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Dynamischer Vervielfacher.
Die Erfindung bezieht sich auf einen Elektronenvervielfacher, der z. B. als Ultrakurzwellenoszillator, als Verstärker, als Frequenzmultiplikator usw. benutzt wird. Dem Vervielfacher wird eine Frequenz zugeführt, die mit einer beliebigen höheren harmonischen Oberwelle überlagert werden soll ; dabei soll die Oberwelle mit grosser Leistung am Ausgang des Verstärkers erhalten werden.
Es ist bereits ein Vervielfacher vorgeschlagen worden, der eine sekundäremittierende Kathode und eine dicht vor der Kathode liegende durchbrochene Anode enthält. Zwischen beiden Elektroden ist eine Gleichspannung und eine Weehselspannung angelegt, so dass die Elektronen mindestens in einer Halbperiode der Wechselspannung auf die Anode zu beschleunigt werden und durch sie hindurchfliegen. Die Laufzeit ist bei dieser Anordnung abhängig von der Anodengleichspannung und der Weglänge, die die Elektronen beim Durchqueren des feldfreien Raumes im Innern der Anode zurückzulegen haben. Dieser Laufzeit entspricht eine Elektronenfrequenz, die man bei dieser Anordnung durch Ändern der Anodenspannung verändern und insbesondere so einregeln kann, dass sie grösser ist als die an der Anode und Auslöseelektrode liegende Frequenz.
Eine Änderung der Elektronenfrequenz ist jedoch nur durch Ändern der Anodengleichspannung in verhältnismässig engen Grenzen möglich.
Gemäss der Erfindung wird eine Veränderlichkeit der Weglänge und insbesondere eine Verkürzung dadurch erreicht, dass im Innern des Anodenzylinders eine gegen die Kathode negative Elektrode angeordnet ist. Durch das von dieser Elektrode erzeugte Bremsfeld werden die durch die Anode hindurchfliegenden Elektronen zur Umkehr gezwungen, so dass sie wieder durch die Anode zurückfliegen und auf die Kathode auftreffen. Man hat es dann in der Hand, die Länge der Elektronenwege und damit die Elektronenfrequenz durch Verändern des negativen Elektrodenpotentials in weiten Grenzen zu steuern.
Im folgenden wird ein Vervielfacher gemäss der Erfindung beschrieben, wobei betont werden muss, dass es sich hier nur um ein Ausführungsbeispiel handelt, denn es ist z. B. sehr wohl möglich, die Elektroden in umgekehrter Reihenfolge anzuordnen.
Fig. 1 zeigt einen solchen Elektronenvervielfacher. Die Röhre 1 hat am einen Ende den Fuss 2, in dem die Halterung 3 für die Hilfselektrode 4 gelagert ist. Diese besteht vorzugsweise aus einem zylindrischen Gitter. Mittels einer Schelle 5 wird durch den Fuss 2 eine zylindrische, Sekundärelektronen emittierende Kathode 6 gehaltert. Diese ist vorteilhaft so empfindlich, dass durch auftreffende Elektronen von 20 oder mehr Volt Geschwindigkeit Sekundärelektronen ausgelöst werden in einem Verhältnis grösser als 1 : 1. Die Kathode kann z. B. aus einer Nickel-Barium-Legierung oder einer andern schwerschmelzbaren Substanz, gegebenenfalls mit Barium-, Strontium-oder Thorüberzug, bestehen.
Mit dem Fuss 7 am andern Röhrenende ist innerhalb der Kathode die Beschleunigungselektrode oder Anode 8 befestigt, die beispielsweise als Gitter ausgebildet ist und aus einer Drahtwendel oder einer durchbrochenen Metallfolie besteht, so dass Elektronen durch sie hindurchtreten können.
Die Anode 8 liegt an einer Spannung von vorzugsweise einigen tausend Volt. Hiezu dient die Anodenspannungsquelle 9, deren negativer Pol geerdet ist. Die Hilfselektrode 4 liegt am negativen Pol der vorzugsweise regelbaren Spannungsquelle 10, deren positiver Pol geerdet ist. Die Kathodenzuführung 11 führt zu einem Schwingkreis 12, der ebenfalls einseitig geerdet ist. Daher liegt er zwischen Anode und Kathode und gibt so die Eingangs-oder Primärfrequenz auf die Anordnung. Ein Ausgangs-
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kreis 14 ist mit dem Schwingkreis 12 gekoppelt. Die ganze Anordnung kann als Selbsterreger arbeiten oder aber die Spule 14 führt die Primärfrequenz zu.
Zum besseren Verständnis der Wirkungsweise diene die Fig. 2. Der hier gezeigte Vervielfacher, dessen Ausbildung übrigens nicht erfindungsgemäss ist, enthält kein Hilfsgitter, sondern besteht nur aus einer Anode und einer Kathode. Hier bestimmt die Flugzeit der Elektronen die Ausgangsfrequenz.
Der Abstimmkreis 12 schwingt in einer Frequenz, die der Flugzeit der Elektronen gleich ist. Zudem ist die Anodenspannung so eingestellt, dass die den Elektronen gegebene Beschleunigung diese in der betreffenden Periode von der einen Seite der Kathode über den Durchmesser auf die andere Seite der Kathode bringt. Mit ändern Worten, die Anodenspannung und die Primärfrequenz im Kreis 12 wird so eingestellt, dass die Flugzeit der Elektronen und die aufgedruckte Frequenz einander entsprechen.
