Verfahren zur Erzeugung, Verstärkung oder Modulation von Schwingungen unter Benutzung einer Seknndärelektronenröhre und Röhre zur Ausführung des Verfahrens. -Die Erfindung betrifft ein Zerfahren zur Erzeugung, Verstärkung oder Modulation von Schwingungen unter Verwendung einer Se- kundärelektronenröhre und eine Röhre zur Ausführung des Verfahrens.
Es ist vorgeschlagen worden, dynamische Elektronenveraielfacher zu bauen, die ein Paar einander ,gegenüberliegender Ausläse elektroden mit einer dazwischenliegenden Anode enthalten. Diese Röhren sind mit einem Schwingungskreis zusammengeschal tet, der annähernd auf die Laufzeitfrequenz der,Sekundärelektronen abgestimmt ist.
Es ist auch schon vorgeschlagen worden, den einander gegenüberliegenden Auslöse elektroden ein und dasselbe Potential zu er teilen. Die vorliegende Erfindung kann als weitere Ausbildung derartiger Anordnungen aufgefasst werden.
Gemäss. der Erfindung wird zur Erzeu- gung, Verstärkung oder Modulation von ,Schwingungen zwischen Anode und Aus löseelektrode einer @Sekundärelektronenröhre ausser einer Gleichspannung eine Wechsel spannung angelegt, deren Schwingungsdauer lang ist gegen die Laufzeit der Sekundär elektronen in der Röhre.
Es wird zweckmUig eine Röhre benutzt, die nur zwei. Elektroden enthält, von denen eine zum Beispiel die andere umgibt.
Zweck mässig wird die äussere Elektrode als Aus- lös,eelektrode ausgebildet und mit einer innern Oberfläche versehen., die bei Be- schiessung mit Elektronen mehr Sekundäx- elektronen abgibt als Primärelektronen auf treffen,
wenn die letzteren genügende Cre- sehwindi@gkeit besitzen. Der innern. Elektrode wird dann ein positives Potential .gegeben, weshalb sie als Anode bezeichnet wird. Es kann so erreicht werden, dass;
eine Anzahl von Elektronen in dem Raum zwischen den Elektroden unter dem Einfluss der den Elek- trollen aufgedrückten Potentiale schwingt und auf die Auslöseelektrode mit genügender Geschwindigkeit auftrifft, um eine Zahl von Sekundärelektronen auszulösen, die die Zahl der Primärelektronen übertrifft. Es *ird daher ein Strom aus der Gleichstromquelle,
die zwischen den Elektroden liegt, fliessen. Ein Spannungsabfall, der von diesem Strom erzeugt wird, kann dazu ausgenutzt werden, den schwingenden Elektronen die genügende Auftreffgeschwindigkeit zu erteilen. Der Schwingungsvorgang unterhält sich dann selbst und es kann ein verhältnismässig grosser Betrag Schwingungsenergie dem Stromkrens entnommen werden.
Die Energie stammt aus der Gleichstromquelle, deren Spannung ge nügend gross gewählt ist, um Sekundärelek tronen auszulösen.
Wenn die Schwingungen auch von selbst in Gang kommen sollen, müssen etwas höhere Anforderungen gestellt werden. Es ist jedoch nicht notwendig, dassi zum Bespiel die Aus- trittsarbeit der Kathodenoberfläche beson- ders niedrig gemacht wird. Es wurde festge- stellt,
dass bei Verwendung von Kupfer für die Kathode die Oberfläche genügend emp findlich für die Ingangsetzung ist, wenn sie zum Beispiel mit einem aufgedampften Alu- miniumüberzug versehen ist. Die Austritts arbeit an der Oberfläche der Auslöseelektrode lässt sich natürlich durch Alkalimetallüber- züge, wie z. B.
Cäsium oder Cäsiumoxyd, noch weiter herabsetzen. Die Oberfläche ist jedoch stabiler und gleichmässiger, wenn Me talle mit höherem Schmelzpunkt, wie z. B. Aluminimum, benutzt werden.
Die Figuren zeigen Ausführungsbeispiele von Röhren und Schaltungen zur Durch- führung des erfindungsgemässen Verfahrens.
Fig. 1 ,ist ein Längsschnitt durch eine Hochleistungsröhre mitWasserkühlung,Fig. 2 ein Querschnitt durch die Röhre, Fig. 3 eine Aussenansicht einer Röhre ohne Wasser- kühlung,
Fig. 4 ein Schaltbild für eine ein zelne Röhre und Fig. 5 ein Schaltbild einer Gegentaktanordnung.
