(19) |
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(11) |
EP 1 203 395 B1 |
(12) |
EUROPÄISCHE PATENTSCHRIFT |
(45) |
Hinweis auf die Patenterteilung: |
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15.07.2009 Patentblatt 2009/29 |
(22) |
Anmeldetag: 20.07.2001 |
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(51) |
Internationale Patentklassifikation (IPC):
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(86) |
Internationale Anmeldenummer: |
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PCT/EP2001/008413 |
(87) |
Internationale Veröffentlichungsnummer: |
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WO 2002/015218 (21.02.2002 Gazette 2002/08) |
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(54) |
VORRICHTUNG UND VERFAHREN ZUR IONENSTRAHLBESCHLEUNIGUNG UND ZUR ELEKTRONENSTRAHLIMPULSFORMUNG
UND -VERSTÄRKUNG
DEVICE AND METHOD FOR ION BEAM ACCELERATION AND ELECTRON BEAM PULSE FORMATION AND
AMPLIFICATION
PROCEDE ET DISPOSITIF D'ACCELERATION DE FAISCEAU IONIQUE ET DE FORMATION ET D'AMPLIFICATION
D'IMPULSION DE FAISCEAU ELECTRONIQUE
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(84) |
Benannte Vertragsstaaten: |
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AT BE CH CY DE DK ES FI FR GB GR IE IT LI LU MC NL PT SE TR |
(30) |
Priorität: |
17.08.2000 DE 10040719 18.08.2000 DE 10040896
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(43) |
Veröffentlichungstag der Anmeldung: |
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08.05.2002 Patentblatt 2002/19 |
(73) |
Patentinhaber: Gesellschaft für Schwerionenforschung mbH |
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64291 Darmstadt (DE) |
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(72) |
Erfinder: |
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- RATZINGER, Ulrich
64331 Weiterstadt (DE)
- MINAEV, Serguej
123458 Moskau (RU)
- SETZER, Stefan
64331 Weiterstadt-Schneppenhausen (DE)
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(74) |
Vertreter: Boeters, Hans Dietrich et al |
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BOETERS & LIECK
Oberanger 32 80331 München 80331 München (DE) |
(56) |
Entgegenhaltungen: :
EP-A- 0 587 481
|
US-A- 5 497 053
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- PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 007, no. 123 (E-178), 27. Mai 1983 (1983-05-27) & JP
58 042141 A (NIPPON DENKI KK), 11. März 1983 (1983-03-11)
- DATABASE WPI Section EI, Week 198135 Derwent Publications Ltd., London, GB; Class
V05, AN 1981-J1141D XP002185134 & SU 777 754 A (RYAZAN WIRELESS ENG INST), 4. Januar
1980 (1980-01-04)
- LORING C JR ET AL: "The Klystrode, a new high efficiency, high power electron tube
for UHF industrial applications" JOURNAL OF MICROWAVE POWER AND ELECTROMAGNETIC ENERGY,
1993, USA, Bd. 28, Nr. 3, Seiten 174-182, XP001039895 ISSN: 0832-7823
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Anmerkung: Innerhalb von neun Monaten nach der Bekanntmachung des Hinweises auf die
Erteilung des europäischen Patents kann jedermann beim Europäischen Patentamt gegen
das erteilte europäischen Patent Einspruch einlegen. Der Einspruch ist schriftlich
einzureichen und zu begründen. Er gilt erst als eingelegt, wenn die Einspruchsgebühr
entrichtet worden ist. (Art. 99(1) Europäisches Patentübereinkommen). |
[0001] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Ionenstrahlbeschleunigung
und zur Elektronenstrahlimpulsformung und -verstärkung gemäß den unabhängigen Ansprüchen.
[0002] Für eine Ionenstrahlbeschleunigung von Schwerionen wie Kohlenstoffionen, Sauerstoffionen
und dergleichen in Linearbeschleunigern und Cyclotronbeschleunigern werden Leistungen
im Bereich von mehreren Megawatt bei Frequenzen um 300 MHz benötigt. Für derart hohe
Leistungen und bei derartigen Frequenzen versagen die konventionellen Hochfrequenzleistungsverstärker
wie Topfkreisverstärker, die im allgemeinen in einem Frequenzbereich von 50 bis 200
MHz und in einem Leistungsspektrum bis zu 50 kW einsetzbar sind. Für höhere Frequenzen
und höhere Leistungen bietet sich das Prinzip der Klystron-Leistungsverstärkung an,
das sich im Frequenzbereich von 350 MHz bis 20 GHz durchgesetzt hat. Dabei handelt
es sich wie bei Wanderfeltröhren um eine lineare Anordnung, wobei ein aus einer Elektronenkanone
austretender Strahl mittels longitudinaler Geschwindigkeitsmodulation in Elektronenpakete
gegliedert wird. Diese Mikrostruktur des Strahls wird in sogenannten Buncher-Kavitäten
mittels gerichteter longitudinaler hochfrequenter elektrischer Felder erzeugt. Der
derart strukturierte Elektronenstrahl erzeugt dann in der Ausgangskavität oder dem
Ausgangskreis die gewünschte Hochfrequenzleistung. Nach Abzug dieser Hochfrequenzleistung
wird seine Restenergie schließlich in einem Kollektor deponiert oder abgeleitet. Leistungsklystrons
mit Betriebsfrequenzen von 200 MHz haben bereits eine Baulänge von 5 m. Für Betriebsfrequenzen
darunter werden die Baulängen unhandlich und die Geräte unförmig und beanspruchen
einen Raumbedarf, der mit erheblichen Kosten verbunden ist. Eine wesentliche Ursache
für diesen enormen Raumbedarf liegt in der Formierung der Elektronenstrahlimpulse
bzw. der Elektronenpakete in der Röhre, wozu langgestreckte, mehrere hundert Zentimeter
lange Driftstrecken benötigt werden. Für wesentlich tiefere Frequenzen, wie unter
200 MHz, wird deshalb auf die Topfkreisverstärker in Form von Leistungsröhren zurückgegriffen,
jedoch für den Frequenzbereich zwischen 200 und 350 MHz gibt es bisher keine wirtschaftliche
Lösungen, die einen hohen Leistungspegel von mehreren Megawatt und eine entsprechende
Betriebsfrequenz zulassen.
[0003] In den letzten Jahren hat sich ein Konzept durchgesetzt, das sich Klystrodenprinzip
nennt. Bei diesem Prinzip handelt es sich um eine Kombination von Elementen des röhrengetriebenen
Verstärkers und des Klystrons. Die Elektronenimpulse werden dabei mittels eines Steuergitters
erzeugt und der gepulste Elektronenstrahl durchläuft dann nacheinander eine Ausgangskavität
und einen Kollektor. Zwar kann diese Anordnung sehr kompakt gebaut werden, aber, soweit
sich dieses Konzept durchgesetzt hat, wird es für Fernsehsender eingesetzt mit einer
relativ geringen Sendeleistung von maximal 60 kW im UHF-Band, so daß diese Lösung
in Konkurrenz zu den standardmäßigen Topfkreisverstärkern einsetzbar ist, jedoch nicht
die hohen Leistungen bringt, die für eine Ionenstrahlbeschleunigung erforderlich sind.
[0004] Das Klystrodenprinzip ist aus der Patentschrift
EP-A-o 587481 (THOMSON TUBES ELEKTRONICS), 5. März 1994, aus der US-Patentschrift
US-A5 497 053 (SWYDEN THOMAS ET AL) 5. März 1996, aus der Patentzusammenfassung PATENT ABSTRACTS OF JAPAN 11.März 1983, aus der Veröffentlichung
DATABASE WPI Section El, Week 198135, Derwent Publications Ltd, London GB Class V05,
AN 1981-j1141D XP002185134 &
SU 777 754 A (RYAZA WIRELESS ING INST), 4. Januar 1980 und aus dem Dokument
LORING C JR ET AL 2The Klysterode, a new high power electron tube for UHF industrial
application"JOURNAL OF MICROWAVE POWER AND ELECTROMAGNETIC ENERGY',1993 USA, BD 28
Nr. 3, Seiten 174-182 XP 001039895), bekannt.
[0005] Leistungsklystrons, die durchaus in der Lage wären, mehrere Megawattverstärkung zu
liefern, verlieren jedoch bei Frequenzen von 100 MHz bis 400 MHz wegen des technischen
Aufwands und besonders wegen ihrer Baugröße bei diesen tiefen Frequenzen ihre sonst
vorhandenen Vorteile. Andererseits sind Klystroden, wie sie oben erwähnt werden, aufgrund
der Verwendung eines Steuergitters bezüglich der maximal erzielbaren Hochfrequenzleistung
sowie bezüglich der erzielbaren Wartungsintervalle äußerst begrenzt einsetzbar. Leistungsröhren
wie die Topfkreisverstärker bleiben im betrachteten Frequenzbereich deutlich unter
1 MW Ausgangsleistung im Dauerbetrieb, und bei gepulstem Betrieb fällt die Maximalleistung
von etwa 3 MW im unteren Frequenzbereich auf unter 1 MW im oberen Frequenzbereich
ab, so daß auch diese für mehrere Megawatt nicht verwendet werden können. Der Gesamtwirkungsgrad
fällt bei diesen Leistungsröhren auch dadurch ab, daß die Kathodenheizleistung von
typisch 10 kW bei den erforderlichen Pulswiederholraten zur Verstärkung von Ionenstrahlimpulsen
von mehreren Hertz bis zu 50 Hz kontinuierlich aufzubringen ist.
[0006] Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, einen leistungsstarken Hochfrequenzverstärker
im Frequenzbereich von 100 MHz bis etwa 400 MHz anzugeben, der im gepulsten Betrieb
mit einer 1 ms Pulslänge und einer Wiederholrate von kleiner gleich 50 Hz Senderleistungen
bis zu 10 MW erreicht. Darüber hinaus ist es Aufgabe der Erfindung, eine technische
Lösung anzugeben, welche die aktuelle kritische Situation bei der Produktion von Hochfrequenzleistungsröhren
überwindet, die darin liegt, daß immer weniger Anbieter derartige Leistungsröhren
produzieren, so daß neben den oben genannten Einschränkungen dieses Verstärkertyps
auch die Versorgungslage langfristig nicht gesichert erscheint.
[0007] Gelöst wird diese Aufgabe mit den unabhängigen Ansprüchen, vorteilhafte Weiterbildungen
der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
[0008] Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung zur Elektronenstrahlimpulsformung und -verstärkung
angegeben, die eine Elektronenkanone, einen Hochfrequenzdeflektor, einen Gleichspannungsdeflektor,
einen Kollektor mit Gegenfeld, einen Nachbeschleuniger, einen Leistungskoppler zur
Ankopplung der Leistung des Elektronenstrahls an einen Verbraucher und einen Hauptkollektor
zur Aufnahme der Restleistung des Elektronenstrahls aufweist. Dazu sind die oben aufgelisteten
Vorrichtungen nacheinander in Richtung des Elektronenstrahls angeordnet.
