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Einrichtung für das Verstärken von sehr hohen Frequenzen.
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Steuerelektrode 19 vorgesehen, die mit dem Generator 21 verbunden ist und die Form eines Zylinders hat, wobei beachtet werden muss, dass die Länge des Zylinders mit einer halben Wellenlänge oder mit einer ungeraden Anzahl halber Wellenlängen übereinstimmt.
Die Steuerelektrode kann auch die in Fig. 2 angegebene Form haben. In dieser Figur sind die Blenden 22 und 23 vorhanden, während die Steuerelektrode aus zwei Gittern 25 und 26 besteht. Nach Fig. 3 wird die Steuerelektrode in Form eines Ringes 30 ausgebildet, der in der Mitte zwischen den Blenden 31 und 32 angeordnet ist.
Die Wirkung ist die folgende : Die Elektronen, die zwischen die Blenden gelangen, werden z. B. von der Steuerelektrode, die sieh beispielsweise am Anfang einer positiven halben Periode befindet, angezogen, so dass ihre Geschwindigkeit erhöht wird. Wenn sie nun in der Mitte der Steuerelektrode angekommen sind, soll an dieser Elektrode die negative Hälfte der Periode beginnen, so dass zufolge der dadurch entstehenden abstossenden Wirkung die Elektronen noch mehr beschleunigt werden.
Im Elektronenstrahl entsteht also eine Anzahl Elektronen grosser Geschwindigkeit. Es ist klar, dass die Elektronen, die eine halbe Periode hinter den oben genannten Elektronen anlaufen, gerade gebremst werden, so dass ihre Geschwindigkeit herabgesetzt wird. Es entstehen also in dem Elektronenstrahl Stellen mit schnellen und langsamen Elektronen, ohne dass stehende Raumladungen entstehen. Um diese Geschwindigkeitsänderungen nun in Intensitätsänderungen umzuwandeln, wird ausserhalb des Steuerraums eine Anode vorgesehen, die etwas geneigt wird, wie in Fig. 4 dargestellt ist. In dieser Figur ist eine Entladungsröhre gezeichnet, die einen metallenen Kolben 40 aufweist, der mit einem Bodenteil 41 versehen ist. Überdies befindet sich in der Röhre eine Kathode 44, die von einem Heizfaden 43 erhitzt werden kann.
Um die Kathode ist eine Fokusiervorrichtung 46 vorgesehen. Vor der Kathode befindet sieh der feldfreie Raum zwischen den Blenden 51 und 59, die mit Löchern 61 und 62 versehen sind. Die Blende 51 weist einen zylindrischen Teil 49 auf, durch den der Konzentrationszylinder 46 mittels eines Isolierringes 47 gehaltert wird. In dem feldfreien Raum befindet sich die Steuerelektrode 65, die mittels eines Schwingungskreises 67, 68 mit der Antenne 66 gekoppelt ist und von der Batterie 70 eine hohe positive Spannung (200-400 Volt) erhält. Die Kolbenwand 40 wird zusammen mit den Blenden 51 und 59 durch die Batterie 57 ebenfalls auf hohem positivem Potential (200-400 Volt) gehalten. Der Heizstrom wird von der Batterie 52 mittels Kontaktstiften 54 und 55 der Kathode zugeführt.
Die Anode 75 ist über den Ausgangskreis 78, 79, welcher Kreis mittels Kondensatoren 81 mit den Aussenleitungen 80 gekoppelt ist, mit der Batterie 76 (0-10 Volt) verbunden.
In Fig. 4a ist schematisch der Elektronenstrahl dargestellt, wie er im Augenblick nach der Anregung in bezug auf die Elektronengeschwindigkeit aussieht, wobei die schwarzen Punkte die schnellen Elektronen darstellen und die Kreise die langsamen Elektronen. Weil die Anode d sieh auf verhältnismässig niedrigem Potential befindet, werden die Elektronen abgebremst und zu der Blende 59 zurückgezogen. Wenn die Spannungen geeignet gewählt werden, werden nur die schnellen Elektronen die Anode d erreichen können, während die langsamen Elektronen schon eher umkehren und zu der Blende 59 zurücklaufen. Es entsteht also eine Trennung von schnellen und langsamen Elektronen, wie in Fig. 4b und 4c angegeben ist. Es ist klar, dass in dieser Weise eine 100% ige Modulation erhalten wird.