Die Röhre der Fig. 1 ist besonders für die Erzeugung von Hochfrequenzschwingun- gen grosser Energie gedacht. Sie enthält eine metallische Auslöseelektrode 1 zylindrischer Form, deren eines Ende 2 geschlossen ist,
während das gegenüberliegende Ende 3 offen und am Rand mit einem Glas- oder Quarz- fuss 4 verschmolzen ist, so dass die Auslö e- elektrode selbst einen Teil der Röhrenhülle bildet. Diese Konstruktion wurde gewählt, um die Auslöseelektrode besser kühlen zu können.
Bei kleineren Röhren wird zweck- mässig die Aus-löseelektrode 1 ganz im Innern -der Glashülle (Fis. 3) untergebracht. Die Auslöseelektrode 1 besteht zweckmässig aus Kupfer und wird mrit dem Glaskörper 4 durch eine Verschmelzung 5 verbunden.
Der Glaskörper enthält einen doppelten Fuss 6. Der Aussenring 7 des Fusses trägt einge- schmolzene Stützen 9,
die sich in das Innere der Auslöaeelektrode erstrecken und eine Anodenspirale 10 aus verhältnismässig dünnem Draht tragen. Die Spirale wird zweckmässig so angeordnet, dass sie koaxial zur Auslöwelektrode liegt. Die Anode be sitzt eine Ausführung 11.
Der mittlere Teil 12 des, Fusses 6 trägt eine Glühkathode 14, die über die Drähte 15 geheizt wird, und eine Steuerelektrode 16, die sich entweder in der Nähe oder direkt in der Bahn der Elektronen befindet,
die von der Kathode 14 ausgehen. Die Steuer- elektrode 19 ist im vorliegenden Fall als Kappe ausgebildet, die eine axiale Öffnung 17 für den Durchgang der Elektronen auf weist.
Auch die Steuerelektrode besitzt eine Ausführung <B>19.</B> Die .Stützen 9 tragen eine Anodenscheibe .20, die ebenfalls eine axiale Öffnung hat, wobei die Öffnungen in der Anodenscheibe und in der Steuerelektrode in einer Flucht liegen.
Die Anodenscheibe 20, die Steuerelektrode<B>16</B> und die Kathode 14 bilden ein Stralilerzengungmystem, das Elektronen in den Raum der Auslöseelek- trode hineinschiesst bezw. in den Raum,
der von der Anode umgeben ist. Es braucht jedoch nur ein ausserordentlich schwacher Elektronenstrom hier erzeugt zu werden.
Bei einer 1.0 kW-Röhre zum Beispiel genügt ein Elektronenstrom von 2 bis 4 mA. Die innere Oberfläche <B>28</B> der Auslöse elektrode wird während der Entlüftung mit einer Alumri- niumschicht versehen.
F'ig. 4 zeigt eine Schaltung der Röhre. Die Anode 9, 10, 2,0 liegt am positiven Ende einer Anodenspannungsquelle 21 von zum Beispiel #50000 V, deren negative Seite geerdet ist. Die Spannungsqualle kann durch einen Kondensator -212 überbrückt sein.
Die Auslösekathode 1, ist mit einem abgestimm ten Kreis verbunden,,der aus einer Spule 24 und einer veränderlichen Kapazität 25 be steht. Daegegenüberliegende Ende des Re sonanzkreises ist geerdet, so dass der ab- gestimmte Kreis in Reihe mit der Anode und Auslöseelektrode liegt.
Die Kathode 14 wird in. beliebiger Weise geheizt und die Steuerelektrode 16 durch eine Vorspannungsquelle 26 auf ein .geeig- netes Potential gebracht. Die Röhre beginnt nachdem Einschalten von selbst zu schwin gen und kann als Senderöhre benutzt. werden, wenn zum Beispiel bei <B>217</B> eine Antenne an gekoppelt wird.
Der Ausgang kann in be- liebiger Weise gestattet werden, und der Ka- th.odenstrahl bewirkt ein schnelles Einsetzen der Schwingungen.