[0009] Die Elektronenstrahlkanone erzeugt zunächst einen kontinuierlichen Elektronenstrahl,
der in dem Hochfrequenzdeflektor, angeregt durch ein hochfrequentes Anregungssignal
abgelenkt wird, so daß nur im Bereich der Nulldurchgänge dieses Signals der Elektronenstrahl
periodisch in der Ionenstrahlachse weitergegeben werden kann. Durch den sich anschließenden
Gleichspannungsdeflektor wird dieser Effekt verstärkt und der Anteil des abgelenkten
Elektronenstrahls wird in einem Kollektor mit Gegenfeld gesammelt und dieser Strom
zu der Kathode der Elektronenkanone zurückgekoppelt. Der in dieser Weise in Elektronenpakete
aufgegliederte Elektronenstrahl wird in einem Nachbeschleuniger beschleunigt und einem
Leistungskoppler zugeführt, der die Leistung des Elektronenstrahls an einen Verbrauchers
ankoppeln kann. Die verbleibende nicht ausgekoppelte Restleistung des Elektronenstrahl
wird einem Hauptkollektor zugeführt. Somit werden in vorteilhafter Weise statt der
beim Klystron verwendeten longitudinalen Geschwindigkeitsmodulation bei der vorliegenden
Erfindung transversale hochfrequente elektrische Felder im Hochfrequenzdeflektor und
transversalgerichtete statische elektrische Felder im Gleichspannungsdeflektor verwendet,
um Elektronenimpulse zu formen und vorzuverstärken.
[0010] Innerhalb einer Hochfrequenzperiode werden somit etwa 80 % des kontinuierlich angelieferten
Elektronenstrahls abgelenkt und in einem negativ vorgespannten Kollektor mit Gegenspannung
aufgefangen. Die auf der Strahlachse weiterlaufenden verbleibenden Elektronenstrahlimpulse
in Form von Elektronenpaketen durchlaufen dann die Hauptbeschleunigung mit mehreren
hundert Kilovolt und erreichen derart beschleunigt die Ausgangskavität des Leistungskopplers,
der die Leistung des Elektronenstrahls an einen Verbraucher ankoppelt. Die nicht ausgekoppelte
Restleistung wird im Hauptkollektor gesammelt. Die reine Elektronenstrahlimpulsformierung
kann bei diesem Konzept in einem Frequenzbereich zwischen 100 und 400 MHz innerhalb
einer Baulänge von nur 0,5 m untergebracht werden. Dieses ist eine Verbesserung durch
Verringerung der Baulänge um mehr als das Zehnfache, zumal ein Klystron für 350 MHz
bei der geforderten Leistungsaufnahme bereits 5 m lang ist. Somit entfällt ein wesentlicher
Hinderungsgrund, für tiefe Frequenzen das Klystron anzuwenden. Bei der erfindungsgemäßen
Lösung wird der Wirkungsgrad des Klystrons für die Erzeugung von Hochfrequenzleistungen
auf wesentlich kürzerer Baulänge erreicht.
[0011] In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Verbraucher eine Antenne
eines Koaxialkabelendes, die in einen Resonator, der über einen den Elektronenstrahl
umgebenden Ringspalt mit dem Elektronenstrahl gekoppelt ist, hineinragt. Diese Ausführungsform
entzieht mit seiner Antenne einen wesentlichen Anteil der Resonanzenergie aus dem
Resonator, und damit werden die Elektronen im Elektronenstrahl gebremst, so daß nur
noch eine geringe verbleibende nicht ausgekoppelte Restleistung im Hauptkollektor
gesammelt werden muß.
[0012] In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Verbraucher ein
Antennenkoppler eines Hohlleiters, der als koaxiale Durchführung durch die Wandung
des Resonatorraumes ausgeführt ist. Dazu ragt der Antennenkoppler in den Resonatorraum
hinein, der den Elektronenstrahl mit einem Ringspalt umgibt, so daß Energie aus dem
Elektronenstrahl in den Resonator gekoppelt werden kann und über die Antennenkopplerdurchführung
dann weiter an den Hohlleiter abgeleitet wird.
[0013] In einer weiteren bevorzugten Durchführung der Erfindung ist der Verbraucher ein
Kopplungsfenster zu einem Hohlleiter, wobei das Kopplungsfenster sich zu dem Resonator
hin öffnet. Auch in dieser Ausführungsform ist der Elektronenstrahl von dem Resonator
mit einem Ringspalt umgeben.
[0014] Eine weitere erfindungsgemäße Lösung besteht in einer Vorrichtung zur Ionenstrahlbeschleunigung,
die einen Ionenbeschleunigertank mit zentraler Behälterachse zur Führung und Beschleunigung
eines gepulsten Ionenstrahl aus Schwerionen in der Behälterachse umfaßt. Diese Vorrichtung
weist darüber hinaus eine Elektronenstrahlimpulsformungs- und -verstärkungseinrichtung
mit Elektronenstrahlachse zur Mikrostrukturierung und Verstärker von Stromimpulsen
für die Versorgung der Vorrichtung zur Ionenstrahlbeschleunigung mit Hochfrequenzleistung
auf.
[0015] Diese Lösung ist
dadurch gekennzeichnet, daß die Elektronenstrahlimpulsformungs- und -verstärkungseinrichtung mit ihrer Elektronenstrahlachse
quer und versetzt zur Behälterachse angeordnet ist und außerhalb des Ionenbeschleunigertanks
eine Elektronenkanone, einen Hochfrequenzdeflektor, einen Gleichspannungsdeflektor,
einen Kollektor mit Gegenfeld und einen Nachbeschleuniger aufweist, während innerhalb
des Ionenbeschleunigertanks die Vorrichtung einen Leistungskoppler zur Ankopplung
der Leistung des Elektronenstrahls an einen Verbraucher und einen Hauptkollektor zur
Aufnahme der Restleistung des Elektronenstrahls besitzt. Die aufgeführten Vorrichtungskomponenten
der Elektronenstrahlimpulsformungs- und -verstärkungseinrichtung sind hintereinander
in Richtung des Elektronenstrahls angeordnet.
[0016] Diese Lösung hat den Vorteil, daß der Ionenbeschleunigertank selbst gleichzeitig
als Ausgangskreis für die Leistungsverstärkungsstufe verwendet wird. Ein Leistungstransport
vom Verstärker zum Tank entfällt. Eine Ankopplung der Leistungsstufe an das Tankvolumen
ist damit möglich. Damit wird ein Aufbau zur Ionenstrahlbeschleunigung für Ionenstrahlen
für Schwerionen erreicht, der äußerst überschaubar und äußerst kostengünstig hergestellt
werden kann.
[0017] Zur Kopplung zwischen treibendem Elektronenstrahl und Ionenbeschleunigertank wird
eine im Potential passende Stelle entlang der Driftröhrenhalterung des Ionenstrahls
eingesetzt. Ein transversales elektrisches Wechselfeld mit geeigneter Zeitstruktur
lenkt dabei unmittelbar nach der Vorbeschleunigung des Elektronenstrahls zeitlich
ungünstig liegende Elektronen ab, so daß nur Elektronenimpulse mit der gewünschten
Frequenz zur Verstärkung der Ionenstrahlimpulse die Hauptbeschleunigung durchlaufen
und anschließend im Feld des Ionenbeschleunigertanks abgebremst werden, weil ihre
Energie an den Ionenstrahl angekoppelt ist.
[0018] Somit ist in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung der Verbraucher unmittelbar
der gepulste Ionenstrahl.
[0019] In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Leistungskoppler
einen Resonator mit einem den Elektronenstrahl radial umgebenden oberen Ringspalt
und und einem den Elektronenstrahl radial umgebenden unteren Ringspalt im Ionenbeschleunigertank
auf. Ein Durchlaufen des Elektronenstrahls von zwei Ringspalten, nämlich einem oberen
und einem unteren Ringspalt im Tank erscheint vorteilhaft, da der Elektronenstrahl
den gekühlten Aufhänger erreichen muß, um seine Restenergie in dem Hauptkollektor
abzugeben. Dazu wird vorteilhaft die Driftstrecke zwischen den Spalten möglichst kurz
gehalten, um eine günstige Geometrie zu erreichen, welche die Spannungsverteilung
über dem Driftröhrenfuß nicht wesentlich beeinträchtigt. Außerdem geben in vorteilhafter
Weise die Elektronen unabhängig von ihrer Phasenlage im Impuls beim Durchlaufen der
beiden Ringspalte die gleiche Energie an den Ionenstrahl ab, so daß die Restenergie
in dem Hauptkollektor oder Auffänger kleiner als 10 % der Impulsenergie ist.
[0020] Um derart angepaßte Ringspalte in dem Ionenbeschleunigertank anzuordnen, weist der
Leistungskoppler darüber hinaus zwischen den Ringspalten eine Kopplungsstufe auf,
die koaxial den Elektronenstrahl umgibt und radial versetzt und transversal zum Ionenstrahl
innerhalb des Ionenbeschleunigertanks angeordnet ist, wobei die Kopplungsstufe an
einer Driftröhrenhalterung des Ionenstrahls befestigt ist.
[0021] In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Elektronenstrahlkanone
eine Piercetyp-Elektronenstrahlkanone. Mit einer derartigen Kanone wird in vorteilhafter
Weise ein hochperveanter Elektronenstrahl mit entsprechend hoher Raumladungskonstanten
gemäß der Child-Langmuir-Gleichung bei Impulslängen von 1 ms erzeugt, der einen Strahlstrom
von beispielsweise 40 A bei einer Beschleunigungsspannung von 40 kV erreicht.
[0022] In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist der Hochfrequenzdeflektor ein
homogenes transversal gerichtetes Wechselfeld auf, mit dem kurze Elektronenstrahlpakete
im Bereich der Betriebsfrequenz von 100 bis 400 MHz geschaffen werden, während der
Elektronenstrahl in den Impulspausen abgelenkt wird und einem Kollektor mit Gegenfeld
zugeführt wird, der seinerseits den Strom der Kathode der Elektronenstrahlkanone zur
Verfügung stellt.
[0023] In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Gleichspannungsdeflektor
ein inhomogenes, zeitlich konstantes transversales elektrisches Feld auf, während
der Elektronenstrahl mittels eines longitudinalen Magnetfeldes gleichzeitig transversal
stabilisiert wird, so daß die Brillouin-Gleichgewichtsbedingung erfüllt bleibt.
[0024] In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist der Leistungskoppler in seinem
Ausgangskreis einen Resonator auf, der über einen Ringspalt mit dem Elektronenstrahl
kommuniziert. Dem Resonator kann wiederum die Energie durch einen Verbraucher, der
über eine Koaxialleitung, einen Hohlleiter oder unmittelbar angekoppelt ist, wie im
Falle des Ionenstrahls, entzogen werden, so daß die Elektronenpakete im Elektronenstrahl
abgebremst werden und nur noch mit geringer Energie, die teilweise unter 10 % der
Gesamtelektronenstrahlenergie liegt, in dem Hauptkollektor gesammelt werden müssen.
