DE68907048T2 - Verbesserte plasmawellen-röhre. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Plasmawellenröhre, und bezieht sich insbesondere auf Systeme zur Erzeugung und Ausbreitung elektromagnetischer Strahlung von Mikrowellen bis Millimeterwellen entlang eines Wellenleiters als Ergebnis der nicht-linearen Kopplung von elektronenstrahl-angetriebenen, elektrostatischen Plasmawellen innerhalb des Wellenleiters.
• Aus IEEE International Conference on Plasma Science, Conference Record-Abstracts, 19.-21. Mai 1986, Saskatoon, IEEE (New York, V.S.A.), Seiten 68-89, Zusammenfassung Nr. 4 E5 ist die Erzeugung von Millimeterwellen durch Dreiwellen- Plasmamischen bekannt. Dreiwellen-Plasmamischen ist ein kollektives Phänomen, durch welches elektronenstrahlangetriebene elektrostatische Plasmaschwingungen nicht-linear an ein elektromagnetisches Strahlungsfeld gekoppelt sind. In einem plasmagefüllten kreisförmigen Wellenleiter verwendet man zwei in Gegenrichtung eingeführte Elektronenstrahlen, um gegenläufig strömende Elektronenplasmawellen (EPW, d.h. Electron Plasma Waves) anzutreiben. Die nicht-lineare Kopplung dieser Wellen erzeugt eine elektromagnetische Wellenleitungsmode, die mit der zweifachen Frequenz des Plasmas schwingt. Zwei Kaltkathoden-Elektronenkanonen werden benutzt, um gegenläufig strömende Elektronenstrahlen bei Spannung und Strom von bis zu 90 kV und 6,5 A in den Wellenleiter einzuführen. Unabhängige Regelung von Wellenleiterplasma, Strahlspannung und Strahlstrom ermöglicht eine sorgfältige parametrische Untersuchung der Dreiwellen-Mischphy sik unter Verwendung dieses experimentellen Ansatzes.
• Es wäre höchst wünschenswert, in einem einfachen, kostengünstigen und kompakten Gehäuse breitbandige Mikrowellen- bis Millimeterstrahlung im mittleren Leistungsbereich (Kilowatt) mit der Fähigkeit zu schnellem Frequenzhoppen und -chirpen über mehrere Frequenzoktaven hinweg erzeugen zu können. Es wäre auch sehr wichtig, eine Einrichtung dieser Art leichtgewichtig zu halten, da sie als kompakter Breitbandübermittlungsmechanismus für Störsendungen in der elektronischen Kriegsführung verschiedenartige Anwendungen fände. Bisher wurden jedoch keine Einrichtungen entwickelt, welche diese Funktionen in zufriedenstellender Weise und mit guter Wirksamkeit zur Verfügung stellen können.
• Es existieren verschiedene Einrichtungen, welche für diese Anwendung in Betracht kommen könnten, es gibt aber gewichtige Einschränkungen bei allen von ihnen. Dazu gehören Langsamwellen-Einrichtungen wie Wanderfeldröhren, Rückwärtswellenoszillatoren, Magnetrons (Magnetfeldröhren) und Klystrons; Schnellwellen-Einrichtungen wie Gyrotrone und Freie- Elektronen-Laser; und Halbleiterbauelemente wie Gunn- und INPATT-Oszillatoren. Die Langsamwellen-Einrichtungen bringen zu wenig Millimeterwellenleistung, die Schnellwellen-Einrichtungen benötigen sehr hohe Spannungen und starke Magnetfelder und können nicht kompakt verpackt werden, während die Halbleiterbauelemente enge Bandbreiten und niedrige Leistungen zur Verfügung stellen.
• Eine andere Art von Einrichtung, beschrieben in I. Alexeff und F. Dyer, Phys. Rev. Lett. 45, 351 (1980), wird als der Orbitron-Maser bezeichnet. Nach Angaben der Autoren werden Elektronen von der Innenfläche eines Zylinders durch Glimmentladung emittiert und in Umlaufkreisen um einen dünnen Draht eingefangen, welcher entlang der Achse eines Zylinders verläuft und relativ zum Zylinder eine positive Spannungsladung aufweist. Die Elektronen treiben eine negative Masseninstabilität, was in Elektronenbündelung resultiert. Dies wiederum bringt eine Raumladungswelle hervor, die sich an einen elektromagnetischen Wellenleitermodus ankoppelt. Der Orbitron-Maser erfordert jedoch äußerst zerbrechliche Drahtelektroden bei Millimeterwellenfrequenzen und hat eine zu niedrige Wirksamkeit (in der Größenordnung von ca. 10&supmin;&sup6;) für praktische Anwendungen.
• Es wurde früher festgestellt, daß die Einführung eines leistungsstarken Elektronenstrahls in ein hochverdichtetes Plasma eine Elektronenplasmawelle mit einer Phasengeschwin digkeit erregt, welche geringer ist als die Strahlgeschwindigkeit. Die Elektronenplasmawelle ist eine elektrostatische Welle, die mit einer Frequenz schwingt, welche von der Plasmadichte bestimmt wird. Die Möglichkeit, die Wechselwirkung von Strahl und Plasma anzuwenden, um elektromagnetische Strahlung zu erzeugen, wurde erkannt, als die Erregung von Plasmawellen durch die Zweistrominstabilität erstmals entdeckt wurde. Das Problem, wie man die HF-Energie aus dem Plasma auskoppelt, verhinderte jedoch die Entwicklung praktischer Quellen oder Verstärker auf der Basis dieser Wechselwirkung. Das Kopplungsproblem hat seine Ursache in der Tatsache, daß die HF-Energie in einer Elektronenplasmawelle gespeichert ist, die rein elektrostatisch und im Plasma gefangen ist. Wenn das Plasma gleichförmig ist, beschleunigt das elektrische Feld jeden halben Wellenzyklus die gleiche Anzahl von Elektronen mit alternierender Phase, so daß kein Nettoquellenstrom angetrieben wird, der sich an eine elektromagnetische Welle koppeln könnte (elektrisches Feld und Dichtefluktuationen sind um 90º phasenverschoben).
