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Lauffeldröhre hoher Leistung, insbesondere zur Verstärkung höchster Frequenzen
Die Erfindung betrifft eine Lauffeldröhre hoher Leistung, insbesondere zur Verstärkung höchster Fre- quenzen, mit rein elektrostatischer Fokussierung des Elektronenstrahls, bei der der um die Röhrenachse auf spiralförmiger Bahn geführte Elektronenstrahl mit einer längs dieser Bahn fortschreitenden elektro- magnetischen Welle in Wechselwirkung tritt.
Es ist bereits eine Wanderwellenröhre bekannt, bei der die Elektronen auf schraubenlinienförmigen
Bahnen längs einer eine vorzugsweise zylindrische Kathode wendelförmig umgebenden Verzögerungs- leitung laufen. Die Röhre ist dabei nach Art einer Magnetfeldröhre gestaltet. Zur Führung des Elektronen- strahls wird also ein Magnetfeld benötigt, zu dem noch zusätzliche elektrische Felder vorgesehen sind.
Weiterhin ist eine Lauffeldröhre mit rein elektrostatischer Fokussierung bekannt. Bei dieser Röhre wird der Elektronenstrahl auf einer Kreisbahn durch das Radialfeld eines Zylinderkondensators geführt, dessen eine Elektrode als Verzögerungsleitung so ausgebildet ist, dass sich eine elektromagnetische Welle auf dieser Elektrode azimutal verzögert ausbreitet. Entsprechend der für Lauffeldröhren üblichen Voraussetzung ist das Verzögerungsmass dieser Leitung so gewählt, dass die Phasenwinkelgeschwindigkeit der elektroma- gnetischen Welle angenähert gleich der Winkelgeschwindigkeit der Elektronen ist. Die Kreisbahn des Elektronenstrahls ist dadurch stabil, dass die infolge des elektrostatischen Feldes des Zylinderkondensators wirkende Kraft mit der Fliehkraft der Elektronen im Gleichgewicht ist.
Der wesentliche Vorteil dieser bekannten Lauffeldröhre besteht darin, dass zur Führung des Elektronenstrahls kein Magnetfeld benötigt wird.
Wegen der beschränkten Länge der Kreisbahn ist jedoch die Leistung dieser Röhre verhältnismässig gering.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lauffeldröhre für hohe Leistungen mit rein elektrostatischer Fokussierung zu schaffen.
Es wäre denkbar, die gestellte Aufgabe dadurch zu lösen, dass man die beschriebene bekannte Lauffeldröhre mit rein elektrostatischer Fokussierung nach Art der geschilderten bekannten Magnetfeldröhre ab- ändert. Bei einer solchen Röhre würde also der Elektronenstrahl auf spiralförmiger Bahn zwischen einem Innenleiter und einer den Innenleiter längs der Spiralbahn des Elektronenstrahls umgebenden Verzögerungsleitung laufen, wobei der Innenleiter mit einer hohen positiven Gleichspannung beaufschlagt sein müsste.
Es hat sich jedoch herausgestellt, dass diese Röhre eine Reihe von Nachteilen haben würde : Maximale Kopplung zwischen dem Elektronenstrahl und der Verzögerungsleitung ist von vornherein nicht erreichbar, da ein auf spiralförmiger Bahn laufender Elektronenstrahl innen, also auf der der Verzögerungsleitung abgewendeten Seite die grösste Dichte hat. Ausserdem entfernen sich die Elektronen infolge der Energieabgabe an das Hochfrequenzfeld der Leitung immer mehr von der Verzögerungsleitung, so dass die Kopplung zwischen dem Elektronenstrahl und der Verzögerungsleitung weiter verringert wird.
Schliesslich wird die Kopplung zwischen dem Elektronenstrahl und der Verzögerungsleitung auch dadurch beeinträchtigt, dass die Verzögerungsleitung zum Strahl hin nicht wie die Aussenelektrode eines Zylinderkondensators eine geschlossene Fläche hat, sondern infolge der periodischen Struktur aus einzelnen Stäben oder Stegen besteht. Der Elektronenstrahl erhält dadurch anStelle einer runden Bahn eine eckige Bahn, so dass im Bereich der eigentlichen Wechselwirkungsräume, die zwischen den Stäben oder Stegen liegen, die Elektronen von der Verzögerungsleitung mehr entfernt sind als im Fall eines idealen Zylinderkondensators.
Um eine hin-
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reichende Kopplung überhaupt noch zu erreichen, müsste der Elektronenstrahl derart nahe entlang derVer- zögerungsleitung geführt werden, dass die Auslösung von Sekundärelektronen unvermeidbar wäre. Die aus- gelösten Sekundärelektronen würden auf die positiv vorgespannte Innenelektrode mit hoher Geschwindig- keit aufplatzen und dadurch eine unzulässige Erwärmung der Röhre hervorrufen.
