Einrichtung mit einem Vakuumgefäss, in dem mindestens ein Elektronenbündel erzeugt wird. Die Erfindung betrifft eine Einrichtung, in der innerhalb eines Vakuumgefässes minde stens ein Elektronenbündel erzeugt wird.
Bei Einrichtungen der erwähnten Art ist es von Wichtigkeit, dass das Divergieren des Bündels, d. h. das Auseinandergehen der Elektronen, verhütet wird. Die Hauptursachen des Divergierens von Elektronenbündeln sind die gegenseitige Abstossli-iig der Elektronen und die Defokussierungswirkung sowohl sta tischer als auch mit der Zeit wechselnder elektrischer Felder. Man hat das Divergieren schon durch elektrostatische Konzentrier- felder zu beheben gesucht; diese Lösung ist jedoch wegen des Erfordernisses zuzüglicher Elektroden vielfach unerwünscht.
Es ist auch möglich, die Divergenz mittels eines ge- iiiig;end starken, homogenen, zum Bündel par allelen Magnetfeldes zu kompensieren; es ist jedoch vielfach schwierig, ein genügend starkes Feld über den ganzen Querschnitt und die ganze Länge des Bündels zu er zeugen, besonders in den Fällen, in denen es wegen des Baues der betreffenden Vorrich tung nicht möglich ist, die Quelle des Magnet feldes, z. B. eine Spule oder einen Dauer magneten, in unmittelbarer Nähe des Bündels anzuordnen. Die Erfindung bezweckt, das Divergieren des Bündels in einfacher Weise zu kom pensieren.
Gemäss der Erfindung wird dieser Zweck dadurch erreicht, dass das Bündel der Reihe nach wenigstens zwei durch einen Spalt ge trennte Elektroden passiert, zwischen denen beim Betrieb eine Hochfrequenzwechselspan- nung auftritt, und dass Mittel vorgesehen sind, welche zur Erzeugung einer magneti schen Elektronenlinse in dem erwähnten Spalt dienen.
Beispielsweise Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes sind in der beilie genden Zeichnung dargestellt und in bezug darauf näher erläutert.
Fig. 1 dient zur Erläuterung des Ent- stehens einer Divergenz infolge elektrischer Felder.
Fib. 2 und 3 erläutern die Wirkungsweise der Elektronenlinse nveier Ausführungsbei spiele der Erfindung.
Fi--. 4 bis 8 dienen zur Erläuterung der -#Virkunbsweise von Ausführungsbeispielen erfindungsgemässer Einrichtungen.
Fib. 9 bis 12 zeigen einige Ausführungs- beispiele von Einrichtungen nach der Erfin dung im Axialschnitt.
An Hand der Fi--. 1 wird die Wirkungs- weise elektrischer, mit der Zeit wechselnder Felder erläutert, durch die das Divergieren der Elektronen herbeigeführt wird. In Fi--. 1 sind im Axialschnitt zwei hohle Elektroden 10 und 11 dargestellt, die durch einen Spalt getrennt sind und von einem durch Pfeile 14 und 15 angedeuteten Elektronenbündel durch laufen werden. Zwischen den Elektroden 10 und 11 liebt ein Potentialunterschied, so dass die Elektrode 11 z. B. ein höher positives Po tential aufweist als die Elektrode 10.
Die Kraftlinien des auftretenden elektrischen Feldes sind durch gestrichelte Linien 12 an gedeutet, während die ausgezogenen Linien 13 Aquipotentiallinien andeuten. Die Pfeile in den Linien 12 deuten die Richtung der auf die Elektronen ausgeübten Kraft an.
Elch tronen, welche die durch die Pfeile 14 an gedeutete Bewegungsrichtung aufweisen, wer den beim Durchlaufen des Spaltes beschleu- nielt; ausserdem erfährt ein Elektron während des Durchlaufens der linken Hälfte des Spal tes den Einfluss der radialen Komponente des Feldes, die nach der 1litte hin gerichtet ist, d. h. das Bündel wird konzentriert. In der rechten Hälfte des Spaltes ist die radiale Komponente nach aussen berichtet und be wirkt eine Divergenz des Bündels.
Bei gleich bleibendem Felde ist die Gesamtwirkung der beiden Hälften eine Konzentrierung des Bün del, weil die im Spalt beschleunigten Elek tronen die divergierende zweite Hälfte des Feldes schneller durchlaufen als die konver gierende erste Hälfte und somit der Wirkung der divergierenden Hälfte während l@ürzerer Zeit unterworfen sind, als derjenigen der kon vergierenden Hälfte.