• In der jüngsten Vergangenheit haben experimentelle Beobachtungen und Fortschritte in der Plasmatheorie jedoch gezeigt, daß physikalische Mechanismen existieren, welche die Umwandlung von elektrostatischen Wellen in elektromagnetische Wellen innerhalb des Plasmas ermöglichen, sowie die direkte Abstrahlung dieser Wellen, wobei das Plasma als Antenne fungiert. Diese Vorgänge erfordern es, daß die Elektronenplasmawellen mit einem Dichtegradienten oder anderen Plasmawellen in nicht-linearer Wechselwirkung von Welle und Welle zusammenwirken, um den Impuls zu bewahren. Die letztere Wechselwirkung wird oft als Dreiwellenmischung bezeichnet, da sie die Kopplung von zwei elektrostatischen Plasmawellen erfordert, um eine elektromagnetische Welle zu erzeugen. Solche Mechanismen wurden ursprünglich vorgeschlagen, um die stoßweise Strahlenaussendung von Sonneneruptionen (Bursts) zu erklären. Nachweise für Plasmastrahlung aufgrund dieser Vorgänge wurden im Labor beobachtet. Es wurde jedoch bisher kein Weg gefunden, dieses Phänomen in einer praktisch anwendbaren Vorrichtung mit praktischer Wirksamkeit von mehr als 10&supmin;&sup4; auszunützen.
• Eine parallele Patentanmeldung mit dem Titel "Plasmawellenröhre und Verfahren" wurde gleichzeitig mit der vorliegenden Anmeldung von Robert W. Schumacher, einem der vorliegenden Erfinder, eingereicht und auf Hughes Aircraft Company übertragen, der Anmelderin der vorliegenden Erfindung. Diese parallele Anmeldung beschreibt eine Plasmawellenröhre und ein damit in Verbindung stehendes Betriebsverfahren, welche viele der Probleme früherer Einrichtungen lösen können. Ein Paar Kaltkathoden-Elektronenstrahlgeneratoren werden verwendet, um sich gegenläufig fortpflanzende Elektronenstrahlen in ein ionisierbares Gas in einem Wellenleitergehäuse zu entladen. Eine Spannung innerhalb des ungefähren Bereichs von 4 - 20 kV relativ zum Wellenleitergehäuse wird an die Kathoden angelegt, um Elektronenstrahlen mit Stromdichten von mindestens etwa 1 A/cm² zu erzeugen. Die Strahlen bilden ein Plasma in dem Gas und koppeln mit dem Plasma, um Elektronenplasmawellen hervorzurufen, welche nicht-linear gekoppelt sind und dadurch elektromagnetische Energie im Mikrowellen- bis Millimeterwellenbereich abstrahlen. Im Wellenleiter wird zwischen den Kathoden ein magnetisches Feld aufgebaut, um das Plasma zu begrenzen und die Strahlungsentladungsimpedanz zu steuern. Der Gasdruck wird im ungefähren Bereich von 0,13 - 13 Pa (1 - 100 mTorr) gehalten, vorzugsweise ca. 1,3 - 4 Pa (10 - 30 mTorr), um Plasmainstabilitäten zu dämpfen und die Strahlspannungen aufrechtzuerhalten, während das Magnetfeld im Bereich von ca. 0,01 - 0,05 T (100 - 500 Gauss) liegt. Ein sehr schneller Frequenzanstieg (slewing), oder -zwitschern (chirping) wird mit einem relativ starken Magnetfeld erzielt, das den Entladungswiderstand auf das untere Ende des erlaubbaren Bereichs reduziert. Frequenzstabilisierter Betrieb wird mit einem schwächeren Magnetfeld erzielt, das den Entladungswiderstand erhöht, so daß sich der Strahlstrom im Lauf der Zeit sehr langsam verändert. Die Wirksamkeit dieser Vorrichtung ist jedoch nicht optimal.
• Hierauf bezogene Zusammenfassungen wurden auch von Robert W. Schumacher veröffentlicht, einem der vorliegenden Anmelder, "Millimeterwellenerzeugung mittels Plasmadreiwegmischung", in Zusammenhang mit dem 27. Jährlichen Treffen der Abteilung für Plasmaphysik, 4. - 8. November 1985, und von den Erfindern Robert W. Schumacher und Joseph Santoru, "Millimeterwellenerzeugung mittels Dreiwellen-Plasmamischen", in Zusammenhang mit dem 28. jährlichen Treffen der Abteilung für Plasmaphysik, 3. - 7. November 1986. Diese Zusammenfassungen erörtern beide die Mikrowellenerzeugung mittles Plasmadreiwellenmischens. Der in den Zusammenfassungen beschriebene Ansatz behandelt die Verwendung eines mit einem ruhenden, hochdichten Plasma geladenen kreisförmigen Wellenleiters. Hochenergetische Elektronenstrahlen geringer als oder gleich 90 kV wurden von entgegengesetzten Enden in den Wellenleiter eingeführt, um gegenläufig strömende, elektrostatische Plasmawellen zu erregen. Wenn die Bedingungen für die Energieund Impulserhaltung erfüllt waren, koppelten die elektrostatischen Plasmawellen nicht-linear in eine elektromagnetische Wellenleitermode mit der doppelten Frequenz derjenigen des Plasmas. Die Skalierung der Plasmafrequenz wurde von 7 bis 60 GHz beobachtet, wenn der Wellenleiterentladungsstrom von 15 bis 800 A variiert wurde. Die Spitzenleistung der elektromagnetischen Wellen (0,1 bis 8 kW) erhöhte sich nicht-linear mit dem Strahlstrom, und die Leistungshüllkurve war stark moduliert in der Art von zufälligen Stößen.