Durch die besondere Ausbildung und geneigte Anordnung der Anode 75 werden die langsamen Elektronen nicht genau längs der Kathodenstrahlachse zurückkehren, sondern unter einem Winkel zu dieser, so dass sie nicht durch die Öffnung 62 den Steuerraum erreichen können, sondern von der Blende 59 abgefangen werden. Durch die Neigung der Anode wird also vermieden, dass Ladungen in den Steuerraum zurückkehren, so dass Induktionswirkungen auf die sich in diesem Raum befindende Steuerelektrode vermieden werden.
Das Verhältnis zwischen den Gesehwindigkeitssteuerungsspannungen zu den Ladungsänderungen ist abhängig von der Steilheit der Anodenspannung-Anodenstrom ep-ip-Kennlinie der Anode, welche Kennlinie dargestellt ist in Fig. 5. Die Steilheit, die für jede Röhre von den Geschwindigkeits- änderungen der Randelektronen in dem Strahl abhängig ist, kann sehr hoch werden, wenn die Röhre geeignet bemessen wird. Wenn also die Anode eine derartige Vorspannung erhält, wie sie dem Punkt X entspricht, kann eine grosse Verstärkung erhalten werden.
In Fig. 6 ist eine mit Fig. 4 übereinstimmende Röhre mit Glaskolben 85 dargestellt, bei der der Steuerraum von den Elektroden 93, 94 und 91 begrenzt wird. Die Elektronen werden von dem Zylinder 87 fokusiert. 89 ist die rohrförmige Steuerelektrode und 88 die Anode. Die Blende 94 weist einen Teil 95 auf, mittels dessen der Elektronenstrahl genauer auf die Anode 88 gerichtet wird.
Bei den obenstehenden Vorrichtungen ist die Frequenz abhängig von der Zeit, die die Elektronen brauchen, um den feldfreien Raum zu durchlaufen. Die niedrigsten Frequenzen entsprechen daher der Zeit, die die Elektronen brauchen, um längs der Längsachse diesen Raum zu durchlaufen ; das ist ihre halbe Periode. Um die Wellenlänge zu vergrössern, kann man durch Erniedrigung der Spannungen die Elektronengeschwindigkeit herabsetzen, wodurch die Laufzeit der Elektronen zunimmt. Dabei entsteht aber der Nachteil, dass der Elektronenstrahl sich immer stärker ausbreitet zufolge der gegenseitigen Abstossung der Elektronen. Um diese Schwierigkeit zu vermeiden, kann man die Steuerelektrode aufteilen, derart, dass sie zugleich eine Bündelung hervorruft. Eine derartige Anordnung ist in Fig. 7 dargestellt.
Der feldfreie Raum befindet sich zwischen den Blenden 104, 105. In diesem
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Raum ist die in drei Teile 100, 101, 102 aufgeteilte Steuerelektrode vorgesehen, wobei die Teile 100 und 102 miteinander verbunden sind und auf hohem Potential (200-400 Volt) gehalten werden mittels
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und mit der Batterie 108 verbunden und befindet sich auf niedrigerem Potential (0-100 Volt). Der Eingangskreis ist mit der Antenne 114 gekoppelt und über den Kondensator 116 geerdet. Die Elek- troden 100, 101, 102 sind durch den Kondensator 110 in bezug auf die Hochfrequenzspannungen miteinander verbunden. Die Kolbenwand liegt auf einem Potential von 200 bis 400 Volt.
Es ist auch möglich, die verschiedenen Teile der Steuerelektrode je in einem feldfreien Raum anzuordnen, wie in Fig. 8 dargestellt ist. Die Steuerelektroden 125, 126, 127 sind durch die Blenden 120, 121, 122 und 123 getrennt. Dadurch wird die Steuerwirkung erheblich vergrössert, weil die Elektronen mehrmals in der gleichen Weise gesteuert werden. Es ist aber auch möglich, die Steuerelektroden an verschiedene Steuerspannungen zu legen und dadurch eine Mischung verschiedener Frequenzen zu erhalten. Die Elektrode 125 und die Kolbenwand befinden sieh auf einem Potential von 200 bis 400 Volt.
Es hat sich herausgestellt, dass wenn die Anode zu gleicher Zeit für die Trennung der schnellen und langsamen Elektronen verwendet wird, der Ausgangskreis in unerwünschter Weise gedämpft wird. Um diesen Nachteil zu vermeiden, ist gemäss Fig. 9 zwischen der Blende 130 und der Anode 129 eine besondere Elektrode 128 vorgesehen, die auf negativem Potential (0 bis -20 Volt) gehalten wird. Es ist klar, dass nur die schnellen Elektronen imstande sind, den Zylinder 128 zu durchlaufen, während die langsamen Elektronen zurückgewendet werden. Die Anode 129 kann in diesem Fall eine hohe Spannung (50-300 Volt) aufweisen, weil sie die Elektronen, die den Zylinder 128 durchlaufen haben, alle auffangen soll. Steuerelektrode und Kolbenwand weisen je ein Potential von 200 bis 400 Volt auf.
