DE1004299B

DE1004299B - Electron wave tubes for amplifying very short waves

Info

Publication number: DE1004299B
Application number: DES37234A
Authority: DE
Inventors: Dr Werner Veith
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1954-01-20
Filing date: 1954-01-20
Publication date: 1957-03-14

Description

DEUTSCHESGERMAN

Die Erfindung betrifft eine Elektronenwellenröhre zur Verstärkung sehr kurzer Wellen. Wanderfeldröhren arbeiten entweder als Wellenleiterröhren mit einem als Verzögerungsleitung dienenden Wellenleiter oder als Elektronenwellenröhren, bei denen zwei oder mehr Elektronenströmungen unterschiedlicher Elektronengeschwindigkeit vorhanden sind, so daß auf einen Wellenleiter verzichtet werden kann. Man strebt dabei im allgemeinen große Stromdichten an. Diese können aber im praktischen Betrieb stets nur so groß bemessen werden, daß bei der Phasenfokussierung die nicht in Elektronenstrahlrichtung wirkenden Kräfte an den Verdichtungsstellen immer noch relativ klein bleiben. Das äußert sich bekanntlich in der Verstärkungsformel in einer immer kleiner werdenden Verstärkungszunahme mit wachsender Raumladung. The invention relates to an electron wave tube for amplifying very short waves. Traveling wave tubes work either as waveguide tubes with a waveguide serving as a delay line or as electron wave tubes, in which two or more electron flows of different electron velocities are present, so that a waveguide can be dispensed with. In general, the aim is to achieve high current densities. In practical operation, however, these can only be dimensioned so large that during phase focusing the forces not acting in the electron beam direction still exist at the compression points stay relatively small. As is well known, this is expressed in the reinforcement formula in an increasingly smaller one Gain increase with increasing space charge.

Die bekannten Elektronenwellenröhren der Zweistrahlart vermeiden einen Teil der bei Wellenleiterröhren bei sehr hohen Frequenzen auftretenden Schwierigkeiten, haben aber infolge der unzureichenden Kopplung zwischen den beiden Elektronenstrahlen verschiedener Geschwindigkeit nur einen sehr schlechten Wirkungsgrad, Deshalb besitzt eine bekannt gewordene Elektronenwellenröhre an Stelle von zwei, in bekannter Weise getrennten Elektronenquellen entstammenden Elektronenstrahlen nur einen Elektronenstrahl, und es werden bei ihr die für den Funktionsmechanismus erforderlichen unterschiedlichen Elektronengeschwindigkeiten innerhalb des Elektronen-Strahls dadurch erzielt, daß das Gleichpotential längs des Strahles durch die Raumladung reduziert wird. Die dabei erzielte Geschwindigkeitsverteilung ist dergestalt, daß die Geschwindigkeit der Elektronen vom Rande nach dem Inneren zu stetig abnimmt. Die Einkopplung erfolgt nach Klystronart über einen Hohlraumresonator, der die Elektronenquelle einschließt, und damit zu einem Zeitpunkt, wo der Elektronenstrahl hinsichtlich seiner Geschwindigkeit noch nicht differenziert ist, so daß ein langer Laufraum erforderlich ist. Ein weiterer Nachteil dieser bekannten Röhre besteht darin, daß sie eine stetig geordnete und nicht eine völlig ungeordnete Geschwindigkeitsverteilung entsprechend einem innigen Gemisch von Elektronen verschiedener Geschwindigkeiten besitzt.The known electron wave tubes of the two-beam type avoid part of that of wave guide tubes Difficulties encountered at very high frequencies, but as a result of the inadequate Coupling between the two electron beams of different speeds only a very bad one Efficiency, therefore, has a well-known electron wave tube instead of two, in known way electron beams from separate electron sources only one electron beam, and with it the different electron velocities required for the functional mechanism achieved within the electron beam that the constant potential along of the beam is reduced by the space charge. The speed distribution achieved is such that that the speed of the electrons decreases too steadily from the edge to the inside. the Coupling takes place according to the klystron type via a cavity resonator that encloses the electron source, and thus at a point in time when the electron beam is still in terms of its speed is not differentiated, so that a long running space is required. Another disadvantage of this known Tube consists in the fact that it has a steadily ordered and not a completely disordered velocity distribution corresponding to an intimate mixture of electrons of different speeds.