Wenn das Feld nicht bleichbleibend ist und sich während der Laufzeit eines Elek- trons im Spalt bedeutend ändert, kann, ob gleich das Elektron in der divergierenden iechten Hälfte des Feldes kürzer verbleibt, am Ende dennoeh Divergenz auftreten, weil das Elektron in der divergierenden Hälfte infolge des inzwischen zugenommenen Feldes einer grösseren Kraft unterworfen wird, als dies in der linken Hälfte der Fall gewesen ist;. Anderseits wird, wenn das Feld während der Laufzeit abnimmt, die Gesamtwirkung eine stärkere Konvergenz sein als bei einem unveränderlichen Felde.
Wenn die Elektronen durch das Feld ver zögert werden, d. 1i. wenn das Potential der Elektrode; 10 höher ist als das der Elektrode 1l., wird im statischen Fall ein Elektron in der jetzt Divergenz herbeiführenden linken Hälfte des Feldes \nährend kürzerer Zeit ver bleiben, als in der konvergierenden rech ten Hälfte, so class die Gesamtwirkung wiederum eine Konvergenz ist. Nimmt die Stärke des Feldes zu, so wird eine noch stärkere Konvergenz auftreten. Nimmt jedoch das Feld ab, so kann Divergenz eintreten.
Erfindungsgemäss wird das Divergieren des Elektronenbündels dadurch verhütet, dass an der Stelle, wo die divergierenden Felder auftreten, d. h. im Spalt zwischen den Elek troden 10 und 11, eine Elektronenlinse, z. B. eine ma--netische Linse, angebracht wird.
Der Grundgedanke eines Ausführun-sbei- spiels einer Einrichtung nach der Erfindung ist in Fi--. ? erläutert. In dieser Figur sind die beiden Elektroden 10 und 11 der Fig. 1 und zwei unmittelbar um diese Elektroden herum angebrachte röhrenförmige Teile 16 bezw. 17 aus ferromagnetischem Stoff im Axialschnitt dargestellt.
Die beiden Teile 16 und 17 sind durch einen Spalt getrennt, der annähernd finit demjenigen zwischen den Elektroden 10 und 11 zusammenfällt und bilden einen Teil eines nicht dargestellten magnetischen Kreises, so dass im Spalt zwi schen den zuletzt erwähnten Elektroden ein Magnetfeld erzeugt wird, dessen Kraftlinien in Fig. 2 ausgezogen dargestellt ,sind und nahezu mit den gestrichelt angedeuteten elektrischen Kraftlinien zusammenfallen. Das Magnetfeld im Spalt bildet eine magnetische Elektronenlinse, so dass das durch die Pfeile 14 und 15 angedeutete Elektronenbündel in an sich bekannter Weise konzentriert wird.
Die Intensität des Magnetfeldes wird zweck mässig derart gewählt, dass die grösste vom wechselnden elektrischen Felde herbeigeführte Divergenz noch gerade kompensiert wird.
Bei einer solchen Linse ist die die Kon vergenz herbeiführende, auf die Elektronen wirkende Kraft proportional dem Quadrat der magnetischen Feldstärke. Ferner nimmt die magnetische Feldstärke mit kleiner wer dendem Abstand von den Wänden der Elek troden 10 und 11 zu. Die äussersten Elek tronen werden somit am stärksten beeinflusst, so dass das ganze Bündel konzentriert wird, was einen bedeutenden Vorteil gegenüber einem homogenen magnetischen Konzentrier- feld bedingt.
Ein zweiter Vorteil gegenüber einem homogenen Felde ist der, dass die ma gnetische Linse an der Stelle angebracht wer den kann, wo die Konzentration benötigt wird, so dass die gegebenenfalls erforderliche Erregerenergie wesentlich kleiner als bei einem homogenen Felde sein kann.
Zur Kompensierung der durch die gegen seitige Abstossung der Elektronen und durch elektrostatische Felder herbeigeführten Di vergenz können gleichfalls magnetische Lin sen verwendet werden.
Die wichtigste Anwendung der Erfindung bezieht sich auf Vorrichtungen zum Erzeugen oder Verstärken elektrischer Iloehfrequenz- schwingungen. Um zu vermeiden, dass durch die dabei auftretenden magnetischen Hoch frequenzfelder im magnetischen Stoff der Teile 16 und 17 grosse Eisenverluste herbei geführt werden, werden diese Teile zweck mässig mit einer dünnen Schicht aus elek trisch gut leitendem, nichtmagnetischem Stoff überzogen, wie dies in Fig. 3 dargestellt ist, wobei die Elektroden 10 und 11 einen Teil des Überzuges bilden können. Wegen der Skinwirkung braucht die Stärke des Über zuges nur sehr gering zu sein, z.
