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Lauffeldröhre zur Erzeugung und Verstärkung höchster Frequenzen, insbesondere für hohe Leistungen
Die Erfindung betrifft eine Lauffeldröhre zur Erzeugung und Verstärkung höchster Frequenzen, insbe- sondere fürhohe Leistungen, mit einer Verzögerungsleitung, auf der eine elektromagnetische Welle fort- schreitet, die mit einem in einem longitudinalen, homogenen Magnetfeld geführten Elektronenstrahl in
Wechselwirkung tritt.
Eine der gebräuchlichen Röhren zur Erzeugung und Verstärkung höchster Frequenzen ist die Wander- feldröhre. Diese ist bekanntlich eine Lauffeldröhre mit Verzögerungsleitung, in der die mittlere Elektronengeschwindigkeit nach Grösse und Richtung angenähert der Phasengeschwindigkeit einer von der Leitung geführten elektromagnetischen Welle ist. Zur Führung des Elektronenstrahls dient dabei im allgemeinen ein longitudinales Magnetfeld. Für den Hochfrequenzmechanismus der Wanderfeldröhren ist dieses Magnetfeld jedoch ohne unmittelbare Bedeutung. Der Vorgang der Verstärkung bzw. Erregung der elektromagnetischen Welle auf der Leitung beruht auf der Wechselwirkung mit der sogenannten langsamen Raumladungswelle im Elektronenstrahl.
Der Vorteil der Wanderfeldröhre besteht in ihrer Breitbandigkeit. Der Wirkungsgrad ist jedoch verhältnismässig gering. Der Grund hiefür ist in der durch die Wechselwirkung zwischen der elektromagneti- schen Welle und der Raumladungswelle erfolgten Geschwindigkeitsmodulation des Elektronenstrahls zu sehen. Diese Geschwindigkeitsmodulation bedingt nämlich, dass die kinetische Energie des Elektronenstrahls einerseits nur zu einem geringen Prozentsatz in Hochfrequenzenergie umgesetzt werden kann und dass die im Strahl verbleibende kinetische Energie anderseits nicht in vollem Masse zurückgewonnen werden kann. Die Frage des Wirkungsgrades ist aber vor allem für Hochleistungsröhren von besonderer Bedeutung.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Laufzeitröhre zur Erzeugung und Verstärkung höchster Frequenzen, insbesondere für hohe Leistungen, zu schaffen, bei der die Wechselwirkung zwischen der Signalwelle und dem Elektronenstrahl keine Geschwindigkeitsmodulation des Strahls hervorruft.
Die Erfindung macht Gebrauch von den bekannten Erkenntnissen der Wellen in einem Elektronenstrahl, der in einem longitudinalen homogenen Magnetfeld durch transversale elektrische Feldkomponenten einer längs einer Verzögerungsleitung fortschreitenden elektromagnetischen Welle beeinflusst wird. Im Gegensatz zu den bekannten Wanderfeldröhren ist das longitudinale Magnetfeld bei Anwesenheit von Transversalwellen für das Hochfrequenzverhalten des Elektronenstrahls von wesentlicher Bedeutung. Auf Grund der ablenkenden Wirkung des elektrischen Transversalfeldes auf den Elektronenstrahl im magnetischen Längsfeld bilden sich nämlich die rasche und langsame Zyklotronwelle im Elektronenstrahl aus, wobei zur Modulation der raschen Welle dem Elektronenstrahl Energie zugeführt und zur Modulation der langsamen Welle dem Elektronenstrahl Energie entzogen wird.
Die Zyklotronwelle wird durch eine Rotation und gleichzeitige Translation der Elektronen des Elektronenstrahls beschrieben, so dass sich als Feldbild für die Zyklotronwelle eine Schraubenlinie ergibt, längs der sich die Elektronen fortbewegen. Die Phasengeschwindigkeit der Zyklotronwelle ist je nachdem, ob bei ihrer Modulation dem Elektronenstrahl
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Energie zugeführt oder entzogen wurde, schneller oder langsamer als die mittlere Gleichgeschwindigkeit der Elektronen. Neben den beiden Zyklotronwellen bilden sich im Elektronenstrahl zwei Wellen eines wei- teren Wellentypus, die sogenannten Synchronwellen, aus. Die Phasengeschwindigkeit derbeiden Synchronwellen ist stets gleich der Elektronenstrahlgeschwindigkeit, woher auch die Bezeichnung dieser Wellen rührt.
