Recent Development Microwavetube

8/12/2019 Recent Development Microwavetube

1/13

PROCEEDINGS OF THE I - R - ESome Recent A d v a n c e s i n M i c r o w a v e T u b e s *

J . R . PIERCEt, FELLOW, IRES u m m a r y - T h i s i s a r e v i e w p a p e r w h i c h d i s c u s s e s i n s i m p l et e r m s h i g h - p o w e r k l y s t r o n s , d o u b l e - t u n e d c i r c u i t s f o r r e f l e x k l y s -t r o n s , n o i s e i n t r a v e l i n g - w a v e t u b e s a n d i t s r e d u c t i o n b y v e l o c i t y -j u m p o r s p a c e - c h a r g e - w a v e d e a m p l i f i c a t i o n , p e r i o d i c m a g n e t i c f o c u s -i n g o f e l e c t r o n b e a m s , a n d t h e b a c k w a r d - w a v e o s c i l l a t o r .T WOULD BE a l m o s t i m p o s s i b l e t o w r i t e a p a p e rp r e s e n t i n g a l l r e c e n t a d v a n c e s o f a l l s o r t s i n t h e f i e l do f m i c r o w a v e t u b e s . F o r o n e t h i n g , t h e r e i s a g r e a td e a l o f c l a s s i f i e d w o r k o n m i c r o w a v e t u b e s . P a r t i c u l a r l y ,much o f t h e w o r k o n t u b e s f o r r a d a r , s u c h a s p u l s e dm a g n e t r o n s , i s c l a s s i f i e d , a n d we m ay e x p e c t t h a t t h i n g sw h i c h a r e i m p o r t a n t a n d new i n t h i s f i e l d w i l l b e c l a s s i -f i e d . T h e r e i s o t h e r c l a s s i f i e d t u b e w o r k a s w e l l .E v e n a s i d e f r o m t h e p r o b l e m o f c l a s s i f i c a t i o n , h o w -

e v e r , t h e r e i s t h e p r o b l e m o f t h e many s o r t s a n d t h eg re at e x t e n t o f m i c r o w a v e t ub e w o r k . I n t h i s p a p e r ,t h e n , c e r t a i n p a r t i c u l a r a d va n c e s w hi c h t h e w r i t e r b e -l i e v e s m ay b e o f i n t e r e s t o r o f u s e t o e n g i n e e r s o u t s i d e o ft h e t u b e f i e l d h a v e b e e n s e l e c t e d t o r e p r e s e n t p r o g r e s si n t h e f i e l d , a n d t h e s e w i l l b e d e s c r i b e d b r i e f l y . N o t h i n ga t a l l w i l l b e s a i d a b o u t m a g n e t r o n s , p a r t l y b e c a u s e o ft h e p r o b l e m o f c l a s s i f i c a t i o n , a n d p a r t l y b e c a u s e o f t h ew r i t e r s u n f a m i l i a r i t y w i t h t h e s u b j e c t a n d h i s b e l i e ft h a t h e c o u l d n o t t r e a t i t f a i r l y . E x p e r t s i n v a r i o u s o t h e rf i e l d s m ay a l s o f e e l t h a t s o m e t h i n g t h e y w o u l d l i k e t oh a v e s e e n h e r e h a s b e e n s l i g h t e d , a n d f o r t h i s t h e w r i t e rc a n o n l y a p o l o g i z e .A d v a n c e s a r e o f many d i f f e r e n t s o r t s , s o t h a t i t i s n o to n l y among t h e m o s t r e c e n t t y p e s o f t u b e s t h a t w es h o u l d l o o k f o r a d v a n c e s . K l y s t r o n s m ay now seem v e r yo l d t o some o f u s , f o r t h e V a r i a n s d e s c r i b e d t h e m i n1 9 3 9 , t h a t i s , f i f t e e n y e a r s a g o . R e c e n t l y , h o w e v e r , t h e r eh a s b e e n a p a r t i c u l a r s o r t o f a d v a n c e i n t h e f i e l d o fk l y s t r o n s : T u b e s w i t h v e r y h i g h p o w e r s h a v e b e e n m a d ea n d p u t t o p r a c t i c a l u s e .F i g . 1 s h o w s t h e e s s e n t i a l p a r t s o f a k l y s t r o n . A t t h el e f t i s t h e c a t h o d e , f r o m w h i c h a l o n g e l e c t r o n b e a m i sa c c e l e r a t e d , f i n a l l y t o b e c o l l e c t e d a t t h e c o l l e c t o r t o t h er i g h t . T h e b e a m f i r s t p a s s e s t h r o u g h t h e i n p u t r e s o n a t o r .Th e i n p u t s i g n a l p r o d u c e s a l o n g i t u d i n a l e l e c t r i c f i e l da c r o s s t h e p a r t o f t h e r e s o n a t o r t h r o u g h w h i c h t h e beamp a s s e s . T h i s f i e l d a l t e r n a t e l y r e t a r d s a n d a c c e l e r a t e s t h ee l e c t r o n s p a s s i n g t h r o u g h t h e r e s o n a t o r . Th e r e t a r d e da n d t h e a c c e l e r a t e d e l e c t r o n s a l l t r a v e l a l o n g t h r o u g h ad r i f t s p a c e . T h e r e , t h e a c c e l e r a t e d e l e c t r o n s c a t c h u pw i t h t h e r e t a r d e d e l e c t r o n s w h i c h l e f t t h e i n p u t r e s o -n a t o r e a r l i e r , s o t h a t b u n c h e s a r e f o r m e d . T h e s e b u n c h e sa r e c o m p o s e d o f e l e c t r o n s w h i c h p a s s e d t h r o u g h t h e i n -p u t r e s o n a t o r w h i l e t h e f i e l d was c h a n g i n g f r o m r e t a r d -* O r i g i n a l m a n u s c r i p t r e c e i v e d b y t h e I R E , S e p t e m b e r 3 0 ,1 9 5 4 .t B e l l T e l e p h o n e L a b o r a t o r i e s , I n c . , M u r r a y H i l l , N . J .

i n g t o a c c e l e r a t i n g . T h e s e b u n c h e s p a s s t h r o u g h t h e o u t -p u t r e s o n a t o r a n d i n d u c e a c u r r e n t f r o m w h i c h t h e o u t -p u t i s d e r i v e d .

F i g . 1 - T h i s s c h e m a t i c d i a g r a m s h o w s t h e i m p o r t a n t p a r t s o f t h ek l y s t r o n a m p l i f i e r . An e l e c t r o n beam o r i g i n a t e s a t a c a t h o d e a n di s f i n a l l y c o l l e c t e d a t a c o l l e c t o r . C o m m o n l y , i t i s f o c u s e d b y al o n g i t u d i n a l m a g n e t i c f i e l d . Th e l o n g i t u d i n a l r a d i o - f r e q u e n c ye l e c t r i c f i e l d a c r o s s t h e i n p u t r e s o n a t o r a l t e r n a t e l y s l o w s d o w n a n ds p e e d s u p t h e e l e c t r o n s w h i c h p a s s t h r o u g h i t . I n t h e d r i f t s p a c e ,t h e f a s t e l e c t r o n s c a t c h u p w i t h t h e s l o w e l e c t r o n s w h i c h l e f te a r l i e r , a n d s o t h e e l e c t r o n beam i s b u n c h e d . Th e b u n c h e s i n d u c ea s i g n a l i n t h e o u t p u t r e s o n a t o r w h e n t h e y p a s s t h r o u g h i t . Byu s e o f a n i n t e r m e d i a t e r e s o n a t o r , i n e f f e c t a t w o - s t a g e a m p l i f i e ri s o b t a i n e d i n o n e t u b e .S o m e t i m e s a n i n t e r m e d i a t e r e s o n a t o r i s p l a c e d b e -t w e e n t h e i n p u t a n d o u t p u t t o g i v e , i n e f f e c t , a t w o - s t a g ea m p l i f i e r i n o n e t u b e . Th e b u n c h e d e l e c t r o n beam p r o -d u c e s a f i e l d a c r o s s t h e i n t e r m e d i a t e r e s o n a t o r , a n d t h i sa g a i n r e t a r d s a n d a c c e l e r a t e s t h e b e a m , t h a t i s , v e l o c i t ym o d u l a t e s i t , a n e w . I n t u b e s f o r v e r y b r o a d - b a n do p e r a t i o n , s e v e r a l i n t e r m e d i a t e r e s o n a t o r s m ay b e u s e d .Th e f o u r - f o o t t u b e s o f F i g . 2 , o n t h e f o l l o w i n g p a g e ,s h o w t h a t k l y s t r o n s h a v e b e c o m e b i g b u s i n e s s , a t l e a s ta s f a r a s p o w e r a n d s i z e g o . Th e t u b e i l l u s t r a t e d i s t h eS t a n f o r d p u l s e d k l y s t r o n . 1 - 2 T h i s 1 0 . 5 cm a m p l i f i e r o r -d i n a r i l y o p e r a t e s a t 3 0 0 k i l o v o l t s w i t h a beam c u r r e n to f 1 9 0 a m p e r e s , g i v i n g a n i n p u t o f 5 7 m e g a w a t t s . A t 3 0p e r c e n t e f f i c i e n c y t h e o u t p u t i s 1 7 m e g a w a t t s . A m o d i -f i e d v e r s i o n o f t h i s t u b e h a s b e e n o p e r a t e d a t 3 7 0 k v a n d

1 9 0 a m p e r e s a t 4 3 p e r c e n t e f f i c i e n c y , g i v i n g a 3 0 m e g a -w a t t p u l s e d o u t p u t .I n t h e l e f t i n F i g . 2 t h e t u b e i s s h o w n w i t h o u t f o c u s i n gc o i l s . Th e c a t h o d e i s l o c a t e d a t t h e b o t t o m . S t i c k i n g o u tt o t h e l e f t we s e e a p u m p i n g c o n n e c t i o n . Th e i n p u t a n do u t p u t w a v e g u i d e s e x t e n d t o t h e r i g h t f r o m t h e i n p u ta n d o u t p u t r e s o n a t o r s , a n d t h e i n t e r m e d i a t e r e s o n a t o rm ay b e s e e n b e t w e e n t h e s e . To t h e r i g h t t h e t u b e i sI M. C h o d o r o w , E . L . G i n z t o n , a n d E . J . N a l o s , T h e d e b u n c h i n go f e l e c t r o n b e a m s , P R O C . I . R . E . , v o l . 4 1 , p p . 9 9 9 - 1 0 0 3 ; A u g u s t ,1 9 5 3 .2 M . C h o d o r o w , E . L . G i n z t o n , I . R . N i e l s o n , a n d S . S o n k i n , D e s i g n a n d p e r f o r m a n c e o f a h i g h - p o w e r p u l s e d k l y s t r o n , P R O C .I . R . E . , v o l . 4 1 , p p . 1 5 8 4 - 1 6 0 2 ; N o v e m b e r , 1 9 5 3 .

1 9 5 4 1 7 3 5


2/13

PROCEEDINGS OF THE I-R-Es h o w n w i t h t w o m a g n e t i c f o c u s i n g c o i l s . T w e n t y - o n es u c h t u b e s w i l l b e u s e d i n c o n n e c t i o n w i t h t h e S t a n f o r dl i n e a r a c c e l e r a t o r t o g i v e e l e c t r o n s a d e s i g n e n e r g y o f o n eb i l l i o n e l e c t r o n v o l t s ; w i t h a p a r t i a l c o m p l e m e n t o ft u b e s a n e n e r g y o f 5 9 5 m ev h a s b e e n r e p o r t e d .

e x i s t s a n d , t h r o u g h a n a d v a n c e i n c i r c u i t r y , a c h i e v e ane w r e s u l t w i t h i t . T h e r e f l e x k l y s t r o n i s a n o l d t y p eo f t u b e . 3 M uch g o o d w o r k h a s b e e n d o n e i n u n d e r s t a n d -i n g i t s f u n c t i o n i n g a n d i n i m p r o v i n g i t s o p e r a t i o n . How-e v e r , b y a d d i n g a d o u b l e - t u n e d c i r c u i t t o a c o m m e r i c a lr e f l e x k l y s t r o n , E . D . R e e d was a b l e t o make a n i m p o r -t a n t a n d u s e f u l a d v a n c e . 4

F i g . 2-The S t a n f o r d h i g h - p o w e r p u l s e d k l y s t r o n . I t i s s h o w n a t t hel e f t w i t h o u t f o c u s i n g c o i l s , a n d a t r i g h t w i t h f o c u s i n g c o i l s a n dw i t h t h e w a t e r j a c k e t a r o u n d t h e f i n a l a n o d e o r c o l l e c t o r . T h el o w e r e n d h o u s e s t h e g u n . The l a r g e p i p e i s f o r p u m p i n g . A b o v e ,w e s e e t h e i n p u t r e s o n a t o r a n d w a v e g u i d e , t h e i n t e r m e d i a t er e s o n a t o r , t h e o u t p u t r e s o n a t o r a n d w a v e g u i d e , a n d t h e c o l l e c t o r .T h e t u b e p r o d u c e s a s much a s 3 0 m e g a w a t t s p u l s e d p o w e r a t aw a v e l e n g t h o f 1 0 c e n t i m e t e r s .Th e r i g h t - h a n d t u b e o f F i g . 3 i s a V a r i a n k l y s t r o n f o r

u s e i n t e l e v i s i o n t r a n s m i t t e r s . S i x m o d e l s o f t h i s t u b ea r e m a d e , c o v e r i n g t h e r a n g e f r o m 4 7 0 -8 9 0 m e g a c y c l e s .Th e t u b e i s l i n e a r t o a n o u t p u t o f 1 2 k i l o w a t t s . I t o p e r -a t e s a t 2 1 t o 3 a m p e r e s a n d 1 7 k i l o v o l t s a n d g i v e s ag a i n o f 2 7 d b . Th e r e q u i r e d d r i v e i s 6 0 w a t t s .T e l e v i s i o n k l y s t r o n s s o m e w h a t s i m i l a r t o t h e s e t u b e s ,b u t u s i n g c e r a m i c s e a l s a n d e x t e r n a l r e s o n a t o r s , a r emade b y E i t e l M c C u l l o u g h . S p e r r y h a s made a 4 m e g a -w a t t p u l s e d k l y s t r o n . O t h e r h i g h - p o w e r k l y s t r o n s h a v eb e e n made f o r a v a r i e t y o f p u r p o s e s .I h a v e q u o t e d t h e s e r e s u l t s o n k l y s t r o n s l a r g e l y t os h o w t h a t t h r o u g h a d v a n c e s i n t h e a r t , m i c r o w a v e t u b e sd o f i n a l l y r e a c h a s t a t e i n w h i c h t h e y a r e u s e d t o d o b i ga n d i m p o r t a n t j o b s . C e r t a i n l y , t h e f i n a l d e v e l o p m e n t o fa u s e f u l t u b e r e p r e s e n t s a n i m p o r t a n t a d v a n c e i n t h e a r t .H o w e v e r , m o s t o f t h e o t h e r t h i n g s t h a t I w i l l d e s c r i b ea r e a d v a n c e s w h i c h a r e s t i l l i n a much e a r l i e r s t a t e , a n dmany o f t h e s e m ay n ot b e a p p l i e d p r a c t i c a l l y f o r a num-b e r o f y e a r s .L e t u s now c o n s i d e r how s o m e o f t h e s e o t h e r a d v a n c e si n m i c r o w a v e t u b e s h a v e b e e n m a d e . One way i n w h i c ho n e c a n make a n a d v a n c e i s t o t a k e a t u b e w h i c h a l r e a d yI e J . R . P i e r c e a n d W. G . S h e p h e r d , R e f l e x o s c i l l a t o r s , B e l l Sysi.