• Angesichts der oben genannten Einschränkungen ermöglicht die vorliegende Erfindung, eine Vorrichtung zu schaffen für die Erzeugung von elektromagnetischer Wellenleiterstrahlung im Mikrowellen- bis Millimeterwellenbereich in einem einfachen, kostengünstigen, leichtgewichtigen und kompakten Gehäuse, und mit der Möglichkeit schnellen Frequenzspringens und - zwitscherns. Dieses Ziel wird erreicht durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1.
• In der verbesserten Plasmawellenröhre gemäß Anspruch 1 werden Elektronenstrahlen und ein Wellenleiterplasma separat erzeugt, um eine optimale Steuerung von Frequenz und Leistung zu ermöglichen. Keine Magnetfelder werden verwendet, wodurch die Röhre vereinfacht und das Volumen und Gewicht von Dauer- oder Elektromagneten abgeschafft werden. Das Plasma im Wellenleiter wird von einer Kaltkathodenentladung erzeugt, die zwischen dem als Kathodenelektrode dienenden Wellenleiter und einer Anordnung von Feindrahtanoden, welche sich innerhalb der Wellenleiterstruktur befinden, ausgelöst wird. Sich gegenläufig fortpflanzende Strahlen werden durch das Plasma geleitet, das in einem Gas erzeugt wird, welches den Wellenleiter mit einem Druck von ca. 0,13 - 13 Pa (1 - 100 mTorr) füllt. Die Elektronenstrahlen werden von Kaltkathoden-, sekundären Elektronenemissionskanonen erzeugt. Die Elektronenemission von den Oberflächen der Kaltkathoden wird angeregt, indem die Oberfläche mit hochenergetischen Ionen beschossen wird, welche über die Hochspannungslücke der Elektronenkanone beschleunigt werden. Diese Ionen können von dem Wellenleiterplasma selbst zur Verfügung gestellt werden, oder in der bevorzugten Ausführung werden separate Drahtanoden-Entladungskammern vor jeder Elektronenkanonenkathode positioniert, um eine unabhängig regulierbare Ionenquelle zur Verfügung zu stellen, und dadurch die Variation des Elektronenstrahlstroms unabhängig von der Plasmadichte in dem Wellenleiter zu ermöglichen.
• Die Frequenzvariation wird durch Variation der Plasmadichte innerhalb des Wellenleitergehäuses über den Drahtanodenentladungsstrom erreicht, unabhängig von den Elektronenstrahlgeneratoren. Die Leistung der emittierten elektromagnetischen Strahlung kann durch Regelung der Spannungs- und/oder Stromstärkenpegel der Elektronenstrahlen reguliert werden.
• Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
• Weitere Einzelheiten, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnung.
• Es zeigt:
• Fig. 1 eine Schnittansicht einer gemäß der vorliegenden Erfindung konstruierten Plasmawellenröhre;
• Fig. 2 eine Schnittansicht, welche die rechtwinklige Wellenleiterkonfiguration der Plasmawellenröhre aus Fig. 1 zeigt;
• Fig. 3 eine mit einem elektrischen Schema kombinierte Schnittansicht einer bevorzugten Ausführungsform einer Plasmawellenröhre;
• Fig. 4 (a) und 4(b) Oszillogramme der Elektronenstrahlströme und des Plasmaentladungsstroms und Ka-Frequenzbandemission, welche die Abhängigkeit des Funktionierens der Plasmawellenröhre von den Strahlströmen veranschaulicht;
• Fig. 5 eine Schnittansicht einer Ausführungsform der Plasmawellenröhre bei einer Verwendung als Verstärker;
• Fig. 6 eine Schnittansicht einer kreisförmigen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wellenleiters;
• Fig. 7 eine Kurve, welche die Abhängigkeit einer emittierten elektromagnetischen Strahlung von der Überlappung eines Paars von Elektronenstrahlen innerhalb des Plasmas veranschaulicht;
• Fig. 8 eine Kurve, welche die Abhängigkeit der Ausgangsfrequenz vom Plasmaentladungsstrom veranschaulicht;
• Fig. 9 eine Kurve, welche die Abhängigkeit der Ausgangsleistung von der Elektronenstrahlspannung veranschaulicht; und
• Fig. 10 eine Kurve, welche die Abhängigkeit der Ausgangsleistung vom Elektronenstrahlstrom veranschaulicht.
• Eine Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 1 dargestellt. Die in der Erfindung verwendete grundlegende Technik ist es, ein Wasserstoff- oder Edelgas in einem Wellenleitergehäuse 2 vorzugsweise mittels Entladung eines Draht-Ionenen-Plasmas (WIP = wire-ion-plasma) an eine Anordnung von Feindrahtanoden 4 zu ionisieren, und ein Paar von sich gegenläufig fortpflanzenden Elektronenstrahlen 6, 8 in das innerhalb des Wellenleiters 2 eingeschränkten resultierenden Plasmas einzuführen. Plasma wird innerhalb des Wellenleiters erzeugt mit Hilfe einer Kaltkathodenentladung, welche zwischen dem Wellenleiter 2, welcher als Kathodenelektrode für diesen Zweck dient, und den Feindrahtanoden 4 ausgelöst wird. Unter den richtigen Bedingungen kreuzkoppeln die zwei Elektronenstrahlen mit dem Plasma und erregen so ein Paar von gegenläufig parallelen Elektronenplasmawellen, bei denen es sich um elektrostatische Wellen handelt, welche mit einer von der Plasmadichte bestimmten Frequenz schwingen. Da sich herausstellt, daß die Wellenzahlen der zwei Elektronenplasmawellen übereinstimmen, werden die Plasmaelektronen in Phase gebündelt, und eine nicht-lineare Netto-Plasmastromdichte wird erzeugt. Als Folge der Wellen-energieerhaltung schwingt dieser Strom mit der zweifachen Plasmafrequenz. Der schwingende Strom strahlt eine elektromagnetische Welle aus, wobei der Vektor des elektrischen Feldes 10 entlang der Strahlrichtung polarisiert ist, und die Richtung 12 der elektromagnetischen Fortpflanzung allgemein in Querrichtung zu den Strahlen verläuft.