Zur Lösung der gestellten Aufgabe wird deshalb bei einer Lauffeldröhre hoher Leistung, insbesondere zur Verstärkung höchster Frequenzen mit rein elektrostatischer Fokussierung des Elektronenstrahls, bei der der Elektronenstrahl durch das Radialfeld eines Zylinderkondensators geführt wird, dessen Innenelektrode als Verzögerungsleitung ausgebildet ist, längs der eine elektromagnetische Welle sich azimutal verzögert ausbreitet, erfindungsgemäss vorgeschlagen, dass die Innenelektrode aus den periodisch durchbrochenen
Wandungsteilen einer Verzögerungsleitungsstruktur besteht, die den Elektronenstrahl und die Aussenelek- trode des Zylinderkondensators zumindest teilweise umfasst und dass die Verzögerungsleitungsstruktur zu- sammen mit der Aussenelektrode schraubenlinienförmig um die Röhrenachse gewunden ist.
Eine erfindungsgemässe Lauffeldröhre hat den Vorteil, dass trotz des Wegfalls des Magnetfeldes ähnlich wie bei einem Magnetron die Hochfrequenzenergie nicht aus der kinetischen Energie der Elektronen, sondern aus der potentiellen Energie des elektrostatischen Feldes entnommen wird. Ein im Raum zwischen der Aussen-und der Innenelektrode laufendes Elektron würde bei Abgabe kinetischer Energie zur Umwandlung in Hochfrequenzenergie abgebremst werden. Da das Elektron dabei gleichzeitig an Fliehkraft verliert, gelangt es auf eine zur Innenelektrode nähere Bahn, die auf einer Potentialfläche höheren Potentials als die ursprüngliche Bahn verläuft.
Das Elektron behält also gleiche Winkelgeschwindigkeit, so dass der zwischen den Elektronen des Elektronenstrahls und einer längs der Verzögerungsleitung fortschreitenden elektromagnetischen Welle vorhandene Synchronismus erhalten bleibt. Die Elektronen nähern sich dabei immer mehr der Innenelektrode, wodurch die Kopplung zwischen dem Elektronenstrahl und dem Hochfrequenzfeld der Verzögerungsleitung noch verbessert wird.
Um bei einer erfindungsgemässen Lauffeldröhre die Hochfrequenzeigenschaften der Verzögerungsleitung nicht zu sehr zu stören, ist es vorteilhaft, die Aussenelektrode so auszubilden, dass sie sich der Innenelektrode im Bereich der Stege, zwischen denen das Hochfrequenzfeld liegt, stärker nähert als im Bereich der zwischen den Stegen liegenden Wechselwirkungsstrecken. Diese Ausbildung der Aussenelektrode hat noch den Vorteil, dass der Elektronenstrahl im Bereich der Wechselwirkungsstrecken besonders nahe an die Innenelektrode heran geführt wird.
Auf Grund des einem Magnetron ähnlichen Wechselwirkungsmechanismus kann der Wirkungsgrad einer Lauffeldröhre nach der Erfindung dadurch erhöht werden, dass man den Auffänger für den Elektronenstrahl aus galvanisch voneinander getrennten Teilen aufbaut und die einzelnen Teile mit einem solchen Gleichpotential beaufschlagt, dass die jeweilige Auftreffenergie der Elektronen möglichst gering ist. Man legt dazu die Teile des Auffängers, auf welche die längs einer niedrigeren Potentialfläche verlaufenden Elektronen auftreffen, auf ein entsprechend niedrigeres Gleichpotential als die Teile, aufwelche die längs höheren Potentialflächen verlaufenden Elektronen auftreffen.
Weitere Merkmale der Erfindung sollen an Hand der in schematischer Darstellungsweise gehaltenen Figuren der Zeichnung erläutert werden. Dabei sind alle Teile, die nicht unbedingt zum Verständnis der Erfindung erforderlich sind, weggelassen.
Fig.'1 zeigt im Querschnitt einen Zylinderkondensator mit der Aussenelektrode 1 und der Innenelektrode 2. Der Verstärkerteil einer erfindungsgemässen Lauffeldröhre nach Fig. 2 bildet etwa einen solchen Zylinderkondensator, wobei jedoch die Innenelektrode 2 von den als Stege 3 dargestellten Teilen einer Verzögerungsleitungsstruktur, zwiwchen denen das Hochfrequenzfeld der Leitung liegt, gebildet ist. Die übrigen Teile der Verzögerungsleitungsstruktur, die die Aussenelektrode 1 einhüllen sollen, sind nicht dargestellt. Die Stege 3 sind gegenüber der Aussenelektrode 1 mit einem hohen Gleichpotential beaufschlagt, so dass sich ein durch die Pfeile 4 angedeutetes elektrostatisches Feld ergibt.
