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Elektronenröhre,
Bei den Elektronenröhren bekannter Bauart, wie sie z. B. in der Verstärker- und Sendertechnik benutzt werden, vollzieht sieh der Steuerungsvorgang bekanntlich derart, dass von der Kathode Elektronen emittiert werden, die ein steuerndes Feld durchlaufen und zur Anode gelangen. Die Elektronen können hiebei auch zu einem Fadenstrahl gebündelt oder in einer Kugelmantelfläehe, deren
Spitze in der Anode liegt, gesammelt werden. Es sind ferner Quersteuerröhren bekannt, bei denen die Elektronen senkrecht zu ihrer von der Kathode zu einer Anode führenden Bahn durch eine Steuerelektrode abgelenkt und zu einer gleichfalls seitlich angeordneten zweiten Anode hingetrieben werden.
Die Elektronen haben dabei untereinander verschiedene Geschwindigkeiten, was einerseits von der Maxwell'schien Geschwindigkeitsverteilung und anderseits bei unmittelbar geheizten Kathoden vom Heizspannungsabfall herrührt. Das bewirkt, dass bei einer Abbremsung der Elektronen im steuernden Feld die langsamen Elektronen stärker abgebremst werden als die schnellen. Soll nun der ganze Elektronenstrom vom Sättigungsstrom bis auf Null gesteuert werden, so hindert eine kleine Gegenspannung zunächst die langsamen Elektronen daran, zur Anode zu gelangen. Bei weiterem Steigern der Gegenspannung des Steuerfeldes werden nach und nach die sehnellen Elektronen soweit abgebremst, dass sie nicht mehr zur Anode gelangen können.
Bei der bekannten Aufnahme der Gitter- spannungs-Anodenstrom-Kennlinie zeigt sich dieser Vorgang dadurch, dass zum Durchsteuern des Stromes von seinem Minimalwert auf seinen Maximalwert immer eine verhältnismässig grosse Gitterspannungsänderung notwendig ist, oder mit andern Worten, dass die Steilheit des Rohres verhältnismässig gering ist.
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Elektronen im Elektronenstrahl nahezu gleich gross zu machen, oder aber, wenn es gelingt die Elektronen verschiedener Geschwindigkeit gegen verschieden starke Steuerfelder anlaufen zu lassen. Die vor- liegende Erfindung gibt Massnahmen an, die es ermöglichen, die Steilheit eines Rohres auf Grund der beiden oben bezeichneten grundsätzlichen Möglichkeiten zu vergrössern.
Es werde zunächst das Verfahren besprochen, bei dem die Elektronen verschiedener Geschwindig-
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trischen oder magnetischen Ablenkung unterworfen wird, wobei die langsamen Elektronen stärker abgelenkt werden als die schnellen. In einem Schnitt durch das so entstehende Elektronenbüsehel liegen die Elektronen verschiedener Geschwindigkeit räumlich nebeneinander. Sie treffen nun erfindungs- gemäss auf ein Steuerfeld, das räumlich so ausgebildet ist, dass an den Stellen der schnellen Elektronen ein starkes Gegenfeld besteht, das zu den langsamen Elektronen hin entsprechend schwächer wird. Bei
Konstanthaltung dieser Feldverteilung wird nun das gesamte Steuerfeld durch die zu verstärkende Spannung variiert.
Das Prinzip werde des weiteren an der schematisierten Fig. 1 besprochen. Die Fig. 1 stellt einen
Schnitt durch ein System dar, das sich z. B. senkrecht zur Zeichenebene fortsetzt. Die Kathode K emittiert Elektronen, die von der positiv vorgespannten Elektrode al angezogen werden, wobei durch den Schlitz der Elektrode al ein Elektronenstrahl durchtritt, der zwischen den Elektroden b durchgeht
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strahles dar. Sie können gegebenenfalls durch eine beliebige andere, denselben Zweck erfüllende Elektronenoptik ersetzt werden. Der durch den Schlitz von austretende Elektronenstrahl enthält Elektronen verschiedenster Geschwindigkeit, die räumlich aufgeteilt werden sollen. Zu diesem Zweck durchläuft der Strahl in Fig. 1 z.
B. ein elektrisches Feld zwischen den Platten ? i und P chs den Strahl in der gezeichneten Weise ablenkt. Hiebei werden die schnellsten Elektronen wenig abgelenkt
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zur Stelle d auf dem Gitter Gausgelenkt werden. Der Strahl wird also zu einem Büschel, wobei auf dem Gitter G die Elektronen von c nach dz in der Geschwindigkeit abnehmen. Auf dem Gitter G soll nun eine solche Spannungsverteilung herrschen, dass von c nach d die Gegenspannung entsprechend der Geschwindigkeitsabnahme der Elektronen auch abnimmt. Und zwar ist diese Spannungsverteilung konstant, während zwischen ein Ende des Gitters G und die Kathode neben einer Vorspannung eine veränderliche Steuerspannung gelegt werden kann.