• Kaltkathoden-Elektronenkanonen werden eingesetzt, um die Strahlen zu erzeugen. Es stellte sich heraus, daß dadurch verschiedene Probleme beseitigt werden, welche mit herkömmlichen Glühkathoden (oder thermionischen Heißkathodenvorrichtungen) verbunden sind, wie etwa die Notwendigkeit eines Heizelements für die begleitenden Temperaturen von ca. 1000ºC, das Erfordernis eines sehr hohen Vakuums, und Unverträglichkeit mit den meisten Gasen und Plasmaentladungen. Die bevorzugte WIP-Entladungstechnik ist in der U.S. Patentschrift No. 4,025,818, "Wire Ion Plasma Electron Gun" (Drahtionenplasma-Elektronenkanone) beschrieben von Robert P. Giguere u.a. und übertragen auf Hughes Aircraft Company, Anmelderin der vorliegenden Erfindung. Die Erzeugung eines hochdichten Plasmas durch eine Drahtanodenentladung ist in einem Artikel von G. W. McClure, "Low-Pressure, Low Discharge" (Niederdruck- und Niederentladung) beschrieben, Applied Phvsics Letters, Vol. 2, Nr. 12, Seite 233 (1963).
• Die Kaltkathoden 14 und 16 werden in Innenkammern innerhalb von keramischen Isolierbuchsen 18 und 20 eingesetzt, welche wiederum ausgerichtet zueinander an gegenüberliegenden Seiten des Wellenleitergehäuses 2 angebracht sind. Plasma kann in dem Wellenleiter in die Kaltkathodenkammern durch jeweils Gitter 22 und 24 fließen. Elektronenemission von den inneren Kaltkathodenflächen 15 und 17 ist durch Beschuß dieser Flächen mit Hochenergieionen stimuliert, welche über die Hochspannungslücke zwischen den Kaltkathoden und ihre jeweiligen Gitter hinweg beschleunigt werden. Die Kaltkathoden 14 und 16 sind bevorzugt aus einem Metall konstruiert, welches nicht-magnetisch ist und hohe Leitfähigkeit, niedrige Austrittsarbeit und einen hohen Schmelzpunkt aufweist, insbesondere einem der hitzefesten Metalle. Molybdän oder Chrom ist bevorzugt, und auch rostfreier Stahl ist zufriedenstellend.
• Ein ionisierbares Gas wie etwa Wasserstoff, Helium, Neon oder Argon wird mit einem Druck in dem Bereich von ca. 0,13 - 13 Pa (1 - 100 mTorr), und vorzugsweise ca. 1,3 - 4 Pa (10 - 30 mTorr) in den Wellenleiter eingeführt. Dieser Druckbereich beseitigt das Problem nicht-linearer Instabilitäten, welche Energie aus den Plasmawellen entnehmen und sie mit sehr hoher Rate auf die Plasmapartikel übertragen. Man nimmt an, daß der in der Erfindung verwendete relativ hohe Druck diese Instabilitäten maßgeblich dämpft, wodurch sich hohe Leistungspegel und Wirksamkeiten ergeben. Wenn der Druck jedoch zu hoch ist, haben die Elektronenkanonen Schwierigkeiten, die erforderlichen, relativ hohen Spannungen aufrechtzuerhalten.
• Wenn die Elektronenstrahlspannungen auf oder über einem Schwellenpegel gehalten werden, sind die von den Hochenergiestrahlen angetriebenen Elektronenplasmawellen nicht-resonant mit den Hintergrundplasmaelektronen, und intensive Elektronenplasmawellenfelder können in der Entladungssäule aufrechterhalten werden. Maßgebliche Elektronenplasmawellenleistung kann somit mit den elektromagnetischen Strahlungsfeldern gekoppelt werden.
• Das Wellenleitergehäuse ist vorzugsweise an einem Ende durch eine Wand 26 in der allgemeinen Nachbarschaft der Kathoden 14, 16 verschlossen. Auf die rechte Seite des Wellenleiters gerichtete elektromagnetische Strahlung wird somit von der Wand 26 zurückreflektiert und verstärkt dadurch die sich nach links bewegende Ausgangsstrahlung.
• Der Wellenleiter kann mit einer turbomolekularen Pumpe durch eine Anordnung von Mikroperforationen in der Wellenleiterwand (nicht näher dargestellt) evakuiert, und Wasserstoffgas eingeführt werden, um den Druck innerhalb des Wellenleiters auf innerhalb des Bereichs von 1,3 - 4 Pa (10 - 30 mTorr) unter Verwendung eines Gasflaschenreservoirs und einer Leckventilanordnung erhöht werden. In einer bevorzugten Ausführungsform wird keine Pumpe verwendet, stattdessen wird der Gasdruck mit einem ZrH&sub2;-Gasreservoir reguliert, welches an der Außenseite der Endwand 26 angebracht ist. Ein Innenspiralen-Heizelement 30 in dem Reservoir wird durch einen entlang Eingangs-/Ausgangsleitungsdrähten 32 fließenden Strom aufgeheizt und gibt Wasserstoff durch die Perforationen 34 in den Wellenleiter ab. Elektromagnetische Strahlung wird durch ein Quarzfenster aus dem Wellenleiter ausgekoppelt, welches an einem Ausgangsflansch 38 an dem Wellenleiter angebracht und mit einem O-Ring 40 abgedichtet ist. Ein Hornstrahler (hier nicht näher dargestellt) kann am Ende des Wellenleiters positioniert werden, um die Strahlung in einen bevorzugten Raumbereich zu richten.
• Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, welche ähnlich ist wie die Ausführungsform gemäß Fig. 1, bei der gemeinsame Elemente mit den gleichen Bezugszeichen benannt sind. In dieser Ausführungsform kommunizieren die Kaltkathoden 14 und 16 mit den separaten Entladungskammern 42 und 44 jeweils durch Gitter 46 und 48. Die Drahtanoden 50 und 52 erstrecken sich jeweils von den Vakuumdurchführungen 54 und 56 in die Kammern 42 und 44; die aus den negativen Hochspannungs-Kaltkathoden 14 und 16, ihren jeweiligen Isolatoren 18 und 20, und den den Ionenstrom zur Verfügung stellenden Drahtanoden-Entladungskammern 42 und 44 bestehenden Anordnungen stellen die WIP-Elektronenkanonen dar. Diese WIP-Elektronenkanonen bilden in ihren jeweiligen Kammern direkt ein Plasma, anstatt das Plasma aus dem Wellenleiter hereindiffundieren zu lassen. Sie bilden eine unabhängig steuerbare Ionenquelle und ermöglichen somit Variation der Elektronenstrahlströme unabhängig von der Plasmadichte innerhalb des Wellenleiters. Diese Ausführungsform ist allgemein bevorzugt, da sie eine größere Flexibilität des Betriebs zur Verfügung stellt.
• Eine Schaltung zur Steuerung des Plasmaentladungsstroms der WIP-Drahtanoden 4 im Inneren des Wellenleiters besteht aus einer Gleichstromquelle 58, welche mit einer die Widerstände R1, R2 und den Kondensator C1 aufweisenden RC-Schaltung verbunden ist. Der Ausgang wird von R2 über einen herkömmlichen Crossatronschalter 60 abgenommen und an die WIP-Elektronenkanonendrähte 4 geliefert. Der Schalter 60 wird ein- und ausgeschaltet, um eine Kette von Entladungsimpulsen zu erzeugen. Der Plasmaentladungsstrom kann durch Variation des Widerstandswerts von R2 und/oder den Ausgang der Leistungsquelle 58 variiert werden. Eine Keep-alive-Schaltung, welche eine Leistungsquelle 62 mit niedrigerer Spannung in Reihe mit dem Widerstand R3 aufweist, erhält eine Schwachstromentladung (1 mA) aufrecht, um eine On-command-"low"- litter-Zündung des Plasmas zu ermöglichen. Der Schaltkreis zur Steuerung des Plasmaentladungsstroms innerhalb der WIP- Elektronenkanonenkammern 42 und 44 ist im wesentlichen identisch mit dem Schaltungsaufbau, welcher den Plasmaentladungsstrom im Inneren des Wellenleiters steuert, und ist mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
• In Fig. 3 ist ferner ein Leistungsversorgungsschaltkreis für den Antrieb der Kaltkathoden 14, 16 gezeigt. Er besteht aus einer negativen Hochspannungsquelle 64, deren optimale Grö-e von den Dimensionen der durch die Widerstände R4 und R5 mit den Kaltkathoden 14 und 16 verbundenen Wellenleiters abhängt. Ein kleiner Kondensator C2 ist von der Verbindung von R4 und R5 an Masse gelegt.
• Beim Betrieb werden die Elektronenstrahlen und die Plasmaentladungsströme im allgemeinen gleichzeitig eingeschaltet. Die Abhängigkeit eines erfolgreichen Betriebs von der Erreichung von Schwellenstrahlströmen ist in Fig. 4(a) und 4(b) dargestellt. Beim Betrieb mit einer Wellenleiterdimension von 7,6 cm zwischen den Kathoden und einer Schwellenspannung von 15 kV (für die Plasmawellenröhre von Fig. 3) wurden die zwei Strahlströme anfangs mit gerade über 2 A hergestellt, wie es in 4(a) dargestellt ist, und dann zugelassen, daß sie allmählich abfallen. Der Plasmaentladungsstrom wurde, wie es in 4(b) gezeigt ist, bei etwa 160 A relativ stabil gehalten. Die Ka-Bandemission bei 35 GHz wurde über den Bereich von Strahlströmen gemessen. Eine maßgebliche Emission wurde bei dem anfänglichen Strahlstrom von gerade über 2 A hergestellt. Unterhalb dieser Schwelle verminderte sich die Emission jedoch rapide. Die Schwellenspannung für die 7,6 cm-Dimension stellte sich als etwa 15 kV heraus.
• Fig. 5 zeigt eine Variante, in welcher die Plasmawellenröhre als Verstärker eingesetzt wird. Der Aufbau ist ähnlich dem in Fig. 3, und die gleichen Bezugszeichen wurden verwendet, um gemeinsame Elemente zu bezeichnen. Der Unterschied besteht darin, daß die Endwand der Ausführungsform von Fig. 3 entfernt wurde, und daß ein kohärentes Mikrowellensignal von der Stelle der vormaligen Endwand in das Gehäuse gerichtet wird. Auf diese Weise kann ein phasenstarrer Ausgang produziert werden, um eine Verstärkerfunktion hervorzubringen.
• Mit Bezug auf Fig. 6 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung gezeigt, welche ein Wellenleitergehäuse 70 mit einem kreisförmigen Querschnitt, d.h. einen zylindrischen Wellenleiter, einsetzt. Elektronenstrahlen werden an gegenüberliegenden Enden des Wellenleiters durch Kaltkathoden-Sekundäremissionselektronenkanononen 72, 74 erzeugt, welche jeweils durch Buchsen 76, 78 geliefert werden. Ein Plasma wird durch die Drahtanoden-Entladungsanordnung 80 um die Peripherie des Wellenleiters hergestellt und diffundiert durch Perforationen in einem zylindrischen Gitter 82 in den inneren Wellenleiterbereich. Ein Plasma wird auch durch Drahtanodenentladung 84 und 86 jeweils durch benachbarte Kaltkathoden 72 und 74 erzeugt, so daß gegenläufige Elektronenstrahlen 88 und 90 in das Wellenleiterplasma gerichtet werden, um gegenläuf ige Elektronenplasmawellen anzutreiben, und nicht-linear mit diesen Wellen koppeln, um einen elektromagnetischen Wellenleitermodus mit der zweifachen Plasmafrequenz zu erzeugen. Die elektromagnetische Welle wird dann durch Ausgangswellenleiter 92 und 94 an beiden Enden des zylindrischen Wellenleiters ausgekoppelt.