Diese genannten Nachteile zu beseitigen, indem zur wesentlichen Erhöhung des Wirkungsgrades solcher Elektronenwellenröhren im Elektronenstrahl eine innige, völlig ungeordnete Mischung von Elektronen verschiedener Geschwindigkeiten erzeugt wird, ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung.Eliminate these disadvantages mentioned by significantly increasing the efficiency of such Electron wave tubes in the electron beam an intimate, completely disordered mixture of electrons different speeds is generated, is the object of the present invention.

Demzufolge wird bei einer Elektronenwellenröhre zur Verstärkung sehr kurzer Wellen, die nur eine aus einer Glühkathode stammende Elektronenströmung Elektronenwellenröhre zur Verstärkung sehr kurzer WellenAs a result, in an electron wave tube for amplifying very short waves, only one of them is made Electron flow coming from a hot cathode Electron wave tube for amplification very short waves

Anmelder: Siemens & Halske Aktiengesellschaft,Applicant: Siemens & Halske Aktiengesellschaft,

Berlin und München, München 2, Witteisbacherplatz 4Berlin and Munich, Munich 2, Witteisbacherplatz 4

Dr. Werner Veith, München, ist als Erfinder genannt wordenDr. Werner Veith, Munich, has been named as the inventor

verwendet, und bei der zur Erzielung der unterschiedlichen Elektronen-Gleichgeschwindigkeiten von elektrostatischen Mitteln derart Gebrauch gemacht wird, daß die Zahl der Elektronen mit größeren Gleichgeschwindigkeiten größer ist als die Zahl der Elektronen mit kleineren Gleichgeschwindigkeiten, nach der Erfindung die aus der Glühkathode austretende Elektronenströmung zunächst zumindest in geringem Maße konvergierend gebündelt, und es gelangen dann vor dem Durchlaufen des Hochfrequenz-, einkoppelraumes elektrostatische Mittel zur Anwendung, die zur Erzielung von in einem breiten Bereich unterschiedlichen Elektronen-Gleichgeschwindigkeiten dienen.used, and in order to achieve the different electron uniform speeds of electrostatic means is made use of in such a way that the number of electrons with greater Constant velocities is greater than the number of electrons with smaller constant velocities, According to the invention, the electron flow emerging from the hot cathode initially at least in bundled converging to a small extent, and it then arrive before passing through the high-frequency, Einkoppelraumes electrostatic means used to achieve in a wide range different electron velocities are used.

Die Röhre nach der Erfindung ermöglicht weit höhere Stromdichten und niedrigere Betriebsspannungen, als es bisher möglich war. Das Zustandekommen der Verstärkung ist nicht ohne weiteres aus der bekannten Theorie der Elektronenwellenröhre ableitbar, vielmehr bringt die große Stromdichte eine dort nicht berücksichtigte starke Wechselwirkung benachbarter Elektronen verschiedener Geschwindigkeiten mit sich.The tube according to the invention enables far higher current densities and lower operating voltages than was previously possible. The coming about the amplification cannot be readily derived from the well-known theory of the electron wave tube, rather, the high current density brings about a strong interaction between neighboring ones, which is not taken into account there Electrons of different speeds with them.

An Hand der Zeichnung soll die Erfindung näher erläutert werden.The invention is to be explained in more detail with reference to the drawing.

