helix shaped hollow-beam klystron

• Applicant: Professor Dr.-Ing. Heino Henke
• Subject Area: Electronic Semiconductors, Components and Circuits, Integrated Systems, Sensor Technology, Theoretical Electrical Engineering
• Term: from 2012 to 2015
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 215916061

• Final Report Year: 2018

Final Report Abstract

Bei Klystrons mit Rundstrahlen nimmt bei konstanter Stromdichte der mögliche Elektronenstrom mit dem Quadrat der Frequenz ab. Auswege bieten Band- oder Hohlstrahlen. Das vorliegende Projekt behandelt Hohlstrahl-Klystrons mit koaxialen Resonatoren die mit azimutal umlaufenden TM110 oder TM310 Moden arbeiten. Dadurch entstehen korkenzieherförmige Strahlen mit erniedrigten Raumladungskräften. Der Entwurf eines X-Band Klystrons für hohe Leistungen konnte die Gültigkeit des Konzeptes nachweisen. Die angenommene Strahlspannung war 100 kV, der Strom 10 A. Mit einem einzigen „Idler“ Resonator wurden 49 dB Leistungsverstärkung und 50% Wirkungsgrad erreicht. Zur Fokussierung wurde ein homogenes Magnetfeld angenommen. Ein zweites Beispiel behandelt den Entwurf eines W-Band Klystrons. Die Besonderheit dabei war eine Frequenzverdreifachung von 30 auf 90 GHz. Eingangsresonator, „Idler“ und „Penultimate“ Resonatoren arbeiten bei 30 GHz mit einer TM110 Mode und der Ausgangsresonator bei 90 GHz mit einer TM310 Mode. Auch die Gültigkeit dieses Konzepts konnte nachgewiesen werden. Erreicht wurden mit einem Strahl von 50 kV und 1 A ein Wirkungsgrad von 2.3% und eine Leistungsverstärkung von 15dB. Dies erscheint wenig, aber die Werte für Rund- oder Bandstrahl Klystrons liegen in demselben Bereich. Wegen des erheblichen mechanischen Aufwands erscheint dieser Weg dennoch nicht wirklich attraktiv. Zwei Entwürfe für Elektronenkanonen schließen das Projekt ab. Ein Entwurf ist für das X- Band Klystron ohne Kompression des Strahls. Der andere Entwurf, für das W-Band Klystron, sieht eine Kompression des Strahls von 3mm Dicke auf 0.3mm vor.

Publications

• Corkscrew Modulated Hollow-Beam Klystron for High Power and Frequency Multiplying Applications, IEEE Intern. Conf. IVEC 2013, Paris
  A. Grede, H. Henke
  
• Output Cavity Design for a Corkscrew Hollow-Beam Klystron at X-Band, VDE, GEMIC 2014, Aachen
  J. Nie, A. Grede, H. Henke
  
• Tentative Design for a Corkscrew-Modulated Hollow-Beam Klystron at X-Band, IEEE Intern. Conf. IVEC 2014, Monterey
  J. Nie, A. Grede, H. Henke
  
• X-Band Hollow-Beam Klystron Design with Corkscrew-Modulation, 4th ITG International Vacuum Electronics Workshop 2014, Bad Honnef, Germany, 12-14 October 2014
  J. Nie, H. Henke, A. Grede
  
• Tentative Design of a W-Band Hollow-Beam Klystron for Frequency Tripling. 5th ITG workshop 2016, Bad Honnef, Germany, 7-9 September 2016
  J. Nie, H. Henke
  
• Tentative Designs of X-Band and W-Band Klystrons with Modulated Hollow Beam, 6th ITG International Vacuum Electronics Workshop 2018, Bad Honnef, Germany, 5-7 September 2018
  J. Nie