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Einrichtung zur Erzeugung von elektrischen Schwingungen mit Wellenlängen von wenigen
Zentimetern
Die Erfindung bezieht sich auf Einrichtungen zur Erzeugung elektrischer Schwingungen mit einer Wellenlänge von wenigen Zentimetern mittels einer elektrischen Entladungsröhre, in welcher die von der Kathode ausgehenden Elek- tronen durch eine oder mehrere Öffnungen in der Anode auf eine sekundäremittierende Elektrode geworfen werden, wobei die Sekundäremissions- elektrode parallel zu der Anode angeordnet ist, sowie auf Entladungsröhren zur Benützung in solchen Einrichtungen.
Es ist bekannt, dass man mit Einrichtungen der oben erwähnten Art Schwingungen von sehr hoher Frequenz erzeugen kann. Bei den bekannten
Einrichtungen treffen die Primärelektronen im wesentlichen senkrecht auf die Sekundäremissionselektrode auf, welche die Rückwand eines Hohlraumresonators bildet. Die Anode bildet die vordere Wand des Hohlraumresonators.
Bei den bekannten Einrichtungen arbeitet die Röhre als Dynatron, d. h. die Schwingungen entstehen infolge des negativen inneren Widerstandes der Sekundäremissionselektrode ; die höchste Frequenz, bei welcher eine solche Dynatronröhre schwingen kann, ist gegeben einerseits durch die Weglänge, welche die Sekundärelektronen zwischen der Sekundäremissionselektrode und der Anode zurücklegen müssen, und anderseits durch die Potentialdifferenz zwischen diesen beiden Elektroden, wobei angenommen ist, dass die Elektronen keine Tanzschwingungen um die Anodenteile ausführen, sondern dass sie direkt aufgenommen werden. Bei einem solchen Dynatron muss die Übergangszeit der Sekundärelektronen klein sein, verglichen mit der Periode der zu erzeugenden Wechselspannung.
In der Praxis hat sich ergeben, dass die Frequenz bei den bekannten Einrichtungen nicht höher getrieben werden kann als ungefähr 2000 MHz (Wellenlänge 15 cm). Zur Erreichung dieser Werte darf der Abstand zwischen der Anode und der Sekundäremissionselektrode nicht grösser sein als l mm bei einer Spannungsdifferenz von 1000 Volt.
Durch Erhöhung der Spannung und Verkleinerung des Abstandes kann wohl die Grenzwelle noch ein wenig kleiner gemacht werden, aber in diesem Falle sind die technischen Schwierigkeiten (Durchschlag) so gross und der Wirkungs- grad so niedrig, dass in dem Wellenlängenbereich unter 10 cm keine befriedigenden Ergebnisse erzielt werden können. Überdies ist bei den Wellen- längen, bei welchen eine solche Röhre noch schwingt, der Wirkungsgrad bei technisch brauch- baren Entfernungen und Feldstärken bereits sehr gering (bei Versuchen hat sich bei einer Wellen- länge von 20 cm ein Wirkungsgrad von 5% er- geben), weil zum Zwecke der Erzielung eines hin- reichenden negativen inneren Widerstandes die
Spannung an der Sekundäremissionselektrode niedrig gewählt werden muss, während zum
Zwecke der Abkürzung der Übergangszeit die Anodenspannung hoch sein muss.
Infolgedessen ist die für die Sekundäremissionselektrode zur Verfügung stehende Spannungsamplitude verhältnismässig gering.
Bei den bekannten Röhren ist der negative innere Widerstand verursacht durch die Abhängigkeit des Sekundäremissionskoeffizienten von der Spannung an der Sekundäremissionselektrode. Bei einer Spannung von höchstens einigen hundert Volt ist diese Abhängigkeit noch ausreichend für die meistgebräuchlichen Materialien (der Gradient der Sekundäremission als Funktion der Spannung der Sekundäremissionselektrode ist am grössten bei einer Spannung von 0 Volt).
Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, die Schwierigkeiten der bekannten Einrichtungen zu vermeiden, vor allem die grosse Feldstärke zwischen der Anode und der Sekundäremissionselektrode und den niedrigen Wirkungsgrad. Bei der erfindungsgemässen Einrichtung zur Erzeugung elektrischer Schwingungen mit einer Wellenlänge von wenigen Zentimetern, bei welcher die von der Kathode ausgesendeten Elektronen durch eine oder mehrere Öffnungen in der Anode auf eine Sekundäremissionselektrode, die parallel zur Anode angeordnet ist, geschleudert werden, werden diese Elektronen in ein oder mehrere Bündel mit schmalem Öffnungswinkel zusammengefasst, deren Achsen einen Winkel von ungefähr 45 mit der Anodenebene einschliessen, wobei die Spannungen an der Anode und der Sekundäremissionselektrode und deren gegenseitige Entfernung so gewählt sind,
dass bei Abwesenheit von Wechselspannungen an den Elek-
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troden die Primärelektronen gerade noch die Sekundäremissionselektrode erreichen, und wobei die Übergangszeit der Sekundärelektronen zu der Anode ungefähr gleich ist einer vollen Periode der zu erzeugenden Schwingungen.