Tech. Jour., vol. 25 , pp. 460-690; July, 1947.

F i g . 3 - V a r i a n t e l e v i s i o n k l y s t r o n c o m p a r e d w i t h a l o w - p o w e r m i c r o -w a v e k l y s t r o n . Th e l a r g e t u b e i s l i n e a r t o a 1 2 k w o u t p u t .

F i g . 4 s h o w s a r e f l e x k l y s t r o n . An e l e c t r o n beam f r o mt h e c a t h o d e c r o s s e s a r e s o n a t o r i n w h i c h t h e r e i s a n a l -t e r n a t i n g e l e c t r i c f i e l d . T h i s a l t e r n a t e l y a c c e l e r a t e s a n dr e t a r d s t h e e l e c t r o n s . Th e v e l o c i t y - m o d u l a t e d e l e c t r o nbeam e n t e r s a r e g i o n o f r e t a r d i n g f i e l d , p r o d u c e d b y an e g a t i v e r e p e l l e r . J u s t a s i n t h e c a s e o f t h r o w i n g o b j e c t su p a g a i n s t t h e r e t a r d i n g f i e l d o f g r a v i t y , t h e f a s t e r t h ei n i t i a l v e l o c i t y , t h e l o n g e r t h e o b j e c t ( a n e l e c t r o n i n t h i sc a s e ) t a k e s t o r e t u r n . T h u s , i n t h e r e t a r d i n g f i e l d p r o -d u c e d b y t h e r e p e l l e r , t h e s l o w e d - d o w n e l e c t r o n s c a t c hu p w i t h t h e s p e e d e d - u p e l e c t r o n s w h i c h l e f t e a r l i e r , s ot ha t t h e e l e c t r o n s w h i c h p a s s t h r o u g h t h e r e s o n a t o rw h i l e t h e f i e l d i s c h a n g i n g f r o m a c c e l e r a t i n g t o r e t a r d i n ga r e b u n c h e d t o g e t h e r a s t h e y r e t u r n . Th e b u n c h e d e l e c -t r o n b e a m s u s t a i n s o s c i l l a t i o n i n t h e r e s o n a t o r , a n d p r o -v i d e s t h e p o w e r o u t p u t .When t h e r e p e l l e r v o l t a g e i s c h a n g e d , t h e p h a s e o f t h eb u n c h e d c u r r e n t w h i c h r e t u r n s t h r o u g h t h e r e s o n a t o r i sc h a n g e d , a n d t h e o s c i l l a t o r i s t u n e d e l e c t r o n i c a l l y . F i g . 5s h o w s s o m e e l e c t r o n i c t u n i n g c h a r a c t e r i s t i c s i n w h i c ho u t p u t p o w e r i s p l o t t e d v s r e p e l l e r v o l t a g e . T h a t a t t h e

4 E . D . R e e d , A c o u p l e d r e s o n a t o r r e f l e x k l y s t r o n , B e l l S y s tT e c h . J o u r . , v o l . 3 2 , p p . 7 1 5 - 7 6 6 ; M a y , 1 9 5 3 .

D e c e m b e r7 3 6


3/13

P i e r c e : S o m e R e c e n t A d v a n c e s i n M i c r o w a v e T u b e s

F. ~ ~~~~ReZ- - E R\ P ( P t L L L R .

O ( Y T U T r r L / V tF i g . 4-The e s s e n t i a l p a r t s o f a r e f l e x k l y s t r o n . The e l e c t r o n s f r o mt h e c a t h o d e a r e v e l o c i t y m o d u l a t e d i n p a s s i n g t h r o u g h t h e r e s o n a -

t o r . I n t h e r e t a r d i n g f i e l d p r o d u c e d b y t h e r e p e l l e r , t h e s l o we l e c t r o n s c a t c h u p w i t h t h e f a s t e l e c t r o n s w h i c h l e f t e a r l i e r .C h a n g i n g t h e r e p e l l e r v o l t a g e c h a n g e s f r e q u e n c y o f o p e r a t i o n .t o p i s s m o o t h a n d f a i r l y t y p i c a l . Th e c h a r a c t e r i s t i c s a tt h e b o t t o m s h o w h y s t e r e s i s . A s t h e r e p e l l e r v o l t a g e i ss w e p t b a c k a n d f o r t h , t h e p o w e r v s v o l t a g e c u r v e d o e sn o t r e t r a c e i t s e l f , a n d , i n d e e d , t h e f r e q u e n c y j u m p s s o

t o )SECONDARY RESONATOR COM-PLETELY DECOUPLED. HALF POWERELECTRONIC TUNING RANGE EOUALTO 49 M C.(PEAK POWER 100 MW

( b ) cSECONDARY RESONATOR COUPLING MODE SHAPE FOR CONDITION OFAND O ADJUSTED FORFLAT TOPPED CRITICAL COUPLING, L . e . ( C k K =MODE SHAPE. BANDWIDTH FORPOWER VARIATION OF t 0.? DB ISS9 M C.

LOAD HYSTERESIS DUE TO OVER-COUPLING, L . e . O K > I( e )SAME As ( d ) EXCEPT FO RUNIDIRECTIONAL SAWTOOTH

REPELLER SWEEP

F i g . 5 - O s c i l l o g r a p h i c t r a c e s s h o w i n g output versus r e p e l l e r v o l t a g ef o r a r e f l e x k l y s t r o n . T h e q u e e r - s h a p e d l o w e r c u r v e s i n d i c a t em u l t i p l e resonance o f t he c i r c u i t .

t h a t c e r t a i n c e n t r a l f r e q u e n c i e s a r e n e v e r r e a c h e d . T h i sc o n d i t i o n w a s a c c i d e n t a l l y i n t r o d u c e d i n t o c e r t a i n w a r -t i m e r a d a r e q u i p m e n t , a n d i t l e d t o t h e u n w a r r a n t e d r e -j e c t i o n o f t u b e s f o r f a u l t s o f t h e c i r c u i t .R e e d k n e w t h a t s u c h q u e e r r e p e l l e r c h a r a c t e r i s t i c sc a n b e p r o d u c e d b y d o u b l y r e s o n a n t c i r c u i t s , a n d h e d e -c i d e d t o f i n d o u t how t o p r o d u c e g o o d r e p e l l e r c h a r a c t e r -i s t i c s w i t h s u c h c i r c u i t s a s w e l l . He u s e d a S y l v a n i a6 BL 6 r e f l e x k l y s t r o n i n a d o u b l e - t u n e d c i r c u i t , a ss h o w n i n F i g . 6 . I n t h i s c i r c u i t t h e p r i m a r y c a v i t y s u r -r o u n d i n g t h e k l y s t r o n i s c o u p l e d , n o t o n l y t o t h e l o a d ,b u t t o a s e c o n d a r y c a v i t y o f a d j u s t a b l e l o s s a n d f r e -q u e n c y a s w e l l .

6 BL e

PRIMARY_CAVITY

TUNING -PLUNGER_ q w TUNINGA D J U S T M E N T

F i g . 6- A r e f l e x k l y s t r o n w i t h a d o ub l e -t u n ed c i r c u i t . T h e p r i m a r yc a v i t y i s c o u p l e d , n o t o n l y t o t h e l o a d , b u t t o a s e co nd a ry c a v i t yo f a d j u s t a b l e Q a s w e l l .I n F i g . 7 , o n t h e f o l l o w i n g p ag e, t he a d m i t t a n c e s e e na t t h e g a p o f t h e k l y s t r o n i s p l o t t e d , s u s c e p t a n c e v s c o n -d u c t a n c e , w i t h f r e q u e n c y a s a p a ra me t er . Th e s t r a i g h tv e r t i c a l l i n e t o t h e l e f t r e p r e s e n t s t h e b e h a v i o r o f a s i n -g l e - t u n e d c i r c u i t , f o r w h i c h , i n t h e v i c i n i t y o f r e s o n a n c e ,t h e c o n d u c t a n c e r e ma i n s c o n s t a n t a n d t h e s u s c e p t a n c ei n c r e a s e s u n i f o r m l y w i t h f r e q u e n c y . Th e l o o p e d c ur ve st o t h e r i g h t a r e f o r v e r y s t r o n g c o u p l i n g b e t w e e n t h er e s o n a t o r s . I n t h i s c a s e , a s t h e f r e q u e n c y i s i n c r e a s e d t h es u s c e p t a n c e a t f i r s t i n c r e a s e s w i t h f r e q u e n c y a n d t h e n ,i n t r a v e r s i n g t h e l o o p , d e c r e a s e s w i t h f r e q u e n c y , a n d

t h e n i t i n c r e a s e s a g a i n . At t h e f r eq u e nc i es c o r r e s p o n d i n gt o t h e r i g h t - m o s t p a r t o f t h e l o o p , t h e t u b e c a n n o t o s c i l -l a t e s t a b l y .By c o m b i n i n g t h e o r e t i c a l k n o w l e d g e c o n c e r n i n g t h ee l e c t r o n i c a d m i t t a n c e o f a r e f l e x k l y s t r o n a s a f u n c t i o no f a m p l i t u d e o f o s c i l l a t i o n w i t h c i r c u i t - a d m i t t a n c e i n -f o r m a t i o n a s i l l u s t r a t e d i n F i g . 7 , R e e d w a s a b l e t oc a l c u l a t e t h e o r e t i c a l c u r v e s o f a m p l i t u d e a n d f r e q u e n c yv e r s u s r e p e l l e r v o l t a g e . I n F i g . 8 , o n t h e f o l l o w i n g p a g e ,t h e a b s c i s s a i n c u r v e s b a n d c i s n o r m a l i z e d d r i f t a n g l e ,w h i c h v a r i e s w i t h r e p e l l e r v o l t a g e b u t a l s o c h a n g e s w i t hf r e q u e n c y . C u r v e b s h o w s p o w e r v e r s u s n o r m a l i z e d d r i f t

1 7 3 79 5 4


4/13

o 31-o ia. t

D e c e m b e r

0.94 0.96 0.98 1.00 1 . 0 4 LX 1 . 0 0NORM LiZED DRIFT ANGLE ( 3 3 MODE)

F i g . 8-Computed p e r f o r m a n c e c urv e s f o r a r e f l e x k l y s t r o n w i t h ad o u b l e - t u n e d c i r c u i t . I n i t , power output i s p l o t t e d v er s u s d r i f ta n g l e , w h i c h may b e v a r i e d by c h a n g i n g resonator v o l t a g e . Anincrease i n t h e parameter QK means an i n c r e a s e i n c o u p l i n g . In b ,a q u a n t i t y Q 5 , p r o p o r t i o n a l t o t h e f r e q u e n c y d e v i a t i o n , i s p l o t t e dv er s u s n o r m a l i z e d d r i f t a n g l e .

