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Magnetron.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kurzwellenröhrenanordnung nach dem Magnetron- prinzip, welche vorzugsweise zur Erzielung hoher Schwingleistungen bei gutem Wirkungsgrad dienen soll.
Es sind bereits viele Kurzwellenröhrenanordnungen bekannt, welche teils mit einer Emissionsstromsteuerung und teils mit einer Verteilungssteuerung des in konstanter Stärke von der Kathode ausgehenden Emissionsstromes arbeiten und bei denen die Laufzeit eines Elektrons von der Grössen- ordnung einer Schwingungsdauer der erzeugten Frequenz ist. Die Wirkungsgrade, mit denen bisher
Kurzwellen erzeugt wurden, liegen relativ niedrig. Sie bewegen sich bei Bremsfeldschaltungen in der
Grösse von 15% bzw. bei Magnetronschaltungen mit Schwingungen erster Ordnung in der Grösse von etwa 25%. Es ist auch gelegentlich gelungen, bei Schwingungen höherer Ordnung unter Verwendung sehr starker Magnetfelder Wirkungsgrade von etwa 50% zu erreichen.
Der Zweck der vorliegenden Erfindung ist eine Steigerung des Wirkungsgrades über die üblichen
Werte, insbesondere über den Wert von 50% hinaus. Die Zahlenangabe von etwa 50% stellt nämlich eine Grenze dar, die nicht durch experimentelle Weiterentwicklung auf Grund der gewohnten und der Fachwelt geläufigen Vorstellungen des Sehwingungsvorganges bei Laufzeitschwingungen mög- lich ist.
In der vorliegenden Erfindung handelt es sich nicht um Erkenntnisse, die zur Klärung von
Fragen dienen, die bei den bisher verwendeten Kurzwellenanordnungen auftreten, sondern es werden unter Loslösung von veralteten Lehrsätzen prinzipiell neue Wege angegeben, deren erfolgreiche Beschreitung neuartige Röhren und Schaltungen erfordert.
Die Röhre, die zur Durchführung des Erfindungsgedankens verwendet wird, weist folgende charakteristische Merkmale auf. Die Elektroden umschliessen den Entladungsraum in Form eines zusammengesetzten Hohlkörpers, vorzugsweise eines Hohlprismas, annähernd allseitig. Die Emissions- quelle (-n) ist (sind) dabei am Umfang des Hohlkörpers z. B. auf der oder parallel zu einer Mantel- linie angebracht ähnlich wie die Strahldüse bei einer Turbine.
Die Schwingelektroden, die durch Influenz von den vorbeifliegenden Elektronen angeregt werden, bestehen aus aehsparallelen Segmenten bzw. Sektoren, deren axiale Ausdehnung unterein- ander gleich, deren periphere Ausdehnung vorzugsweise verschieden sein wird. Bei einer Röhre mit einer kleinen Segment-oder Sektorenzahl wird man die Elektroden gleich gross wählen. Bei einer Röhre mit einer grösseren Anzahl von Segmenten oder Sektoren wird man ihre Ausdehnung-von der Emissionsquelle ausgehend und am Umfang (Peripherie) gemessen-bei vorzugsweise gleichen
Sektorwinkeln monoton ab-bzw. zunehmen lassen, so dass man bei einem Schnitt senkrecht zur Achse als Begrenzungslinie der Fläche ungefähr einen Gang einer Spirale erhält.
Die Elektrode (-n), die die Elektronen nach ihrer Arbeitsleistung aufnehmen soll (en), wird man entweder in der Achse des Hohlprismas als stiftförmige Elektrode oder ausserhalb des Hohl- prismas an den Stirnseiten in Form von Kreisseheiben vorsehen. Die letzte Massnahme ist vorzuziehen, da sie geringere Raumladewirkungen durch die sich stauenden Elektronen ergibt.