Ein Paar dieser Röhren kann in Gegen taktanordnung für Verstärkungszwecke nach Fig. 5 .benutzt werden. Die Auslöseelektro- den 1 der beiden Röhren sind über einen Re- sonanzkreis .32, gekoppelt, dessen Mittelpunkt 34 geerdet äst. In der Figur wird die Kapa- zität,des:
Resonanzkreises 32 von der Röhren kapazität gebildet. Es ist natürlich auch möglich, dem Schwingungskreis einen Dreh kondens ator parallel zu schalten.
Ein Aus- gangskreis: 3,5 ist mit diesem Kreis gekop pelt. Die Anoden der beiden Röhren sind mtiteinandeT verbunden. und liegen an der Anodenspannungsquelle 21.
Die Steuerelek- troden. 16 sind über zwei Hochfrequenzdros- seln <B>36</B> verbunden, deren Verbindungspunkt über eine Vorspannungseinrichtung 3;7 geer det ist. Die Eingangsspannung wird über einen Kondensator 39 zugeführt.
Die beiden Gitter werden ausserdem mit Hochfrequenz von einem Schwingunbserzeuger 40 gespeist, und zwar über die Kondensatoren 41. Die Glühkathoden: sind ebenfalls zweckmässig verbunden und ihr .Mittelpunkt ist ,geerdet. Als Oszillator 40 kann wiederum ein 8chwin- gungs emeuger mit Vsrvielfacherröhre ver wendet werden.
Bei Schaltungen obiger Art benötigt die Röhre im Prinzip nur eine axiale Anode ge ringen Durchmessers und eine die Anode umgebende Auslöseelektrode, um beim An legen einer Spannung ins Schwingen zu kom men.
s ist nur notwendig, entweder das Anodenpotential oder die Abstimmung des Resonanzkreises zwischen Anode und Aus löseelektrode so einzustellen, dass1 die Lauf- zeit eines Elektrons von einer Seite der Aus löseelektrode zur andern eine oder mehrere vollständige Perioden beträgt.
Zur Erläute- rungdieses Vorganges sei der Einfachheit halber angenommen, dass das Anodenpoten tial und der Resonanzkreis so eingestellt seien, dass ,die .ganze Periode annähernd gleich der Laufzeit eines Elektronen ist. Es sei ferner angenommen,
dass einige Elek tronen von irgendeinem Punkt der Auslöse elektrode ausgehen, zum Beispiel infolge des Auftreffens eines freien Elektrons. Diese Elektronen werden nach der Anode zu be- schleunigt und benötigen etwa die Zeit einer halben Schwingung, um diesen Punkt zu er reichen.
Ist die Phase des in dem Sch.win- gungskreis erzeugten Spannungsabfalles Tich.- tig, so ändert ,die iSpannung ihr Vorzeichen, wenn die Elektronen die Anadenspirale durchflogen haben,
so dass idie Elektronen auch während ides Restes ihres Weges- be- schleunigt werden und .beim Auftreffen auf .die gegenüberliegende Elektroclerioberfläche Sekundärelektronen auslösen.
Diese Elektro nen, deren Zahl grösser ist als die der auf treffenden Elektronen., nehmen wieder ihren Weg durch die Mitte der Röhre nach der gegenüberliegenden @Seite hin.
Inder dargestellten Röhre nimmt nun die Anode einen beträchtlichen Raum im Innern der Auslöseelektrode ein. Bei einer solchen Anordnung arbeitet die Röhre mit verhäHnis- mä.Big schlechtem Wirkungsgrad,
wenn. die Laufzeit der Elektronen etwa gleich einer Schwingungsperiode ist. Da die Elektronen sich während des grössten Teils der Zeit in einem feldfreien Raum befinden, sind die Bedingungen für eine wirksame Beschleuni- gung umgünstig,
da nur am Anfang und am Ende der Bahn eine Beschleunigung statt- finden kann.
Um den Wirkungsgrad zu verbessern, wird daher die Laufzeit der Elektronen kurz im Vergleich zu der Periode der Schwingung gemacht.