Bei der erfindungsgemässen Einrichtung wird der negative Widerstand der Sekundäremissionselektrode hervorgerufen durch die Abhängigkeit des Primärstromes zur Sekundäremissionselektrode von der Spannung an der letzteren, während wenigstens so lange der Primärstrom keine exzessiv hohen Werte annimmt, die Abhängigkeit des Sekundäremissionskoeffizienten von der Spannung praktisch keinen Einfluss hat. Bei den bekannten Einrichtungen, bei welchen die Elektronen im wesentlichen senkrecht auf die Sekundäremissionselektrode auftreffen, hat die Spannung der letzteren praktisch keinen Einfluss auf den Primärstrom. Bei der erfindungsgemässen Einrichtung ist der Wert des negativen inneren Widerstandes auch abhängig von dem Öffnungswinkel der Elektronenstrahlen.
Bei einem Öffnungswinkel
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Anodenebene einschliesst) beträgt der Spannungsbereich der Sekundäremissionselektrode, inner- halb dessen der gesamte Primärstrom von der Anode übernommen wird, ungefähr der Spannungsdifferenz zwischen der Anode und der Sekundäremissionselektrode. Zum Zwecke, eine hohe Stromstärke zwischen der Anode und der Sekundäremissionselektrode zu erzielen, kann die Spannung der letzteren so gewählt werden, dass der Sekundäremissionskoeffizient wenigstens annähernd seinen maximalen Wert bekommt.
Wenn man die Abhängigkeit des Wirkungsgrades von der Grösse des zulässigen Spannungsintervalls der Sekundäremissionselektrode und daher als Funktion des Öffnungswinkels des Strahles betrachtet, so findet man, dass bei zunehmendem Öffnungswinkel anfangs der Wirkungsgrad zunimmt ; bei einem allzu grossen Öffnungswinkel bekommt aber der negative innere Widerstand infolge der Verluste der Kreiswiderstände solche Werte, dass der Wirkungsgrad wiederum abnimmt. Das Verhältnis zwischen der Spannung an der Sekundäremissionselektrode und der Spannung an der Anode wird zweckmässigerweise so gewählt, dass es gleich ist dem Quadrat des Sinus jenes Winkels, den der Elektronenstrahl mit der Anodenebene einschliesst, während der Abstand zwischen diesen beiden Elektroden durch die gewünschte Übergangszeit bestimmt wird.
Wie oben ausgeführt, soll die Achse des Elektronenstrahls unter einem Winkel von 45 0 zur Anodenebene verlaufen. Die genaue Einhaltung
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findung keineswegs wesentlich ; man kann ohne Schwierigkeit mit Winkeln zwischen 20 und 70 arbeiten. Der Öffnungswinkel des Elektronenstrahls ist durch die Gestalt der Kathode und die Entfernung von der Anode sowie durch den Ablenkungseffekt im Raum zwischen der Anode und der Sekundäremissionselektrode gegeben. Ein Wert von 15 bis 20 ^ am Scheitel des konischen, gegen die Anode gerichteten Strahls ergibt ausgezeichnete Resultate. Die Übergangszeit der
Sekundärelektronen kann im allgemeinen zwischen 1/2 und 3/2 der Schwingungsdauer der zu erzeugenden Schwingungen betragen.
Es ist daher möglich, über einen grossen Wellenbereich abzustimmen, ohne die Spannung zu ändern. Die einfachste Ausführungsform einer erfindungsgemässen Röhre ist dann gegeben, wenn nur ein Primärelektronenstrahl benützt wird. In diesem Falle können die Anode und die Sekundäremissionselektrode die Form von mehr oder weniger ebenen, parallelen Scheiben haben, welche unmittelbar in die Glaswand einer Röhre eingeschmolzen sind und derart einen Hohlraumresonator bilden. Eine besonders vorteilhafte Form der Erfindung ergibt sich bei Anwendung von zwei Kathoden, welche auf den beiden Seiten der Röhrenachse angeordnet sind. Hiebei ist die Sekundäremissionselektrode in zwei Hälften geteilt, von welchen jede mit einem der zwei Elektronenstrahlen zusammenarbeitet.