Es ist auch möglich, die Gesehwindigkeitssteuerung in anderer Weise in Intensitätsänderungen umzuwandeln. Es kann dazu die Anordnung nach Fig. 10 verwendet werden. In dieser Figur ist 133 die Steuerelektrode, die zwischen den Blenden 131, 132 angeordnet ist und ein Potential von 200 bis 400 Volt besitzt. Die Anode 137, die ein Potential von 20 bis 400 Volt hat, ist nun nicht gleich hinter der Blende 132 angeordnet, sondern zwischen Anodenraum und Steuerraum befindet sich ein zweiter feldfreier Raum, in dem sich eine zylindrische Elektrode 135 (0-100 Volt) befindet, die als "Überholungszylinder"bezeichnet werden kann.
Der Zweck dieser Anordnung ist, die Elektronenbahn derart zu verlängern, dass die schnellen Elektronen imstande sind, die langsamen Elektronen zu überholen, so dass sie schliesslich mit diesen zusammentreffen und als Elektronengruppen gemäss Fig. 10b auf die Anode auftreffen. Es ist klar, dass in dieser Weise eine sehr grosse Verstärkung erhalten werden kann, weil die schnellen und langsamen Elektronen zusammenarbeiten. Weil keine Elektronen zurück- gewendet zu werden brauchen, um eine Umwandlung der Geschwindigkeitsänderungen in Intensitäts- änderungen zu bewirken, braucht die Anode 137 nicht geneigt zu werden. An der Kolbenwand liegt ein Potential von 200 bis 400 Volt.
Um eine Ausbreitung des Bündels in der Ausgleichselektrode zu vermeiden, kann diese Elektrode,
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142 und 144 können miteinander verbunden und z. B. auf verhältnismässig niedrigem Potential (0-100 Volt) gehalten werden, während die Teile 141, 143 ein hohes Potential (200-400 Volt) erhalten können. Hiedurch wird die Bündelung wieder verbessert. Die Elektrodenteile werden wieder von den Blenden 145, 146 abgeschirmt. Um die Nachteile, die zufolge der Erzeugung von Sekundärelektronen aus der Anode entstehen können, zu vermeiden, ist es immerhin vorteilhaft, auch hier diese Anode geneigt anzuordnen. Die Anode weist ein Potential von 20 bis 400 Volt, die Steuerelektrode ein solches von 200 bis 400 Volt auf.
In Fig. 12 ist eine weitere Ausbildungsform dargestellt, gemäss der die Trennung der langsamen und schnellen Elektronen dadurch vorgenommen wird, dass der Strahl, nachdem er aus der Blende 150 austritt, von zwei Ablenkelektroden 151, 152 abgelenkt wird. Die schnellen Elektronen werden weniger abgelenkt als die langsamen und treffen auf die Anode 155 auf, während die langsamen Elektronen auf die Anode 154 gelangen. Die Anoden, die auf 200 bis 400 Volt liegen, können in Gegentakt geschaltet werden. Die Ablenkplatten erhalten eine konstante Spannung (0-300 Volt) mittels der Batterie 153, die etwa in der Mitte geerdet wird, weshalb die Platte 151 negativ, die Platte 152 positiv in bezug auf die Kathode ist. Die Ablenkung kann aber auch magnetisch vorgenommen werden.
Steuerelektrode und Kolbenwand liegen je auf 200-400 Volt.
Es besteht auch noch eine andere Anordnung für die Umwandlung der Gesehwindigkeits- steuerung in Intensitätsänderungen. Eine derartige Anordnung ist in Fig. 13 dargestellt. Die Steuerelektrode 156, die ein Potential von 200 bis 400 Volt hat, vermittelt die Gesehwindigkeitssteuerung, während die Anode 157, im Gegensatz zu Fig. 4, auf negativem Potential (0 bis-10 Volt) gehalten wird. Die Wirkung ist am besten zu erklären an Hand der Fig. 13 a, die ein mechanisches Beispiel entsprechend der Anordnung nach Fig. 13 darstellt. Die schnellen und langsamen Teilchen erreichen mit einer bestimmten Geschwindigkeit eine Steigung 158. Die schnellen Teilchen werden weiter hinaufgehen, bevor ihre kinetische Energie erschöpft ist, als die langsamen Teilchen.