9F i g . 7 - A d m i t t a n c e p l o t s f o r t h e a d m i t t a n c e s e e n a t t h e gap o f ak l y s t r o n w i t h a d o u b l e - t u n e d c i r c u i t . S u s c e p t a n c e i s p l o t t e d v e r s u sc o n d u c t a n c e w i t h f re q u en c y as a p a r a m e t e r . Th e v e r t i c a l l i n e t ot h e l e f t i s f o r a s i n g l e - t u n e d c i r c u i t ( n o c o u p l i n g t o t h e s e c o n d a r yr e s o n a t o r ) . Th e l o o p e d c u r v e s r e s u l t i n t h e d i s c o n t i n u o u s c h a r a c -t e r i s t i c s o f F i g . 5 .

a n g l e f o r v a r i o u s v a l u e s o f a c o u p l i n g parameter QK . Wes e e t h a t f o r QK= 1 . 6 , a f l a t - t o p p e d e l e c t r o n i c t u n i n gc urv e i s o b t a i n e d . P l o t c s h o w s a q u a n t i t y Q S , w h i c h i sp r o p o r t i o n a l t o f r e q u e n c y d e v i a t i o n , v ers u s n o r m a l i z e dd r i f t a n g l e . We s e e t h a t f o r s m a l l a n d l a r g e v a l u e s o f QK,t h e f r e q u e n c y versus d r i f t a n g l e , o r r e p e l l e r v o l t a g e , i sv e r y n o n - l i n e a r . H o w e v e r , f o r i n t e r me d i at e v a l u e s o f QK ,a n e a r l y l i n e a r v a r i a t i o n ca n b e o b t a i n e d . T h u s , a d o u -b l e - t u n e d c i r c u i t canb e u s e d no t o n l y t o g e t a f l a t t e r a m p l i -t u d e curve, b u t a more l i n e a r f r e q u e n c y curve as w e l l .F i g . 9 s h o w s a common type o f o s c i l l o g r a p h i c d i s p l a yu s e d i n m e a s u r i n g t h e Q o f a m i c r o w a v e r e s o n a t o r . T h i sd i s p l a y s h o w s r e f l e c t e d power v e r s u s f r e q u e n c y . I n b , ar e f l e x k l y s t r o n w i t h a d o u b l e - t u n e d c i r c u i t was u s e d a s av a r i a b l e - f r e q u e n c y source. I t i s apparent h o w much s u -p e r i o r t h i s i s t o t he d is p l a y o f c , i n w h i c h an o r d i n a r ys i n g l e - t u n e d r e s o n a t o r was u s e d .F l a t t e n i n g t h e a m p l i t u d e vs f r e q u e n c y c h a r a c t e r i s t i ca n d l i n e a r i z i n g t h e f r e q u e n c y v s r e p e l l e r v o l t a g e c h a r -a c t e r i s t i c o f a r e f l e x k l y s t r o n are i m p o r t a n t i n o t h e r a p -p l i c a t i o n s as w e l l a n d n o t a b l y i n FM m i c r o w a v e t r a n s -m i t t e r s .W h i l e one way o f m a k i n g a d v a n c e s i n m i c r o w a v et u b e s i s t o i m p r o v e t h e c i r c u i t o f e x i s t i n g t u b e s , m o s ti m p o r t a n t a d v a n c e s are made b y i m p r o v i n g t h e t u b e s

( a )US E OF COUPLED-RESONATOR REFLEXKLYSTRON IN GAIN COMPARATOR TO DISPLAYBANDPASS CHARACTERISTIC OF MICROWAVECHANNEL F I L T E R . TO P TRACE REPRESENTSINCIDENT P O W E R , LOWER TRACE TRANS-MITTED POWER.CENTER FREQUENCY OF FILTER = 3810MCPASS BAND 28 MC

( b ) ( C )US E OF COUPLED-RESONATOR REFLEX OSCILLOSCOPE DISPLAY FOR SAMEKLYSTRON AS SWEPTFREQUENCYSOURCE RESONATORRESULTING FROMUSE OFI N DETERMINATION OF Q OF UNKNOWN CONVENTIONAL KLYSTRON AS SWEPTRESONATOR BY REFLECTED POWER METHOD. FREQUENCY SOURCETOP TRACE REPRESENTS POWER INCIDENTUPON CAVITY UNDER T ES T M ID DLE TRACEREFLECTED POWER AND LOWER TRACEZERO POWER LEVEL. NOTE FLATNESSOF INCIDENT POWER TRACE)

F i g . 9 - O s c i l l o g r a p h i c d i s p l a y s compare p e r f o r m a n c e o f a k l y s t r o nw i t h a d o u b l e - t u n e d c i r c u i t w i t h t h a t o f a k l y s t r o n w i t h a s i n g l e -t u n e d c i r c u i t .

t h e m s e l v e s , a n d I pr o p o s e t o g i v e some e x a m p l e s o f s u c ha d v a n c e s i n t h e f i e l d o f t r a v e l i n g - w a v e t u b e s . - 6 F i g . 1 0J . R . P i e r c e , T r a v e l i n g - W a v e T u b e s , D . Van N o s t r a n d C o . ,Ne w Y o r k , N . Y . ; 1 9 5 0 .

6 R . K o m p f n e r , R e p o r t s o n P r o g r e s s i n P h y s i c s , v o l . 1 5 , p p . 2 7 5 -3 2 7 ; 1 9 5 2 .

1 7 3 8 PROCEEDINGS OF THE I - R - E

o l


5/13

P 4 P i e r c e : Some R e c e n t A d v a n c e s i n M i c r o w a v e T u b e si s a n o l d d r a w i n g s h o w i n g t h e e s s e n t i a l p a r t s o f at r a v e l i n g - w a v e t u b e . T h e s e a r e a l o n g n a r r o w e l e c t r o nbeam a n d a c i r c u i t c a p a b l e o f s u s t a i n i n g a s l o w e l e c t r o -m a g n e t i c w a v e , w i t h a l o n g i t u d i n a l c o m p o n e n t o f e l e c -t r i c f i e l d , w h i c h c a n t r a v e l a l o n g i n s y n c h r o n i s m w i t ht h e e l e c t r o n s o f t h e b e a m . Commonly, t h e s l o w - w a v ec i r c u i t i s a h e l i x , o r a l o n g c o i l o f w i r e . I n s u c h a c i r c u i t ,t h e wave t r a v e l s a l o n g t h e w i r e w i t h a b o u t t h e s p e e d o fl i g h t . I f t h e w i r e i s 1 3 t i m e s a s l o n g a s t h e a x i a l l e n g t h o ft h e c o i l , t h e wave w i l l t r a v e l a l o n g t h e beam w i t h o n e -t h i r t e e n t h t h e s p e e d o f l i g h t , a n d t h e e l e c t r o n s w i l l b e i ns y n c h r o n i s m w i t h t h e wave i f t h e y a r e a c c e l e r a t e d b ya b o u t 1 , 5 0 0 v o l t s .

HELIXELECTRONBEAM v v v V 0 v

| ELECTROMAGNETIC WAVEA TRAVELS FROM LEFT TO iRIGHT ALONG HELIXF i g . 1 0 - T h e e s s e n t i a l c o m p o n e n t s o f a t r a v e l i n g - w a v e t u b e a r e a ne l e c t r o n b e a m a n d a c i r c u i t c a r r y i n g a s l o w e l e c t r o m a g n e t i c w a v ew i t h a l o n g i t u d i n a l e l e c t r i c f i e l d . S u c h a c i r c u i t i s o f t e n a h e l i x ,o r a c o i l o f w i r e . T h e w a v e t r a v e l s a l o n g t h e w i r e w i t h a b o u t t h es p e e d o f l i g h t ; t h u s , i f i n o n e f o o t o f h e l i x t h e r e i s 1 3 f e e t o f w i r e ,t h e w a v e t r a v e l s a l o n g t h e a x i s w i t h a b o u t o n e - t h i r t e e n t h t h es p e e d o f l i g h t . I f e l e c t r o n s a r e s h o t i n a t t h i s s a m e v e l o c i t y , w h i c hc a n b e o b t a i n e d b y a c c e l e r a t i n g t h e m w i t h 1 5 0 0 v o l t s , a c u m u l a -t i v e i n t e r a c t i o n b e t w e e n t h e e l e c t r o n s a n d t h e w a v e t a k e s p l a c ei n t h e f o r w a r d d i r e c t i o n , s o t h a t a w a v e t r a v e l i n g a l o n g t h e h e l i xi s a m p l i f i e d . A w a v e t r a v e l i n g b a c k w a r d i s l i t t l e a f f e c t e d b y t h ee l e c t r o n b e a m . I n o r d e r t o a t t a i n s t a b i l i t y , l o s s m u s t b e p u t a l o n gt h e c i r c u i t , e i t h e r u n i f o r m l y o r l u m p e d t o w a r d t h e c e n t e r . S u c hl o s s i n t r o d u c e s a n a t t e n u a t i o n t o t h e b a c k w a r d w a v e w h i c h i sg r e a t e r t h a n t h e r e d u c t i o n i n g a i n f o r t h e f o r w a r d w a v e .When t h e e l e c t r o n s t r a v e l a l o n g i n s y n c h r o n i s m w i t ht h e w a v e , t h e r e i s a c u m u l a t i v e i n t e r a c t i o n w h i c h r e s u l t si n a m p l i f i c a t i o n o f t h e w a v e . At w a v e l e n g t h s o f a r o u n d1 0 c e n t i m e t e r s t h e p o w e r g a i n m ay b e 1 , 0 0 0 t o 1 0 , 0 0 0t i m e s , o r e v e n g r e a t e r , i n a d i s t a n c e o f 1 0 i n c h e s . B e c a u s en o r e s o n a n t c i r c u i t s a r e i n v o l v e d , t he t r a v e l in g - w a vet u b e i s i n h e r e n t l y b r o a d - b a n d , a n d s u b s t a n t i a l g a i n h a sb e e n o b t a i n e d o v e r b a n d s o f t h o u s a n d s o f m e g a c y c l e sa n d o f s e v e r a l o c t a v e s . Waves t r a v e l i n g b a c k w a r d ,a g a i n s t t h e e l e c t r o n s t r e a m , a r e p r a c t i c a l l y u n a f f e c t e db y i t s p r e s e n c e .I n o r d e r t o make a s t a b l e a n d u s e f u l a m p l i f i e r , a t t e n -u a t i o n must b e a d d e d a l o n g t h e s l o w - w a v e c i r c u i t , e i t h e ru n i f o r m l y o r , more o f t e n , l u m p e d n e a r t h e c e n t e r . S u c ha t t e n u a t i o n i n t r o d u c e s a l o s s t o t h e b a c k w a r d wavew h i c h i s much g r e a t e r t h a n t h e amount b y w h i c h i t r e -

d u c e s t h e f o r w a r d g a i n .I n F i g . 1 1 , a f e w o f t h e p h y s i c a l p a r t s o f t h e t u b e h a v eb e e n a d d e d - t h e h e a t e r , t h e c a t h o d e , t h e a n o d e r e q u i r e dt o a c c e l e r a t e t h e e l e c t r o n s , a n d t h e c o l l e c t o r t o c o l l e c tt h e s p e n t e l e c t r o n s a f t e r t h e y h a v e s e r v e d t h e i r p u r p o s e . w a v e g u i d e t o g u i d e t h e i n p u t s i g n a l t o t h e h e l i x a n d as h o r t a n t e n n a o r w i r e a c r o s s t h e w a v e g u i d e t o p u t t h es i g n a l o n t o t h e h e l i x a r e s h o w n ; t h e r e i s a s i m i l a r o u t p u td e v i c e . F i g . 1 2 s h o w s a p r e s e n t - d a y t r a v e l i n g - w a v e t u b e .S u c h a t u b e i s v e r y l i t t l e d i f f e r e n t i n a p p e a r a n c e f r o mt u b e s w h i c h w e r e m a d e i n 1 9 4 6 , b u t t h e r e i s a d i f f e r e n c ei n p e r f o r m a n c e . A d v a n c e s h a v e b e e n m a d e .

N o t a b l y , t h e r e h a s b e e n a n i m p r o v e m e n t i n n o i s ef i g u r e . T y p i c a l e a r l y t u b e s h a d n o i s e f i g u r e s o f a r o u n d3 0 d b a b o v e t h e r m a l n o i s e , b u t t u b e s h a v e s i n c e b e e nmade w i t h n o i s e f i g u r e s c o ns i de r ab l y l o w e r t h a n 1 0 d b .

F i g . 11-A s c h e m a t i c r e p r e s e n t a t i o n o f t h e p a r t s o f a c o m p l e t et r a v e l i n g - w a v e t u b e , i n c l u d i n g t h e e l e c t r o n g u n a n d w a v e g u i d ei n p u t a n d o u t p u t c i r c u i t s .I n a r a d a r o r a m i c r o w a v e r a d i o l i n k , a n i m p r o v e m e n t o f1 0 d b i n r e c e i v e r n o i s e f i g u r e i n c r e a s e s t o s i g n a l - t o - n o i s er a t i o a s much a s an i n c r e a s e o f 1 0 t i m e s i n t r a n s m i t t e rp o w e r . E a r l y t r a v e l i n g - w a v e t u b e s h a d n o i s e f i g u r e sw o r s e t h a n t h a t o f a p o o r d o u b l e - d e t e c t i o n r e c e i v e ru s i n g a s i l i c o n d i o d e ( c r y s t a l ) m i x e r . Th e b e s t p r e s e n t -d a y t r a v e l i n g - w a v e t u b e s h a v e a b e tt e r n o is e f i g u r e t h a nt h e b e s t d o u b l e - d e t e c t i o n r e c e i v e r s . T h i s a d v a n c e h a scome a b o u t , n o t t h r o u g h b l i n d c h a n g e a n d e x p e r i m e n t a -t i o n , b u t t h r o u g h a g r o w i n g u n d e r s t a n d i n g o f n o i s e p h e -nomena i n t r a v e l i n g - w a v e t u b e s .

F i g . 12-A m o d e r n t r a v e l i n g - w a v e t u b e . T h i s i s a l o w n o i s e t u b e f o ro p e r a t i o n a t 6 , 0 0 0 mc . I t o p e r a t e s a t 9 0 0 v o l t s , 1 m i l l i a m p e r e , a n dg i v e s a g a i n o f 2 0 d b a n d a n o i s e f i g u r e o f a r o u n d 8 d b . T h e t u b ei s u s e d i n a p e r m a n e n t m a g n e t , w i t h w a v e g u i d e i n p u t a n d o u t p u tc i r c u i t s .A v i t a l s t e p t a k e n i n t h i s u n d e r s t a n d i n g was t h e w o r ko f C u t l e r a n d Q u a t e . 7 A s i m p l i f i e d t h e o r y s e e m e d t os h o w h o w t o a n a l y z e a n d p r e d i c t t h e n o i s e i n t r a v e l i n g -

wave t u b e s . T h i s same s i m p l e t h e o r y p r e d i c t e d s o m e -t h i n g r a t h e r s t a r t l i n g , w h i c h some w o r k e r s d i d n o t b e -l i e v e . I t s a i d t h a t i f an e l e c t r o n beam w as a c c e l e r a t e df r o m a c a t h o d e a n d a l l o w e d t o f l o w t h r o u g h a l o n g d r i f ts p a c e , t h e n o i s e c u r r e n t i n t h e beam w o u l d v a r y p e r i o d i -c a l l y w i t h d i s t a n c e ; t h a t i s , t h e r e w o u l d b e a s t a n d i n gwave p a t t e r n o f n o i s e a l o n g t h e b e a m . I t s e e m e d o d d t os o m e t o t h i n k t h a t a c h a o t i c n o i s e f l u c t u a t i o n s h o u l de x h i b i t a r e g u l a r p a t t e r n o f a n y s o r t . To s e e i f i t d i d ,7 C . C . C u t l e r a n d C . F . Q u a t e , V e r i f i c a t i o n o f t r a n s i t t i m e r e -d u c t i o n o f n o i s e , P h y s . R e v . , v o l . 8 0 , p p . 8 7 5 - 8 7 8 ; D e c e m b e r 1 , 1 9 5 0 .