In Fig. 2 sind diese wesentlichen Spannungen
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Gitter G eine Spannungsverteilung erzeugen, die von rechts nach links zu negativeren Werten ansteigt, während von einem Gitterende aus, z. B. über einen Widerstand Rg, die Spannung Eg zur Kathode liegt. Bei Veränderung der Spannung Eg bzw. eines Spannungsabfalls, der am Widerstand Rg von aussen erzeugt wird, werden mehr oder minder viele Elektronen durch das Gitter G zur Hauptanode A durchgelassen. Fig. 3 zeigt die Spannungsverhältnisse bei der Steuerung graphisch. Auf der Abszisse ist die Gitterstrecke c-d eingezeichnet. Auf der linken Ordinate sind die Elektronengeschwindigkeiten aufgetragen, die von c nach ll abfallen.
Auf der rechten Ordinate sind die Gitterspannungen aufgetragen, die in dem interessierenden Stück von c-cul als gestrichelte Linien gezeichnet sind. Der Massstab auf der rechten Spannungsordinate ist dabei so gedacht, dass ein bestimmter Spannungswert auf der rechten Seite die Elektronen von einer Geschwindigkeit, die in gleicher Höhe auf der linken Seite des Diagramms liegt, gerade abbremst und nicht mehr zur Hauptanode A gelangen lässt. Das bedeutet also, dass die obere gestrichelte Spannungslinie einen Elektronenstrom nach der ausgezogenen Geschwindigkeitsverteilung vollständig abbremst und nicht zur Anode gelangen lässt, während die untere gestrichelte Spannungsh. ï1Tve den Elektronenstrom der gezeichneten Geschwindigkeitsverteilung vollständig zur Anode durchlässt.
Die Spannungen sind hiebei sinngemäss als negative Gitterspannungen aufgetragen. Man erkennt nun die Wirkung der einzelnen Spannungen : Die Spannung Eg gibt dem ganzen Gitter eine gleichmässige Vorspannung. Die Spannung eg liefert eine Spannungsverteilung längs des Gitters, die der Gesehwindigkeitsverteilung der Elektronen an den einzelnen Gitterstellen entspricht. Die Spannung #. Eg ist die maximale Steuerspannung um den Elektronenstrom zur Hauptanode ganz abzubremsen oder ganz durchzulassen.
Man erkennt aus dem Diagramm auch sofort, dass bei dem normalen Verfahren, bei dem die Elektronen verschiedener Geschwindigkeit auf ein gleichmässiges Steuerfeld treffen, die Steuerspannung zum Durchsteuern des Anodenstromes eg + A sein müsste,
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keit auf verschieden starke Steuerfelder treffen, nur A Eg zu sein braucht. Die Rohrensteilheit kann bei diesem Verfahren also beträchtlich gesteigert werden.
Es sollen beispielsweise noch einige Gitterkonstruktionen und Röhrenkonstruktionen angegeben werden, die eine Spannungsverteilung am Gitter gemäss der Geschwindigkeitsverteilung der Elektronen ermöglichen. Fig. 4 zeigt eine Anordnung von parallelen Gitterdrähten, die senkrecht zum Heizfaden (Kathode) stehen und gleichmässig stromdurchflossen sind, wodurch ein Spannungsabfall längs des Gitters und damit auch zwischen c-cl besteht. Da hiebei ein linearer Spannungsabfall längs des Gitters besteht, die Geschwindigkeitsverteilung der Elektronen zwischen c-d im allgemeinen Fall aber nicht linear ist, so stellt die Gitterkonstruktion nach Fig. 4 nur eine Näherungslosung dar.
In Fig. 5 ist dagegen eine Gitterkonstruktion angegeben, bei der die Feldverteilung der Gesehwindigkeitsverteilung weitgehend anzupassen ist. Eine Reihe von parallelen Gitterdrähten, die diesmal parallel zum Heizfaden
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Durch entsprechende Anordnung der Gitterdrahtansehlüsse an dem Spannungsteiler 1n-n kann dem Gitter die der Geschwindigkeitsverteilung der Elektronen entsprechende Spannungsverteilung gegeben werden.