Die beiden Hälften der Sekundäremissionselektrode können in diesem Falle aus den umgebogenen
Enden einer Lecher-Leitung bestehen, welche die Röhrenwandung in der Form von zwei flachen
Streifen durchsetzt. Die Röhre arbeitet in diesem
Falle nach dem Push-Pull-Prinzip, wobei der Wirkungsgrad sehr hoch ist.
Im folgenden ist die Erfindung an Hand der Zeichnungen näher beschrieben, worin Fig. l eine Röhre mit einem einzigen Elektronenbündel und Fig. 2 eine Röhre mit zwei Elektronenbündeln und einer geteilten Sekundäremissionselektrode darstellt. In Fig. 1 ist mit 1 die Glaswand der Röhre bezeichnet, mit 2 die Anode, welche aus einer Kupferscheibe besteht, mit 4 die Sekundäremissionselektrode, deren gebogene Metallteile 5 sich in einer Entfernung von 1112 mm von der Anode 2 befinden, u. zw. gegenüber der Öffnung 3, welche in letzterer vorgesehen ist. Die hohle Kathode 6 ist so ausgebildet, dass der von ihr ausgehende Strahl unter einem Winkel von ungefähr 45"zu der Anodenfläche verläuft.
Der Strahl durchsetzt eine Öffnung in der Anode und trifft sodann den Teil 5 der Sekundäremissionselektrode.
Zwischen Kathode und Anode sind Konzentrationsmittel 7 und 8 vorgesehen, um den Kathoden- strahl elektronenoptischzubündeln. Der Elektrode 7 kann eine getrennte Spannung zugeführt werden. In den Boden der Röhre ist eine Anzahl von Zuführungsdrähten 9 eingeschmolzen, während auf die Sekundäremissionselektrode eine zweite Glaswand 10 aufgeschmolzen ist, zum Zwecke, die Sekundäremissionselektrode durch eine eingefüllte Flüssigkeit kühlen zu können.
Ein weiterer Vorteil des schiefen Einfallens des Primärstrahls besteht darin, dass der Weg der Sekundärelektronen zwischen den beiden ebenen Platten verläuft, so dass die Streuung der Übergangszeit eine sehr geringe ist.
In Fig. 2 ist die Glaswand der Röhre mit 11 bezeichnet, die Anode mit 12, die Öffnungen in der Anode mit 19. Zwei Kathoden 13 und 14
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sind rechts und links von der Symmetrieebene der Röhre angeordnet, u. zw. derart, dass die Verbindungslinie zwischen dem Mittelpunkt der Anodenöffnung 19 und den Mittelpunkten der Kathoden einen Winkel von 45 mit der Anodenebene einschliesst. Vor den Kathoden sind Konzentrationselemente 15 und 16 und vor der Anodenöffnung zwei weitere Konzentrationselemente 17 und 18in Formmassiver Umdrehungskörper angeordnet. In die Röhrenwandung sind zwei Metallstreifen 20 und 21 eingeschmolzen, deren Enden umgebogen sind und parallel zur Anode verlaufen. Die erwähnten Enden der Metallstreifen sind mit Zäsiumoxyd präpariert.
Die Elektronen, welche von der Kathode 13 ausgehen, treffen auf den Teil 21 der Sekundäremissionselektrode und diejenigen, welche von der Kathode 14 ausgehen, auf den Teil 20 der Sekundäremissionselektrode. Wenn die Anodenspannung 1400 Volt beträgt und die der Sekundäremissionselektrode 800 Volt, können Schwingungen mit einem Wirkungsgrad von annähernd 20% bei einer Wellenlänge von 5 cm erregt werden. Die Dimensionen der Röhre können dem Massstab entnommen werden, der an der Seite der Zeichnung angebracht ist. Die angeschriebenen Ziffern bedeuten Millimeter.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Einrichtung zur Erzeugung elektrischer Schwingungen mit einer Wellenlänge von wenigen
Zentimetern mit einer Elektronenröhre, in der die von der Kathode ausgehenden Elektronen durch eine oder mehrere Öffnungen in der Anode auf eine Sekundäremissionselektrode, die parallel zur Anode verläuft, geworfen werden, dadurch gekennzeichnet, dass diese Elektronen in ein oder mehrere Bündel mit schmalen Öffnungswinkeln zusammengefasst sind, deren Achsen mit der
Ebene der Anode einen Winkel von ungefähr 45 einschliessen, wobei die Spannungen der Anode und der Sekundäremissionselektrode und ihr gegenseitiger Abstand so gewählt sind, dass ohne
Wechselspannungen an den Elektroden die
Primärelektronen gerade die Sekundäremissions- elektrode erreichen,
und wobei die Laufzeit der
Sekundärelektronen auf ihrem Wege zur Anode ungefähr gleich ist der vollen Periodendauer der zu erzeugenden Schwingungen.