Zweckmässigerweise wird man die Anordnung der Elektroden und die Wahl der Betriebs-
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(Nutzelektroden) vornehmlich nur die Wechselspannungen aber keinen Gleichstrom oder nur einen Bruchteil des Gesamtemissionsstromes führt, und dass ein anderer Teil der Elektroden (Auffangeelektroden) vornehmlieh nur zur Aufnahme der Elektronen dient und keine nennenswerte Wechselspannung, zumindest nicht von der anzufachenden Frequenz, führt.
In Schaltungen unter Verwendung der erfindungsgemässen Röhre ergeben sich folgende Vorteile :
Bei Verminderung der Schwingwechselspannung treten keine Gebiete auf, in denen die Schwingungen abreissen. Die Amplitude der Schwingungen lässt sich stetig bis auf relativ kleine Werte herabsetzen. Bei kleinen Wechselspannungen wächst lediglich die Zahl der Umläufe, bevor die Elektronen landen. Diese Erscheinung lässt sich besonders günstig bei Modulations-und Regel-bzw. Steuerschaltungen ausnützen.
Eine weitere gute Eigenschaft der erfindungsgemässen Röhren und Schaltungen ist ein weicher Sehwingungseinsatz, der besonders hier für Empfangszweeke von Bedeutung sein kann.
Es soll an dieser Stelle besonders auf die prinzipiellen Unterschiede zwischen den bekannten Magnetrons, die die Kathode in der Achse des Elektrodensystemes haben, und den erfindungsgemässen Röhren hingewiesen werden. Bei zirkularsymmetrischen Magnetrons bekannter Bauart (HabannRöhren) usw. liegt die Grenze für die Zahl der Anodensegmente bei vier. Eine weitere Aufteilung der Nutzelektrode (Anode) bei einem zirkularsymmetrischen Magnetron, welches die Kathode in der
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der Schwingungsanfaehung.
Völlig anders liegt der Fall bei den erfindungsgemässen Röhren. Dort ist es nämlich möglich, eine beliebige (geradzahlig) Mehrfachteilung der Nutzelektrode (Anode) vorzunehmen. Das hat den Vorteil, dass die Laufzeit (Umlaufzeit) eines Elektrons grösser sein kann als die Schwingungszeit für eine Vollperiode der erzeugten Schwingungen. Es ist also genau umgekehrt wie beim alten Magnetron-
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als die Schwingungsperiode ; z. B. bei Schwingungen zweiter Ordnung beträgt die Laufzeit x., : = 2, :, wobei : = Schwingungszeit für Vollperiode. Diese Tatsache hat eine ausserordentliche Bedeutung für die Praxis.
Man kann also-gleiche Rohrenabmessungen und Wellenlänge vorausgesetzt-viel schwächere Magnetfelder anwenden, u. zw. nimmt die erforderliche Magnetfeldstärke proportional mit der Zahl der Nutzelektrodenpaare ab und findet keine Grenze wie bei der Verteilung des bekannten
Magnetrons, welches die Kathode in der Symmetrieachse des Entladungsraumes hat.
In Fig. 1 ist eine zur Durchführung des Erfindungsgedankens geeignete Röhre im Prinzip an- gegeben. Ei und K2 sind die Kathoden, Z die Hilfselektrode zur Biindelung des Elektronenstromes,
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linien parallel zur Systemachse und vom Beschauer auf die Zeichenebene zulaufen, ist zur Verein- fachung der Zeichnung nicht dargestellt.
Man benutzt die physikalische Tatsache, dass ein in einem Magnetfeld sich auf einer Rotations- bahn bewegendes Elektron eine Winkelgeschwindigkeit hat, die nur von dem Magnetfeld abhängt, nicht aber von der durchlaufenden Spannung. Rotiert also ein Elektron um einen Mittelpunkt, so ist seine Umlaufsfrequenz und demnach seine Rückwirkung auf einen Schwingungskreis bezüglich der Frequenz konstant, bezüglich der Amplitude abhängig von seiner Bewegungsenergie, d. h. bei gegebenem Magnetfeld (Frequenz) von dem Radius seines Kreises.