Es ist klar, dass es möglich sein muss, die Geschwindigkeit der Teilchen und die Steilheit der Steigung derart zu wählen,
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dass die Teilchen beim Zurückrollen zu gleicher Zeit den Fuss der Steigung erreichen. Bei der Röhre in Fig. 13 ist die Steigung zu vergleichen mit dem negativen Feld der Anode 157. Durch die geeignete Wahl der Spannungen ist es nun möglich, zu erreichen, dass beim Zurückwenden der Elektronen die schnellen und langsamen Elektronen zusammengebracht werden, so dass eine ähnliche Lage, wie in Fig. 10b dargestellt ist, entsteht. Die Ladungen induzieren Ströme in der Anode 157 ; welche Ströme im Ausgangskreis benutzt werden. Die Kolbenwand liegt auf 200-400 Volt.
In Fig. 14 ist eine Röhre dargestellt, bei der dem Kathodenstrahl Energie entzogen wird. Der Strahl wird zuerst von der Elektrode 160 gesteuert durch Änderung der Elektronengeschwindigkeit.
Die aufgeteilte Elektrode 161 ermöglicht, dass sich die schnellen und langsamen Elektronen vereinen und eine zusätzliche Bündelung erhalten wird, so dass der Strahl intensitätsgesteuert die Blende 163 durchläuft. Die Ladungsänderungen induzieren Ströme in der Elektrode 165, ohne dass Elektronen auf diese Elektrode auftreffen, und treffen schliesslich, nachdem sie durch die Blende 164 gegangen sind, auf die Anode 162 auf. Die induzierten Ströme werden dem Ausgangskreis 167, 168, 170 zugeführt. Die Elektrode 165 kann irgendeine der in Fig. l, 2 und 3 angegebenen Ausbildungsformen der Steuerelektrode erhalten.
Es ist klar, dass zufolge des Zusammenarbeitens der langsamen und schnellen Elektronen doppelt starke Ladungsänderungen erzeugt werden, weshalb der Strahl etwa 200% moduliert sein kann.
Demzufolge sind auch die in der Energieentziehungselektrode induzierten Ströme doppelt so gross, als wenn eine derartige Elektrode in einer Vorrichtung nach Fig. 4 verwendet werden sollte. Durch das Anordnen mehrerer Energieentziehungselektroden in Kaskadeschaltung längs der Bündelachse können ganz erhebliche Induktionsströme erhalten werden. Selbstverständlich wird die Geschwindigkeit der Ladungen im Strahl dadurch sehr stark herabgesetzt.
In Fig. 15 ist eine besondere Ausführungsform dargestellt, in der grössere Wellenlängen verwendet werden können. Es sind dort die Steuerelektrode 175, ein zusätzlicher Zylinder 176 und eine
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um eine zusätzliche Konzentrationswirkung zu erhalten. Die Teile erhalten verschiedene Spannungen von den Batterien 182 und 183 und sind in bezug auf die Hoehfrequenzschwingungen durch den Kondensator 184 verbunden, 186 ist der Ausgangsschwingungskreis, während 187 die Ausgangsleitung darstellt.
Es ist auch möglich, die Energieentziehungselektrodenteile je in einem besonderen feldfreien
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Energieentziehung mit einer Elektronenauffanganode 191, die in der Weise arbeitet, wie oben auseinandergesetzt worden ist. Um Quermodulation des Bündels zufolge der auf die Elektrode 190 induzierten Ströme zu vermeiden, wird die Elektrode 201 in einem besonderen Raum angebracht, welche Elektrode dieselben Abmessungen hat wie die Elektrode 190, von der sie durch die Blende 196 getrennt ist. Durch diese Elektrode 201 wird der Strahl in gleicher Weise gesteuert wie von der Elektrode 190, weil aber die Ladungsmaxima und-minima im Raum der Elektrode 201 in Gegenphase sind zu denen im Raum der Elektrode 190, heben die Steuerwirkungen der Elektroden 201 und 190 einander auf.
Zwischen Elektrode 190 und Anode 191 ist die Blende 195 angeordnet. Mit 203 ist der Blockkondensator und mit 198, 199 der Ausgangskreis angedeutet. Die Elektrode 190 hat eine Länge, die vorzugsweise gleich sein soll dem Abstand zwischen den Ladungsmaxima und-minima oder einer ungeraden Anzahl von diesen Abständen.
Die obigen Ausbildungsformen beziehen sich alle auf Verstärkeranordnungen. Es ist aber auch möglich, Detektionswirkung oder Wellenerzeugung und-mischung zu erhalten.