Die Laufzeit der Elektronen ist in der Hauptsache von der Höhe der Anoden spannung abhängig. Das Zustandekommen der Schwingungen kann man sich in diesem Falle folgendermassen vorstellen: Es mögen sich einige Elektronen in dem Augenblick, wenn die Auslöseelektrode ihr maximales ne- gatives Potential erreicht hat, zwischen der Auslöseelektrode und der Anode befinden;
diese werden zufolge der herrschenden Span nung, welche sich aus der Anodengleichspan- nung und der jeweilig herrschenden Wechsel- spannung zusammensetzt, auf die Anode zu beschleunigt und durchfliegen den feldfreien Raum im Innern der Anodenspirale. Beim Heraustreten aus derselben werden die Elek tronen nicht in dem gleichen Masse verzögert,
wie sie vorher beschleunigt wurden, auf Grund der Tatsache, dass die Spannung zwi schen den Elektroden während der Flugzeit geringer geworden ist. Sie treffen daher auf die Auslöseelektrode auf und lösen dort ent sprechend ihrer Geschwindigkeit Sekundär elektronen aus. Die Vervielfachung beginnt dann, wenn die Auslöseelektrode ihr maxi males negatives Potential hat, so dass sie während jedes folgenden Hin- und Her ganges der Elektronen weniger negativ wird. Die Vervielfachung hört auf, wenn die Aus löseelektrode ihr grösstes Potential besitzt. In der darauffolgenden Zeit werden die Elektronen von der Anode gesammelt.
Das Verhältnis zwischen Wechselspannungspe- riode und Elektronenlaufzeit wird zweck mässig so eingestellt, dass maximale Verstär kung eintritt. Wäre zum Beispiel die Elek tronenlaufzeit nur wenig kürzer als eine halbe Wechselspannuugsperiode,
so würde nur ein Verviefachungsvorgang stattfinden. Wegen der hohen Spannungsdifferenz der Auslöseelektrode zwischen Start und An kunft des Elektrons ist der Sekundäremis- sionsfaktor allerdings ziemlich gross.
Es kann jedoch eine grössere Vervielfachung erreicht werden, wenn statt des einen Vervielfachungs vorganges bei hoher Auftreffgeschwindigkeit der Primärelektronen viele Vervielfachungs vorgänge mit einer entsprechend geringeren Auftreffgeschwindigkeit der Primärelektro nen stattfinden.
Wenn umgekehrt die Lauf zeit der Elektronen so kurz ist, dass die wäh rend der Flugzeit gewonnene Auftreffge- schwindigkeit nicht ausreicht, um mehr als ein Sekundärelektron pro Primärelektron aus- zulösen,, ist die Verstärkung ebenfalls gering. Zwischen diesen beiden Extremen gibt es eine günstigste Laufzeit,
welche von den Eigen schaften der sekundäremittierenden Schicht abhängt und durch Probieren ausfindig zu machen ist. Der gute Wirkungsgrad bei dieser Art des Betriebes ist dem Umstand zuzuschreiben, dass der Strom im Innern der Röhren einen beträchtlichen Wert nur in dem Augenblick aufweist, wenn die Kathode und die Anode annähernd die gleiche Spannung besitzen.
Bei einer derartigen Röhre werden daher an allen Punkten der Oberfläche der Aus löseelektrode Elektronen ausgelöst, die sich auf radialen Bahnen in allen Richtungen durch den Anodenraum bewegen und sich in diesem Raum kreuzen und auf die gegenüber liegende Seite der Auslöseelektrode zu bewe gen. Da jedoch die Anode nicht als gerader Stab ausgebildet ist, sondern in der Mitte des Zylinders einen grösseren Raum um- schliesst, werden die Elektronen nicht in genau radialen oder diametralen Bahnen wandern.
Da die Anode verhältnismässig weitmaschig ist, stört sie den Durchgang der Elektronen nicht wesentlich; die Schwingun gen schaukeln sich auf, bis ein Gleichge- wichtspunkt erreicht ist.
DieserSekundärelektronenröhre mit nur einer Auslöseelektrode unterscheidet sich von der früher vorgeschlagenen Röhre mit zwei Auslöseelektroden dadurch, dass sie der Gleichspannungsquelle nur während der hal ben Periodendauer der angelegten Wechsel spannung Energie entnimmt, da, wie oben näher ausgeführt, während der andern Pe riodenhälfte keine Vervielfachung stattfin det. Dagegen erfolgt bei der letztgenannten Röhre eine ständige Vervielfachung und da mit eine dauernde Energieentnahme.