Elektronen, die von den Kathoden K ausgehen, vom Gleichfeld beschleunigt werden und durch die Schlitze S in den trommelartigen Entladungsraum eintreten, rotieren bei geeigneter Wahl der magnetischen Feldstärke und der elektrischen Vorspannungen zunächst auf einem konzentrischen Kreis. Wird jetzt eine Wechselspannung zwischen den beiden Zylinderhälften erregt und die Magnetfeldstärke so gewählt, dass die Umlaufzeit der Elektronen gerade gleich einer Sehwingungsppriode wird, dann ist zunächst zweierlei prinzipiell möglich.
Entweder das Elektron läuft richtigphasig (J, d. h. es tritt gerade mit seiner grossen Geschwindigkeit durch die Schlitzebene SI hindurch, wenn das elektrische Querfeld zwischen den Elektroden und A2 ihm entgegengerichtet ist. Es läuft also auf eine vom Wechselfeld negativ erregte Elektrode (J zu. Dann gibt es Leistungen an den äusseren Kreis ab und wird abgebremst, d. h. es verlaugsamt seine Umfangsgeschwindigkeit ; sein Bahnradius wird kleiner, da das Magnetfeld konstant bleibt. Die Winkelgeschwindigkeit des Elektrons bleibt praktisch konstant. Es wiederholt so lange den Umlauf, bis es auf einer Spiralbahn zur Auffanganode N gelangt ist.
Das Elektron landet etwa mit der Geschwindigkeit Null, obwohl diese Elektrode V auf hohem positivem Potential liegt, das bedeutet also, dass das Elektron seine gesamte beim Eintritt in den Zylinder erhaltene Energie an das Wechselfeld bzw. an die Schwingungselektroden abgegeben hat. Der Wirkungsgrad beträgt etwa 100%. Im Extremfalle braucht die Auffangelektrode N nicht gekühlt zu werden.
Der zweite Fall, nämlich dass das Elektron falsehphasig von K2 aus durch den Schlitz 82 in den Entladungsraum eintritt und damit gegen eine-abgesehen von der positiven Ruhevorspannungim Moment positiv von der Wechselspannung erregte Elektrode anläuft, ist seht leicht zu über-
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sehen. Das Elektron nimmt zusätzlich Energie aus dem Weehselfeld auf, erhöht seine Umlaufsgeschwindigkeit, seine Bahn wird aufgebogen, und es fliegt gegen die Elektrode (-I) mit der höchsten Momentanspannung und ist damit aus dem Wechselfeld entfernt. Dieselben grundsätzlichen Erwägungen haben natürlich auch dann Gültigkeit, wenn nur eine Kathode K vorgesehen ist.
Zusammenfassend kann man feststellen, dass es von Wichtigkeit ist, dass die bezüglich der Schwingungsanfachung falschphasig von der Ursprungsquelle ablaufenden Elektronen aus dem Bereich der wechselspannungführenden Elektroden fortgeführt werden, bevor sie ihre aus dem elektrischen Beschleunigungsgleiehfeld gewonnene Energie zusätzlich durch Energieentzug aus dem elektrischen Wechselfeld erhöht haben.
Erfindungsgemäss soll nun weiterhin der Ablauf der Elektronen so beeinflusst werden, dass sie nicht mehr in willkürlicher, sondern in geregelter Folge von der Ursprungsquelle ablaufen. Es steht die Möglichkeit offen, den Elektronenstrom nur zu solchen Zeitpunkten von der Ursprnngsquelle ablaufen zu lassen, dass die Elektronen möglichst vollzählig phasenrichtig in den von den Nutzelektroden umgebenen Entladungsraum eintreten und somit die Schwingungsanfachung-bei richtiger Wahl der übrigen Betriebsbedingungen - zwangsläufig optimal unterstützen müssen.
Man ist aber nicht auf eine mengenmässige Steuerung des Elektronenstromes angewiesen. Man kann auch von der Emissionsquelle einen Strom in konstanter Stärke ausgehen lassen und diesen zeitlich nach verschiedenen Richtungen verteilen. Zur Durchführung dieser Kathodensteuerung eignen sich besonders Hilfselektroden, die in unmittelbarer Nähe der Kathode angebracht sind.