In Fig. 17 ist eine Detektorvorrichtung dargestellt. Die Anordnung ist fast genau dieselbe, wie in Fig. 4 dargestellt ist, nur wird die Anode 215 auf einer andern Vorspannung (0-10 Volt) gehalten, so dass in der ep-ip-Kennlinie gemäss Fig. 17a der Arbeitspunkt bei X liegt. Die Anode fängt nur die schnellen Elektronen auf, während die langsamen Elektronen zu der Blende 214, die auf 200-400 Volt liegt, zurückgelenkt werden. In dieser Weise lässt sich eine Gleichrichtung der der Steuerelektrode 210 zugeführten Spannungen (200-400 Volt) erhalten. Die detektierten, über den Ausgangswiderstand entstehenden Spannungen können bei 216 abgenommen werden.
In Fig. 18 ist eine Oszillatorröhre dargestellt, die von der Röhre nach Fig. 17 darin abweicht, dass die Anode 225 nicht geneigt, sondern symmetrisch angeordnet ist. Die langsamen Elektronen werden nun in den Steuerraum zurückgewendet, so dass eine gewisse Rückkopplung entsteht und Ströme in der Steuerelektrode 222 induziert werden zufolge der durch die Rückkopplung entstandenen Intensitätsänderungen. Der Steuerraum ist von den Blenden 220 und 221 begrenzt. Die erzeugten Schwingungen werden von dem Schwingungskreis 223,224 auf die Antenne 226 übertragen.
In Fig. 19 ist eine Mischröhre dargestellt. Die empfangenen Schwingungen werden der Steuerelektrode 231 (200-400 Volt) zugeführt, während in einem zweiten abgeschirmten Raum die Elektrode 232 (200-400 Volt) angeordnet ist, die mit dem Oszillatorkreis 233 verbunden ist. Die Anode 235 soll derart geneigt angeordnet werden, dass die langsamen Elektronen in den Raum der Elektrode 232 zurückkehren können, aber von der Blende 243 abgefangen werden, so dass sie nicht in den Steuerraum
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durchdringen können. Die Anode 235 ist mit dem Ausgangskreis 230, 239, 240 verbunden. Die
Batterie 236 hat 0-10 Volt, die Kolbenwand liegt auf 200-400 Volt.
Es ist nicht notwendig, einen stiftförmigen Elektronenstrahl zu verwenden, sondern es ist auch möglich, die Elektronen zu einem Bündel mit grösserem Querschnitt zusammenzudrängen, wie in Fig. 20 und 21 dargestellt ist. In diesem Fall kann man die übliche kreiszylindrische Gitterform verwenden für die Blenden und Steuerelektroden. Nur soll die Kathode 250 nicht in der Achse des Elektrodensystems angeordnet werden, sondern an einer Seite ausserhalb der Gitterelektroden und gegenüber der Anode, wobei die Längsachsen sämtlicher Elektroden parallel laufen. In den Fig. 20 und 21 wirkt das Gitter 251 als Blende zum Auffangen der zurückgelenkten Elektronen ; 253 ist ein Schirm, der den
Steuerraum umgibt. 254 ist die Steuerelektrode, während 252 die Ausgangsanode darstellt, die mit dem Ausgangskreis 260, 259, 258 verbunden ist.
Die Steuerelektrode 254 ist mit dem Eingangskreis 256 verbunden. Die Elektronen werden also im Raum innerhalb des Gitters 253 geschwindigkeitsgesteuert, während die von der Anode 252 zurückgeschickten Elektronen von dem Gitter 251 abgefangen werden.
Mittels dieser Anordnung ist es möglich, grössere Leistungen zu erhalten als mit den Anordnungen, die mit einem stiftförmigen Bündel arbeiten.
Wiewohl eine bestimmte Anzahl Ausbildungsformen beschrieben ist, ist es klar, dass auch noch andere Ausbildungen und Kombinationen im Bereich der Erfindung möglich sind.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Einrichtung mit einer Entladungsröhre, in der die Elektronen gebündelt werden und durch einen von zwei Blendenelektroden begrenzten Raum, in dem nur ein elektrisches Feld der Steuerelektrode anwesend sein kann, hindurchlaufen, dadurch gekennzeichnet, dass in diesem Raum eine
Geschwindigkeitssteuerung des Elektronenbündels vorgenommen wird, während die Gesehwindigkeits- schwankungen ausserhalb des feldfreien Raumes in Intensitätsschwankungen umgewandelt werden.