1 9 5 4 1 7 3 9


6/13

PROCEEDINGS OF T T I E I - R - EC u t l e r a n d Q u a t e b u i l t t h e a p p a r a t u s i l l u s t r a t e d i n F i g .1 3 . I n t h i s d e v i c e a c a v i t y r e s o n a t o r p r o v i d e d w i t h ac o a x i a l o u t p u t c o u l d b e s l i d a l o n g a n e l e c t r o n beam i n -

7~~~~~~jj~~~~ OUTPUTELECTRONBEMI WITH SLIDINGSHUTTER VACUUM JOINTF i g . 13-The a p p a r a t u s u s e d b y C u t l e r a n d Q u a t e i n m e a s u r i n g t h en o i s e c u r r e n t a l o n g a n e l e c t r o n b e a m . T h e g u n i s l o c a t e d a t t h el e f t . T h e b e a m p a s s e s t h r o u g h a r e s o n a n t c a v i t y w h i c h c a n b e s l i da l o n g s o t h a t t h e n o i s e c u r r e n t c a n b e p i c k e d u p a n d m ea s ur e d a sa f u n c t i o n o f d i s t a n c e a l o n g t h e b e a m .

l e s s , t h e e x p e r i m e n t o f C u t l e r a n d Q u a t e m a r k e d a b i gs t e p f o r w a r d i n t h e u n d e r s t a i n d i n g o f n o i s e i n m i c r o w a v et u b e s . A f t e r i t , t h e r e w a s e v e r y r e a s o n t o b e l i e v e t h a tt h e s i m p l i f i e d t h e o r y o f n o i s e i n e l e c t r o n b e a m s w h i c hh a d b e e n p r o p o s e d w a s t r u s t w o r t h y , d e s p i t e i t s r a t h e rs t a r t l i n g p r e d i c t i o n s . A s s o o n a s p e o p l e b e l i e v e d t h i s ,t h e y b e g a n h a v i n g i d e a s b a s e d o n t h e t h e o r y .Th e f i r s t s u g g e s t i o n w a s m e r e l y t ha t t he e l e c t r o n g u nb e p l a c e d s o m e c r i t i c a l d i s t a n c e f r o m t h e b e g i n n i n g o ft h e h e l i x , 5 a n d i n d e e d , b y d o i n g t h i s , t h e n o i s e f i g u r e o fa t r a v e l i n g - w a v e t u b e w a s i m p r o v e d s o me w ha t . Th er e a l l y s t a r t l i n g i m p r o v e m e n t c a me , h o w e v e r , w i t h a ni d e a o f D . A . W a t k i n s , v e l o c i t y - j u m p n o i s e r e d u c t i o n .T h i s w a s l a t e r f o u n d t o b e a s p e c i a l c a s e o f s p a c e -c h a r g e - w a v e a m p l i f i c a t i o n , w h i c h w a s r e p o r t e d b y F i e l d ,T i e n , a n d W a t k i n s i n 1 9 5 1 . 8

Is i d e t h e v a c u u m , a n d t h e n o i s e c u r r e n t c o u l d b e m e a s -u r e d a l o n g t h e b e a m . F i g . 1 4 s h o w s t h e r e s u l t s t h e y o b -t a i n e d a n d p u b l i s h e d i n 1 9 5 0 . Th e e x p e r i m en t a l c u r v e o fn o i s e v e r s u s d i s t a n c e d o e s i n d e e d r i s e a n d f a l l . Th ew i g g l e s i n t h e e x p e r i m e n t a l c u r v e h a v e b e e n a t t r i b u t e d ,p r o b a b l y c o r r e c t l y , t o s c a l l o p s o r b u l g e s i n t h e d i a m e t e ro f t h e b e a m , w h i c h made t h e c o u p l i n g o f t h e beam t o t h er e s o n a t o r v a r y w i t h d i s t a n c e a l o n g t h e b e a m .

NOISE POWER V S . DISTANCE FROM ANODE1 0

wU )O 1 2zI-0I 140

X 1 0o i sz

02 20

THEORETICAL CURVE(SHIFTED O . 4 TO R I G H T )

0 1 2 3 4 I EDISTANCE FROM ANODE I N INCHESF i g . 1 4 - A m e a s u r e d n o i s e c u r r e n t a l o n g t h e beam ( s o l i d l i n e ) com-p a r e d w i t h t h e c a l c u l a t e d n o i s e c u r r e n t ( d a s h e d l i n e ) . T h e m e a s -u r e d curve d e p a r t s f r o m t h e t h e o r e t i c a l curve i n tw o r e s p e c t s :( a ) t h e m e a s u r e d curve h a s s m a l l w i g g l e s , w h i c h are a t t r i b u t e dt o a v a r i a t i o n w i t h d i s t a n c e o f c o u p l i n g b e t w e e n t h e beam a n d t h er e s o n a t o r b e c a u s e o f t h e s c a l l o p e d o u t l i n e o f t h e b e a m ; ( b ) t h em e a s u r e d n o i s e d o e s n o t g o t o zero. N e i t h e r d o e s t h e t h e o r e t i c a ln o i s e w h e n t h e e f f e c t o f c u r r e n t f l u c t u a t i o n s as w e l l as v e l o c i t yf l u c t u a t i o n s a t t h e c a t h o d e i s t a k e n i n t o a c c o u n t .No t o n l y d i d t h e r e s u l t s o f C u t l e r a n d Q u a t e corre-s p o n d q u a l i t a t i v e l y w i t h t h e t h e o r y , b u t t h e n o i s e a t t h emaxima was very c l o s e t o t h e c a l c u l a t e d v a l u e . Th e s i m -p l e t h e o r y s a i d t h a t t h e n o i s e a t t h e m i n i m a s h o u l d b e

zero. T h i s was no t s o i n t h e e x p e r i m e n t . O n l y l a t e l yh a v e we come t o some u n d e r s t a n d i n g o f t h i s . N o n e t h e -

F i g . 1 5 - T h i s f i g u r e i l l u s t r a t e s t h e p r i n c i p l e s o f s p a c e - c h a r g e - w a v eo r v e l o c i t y - j u m p a m p l i f i c a t i o n . A s t a n d i n g w a v e p a t t e r n e x i s t so n a m e d i u m ( c e n t e r ) o f p e r i o d i c a l l y v a r y i n g i m p e d a n c e , a s , f o ri n s t a n c e , a t r a n s m i s s i o n l i n e i n w h i c h t h e c o n d u c t o r s a r e a l t e r -n a t e l y c l o s e t o g e t h e r ( l o w i m p e d a n c e ) o r f a r t h e r a p a r t ( h i g h i m -p e d a n c e ) . I f t h e l e n g t h s o f t h e s e c t i o n s o f l o w a n d h i g h i m p e da n c e s a r e p r o p e r l y c h o s e n , a s t a n d i n g wave p a t t e r n w i l l e i t h e ri n c r e a s e o r d e c r e a s e w i t h d i s t a n c e a l o n g t h e c i r c u i t , a s s h o w na b o v e a n d b e l o w , d e p e n d i n g o n w h e t h e r I i s maximum o r z e r oa t t h e l e f t , w h e r e t h e f i r s t l o w - i m p e d a n c e s e c t i o n b e g i n s . I a n d Uc a n b e i n t e r p r e t e d a s c u r r e n t a n d v o l t a g e i n t h e c a s e o f a t r a n s -m i s s i o n l i n e , o r a s c o n v e c t i o n c u r r e n t a n d a p a r a m e t e r - u o v / ( e / m )i n t h e c a s e o f t h e e l e c t r o n b e a m . H e r e u o i s a v e r a g e b e a m v e l o c i t y ,v i s a c v e l o c i t y a n d e l m i s t h e c h a r g e - t o - m a s s r a t i o o f t h e e l e c t r o n ,t a k e n a s a p o s i t i v e q u a n t i t y .C o n s i d e r F i g . 1 5 . I m a g i n e a n u m b e r o f s e c t i o n s o f

t r a n s m i s s i o n l i n e o f a l t e r n a t e l y l o w i m p e d a n c e ( r e p r e -s e n t e d b y l i n e s c l o s e t o g e t h e r ) a n d h i g h i m p e d a n c e( r e p r e s e n t e d b y l i n e s f a r t h e r a p a r t ) , e a c h s e c t i o n aq u a r t e r w a v e l e n g t h l o n g . A s t a n d i n g wave p a t t e r n o fc u r r e n t I a n d v o l t a g e U a l o n g s u c h a c i r c u i t i n c r e a s e s o rd e c r e a s e s w i t h d i s t a n c e , a s s k e t c h e d a b o v e a n d b e l o wt h e c i r c u i t , d e p e n d i n g o n t h e p h a s e ; w h e t h e r t h e c u r r e n ti s z e r o o r a maximum a t t h e b e g i n n i n g o f t h e c i r c u i t . Wec a n e a s i l y s e e why t h e v o l t a g e a n d c u r r e n t p a t t e r n s a r ea s s h o w n . W h e r e a l o w - i m p e d a n c e l i n e j o i n s a h i g h -s L . M. F i e l d , P . K . T i e n , a n d D . A . W a t k i n s , A m p l i f i c a t i o n b ya c c e l e r a t i o n a n d d e c e l e r a t i o n o f a s i n g l e - v e l o c i t y s t r e a m , P R O C .I . R . E . , v o l . 3 9 , p . 1 9 4 ; F e b r u a r y , 1 9 5 1 .

1 7 4 0 ijecemoer

I - I II L - . -

c


7/13

P i e r c e : S o m e R e c e n t A d v a n c e s i n M i c r o w a v e T u b e si m p e d a n c e l i n e , t h e c u r r e n t I a n d t h e v o l t a g e U a r e t h es a m e o n e a c h s i d e o f t h e j u n c t i o n , b u t d l l d z i s l a r g e r o nt h e l o w - i m p e d a n c e s i d e t h a n o n t h e h i g h - i m p e d a n c es i d e , w h i l e d U / d z i s l a r g e r o n t h e h i g h - i m p e d a n c e s i d et h a n o n t h e l o w - i m p e d a n c e s i d e .A s i g n a l o n a n e l e c t r o n b e a m c a n b e r e g a r d e d a s madeu p o f t w o w a v e s , a s i s a s i g n a l o n a t r a n s m i s s i o n l i n e . I nt h e c a s e o f t h e t r a n s m i s s i o n l i n e t h e t w o w a v e s t r a v e l i no p p o s i t e d i r e c t i o n s . I n t h e c a s e o f t h e e l e c t r o n b e a m ,b o t h w a v e s t r a v e l i n t h e d i r e c t i o n o f e l e c t r o n f l o w , b u tw i t h d i f f e r e n t v e l o c i t i e s . I n t h e c a s e o f t h e w a v e s o n t h ee l e c t r o n b e a m , t h e q u a n t i t y a n a l og o u s t o t h e c u r r e n t i st h e e l e c t r o n c o n v e c t i o n c u r r e n t , w h i c h we w i l l c a l l I .Th e q u a nt i t y a n a l o g o u s t o v o l t a g e we w i l l c a l l U ; i t i s

U O VU e l mH e r e u o i s t h e a v e r a g e e l e c t r o n v e l o c i t y , v i s t he a c v e -l o c i t y f l u c t u a t i o n , t h a t i s , t h e v e l o c i t y m o d u l a t i o n , a n de / m i s t h e c h a r g e - t o - m a s s r a t i o o f t h e e l e c t r o n , a p o s i -t i v e q u a n t i t y . Th e c h a r a c t e r i s t i c i m p e d a n c e o f t h e beamf o r t h e w a v e s , t h a t i s , t h e r a t i o U / I f o r a w a v e , d e p e n d su p o n t h e b e a m c u r r e n t a n d g e o m e t r y a n d u p o n t h e d cv o l t a g e . T h e i m p e d a n c e i s h i g h f o r h i g h v o l t a g e s a n dl o w f o r l o w v o l t a g e s . H e n c e , b y v a r y i n g t h e v o l t a g ep e r i o d i c a l l y a l o n g t h e e l e c t r o n b e a m , t h a t i s , b y j u m p i n gi t u p a n d d o w n , p h e n o m e n a a n a l o g o u s t o t h e t r an sm is -s i o n l i n e b e h a v i o r i l l u s t r a t e d i n F i g . 1 5 c a n b e a c h i e v e d .A s i n t h e t r a n s m i s s i o n - l i n e c a s e , I a n d U d o n o t c h a n g ew h e r e t h e i m p e d a n c e c h a n g e s ( t h r o u g h a c h a n g e i n d cv o l t a g e ) , b u t d I / d z a n d d U / d z d o . I n d e e d , we c a n r e -g a r d F i g . 1 5 a s i l l u s t r a t i n g t h e b e h a v i o r o f t h e e l e c t r o nc o n v e c t i o n c u r r e n t I a n d o f t h e v o l t a g e - l i k e p a r a m e t e rU a l o n g a beam w h i c h t r a v e l s t h r o u g h r e g i o n s o f h i g h e ra n d l o w e r p o t e n t i a l s , t h e r e g i o n s b e i n g o f p a r t i c u l a r l yc h o s e n l e n g t h s .H a v i n g r e a c h e d t h i s p o i n t , we s h o u l d r e m e m b e r t h a tt h e C u t l e r a n d Q u a t e e x p e r i m e n t s h o w e d t h a t t h e n o i s eo n t h e e l e c t r o n b e a m i s a s t a n d i n g w a v e . T h u s , t h i sn o i s e c a n b e e i t h e r a m p l i f i e d o r d e a m p l i f i e d b y a v e l o c -i t y - j u m p s t r u c t u r e s u c h a s we h a v e b e e n d i s c u s s i n g .W h e t h e r i t i s a m p l i f i e d o r d e a m p l i f i e d d e p e n d s u p o nj u s t h o w f a r we p u t t h e g u n f r o m t h e s t r u c t u r e , t h a t i s ,o n w h e t h e r t h e s t a n d i n g - w a v e p a t t e r n h a s a c u r r e n tmaximum o r a v o l t a g e maximum w h e r e t h e e l e c t r o nbeam e n t e r s t h e s t r u c t u r e . By u s i n g s u c h a s t r u c t u r e , i ts h o u l d b e p o s s i b l e t o r e d u c e t h e n o i s e i n a t r a v e l i n g -wave t u b e .I n 1 9 5 2 , W a t k i n s p u b l i s h e d h i s r e s u l t s i n r e d u c i n gn o i s e f i g u r e b y u s e o f a s i n g l e v e l o c i t y j u m p . 9 I n F i g . 1 6 ,a i l l u s t r a t e s t h e i n p u t e n d o f a t r a v e l i n g - w a v e t u b e w i t h -o u t a v e l o c i t y j u m p . H e r e we h a v e a c a t h o d e a n d a n o d e ,a n d a d r i f t r e g i o n o f l e n g t h a d j u s t e d t o g i v e a minimumn o i s e f i g u r e . I n b o f F i g . 1 5 we h a v e t h e i n p u t r e g i o n o f at r a v e l i n g - w a v e t ub e w it h v e l o c i t y - j u m p n o i s e d e a m p l i -