In Fig. 2 ist eine Doppel-oder Gegentaktröhre im Schnitt dargestellt. Gleiche Bezugszeichen weisen auf Elektroden hin, die denen der Fig. 1 entsprechen. Die Kraftlinien eines in der Zeichnung nicht angedeuteten Magnetfeldes verlaufen parallel zur Systemachse, die mit der Kathode K zusammenfällt ; sie durchsetzen also in gleicher Richtung den linken und den rechten Entladungsraum. Angenommen, die Kraftlinien des Magnetfeldes laufen vom Beschauer auf die Zeichenebene zu. Die Elek-
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mit konstanter Stärke austretenden Elektronenstrom zeitlich und in der Richtung sinngemäss steuern zu können, was nur im Raumladegebiet der Fall sein wird, ist mit der Nutzelektrode A2" z. B. galvanisch eine gitterartige Elektrode Gz'und kapazitiv eine andere durchbrochene Elektrode Gs'verbunden.
An die Nutzelektrode sind entsprechende Zug-und Steuerwitter Gz"und Gs"angeschlossen. In den rechten Entladungsraum können die Elektronen durch das Raumlade-oder Zuggitter 2'nur dann eintreten, wenn die Steuerelektrode Gs'positiv gegenüber der Kathode K ist. Im selben Augenblick ist aber die Nutzelektrode Al'negativ, und das gegen die Elektrode anlaufende Elektron gibt in der gewünschten Weise einen Teil seiner kinetischen Energie (die vom Beschleunigungsgleichfeld stammt) an das Wechselfeld ab. Betrachten wir nun für denselben Augenblick den linken Entladungraum, so müssen wir feststellen, dass das Gitter Go" negativ ist, so dass in Richtung der momentan positiven Elektrode A" keine Elektroden in den linken Entladungsraum eintreten können.
Nach
T einer halben Sehwingperiode--kehren sich die Verhältnisse um. Zwischen den Auffangeelektroden N tritt dabei die doppelte Frequenz auf. Erforderlichenfalls kann diese Frequenz durch einen besonderen Schwingkreis L', C'am Entstehen begünstigt oder durch kapazitive Kurzschlüsse zwischen den Elektroden N und der Kathode K unterdruck werden.
In Fig. 3 ist der Aufriss einer besonders zweckmässigen Rohre dargestellt. Der Entladungraum hat die Form eines Spiralturbinengehäuses. Er wird von z. B. vier grössenmässig in der Flugrichtung der Elektronen monoton ab-'bzw. zunehmenden Nutzelektroden li, , 3 und 1 begrenzt, die Sektoren eines prismatischen Hohlkörpers sind. Am Umfang des Prismas parallel zu den Mantellinien verlaufend befindet sich die Kathode K, die nach aussen von einem Richtzylinder Z umgeben ist, der den Elektronenstrom bis zu einem gewissen Grade bündelt. Zwischen Kathode K und der Eintrittsöffnung in den ersten Elektrodensektor Al sind eine oder mehrere durchbrochene Hilselektroden G vorgesehen, die die Funktionen eines Saug-und/oder Steuergitters übernehmen können.
Je zwei gegenüberstehende Nutzelektroden sind durch einen Bügel Bi, s bzw. B2, 4 verbunden. Die Betriebsbedingungen und die Abmessungen der verschieden grossen Elektroden parallel zur Elektronenlaufbahn müssen so gewählt werden, dass sich beim Lauf eines Elektrons von einer Mittelsenkrechten (radialen Mittelebene) einer Elektrode bis zur Mittelsenkrechten der nächsten Elektrode das Vorzeichen des überlagerten Wechselfeldes umkehrt, derart, dass die Elektronen gegen momentan negative Elektroden anlaufen. (Negativ nur bezogen auf die überlagerten Schwingwechselspannungen.)
Fig. 4 zeigt eine Seitenansicht derselben Röhre, an der die Anordnung und Lage der Seitenoder Auffangeelektroden N gut zu erkennen ist.