• Das Vorhandensein eines Paars von gegenläufigen Elektronenstrahlen stellte sich als ein wesentliches Element der Erfindung heraus. Die Notwendigkeit für gleichzeitige Strahleinführung wurde durch Verzögerung der Einführung eines Strahls relativ zu dem anderen Strahl für die Ausführungsform von Fig. 6 demonstriert; die Betriebsbedingungen und Ergebnisse sind in Fig. 7 gezeigt. Bei einem im allgemeinen konstanten Plasmaentladungsstrom wurde keine Ausgangsstrahlung (bei 50 GHz) erzeugt, wenn nur der erste Strahl angewandt wurde. Eine Ausgangsstrahlung stellte sich jedoch rapid ab dem Zeitpunkt T1 ein, wenn der zweite Strahl angewandt wurde. Der erste Strahl wurde dann allmählich abgestellt, und die Ausgangsstrahlung brach während dieses Übergangs ab.
• Fig. 8 stellt die Art und Weise dar, auf welche die Ausgangsstrahlungsfrequenz durch Steuerung des Plasmaentladungsstroms von der Drahtanodenentladung gesteuert werden kann. Messungen wurden mit Strahlspannungen von 30 kV, einem Wellenleiterdruck von 3,2 Pa (24 mTorr), und 15 cm zwischen den Strahlquellen vorgenommen. Unter diesen Bedingungen wurde beobachtet, daß die Strahlungsfrequenz sich mit Quadratwurzel des Entladungsstroms verhält.
• Die Skalierung der Millimeterwellenleistung (30 GHz) mit der Elektronenstrahlspannung und dem -strom ist jeweils in den Fig. 9 und 10 dargestellt; die Beobachtungen wurden an einem 15 cm langen Wellenleiter wie in Fig. 6 vorgenommen. Fig. 9 stellt die Ausgangsleistungsskalierung mit gleichen Strahl spannungen bei Strahlströmen von 3,5 und 5,3 A dar. Maximale Leistungsausgänge wurden in der Umgebung von 30 kV beobachtet, wobei sich die Leistung sowohl bei den höheren als auch den niedrigeren Spannungen signifikant verringerte. Dieses Phänomen kann unter Berücksichtigung des Profils der von den Strahlen erregten Elektronenplasmawelle (EPW = "electron plasma wave") erklärt werden. Das hauptsächliche Erfordernis für Hochleistungsemission ist eine räumliche Überlappung der EPWs, so daß sie zusammenwirken und die Millimeterwellenstrahlung erzeugen können. Im allgemeinen nimmt die EPW-Amplitude zu, wird gesättigt und fällt dann entlang der Strahlrichtung ab. Bei zu niedriger Strahlspannung werden die EPWs gesättigt und fallen nahe den Enden des Wellenleiters ab, bevor sie zusammenwirken. Bei zu hoher Spannung erfordern die EPWs eine große Distanz, bevor sie zu groben Amplituden anwachsen können. Die unter diesen beiden Bedingungen erzeugte Strahlung ist geringer als diejenige, die man bei der optimalen Strahlspannung erhalten wurde. Bei der optimalen Spannung überlappen sich die EPWs nahe der Mittelebene des Wellenleiters, wo sie die größte Amplitude haben. Im allgemeinen sollten die Strahlspannungen auf ein Niveau von nicht mehr als 50 kV beschränkt werden.
• Die Skalierung der Ausgangsstrahlungsleistung mit dem Gesamtstrahlstrom (der Summe der tatsächlich eingeführten Strahlströme) ist für eine Demonstration in Fig. 10 angegeben. Drei unterschiedliche Betriebsbereiche wurden beobachtet. Zuerst gibt es einen scharfen Schwellenstrom, unterhalb dessen keine nachweisbare Leistung beobachtet wird. Als zweites steigt die Leistung schnell über zwei Größenordnungen an, sobald der Schwellenstrom (in diesem Falle 3 A) erreicht wird. Drittens krümmt sich die scharf ansteigende Kurve gerade oberhalb von 3 A um zu einer Leistungsskalierung, die ungefähr proportional ist zu dem mit dem Exponenten 6 erhöhten Strom.
• Man nimmt an, daß der Stromschwelleneffekt von der Elektronenstrahldynamik reguliert wird. Bei Gesamtstrahlstromwerten unterhalb von 3 A für die in Fig. 10 dargestellten Bedingungen ist der Strom in jedem Strahl unterhalb des Bennett-Einschnürungs-Stroms von 1,5 A. In diesem Regime ist der Strahlkanal breit, die Strahldichte gering, die Strahl- /Plasmagegenwirkung schwach, und die Millimeterwellenleistung ist unterhalb der nachweisbaren Schwelle. Sobald jedoch der Strom in jedem der Strahlen 1,5 A (insgesamt 3 A) erreicht, bricht der Strahl schnell zusammen, die Strahldichte steigt scharf an, die Anwachsrate der Strahl-Plasma- Instabilität verstärkt sich, und die Millimeterwellenstrahlung steigt plötzlich an. Sobald jeder Strahl vollständig mit dem Bennett-Gleichgewichtprofil eingeschnürt ist, steigt die Leistung langsamer an, und ein I&sup6;-Skalierung für den Strahlstrom wird bis zu etwa 5 A beobachtet.
• Eine signifikante Verbesserung der Wirksamkeit wurde beob-10&supmin;³-10&supmin;² und daßüber liegt. Diese verbesserte Wirksamkeit ist gekoppelt mit einer breiten Frequenz und Abstimmbarkeit der Ausgangsleistung, kompakter Verpackung, Betrieb mit niedriger Spannung und einfaches, widerstandsfähiges Design. Die Verwendung von zwei Elektronenstrahlen mit einem separaten Plasmabildungsmechanismus macht es möglich, Wechselwirkung der Strahlen mit dem Plasma über eine längere Strecke, und daher größere Wirksamkeit als in der oben angeführten, parallelen Patentanmeldung zu erreichen.