[0025] Neben der für die unmittelbare Ankopplung an einen Ionenstrahlverbraucher gefundenen
Lösung weist der Ausgangskreis auch eine einspaltige ringförmige Kavität als Resonator
auf, wobei die Kavität den Ionenstrahl umgibt. Mit dieser Lösung ist es möglich, beliebige
Verbraucher über Koaxialkabel oder Hohlleiter an die erfindungsgemäße leistungsverstärkende
Vorrichtung anzuschließen.
[0026] Die Pulslänge und die Wiederholungsrate des Elektronenstrahls, die sogenannte Makrostruktur,
sind bei der erfindungsgemäßen Lösung frei wählbar, so daß Impulslängen von einer
Millisekunde bei Wiederholfrequenzen von unter 50 Hz und einer Leistung von 10 MW
mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung und dem erfindungsgemäßen Verfahren verwirklicht
werden können.
[0027] Da ein schmalbandiger HF-Resonator, wie er in den bevorzugten Ausführungsformen der
Erfindung als ringförmige Kavität mit Ringspalt angegeben ist, erst dann mit einem
Elektronenstrahl wirkungsvoll angeregt werden kann, wenn der Strahl eine Intensitätsmodulation
bei der entsprechenden Betriebsfrequenz aufweist, wird diese sogenannte Mikrostruktur
des Elektronenstrahls mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens erzeugt. Dieses erfindungsgemäße
Verfahren zur Elektronenstrahlimpulsformung und -verstärkung weist folgende Verfahrensschritte
auf:
Erzeugen eines Elektronenstrahls mittels einer Elektronenstrahlkanone;
Beaufschlagen des Elektronenstrahls mit einem transversalen hochfrequenten Wechselfeld
unter gleichzeitig hochfrequenter Auslenkung des Elektronenstrahls;
Hochfrequentes Ausblenden von bis zu 80 % der Elektronenstrahlenergie zu einem Kollektor
mit Gegenfeld mittels eines Hochfrequenzdeflektors und eines Gleichspannungsdeflektors;
Nachbeschleunigen des hochfrequenzmodulierten Elektronenstrahls zu verstärkten Elektronenstrahlimpulsen;
Auskoppeln der Hochfrequenzenergie über einen Leistungskoppler.
[0028] Somit durchläuft der Strahl zunächst ein homogenes transversal gerichtetes elektrisches
Wechselfeld, danach ein inhomogenes zeitlich konstantes transversales elektrisches
Feld. Dabei werden etwa 80 % des Elektronenstrahls von der Strahlachse abgelenkt und
bei nahezu konstanter Elektronenenergie von 40 keV in einem vorgespannten Kollektor
mit z.B. U = -40 kV + x aufgefangen. Die Energie dieser Elektronen kann weitestgehend
wieder an die Kathode der Elektronenkanone zurückgeführt werden und dient als Ladestrom.
[0029] Der nichtabgelenkte Strahlanteil, der in Teilchen oder Elektronenpaketen im zeitlichen
Abstand gemäß der Betriebsfrequenz vorliegt, bewegt sich entlang der Strahlachse weiter
und durchläuft die Hauptbeschleunigungsspannung, die beispielsweise bei 300 kV liegen
kann, und tritt dann in den Ausgangskreis des Resonators ein. Ein derartiger Resonator
kann eine einspaltige ringförmige Kavität aufweisen, wie sie auch bei anderen Lösungen
üblich ist. Ein derartiger Resonator wird durch die durchlaufenden Elektronenpakete
angeregt, und die im Resonator entstehenden Hochfrequenzfelder bremsen die Elektronen
und speisen gleichzeitig die Ausgangsleitung des Verstärkers, die vorzugsweise eine
Koaxialleitung oder ein Hohlleiter mit entsprechenden Ankopplungsantennen oder einem
entsprechenden Kopplungsfenster sein können. Schließlich wird die restliche Elektronenenergie
im Hauptkollektor abgegeben, wobei insbesondere die erfindungsgemäße Formierung der
Elektronenstrahlmikrostruktur für eine Verkürzung der Baulänge von sonst für höhere
Betriebsfrequenzen üblichen Klystronleistungsverstärkern sorgt.
[0030] Somit wird bei einem bevorzugten Durchführungsbeispiel des Verfahrens die Hochfrequenzenergie
über ein Koaxialkabel ausgekoppelt, das mit einer Antenne in einen Ringresonatorraum
ragt, welcher über einen den Elektronenstrahl umgebenden Ringspalt mit dem hochfrequenten,
energiereichen Elektronenstrahl kommuniziert.
[0031] In einem weiteren bevorzugten Durchführungsbeispiel des Verfahrens wird das Auskoppeln
der Hochfrequenzenergie über einen Hohlleiter erreicht, der mit einer Koppelantenne
in einen Ringresonatorraum hineinragt, welcher über einen den Elektronenstrahl umgebenden
Ringspalt mit dem hochfrequenten, energiereichen Elektronenstrahl kommuniziert.
[0032] Bei einem weiteren bevorzugten Durchführungsbeispiel des Verfahrens wird das Auskoppeln
der Hochfrequenzenergie über einen Hohlleiter erfolgen, der über ein Koppelfenster
an einen Ringresonatorraum angeschlossen ist, wobei der Ringresonator über einen den
Elektronenstrahl umgebenden Ringspalt mit dem Elektronenstrahl kommuniziert.
[0033] Ein weiteres bevorzugtes Durchführungsbeispiel des Verfahrens sieht vor, daß ein
Elektronenstrahl mit hoher Raumladungskonstanten gemäß der Child-Langmuir-Gleichung
von einer Elektronenstrahlkanone mit einem Strahlstrom von 20 A bis 60 A, vorzugsweise
zwischen 30 bis 50 A, bei einer Beschleunigungsspannung (U
c) von 20 kV bis 60 kV, vorzugsweise von 30 kV bis 50 kV erzeugt wird.
[0034] Ein weiteres bevorzugtes Durchführungsbeispiel des Verfahrens sieht vor, daß der
Elektronenstrahl mittels eines longitudinalen Magnetfeldes transversal im Brillouin-Gleichgewicht
stabilisiert wird. Weiterhin ist vorgesehen, daß der intensitätsmodulierte Elektronenstrahl
einen schmalbandigen Hochfrequenzresonator im Ausgangskreis bei einer Betriebsfrequenz
anregt. Dazu durchläuft der Elektronenstrahl ein homogenes transversalgerichtetes
elektrisches Wechselfeld, wobei zwischen 50 und 80 % der Elektronenstrahlenergie von
der Strahlachse abgelenkt werden.
[0035] In einem weiteren bevorzugten Durchführungsbeispiel des Verfahrens wird bei näherungsweise
konstanter Elektronenenergie von 30 keV bis 60 keV in einem vorgespannten Kollektor
mit Gegenfeld von -30 kV bis -40 kV der abgelenkte Anteil des Elektronenstrahls aufgefangen.
Dabei wird die Energie der aufgefangenen Elektronen in dem Kollektor mit Gegenfeld
gesammelt und als Ladestrom der Kathode der Elektronenkanone zugeführt.
[0036] In einem weiteren bevorzugten Durchführungsbeispiel des Verfahrens werden die nicht
abgelenkten Elektronenpakete in zeitlichem Abstand einer Betriebsfrequenz entlang
der Strahlachse bewegt und geführt und treten mit einer Hauptbeschleunigungsspannung
zwischen 200 kV und 400 kV in einen Ausgangskreis der Vorrichtung, der als Resonator
ausgebildet ist, ein. Dabei springt der Resonator im Ausgangskreis der Vorrichtung
an, wobei hochfrequente Felder im Resonator die Energie der Elektronen aufnehmen,
diese abbremsen und eine Ausgangsleitung, vorzugsweise ein Koaxialkabel und/oder einen
Hohlleiter speisen.
[0037] Die verbleibende Restenergie der Elektronen wird vorzugsweise in einem Hauptkollektor
abgegeben. Für eine elektrische Strahlablenkung in dem Hochfrequenzdeflektor wird
in einem bevorzugten Durchführungsbeispiel des Verfahrens für einem Betriebsfrequenz
f das ansteuernde Hochfrequenzsignal aus einem Hauptbestandteil bei einer Frequenz
von f/2 und einer Überlagerung mit der Frequenz 5f/2 in einem Amplitudenverhältnis
von 5:1 eingestellt. Dabei liegt die Betriebsfrequenz zwischen 100 und 400 MHz und
pro Periode werden etwa 20 % der Elektronenstrahlteilchen impulsweise weitergegeben,
da durch die Überlagerung der beiden Frequenzen ein entsprechender Nulldurchgang für
eine entsprechende Zeitspanne pro Periode erreicht wird.
[0038] Die Erfindung wird nun anhand von Figuren näher erläutert.
Fig. 1 zeigt eine Prinzipskizze einer ersten Ausführungsform einer Vorrichtung zur
Elektronenstrahlimpulsformung und -verstärkung.
Fig. 2 zeigt ein Diagramm einer Periode eines Hochfrequenzspannungssignals, das an
einem Hochfrequenzdeflektor angelegt wird.
Fig. 3 zeigt die Ablenkwirkung auf Elektronen in einem Hochfrequenzdeflektor.
Figuren 4a und 4b zeigen Prinzipskizzen möglicher elektrischer Felder in einem Gleichspannungsdeflektor.
Fig. 5 zeigt einen Querschnitt durch einen asymmetrischen Gleichspannungsdeflektor
mit eingezeichneten Äquipotentiallinien.
Fig. 6 zeigt mehrere Intensitätsprofile entlang der Elektronenstrahlachse für unterschiedliche
Blendenöffnungen des Kollektors mit Gegenfeld.
Fig. 7 zeigt eine Skizze der Elektronendichteverteilung nach Durchlaufen des Hochfrequenzdetektors.
Fig. 8 zeigt eine Skizze der Elektronendichteverteilung nach Durchlaufen des Hochfrequenzdeflektors
und des Gleichspannungsdeflektors.
Fig. 9 zeigt eine Prinzipskizze einer Vorrichtung zur Elektronenstrahlimpulsformung
und -verstärkung.
Fig. 10 zeigt eine Prinzipskizze einer Vorrichtung zur Ionenstrahlbeschleunigung.
[0039] Fig. 1 zeigt eine Prinzipskizze einer ersten Ausführungsform einer Vorrichtung zur
Elektronenstrahlimpulsformung und -verstärkung. Diese besteht im wesentlichen aus
einem vakuumdichten Gehäuse 28, in dem hintereinandergeschaltet eine Elektronenkanone
6, ein Hochfrequenzdeflektor 7, ein Gleichspannungsdeflektor 8, ein Kollektor mit
Gegenfeld 9 und ein nichtgezeigter Nachbeschleuniger, der mit der Bezugsziffer 10
in Fig. 9 gezeigt wird, untergebracht sind. Die in Fig. 1 gezeigte Prinzipskizze dient
im wesentlichen der Erläuterung des Funktionsprinzips der transversalen Ablenkeinheit
zur Mikrostrukturformierung des Elektronenstrahls. Die entsprechenden Vielteilchenberechnungen
zur Formierung von Elektronenpaketen in dieser Vorrichtung wurden mit Hilfe von geeigneten
Softwareprogrammpaketen durchgeführt.