Die Anbringung des Strahlerzeugungs- systems bei einer solchen Röhre ermöglicht es, den Schwingungsvorgang und die Ver vielfachung in der Röhre zu steuern. Wenn zum Beispiel die Röhre als Oszillator benutzt wird, so verbessert ein Kathodenstrahl von 1 oder 2 mA den Betrieb und macht ihn sta biler, da die Schwingungen nicht nur durch die zufällig anwesenden Elektronen im Innern der Röhre aufgebaut werden. Die Anode des Strahlerzeugungss.ystemes ist di rekt mit der Vervielfacheranode verbunden und hat dasselbe Potential.
Es sind daher keine weiteren Zuführungen oder Spannungs quellen erforderlich, und die Tatsache, dass der Vervielfachungsteil der Röhre als gerad liniger Vervielfacher arbeiten kann, macht diese Vorrichtung besonders wertvoll für Kraftverstärkung. Die Röhre kann auch durch Steuerung des Kathodenstrahlstromes moduliert werden.
Arbeitet, die Röhre als Verstärker, so wird die Frequenz des abgestimmten Kreises 32 so eingestellt, dass die Röhren ohne Vor handensein eines Strahlstromes keine Schwin- gungen aufrecht erhalten können, das heisst die Vervielfachung während einer halben Periode genügt nicht, um einen hinreichenden Strom in dieser Zeit zu erzeugen. In diesem Zustand wirken die Röhren als ausserordent lich empfindliche Verstärker, so dass der Aus gangstrom der Röhre direkt proportional dem Strahlstrom ist.
Die hochfrequente Ausgangsenergie ist ebenfalls proportional dem Strahlstrom, und da der Strom der Röhre sich von dem Wert des Strahlstromes bis auf den endgültigen Wert während jeder Periode aufschaukelt, liegen die Bedingungen für -einen Hoch frequenzverstärker vor. Wird der Strahl- strom durch.die Steuerelektrode von einem Steueroszillator gesteuert, so kann die Röhre als .Kraftverstärker dienen.
Der Ausgang des Verstärkers kann ferner dadurch moduliert werden, dass die mittlere Vorspannung der Steuerelektrode gleichzeitig moduliert wird. Die Röhre kann dann zum Beispiel,zum Aus senden von durch Sprache oder Bildimpulse modulierter- Hochfrequenz benutzt werden.
Es kann auch irgendeine Modulation, deren Frequenz von der des Schwingungserzeugers 40 abweicht, einem Gitter der Röhre auf gedrückt werden: In Fig. 1 ist eine Kühlung der Aus löseelektrode gezeigt, da bei dieser Art von Röhren nur die Auslöseelektrode sich infolge des Elektronenaufpralles erhitzt: Da die meisten Oberflächen, die einen guten Sekun- däremissionsfaktor zeigen, verhältnismässig empfindliche Materialien,. sind, ist es zweck mässig, beim Betrieb zu hohe Temperaturen zu vermeiden..
Die dargestellte Röhre lässt sich in be sonders einfacher Weise durch Anbringung eines Mantels 42 kühlen, der eine Kammer 44 bildet, durch welche eine Kühlflüssigkeit während des Betriebes geleitet wird. Aus konstruktiven Gründen ist es wesentlich- vor teilhafter, die Auslöseelektrode einer Röhre dieser Art zu kühlen, als die Anode einer Kraftverstärkerröhre üblicher Art, da es nicht notwendig ist,
eine Isolierung für das hohe Anodenpotential anzubringen. Die Win- dungen des -abgestimmten Kreises 32 (Fig. 5) können hohl ausgeführt sein und als Zulei tungen für die Flüssigkeit dienen, so dass jede Isolation entfällt und die Flüssigkeit ärl dem Mittelpunkt 3,4 zu- und weggeleitet wird.
Das Strahlerzeugungssystem ist nur eine Hilfseinrichtung, die die Wirkungsweise des Vervielfachers verbessert, ist aber nicht un bedingt notwendig. Es bietet- sich eine grosse Anzahl anderer Wege, die Ausgangsenergie eines solchen Schwingungserzeugers zu steuern, und es sind auch andere Wege mög lich, um Elektronen in den Innenraum der Röhre einzuführen. Es kann zum Beispiel durch das Glasende der Röhre Licht einge lassen werden, und die wirksame Fläche der Auslöseelektrode ist dann so behandelt, dass sie photoelektrisch ist.
Die Photoelektronen werden benutzt, um die Ausgangsenergie der als Verstärker arbeitenden Röhre zu steuern. In diesem Falle dient die Röhre als Licht- modulator.