9 D . A . W at k i n s, Tr a ve l i ng - wa v e t u be n o i s e f i g u r e , P R O C .I . R . E . , v o l . 4 0 , p p . 6 5 - 7 0; J a nu a ry , 1 9 5 2 .

f i c a t i o n . Th e c a t h o d e a n d a n o d e a r e f o l l o w e d b y a d r i f tr e g i o n o f s u c h l e n g t h t h a t a t p o i n t c t h e n o i s e c o n v e c t i o nc u r r e n t i s z e r o a n d t h e a c v e l o c i t y o f t h e n o i s e a n d t h ec o r r e s p o n d i n g v o l t a g e U a r e a t a maximum. A t t h i sp o i n t t h e a v e r a g e v e l o c i t y , w h i c h we c a l l e d u o , i sj u m p e d f r o m a l o w v a l u e u l t o a h i g h e r v a l u e u 2 b ym e a n s o f a n a c c e l e r a t i n g v o l t a g e . A c r o s s t h i s j u m p , U i sc o n s t a n t ; a s t h e a v e r a g e v e l o c i t y i s made g r e a t e r t h e a cv e l o c i t y m u s t b e r e d u c e d . Th e n o i s e s t a n d i n g - w a v e p a t -t e r n t o t h e r i g h t o f d i s s m a l l e r i n a m p l i t u d e t h a n t h a tt o t h e l e f t o f c . From d t h e beam t r a v e l s a c r i t i c a l d i s -t a n c e t o t h e h e l i x t h r o u g h a d r i f t r e g i o n w h o s e l e n g t h i sa d j u s t e d f o r minimum n o i s e f i g u r e . W i t h s u c h a t u b eW a t k i n s g o t a n o i s e f i g u r e o f 1 0 d b a t a w a v e l e n g t h o f1 0 c e nt i me t er s .

,,ELECTRON BEAMa b

U ,

DRIFT REGIONANODE

CATHODE ( a )

CIRCUIT

- E L E C T R O N BEAMa , bU , c d U 2 I~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~\sHORT GA P , C I R C U I T- D R I F T REGIONANODECATHODE

( b )F i g . 16-The n o i s e f i g u r e o f a n o r d i n a r y t r a v e l i n g - w a v e t u b e , a ss h o w n i n ( a ) , c a n b e o p t i m i z e d b y a dj us ti ng t he l e n g t h o f t h ed r i f t r e g i o n b e t w e e n t h e g u n a n o d e a n d t h e c i r c u i t . T h e n o i s e c a nb e f u r t h e r r e d u c e d b y i n c r e a s i n g t h e b e a m v o l t a g e , a n d h e n c et h e e l e c t r o n v e l o c i t y , a t t h e p o i n t b e y o n d t h e g u n a n o d e a t w h i c ht h e c o n v e c t i o n c u r r e n t o f t h e n o i s e s t a n d i n g - w a v e p a t t e r n i s z e r oa n d t h e v e l o c i t y m o d u l a t i o n i s a m a x i m u m . T h e beam s h o u l dt h e n p a s s a l on g a d r i f t r e g i o n f o r s o m e p a r t i c u l a r o p t i m i z e dd i s t a n c e , t h e n f i n a l l y e n t e r t h e h e l i x .

S u b s e q u e n t l y , v e r y c a r e f u l w o r k b y P e t e r 0 p u s h e dt h e n o i s e f i g u r e a t 1 0 cm down t o a r o u n d 8 d b . F u r t h e rw o r k a t t h e B e l l T e l e p h o n e L a b o r a t o r i e s h a s r e s u l t e d i nn o i s e f i g u r e s o f a r o u n d 6 d b a t 3 , 0 0 0 m e g a c y c l e s a n d 8 d ba t 6 , 0 0 0 m e g a c y c l e s . Th e n o i s e f i g u r e s q u o t e d a r e b e s tn o i s e f i g u r e s , f o r i n s o m e t u b e s o f a g i v e n t y p e t h e n o i s ef i g u r e i s s o m e w h a t h i g h e r .Th e t u b e s I h a v e d e s c r i b e d u s e a s i n g l e v e l o c i t y -j u m p , w h i l e i n e x p l a i n i n g s p a c e - c h a r g e - w a v e a m p l i f i c a -t i o n a n d d e a m p l i f i c a t i o n i n c o n n e c t i o n w i t h F i g . 1 5 wec o n s i d e r e d t h e c a s e o f many - j u m p s . Wh y n o t u s e many1 0 R . W. P e t e r , L o w - n o i s e t r a v e l i n g - w a v e a m p l i f i e r , R . C . A .R e v . , v o l . 1 3 , p p . 3 4 5 - 3 6 8 ; S e p t e m b e r , 1 9 5 2 .

O. -

1 7 4 19 5 4


8/13

PROCEEDINGS OF THE I - R - Ej u m p s a n d d e a m p l i f y t h e wave much m o r e , t h u s a c h i e v -i n g a n e v e n b e t t e r n o i s e f i g u r e ? Th e a n s w e r i s t h a t t h i sw o n t w o r k , f o r a r e a s o n w h i c h i s now u n d e r s t o o d . T h en o i s e s t a n d i n g - w a v e p a t t e r n h a s t w o c o m p o n e n t s , o n ea r i s i n g f r o m v e l o c i t y f l u c t u a t i o n s a t t h e c a t h o d e a n d t h eo t h e r f r o m c u r r e n t f l u c t u a t i o n s a t t h e c a t h o d e . S p a c e -c h a r g e - w a v e d e a m p l i f i c a t i o n r e d u c e s a s t a n d i n g wavep a t t e r n t h a t h a s j u s t t h e r i g h t p h a s e a t t h e s t a r t , a s weh a v e s e e n i n c o n n e c t i o n w i t h F i g . 1 5 , b u t i t i n c r e a s e st h e p a t t e r n i f t h e i n i t i a l p h a s e i s c h a n g e d . We c a n d e -a m p l i f y t h e n o i s e d u e t o t h e v e l o c i t y f l u c t u a t i o n s t o a n yd e g r e e we w i s h , b u t a s we d o t h i s w e a m p l i f y t h e n o i s ed u e t o t h e c u r r e n t f l u c t u a t i o n s . I f we u s e t o o much d e -a m p l i f i c a t i o n we w i l l i n c r e a s e t h e t o t a l n o i s e i n s t e a d o fr e d u c i n g i t , a n d t h a t i s w h a t h a p p e n s w h e n o n e t r i e s t ou s e m o r e t ha n o n e v e l o c i t y j u m p . N o n e t h e l e s s , e v e n o n ej u m p h a s t a k e n u s a l o n g w a y , f o r w e no w h a v e e x -t r e m e l y g o o d n o i s e f i g u r e s i n m i c r o w a v e t u b e s .B e f o r e l e a v i n g t h e s u b j e c t o f n o i s e i t w o u l d b e w i s e t on o t e t h a t m u c h h a s b e e n l e f t o u t o f t h i s d i s c u s s i o n , b u tI b e l i e v e t h a t w h a t h a s b e e n s a i d d o e s i l l u s t r a t e a u s e f u la c h i e v e m e n t b r o u g h t a b o u t t h r o u g h s e e k i n g a n d a t t a i n -i n g a t h o r o u g h u n d e r s t a n d i n g o f a p a r t i c u l a r p r o b l e m .H o w e v e r , much r e m a i n s t o b e d o n e i n r e d u c i n g t h en o i s e o f t r a v e l i n g - w a v e t u b e s . Th e b e h a v i o r o f t h e e l e c -t r o n s t r e a m n e a r t he c a t h o d e i s n o t f u l l y u n d e r s t o o d .T h e r e t h e t h e r m a l v e l o c i t i e s d o n o t f o r m a s m a l l a d d i -t i o n a l v e l o c i t y c o m p o n e n t , a s t h e y d o e l s e w h e r e i n t h ee l e c t r o n s t r e a m , b u t c o n s t i t u t e t h e w h o l e e l e c t r o n v e -l o c i t y , a n d f o r t h i s r e a s o n c e r t a i n a p p r o x i m a t e c a l c u l a -t i o n s w h i c h a r e v a l i d e l s e w h e r e i n t h e e l e c t r o n s t r e a m d on o t a p p l y n e a r t h e c a t h o d e . T o o , b e c a u s e o f t h e r m a lv e l o c i t i e s a p o t e n t i a l minimum i s f o r m e d n e a r t h ec a t h o d e , a t w h i c h e l e c t r o n s a r e t u r n e d b a c k , a n d t h e r - fb e h a v i o r o f n o i s e f l u c t u a t i o n s a t t h e p o t e n t i a l minimumh a s n o t b e e n t r e a t e d s a t i s f a c t o r i l y . T h u s , t h e l i m i t a t i o n so n n o i s e f i g u r e o f v e l o c i t y - j u m p t u b e s h a v e n o t b e e nf u l l y e v a l u a t e d .F u r t h e r , s e v e r a l i d e a s o t h e r t h a n v e l o c i t y - j u m p o rs p a c e - c h a r g e - w a v e d e a m p l i f i c a t i o n a r e b e i n g w o r k e d o n ,s o t h a t i t l o o k s a s i f , i n o n e way o r a n o t h e r , t h e n o i s ef i g u r e o f t r a v e l i n g - w a v e t u b e s w i l l b e p u s h e d p r o g r e s -s i v e l y l o w e r . Th e a p p r o p r i a t e t i m e t o r e v i e w s u c h m a t -t e r s , h o w e v e r , w i l l b e w h e n s o m e t h i n g s u b s t a n t i a l h a sb e e n a c c o m p l i s h e d .Much t h e same t e c h n i q u e s w h i c h h a v e b ee n u s e d i nr e d u c i n g t h e n o i s e f i g u r e o f t r a v e l i n g - w a v e t u b e s c a n b eu s e d i n r e d u c i n g t h e n o i s e f i g u r e o f k l y s t r o n a m p l i f i e r s ,a n d we m ay e x p e c t t o h e a r o f p r o g r e s s i n t h i s d i r e c t i o n .Th e n e x t a d v a n c e w h i c h I w i s h t o d i s c u s s c o n c e r n s t h ef o c u s i n g o f e l e c t r o n b e a m s . I n t h e e a r l y d a y s o f t h et r a v e l i n g - w a v e t u b e a r t o n e m i g h t t y p i c a l l y s t a r t o u tw i t h a c a t h o d e c u r r e n t a t 1 0 m i l l i a m p e r e s i n a beamn o m i n a l l y i i n c h i n d i a m e t e r a n d f i n d t h a t a f t e r t h ebeam t r a v e r s e d a h e l i x w i t h a n i n s i d e d i a m e t e r o f i i n c h ,o n l y h a l f o f t h e c u r r e n t a r r i v e d a t t h e c o l l e c t o r , d e s p i t et h e u s e o f a m a g n e t i c f o c u s i n g f i e l d . T h r o u g h i m p r o v e -m e n t s i n t h e u n d e r s t a n d i n g o f m a g n e t i c f o c u s i n g w i t h

u n i f o r m f i e l d s w e c a n now f o c u s b e a m s o f s e v e r a l t e n s o fm i l l i a m p e r e s w i t h a l o s s o f o n l y a f e w p e r c e n t o r , i fs u f f i c i e n t c a r e i s u s e d , a f e w t e n t h s o f o n e p e r c e n t o f t h ec u r r e n t .When b e a m s o f c o m p a r a t i v e l y l a r g e c u r r e n t s a r e t o b ef o c u s e d , o n e a l mo s t a l w a y s u s e s B r i l l o u i n f l o w . I n a t -t a i n i n g t h i s f l o w , a p a r a l l e l beam o f e l e c t r o n s i s i n j e c t e da b r u p t l y i n t o a u n i f o r m f i e l d , a s s h o w n s c h e m a t i c a l l y i nF i g . 1 7 . H e r e we h a v e t o t h e l e f t a c o n c a v e , a x i a l l y s y m -m e t r i c a l c a t h o d e C , a c a t h o d e - p o t e n t i a l b e a m - f o r m i n ge l e c t r o d e F , a n d a n a p e r t u r e d a n o d e A h e l d p o s i t i v ew i t h r e s p e c t t o t h e c a t h o d e . Th e a n o d e a l s o a c t s a s am a g n e t i c p o l e p i e c e . To t h e r i g h t o f t h e a n o d e we h a v e au n i f o r m m a g n e t i c f i e l d ; t h e f i n e s o l i d l i n e s i n d i c a t e t h el i n e s o f f o r c e . Th e f i e l d d i v e r g e s i n t h e r e g i o n o f t h ea p e r t u r e , a n d t h e l i n e s o f f o r c e e n d o n t h e p o l e p i e c e o ra n o d e a s s h o w n .