Während in Fig. 1 die Erfindung an Hand einer graphischen Darstellung näher in ihrem Wesen erläutert ist, zeigen die Fig. 2, 3 und 4 Ausführungsbeispiele in ihren für die Erfindung wesentlichen Teilen in vereinfachter, stark schematischer Darstellung.While in Fig. 1 the invention on the basis of a graphical representation explains in more detail in its essence 2, 3 and 4 show exemplary embodiments in their essential parts for the invention in a simplified, highly schematic representation.

In Fig. 1 ist links die durch die Erfindung erstrebte und für deren Wirkungsweise wesentliche Geschwindigkeitsverteilung der Elektronen der Elektronenströmung veranschaulicht, indem die Anzahl N der Elektronen in Abhängigkeit von der Elektronengeschwindigkeit ν graphisch dargestellt ist. Es kommt dabei darauf an, daß ein breites GeschwindigkeitsbandOn the left of FIG. 1, the speed distribution of the electrons of the electron flow aimed at by the invention and which is essential for its mode of operation is illustrated, in that the number N of electrons is shown graphically as a function of the electron speed ν. It is important that a broad speed band

609 839/325609 839/325

Frequenzbandes zur Folge, ähnlich wie dies bei Klystronröhren der Fall ist. Durch Wahl eines verhältnismäßig geringen Gütewertes für die Hohlräume läßt sich immerhin eine Verbreiterung des Frequenz-5 bandes ermöglichen, in manchen Fällen kann diese aber noch zu gering sein.Frequency band result, similar to what is the case with klystron tubes. By choosing a proportionate With a low quality value for the cavities, a broadening of the frequency-5 band, but in some cases this may still be too low.

Aus diesem Grunde kann die Einkopplung auch auf andere Weise erfolgen, so z. B. nach Art der in den Fig. 3 und 4 veranschaulichten Ausführungsbeispiele,For this reason, the coupling can also be done in other ways, such. B. on the type of in the FIGS. 3 and 4 illustrated embodiments,

Die Geschwindigkeiten der in dieser Weise beschleunigten Elektronen sind in Fig. 1 durch die Kurve B versinnbildlicht.The speeds of the electrons accelerated in this way are symbolized by curve B in FIG.

Zwischen der Beschleunigungselektrode 3 und demBetween the acceleration electrode 3 and the

vorhanden ist, welches das Auftreten einer hohen Verstärkung dadurch ermöglicht, daß die Anzahl der Elektronen mit größeren Geschwindigkeiten größer ist als die mit kleineren Geschwindigkeiten. Dieser Bereich ist in Fig. 1 mit A bezeichnet.which enables high amplification to occur in that the number of electrons at higher speeds is greater than that at lower speeds. This area is designated by A in FIG. 1.

In Fig. 2 ist der schematische Aufbau einer Röhre
nach der Erfindung veranschaulicht. Die Elektronenströmung wird aus einer Kathode 1 hoher Elektronenergiebigkeit entnommen, wobei mit Hilfe von Elektroden 2 und 3 die Elektronen zu einem engen Bündel io die einen andersartigen Einkopplungsraum zeigen, verdichtet werden. Dabei ist es zweckmäßig, die Hierbei wird im Einkoppelraum eine Anzahl von Ver-Spannung an der Beschleunigungselektrode3 gegen- zögerungsleitungen, die z.B. einzelne Wendelstücke über der Kathode besonders hoch zu wählen, um einen sind, verwendet. Die Länge der einzelnen Wendelmöglichst großen Strom aus der Kathode zu ziehen. stücke wird zweckmäßig so- bemessen, daß nur einige Die Spannung kann etwa 1000 bis 2000 Volt betragen. 15 wenige Wellenlängen der zu verstärkenden Welle aufIn Fig. 2 is the schematic structure of a tube
illustrated according to the invention. The electron flow is taken from a cathode 1 with a high electron yield, the electrons being compressed into a narrow bundle with the aid of electrodes 2 and 3, which show a different type of coupling space. In this case, it is expedient to use a number of Ver-voltage at the acceleration electrode3 counter-delay lines in the coupling space, which, for example, are to be selected to be particularly high, for example, individual pieces of helix above the cathode. The length of the individual filament draws the largest possible current from the cathode. The voltage can be around 1000 to 2000 volts. 15 a few wavelengths of the wave to be amplified