Es ist nun nicht notwendig, die Feldverteilung des Steuerfeldes entsprechend der Geschwindig- keitsverteilung des Elektronenstromes unbedingt durch einen Spannungsabfall des Steuergitter zu erzeugen. Das Steuerfeld setzt sich zusammen aus der Feldverteilung in der gesamten Röhrenkonstruktion. Insbesondere setzt es sich zusammen aus dem Gitterfeld und dem durchgreifenden Feld der nachfolgenden Anode bzw. dem Feld einer in bekannter Weise zwischengeschalteten Hilfselektrode. Es ist deshalb auch möglich, ein der Geschwindigkeitsverteilung der Elektronen angepasstes Steuerfeld durch konstruktive Anordnung zu erzeugen, beispielsweise indem zur Seite der langsamen Elektronen hin das Anodenfeld immer stärker durch das Gitter durehgreift, indem z.
B. die Gitteröffnungen von links nach rechts in den gezeichneten Beispielen immer grösser werden, oder indem, wie es auch z. B.
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Als eine zweite Möglichkeit der Steilheitserhöhung wurde eingangs angegeben, dass alle Elektronen, bevor sie auf ein gleichmässiges Steuerfeld treffen, auf gleichmässige Geschwindigkeit gebracht werden. Eine beispielsweise Ausführung für dieses Verfahren zeigt Fig. 7. Der durch das elektrische Feld zwischen J\ und P gemäss der Elektronengeschwindigkeit aufgespreizte Elektronenstrahl durchläuft z. B., bevor er das durch gleichmässig vorgespannte Steuergitter G passiert, eine Hilfsanode A, die so gebaut sein möge, wie die in Fig. 4 oder 5 angegebenen Gitter. Diese Anode wird aber, im Gegensatz zu den oben beschriebenen Anordnungen, von links nach rechts positiver.
Durch die Öffnungen dieser Anode tritt ein Teil der Elektronen zum nächsten Gitter G durch. Dabei mögen bei c die schnellsten Elektronen durchtreten, während bei cl die langsamen Elektronen durchtreten. Durch die positive Spannung der Anode A1 tritt eine zusätzliche Beschleunigung der Elektronen ein, wobei die Feldverteilung auf der Anode die ursprünglich langsamen Elektronen stärker beschleunigt als die ursprünglich schnellen. Die Feldverteilung auf der Anode soll nun so sein, dass alle Elektronen aus der Anode mit
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Steuergitter G treffen. Die hiebei auftretende Steilheitserhöhung ist wiederum offensichtlich. Die oben angegebenen verschiedenen Möglichkeiten der Herstellung einer Feldverteilung entsprechend der Geschwindigkeitsverteilung der Elektronen sind sinngemäss hier zu übertragen.
In den bisher angegebenen Beispielen der Erfindung wurde zur räumlichen Aufteilung der Elektronen ein elektrisches Feld verwandt. Eine solche Ordnung der Elektronen nach ihrer Geschwindigkeit kann natürlich in bekannter Weise auch durch ein magnetisches Feld erfolgen. Ein Beispiel hiefür zeigt Fig. 8 in schematisierter Form. Eine zentrisch stehende Kathode K ist von einer geschlitzten Hilfsanode al umgeben. Eine stromdurehflossene Spule Sp erzeugt in ihrem Innern ein Magnetfeld, das die aus dem Schlitz von al austretenden Elektronen in den gezeichneten Bahnen ablenkt und durch das Gitter zur Anode A führt. Hiebei laufen die langsamen Elektronen auf den inneren Bahnen und die schnellen Elektronen auf den äusseren Bahnen.
Das Gitter G besitzt durch die Stromquelle ey eine Spannungsverteilung, die nach aussen hin eine immer stärkere Bremswirkung ausübt. Die Wirkung ist offenbar die gleiche wie oben schon besprochen, indem die Elektronen verschiedener Geschwindigkeit auf ein der Elektronengeschwindigkeit angepasstes Steuerfeld stossen. Die magnetische Ordnung der Elektronen nach ihrer Geschwindigkeit ist auf alle oben angegebenen Beispiele und Verfahren zu übertragen.
Es wurde oben schon erwähnt, dass das Verfahren der Erfindung den Einsatz weiterer Gitter, wie z. B. Raumlade-, Schirm-, Schutznetz-, Fang-oder Steuergitter, gestattet. Wegen des Fortfalles des Heizspannungsabfalles sind besonders vorteilhaft indirekt beheizte Kathoden zu verwenden.
Um die Kathode des Rohres besser auszunutzen, empfiehlt sich die Anordnung mehrerer Systeme um eine gemeinsame Kathode.