[0040] Der in Fig. 1 gezeigte Abschnitt von der Elektronenkanone 6 bis zum Kollektor mit
Gegenfeld 9, welcher die abgelenkten Elektronen, die im gezeigten Strahlquerschnitt
in der x/z-Ebene schraffiert gezeigt werden, auffängt, enthält die wesentlichen Teile
der erfindungsgemäßen Elektronenstrahlformierungsvorrichtung. Es sind die beiden unmittelbar
hintereinander angeordneten Ablenksysteme 7 und 8 deutlich zu erkennen, wobei die
zweite elektrostatische Ablenkeinheit 8 durch das Kathodenpotential U
c versorgt werden kann. Die elektrische Feldrichtung E
y, die senkrecht zu der Darstellungsebene angeordnet ist, muß für x > 0 umgekehrt orientiert
sein als für x < 0, um die Elektronenumlenkung der vorgeschalteten hochfrequenten
Ablenkeinheit weiter zu verstärken. Die Umgebung der z-Achse, wie sie in der Darstellung
verdeutlicht wird, wird im Gleichspannungsdeflektor 8 durch Überlappung der auf Masse
liegenden Elektroden nahezu feldfrei gehalten, um die durchlaufenden Elektronenpakete
möglichst wenig zu stören.
[0041] Fig. 2 zeigt ein Diagramm einer Periode eines Hochfrequenzspannungssignals, das an
den Hochfrequenzdeflektor 7 angelegt wird. Dazu ist auf der Abzisse die Zeit in Nanosekundeneinheiten
eingetragen und auf der Ordinate die Hochfrequenzablenkspannung in kV. Innerhalb einer
Hochfrequenzperiode bei einer Betriebsfrequenz f ergibt sich durch entsprechende Anregungsfrequenzen
des Hochfrequenzdeflektors 7 ein wiederkehrendes Plateau 51 bei der Spannung 0 V.
Diese wiederkehrende Plateau 51 bei der Spannung 0 V definiert den durchlaufenden
Strahlanteil, der nicht abgelenkt wird. Ferner zeigt das Diagramm der Fig. 2 die steil
ansteigenden Spannungsflanken 53 und 54 am Beginn und am Ende des Plateaus 51, wodurch
eine starke Ablenkung des Elektronenstrahls ausgelöst wird, was wiederum die Impulspausen
definiert. Das Plateau selbst entspricht etwa einem Strahlanteil von 20 % bzw. einer
Phasenbreite von 70° in Einheiten der Betriebsfrequenz. Demnach besteht das ansteuernde
HF-Signal aus einem Hauptbestandteil bei der Frequenz f/2 und einer Überlagerung mit
der Frequenz 5f/2. Bei einem Amplitudenverhältnis von etwa 5:1 und der entsprechenden
Phasenbeziehung entsteht diese in Fig. 2 gezeigte und gewünschte Signalform, die sich
aus den Komponenten V = sin(πft) - 0,2 V · sin(5πft) zusammensetzt.
[0042] Fig. 3 zeigt die Ablenkwirkung auf die Elektronen in einem Hochfrequenzdeflektor
7. Dabei beschreiben die Elektronen in der x/y-Ebene unter dem Einfluß des elektrischen
und magnetischen Feldes die dort gezeigten Bahnen. Der Vorteil gekreuzter elektrischer
und magnetischer Felder ist dabei, daß die Auslenkung mittels der ExB-Drift im wesentlichen
in der x/y-Ebene erfolgt, so daß die Deflektorplatten des Hochfrequenzdeflektors 7
keine Begrenzung darstellen, solange der Gyroradius rg geeignet gewählt ist.
[0043] Die Figuren 4a und 4b zeigen Prinzipskizzen möglicher elektrischer Felder in einem
Gleichspannungsdeflektor 8. In dem hier diskutierten Ausführungsbeispiel wird der
asymmetrische Gleichspannungsdeflektor der Fig. 4b in einer leicht modifizierten Form,
wie sie die Fig. 5 zeigt, angewandt. Der unsymmetrische Gleichspannungsdeflektor 8
hat gegenüber dem symmetrischen Gleichspannungsdeflektor der Fig. 4a den Vorteil einer
einfacheren Gestaltung durch lediglich vier Ablenkplatten 36 bis 38 gegenüber sechs
Ablenkplatten 30 bis 35 der Fig. 4a.
[0044] Fig. 5 zeigt einen Querschnitt durch einen asymmetrischen Gleichspannungsdeflektor
8 mit eingezeichneten Äquipotentiallinien 29. Deutlich ist an dieser Darstellung zu
erkennen, daß das Zentrum zwischen den Ablenkplatten 40 bis 43 feldfrei gehalten ist,
so daß Elektronen, die diese Abdeckplatten im Zentrum durchfliegen, nicht oder nur
geringfügig zusätzlich abgelenkt werden. Ferner besteht die Modifikation der Ausführungsform
nach Fig. 5 gegenüber der Prinzipskizze nach Fig 4b darin, daß die an Masse (0 V)liegenden
Ablenkplatten 41 und 42 gegenüber der Zentrumslinie 44 zunächst parallel und dann
teilweise abgewinkelt sind und die mit einer negativen Spannung in dieser Ausführungsform
von -40 kV beaufschlagten Ablenkplatten gegenüber der Zentrumslinie 44 vollständig
abgewinkelt sind.
[0045] Fig. 6 zeigt mehrere Intensitätsprofile entlang der Elektronenstrahlachse in z-Richtung
für unterschiedliche Blendenöffnungen eines Kollektors 9 mit Gegenfeld. Bei dieser
Darstellung ist auf der Abszisse die z-Richtung in Zentimetern eingetragen, und auf
der Ordinate ist in beliebigen Einheiten die Elektronenstrahldichte vergleichsweise
aufgetragen. Die Kurven wurden für drei unterschiedliche Blendenöffnungen des Kollektors
9 mit Gegenfeld von ≤ 5 mm, ≤ 6 mm und ≤ 7 mm aufgenommen. Das Impulspaket oder Elektronenpaket,
das durch diese Blende periodisch ausgegeben wird, hat eine Länge von nicht ganz 10
cm, wobei die Länge mit zunehmendem Durchmesser der Öffnung in dem Kollektor 9 mit
Gegenfeld geringfügig zunimmt. Das Intensitätsmaximum hängt bei dieser Impulsbreite
jedoch nicht von der Blendenöffnung ab, sondern das Intensitätsmaximum wird offensichtlich
durch den Gleichspannungsdeflektor mit einer Beschleunigungsspannung U
c bestimmt und ist bei gleichbleibender Gleichspannung auch gleich intensiv.
[0046] Fig. 7 zeigt eine Skizze der Verteilung der Elektronendichte nach Durchlaufen des
Hochfrequenzdeflektors. Bei dieser Darstellung ist auf der Abszisse die x-Position
in mm und auf der Ordinate die Elektronendichte in beliebigen Einheiten aufgetragen.
Nach dem Durchlaufen des Hochfrequenzdeflektors 7 liegen noch 37 % der Elektroden
im zentralen Durchlaßbereich der Elektronenstrahlformierungsvorrichtung, während große
Anteile des Elektronenstrahls nach unten oder nach oben durch das hochfrequente Wechselfeld
abgelenkt werden und für eine weitere Beschleunigung nicht zur Verfügung stehen. Der
Gleichstromelektronenstrahl, wie er aus der Elektronenkanone 6 kommt, wird demnach
bereits in Elektronenpakete zerschnitten. Noch deutlicher zeigt dieses die Fig. 8.
[0047] Fig. 8 zeigt eine Skizze der Elektronendichteverteilung nach Durchlaufen des Hochfrequenzdeflektors
7 und des Gleichspannungsdeflektors 8. Auf der Abszisse ist wiederum die x-Position
in mm eingetragen, und auf der Ordinate die Elektronendichte in beliebigen vergleichenden
Einheiten. Nach dem Gleichspannungsdeflektor konzentrieren sich die Maxima der abgelenkten
Elektroden im deutlichen Abstand von der Strahlmitte, die bei 0,0 mm liegt. Lediglich
20 % der Elektronen verbleiben in der Strahlmitte und können in dem nachfolgenden
Hochbeschleuniger weiter beschleunigt werden. Diese 20 % ergeben sich aus Elektronenpaketen
bzw. Elektronenimpulsen, wie sie in räumlicher Erstreckung in Fig. 6 dargestellt wurden.
Der Querschnitt der weiter zu transportierenden Teilchenpakete ergibt sich in seiner
Dichteverteilung zu etwa 13 mm in x-Richtung und zu etwa 11 mm in y-Richtung. Aus
diesem Querschnitt schneidet die Blendenöffnung des Kollektors mit Gegenfeld einen
entsprechenden Elektronenimpulsstrahl aus.
[0048] Fig. 9 zeigt eine Prinzipskizze einer Vorrichtung zur Elektronenstrahlimpulsformung
und -verstärkung. In Fig. 9 definieren gleiche Bezugszeichen gleiche Vorrichtungskomponenten
wie in Fig. 1. Eine Erörterung dieser Vorrichtungskomponenten wird deshalb weitestgehend
weggelassen. In Fig. 9 ist zusätzlich zu den in Fig. 1 gezeigten Vorrichtungskomponenten
ein Frequenzumsetzer f
1 zu sehen, der bei der halben Betriebsfrequenz f schwingt und über einen Phasenschieber
45 einem Verstärker 48 zugeführt wird, der das Signal des Frequenzumsetzers f
1 auf etwa 50 kW verstärkt. Diesem Signal wird ein Signal überlagert, das von einem
zweiten Frequenzumsetzer f
2 geliefert wird, der eine Frequenz von 5f/2 erzeugt und dieses Signal dem Signal des
ersten Frequenzumsetzers am Koppelpunkt 50 überlagert. Dabei wird neben der richtigen
Phase eine Amplitudenanpassung durch den Verstärker 49 eingestellt, so daß die Amplitude
des Signals des Frequenzumsetzers f
2 lediglich 1/5 der Amplitude des Frequenzumsetzers f
1 beträgt. Dieses Signal, das für eine Periode die Form des in Fig. 2 gezeigten Diagramms
annimmt, wird an die Platten des Hochfrequenzdeflektors 7 angelegt. Dem Signal überlagert
ist ein Magnetfeld, das durch die Spule 47 innerhalb des Gehäuses 28 erzeugt wird.
[0049] Zwischen den Platten wird ein Elektronenstrahl 14 in der Elektronenstrahlachse 5
von einer Elektronenstrahlkanone 6 erzeugt, die in dieser Ausführungsform eine Pierce-Typ-Elektronenstrahlkanone
ist. Diese Elektronenkanone erzeugt einen hochperveanten Elektronenstrahl mit hoher
Raumladungskonstanten gemäß der Child-Langmuir-Gleichung und wird mittels eines longitudinalen
Magnetfeldes der Spule 47 transversal stabilisiert und im Brillouin-Gleichgewicht
gehalten.