"" ihrer Länge untergebracht werden können. Um bei"" their length can be accommodated. To at

der niedrigen Elektronengeschwindigkeit von 50 bis 200 Volt durch das bei üblichen Wendeldurchmessern nur wenig in das Innere der Wendel hineinragendethe low electron speed of 50 to 200 volts due to the usual helix diameters protruding only a little into the interior of the helix

Gitter 4, welches im Falle ^des dargestellten Ausfüh- 20 Feld der Hochfrequenzwelle entsprechender Phasenrungsbeispiels ein Gitter eines Klystronhohlraumes 7 geschwindigkeit noch eine hinreichende Kopplung zu ist, wird die Elektronenströmung stark abgebremst, erhalten, muß die Wendel einen verhältnismäßig klei- und zwar so stark, daß etwa gerade noch der volle nen Durchmesser besitzen, z. B. 1 mm Durchmesser Elektronenstrom in den Hohlraum eintritt. Dabei bei 200 Volt und Frequenzen von 4000bis 10 000 MHz wird die Spannung an dem Gitter 4 und dem den an- 25 (es kann aber auch die Elektronengeschwindigkeit an schließenden Laufraum bildenden Rohr 9 gering be- dieser Stelle unabhängig vom Laufraum erhöht wermessen und kann beispielsweise 50 bis 200 Volt be- den). Die Hochfrequenzfeldstärke im Inneren der tragen. Durch diese Maßnahme wird die Elektronen- Wendel ist dann sehr groß, sie klingt aber im Außenströmung nicht nur weiter verdichtet, sondern infolge raum sehr schnell ab. Durch das Heranbringen von der Abbremsung auf der Strecke zwischen der Be- 30 weiteren Wendeln gleicher geometrischer Abmessunschleunigungselektrode 3 und dem Gitter 4, die zu gen und gleichen Wicklungssinns wird aber auch dieses diesem Zweck eine bestimmte Länge haben muß, tritt Außenfeld durch die Feldüberlagerung sehr verauch die gewünschte Geschwindigkeitsverteilung der größert, so daß man auf diese Art ein beliebig ausElektronen auf. Die Elektronenströmung 5 kann in gedehntes Gitter für die Hochfrequenzeinkopplung eritblicher Weise durch ein longitudinales Magnetfeld 35 halten kann. Der unmittelbar auf die Wendeln aufzusammengehalten werden, wobei z. B. geeignete treffende Elektronenstromanteil geht zwar verloren, Spulen 6 vorgesehen sein können. Da keine Verzöge- ist aber entsprechend dem Anteil der Wendeldrahtrungsleitung vorhanden ist, braucht die Bündelung flächen am Strahlquerschnitt nur gering, so daß die nicht derart gut zu sein, wie dies z. B. der Fall ist, damit verbundene Aufheizung der Wendeln infolge wenn die Elektronenströmung durch das Innere einer ₄₀ der außerdem geringen Betriebsspannung in erträg-Drahtwendel geführt wird. Die Justierung der Röhre liehen Grenzen gehalten werden kann. Für den Strom-Lattice 4, which in the case of the illustrated embodiment, a lattice of a klystron cavity 7 is a lattice of a klystron cavity 7 speed still has a sufficient coupling, if the electron flow is greatly slowed down, the filament must be relatively small and so strong, that about just have the full NEN diameter, z. B. 1 mm diameter electron stream enters the cavity. At 200 volts and frequencies of 4000 to 10,000 MHz, the voltage at the grid 4 and the tube 9 which forms the electron speed at this point can be increased slightly regardless of the running space and can, for example Load 50 to 200 volts). The high frequency field strength inside the wear. As a result of this measure, the electron filament is then very large, but it not only sounds more compressed in the external flow, but also very quickly as a result of space. By bringing the deceleration closer to the distance between the loading 30 further coils of the same geometric dimension inacceleration electrode 3 and the grid 4, which must have a certain length for this purpose, but also this must have a certain length for this purpose the desired velocity distribution is greater, so that in this way one arbitrarily consists of electrons. The electron flow 5 can be maintained in a stretched lattice for the high-frequency coupling in a conventional manner by means of a longitudinal magnetic field 35. Which are held together directly on the coils, with z. B. suitable accurate electron current component is lost, coils 6 can be provided. Since there is no delay but according to the proportion of the helical wire line, the bundling needs only a small area on the beam cross-section, so that the not to be as good as z. B. is the case, associated heating of the coils as a result of when the electron _{flow is passed through the interior of a 40 of} the also low operating voltage in endurable wire coil. The adjustment of the tube borrowed limits can be kept. For the electricity