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wirkt, das gleichzeitig die der Elektronengeschwindigkeit angepasste Feldverteilung besitzt bzw. erzeugt. Es kann dagegen auch eine Steuerelektrode, z. B. in der Nähe der Kathode, angebracht werden, die die Geschwindigkeit des gesamten Elektronenstrahles, d. h. die schnellen und die langsamen Elektronen, vor dem Auftreffen auf das Gitter G gleichmässig steuert. Die Steuerverhältnisse liegen dann ebenso wie in Fig. 3.
Eine weitere Steuerung des Rohres ist möglich, indem die räumliche Gesehwindigkeitsverteilung der Elektronen auf dem Gitter G, das eine feste Spannungsverteilung besitzt, durch Einwirken der Steuerspannung auf die oben besprochen Elektronenoptik verändert wird.
Es wurde im Vorhergehenden auseinandergesetzt, dass zur Erhöhung der Steuerempfindlichkeit, d. h. der Steilheit eines gesteuerten Elektronenrohres eine Vergleichsmässigung der einzelnen Elektronengeschwindigkeiten des Elektronenstrahles in bezug auf das Steuerfeld notwendig ist, wobei entweder alle Elektronen auf gleiche Geschwindigkeit gebracht werden und durch ein gleichmässiges Steuerfeld beeinflusst werden, oder aber indem das Steuerfeld der Elektronen-Geschwindigkeitsverteilung derart angepasst wird, dass die Elektronen verschiedener Geschwindigkeit durch entsprechend verschiedene Steuerfelder beeinflusst werden.
Dieses Verfahren ist einer Erweiterung fähig, die von folgender Erkenntnis Gebrauch macht : Wenn sich in einem von einer Elektronenquelle ausgehenden Elektronenstrahl alle Elektronen parallel oder nahezu parallel zu der vorgegebenen Strahlrichtung bewegen, so besitzen die Elektronen in der Strahlrichtung verschiedene Geschwindigkeiten. Es möge z. B. in der Strahlrichtung eine Maxwell'sche Gesehwindigkeitsverteilung vorliegen. Senkrecht zur Strahlrichtung haben dagegen bei parallelen Elektronenbahnen alle Elektronen die Geschwindigkeit Null. Erteilt man nun durch ein Hilfsfeld allen Elektronen eine gleichmassige Geschwindigkeitskomponente senkrecht zur ursprünglichen Strahlriehtung, so steht in dieser senkrechten Richtung ein Elektronenstrom zur Verfügung, dessen Einzelelektronen in dieser Richtung alle gleiche Gesehwindigkeit besitzen.
Beeinflusst man diesen Elektronenstrom nun durch ein Steuerfeld, das nur auf diese gleichmässige Geschwindigkeitskomponente aller Elektronen einwirkt, so besitzt dieses System, entsprechend der gleichmässigen Geschwindigkeit aller Elektronen in bezug auf das Steuerfeld, wie in den bisherigen Beispielen dargelegt, die grösstmögliche Steuerempfindlichkeit bzw. Steilheit.
Das Verfahren möge am Beispiel der Fig. 9 noch näher erklärt werden. Von der Kathode K möge der gestrichelte Elektronenstrahl ausgehen, der durch den Schlitz im Zylinder Z austritt und
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in der x-richtung herabzusetzen oder zu erhöhen.
Das Verfahren der Fig. 9 gab nur ein Beispiel. Allgemein handelt es sich bei der zuletzt behandelten Lösung der Erfindungsaufgabe um ein Verfahren zur Steuerung von Elektronenströmen, bei dem den Elektronen durch geeignete Felder eine solche Geschwindigkeit und Richtung erteilt wird, dass die vom Steuerfeld vorwiegend beeinflusste Geschwindigkeitskomponente für alle Elektronen gleich gross oder nahezu gleich gross ist bzw., dass bei räumlich verschiedenen Geschwindigkeitskomponenten der Elektronen in bezug auf das Steuerfeld dieses Steuerfeld räumlich der Geschwindigkeitsverteilung der Elektronen angepasst wird.
Das Anwendungsgebiet der Erfindung liegt überall dort, wo Elektronenröhren oder Ionenröhren verwandt werden, denn die erfindungsgemässen Verfahren sind offenbar sofort auf Ionenröhren
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nisse sinngemäss dem anzupassen sind.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Elektronenröhre mit Vorrichtungen zur Steuerung des Elektronenstromes, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronen spätestens nach dem Verlassen des Steuerfeldes in Anodenriehtung eine mindestens in dieser Richtung praktisch gleichmässige Geschwindigkeit besitzen.