F i g . 1 7 - I n o r d e r t o o b t a i n B r i l l o u i n f l o w , a p a r a l l e l e l e c t r o n b e a m i si n j e c t e d a b r u p t l y i n t o a c o n s t a n t l o n g i t u d i n a l m a g n e t i c f i e l d o ft h e p r o p e r s t r e n g t h . T h e f i n e s o l i d l i n e s s h o w m a g n e t i c l i n e s o ff o r c e . T h e d a s h e d l i n e s i n d i c a t e t h e p a t h s o f t h e o u t e r e l e c t r o n so f t h e b e a m . I n e n t e r i n g t h e f i e l d , t h e e l e c t r o n s c u t r a d i a l l i n e so f f o r c e a n d a r e s e t w h i r l i n g a b o u t t h e a x i s . T h e w h i r l i n g t h r o u g ht h e l o n g i t u d i n a l f i e l d p r o d u c e s a n i n w a r d f o r c e w h i c h j u s t c o u n -t e r a c t s t h e o u t w a r d f o r c e d u e t o s p a c e c h a r g e , p l u s c e n t r i f u g a lf o r c e .I n F i g . 1 7 t h e d a s h e d l i n e s i n d i c a t e t h e p a t h s o f t h eo u t e r e l e c t r o n s o f t h e e l e c t r o n b e a m . A s t h e e l e c t r o n smove a l o n g t h e s e p a t h s i n t o t h e m a g n e t i c f i e l d , t h e y c u tt h e m a g n e t i c l i n e s o f f o r c e i n t h e v i c i n i t y o f t h e a p e r t u r e ,

a n d t h i s s e t s t h e e l e c t r o n s w h i r l i n g a r o u n d t h e a x i s .T h u s , i n t h e u n i f o r m m a g n e t i c f i e l d t h e y d e s c r i b e h e l i c a lp a t h s a b o u t t h e a x i s . T h e a n g u l a r c o m p o n e n t o f m o t i o na b o u t t h e a x i s c a u s e s t h e e l e c t r o n s t o c u t t h e l o n g i t u d i -n a l m a g n e t i c f i e l d i n s u c h a way a s t o p r o d u c e a f o r c ei n w a r d , t o w a r d t h e a x i s . I f t h e e l e c t r o n v e l o c i t y i m -p a r t e d b y t h e a c c e l e r a t i n g v o l t a g e , t h e b e a m d i a m e t e r ,t h e b e a m c u r r e n t a n d v o l t a g e , a n d t h e m a g n e t i c f i e l d a r ei n t h e p r o p e r r e l a t i o n , a n d i f t h e e l e c t r o n s a r e i n j e c t e di n t o t h e f i e l d i n t h e p r o p e r d i r e c t i o n , t h e i n w a r d f o r c ed u e t o t h e c u t t i n g o f t h e m a g n e t i c f i e l d i n t h e c i r c u m f e r -1 1 J . R . P i e r c e , T h e o r y a n d D e s i g n o f E l e c t r o n B e a m s , S e c o n dE d i t i o n , D . V a n N o s t r a n d C o . ; 1 9 5 4 .

1 7 4 2 D e c e m b e r


9/13


10/13

PROCEEDINGS OF THE I - R - El e f t t h i s f i g u r e s h o w s a permanent magnet w h i c h pro-d u c e s a u n i f o r m f i e l d f o r f o c u s i n g t h e beam o f a p a r t i c u -l a r t r a v e l i n g - w a v e t u b e s h o w n b e l o w i t . Th e magnetw e i g h s 3 8 p o u n d s . Th e s m a l l e r m a g n e t i c s t r u c t u r es h o w n a t t h e l o w e r r i g h t , w i t h a t u b e i n i t , p r o d u c e s ap e r i o d i c f i e l d o f t h e same rms v a l u e , w h i c h f o c u s e s t h ee l e c t r o n beam j u s t as e f f e c t i v e l y , b u t t h i s m a g n e t i cs t r u c t u r e w e i g h s o n l y 1 p o u n d 5 o u n c e s . Th e b i g a d -vantage o f p e r i o d i c f o c u s i n g l i e s i n t h e r ed uc t i on o fmagnet w e i g h t . T h i s ca n b e p a r t i c u l a r l y i m p o r t a n t , f o ri n s t a n c e , i n t h e case o f t u b e s f o r a i r b o r n e e q u i p m e n t .H o w d o e s t h i s i m p r o v e m e n t come a b o u t ? We can s e e i ns e v e r a l w a y s .C o n s i d e r , f o r i n s t a n c e , a permanent magnet s t r u c t u r ew h i c h p r o d u c e s a u n i f o r m f i e l d o v e r a d i s t a n c e o f 1 i n c h .S u p p o s e t h a t we h a v e made t h i s as l i g h t a n d e c o n o m i c a las p o s s i b l e . H o w can we m o d i f y t h i s s t r u c t u r e t o pro-d u c e a u n i f o r m f i e l d o f t h e same s t r e n g t h over a d i s -t a n c e o f 2 i n c h e s ? We can d o t h i s b y i n c r e a s i n g a l l i t sl i n e a r d i m e n s i o n s , i n c l u d i n g t h e d i m e n s i o n s o f t h e mag-n e t i c m a t e r i a l , b y a f a c t o r o f 2 . T h i s , o f co urs e , i n c r e a s e st h e w e i g h t b y a f a c t o r o f 8 . C a n we no t s i m p l y t a k e two1 - i n c h s t r u c t u r e s a n d s e t t h e m e n d t o e n d , w i t h t h ef i e l d s t h e y p r o d u c e p o i n t i n g i n t h e same d i r e c t i o n , a n ds o o b t a i n t h e same f i e l d s t r e n g t h over 2 i n c h e s ? We can-n o t , b e c a u s e t h e presence o f one t e n d s t o r e d u c e t h ef i e l d across t h e gap o f t h e o t h e r . We can, h o w e v e r , putt h e m e n d t o e n d a n d g e t , i f a n y t h i n g , a s l i g h t l y i n c r e a s e df i e l d , p r o v i d e d t ha t t he f i e l d s p r o d u c e d b y t h e two are i no p p o s i t e d i r e c t i o n s . Th e c o n s eq u e n c e i s t h a t t o d o u b l et h e l e n g t h o f t h e f i e l d a n d h a v e t h e f i e l d a l l i n t h e samed i r e c t i o n r e q u i r e s an e i g h t f o l d i n c r e a s e i n w e i g h t , w h i l et o d o u b l e t h e l e n g t h o f f i e l d a n d g e t s e c t i o n s o f e q u a ls t r e n g t h b u t o p p o s i t e d i r e c t i o n s r e q u i r e s o n l y d o u b l i n gt h e w e i g h t . I n g e n e r a l , i f t h e f i e l d i s d i v i d e d i n t o n a l t e r -n a t i n g s e c t i o n s we can t h e o r e t i c a l l y r e d u c e t h e m a gn e tw e i g h t b y a f a c t o r 1 / n 2 .T h e r e i s a n o t h e r way o f s e e i n g w h y t h e p e r i o d i c f i e l dr e q u i r e s l e s s magnet w e i g h t f o r a g i v e n rms f i e l d a l o n gt h e a x i s o f t h e t ub e t ha n d o e s a u n i f o r m f i e l d . I n ap r o p e r l y d e s i g n e d magnet, t h e w e i g h t o f m a g n e t i c ma-t e r i a l r e q u i r e d i s p r o p o r t i o n a l t o t h e square o f t h e f i e l ds t r e n g t h t i m e s t h e v o l u m e o c c u p i e d b y t h e f i e l d . Top r o d u c e a l o n g u n i f o r m f i e l d r e q u i r e s tw o p o l e p i e c e s ,n o r t h a n d s o u t h , w h i c h are f a r a p a r t , a n d f r o m t he se t h ef i e l d s p r e a d s o u t over a l a r g e v o l u m e , a l t ho u g h we u s e i to n l y o v e r a narrow r e g i o n near t h e a x i s . A p e r i o d i c f i e l dcan b e p r o d u c e d b y a l a r g e n u m b e r o f a l t e r n a t e l y n o r t ha n d s o u t h p o l e p i e c e s . A l i t t l e way o f f t h e a x i s , we s e en o r t h a n d s o u t h p o l e s a t a b o u t t h e same d i s t a n c e , a n dh e nc e, t he m a g n e t i c f i e l d a t a p o i n t away f r o m t h e a x i si s very s m a l l . T h u s , a l t h o u g h t h e f i e l d may h a v e t h esame mean square v a l u e on t h e a x i s , t h e volume overw h i c h t h e f i e l d e x t e n d s h a s b e e n g r e a t l y r e d u c e d , a n d s oh a s t h e r e q u ir ed w e i g h t o f m a g n e t i c m a t e r i a l .P e r i o d i c f o c u s i n g i s c l e a r l y u n d e r s t o o d t h e o r e t i c a l l ya n d i t h a s b e e n d e m o n s t r a t e d e x p e r i m e n t a l l y , b u t i t h a s

n o t b e e n a p p l i e d c o m m e r c i a l l y . Th e n e x t b i g s t e p w i l l b et a k e n w h e n a t u b e u s i n g p e r i o d i c f o c u s i n g i s d e s i g n e df o r s o m e p a r t i c u l a r a p p l i c a t i o n i n w h i c h t h e l i g h t w e i g h ta n d a b s e n c e o f s t r a y m a g n e t i c f i e l d s c h a r a c t e r i s t i c o fp e r i o d i c f o c u s i n g make i t s u s e h i g h l y a d v a n t a g e o u s .S o f a r we h a v e c o n s i d e r e d s e v e r a l s o r t s o f a d v a n c e i nt h e f i e l d o f m i c r o w a v e t u b e s : t h e s o r t o f a d v a n c e w h i c hi s made i n f i n a l l y d e v e l o p i n g t u b e s o f i m p r e s s i v e p e r -f o r m a n c e f o r s p e c i f i c a p p l i c a t i o n s ; t h e s o r t o f a d v a n c eo n e c a n make b y b u i l d i n g ne w c i r c u i t s f o r e x i s t i n gt u b e s ; a n d t w o i m p o r t a n t a d v a n c e s , i n n o i s e f i g u r e , a n di n f o c u s i n g , made i n c o n n e c t i o n w i t h a n e x i s t i n g s o r t o ft u b e - t h e t r a v e l i n g - w a v e t u b e . A s o n e f i n a l e x a m p l e , l e tu s c o n s i d e r a n a d v a n c e i n t h e f o r m o f a ne w i d e a , a ne wt y p e o f vacuum t u b e , a t u b e w h i c h c a n b e t u n e d o v e rw i d e r a n g e s o f f r e q u e n c y b y c h a n g i n g t h e o p e r a t i n gv o l t a g e .T u b e s o f t h i s g e n e r a l t y p e , b u t o f t w o d i f f e r e n t f o r m s ,h a v e b e e n d e s c r i b e d : t h e b a c k w a r d - w a v e o s c i l l a t o r , b yR . K o m p f n e r , a n d t h e M - t y p e c a r c i n o t r o n , 1 - 5 7 a s d e -s c r i b e d b y W a r n e c k e a n d G u e n a r d o f C . S . F . 8 H e r e w ew i l l d e a l p r i m a r i l y w i t h t h e b a c k w a r d - w a v e o s c i l l a t o r ,a s d e s c r i b e d b y K o m p f n e r a n d o t h e r s . 1 5 6 9I n e x p l a i n i n g t h e o p e r a t i o n o f a t r a v e l i n g - w a v e t u b e ,we n o t e d t ha t t h e e l e c t r o n beam t r a v e l s a l o n g i n t h es a m e d i r e c t i o n a s d o e s t h e wave o n a s l o w - w a v e c i r c u i t ,s o t h a t a n e l e c t r o n w h i c h a t o n e m o m ent s e e s a n a c c e l e r -a t i n g f i e l d , s e e s t h e s a m e a c c e l e r a t i n g f i e l d f o r a c o n s i d e r -a b l e t i m e t h e r e a f t e r . T h i s c u m u l a t i v e i n t e r a c t i o n b e -t w e e n t h e e l e c t r o n s a n d t h e f i e l d i s e s s e n t i a l i n t h eo p e r a t i o n o f t h e t r a v e l i n g - w a v e t u b e . Th e same s o r t o fc u m u l a t i v e i n t e r a c t i o n c a n b e o b t a i n e d , h o w e v e r , e v e nwhen e l e c t r o n s t r a v e l i n a d i r e c t i o n o p p o s i t e t o t h a t o ft h e w a v e , p r o v i d e d t ha t t he e l e c t r o n s s e e t h e wave o n l yp e r i o d i c a l l y .C o n s i d e r , f o r i n s t a n c e , t h e s t r u c t u r e s h o w n i n F i g . 2 0 .H e r e we h a v e a w a v e g u i d e b u i l t i n s e r p e n t i n e f o r m a n dp i e r c e d b y a x i a l h o l e s t h r o u g h w h i c h t h e e l e c t r o n beamf l o w s . Th e e l e c t r o n b e a m f l o w s f r o m l e f t t o r i g h t , w h i l et h e w a v e t r a v e l s f r o m r i g h t t o l e f t . C o n s i d e r a n e l e c t r o nt r a v e r s i n g t h e w a v e g u i d e f o r t h e f i r s t t i m e , a t t h e f a rl e f t - h a n d e n d . S u p p o s e , f o r i n s t a n c e , t ha t t he wave i nt h e w a v e g u i d e h a s i t s p e a k a c c e l e r a t i n g v a l u e a t t h i s

1 5 R . K o m p f n e r a n d N . T . W i l l i a m s , B a c k w a r d - w a v e t u b e s ,P R O C . I . R . E . , v o l . 4 1 , p p . 1 6 0 2 - 1 6 1 1 ; N o v e m b e r , 1 9 5 3 .1 6 P i e r r e G u 6 n a r d , O s k a r D o e h l e r , B e r n a r d E p s z t e i n , a n d R o b e r tW a r n e c k e , N o u v e a u x t u b e s o s c i l l a t e u r s A l a r g e b a n d e d a c c o r d6 l e c t r o n i q u e p o u r h y p e r f r 6 q u e n c e s , A c a d . d e s S c i . , C o m p t e s R e n d u s ,v o l . 2 3 5 , p p . 2 3 6 -2 3 8 ; J ul y 2 1 , 1 9 5 2 .1 7 R . W a r n e c k e a n d P . G u 6 n a r d , S o m e r e c e n t w o r k i n F r a n c eo n ne w t y p e s o f v a l v e s f o r t he h i g h e s t r a d i o f r e q u e n c i e s , P r o c .I . E . E . , v o l . 1 0 , p p . 3 5 1 - 3 6 2 ; N o v e m b e r , 1 9 5 3 .1 8 T h e r e h a s b e e n s o m e d i s c u s s i o n c o n c e r n i n g t h e h i s t o r y o f t h eb a c k w a r d - w a v e o s c i l l a t o r a n d o f t h e c a r c i n o t r o n . D u r i n g t h e I R E -AIEE E l e c t r o n T u b e C o n f e r e n c e a t O t t a w a i n J u n e , 1 9 5 2 , R . K o m p f -n e r d e s c r i b e d a b a c k w a r d - w a v e o s c i l l a t o r w h i c h t u n e d e l e c t r o n i c a l l yf r o m 6 . 0 mm t o 7 . 5 m m, a n d B . E p s z t e i n d e s c r i b e d a c e n t i m e t e r -r a n g e M - t y p e c a r c i n o t r o n w i t h s e v e r a l w a t t s p o w e r a n d a 30 e l e c -t r o n i c t u n i n g r a n g e . T h e F r e n c h t e r m O -t yp e C a r c i n o t r o n i se q u i v a l e n t t o b a c k w a r d - w a v e o s c i l l a t o r a s u s e d i n t h i s p a p e r .1 9 P . K . T i e n , B i f i l a r h e l i x f o r b a c k w a r d - w a v e o s c i l l a t o r s , P R O C .I . R . E . , v o l . 4 2 , p p . 1 1 3 7 - 1 1 4 3 ; J u l y , 1 9 5 4 .



