

In Fig. 1 ist 1 ein kupferner Hohlleiter, der einen zentralen Teil 2 und Seitenteile 3 und 4 enthält. Der rechteckige Zentralteil 2 ist an beiden Seiten mit spiegelnden, senkrecht auf der Achse des Zentralteiles stehenden Metallschichten 5 und 6 abgeschlossen, über einen kleinen Teil der Spiegelschicht 6 ist außerdem eine Spiegelschicht 7 angebracht, die einen kleinen Winkel mit der Schicht 6 bildet. In den fluchtenden Seitenteilen 3 und 4 ist ein dünnwandiges Quarzglasröhrchen 8 angeordnet. Das dünnwandige Röhrchen geht in einen erweiterten Teil 9 über, in dem die Oxidkathode 10 der Gasentladung angeord-

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net ist. Auf der anderen Seite befindet sich die Anode 11 der Gasentladung. Im Hohlleiter ist ein Fenster 12 vorhanden, durch das die in der positiven Säule der Gasentladung erzeugte Strahlung heraustreten kann. In der Figur ist der Strahlungsweg 13 für die Strahlung parallel zur Richtung senkrecht auf der Spiegelschicht 7 dargestellt, wobei die Strahlung neunmal durch die Gasentladung geht.

In Fig. 2 ist 20 ein dünnwandiges Quarzglasröhrchen, das in einen erweiterten Teil 21 übergeht, der die Oxidkathode 22 der Gasentladung umfaßt. Auf der anderen Seite befindet sich die Anode 23 der Gasentladung. Das Röhrchen 20 ist in einem Metallzylinde.r 24, dessen Innenseite eine spiegelnde Oberfläche hat, angeordnet. Der Zylinder ist durch eine Öffnung enthaltende Wände 27 und 28 abgeschlossen. Die Zylinderwand ist mit einer öffnung 25 zum Auffangen der erzeugten Strahlung versehen. Wenn Strahlung unter einem vom rechten Winkel der Zylinderachse abweichenden Winkel aufgefangen wird, hat diese Strahlung die Gasentladung einige Male passiert. Je kleiner der Winkel mit der Richtung senkrecht zur Zylinderachse ist, umso öfter geht die Strahlung durch die Gasentladung und wird umso mehr einem idealen schwarzen Körper angenähert. Für eine bestimmte Richtung ist der Strahlungsweg 26 in der Figur dargestellt. Der Effekt wird noch vergrößert, wenn die Innenoberflächen der Wände 27 und 28 ebenfalls spiegelnd sind.

In Fig. 3 ist 30 ein dünnwandiges Quarzglasröhrchen, das in ein gläsernes, die Oxidkathode 32 der Gasentladung enthaldenes Außenrohr 31 übergeht. Um das Röhrchen befindet sich ein spiegelndes Metallrohr 33. Als Anode fungiert die Innenwand des Rohrs 33 bei 34 unmittelbar hinter dem Ende des Quarzglasröhrchens 30. Dazu ist in dem Glasrohr 31 eine nicht in diesem Querschnitt dargestellte Durch-

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führung vorhanden. Das Rohr 33 ist auf der einen Seite mit einem metallischen Hohlspiegel 35 abgeschlossen, der zum Durchlaß der erzeugten Strahlung mit einer öffnung versehen ist. An der Seite des anderen Endes des Rohrs 33 befindet sich im Röhrchen 30 ein metallischer Ring 37» auf dem eine für die Strahlung als Hohlspiegel wirksame Gaze 38 angeordnet ist. Die optischen Achsen der Hohlspiegel fallen mit der Achse des Rohrs 33 zusammen. An der Seite der Austrittsöffnung 36 ist das Glasrohr 31 mit einem Quarzfenster 39 abgeschlossen.

Da der Strahlengang in diesem Fall ziemlich verwickelt ist, ist dieser nicht dargestellt. Dieser folgt dem Umfang einer Art von Umdrehungskegel. Wenn die zwei Spiegel zu einem konfokalen System gehören, treten drei Reflexionen an den Hohlspiegeln auf, und die Strahlung geht abhängig von der Anzahl Reflexionen am Rohr 33 mindestens viermal durch die positive Säule. Als Beispiel sei noch erwähnt, daß für eine Strahlungsquelle mit einer Wellenlänge von 500 /um der Gesamtstrahlungsweg ungefähr 100 cm betragen muß. Mit einem konfokalen System kann man dies mit einer Entladung von ungefähr 35 cm und Spiegeln mit einer Brennweite von ungefähr 15 cm verwirklichen. In einem bestimmten Fall betrug der Durchmesser der Spiegel 18 mm.

In Fig. 4 ist ein kreisrunder kupferner Hohlleiter 40 auf einer Seite mit einem Glimmerfenster 41 abgeschlossen und dort mit einem Flansch 42 zur Verbindung mit einem nicht dargestellten Wellenleiter versehen. Im Hohlleiter 40 ist ein dünnwandiges Quarzglasröhrchen 43 angeordnet. Das dünnwandige Röhrchen geht in ein Glasrohr 46 über, das die Oxidkathode 44 der Gasentladung enthält. Als Anode fungiert die Innenwand des Hohlleiters bei 45» unmittelb r hinter dem Ende des Quarzglasröhrchens. Das Rohr 46 Ist mit dem Flansch 42 ver-