Fig. 5 zeigt ebenfalls eine Seitenansicht der Röhre. Der Sockel und das Entladungsgefäss R sowie die Elektrodenanschlüsse sind angedeutet. An die beiden Bügel B ist vorzugsweise ausserhalb des Entladungsgefässes ss ein Schwingkreis L C angeschlossen.
Will man aus irgendeinem Grunde oder in Röhren für besondere Verwendungszwecke von einer Kathodensteuerung absehen, so bestehen noch andere Möglichkeiten, von den wahllos aus der
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Ursprungsquelle austretenden Elektronen auch die falschphasig laufenden zur Sehwingungsanfachung auszunutzen.
Eine Möglichkeit besteht darin, dass die bezüglich der Schwingungsanfachung von der Ursprungsquelle falschphasig ablaufenden Elektronen zu einer Phasenumkehr bzw. zu einem Phasensprung veranlasst werden zu dem Zwecke, die Sehwingungsanfaehung zu unterstützen. Der Sprung oder die Umkehr der Phase bezieht sich auf den Phasenunterschied, der an der betrachteten Stelle des Entladungsraumes zwischen dem periodisch schwingenden Feld und der parallel zum elektrischen Feld verlaufenden Geschwindigkeitskomponente des Elektrons besteht.
Nachstehend soll nun angegeben werden, wie dieser Phasensprung bzw. die Phasenumkehr praktisch durchgeführt werden kann. In den vorangegangenen Abschnitten war mehrfach die Rede davon, dass die falsehphasig laufenden Elektronen durch Energieentzug aus dem Schwingwechselfeld ihre Geschwindigkeit erhöhen und dadurch nach einer geringen Zahl von Umläufen, meist nach einem Umlauf, auf eine Elektrode treffen. Diese Erscheinung wird nun ausgenutzt. Zu diesem Zwecke werden die (inneren) Nutzelektroden durchbrochen ausgeführt und hinter diesen werden-in einem Abstand, der bei den verwendeten Vorspannungen und der zu erzeugenden Frequenz eine geeignete Laufzeit erlaubt-weitere Elektroden angebracht.
Die hintereinander liegenden Nutzelektroden werden nun so verbunden, dass sie sich mit den in radialer Richtung benachbarten stets in Phasen-
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eine durchbrochene Elektrode sein Vorzeichen umkehrt. Die Hintereinanderschaltung bzw. Schaehtelung der Elektroden lässt sich beliebig weit treiben. Diese Elektrodenschaobtelung lässt sich natürlich sinngemäss bei allen Röhrenschwingschaltungen durchführen, bei denen die Elektronenlaufzeit in der Grössenordnung der Schwingungszeit für eine Vollperiode der erzeugten Frequenz ist. Der Vorschlag zur Ausnutzung der falschphasig laufenden Elektronen die eigentlichen Nutzelektroden durchbrochen auszuführen und hinter diesen gestaffelt gegenphasig erregte Elektroden anzubringen, soll vor allem auf Röhren gemäss Fig. 3-5 angewandt werden.
Der Gedanke der vorliegenden Erfindung soll jedoch nicht auf die beschriebenen und dargestellten Röhren- und Schaltungsbeispiele und die letztgenannten wiederum nicht auf die zur Erläuterung angegebene Theorie der Wirkungsweise beschränkt sein.
Bezüglich der Modulation, der Demodulation, der Fremdsteuerung und der Stabilisation lassen sieh natürlich alle bekannten und geeigneten Verfahren elektrischer und magnetischer Art oder Kombinationen davon unter Verwendung der Haupt-oder Hilfselektroden anwenden.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Magnetronröhre, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden den Entladungsraum in Form eines Hohlkörpers, vorzugsweise in Form eines Hohlprismas, annähernd allseitig umschliessen und dass die Emissionsquelle (Emissionsquellen) ausserhalb des von den (kalten) Elektroden begrenzten Raumes insbesondere am Umfang oder ausserhalb des prismatischen Raumes parallel zu den Mantellinien des Prismas angeordnet ist (sind).