11/13

P i e r c e : Some R e c e n t A d v a n c e s i n M i c r o w a v e T u b e st i m e a n d p l a c e . C o n s i d e r t h e n w h a t h a p p e n s when t h es a m e e l e c t r o n t r a v e r s e s t h e w a v e g u i d e t h e n e x t t i m e , a tt h e n e x t f o l d . We c a n e a s i l y s e e t h a t i f t h e v e l o c i t y o f t h ee l e c t r o n b e a r s t h e p r o p e r r e l a t i o n t o t h e v e l o c i t y o f t h ew a v e , t h e e l e c t r o n c a n e x p e r i e n c e m axi m u m a c c e l e r a -t i o n a g a i n o n t h i s s e c o n d t r a v e r s a l . T h i s w i l l h a p p e n i f

ELECTRONBEAMELECTRO-MAGNETICWAVE

F i g . 20-An e l e c t r o n b e a m a n d a w a v e c a n i n t e r a c t c u m u l a t i v e l ye v e n w h e n t h e w a v e a n d t h e e l e c t r o n s t r a v e l i n o p p o s i t e d i r e c -t i o n s , p r o v i d e d t h a t t h e e l e c t r o n s s e e t h e w a v e f o r s h o r t t i m e so n l y , p e r i o d i c a l l y . H e r e w e c a n s e e t h a t a n e l e c t r o n w h i c h c r o s s e st h e w a v e g u i d e f o r t h e f i r s t t i m e w h e n t h e f i e l d i s a c c e l e r a t i n g maya l s o b e a c c e l e r a t e d o n i t s s e c o n d c r o s s i n g o f t h e w a v e g u i d e i f an e w w a v e c r e s t a r r i v e s a t t h e p o i n t o f c r o s s i n g j u s t a s t h e e l e c t r o nd o e s . S u c h c u m u l a t i v e i n t e r a c t i o n r e s u l t s i n o s c i l l a t i o n a t t h ef r e q u e n c y a t w h i c h t h e i n t e r a c t i o n i s c u m u l a t i v e . T h i s f r e q u e n c yc h a n g e s a s t h e o p e r a t i n g v o l t a g e i s v a r i e d , c h a n g i n g t h e e l e c t r o nv e l o c i t y .i t e n c o u n t e r s a l a t e r c r e s t o f t h e w a v e i n t h e w a v e g u i d e ,w h i c h a r r i v e s a t t h e s e c o n d a p e r t u r e j u s t t h e r i g h t t i m ea f t e r t h e e a r l i e r c r e s t a r r i v e d a t t h e f i r s t a p e r t u r e . I nf a c t , a g i v e n e l e c t r o n c a n s e e a p e a k a c c e l e r a t i n g f i e l de a c h t i m e i t c r o s s e s t h e g u i d e . When t h i s i s s o o n e f i n d st h a t o s c i l l a t i o n s a r e g e n e r a t e d . P o w e r f l o w s f r o m t h ew a v e g u i d e a t t h e l e f t - h a n d e n d , w h e r e t h e e l e c t r o n sf r o m t h e g u n f l o w i n . Th e w a v e t r a v e l i n g t o t h e l e f tm o d u l a t e s a n d b u n c h e s t h e e l e c t r o n b e a m , a n d t h e e l e c -t r o n beam i n t u r n a c t s a s a f e e d b a c k p a t h i n t r a v e l i n g t ot h e r i g h t . T h u s , t h e w a v e e x c i t e s t h e b e a m , w h i l e t h ebeam e x c i t e s a w a v e , w h i c h f l o w s f r o m t h e r i g h t - h a n dp o r t i o n o f t h e w a v e g u i d e t o t h e l e f t . O s c i l l a t i o n d o e s n o td e p e n d o n a n y r e s o n a n c e i n t h e g u i d e . Th e t u b e w i l lo p e r a t e i f t h e w a v e g u i d e i s t e r m i n a t e d i n i t s c h a r a c t e r -i s t i c i m p e d a n c e a t b o t h e n d s , s o t h a t t h e r e c a n b e n ow a v e t r a v e l i n g t h r o u g h t h e g u i d e i n t h e d i r e c t i o n o fe l e c t r o n f l o w .Th e c u m u l a t i v e i n t e r a c t i o n b e t w e e n e l e c t r o n s a n dw a v e r e q u i r e s a c r i t i c a l r e l a t i o n b e t w e e n t h e e l e c t r o nv e l o c i t y , t he s p a c e b e t w e e n p o i n t s a t w h i c h t h e e l e c t r o nc r o s s e s t h e w a v e g u i d e , a n d t h e s p e e d a n d w a v e l e n g t ho f t h e w a v e i n t h e w a v e g u i d e . What h a p p e n s i f wec h a n g e t h e e l e c t r o n s p e e d , s o t ha t t he c r i t i c a l r e l a t i o nn o l o n g e r h o l d s a t a p a r t i c u l a r f r e q u e n c y ? Th e r e l a t i o nw i l l h o l d a t s o m e o t h e r f r eq u e n cy , a t w h i c h t h e w a v e -l e n g t h a n d t h e s p e e d o f t h e w a v e i n t h e g u i d e a r e d i f f e r -e n t , a n d s o t h e f r e q u e n c y o f o s c i l l a t i o n s h i f t s . F i g . 2 1 , i nf a c t , s h o w s a p l o t o f f r e q u e n c y o f o s c i l l a t i o n i n k i l o -m e g a c y c l e s p e r s e c o n d v e r s u s e l e c t r o n beam p o t e n t i a li n v o l t s . I n t h e r a n g e f r o m 7 0 0 v o l t s t o 2 , 3 0 0 v o l t s , t h ef r e q u e n c y s h i f t s f r o m a b o u t 4 5 , 0 0 0 m c t o a b o u t 6 3 , 0 0 0m c ; t h a t i s , f r o m a w a v e l e n g t h o f 6 . 7 mm t o a w a v e -l e n g t h o f 4 . 8 m m . T h i s g i v e s a t u n in g r a n g e o f 3 7 p e rc e n t , o r 1 8 , 0 0 0 m c , a f r e q u e n c y r a n g e a s g re a t a s t h eb a n d w i d t h o f a l l r a d i o w a v e s o f w a v e l e n g t h s l o n g e r t h a n

zu 0u J

a- II. -U0

I t5 .

U. j

60I4 O_ _ I _ ___60 0 80 0 1000 1200 1400 1 6 0 0 - 15 0 0 ZLU e e u Z eaUuBEAM P O T E N T I A L IN VOLTS

F i g . 2 1 - A p l o t o f f r e q u e n c y v e r s u s v o l t a g e f o r a b a c k w a r d - w a v eo s c i l l a t o r b u i l t b y K o m p f n e r . T h i s t u b e t u n e s e l e c t r o n i c a l l y o v e ra r a n g e o f f r e q u e n c i e s g r e a t e r t h a n t h e e n t i r e b a n d w i d t h o f w a v e -l e n g t h s l o n g e r t h a n l r 7 c m.1 . 7 c m . T h i s t u n i n g r a n g e i s c o v e r e d w i t h o u t a n y m e -c h a n i c a l m o t io n, m e r e l y b y c h a n g i n g t h e v o l t a g e o fo p e r a t i o n .I t i s c l e a r t ha t t he p a r t s o f a b a c k w a r d - w a v e o s c i l l a t o rf o r s u c h a f r e q u e n c y r a n g e m u s t b e v e r y s m a l l . I n d e e d ,w h i l e t he c i r c u i t u s e d i s i n p r i n c i p l e much l i k e t h a ts h o w n i n F i g . 2 0 , t h e p h y s i c a l s t r u c t u r e i s s o m e w h a t d i f -f e r e n t . Th e c i r c u i t i s c o m p o s e d o f t w o a r r a y s o f h a i r p i n -l i k e l o o p s o f w i r e , made b y w i n d i n g w i r e o n a m a n d r e la n d t h e n d i s s o l v i n g o u t t h e m a n d r e l . One s u c h a r r a y i ss h o w n i n F i g . 2 2 . Th e t a p e r a t t h e e n d i s u s e d i n m a t c h -

F i g . 2 2 - T h e s e r p e n t i n e s t r u c t u r e i n t h e m i l l i m e t e r w a v e t u b e i sm a d e b y i n t e r l e a v i n g t w o a r r a y s o f h a i r p i n - l i k e l o o p s o f w i r e , s ot h a t t h e r e i s a s e r p e n t i n e p a t h b e t w e e n t h e l o o p s . T h e s e l o o p s o fw i r e a r e b r a z e d t o t h e t o p a n d b o t t o m w a l l s o f a w a v e g u i d e . A tt h e e n d s o f t h e a r r a y s , t h e l o o p s a r e c u t a w a y a l o n g a t a p e r s ot h a t t h e i n t e r l e a v e d s t r u c t u r e i s t a p e r e d g r a d u a l l y t o a n o r -d i n a r y r e c t a n g u l a r w a v e g u i d e .

1 9 5 4 1 7 4 . S


12/13

PROCEEDINGS OF THE I - R - Ei n g t h e c i r c u i t t o a r e c t a n g u l a r w a v e g u i d e . F i g . 2 3 s h o w sa n X - r a y p h o t o g r a p h o f tw o s u c h a r r a y s , i n t e r l e a v e d s ot h a t t h e r e i s a s e r p e n t i n e p a t h b e t w e e n t h e m . I t i s i nt h i s s e r p e n t i n e p a t h t h a t t h e wave t r a v e l s , j u s t a s i n t h e

F i g . 2 3 - T h i s f i g u r e i s an X - r a y p h o t o g r a p h s h o w i n g t h e i n t e r l e a v i n go f t h e h a i r p i n s o f F i g . 2 2 t o g i v e t h e s e r p e n t i n e p a t h a l o n g w h i c ht h e wave t r a v e l s . Th e t a p e r i n g o f t h e h a i r p i n s t o m a t c h t h e c i r c u i tt o o r d i n a r y r e c t a n g u l a r w a v e g u i d e s i s s h o w n a t t h e b o t t o m .s e r p e n t i n e w a v e g u i d e o f F i g . 2 0 . Th e t a p e r e d p o r t i o n so f t h e a r r a y s , a s s h o w n i n t h e l o w e r p a r t o f F i g . 2 3 , a r eu s e d t o t r a n s f o r m t h e c i r c u i t g r a d u a l l y i n t o a w a v e g u i d es u i t a b l e f o r a p o w e r o u t p u t c o n n e c t i o n . F i g . 2 4 s h o w s ap i c t u r e o f a n e x p e r i m e n t a l m i l l i m e t e r o s c i l l a t o r made b yK o m p f n e r .

F i g . 24-The a s s e m b l e d m i l l i m e t e r - w a v e o s c i l l a t o r u s i n gt h e h a i r p i n s t r u c t u r e .B a c k w a r d - w a v e o s c i l l a t o r s seem p a r t i c u l a r l y advan-

tageous i n g e n e r a t i n g m i l l i m e t e r waves, b e c a u s e me-c h a n i c a l t u n i n g , which can be very troublesome i nc o n n e c t i o n w i t h minute s t r u c t u r e s , i s e n t i r e l y a v o i d e d .Karp a n d Y o c o m , a t B e l l L a b o r a t o r i e s , h ave m a d eb a c k w a r d - w a v e o s c i l l a t o r s s o m e w h a t d i f f e r e n t fromK o m p f n e r s . A t u b e f o r u s e from 5- 6 mm i s s h o w n i nF i g . 2 5 . Backward-wave o s c i l l a t o r s have many o t h e rp o t e n t i a l u s e s a n d a d v a n t a g e s as w e l l , however. Putz

a t S t a n f o r d h a s p r o d u c e d a r o u n d 1 0 0 w a t t s w i t h a n e f -f i c i e n c y o f a r o u n d 1 0 p e r c e n t i n w a v e l e n g t h r a n g ea r o u n d 1 0 cm w i t h a b a c k w a r d - w a v e o s c i l l a t o r u s i n g as e r p e n t i n e s t r u c t u r e . S u l l i va n a t t h e B e l l L a b o r a t o r i e sh a s made a b a c k w a r d - w a v e o s c i l l a t o r u s i n g a s o m e w h a td i f f e r e n t c i r c u i t ; t h i s t u n e s c o n t i n u o us l y f r o m 2 , 7 00 t o1 3 , 0 0 0 m c , a t u n i n g r a n g e o f 5 t o 1 . A v a r i e t y o f o t h e rb a c k w a r d - w a v e o s c i l l a t o r s s u i t a b l e f o r t e s t g e a r a n do t h e r a p p l i c a t i o n s h a v e b e e n m a d e .Th e M - t y p e c a r c i n o t r o n w a s m e n t i o n e d e a r l i e r a s at u b e w h i c h o p e r a t e s much t h e s a m e a s d o e s t h e b a c k -w a r d - w a v e o s c i l l a t o r . Th e f u n d a m e n t a l d i f f e r e n c e i st h a t i n t h e M - t y p e c a r c i n o t r o n t h e e l e c t r o n s f l o w n o ti n a r e g i o n o f c o n s t a n t p o t e n t i a l , g u i d e d by a l o n g i t u d i -n a l m a g n e t i c f i e l d , a s t h e y d o i n k l y s t r o n s a n d t r a v e l i n g -wave t u b e s , b u t t h e y f l o w i n a r e g i o n o f c r o s s e d e l e c t r i ca n d m a g n e t i c f i e l d s , b o t h f i e l d s p e r p e n d i c u l a r t o t h e d i -r e c t i o n i n w h i c h t h e wave t r a v e l s a l o n g t h e c i r c u i t a n dt o t h e a v e r a g e d i r e c t i o n i n w h i c h e l e c t r o n s p r o g r e s sa l o n g t h e c i r c u i t . T h i s f l o w i n c r o s s e d e l e c t r i c a n d m a g -n e t i c f i e l d s i s l i k e t h e f l o w o f e l e c t r o n s i n a m a g n e t r o n .