[0050] Nach der Stückelung des Elektronenstrahls in dem Hochfrequenzdeflektor 7 werden sowohl
die abgelenkten Elektronenpakete als auch die im Achszentrum verbleibenden Elektronenpakete
durch den Gleichspannungsdeflektor 8 geführt. Dabei wird der zeitliche Abstand der
Pakete durch die Betriebsfrequenz f, die zwischen 100 und 400 MHz liegt, bestimmt.
Während die abgelenkten Elektronenstrahlpaketanteile von dem Kollektor 9 mit Gegenfeld
aufgenommen und über eine Verbindungsleitung der Kathode der Elektronenstrahlkanone
6 zugeführt werden, erreichen die im Zentrum befindlichen etwa 20 % der Elektronen
des Elektronenstrahls den Nachbeschleuniger 10, der mit einer Beschleunigungsspannung
in dieser Ausführungsform von 300 kV die Elektronenstrahlimpulse oder Elektronenpakete
energetisch verstärkt, so daß sie mit dem sich anschließenden ringförmigen Resonator
15 über den Ringspalt 25 in Wechselwirkung treten können.
[0051] Dabei entzieht der Resonator angeregt durch die Frequenz des Elektronenstrahls den
Elektronenpaketen Energie, die in dieser Ausführungsform über eine Antenne 23 einer
Koaxialausgangsleitung 12 zugeführt wird. Dieses Koaxialkabel kann an einen Verbraucher
angeschlossen sein. In anderen Ausführungsformen der Erfindung ist der Verbraucher
unmittelbar ein Ionenstrahl einer Beschleunigungskammer oder eines Ionenbeschleunigertanks,
beispielsweise einer Ionenstrahltherapieanlage oder einer Ionenstrahlmaterialuntersuchungsanlage,
die im wesentlichen mit Schwerionen wie Kohlenstoff- und Sauerstoffionen betrieben
wird.
[0052] Die Ausgangsleitung 12 kann auch ein Hohlleiter sein, der über ein Kopplungsfenster
mit dem Resonator 15 kommuniziert oder über eine koaxiale Durchführung mit dem Resonator
15 in Verbindung steht. Die dem Resonator 15 und damit dem Elektronenstrahl 14 durch
die Ausgangsleitung nicht entzogene Energie wird von dem Hauptkollektor 13 aufgenommen.
Dieser Hauptkollektor 13 weist vorzugsweise wassergekühlte Wandungen auf, um die Restenergie
abzuführen, die in dieser Ausführungsform unter 10 % liegt. Bei einer Maximalleistung
von 10 MW ist dennoch eine hohe Kühlleistung erforderlich, um ein Schmelzen des Gehäuses
des Hauptkollektors zu vermeiden.
[0053] Fig. 10 zeigt eine Prinzipskizze einer Vorrichtung zur Ionenstrahlbeschleunigung.
Das erfindungsgemäße Prinzip hat den Vorteil, daß es unmittelbar in eine Anlage zur
Ionenstrahlbeschleunigung eingebracht werden kann. Entsprechend zeigt die Fig. 10
eine Vorrichtung 51 zur Ionenstrahlbeschleunigung, die einen Ionenbeschleunigertank
1 mit zentraler Behälterachse 2 zur Führung und Beschleunigung eines gepulsten Ionenstrahls
3 in der Behälterachse 2 aufweist. Dazu ist eine Elektronenstrahlimpulsformungs- und
-verstärkungseinrichtung 4 mit Elektronstrahlachse 5 zur Mikrostrukturierung und Verstärkung
von Stromimpulsen für die Versorgung der Vorrichtung 51 zur Ionenstrahlbeschleunigung
mit Hochfrequenzleistung derart angeordnet, daß die Elektronenstrahlimpulsformungs-
und -verstärkungseinrichtung 4 mit ihrer Elektronenstrahlachse 5 quer und versetzt
zur Behälterachse 2 angeordnet ist und außerhalb des Ionenbeschleunigertanks 1 eine
Elektronenstrahlkanone 6, einen Hochfrequenzdeflektor 7, einen Gleichspannungsdeflektor
8, einen Kollektor 9 mit Gegenfeld und einen Nachbeschleuniger 10 aufweist und innerhalb
des Ionenbeschleunigertanks 1 einen Leistungskoppler 11 zur Ankopplung der Leistung
des Elektronenstrahls 14 an einen Verbraucher 12, der in diesem Fall der gepulste
Ionenstrahl 3 ist, wobei ein Hauptkollektor 13 die Restleistung des Elektronenstrahls
14 aufnimmt und die genannten Vorrichtungskomponenten nacheinander in Richtung des
Ionenstrahls 14 angeordnet sind.
[0054] Zur Auskopplung der Energie des Elektronenstrahls 14 aus der Elektronenstrahlimpulsformungs-
und -verstärkungseinrichtung 4 sind ein oberer Ringspalt 16 und ein unterer Ringspalt
17 mit dazwischen angeordneter den Ionenstrahl koaxial umgebenden Kopplungsstufe angeordnet.
Die Kopplungsstufe 18 wird durch die Driftröhrenhalterung 19 gehalten, die gleichzeitig
im Bereich des Zentrums des Ionenbeschleunigertanks 1 den Ionenstrahl 3 umgibt. Die
Spaltgröße und der Spaltabstand sowie der Versetzungsabstand zwischen Elektronenstrahlachse
und Ionenstrahlachse sind derart auf einander abgestimmt, daß das Volumen des Ionenbeschleunigertanks
1 als Resonator für den gepulsten Elektronenstrahl dienen kann, wobei der Resonator
unmittelbar auf den im Zentrum geführten gepulsten Ionenstrahl wirkt.
[0055] Die halbe Betriebsfrequenz f des Ionenstrahls 3 wird in dem Frequenzumsetzer f
1 über einen Phasenschieber 45 und einen Verstärker 48 einem Koppelpunkt 50 zugeführt,
an dem gleichzeitig die f5/2 Betriebsfrequenz f mit dem Frequenzumsetzer f
2 über den Verstärker 49 anliegt. Mit diesen überlagerten Frequenzen wird der Hochfrequenzdeflektor
7 betrieben, der den Ionenstrahl aus der Elektronenstrahlkanone 6 moduliert.
[0056] Anschließend wird in einem Gleichspannungsdeflektor 8 die Auslenkung und die Trennung
zwischen ausgelenkten Ionenstrahlabschnitten und damit Impulspausen und im Zentrum
weitergeführten Ionenstrahlabschnitten und damit Impulslängen verstärkt, so daß die
abgelenkten Ionenstrahlabschnitte von dem Kollektor 9 mit dem Gegenfeld aufgenommen
werden können. Die zentral auf der Ionenstrahlachse 5 fortgeführten Elektronenpakete
werden in dem Nachbeschleuniger 10 auf eine entsprechend hohe Energie gebracht, so
daß sie mit dem Raumvolumen des Ionenbeschleunigertanks 1 in Resonanz treten können.
Dabei wird ein wesentlicher Teil der Elektronenstrahlenergie auf die Ionenstrahlimpulse
übertragen, während eine geringe Restmenge von unter 10 % der Elektronenstrahlenergie
dem Hauptkollektor 13 zugeführt wird. Im Gegensatz zur Fig. 9 weist diese erfindungsgemäße
Lösung einen oberen Ringspalt 16 und einen unteren Ringspalt 17 auf, die den Elektronenstrahl
umgeben, während dazwischen ein Koppelstück 18 angeordnet ist.
Bezugszeichenliste
[0057]
- 1
- Ionenbeschleunigertank
- 2
- Zentralbehälter
- 3
- gepulster Ionenstrahl
- 4
- Elektronenstrahlimpulsformungs- und -verstärkungseinrichtung
- 5
- Elektronenstrahlachse
- 6
- Elektronenkanone
- 7
- Hochfrequenzdeflektor
- 8
- Gleichspannungsdeflektor
- 9
- Kollektor mit Gegenfeld
- 10
- Nachbeschleuniger
- 11
- Leistungskoppler
- 12
- Verbraucher
- 13
- Hauptkollektor
- 14
- Elektronenstrahl
- 15
- Resonator
- 16
- oberer Ringspalt
- 17
- unterer Ringspalt
- 18
- Kopplungsstufe
- 19
- Inhomogenes Feld
- 20
- Homogenes transversalgerichtetes Wechselfeld
- 21
- Ausgangskreis
- 22
- ringförmige Kavität
- 23
- Antenne
- 24
- Koaxialkabel
- 25
- Ringspalt
- 26
- einspaltige Kavität
- 27
- Ringresonatorraum
- 28
- Gehäuse
- 29
- Äquipotentiallinien
- 30-35
- Ablenkplatten des symmetrischen Gleichspannungsdeflektors
- 36-39
- Ablenkplatten des asymmetrischen Gleichspannungsdeflektors
- 40-43
- Ablenkplatten des Gleichspannungsdeflektors
- 44
- Zentrumslinie
- 45
- Phasenschieber
- 47
- Spule
- 48
- Verstärker
- 49
- Verstärker
- f1
- Frequenzumsetzer
- f2
- Frequenzumsetzer
- 50
- Koppelpunkt
- 51
- Vorrichtung zur Ionenstrahlbeschleunigung
- 52
- Plateau
- 53-54
- Flanken
1. Vorrichtung zur Elektronenstrahlimpulsformung und -verstärkung mit
(a) einer Elektronenkanone (6),
(b) einem Hochfrequenzdeflektor (7),
(c) einem Gleichspannungsdeflektor (8),
(d) einem Kollektor mit Gegenfeld (9),
(e) einem Nachbeschleuniger (10)
(f) einem Leistungskoppler (11) zur Ankopplung der Leistung des Elektronenstrahls
(14) an einen Verbraucher (12), und
(g) einem Hauptkollektor (13) zur Aufnahme der Restleistung des Elektronenstrahls
(14),
wobei die Vorrichtungskomponenten (a) bis (g) nacheinander in Richtung des Elektronenstrahls
(14) angeordnet sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbraucher (12) eine Antenne (23) eines Koaxialkabelendes (24) ist, die in einem
Resonator (15), der über einem den Elektronenstrahl (14) umgebenden Ringspalt (25)
mit dem Elektronenstrahl (14) gekoppelt ist, hineinragt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbraucher (12) ein Antennenkoppler eines Hohlleiters ist, wobei der Antennenkoppler
in einen Resonator (15) hineinragt, der den Elektronenstrahl (14) mit einem Ringspalt
(25) umgibt.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbraucher (12) ein Kopplungsfenster zu einem Hohlleiter ist, wobei das Kopplungsfenster
sich zu einem Resonator (15) öffnet, der den Elektronenstrahl (14) mit einem Ringspalt
(25) umgibt.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektronenstrahlkanone (6) eine Pierce-Typ-Elektronenstrahlkanone ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochfrequenzdeflektor (7) ein homogenes transversal gerichtetes Wechselfeld (20)
aufweist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleichspannungsdeflektor (8) ein inhomogenes zeitlich konstantes transversales
elektrisches Feld (19) aufweist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Leistungskoppler (11) in seinem Ausgangskreis (21) einen Resonator (15) aufweist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgangskreis (21) eine einspaltige ringförmige Kavität (26) als Resonator (15)
aufweist.