B. bei einer Frequenz von 500 MHz von der Grössenord nung von 0,002 mm.
Besonders vorteilhafte Ausführunsformen von Vorrichtungen zum Erzeugen oder Ver stärken von Hochfrequenzschwingungen er geben sich, wenn sie auf dem Grundgedan ken, der an Hand der Fig. 4 bis 8 kurz er läutert wird, aufgebaut sind.
Fig. 4 zeigt einen Agialschnitt durch einen Schwingungskreis, der von einer einer seits kurzgeschlossenen, gleichachsigen Über tragungsleitung gebildet wird, die aus zwei hohlen gleichachsigen Leitern 20 und 21 be steht, die an einem Ende durch eine leitende Scheibe 22 miteinander verbunden sind. Ein Verlängerungsstück 24 des Leiters 20, das durch einen Spalt 25 von ihm getrennt ist, ist durch eine Scheibe 23 mit dem andern Ende des Leiters 21 verbunden. In den Fig.4, 5 und 6 ist die Verteilung der La dung über die Leiter 20 und 24 dargestellt, falls eine negative Ladung 26 diese Leiter von links nach rechts durchläuft.
Wie aus den Figuren ersichtlich, wird unmittelbar an der Stelle, wo sich die Ladung 26 befindet, eine positive Ladung gleich der Ladung 26 an der Innenseite der Leiter 20 und 24 indu ziert. Während des Durchlaufens des :Spaltes 25 seitens der Ladung 26 wird die induzierte Ladung von der Elektrode 20 nach der Elek trode 24 übertragen, so dass in dieser Zwi schenzeit ein Strom von der Elektrode 20 nach der Elektrode 24 über die Leitung 21 fliessen muss. Es tritt daher im Schwingungs kreis 20, 21 ein Stromstoss auf.
Wenn periodisch Ladungen die Elektroden 20 und 24 mit einer Frequenz durchlaufen, die gleich der Eigenfrequenz des Schwingungskreises 20, 21 ist oder in harmonischer Beziehung zu ihr steht, werden in diesem Kreis fortdauernd Schwingungen erzeugt.
In Fig. 7 ist der Verlauf der im Schwin gungskreis 20, 21 auftretenden Felder dar gestellt, wobei die ausgezogenen Linien die elektrischen und die Kreise 28 die magneti schen Kraftlinien (im Schnitt) andeuten; die gestrichelten Linien 29 sind Xquipotential- linien. Wie aus der Figur ersichtlich, be findet sich das elektrische Feld hauptsächlich in der Nähe des Spaltes zwischen den Leitun gen 20, 24. Durchläuft ein Elektronenbündel die Leitungen 20 und 24, so werden eine Anzahl Elektronen den Spalt während der Halbperiode des Wechselfeldes durchlaufen, in der die Kraft auf die Elektronen ver zögernd wirkt; dabei werden die Elektro nen Energie an das Feld abheben.
Die Elek tronen, die während der andern Halbperiode den Spalt durchlaufen, werden beschleunigt und nehmen somit Energie aus dem Felde auf. Wird nun dafür Sorge betragen, dass die Zahl der Elektronen, die verzögert werden, grösser ist als die Zahl der Elektronen, die beschleunigt werden, so wird insgesamt Energie an das Feld abgegeben, die in Form von Schwingungsenergie dem Schwingungs kreis 20, 21 entnommen werden kann.
Fig. 8 zeiht eine zu diesem Zweck geeignete Vor richtung, bei der die Intensität des von einer Kathode 30 erzeugten Elektronenstroms mit tels eines Steuergitters 31, dem eine Steuer- s 'hwingun-- zugeführt wird, im Rhythmus dieser Schwingung geändert wird, und die Elektronen nach Durchlaufen der Elektroden 20 und 24 von einer Anode 32 aufgefangen werden.
Bei richtiger Abstimmung des Krei ses 20, 21 ist die Phase des MTeehselfeldes ini Spalt 25 derart, dass die Elel#.tronen-;rupperi, aus denen das in seiner Intensität geänderte Bündel besteht, beim Durchlaufen des Spal tes verzögert werden. Die dabei an den Kreis 20, 21 abgegebene Energie kann dem Kreis mittels einer Koppelschleife 33 entnommen werden.
Um. schädliche Wirkungen, die infolge der endlichen Laufzeit der Elektronen im Spalt 25 auftreten, möglichst zu beschränken, werden die Leitungen 20 und 24 auf ein sehr hohes positives Potential gebracht, um den Elektronenstrom möglichst zu beschleunigen.