Bei dieser Art Vervielfaeher ist der Durchmesser der Anode 8 beträchtlich kleiner als der der Kathode 6. Auf diese Weise werden die Elektronen zur Achse des Systems hin beschleunigt. Fig. 3 zeigt den Weg eines Elektrons in Abhängigkeit von der Zeit. Ein Elektron verlässt z. B. die Kathode, durchfliegt die Anode 8 nahe der Achse und schlägt auf der Gegenseite wieder auf die Kathode auf.
Hiebei löst es Sekundärelektronen aus, die auf einem ähnlichen Wege wieder zurückfliegen (s. gestrichelte Linie 15 in Fig. 2). Dieser Vorgang findet natürlich längs aller Durchmesser statt. Der Ausgangsstrom wird seine grösste Leistung haben, wenn er mit der aufgedrückten Frequenz, die durch den Schwingkreis 12 gegeben ist, schwingt und wird keine merklichen Oberwellen enthalten.
Durch den Einfluss des Hilfsgitters jedoch spielt sich der Vorgang anders ab. Während in der oben
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Schwingung erfolgt, liegen hier die Verhältnisse anders. Dies sei durch Fig. 4, 5, 6 und 7 klargemacht.
Fig. 4 ist ein Querschnitt durch die Röhre der Fig. 1. Hier erfolgt der Elektronenflug nur auf "Radien" im Gegensatz zum "Durchmesser" der vorigen Anordnung. Dies wird hervorgerufen einmal dadurch, dass die Anode 8 verhältnismässig dicht vor der emittierenden Oberfläche der Kathode 6 liegt und daher einen erheblich grösseren Durchmesser hat als vorher, zum andern durch das negative Potential der Hilfselektrode 4. Verlässt ein Elektron die Kathode, so wird es beschleunigt, fliegt durch die Anode auf die Achse und damit auf die negative Elektrode 4 zu. Diese bremst das Elektron so stark ab, dass es umkehrt, durch die Anode auf die Kathode zurückfliegt und fast an seinem Ursprungsort Sekundärelektronen auslöst.
Die Elektrode 4 ist zweckmässig gitterförmig ausgebildet, so dass die Elektronen bei schwach negativer Vorspannung etwas ins Innere der Elektrode eintauchen bzw. bei Vorspannung-8- durch sie hindurchfliegen können. Wie leicht einzusehen, ist es möglich, die Länge des Weges 15 durch die Höhe des negativen Potentials der Elektrode 4 zu steuern und damit die Flugzeit der Elektronen zu verändern bei gleichbleibender Primärfrequenz.
Dies zeigen die Fig. 5, 6 und 7. Fig. 5 zeigt wiederum den Weg eines Elektrons in Abhängigkeit von der Zeit. Man sieht, dass die Zahl der Aufschläge grösser ist als die Primärfrequenz. Fig. 6 zeigt drei Kurven, die für die beschriebene Anordnung bedeutsam sind. Kurve l stellt die Primärfrequenz dar, hier gezeichnet als die Potentialdifferenz zwischen Kathode und Anode. Kurve B stellt den an der Kathode ausgelösten Sekundärelektronenstrom dar. Die Kurve C ist der von der Anode aufgenommene Strom.
Im oder nahe am Maximum der Potentialdifferenz (hier bei Linie D) beginnt die Sekundäremission zunächst im Verhältnis 1 : 1, das sieh bis zum Minimum der Potentialdifferenz steigert (Linie E), wo die Sekundäremission plötzlich aufhört. Es kann ohne Schwierigkeit ein Auslösungsverhältnis von 4 : 1 erreicht werden. Wenn im Minimum der Potentialdifferenz (E) die Sekundäremission aufhört, pendeln die ausgelösten Elektronen um die Anode hin und her, verlieren an Geschwindigkeit und werden schliesslich von der Anode aufgenommen. Diesen Vorgang zeigt Kurve C. So erscheint die Primärfrequenz im Ausgang wieder, überlagert von einer hohen harmonischen Oberwelle.
Durch Ändern des Potentials an Anode 4 kann die Zahl der Elektronenaufschläge je Periode der Primärfrequenz gesteuert und damit die Überlagerung jeder gewünschten Oberwelle erreicht werden. Dem Ausgangskreis 14 können also eine oder mehrere gewünschte Oberwellen entnommen werden.
Fig. 7 zeigt die Leistungs-und Spannungseharakteristik des Vervielfachers. Man kann mit dieser Anordnung noch die zehnte oder zwanzigste Harmonische in einer Stärke von 5 bis 10% der Ausgangsleistung erhalten. Das ermöglicht die Benutzung dieser Anordnung für fremdgesteuert Sender oder für Ultrakurzwellenoszillatoren. Die Primärfrequenz kann verhältnismässig klein sein und ist daher leichter zu steuern als die höheren Harmonischen selbst. Darüber hinaus ist der Anodenwirkungsgrad ausserordentlich hoch und die Wärmeerzeugung klein, so dass die Röhre selbst für grosse Leistungen verhältnismässig klein gehalten werden kann.
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