10. Vorrichtung zur Ionenstrahlbeschleunigung, umfassend:
(A) einen Ionenbeschleunigertank (1) mit zentraler Behälterachse (2) zur Führung und
Beschleunigung eines gepulsten Ionenstrahls (3) in der Behälterachse (2),
(B) eine Elektronenstrahlimpulsformungs- und -verstärkungseinrichtung (4) gemäß einem
der Ansprüche 1, 5 bis 9 mit Elektronenstrahlachse (5) zur Mikrostrukturierung und
Verstärkung von Stromimpulsen für die Versorgung der Vorrichtung zur Ionenstrahlbeschleunigung
mit Hochfrequenzleistung, wobei
die Elektronenstrahlimpulsformungs- und
-verstärkungseinrichtung (4) mit ihrer Elektronenstrahlachse (5) quer und versetzt
zur Behälterachse (2) angeordnet ist und außerhalb des Ionenbeschleunigertanks (1)
(a) eine Elektronenkanone (6),
(b) einen Hochfrequenzdeflektor (7),
(c) einen Gleichspannungsdeflektor (8),
(d) einen Kollektor mit Gegenfeld (9) und
(e) einen Nachbeschleuniger (10) aufweist und innerhalb des Ionenbeschleunigertanks
(f) einen Leistungskoppler (11) zur Ankopplung der Leistung des Elektronenstrahls
(14) an einen Verbraucher (12),
(g) einen Hauptkollektor (13) zur Aufnahme der Restleistung des Elektronenstrahls
(14) aufweist, wobei der Verbraucher (12) der gepulste Ionenstrahl (3) ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Leistungskoppler (11) einen Resonator (15) mit einem den Elektronenstrahl (14)
radial umgebenden oberen Ringspalt (16) und einem den Elektronenstrahl (14) radial
umgebenden unteren Ringspalt 17 in dem Ionenbeschleunigertank (1) aufweist.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Leistungskoppler (11) eine zwischen Ringspalten (16, 17) angeordnete Kopplungsstufe
(18) aufweist, die koaxial den Elektronenstrahl (14) umgibt und radial versetzt und
transversal zum Ionenstrahl (3) innerhalb des Ionenbeschleunigertanks (1) angeordnet
ist, wobei die Kopplungsstufe (18) an einer Driftröhrenhalterung (19) des Ionenstrahls
(14) befestigt ist.
13. Vorrichtung zur Hochfrequenzleistungsverstärkung, insbesondere zur Versorgung einer
Vorrichtung mit einer Kavität zur Ionnenstrahlbeschleunigung mit Hochfrequenzleistung,
umfassend:
einen Vakuumtank mit zentraler Tankachse zur Erzeugung und Beschleunigung eines gepulsten
Elektronenstrahls (14) längs der Tankachse, wobei
eine Elektronenstrahlimpulsformungs- und -verstärkungseinrichtung (4) gemäß Anspruch
1 mit ihrer Elektronenstrahlachse (5) quer und versetzt zu einer Behälterachse (2)
eines Ionenbeschleunigertanks (1) angeordnet ist und außerhalb des Ionenbeschleunigertanks
(1)
(a) eine Elekronenkanone (6),
(b) einen Hochfrequenzdeflektor (7),
(c) einen Gleichspannungsdeflektor (8),
(d) einen Kollektor (9) mit Gegenfeld und
(e) einen Nachbeschleuniger (10) aufweist und innerhalb des Ionenbeschleunigertanks
(f) einen ersten sowie einen zweiten Spalt zur Ankopplung der Leistung des Elektronenstrahls
(14) an den Ionenstrahl (3)und
(g) einen Hauptkollektor (13) zur Aufnahme der Restleisung des Elektronenstrahls (14)
aufweist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ausgangskreis einen Leistungskoppler zur Einspeisung in einen Wellenleiter aufweist.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgangskreis als einspaltige Kavität ausgeführt ist.
16. Verfahren zur Elektronenstrahlimpulsformung und Verstärkung, das folgende Verfahrensschritte
aufweist:
Erzeugen eines Elektronenstrahls (14) mittels einer Elektronenstrahlkanone (5),
Beaufschlagen des Elektronenstrahls (14) mit einem transversalen hochfrequenten Wechselfeld
(20) unter gleichzeitiger hochfrequenter Auslenkung des Elektronenstrahls (14),
Hochfrequentes Ausblenden von bis zu 80 % der Elektronenstrahlenergie zu einem Kollektor
(9) mit Gegenfeld mittels eines Hochfrequenzdeflektors (7) und eines Gleichspannungsdeflektors
(8), Nachbeschleunigen des hochfrequenzmodulierten Elektronenstrahls (14) zu Elektronenstrahlimpulsen,
Auskoppeln der Hochfrequenzenergie über einen Leistungskoppler (11).
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Auskoppeln der Hochfrequenzenergie über ein Koaxialkabelende (24) erfolgt, das
mit einer Antenne (23) in einen Ringresonatorraum (27) ragt, welcher über einen den
Elektronenstrahl (14) umgebenden Ringspalt (25) mit dem hochfrequenten energiereichen
Elektronenstrahl (14) kommuniziert.
18. Verfahren nach Anspruch 16 oder Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Auskoppeln der Hochfrequenzenergie über einen Hohlleiter erfolgt, der mit einer
Koppelantenne in einen Ringresonatorraum (27) ragt, welcher über einen den Elektronenstrahl
(14) umgebenden Ringspalt (25) mit dem hochfrequenten, energiereichen Elektronenstrahl
(14) kommuniziert.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Auskoppeln der Hochfrequenzenergie über einen Hohlleiter erfolgt, der über ein
Koppelfenster an einen Ringresonator (27) angeschlossen ist, wobei der Resonator (15)
über einen den Elektronenstrahl (14) umgebenden Ringspalt (25) mit dem Elektronenstrahl
(14) kommuniziert.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß ein Elektronenstrahl (14) mit hoher Raumladungskonstanten gemäß der Child-Langmuir-Gleichung
von einer Elektronenstrahlkanone (6) mit einem Elektronenstrahl von 20 A bis 60 A,
vorzugsweise 30 A bis 50 A, bei einer Beschleunigungsspannung (Uc) von 20 kV bis 60 kV, vorzugsweise 30 kV bis 50 kV, erzeugt wird.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektronenstrahl (14) mittels eines longitudinalen Magnetfeldes transversal im
Brillouin-Gleichgewicht stabilisiert wird.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß der intensitätsmodulierte Elektronenstrahl (14) einen schmalbandigen HF-Resonator
im Ausgangskreis bei einer Betriebsfrequenz (f) anregt.
23. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektronenstrahl (14) ein homogenes transversal gerichtetes elektrisches Wechselfeld
(20) durchläuft.
24. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen 50 % und 80 % der Elektronenstrahlenergie von der Elektronenstrahlachse
(5) abgelenkt werden.
25. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 16 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß bei näherungsweise konstanter Elektronenenergie von 30 keV bis 50 keV in einem vorgespannten
Kollektor (9) mit Gegenfeld von -30 kV bis -40 kV der abgelenkte Anteil des Elektronenstrahls
aufgefangen wird.
26. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Energie aufgefangener Elektronen in einem Kollektor (9) mit Gegenfeld gesammelt
und als Ladestrom der Kathode der Elektronenstrahlkanone (6) zugeführt werden.
27. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß die nicht abgelenkten Elektronenpakete im zeitlichen Abstand einer Betriebsfrequenz
(f) entlang der Elektronenstrahlachse (14) bewegt und mit einer Hauptbeschleunigungsspannung
zwischen 200 und 400 kV in einen Ausgangskreis (21) der Vorrichtung, der als Resonator
(15) ausgebildet ist, eintreten.
28. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß ein Resonator (15) im Ausgangskreis (21) der Vorrichtung anspringt, wobei hochfrequente
Felder im Resonator (15) die Energie der Elektronen aufnehmen, diese abbremsen und
eine Ausgangsleitung, vorzugsweise ein Koaxialkabelende (24) und/oder einen Hohlleiter
speisen.
29. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß eine Restenergie der Elektronen in einem Hauptkollektor (13) abgegeben wird.
30. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 29, dadurch gekennzeichnet, daß für eine elektronische Ablenkung in dem Hochfrequenzdeflektor (7) für eine Betriebsfrequenz
(f) das angesteuerte Hochfrequenzsignal aus einem Hauptbestandteil bei der Frequenz
(f/2) und einer Überlagerung der Frequenz (5f/2) mit einem Amplitudenverhältnis 5:1
besteht.
31. Verfahren zur Ionenstrahlbeschleunigung, das mit einer Vorrichtung durchgeführt wird,
die
- einen Ionenbeschleunigertank (1) mit zentraler Behälterachse (2) zur Führung und
Beschleunigung eines gepulsten Ionenstrahls (14) in der Behälterachse (2) und
- eine Elektronenstrahlimpulsformungs- und
- verstärkungseinrichtung (4) mit Elektronenstrahlachse (5) zur Mikrostrukturierung
und Verstärkung von Stromimpulsen für die Versorgung der Vorrichtung zur Ionenstrahlbeschleunigung
mit Hochfrequenzleistung aufweist, wobei
- die Elektronenstrahlimpulsformungs- und
- verstärkungseinrichtung (4) mit ihrer Elektronenstrahlachse (5) quer und versetzt
zur Behälterachse (2) angeordnet ist und außerhalb des Ionenbeschleunigertanks (1)
mit einer Elektronenkanone (6) einen Elektronenstrahl (14) erzeugt, und
- mittels eines Hochfrequenzdeflektors (7) und eines Gleichspannungsdeflektors (8)
über 50 % des Elektronenstrahlstroms bei Frequenzen von 100 MHz bis 400 MHz taktweise
zur Mikrostrukturierung des Elektronenstrahls (14) in einen Kollektor (9) mit Gegenfeld
ablenkt und
- ein Nachbeschleuniger (10) unter einer Beschleunigerspannung von mehreren 100 Kilovolt
vorzugsweise 200 bis 400 Kilovolt den Elektronenstrahl (14) in den Ionenbeschleunigertank
(1) einführt und
- über einen Leistungskoppler (11) den Ionenstrahl (3) beschleunigt.
32. Verfahren nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektronenstrahl (14) einer Intensitätsmodulation unterworfen wird, die der Betriebsfrequenz
(f) des Ionenstrahls (3) entspricht.
33. Verfahren nach Anspruch 31 oder 32, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollektor (9) mit Gegenfeld bis zu 80 % der Elektronenstrahlenergie aufnimmt.
1. Apparatus for forming and amplifying electron beam pulses, comprising
(a) an electron gun (6),
(b) a high frequency deflector (7),
(c) a direct voltage deflector (8),
(d) a collector with opposing field (9),
(e) an after-accelerator (10),
(f) a power coupling (11) for coupling the power of the electron beam (14) to a consumer
load (12), and
(g) a main collector (13) for receiving the remaining power of the electron beam (14),
wherein the components (a) to (g) of the apparatus are arranged in succession in the
direction of the electron beam (14).