Im Raum zwischen der Aussenelektrode l und den Stegen 3 ist ein Elektronenstrahl dadurch auf der Bahn 5 stabil geführt, dass die infolge des elektrostatischen Feldes wirkende Kraft mit der nach aussen gerichteten Fliehkraft der Elektronen im Gleichgewicht ist. Die Bahn 5 ist nicht wie beim idealen Zylinderkondensator rund, sondern eckig. Gegenüber einer runden Bahn hat die eckige Form den Vorteil, dass die Elektronen sich den zwischen den Stegen 3 liegenden Wechselwirkungsstrecken stärker nähern als den Stegen. Dadurch wird die Kopplung zwischen dem Elektronenstrahl und dem Hochfrequenzfeld, die an sich wegen der grösseren Dichte der Innenseite des Elektronenstrahls bereits verhältnismässig gut ist, noch erhöht.
Die eckige Bahn der Elektronen kann durch eine entsprechende Form der Aussenelektrode noch mehr betont werden. Man wählt für die Aussenelektrode dazu eine solche Form, dass die Aussenelektrode sich der Innenelektrode im Bereich der Stege 3 stärker nähert als im Bereich der zwischen den Stegen 3 gelegenen
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Wechselwirkungsstrecken. Durch eine solche Form wird ausserdem erreicht, dass die Hochfrequenzeigen- schaft der Verzögerungsleitung durch die Aussenelektrode nicht störend beeinflusst wird. Eine geeignete
Ausführungsform ist eine polygonaleAussenelektrode, wie in Fig. 3 dargestellt. Eine andere Ausführungs- form für die Aussenelektrode ist in Fig. 4 gezeigt.
Eine solche Aussenelektrode ist technologisch beson- ders einfach dadurch herstellbar, dass man ein ursprünglich kreisrundes Metallgebilde an den den Wech- selwirkungsstrecken gegenüberliegenden Stellen ausbohrt. In den Fig. 3 und 4 sind ausserdem die Stege
3 zur Aussenelektrode 1 hin dachartig abgeschrägt, um eine noch stärkere Konzentration des elektrosta- tischen Feldes im Bereich der Stege zu erreichen.
Fig. 5 zeigt ausschnittsweise ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemässen Lauffeldröhre. Die hohle Verzögerungsleitungsstruktur 6, deren Innenwandung mäanderförmig durchbrochen ist, ist spiral- förmig gewunden. Die zwischen der mäanderförmigen Durchbrechung der Innenwandung stehen bleiben- den Wandungsteile 7 entsprechen den Stegen 3 in den Fig. 2 - 4. Im Innern der Struktur 6 ist ein eben- falls spiralförmig gewundenes Metallgebilde 8 so angeordnet, dass das Metallgebilde 8 von der Struktur 6 galvanisch getrennt ist. Dazu kann das Metallgebilde beispielsweise an der in die Aussenwandung der
Struktur 6 eingeglasten Strebe 9 gehaltert sein, die gleichzeitig als Anschlussleitung dienen soll.
Gegen- über dem Metallgebilde 8, das aufKathodenpotential bezogen an einer Spannung von 0 Volt oder darunter liegt, ist die Struktur 6 mit einer hohen Gleichspannung beaufschlagt. Der Elektronenstrahl 10 wird da- durch stabil auf seiner im Bereich zwischen dem Metallgebilde 8 und den Stegen 7 verlaufenden Bahn geführt. Für den Wechselwirkungsmechanismus der Röhre ist an sich nur die periodische Struktur der Ver- zögerungsleitung ausschlaggebend, so dass es eigentlich ausreichend sein müsste, lediglich auf der Innen- seite des Elektronenstrahls 10 eine Verzögerungsleitung mit periodischer Struktur anzuordnen. Es hat sich jedoch gezeigt, dass für diesen Fall die Verzögerungsleitung sich nicht günstig dimensionieren lässt. Bei einer Lauffeldröhre nach der Erfindung liegt also die Hauptmasse der Verzögerungsleitungsstruktur immer aussen.
Die Aussenwandung der Verzögerungsleitungsstruktur 6 kann deshalb zweckmässig gleichzeitig die
Aussenwand der Röhre bilden. Durch die Massnahme, die Verzögerungsleitung mit ihrer Hauptmasse aussen anzuordnen, wird die Verzögerungsleitungsstruktur zwangsläufig durch die Aussenelektrode beschwert.