Zwecks Erzielung eines tuten @@'irlzungs- grades empfängt die Auffangelektrode 32 eine erheblich niedrigere positive Span nung, und zwar ,eine Spannung, die noch gerade geniigerid hoch ist, um alle ver zögerten Elektronen anzuziehen und auf- zufan.;en. Mit @üchsicht darauf sind Vor- kehrunben zu treffen, um zu vermeiden, dass ein Teil der Elektronen auf die Leitungen -?.0 und 24 belangt.
Zu diesem Zweck wird im Spalt eine magnetische Linse, gegebenenfalls in Vereinigung mit üblichen magnetischen und elektrischen Konzentriermitteln, an gewendet.
Ein Ausführungsbeispiel einer Vorrich- tun g der eben beschriebenen Art ist in Fig. 9 dargestellt. Eine luftleere Hülle 40 enthält eine Kathode 41, ein Steuergitter 42 und zwei Elektroden 44 und 45 zwecks Beschleu nigung und Fokussierung eines Elektronen bündels. Der von der Kathode 41 erzeugte Elektronenstrom wird von den Elektroden 42 und 44 in bekannter Weise gebündelt, durch läuft die Röhre 40 und wird von einer Anode 43 aufgefangen.
Ein Schwingungskreis von der in den Fig. 4 bis 8 dargestellten Art ist, die Röhre 40 umgebend, angebra.clit und be steht aus zwei Innenleitern 46 und 47 mit zwischenliegendem Spalt 55, einem Aussen leiter 48 und zwei Endplatten 49 und 50.
Die Leitur 46 und 47 umgeben unmittelbar röhrenförmige Teile 51, 52 und 53 aus ferro- magnetische m Stoff, die durch Spalte 54 und 55 getrennt sind, wobei die Leiter 46 und 47 einen Aussenüberzug aus gut leitendem, nichtmagnetisehern Stoff und die Elektroden 46' und 47' einen Innenüberzug für die Teile 51 bis 53 bilden. Der ina.bnetisehe Kreis der Teile 51 bis 53 ist über zwei Joche 57 und 57' und einen Kern 58 geschlossen, um den herum eitle Erregerspule 59 angebracht ist.
Auf diese Weise werden zwei magnetische Linsen gebildet, eine im Spalt 55 und eine unmittelbar an der Beschleunigungselektrode 44. Die zuletzt erwähnte Linse kompensiert die vom Feld der Beschleunigungselektrode 44 herbeigeführte Divergenz, während die vom Feld zwischen den Teilen 52 und 53 ge bildete Linse die vom elektrischen Feld im Spalt 55 herbeigeführte Divergenz behebt. Durch entsprechende Einstellung der Spalte zwischen den Teilen 51, 52 und 53 können die Elektronen daran gehindert- werden, auf die Elektroden 44 und 45 und auf die Wände der Hülle 40 aufzutreffen.
Die zu diesem Zweck erforderliche Erregerenergie ist nur ein kleiner Teil der Energie, die im Falle der Anwendung eines homogenen Magnetfeldes erforderlich wäre.
Die Zuführung einer Steuerschwingung zu dem Steuergitter 42 bezw. die Entnahme der im Kreis 46, 48 erzeugten Schwingung erfolgt mittels Koppelschleifen 65 bezw. 69. Die Schleife 65 ist induktiv mit einer Lecher- leitung gekoppelt, die aus Leitern 62 und 63 besteht, die einerseits von einem Kondensa tor 64 für Hochfrequenzströme überbrückt sind und anderseits mit der Kathode 41 bezw. dem Steuergitter 42 verbunden sind. Leitun gen 61 und 62 dienen zum Zuführen des Heizstromes zu der Kathode 41 aus einer Batterie 60.
In Fig. 10 ist eine andere Ausführungs form einer Einrichtung nach der Erfindung dargestellt, die eine Entladungsröhre und einen Resonator von der in Fig. 9 dargestell ten Gattung enthält. Der Unterschied gegen über der Einrichtung nach Fig. 9 besteht darin, dass das Magnetfeld in jedem der bei den Spalte zwischen den Teilen 51, 52 und 53 von einem besonderen magnetischen Kreis erzeugt wird. Für den Spalt zwischen den Teilen 52 und 53 besteht dieser Kreis aus einer Spule 59 mit Joch 72, während der magnetische Kreis für den Spalt zwischen den Teilen 51 und 52 aus einer Spule 76 mit Joch 75 und einem Teil des Joches 72 be steht.