2. Apparatus according to claim 1, characterized in that the consumer load (12) is an antenna (23) of a coax cable head (24) extending into
a resonator (15) which is coupled to the electron beam (14) by an annular gap (25)
surrounding the electron beam (14).
3. Apparatus according to claim 1, characterized in that the consumer load (12) is an antenna coupling of a hollow conductor, wherein the
antenna coupling extends into a resonator (15) which surrounds the electron beam (14)
with an annular gap (25).
4. Apparatus according to claim 1, characterized in that the consumer load (12) is a coupling window to a hollow conductor, wherein the coupling
window opens to a resonator (15), which surrounds the electron beam (14) with an annular
gap (25).
5. Apparatus according to one of the claims 1 to 4, characterized in that the electron beam gun (6) is an electron beam gun of the Pierce type.
6. Apparatus according to one of the claims 1 to 5, characterized in that the high frequency deflector (7) comprises a homogeneous transversally aligned alternating
field (20).
7. Apparatus according to one of the claims 1 to 6, characterized in that the direct voltage deflector (8) comprises an inhomogeneous transversal electric
field (19) being constant in time.
8. Apparatus according to one of the claims 1 to 7, characterized in that the power coupling (11) comprises a resonator (15) in its output circuit (21).
9. Apparatus according to claim 8, characterized in that the output circuit (21) comprises a single-gap ringlike cavity (26) as a resonator
(15).
10. Apparatus for accelerating ion beams, comprising:
(A) an ion accelerator tank (1) with central recipient axis (2) for guiding and accelerating
a pulsed ion beam (3) in the recipient axis (2),
(B) a device (4) for forming and amplifying electron beam pulses according to one
of the claims 1, 5 to 9 with electron beam axis (5) for microstructuring and amplifying
of current pulses for the supply of the apparatus for accelerating ion beams with
high frequency power, wherein
the device (4) for forming and amplifying electron beam pulses is arranged with its
electron beam axis (5) transverse and shifted to the recipient axis (2) and comprises
outside of the ion accelerator tank (1)
(a) an electron gun (6),
(b) a high frequency deflector (7),
(c) a direct voltage deflector (8),
(d) a collector with opposing field (9) and
(e) an after-accelerator (10)
and comprises in the ion accelerator tank
(f) a power coupling (11) for coupling the power of the electron beam (14) to a consumer
load (12),
(g) a main collector (13) for receiving the remaining power of the electron beam (14),
wherein the consumer load (12) is the pulsed ion beam (3).
11. Apparatus according to claim 10, characterized in that the power coupling (11) comprises a resonator (15) with an upper annular gap (16)
surrounding the electron beam (14) in a radial way and a lower annular gap (17) surrounding
the electron beam (14) in a radial way in the ion accelerator tank (1).
12. Apparatus according to one of the claims 10 to 11, characterized in that the power coupling (11) comprises a coupling stage (18) being arranged between annular
gaps (16, 17) which coaxially surrounds the electron beam (14) and is arranged radially
shifted and transversal to the ion beam (3) in the ion accelerator tank (1), wherein
the coupling stage (18) is affixed to a drift tube attachment (19) of the ion beam
(14).
13. Apparatus for high frequency power amplification, in particular for supplying an apparatus
with a cavity for ion beam acceleration with high frequency power, comprising:
a vacuum tank with a central tank axis for generating and accelerating a pulsed ion
beam (14) along the tank axis,
wherein
a device (4) for forming and amplifying electron beam pulses according to claim 1
is arranged with its electron beam axis (5) transverse and shifted to a recipient
axis (2) of an ion accelerator tank (1) and comprises outside of the ion accelerator
tank (1)
(a) an electron gun (6),
(b) a high frequency deflector (7),
(c) a direct voltage deflector (8),
(d) a collector (9) with opposing field and
(e) an after-accelerator (10)
and comprises in the ion accelerator tank
(f) a first gap as well as a second gap for coupling the power of the electron beam
(14) to the ion beam (3) and
(g) a main collector (13) for receiving the remaining power of the electron beam (14).
14. Apparatus according to claim 13, characterized in that an output circuit comprises a power coupling for feeding into a wave guide.
15. Apparatus according to claim 14, characterized in that the output circuit is implemented as a single-gap cavity.
16. A method for forming and amplifying electron beam pulses comprising the following
method steps:
generating an electron beam (14) by means of an electron beam gun (5),
supplying the electron beam (14) with a transversal high frequency alternating field
(20) under simultaneous high frequency deflection of the electron beam (14),
high frequency gating out of up to 80 % of the electron beam energy to a collector
(9) with opposing field by means of a high frequency deflector (7) and of a direct
voltage deflector (8),
after-accelerating the high frequency modulated electron beam (14) to electron beam
pulses,
coupling out the high frequency energy via a power coupling (11).
17. Method according to claim 16, characterized in that the coupling out of the high frequency energy is effected via a coax cable head (24)
which extends with an antenna (23) into a ring resonator space (27) which communicates
with the high frequency energy-rich electron beam (14) via an annular gap (25) surrounding
the electron beam (14).
18. Method according to claim 16 or claim 17, characterized in that the coupling out of the high frequency energy is effected via a hollow conductor
which extends with a coupling antenna into a ring resonator space (27) which communicates
with the high frequency energy-rich electron beam (14) via an annular gap surrounding
the electron beam (14).
19. Method according to one of the claims 16 to 18, characterized in that the coupling out of the high frequency energy is effected via a hollow conductor
which is connected to a ring resonator (27) via a coupling window,
wherein the resonator (15) communicates with the electron beam (14) via an annular
gap (25) surrounding the electron beam (14).
20. Method according to one of the claims 16 to 19, characterized in that an electron beam (14) with high space charge constant according to the child-langmuir-equation
is generated with an electron beam gun (6) with an electron beam from 20 A to 60 A,
preferably 30 A to 50 A, at an acceleration voltage (Uc) of 20 kV to 60 kV, preferably 30 kV to 50 kV.
21. Method according to one of the claims 16 to 20, characterized in that the electron beam (14) is stabilised transversally by means of a longitudinal magnetic
field in the brillouin-equilibriun.
22. Method according to one of claims 16 to 21, characterized in that the intensity modulated electron beam (14) excites a narrow band HF-resonator in
the output circuit at an operating frequency (f).
23. Method according to one of the claims 16 to 22, characterized in that the electron beam (14) passes trough a homogeneous transversally aligned electric
alternating field (20).
24. Method according to one of the claims 16 to 23, characterized in that between 50 % and 80 % of the electron beam energy is deflected from the electron
beam axis (5).
25. Method according to one of the preceeding claims 16 to 24, characterized in that the deflected part of the electron beam is catched in a biased collector (9) with
opposing field from -30 kV to -40 kV at an approximately constant electron energy
from 30 keV to 50 keV.
26. Method according to one of the claims 16 to 25, characterized in that the energy of the catched electrons is collected in a collector (9) with opposing
field and delivered to the cathode of the electron beam gun (6) as charging current.
27. Method according to one of claims 16 to 26, characterized in that the none-deflected electron packets are moved along the electron beam axis (14) in
the time distance of an operating frequency (f) and
enter into an output circuit (21) of the apparatus, which is designed as a resonator
(15), at a main acceleration voltage between 200 and 400 kV.
28. Method according to one of the claims 16 to 27, characterized in that a resonator (15) starts up in the output circuit (21) of the apparatus,
wherein high frequency fields in the resonator (15) absorb the energy of the electrons,
decelerate them and feed an output conduction, preferable a coax cable head (24),
and/or a hollow conductor.
29. Method according to one of the claims 16 to 28, characterized in that a remaining energy of the electrons is delivered in a main collector (13).
30. Method according to one of the claims 16 to 29, characterized in that for an electronic deflection in the high frequency deflector (7) for an operating
frequency (f) the controlled high frequency signal consists of a main component at
the frequency (f/2) and superposition of the frequency (5f/2) with an amplitude ratio
of 5:1.
31. Method for accelerating ion beams which is executed with an apparatus comprising
- an ion accelerator tank (1) with a central recipient axis (2) for guiding and accelerating
of a pulsed ion beam (14) in the recipient axis (2) and
- a device (4) for forming and amplifying electron beam pulses with an electron beam
axis (5) for microstructuring and amplifying of current pulses for the supply of the
apparatus for ion beam acceleration with high frequency power, wherein
- the device (4) for forming and amplifying electron beam pulses is arranged with
its electron beam axis (5) transverse and shifted to the recipient axis (2) and generates
outside of the ion accelerator tank (1) an electron beam (14) with an electron gun
(6), and
- deflects by means of a high frequency deflector (7) and of a direct voltage deflector
(8) more than 50 % of the electron beam current in a collector (9) with opposing field
at frequencies from 100 MHz to 400 MHz in a clocked way for microstructuring the electron
beam (14), and
- an after-accelerator (10) introduces the electron beam (14) in the ion accelerator
tank (1) at an acceleration voltage of several 100 Kilovolt, preferably at 200 to
400 Kilovolt, and
- accelerates the ion beam (3) via a power coupling (11).
32. Method according to claim 31, characterized in that the electron beam (14) is subject to an intensity modulation corresponding to the
operating frequency (f) of the ion beam (3).
33. Method according to claim 31 or 32, characterized in that the collector (9) with opposing field receives up to 80 % of the electron beam energy.
1. Dispositif de formation et d'amplification d'impulsion de faisceau électronique, avec
(a) un canon à électrons (6),
(b) un déflecteur à haute fréquence (7),
(c) un déflecteur à tension continue (8),
(d) un collecteur à champ contraire (9),
(e) un post-accélérateur (10)
(f) un coupleur de puissance (11) pour le couplage de la puissance du faisceau électronique
(14) à un récepteur (12), et
(g) un collecteur principal (13) pour capturer la puissance résiduelle du faisceau
électronique (14),
où les composants de dispositif (a) à (g) sont disposés successivement dans la direction
du faisceau électronique (14).
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le récepteur (12) est une antenne (23) d'une extrémité de câble coaxial (24), laquelle
pénètre dans un résonateur (15) couplé au faisceau électronique (14) par une fente
annulaire (25) entourant ledit faisceau électronique (14).
3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le récepteur (12) est un coupleur d'antenne d'un conducteur creux, ledit coupleur
d'antenne pénétrant dans un résonateur (15) entourant le faisceau électronique (14)
par une fente annulaire (25).
4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le récepteur (12) est une fenêtre de couplage vers un conducteur creux, la fenêtre
de couplage s'ouvrant vers un résonateur (15) entourant le faisceau électronique (14)
par une fente annulaire (25).
5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le canon à faisceau d'électrons (6) est un canon à faisceau d'électrons de type Pierce.
6. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le déflecteur à haute fréquence (7) comprend un champ alternatif (20) homogène à
direction transversale.
7. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le déflecteur à tension continue (8) comprend un champ électrique (19) transversal
inhomogène temporellement constant.
8. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le coupleur de puissance (11) comprend un résonateur (15) dans son circuit de sortie
(21).
9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que le circuit de sortie (21) comprend une cavité (26) annulaire à une fente en tant
que résonateur (15).