Claims (17)

1. Plasmawellenröhre mit

einem Wellenleitergehäuse (2; 70) mit einem ersten und einem zweiten Ende,

einer Vorrichtung zum Einführen eines ionisierbaren Gases in das Gehäuse (2; 70),

einer Mehrzahl von Drahtanoden (4), die sich in das Wellenleitergehäuse (2; 70) erstrecken, um darin aus ionisierbarem Gas ein Entladungsplasma zu bilden,

Mitteln zum Erzeugen von Elektronenstrahlen, die zueinander ausgerichtet an gegenüberliegenden Seiten auf dem Wellenleitergehäuse (2; 70) angebracht sind, um ein Paar von sich gegenläufig fortpflanzenden Elektronenstrahlen (6, 8; 88, 90) durch das Plasma im Inneren des Wellenleitergehäuses (2; 70) bei einer ausreichenden Spannung relativ zu dem Wellenleitergehäuse (2;70) herzustellen, und ein Paar von elektrostatischen Plasmawellen einzurichten, welche beidseitig koppeln, um im Inneren des Wellenleitergehäuses (2; 70) insbesondere in Querrichtung zu den Elektronenstrahlen (6, 8; 88, 90) elektromagnetische Strahlung zu emittieren, und

einem Ausgang an zumindest einem Ende des Wellenleitergehäuses (2; 70) zum Auskoppeln der elektromagnetischen Strahlung aus dem Wellenleitergehäuse (2; 70).

2. Plasmawellenröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Wellenleitergehäuse (2; 70) einen rechteckigen Querschnitt aufweist.

3. Plasmawellenröhre nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zur Steuerung der Plasmadichte und damit der Frequenz der emittierten elektromagnetischen Strahlung durch Steuern des Entladungsstromes von den Drahtanoden (4) unabhängig von den Mitteln zum Erzeugen von Elektronenstrahlen.

4. Plasmawellenröhre nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zur Steuerung der Leistung der emittierten elektromagnetischen Strahlung durch Steuerung der Spannung der Elektronenstrahlen (6, 8; 88, 90).

5. Plasmawellenröhre nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zur Steuerung der Leistung der emittierten elektromagnetischen Strahlung durch Steuerung des Stromes der Elektronenstrahlen (6, 8; 88, 90).

6. Plasmawellenröhre nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Erzeugen von Elektronenstrahlen ein Kaltkathoden-Drahtionenplasma-Entladungsmittel für jeden Strahl aufweisen.

7. Plasmawellenröhre nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Erzeugen von Elektronenstrahlen deren jeweilige Strahlen bei einer Spannung relativ zu dem Wellenleitergehäuse (2; 70) innerhalb des Bereichs von ungefähr 4 - 50 kV erzeugen.

8. Plasmawellenröhre nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Erzeugen von Elektronenstrahlen deren Strahlen jeweils mit Stromdichten von mindestens etwa 1 A/cm² erzeugen.

9. Plasmawellenröhre nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Gaseinführvorrichtung das Gas mit einem Druck, der innerhalb des Bereichs von ungefähr 0,13 - 13 Pa (1 - 100 mTorr) liegt, in das Wellenleitergehäuse (2; 70) einführt.

10. Plasmawellenröhre nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas mit einem Druck, der innerhalb des Bereichs von ungefähr 1,3 - 4 Pa (10 - 30 mTorr) liegt, in das Wellenleitergehäuse (2; 70) eingeführt wird.

11. Plasmawellenröhre nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Erzeugen von Elektronenstrahlen einen gegenseitigen Abstand von etwa 7 - 8 cm aufweisen und deren Elektronenstrahlen leweils bei Spannungen erzeugen, die zumindest gleich einer Schwellenspannung von etwa 15 kV relativ zu dem Wellenleitergehäuse sind.

12. Plasmawellenröhre nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Erzeugen von Elektronenstrahlen einen gegenseitigen Abstand von etwa 1 - 1,5 cm aufweisen und deren Elektronenstrahlen jeweils bei Spannungen erzeugen, die zumindest gleich einer Schwellenspannung von etwa 4 kV relativ zu dem Wellenleitergehäuse (2; 70) sind.

13. Plasmawellenröhre nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Erzeugen von Elektronenstrahlen jeweils eine mit dem Inneren des Wellenleitergehäuses (2; 70) in Verbindung stehende Kammer, eine sich in diese Kammer erstreckende Kaltkathode, und

eine Vorrichtung zum Anlegen eines Spannungssignals an die Kaltkathoden aufweisen, wobei die Kammer einen Plasmastrom von dem Wellenleiter ermöglicht, um eine Elektronenemission von der Kaltkathode anzuregen.

14. Plasmawellenröhre nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichziet, daß die Mittel zum Erzeugen von Elektronenstrahlen jeweils eine mit dem Inneren des Wellenleitergehäuses in Verbindung stehende Kammer, eine sich in die Kammer erstreckende Kaltkathode, eine Vorrichtung zum Anlegen eines Spannungssignals an die Kaltkathode, und zumindest eine sich in die Kammer erstreckende Drahtanode zum Ionisieren von Gas in der Umgebung der Kaltkathode aufweisen.

15. Plasmawellenröhre nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Kaltkathoden-Drahtionenplasma-Entladungsmittel aufweist:

eine Kaltkathode;

eine mit der Kaltkathode in Verbindung stehende Entladungskammer;

ein Gitter zwischen der Kaltkathode und der Entladungskammer, und

sich in die Entladungskammer erstreckende Drahtanoden zum Erzeugen einer Drahtanodenentladung.

16. Plasmawellenröhre nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Wellenleitergehäuse (2; 70) an einem Ende derart abgeschlossen ist, daß die auf dieses Ende gerichtete elektromagnetische Strahlung auf ein Ausgangsfenster am anderen Ende hin reflektiert wird.

17. Plasmawellenröhre nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß ein kohärente. Mikrowellenaignal von dem einen Ende her in das Wellenleitergehäuse (2; 70) gerichtet iet, so daß ein phasenstarrer Ausgang erzeugt ist.