Das Momentanbild stellt ebenfalls wie das Momentanbild der Zyklotronwelle eine Schraubenlinie dar. Im Gegensatz zur Zyklotronwelle beschreibt jedoch die Schraubenlinie keine Rotation, sondern nur eine Translation. Das Modell einer solchen Welle würde sich z. B. mit einem Gartenschlauch er- geben, der parallel zur Achse des Wasserstrahl kreisförmig bewegt wird.
Die beiden Synchronwel- len unterscheiden sich nur durch ihren relativen Drehsinn zur Zyklotronbewegung der Elektronen.
Die Welle mit positiv zirkularer Polarisation (bei Magnetfeld in Strahlrichtung Drehsinn in Uhr- zeigerrichtung) hat positive Energie, die Welle mit negativ zirkularer Polarisation (Drehsinn entgegengesetzt der Uhrzeigerrichtung) hat negative Energie, d. h. dem Elektronenstrahl wird bei der Modulation entweder Energie zugeführt oder entzogen. Dabei wird allen Elektronen entweder die gleiche kinetische Energie zugeführt oder entzogen. Bei der Modulation des Elektronenstrahls allein mit der negativ zirkular polarisierten Synchronwelle wird also der Strahl als Ganzes abgebremst.
Unter Ausnutzung der beschriebenen bekannten Erscheinung der Synchronwellen wird zur Lösung der gestellten Aufgabe bei einer Lauffeldröhre zur Erzeugung und Verstärkung höchster Frequenzen, insbesondere für hohe Leistungen, mit einer Verzögerungsleitung, auf der eine elektromagnetische Welle fortschreitet, die mit einem in einem longitudinalen, homogenen Magnetfeld geführten Elektronenstrahl in Wechselwirkung tritt, nach der Erfindung vorgeschlagen. dass die Verzögerungsleitung eine negativ zirkular polarisierte Welle mit transversalen elektrischen Feldkomponenten führt und dass die Phasengeschwindigkeit dieser Welle gleich der Elektronengeschwindigkeit ist.
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tung und dem Elektronenstrahl wird der Strahl als ganzes abgebremst.
Man kann dann die Phasengeschwindigkeit der Zeitungswelle der Elektronengeschwindigkeit anpassen und damit einenhohen elektronischen Wirkungsgrad erzielen. Ausserdem kann die im Strahl verbleibende kinetische Energie durchAbbremsung fast vollständig zurückgewonnen werden. An Hand der Zeichnung soll die Erfindung näher erläutert werden.
Die Fig. 1 zeigt einen linear polarisierten Elektronenstrahl 1, der transversal, d. h. quer zu seiner Ausbreitungsrichtung moduliert ist. Die Elektronen selbst sollen dabei jedoch nach Art der Synchronwelle keine transversale Geschwindigkeit haben. Mit 2 und 3 sind elektrische Teile bezeichnet, die einen kurzen Ausschnitt aus einer Verzögerungsleitung darstellen sollen. Es lässt sich also zwischen den Teilen 2 und 3 ein Koppelspalt der Leitung gebildet denken. Durch Annäherung des Bereiches 5 des in Richtung des Pfeiles 4 sich bewegenden Elektronenstrahls an den Koppelspalt wird am Lastwiderstand R eine Spannung der eingezeichneten Polarität influenziert. Der Elektronenstrahl wird daher im Bereich 5 abgebremst. Im Bereich 6 bleibt die Elektronengeschwindigkeit unverändert, da dieser von den T. eilen 2 und 3 gleich gro- ssen Abstand hat.
Im Bereich 7 wird der Elektronenstrahl ebenfalls wieder abgebremst, da bei Annäherung dieses Bereiches 7 an den Koppelspalt die Polarität entgegengesetzt der Gezeichneten ist. Im Elektronenstrahl ergibt sich deshalb eine Geschwindigkeitsverteilung entsprechend dem Geschwindigkeits-Zeitdiagramm bzw. Geschwindigkeits-Ortsdiagramm nach Fig. 2. Die schraffierten Flächen 8 geben dabei den Energieentzug im Koppelspalt zwischen den Teilen 2 und 3 an.
Der Elektronenstrahl nach Fig. 1 soll nun zirkular mit einem Drehsinn entgegen der Uhrzeigerrichtung polarisiert sein. Ausserdem soll dieser zirkular polarisierte Strahl eine Anordnung durchsetzen, mit der dem Elektronenstrahl auch senkrecht zur Zeichenebene der Fig. 1 Energie entzogen werden kann.