10. Dispositif d'accélération de faisceau ionique, comprenant :
(A) un réservoir d'accélération ionique (1) avec un axe de réservoir central (2) pour
le guidage et l'accélération d'un faisceau ionique pulsé (3) dans l'axe de réservoir
(2),
(B) un dispositif de formation et d'amplification d'impulsion de faisceau électronique
(4) selon l'une des revendications 1, 5 à 9, avec un axe de faisceau électronique
(5) pour la microstructuration et l'amplification d'impulsions de courant pour l'alimentation
en puissance à haute fréquence du dispositif d'accélération de faisceau ionique, où
le dispositif de formation et d'amplification d'impulsion de faisceau électronique
(4) est disposé de manière que son axe de faisceau électronique (5) soit perpendiculaire
et décalé par rapport à l'axe de réservoir (2) et comprenne à l'extérieur du réservoir
d'accélération ionique (1)
(a) un canon à électrons (6),
(b) un déflecteur à haute fréquence (7),
(c) un déflecteur à tension continue (8),
(d) un collecteur à champ contraire (9), et
(e) un post-accélérateur (10)
et à l'intérieur du réservoir d'accélération ionique
(f) un coupleur de puissance (11) pour le couplage de la puissance du faisceau électronique
(14) à un récepteur (12),
(g) un collecteur principal (13) pour capturer la puissance résiduelle du faisceau
électronique (14),
le récepteur (12) étant le faisceau ionique pulsé (3).
11. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que le coupleur de puissance (11) comprend un résonateur (15) avec une fente annulaire
supérieure (16) entourant radialement le faisceau électronique (14) et avec une fente
annulaire inférieure (17) entourant radialement le faisceau électronique (14) dans
le réservoir d'accélération ionique (1).
12. Dispositif selon l'une des revendications 10 à 11, caractérisé en ce que le coupleur de puissance (11) comprend un étage de couplage (18) situé entre des
fentes annulaires (16, 17), qui entoure coaxialement le faisceau électronique (14)
et est disposé radialement décalé et transversalement par rapport au faisceau ionique
(3) à l'intérieur du réservoir d'accélération ionique (1), ledit étage de couplage
(18) étant fixé sur un support de tube de glissement (19) du faisceau ionique (3).
13. Dispositif amplificateur de puissance à haute fréquence,
en particulier pour l'alimentation en puissance à haute fréquence d'un dispositif
d'accélération de faisceau ionique avec une cavité, comprenant :
un réservoir à vide avec un axe de réservoir central pour la génération et l'accélération
d'un faisceau électronique pulsé (14) le long de l'axe de réservoir, où
un dispositif de formation et d'amplification d'impulsion de faisceau électronique
(4) selon la revendication 1 est disposé de manière que son axe de faisceau électronique
(5) soit perpendiculaire et décalé par rapport à un axe de réservoir (2) d'un réservoir
d'accélération ionique (1) et comprenne à l'extérieur du réservoir d'accélération
ionique (1)
(a) un canon à électrons (6),
(b) un déflecteur à haute fréquence (7),
(c) un déflecteur à tension continue (8),
(d) un collecteur à champ contraire (9), et
(e) un post-accélérateur (10)
et à l'intérieur du réservoir d'accélération ionique
(f) une première ainsi qu'une deuxième fente pour le couplage de la puissance du faisceau
électronique (14) au faisceau ionique (3), et
(g) un collecteur principal (13) pour capturer la puissance résiduelle du faisceau
électronique (14).
14. Dispositif selon la revendication 13, caractérisé en ce qu'un circuit de sortie comprend un coupleur de puissance pour injection dans un guide
d'ondes.
15. Dispositif selon la revendication 14, caractérisé en ce que le circuit de sortie est exécuté comme cavité à une fente.
16. Procédé de formation et d'amplification d'impulsion de faisceau électronique, comprenant
les étapes suivantes :
génération d'un faisceau électronique (14) au moyen d'un canon à faisceau d'électrons
(6),
exposition du faisceau électronique (14) à un champ alternatif transversal à haute
fréquence (20) en déviant simultanément le faisceau électronique (14) sous haute fréquence,
déflexion sous haute fréquence d'une part allant jusqu'à 80 % de l'énergie du faisceau
électronique, vers un collecteur (9) à champ contraire, au moyen d'un déflecteur à
haute fréquence (7) et d'un déflecteur à tension continue (8),
post-accélération du faisceau électronique (14) modulé sous haute fréquence, pour
former des impulsions de faisceau électronique,
découplage de l'énergie à haute fréquence par un coupleur de puissance (11).
17. Procédé selon la revendication 16, caractérisé en ce que le découplage de l'énergie à haute fréquence est réalisé par une extrémité de câble
coaxial (24) pénétrant avec une antenne (23) dans un compartiment de résonateur annulaire
(27) qui communique avec le faisceau électronique (14) à haute fréquence riche en
énergie par une fente annulaire (25) entourant ledit faisceau électronique (14).
18. Procédé selon la revendication 16 ou la revendication 17, caractérisé en ce que le découplage de l'énergie à haute fréquence est réalisé par un conducteur creux
pénétrant avec une antenne de couplage dans un compartiment de résonateur annulaire
(27) qui communique avec le faisceau électronique (14) à haute fréquence riche en
énergie par une fente annulaire (25) entourant ledit faisceau électronique (14).
19. Procédé selon l'une des revendications 16 à 18, caractérisé en ce que le découplage de l'énergie à haute fréquence est réalisé par un conducteur creux
raccordé à un résonateur annulaire (27) par une fenêtre de couplage, le résonateur
(15) communiquant avec le faisceau électronique (14) par une fente annulaire (25)
entourant ledit faisceau électronique (14).
20. Procédé selon l'une des revendications 16 à 19, caractérisé en ce qu'un faisceau électronique (14) à constante de charge d'espace élevée est généré conformément
à la loi de Child-Langmuir par un canon à faisceau d'électrons (6) avec un faisceau
électronique compris entre 20 A et 60 A, de préférence entre 30 A et 50 A, pour une
tension d'accélération (UC) comprise entre 20 kV et 60 kV, de préférence entre 30 kV et 50 kV.
21. Procédé selon l'une des revendications 16 à 20, caractérisé en ce que le faisceau électronique (14) est stabilisé transversalement en équilibre Brillouin
au moyen d'un champ magnétique longitudinal.
22. Procédé selon l'une des revendications 16 à 21, caractérisé en ce que le faisceau électronique (14) modulé en intensité excite un résonateur HF à bande
étroite dans le circuit de sortie à une fréquence de service (f).
23. Procédé selon l'une des revendications 16 à 22, caractérisé en ce que le faisceau électronique (14) traverse un champ électrique alternatif (20) homogène
à direction transversale.
24. Procédé selon l'une des revendications 16 à 23, caractérisé en ce qu'une part d'énergie du faisceau électronique comprise entre 50 % et 80 % est déviée
de l'axe de faisceau électronique (5).
25. Procédé selon l'une des revendications 16 à 24, caractérisé en ce que, pour une énergie des électrons sensiblement constante comprise entre 30 keV et 50
keV dans un collecteur (9) polarisé à champ contraire de -30 kV à -40 kV, la part
dérivée du faisceau électronique est capturée.
26. Procédé selon l'une des revendications 16 à 25, caractérisé en ce que l'énergie d'électrons capturés est recueillie dans un collecteur (9) à champ contraire
et délivrée au canon à faisceau d'électrons (6) en tant que courant de charge de la
cathode.
27. Procédé selon l'une des revendications 16 à 26, caractérisé en ce que les paquets d'électrons non dérivés sont déplacés le long de l'axe du faisceau électronique
(14) à intervalle temporel d'une fréquence de service (f), et pénètrent avec une tension
d'accélération principale comprise entre 200 et 400 kV dans un circuit de sortie (21)
du dispositif réalisé comme résonateur (15).
28. Procédé selon l'une des revendications 16 à 27, caractérisé en ce qu'un résonateur (15) est amorcé dans le circuit de sortie (21) du dispositif, des champs
à haute fréquence capturant l'énergie des électrons dans le résonateur (15), freinant
celle-ci et alimentant une ligne de sortie, de préférence une extrémité de câble coaxial
(24) et/ou un conducteur creux.
29. Procédé selon l'une des revendications 16 à 28, caractérisé en ce qu'une énergie résiduelle des électrons est délivrée à un collecteur principal (13).
30. Procédé selon l'une des revendications 16 à 29, caractérisé en ce que, pour une déviation électronique dans le déflecteur à haute fréquence (7) pour une
fréquence de service (f), le signal à haute fréquence commandé est constitué d'un
composant principal à la fréquence (f/2) et d'une superposition de la fréquence (5f/2)
avec un rapport d'amplitude 5:1.
31. Procédé d'accélération de faisceau ionique, exécuté avec un dispositif comprenant
:
- un réservoir d'accélération ionique (1) avec un axe de réservoir central (2) pour
le guidage et l'accélération d'un faisceau ionique pulsé (14) dans l'axe de réservoir
(2), et
- un dispositif de formation et d'amplification d'impulsion de faisceau électronique
(4) avec un axe de faisceau électronique (5) pour la microstructuration et l'amplification
d'impulsions de courant pour l'alimentation en puissance à haute fréquence du dispositif
d'accélération de faisceau ionique, où
- le dispositif de formation et d'amplification d'impulsion de faisceau électronique
(4) est disposé de manière que son axe de faisceau électronique (5) soit perpendiculaire
et décalé par rapport à l'axe de réservoir (2) et génère un faisceau électronique
(14) au moyen d'un canon à électrons (6) à l'extérieur du réservoir d'accélération
ionique (1), et où
- au moyen d'un déflecteur à haute fréquence (7) et d'un déflecteur à tension continue
(8), plus de 50 % du courant de faisceau électronique sont cycliquement dérivés vers
un collecteur (9) à champ contraire à des fréquences comprises entre 100 MHz et 400
MHz pour la microstructuration du faisceau électronique (14), et où
- un post-accélérateur (10) guide le faisceau électronique (14) vers le réservoir
d'accélération ionique (1) sous une tension d'accélération de plusieurs centaines
de Kilovolts, de préférence comprise entre 200 et 400 Kilovolts, et
- accélère le faisceau ionique (3) via un coupleur de puissance (11).
32. Procédé selon la revendication 31, caractérisé en ce que le faisceau électronique (14) est soumis à une modulation d'intensité qui correspond
à la fréquence de service (f) du faisceau ionique (3).
33. Procédé selon la revendication 31 ou la revendication 32, caractérisé en ce que le collecteur (9) à champ contraire capture jusqu'à 80 % de l'énergie du faisceau
électronique.
IN DER BESCHREIBUNG AUFGEFÜHRTE DOKUMENTE
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In der Beschreibung aufgeführte Nicht-Patentliteratur
- LORING C JR et al.The Klysterode, a new high power electron tube for UHF industrial applicationJOURNAL
OF MICROWAVE POWER AND ELECTROMAGNETIC ENERGY, 1993, vol. 28, 3174-182 [0004]