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Device for generating electrical vibrations with wavelengths of a few
Centimeters
The invention relates to devices for generating electrical oscillations with a wavelength of a few centimeters by means of an electrical discharge tube in which the electrons emanating from the cathode are thrown through one or more openings in the anode onto a secondary-emitting electrode, the secondary emission electrode is arranged parallel to the anode, as well as on discharge tubes for use in such facilities.
It is known that vibrations of very high frequency can be generated with devices of the type mentioned above. With the known
Devices impinge the primary electrons essentially perpendicularly on the secondary emission electrode, which forms the rear wall of a cavity resonator. The anode forms the front wall of the cavity resonator.
In the known devices, the tube works as a Dynatron, i.e. H. the vibrations arise due to the negative internal resistance of the secondary emission electrode; the highest frequency at which such a Dynatron tube can vibrate is given on the one hand by the path length which the secondary electrons have to cover between the secondary emission electrode and the anode, and on the other hand by the potential difference between these two electrodes, whereby it is assumed that the electrons do not dance run around the anode parts, but that they are picked up directly. With such a Dynatron, the transition time of the secondary electrons must be short compared to the period of the alternating voltage to be generated.
In practice it has been found that the frequency in the known devices cannot be driven higher than approximately 2000 MHz (wavelength 15 cm). To achieve these values, the distance between the anode and the secondary emission electrode must not be greater than 1 mm with a voltage difference of 1000 volts.
By increasing the voltage and reducing the distance, the limit wave can be made a little smaller, but in this case the technical difficulties (breakdown) are so great and the efficiency so low that no satisfactory results are obtained in the wavelength range below 10 cm can be achieved. In addition, at the wavelengths at which such a tube still oscillates, the efficiency at technically usable distances and field strengths is already very low (experiments have shown an efficiency of 5% at a wavelength of 20 cm ), because for the purpose of achieving sufficient negative internal resistance the
Voltage at the secondary emission electrode must be selected to be low, while for
For the purpose of shortening the transition time, the anode voltage must be high.
As a result, the voltage amplitude available for the secondary emission electrode is comparatively low.
In the known tubes, the negative internal resistance is caused by the dependence of the secondary emission coefficient on the voltage at the secondary emission electrode. At a voltage of at most a few hundred volts, this dependency is still sufficient for the most common materials (the gradient of the secondary emission as a function of the voltage of the secondary emission electrode is greatest at a voltage of 0 volts).
The object of the invention is to avoid the difficulties of the known devices, especially the great field strength between the anode and the secondary emission electrode and the low efficiency. In the device according to the invention for generating electrical oscillations with a wavelength of a few centimeters, at which the electrons emitted by the cathode are hurled through one or more openings in the anode onto a secondary emission electrode which is arranged parallel to the anode, these electrons are thrown into a or several bundles with a narrow opening angle, whose axes enclose an angle of approximately 45 with the anode plane, the voltages at the anode and the secondary emission electrode and their mutual distance are selected so,
that in the absence of alternating voltages at the elec-
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trode the primary electrons just reach the secondary emission electrode, and the transition time of the secondary electrons to the anode is approximately equal to a full period of the oscillations to be generated.
In the device according to the invention, the negative resistance of the secondary emission electrode is caused by the dependence of the primary current to the secondary emission electrode on the voltage at the latter, while at least as long as the primary current does not assume excessively high values, the dependence of the secondary emission coefficient on the voltage has practically no influence. In the known devices in which the electrons strike the secondary emission electrode essentially perpendicularly, the voltage of the latter has practically no influence on the primary current. In the device according to the invention, the value of the negative internal resistance is also dependent on the opening angle of the electron beams.
At an opening angle
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Including the anode level), the voltage range of the secondary emission electrode, within which the entire primary current is taken over by the anode, is approximately the voltage difference between the anode and the secondary emission electrode. For the purpose of achieving a high current intensity between the anode and the secondary emission electrode, the voltage of the latter can be selected so that the secondary emission coefficient has at least approximately its maximum value.