Bei dieser Einrichtung können die bei den magnetischen Linsen durch Regelung des die Spulen 59 und 76 durchfliessenden Stro mes für sich geregelt werden.
Anstatt der Spulen 59 und 76 können auch Dauermagnete vorgesehen sein. Ein weiterer Unterschied gegenüber der Einrich tung nach Fig. 9 besteht darin, dass die Wan dung des den Spalt zwischen den Elektroden 46 und 47 überbrückenden Resonators zu sammen mit diesen Elektroden einen Teil der Röhrenwandung bildet.
Ein für die Erfindung nicht wesentlicher Unterschied zwischen den Einrichtungen nach Fig. 10 und 9 ist der, dass in Fig. 10 im Innern der Anode 43 eine stabförmige Elektrode 70 angebracht ist, die Kathoden potential aufweist und dazu dient, die in die Anode 43 eintretenden Elektronen derart ab zustossen, dass sie sich-nach den Wänden der Anode bewegen, womit vermieden wird, dass die Elektronen in der Anode 43 ihre Rich tung umkehren und die Anode wieder ver- las-sen. Unmittelbar hinter der Öffnung in der Anode 43, durch welche der Stab 70 in die Anode eingeführt wird,
ist auf dem Stab 70 ein Kragen 71 angebracht, um zu vermei den, dass durch diese Öffnung hindurch Elek tronen aus der Anode 43 entweichen.
In Fig. 11 ist eine weitere Ausführungs form einer Einrichtung nach der Erfindung mit einer Entladungsröhre mit Schwingungs kreis von der in den F'ig. 9 und 10 dargestell ten Art veranschaulicht, bei welcher der Schwingungskreis und die magnetische Elek tronenlinse ganz im Innern der luftleeren Hülle 40 angeordnet sind.
Ein Teil des magnetischen Kreises zum Erregen der vom magnetischen Feld zwischen den Teilen 51 und 53 gebildeten Elektronenlinse ist dabei im Innern der luftleeren Hülle 40 angeord net, während der übrige Teil, im dargestellten Fall ein ringförmiger Dauermagnet 59, ausserhalb der Hülle 40 angeordnet ist. Der im Innern der Hülle 40 angeordnete Teil des magnetischen Kreises enthält die röhren förmigen Teile 51 und 53 und ein Joch, das aus zwei Scheiben 72 besteht, die am Aussen rande mit zylindrischen Teilen 77 versehen sind, die parallel zu den Enden des Magneten ; 59 verlaufen.
Der magnetische Kraftfluss geht zwischen den parallelen Teilen durch die Wandung der Hülle 40 hindurch, womit ein Weg geringen magnetischen Widerstandes er zielt wird.
Schliesslich ist in Fig. 12 eine Ausfüh rungsform einer Einrichtung nach der Erfin dung mit einer Entladungsröhre mit Schwin gungskreis zum Erzeugen von Schwingun gen dargestellt, die gemäss dem gleichen Grundgedanken, wie die in den vorherigen Figuren dargestellten Einrichtungen wirkt, bei der aber drei gesonderte Elektronenbündel mit rechtwinkligem Querschnitt von drei rechtwinkligen Kathoden 80 erzeugt und von drei Steuergittern 81 gesteuert werden. Jedes Bündel durchläuft der Reihe naeli eine der drei Öffnungen<B>85'</B> bezw. 86' zweier gitter förmiger Elektroden 85 bezw. 86,
die durch einen Spalt getrennt sind und aus ferro- magnet.isehem Stoff mit einer Kupferverklei- dung bestehen. Jedes Bündel durchläuft dar auf eine der drei Öffnungen einer Konzen- trierelektrode 84, worauf die drei Bündel von einer Anode 8? aufgefangen werden, die zti diesem Zweck drei gesonderte Hohlräume 83 aufweist.
Im Spalt. zwischen den Elel@trodeii 85 und 86 werden drei gesonderte Elektronen linsen, für jedes Bündel eine, gebildet, die von einem gemeinsamen magnetischen. Kreis erregt werden, der von flanschfiirmigen Jochen 90 und 91 gebildet wird, um die herum ein Kranz von Hufeisenmagneten 9? angebracht ist.
D'e flanschförmigen Joche 90 und 91 sind mit Überzügen 87 bezw. 88 ans elektrisch gut leitendem, nichlmagnetisclieni Stoff versehen und bilden mitsamt den gitter- förmigen Elektroden 85 und 86 und einem nichtmagnetischen Endstüch 89 einen Schwin gungskreis, in dem die Ausganbsschwingiiii- gen auftreten.