Diese Beschwerung hat eine Verschiebung des Leitungscharakters zu längeren Wellen zur Folge. Die geo- metrischen Abmessungen der Verzögerungsleitungsstruktur können also dadurch kleiner gehalten werden als bei einer Leitung ohne Beschwerung, was die geometrische Dimensionierung der Röhre weiter erleichtert.
Die Ausbildung der Aussenelektrode 8 in der in Fig. 5 dargestellten Weise, nämlich die Aussenelek- trode an ihrem oberen und unteren Rand mit je einem radial nach innen gerichteten, bandförmigen Ansatz zu versehen, hat den Vorteil, dass ein Ineinanderfliessen des Elektronenstrahls in Längsrichtung der Röhre vermieden wird. Die bandförmigen Ansätze 11 und 12 wirken also als zusätzliche Bündelungselektroden.
Eine Verzögerungsleitungsstruktur nach Fig. 5 ist technologisch einfach aus einem hohlzylindrischen Kupferblock herstellbar. Dazu dreht man den Kupferblock so aus, dass im Innern der Wandung eine flache bandförmige Spindel entsprechend den waagrechten Teilen der Verzögerungsleitungsstruktur 5 stehen bleibt.
In die freitragende Kante der Spindel werden symmetrisch über den Umfang der Spindel verteilt eine ungerade Anzahl Nuten eingefräst. In diese Nuten werden Stege an ihrer Mitte angelötet, nachdem die Aussenelektrode in die Leitung eingelegt worden ist. Die Länge der Stege ist grösser als die Ganghöhe der Spindel bemessen, so dass in Spindelrichtung die Stegenden interdigital ineinander eingreifen.
Eine Verzögerungsleitungsstruktur nach Fig. 5 hat eine rückwärtslaufende Grundwelle. Für Verstärkerbetrieb muss deshalb die Röhre so dimensioniert werden, dass der Elektronenstrahl mit der ersten vorwärtslaufenden Teilwelle in Synchronismus ist. Dabei ergibt sich der Vorteil, dass die Dispersion der vorwärtslaufenden ersten Teilwelle bei der gezeigten Verzögerungsleitungsstruktur sehr gering ist.
Fig. 6 zeigt im Schnitt das auffängerseitige Ende einer erfindungsgemässen Lauffeldröhre mit einem besonders vorteilhaften Auffänger für den Elektronenstrahl. Infolge der Wechselwirkung mit dem Hochfrequenzfeld der Verzögerungsleitung bewegen sich die Elektronen des Elektronenstrahls am Ende der Röhre auf Bahnen unterschiedlicher Radien. Die Elektronen mit dem grössten Energieverlust haben den kleinsten Bahnradius ; sie verlaufen also ganz innen bei der Innenwandung der Verzögerungsleitungsstruktur 6. Die Elektronen mit dem geringsten Energieverlust verlaufen ganz aussen bei der Aussenelektrode 1.
Der Auffänger ist deshalb in drei stufenförmig angeordnete, ringförmige Metallscheiben 13, 14 und 15 unterteilt. Die einzelnen Metallscheiben sind galvanisch voneinander getrennt und werden mit unterschiedlichem Gleichpotential beaufschlagt. Die Metallscheibe 13 mit dem geringsten Durchmesser erhält dabei das grösste positive und die Metallscheibe 15 mit dem grösstenDurchmesser das kleinste positive Gleichpo-
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tential. Durch diese Anordnung gelingt es, die jeweilige Auftreffenergie der Elektronen klein zu hal- ten.
Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele. Insbesondere ist an
Stelle der Verzögerungsleitung nach Fig. 5 eine andere periodische Struktur anwendbar.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Lauffeldröhre hoher Leistung, insbesondere zur Verstärkung höchster Frequenzen, mit rein elektro- statischer Fokussierung des Elektronenstrahls, bei der der Elektronenstrahl durch das Radialfeld eines Zy- linderkondensators geführt wird, dessen Innenelektrode als Verzögerungsleitung ausgebildet ist, längsder eine elektromagnetische Welle sich azimutal verzögert ausbreitet, dadurch gekennzeichnet, dass die
Innenelektrode aus den periodisch durchbrochenen Wandungsteilen (3) einer Verzögerungsleitungsstruk- tur (6) besteht, die den Elektronenstrahl und die Aussenelektrode (1) des Zylinderkondensators zumindest teilweise umfasst und dass die Verzögerungsleitungsstruktur (6) zusammen mit der Aussenelektrode (1)
schraubenlinienförmig um die Röhrenachse gewunden ist.