F i g . 2 5 - A n o t h e r f o r m o f m i l l i m e t e r w a v e b a c k w a r d - w a v e o s c i l l a t o rd u e t o A . K a r p a n d W. H . Y o c o m . Th e c i r c u i t i n t h i s t u b e i s a na r r a y o f r e s o n a n t w i r e s o r t a p e s o b t a i n e d by w i n d i n g t a p e o ve ra m a n d r e l w h i c h h a s i n i t a g r o o v e a p p r o x i m a t e l y o n e - h a l f w a v e -l e n g t h w i d e . A t u b e i s s h o w n , t o g e t h e r w i t h a t u b e i n a s u i t a b l ep e r m a n e n t m a g n e t .

C a r c i n o t r o n s h a v e b e e n made l a r g e l y f o r o p e r a t i o n a th i g h p o w e r s i n t h e l o n g e r cm w a v e l e n g t h r a n g e . Th ep o w e r s a n d e f f i c i e n c i e s a t t a i n e d a p p e a r t o h a v e b e e ns u b s t a n t i a l l y h i g h e r t h a n t h o s e f o r b a c k w a r d - w a v e o s -c i l l a t o r s . P o w e r s u p t o 2 0 0 w a t t s i n t h e f r e q ue n c y r a n g e2 , 0 0 0 - 3 , 0 0 0 m c h a v e b e e n c i t e d . 2 0 H o w e v e r , i t s e e m st h a t a t v e r y s h o r t w a v e l e n g t h s i t i s e a s i e r a n d m o r ep r a c t i c a l t o u s e f o c u s i n g w i t h a l o n g i t u d i n a l m a g n e t i cf i e l d t h a n i t i s t o a c h i e v e s ui t a bl e e l ec t ro n f l o w i n c r o s s e de l e c t r o m a g n e t i c f i e l d s .Th e c u r r e n t p r o b l e m i n c o n n e c t i o n w i t h b a c k w a r d -w a v e o s c i l l a t o r s a n d c a r c i n o t r o n s l i e s n o t s o much i nh ow t o make a t u b e o f s p e c i f i e d p e r f o r m a n c e a s i t d o e si n u n c o v e r i n g t h e a p p l i c a t i o n s i n w h i c h t h e s e t u b e s w i l lh a v e s u b s t a n t i a l a d v a n t a g e s o v e r o t h e r t y p e s o f t u b e s ,a n d i n c h o o s i n g f r o m among c i r c u i t s a n d c o n s t r u c t i o n sw h i c h h a v e b e e n c o n s i d e r e d t h o s e w h i c h a re b es t s u i t e dt o t h e a p p l i c a t i o n s .

2 0 E . D e n c h , A v o l t a g e t u n e d h i g h p o w e r m i c r o w a v e o s c i l l a -t o r , P r o c . o f t h e N a t i o n a l E l e c t r o n i c s C o n f e r e n c e , v o l . 9 , p p . 4 4 5 - 4 5 6 ;F e b r u a r y , 1 9 5 4 .



13/13

P i e r c e : S o m e R e c e n t A d v a n c e s i n M i c r o w a v e T u b e sT h i s s u r v e y , w h i c h h a s r a n g e d f r o m n e w l y d e v e l o p e dt u b e s o f a n o l d t y p e t o t u b e s o f a n e n t i r e l y new t y p e h a s ,a s w a s i n d i c a t e d e a r l i e r , f a i l e d t o m e n t i o n a n u m b e r o fi n t e r e s t i n g a d v a n c e s i n m i c r o w a v e t u b e s . S o m e o f t h e s e ,s u c h a s t h e r e s i s t i v e - w a l l a m p l i f i e r 2 a n d t h e d o u b l e -s t r e a m a m p l i f i e r , w e r e o m i t t e d b ec a u s e t h e y s e e m e d o fl e s s p r a c t i c a l i m p o r t a n c e t h a n , f o r i n s t a n c e , t h e s p a c e -

c h a r g e - w a v e a m p l i f i e r . I h a v e g i v e n a s i m p l e d e s c r i p t i o no f t h e o p e r a t i o n o f t h e s e a n d some o t h e r t u b e s e l s e -w h e r e . 2 2 Some a d v a n c e s , s u c h a s t h o s e b e i n g made c u r -r e n t l y i n t h e f i e l d o f h i g h- p o w e r t r av e l in g -w a ve t u b e s ,a r e d i f f i c u l t t o t a l k a b o u t b e c a u s e t h e s t a t e o f t h e w o r ki s p e r h a p s n o t f a r e n o u g h a d v a n c e d t o make a n a d e q u a t ej u d g m e n t a n d c o m p a r i s o n o f v a r i o u s a p p r o a c h e s . Somea d v a n c e s o f v e r y c o n s i d e r a b l e i m p o r t a n c e , s u c h a s t h ec o u n t e r - w o u n d h e l i x a n d v a r i o u s o t h e r v a r i e t i e s o f c i r -c u i t s f o r t r a v e l i n g - w a v e t u b e s a n d b a c k w a r d - w a v e o s -c i l l a t o r s , h a v e n o t b e e n m e n t i o n e d b e c a u s e t h e i r a p p e a li s l a r g e l y t o s p e c i a l i s t s i n t h e t u b e f i e l d . Th e b i b l i o g r a -p h y w h i c h f o l l o w s m ay h e l p i n d i r e c t i n g t h o s e who w i s ht o p u r s u e s u c h m a t t e r s t o a n u m b e r o f s o u r c e s o f i n f o r -m a t i o n .

BIBLIOGRAPHYFe w p e r i o d i c a l r e f e r e n c e s a r e g i v e n f o r t h e y e a r s e a r l i e r t h a n 1 9 5 2 .G e n e r a l r e f e r e n c e s : M o s t o f t h e s e h a v e e x t e n s i v e b i b l i o g r a -p h i e s .

1 . B e c k , A . H . W . , T h e r m i o n i c V a l v e s , C a m b r i d g eU n i v e r s i t y P r e s s ; 1 9 5 3 .2 . W a r n e c k e , R . , a n d G u e n a r d , P . , T u b e s a M o d u l a -t i o n d e V i t e s s e , G a u t h i e r - V i l l a r s ; 1 9 5 1 .3 . K l e e n , W e r n e r , E i n f i h r u n g i n d i e M i k r o w e l l e n -E l e k t r o n i k , S . H i r z e l V e r l a g ; 1 9 5 2 .K l y s t r o n s

4 . P r e i s t , D . H . , M u r d o c k , C . E . , a n d W o e r n e r , J . J . , H i g h - p o w e r k l y s t r o n s a t UHF, P R O C . I . R . E . , v o l .4 1 , ( J a n u a r y , 1 9 5 3 ) , p p . 2 0 - 2 5 .T r a v e l i n g - W a v e T u b e s

5 . K o m p f n e r , R . , a n d R o b i n s o n , F . N . H . , N o i s e i nt r a v e l i n g - w a v e t u b e s , P R O C . I . R . E . , v o l . 3 9 , ( 1 9 5 1 )p p . 9 1 8 - 9 2 6 .6 . P e t e r , R . W . , a n d R u e t z , J . A . , I n f l u e n c e o f s e c -o n d a r y e l e c t r o n s o n n o i s e f a c t o r a n d s t a b i l i t y o ft r a v e l i n g - w a v e t u b e s , R . C . A . R e v . , v o l . 1 4 , ( S e p -t e m b e r , 1 9 5 3 ) , p p . 4 4 1 - 4 5 2 .7 . W a t k i n s , D . A . , A l o w n o i s e t r a v e l i n g - w a v e t u b ef o r X - b a n d , P R O C . I . R . E . , v o l . 4 1 , ( D e c e m b e r ,1 9 5 3 ) , p p . 1 7 4 1 - 1 7 4 6 .2 1 C . K . B i r d s a l l , G . R . B r e w e r a n d A . V . H a e f f , T h e r e s i s t i v e -w a l l a m p l i f i e r , P R O C . I . R . E . , V o l . 4 1 , P p . 8 6 5 - 8 7 5 ; J u l y , 1 9 5 3 .2 2 J . R . P i e r c e , T h e wave p i c t u r e o f m i c r o w a v e t u b e s , B e l l S y s t .T e c h . J o u r . , v o l . 3 3 , p p . 1 3 4 3 - 1 3 7 2 ; N o v e m b e r , 1 9 5 4 .

8 . R o b i n s o n , F . N . H . , M i c r o w a v e s h o t n o i s e i n e l e c -t r o n b e a m s , J o u r . o f t h e B r i t . I n s t . o f R a d . E n g . ,v o l . 1 4 , ( F e b r u a r y , 1 9 5 4 ) , p p . 7 9 - 8 6 .9 . B l o o m , S . , a n d P e t e r , R . W . , A minimum n o i s ef i g u r e f o r t h e t r a v e l i n g - w a v e t u b e , R . C . A . R e v . ,v o l . 1 5 , ( J u n e , 1 9 5 4 ) , p p . 2 5 2 - 2 6 7 .B a c k w a r d - W a v e O s c i l l a t o r s1 0 . W a l k e r , L . R . , S t a r t i n g c u r r e n t s i n t h e b a c k w a r d -wave o s c i l l a t o r , J o u r . A p p . P h y s . , v o l . 2 4 , ( J u l y ,1 9 5 3 ) , p p . 8 5 4 - 8 5 9 .1 1 . W a t k i n s , D . A . , a n d A s h , E . A . , T h e h e l i x a s ab a c k w a r d - w a v e c i r c u i t s t r u c t u r e , J o u r . A p p . P h y s .v o l . 2 5 , ( J u n e , 1 9 5 4 ) , p p . 7 8 2 - 7 9 0 .1 2 . H e f f n e r , H . , A n a l y s i s o f t h e b a c k w a r d - w a v e t r a v -e l i n g - w a v e t u b e , P R O C . I . R . E . , v o l . 4 2 , ( J u n e ,1 9 5 4 ) , p p . 9 3 0 - 9 3 7 .M i s c e l l a n e o u s1 3 . W a t k i n s , D . A . , E f f e c t o f v e l o c i t y d i s t r i b u t i o n i n am o d u l a t e d e l e c t r o n b e a m , J o u r . A p p . P h y s . , v o l .2 3 , ( M a y , 1 9 5 2 ) , p p . 5 6 8 - 5 7 3 .1 4 . P i e r c e , J . R . , A new m e t h o d o f c a l c u l a t i n g n o i s e i ne l e c t r o n s t r e a m s , P R O C . I . R . E . , v o l . 4 0 , ( D e c e m -b e r , 1 9 5 2 ) , p p . 1 6 7 5 - 1 6 8 0 .1 5 . N o r d s i e c k , A . , T h e o r y o f t h e l a r g e - s i g n a l b e h a v i o ro f t r a v e l i n g - w a v e a m p l i f i e r s , P R O C . I . R . E . , v o l .4 1 , ( M a y , 1 9 5 3 ) , p p . 6 3 0 - 6 3 7 .1 6 . B i r d s a l l , C . K . , a n d W h i n n e r y , J o h n , W a v e s i n a ne l e c t r o n s t r e a m w i t h g e n e r a l a d m i t t a n c e w a l l s ,J o u r . A p p . P h y s . , v o l . 2 4 , ( M a r c h , 1 9 5 3 ) , p p . 3 1 4 -3 2 3 .1 7 . W i e s l a w , S i e k a n o w ic z W . , A d e v e l o p m e n t a l m e -d i u m - p o w e r t r a v e l i n g - w a v e t u b e f o r r e l a y s e r v i c ei n t h e 2 , 0 0 0 MC r e g i o n , P R O C . I . R . E . , v o l . 4 2 ,( J u l y , 1 9 5 4 ) , p p . 1 0 9 1 - 1 0 9 7 .1 8 . P i e r c e , J . R . , a n d W a l k e r , L . R . , B r i l l o u i n f l o ww i t h t h e r m a l v e l o c i t i e s , J o u r . A p p . P h y s . , v o l . 2 4 ,( O c t o b e r , 1 9 5 3 ) , p p . 1 3 2 8 - 1 3 3 0 .1 9 . T i e n , P . K . , T r a v e l i n g - w a v e t u b e h e l i x i m p e d -a n c e , P R O C . I . R . E . , v o l . 4 1 , ( N o v e m b e r , 1 9 5 3 ) ,p p . 1 6 1 7 - 1 6 2 3 .2 0 . D o d d s , W. J . , a n d P e t e r , R . W . , F i l t e r - h e l i x t r a v -e l i n g - w a v e t u b e , R . C . A . R e v . , v o l . 1 4 , ( D e c e m b e r ,1 9 5 3 ) , p p . 5 0 2 - 5 3 2 .2 1 . P i e r c e , J . R . , C o u p l i n g o f m o d e s o f p r o p a g a t i o n ,J o u r . A p p . P h y s . , ( F e b r u a r y , 1 9 5 4 ) , p p .

Documents

Recent Development Microwavetube