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schmolzen. Nahezu am Ende des Quarzröhrchens und am Ende des Hohlleiters befindet sich im Quarzröhrchen isolierte Gaze 47 und 48, die je auf einer Büchse 49 bzw. 50 angeordnet sind. Die positive Säule befindet sich im Quarzglasröhrchen,und die Gasentladung geht ungehindert durch die Gaze. Die kathodenseitig liegende Gaze 48 ist derart bemessen, daß dort für jede Wellenlänge im gewünschten Strahlungsgebiet nahezu Totalreflexion auftritt. Die Gaze 47 läßt die Strahlung noch einigermaßen durch. Der Hohlleiterteil zwischen der Gaze 47 und 48 bildet in dieser Weise eine Art Resonator: die Strahlung geht einige Male zwischen den Gazestücken 47 und 48 hin und her. Ausgehend von der Tatsache, daß die Dissipationsverluste in.der Gaze und dem Hohlleiter gering sind, kann dann einerseits bewiesen werden, daß für Resonanz folgendes gelten muß: β 1 + ψ = 0, wobei /3 die Phasenkonstante der Welle ist, 1 der doppelte Abstand zwischen den Gazestücken 47 und 48 und ψ die Phasendrehung, die eine Welle erfährt, wenn sie durch die Gaze 47 geht. Wenn der Abstand zwischen den Gazestücken einem großen Vielfachen der Wellenlänge entspricht, kann die Resonanzbedingung über ein Gebiet von Wellenlängen dadurch erfüllt werden, daß der Entladungsstrom in der Größenordnung von Prozenten geändert wird. Die Strahlungsquelle kann also elektrisch verstimmt werden. Andererseits kann bewiesen werden, daß, falls die Strahlungsquelle dieser Wellenlänge ein schwarzer Körper sein muß, die folgende Gleichung erfüllt werden muß: 5* = ^e »in der $ der Modul des Reflexionskoeffizienten der Gaze 47 ist, und oc die Dämpfungskonstante einer eingesandten Welle dieser Wellenlänge, Zur Erfüllung dieser Bedinungen muß man berücksichtigen, daß die ßämpfungskonstante cc dem Quadrat der Wellenlänge λ proportional ist, so daß der Modul J des Reflexionskoeffizienten in bestimmter Weise von der Wellenlänge λ abhängen muß. Dies kann in verschiedener Weise geschehen.

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Wenn die Strahlungsquelle linear polarisierte Strahlung liefern soll, wird anstelle der Gaze 47 ein Raster verwendet, dessen Steigung kleiner ist als ungefähr ein Drittel der Wellenlänge. Wenn die Strahlung eine Wellenlänge von 50 /um oder mehr hat» kann dies mit einer Steigung von 10 /um bei einer Drahtstärke von 5 /um oder weniger verwirklicht werden. Durch Drehung des Rasters gegenüber der Polarisationsrichtung kann jeder gewünschte Wert von S eingestellt werden, was durch Drehung der ganzen Röhre erfolgt.

Wenn die Strahlung nicht linear polarisiert sein muß, könnte die Gaze 47 durch zwei gegenüber einander verschiebbare Einzelgazestücke ersetzt werden. Wenn die Verschiebung in axialer Richtung erfolgt, muß für jede der Gazestücke der Modul des Reflexionskoeffizienten nahezu 1 sein; die Gazestücke bilden dann einen umformenden Hohlraumresonator. Wenn die Verschiebung in transversaler Richtung erfolgt, muß der Modul des Reflexionskoeffizienten nicht groß sein; durch die Verschiebung überblenden die Gazestücke in diesem Fall eine der anderen Öffnungen.

Eine andere Ausführung einer einstellbaren, nicht linear polarisierten Strahlungsquelle ist in Fig. 5 dargestellt. Abgesehen von der Stelle der auf der Seite des Glimmerfensters liegenden Gaze, entspricht der Bau dem nach Fig. 4, und deswegen sind die gleichen Bezugsziffern verwendet. Die auf der Seite des Glimmerfensters liegende, auf einer Büchse 52 montierte Gaze 51 befindet sich in gewisser Entfernung vom Ende 53 des Quarzröhrchens 43. Die Reflexion der Gaze 51 wird ebenso groß wie oder fast kleiner gewählt als mit der kürzesten Wellenlänge und der dazu gehörenden Dämpfung einer eingesandten Welle übereinstimmt. Die Gasentladung zwischen der Gaze 51 und dem Ende 53

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gleicht dann bei größeren Wellenlängen völlig oder teilweise einem zu großen Wert des Moduls des Reflexionskoeffizienten aus, w<3il die Dämpfung über diesen Teil e~" ist, wobei 1 in diesem Fall der doppelte Abstand zwischen der Gaze 51 und dem Ende 53 ist. Falls der Abstand zwischen den Gazen 48 lind 51 einem Vielfachen der Wellenlänge entspricht, kann widder die Resonanzbedingung über ein Gebiet Von Wellenlängen erfüllt werden, indem der Entladungsstrom in der Größenordnung von Prozenten geändert wird. Da der Teil zwischen den Gazen 48 und 51 einen Beitrag für kürzere Wellenlängen und der Teil zwischen der Gaze 51 und dem Ende 53 einen Beitrag für längere Wellenlängen liefert, ist dies3 Strahlungsquelle für ein großes Gebiet von Wellenlängen geeignet.

Patentansprüche; - 9 -

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Claims (2)

Patentansprüche:

1. Eine Quelle inkohärenter Strahlung für Mikrowellen, bei der die in der positiven Säule einer Gasentladung erzeugte Mikrowellenstrahlung in einem Hohlleiter aufgefangen wird, dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlungsweg mindestens eine für die Mikrowellenstrahlung spiegelnde Vorrichtung vorhanden ist.

2. Strahlungsquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der positiven Säule der Gasentladung, deren Achsen nahezu mit der Längsachse des Wellenleiters zusammenfällt, mindestens eine Vorrichtung angeordnet ist, die für die Gasentladung durchlässig und für die Mikrowellenstrahlung spiegelnd ist.

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