If one considers the dependence of the efficiency on the size of the permissible voltage interval of the secondary emission electrode and therefore as a function of the opening angle of the beam, one finds that the efficiency initially increases as the opening angle increases; If the opening angle is too large, however, the negative internal resistance, as a result of the losses in the circular resistances, has such values that the efficiency again decreases. The ratio between the voltage at the secondary emission electrode and the voltage at the anode is expediently chosen so that it is equal to the square of the sine of the angle that the electron beam makes with the anode plane, while the distance between these two electrodes is determined by the desired transition time becomes.
As stated above, the axis of the electron beam should run at an angle of 45 ° to the anode plane. Exact compliance
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finding by no means essential; you can work with angles between 20 and 70 without difficulty. The opening angle of the electron beam is given by the shape of the cathode and the distance from the anode as well as by the deflection effect in the space between the anode and the secondary emission electrode. A value of 15 to 20 ^ at the apex of the conical beam directed towards the anode gives excellent results. The transition period of the
Secondary electrons can generally amount to between 1/2 and 3/2 of the oscillation period of the oscillations to be generated.
It is therefore possible to tune over a wide range of waves without changing the voltage. The simplest embodiment of a tube according to the invention is given when only one primary electron beam is used. In this case, the anode and the secondary emission electrode can have the shape of more or less flat, parallel disks which are fused directly into the glass wall of a tube and thus form a cavity resonator. A particularly advantageous form of the invention results when using two cathodes which are arranged on both sides of the tube axis. The secondary emission electrode is divided into two halves, each of which works together with one of the two electron beams.
The two halves of the secondary emission electrode can in this case from the bent over
There are ends of a Lecher line, which the tube wall in the form of two flat
Stripes interspersed. The tube works in this
Trap according to the push-pull principle, whereby the efficiency is very high.
The invention is described in more detail below with reference to the drawings, in which FIG. 1 shows a tube with a single electron beam and FIG. 2 shows a tube with two electron beams and a divided secondary emission electrode. In Fig. 1, 1 denotes the glass wall of the tube, 2 denotes the anode, which consists of a copper disk, 4 denotes the secondary emission electrode, the bent metal parts 5 of which are located at a distance of 1112 mm from the anode 2, and the like. between. Opposite the opening 3, which is provided in the latter. The hollow cathode 6 is designed in such a way that the beam emanating from it runs at an angle of approximately 45 "to the anode surface.
The beam passes through an opening in the anode and then hits part 5 of the secondary emission electrode.
Concentration means 7 and 8 are provided between the cathode and anode in order to bundle the cathode beam electronically. The electrode 7 can be supplied with a separate voltage. A number of lead wires 9 are fused into the bottom of the tube, while a second glass wall 10 is fused onto the secondary emission electrode, for the purpose of being able to cool the secondary emission electrode by a filled liquid.
Another advantage of the oblique incidence of the primary beam is that the path of the secondary electrons runs between the two flat plates, so that the spread of the transition time is very low.
In FIG. 2, the glass wall of the tube is designated by 11, the anode by 12, the openings in the anode by 19. Two cathodes 13 and 14
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are arranged to the right and left of the plane of symmetry of the tube, u. zw. Such that the connecting line between the center of the anode opening 19 and the centers of the cathodes includes an angle of 45 with the anode plane. Concentration elements 15 and 16 are arranged in front of the cathodes and two further concentration elements 17 and 18 in solid form of revolution are arranged in front of the anode opening. Two metal strips 20 and 21 are melted into the tube wall, the ends of which are bent over and run parallel to the anode. The ends of the metal strips mentioned are prepared with cesium oxide.
The electrons emanating from the cathode 13 hit the part 21 of the secondary emission electrode and those emanating from the cathode 14 hit the part 20 of the secondary emission electrode. If the anode voltage is 1400 volts and that of the secondary emission electrode is 800 volts, vibrations can be excited with an efficiency of approximately 20% at a wavelength of 5 cm. The dimensions of the tube can be taken from the scale attached to the side of the drawing. The written numbers mean millimeters.
PATENT CLAIMS:
1. Device for generating electrical vibrations with a wavelength of a few
Centimeters with an electron tube in which the electrons emanating from the cathode are thrown through one or more openings in the anode onto a secondary emission electrode which runs parallel to the anode, characterized in that these electrons are combined in one or more bundles with narrow opening angles whose axes with the
Plane of the anode enclose an angle of approximately 45, the voltages of the anode and the secondary emission electrode and their mutual distance are chosen so that without
AC voltages on the electrodes
Primary electrons just reach the secondary emission electrode,
and where the term of the
Secondary electrons on their way to the anode are approximately equal to the full period of the oscillations to be generated.