Fig. 3 zeigt einen Schnitt durch eine entsprechende Anordnung mit den elektrisch leitenden Teilen 2, 3, 9 und 10, zwischen denen der wendelförmige Strahl 1 durchtritt. Im Geschwindigkeits-Zeitdiagramm der Fig. 4 ist der Energieentzug des Elektronenstrahls in dieser Anordnung veranschaulicht. Die schraffierte Fläche 11 gibt entsprechend der Fläche 8 in Fig. 2 die an die Teile 2 und 3 abgegebene Energie an.
Gleichzeitig wird an die Teile 9 und 10 Energie entsprechend der Fläche 12 abgegeben. Die Überlagerung der Flächen 11 und 12 ergibt eine rechteckige Fläche entsprechend der Fläche 13, d. h. der Strahl wird als Ganzes abgebremst. Es ist demnach ersichtlich, dass in einem zirkular polarisierten Wechselfeld mit transversalen elektrischen Feldkomponenten dem Elektronenstrahl ohne Geschwindigkeitsmodulation Energie entzogen werden kann. Der Elektronenstrahl wird dabei mit der Synchronwelle moduliert, die sich genau mit Elektronengeschwindigkeit ausbreitet. Je nach der Polarisationsrichtung der Synchronwelle transportiert diese positive oder negative Energie (das in den Fig. 3 und 4 gegebene Beispiel erläutert die Welle mit negativer Energie, da dem Strahl Energie entzogen wurde).
Als Verzögerungsleitung, die eine zirkular polarisierte Welle führt, ist eine vieradrige Wendel geeignet. Fig. 5 zeigt einen Ausschnitt aus einer solchen Wendel mit den vier Adern 14, 15, 16 und 17. Die-
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se Verzögerungsleitung soll so erregt werden, dass in einer Ebene senkrecht zur Wendellängsachse das elek- trische Feld jeweils zwischen den gegenüberliegenden Adern 14 und 15 oder 16 und 17 sich ausbildet.
Fig. 6 zeigt einen entsprechenden Querschnitt durch die Verzögerungsleitung nach Fig. 5. Die eingezeich- nete Polarität gilt für einen Phasenwinkel so = 0. Eine solche Feldverteilung lässt sich erzwingen, wenn man die auf die Verzögerungsleitung eingespeiste Signalwelle dem Adernpaar 16 und 17 gegenüber dem
Adernpaar 14 und 15 um einen Phasenwinkel von 7r/2 verzögert zuführt. Dazu ist zweckmässig die Einkop- pelleitung aufgezweigt und die elektrische Länge der beiden Zweige der Einkoppelleitung so bemessen, dass sich die gewünschte Phasendifferenz ergibt.
Fig. 7 zeigt dia Leistungsdiagramm einer erfindungsgemässen Lauffeldröhre. Der Pegel 18 stellt die kinetische Strahlleistung vor Eintritt in die Verzögerungsleitung dar. Innerhalb der Verzögerungsleitung wird die kinetische Strahlleistung des Elektronenstrahls in Hochfrequenzenergie umgesetzt, so dass die
Leitung vom Pegel 18 auf den Pegel 19 abfällt. Zwischen der Verzögerungsleitung und dem Auffänger für den Elektronenstrahl kann die im Strahl entsprechend dem Pegel 19 verbleibende kinetische Energie dmch Abbremsung des Elektronenstrahls zurückgewonnen werden. Lediglich ein kleiner Teil Energie ent- sprechend dem Pegel 20 geht als Wärme verloren.
Bei einer bekannten Wanderfeldröhre könnte die im
Strahl verbleibende Energie wegen der Geschwindigkeitsmodulation des Elektronenstrahls in diesem Masse nicht zurückgewonnen werden.
An Hand der Fig. 8, die das Geschwindigkeits-Zeitdiagramm einesgeschwindigkeitsmodulierten Elektronenstrahls zeigt, lässt sich erkennen, dass eine Abbremsung nur auf eine mittlere Geschwindigkeit v m entsprechend der Linie 21 möglich ist. Eine stärkere Abbremsung wurde zu einer Reflexion der langsameren Elektronen führen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Lauffeldröhre zur Erzeugung und Verstärkung höchster Frequenzen, insbesondere für hohe Leistungen, mit einer Verzögerungsleitung, auf der eine elektromagnetische Welle fortschreitet, die mit einem in einem longitudinalen, homogenen Magnetfeld geführten Elektronenstrahlin Wechselwirkung tritt, dadurch gekennzeichnet, dass die Verzögerungsleitung eine negativ zirkular polarisierte Welle mit transversalen elektrischen Feldkomponenten führt und dass die Phasengeschwindigkeit dieser Welle gleich der Elektronengeschwindigkeit ist.