im Magnetfeld ist ebenfalls nicht kritisch.in the magnetic field is also not critical.

Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel wird in den Klystronhohlraum 7 die zu verstärkende Hochfrequenzwelle eingekoppelt, die in be- 45 kannter Weise über die Gitter 4 und 8 auf die Elektronen einwirkt. Im Laufraum 9 wird der Strahl sich selbst überlassen. Dort findet durch die gegenseitige Wechselwirkung der Elektronen die Verstärkung statt,In the embodiment shown in Fig. 2 is in the klystron cavity 7 to be reinforced High-frequency wave is coupled in, which in a known manner via the grids 4 and 8 to the electrons acts. In the running space 9, the jet is left to its own devices. There takes place through mutual Interaction of the electrons the amplification takes place,

anteil, der die Wendeldrähte gerade nicht mehr trifft, ist die Kopplung besonders hoch, höher als bei den üblichen Wendelröhren.proportion that no longer hits the helical wires, the coupling is particularly high, higher than with the usual helical tubes.

Das Hochfrequenzeinkopplungsglied sei an Hand der Fig. 3 und 4 noch näher erläutert. Bei den dargestellten Ausführungsbeispielen verwendet man eine beliebige Anzahl gleicher Wendeletärke 11, die z. B. zur Montage gleichsinnig auf eine. HilfsvorrichtungThe high-frequency coupling element will be explained in more detail with reference to FIGS. 3 and 4. In the illustrated Embodiments are used any number of the same Wendeletärke 11, the z. B. for assembly in the same direction on a. Auxiliary device

so daß die verstärkte Welle durch geeignete, an sich 50 in Form einer Bürste od. dgl. mit parallelen, entbekannte Mittel, beispielsweise mittels eines Hohl- sprechend dem Innendurchmesser der Wendeln dimenraumresonators 10, ausgekoppelt werden kann. sionierten Stiften aufgesteckt werden, wobei die Stifteso that the reinforced shaft by suitable, per se 50 in the form of a brush or the like. With parallel, unfamiliar Means, for example by means of a hollow speaking the inner diameter of the helix dimension space resonator 10, can be decoupled. Sioned pins are attached, with the pins

Die Röhre nach der Erfindung hat unter anderem f öl- derart regelmäßig angeordnet sind, daß sie sich bzw. gende Vorteile; Der bei ihr angewendete Abbremsvor- die einzelnen Wendeln auf den Ecken eines regelgang schafft ein geeignetes Geschwindigkeitsband, je- 55 mäßigen Sechsecks, dessen Mitte auch mit einer Wendoch abweichend von dem bisher bekannten, mit innig- del besetzt ist, befinden. Die oberen, in gleicher Richster örtlicher Mischung der verschiedenen Geschwindig- tung verlaufenden Wendelenden 12 werden mit zukeitskomponenten, wobei außerordentlich geringe Be- einander parallelen Bändern 13 in Verbindung getriebsspannungen und höchstmögliche Stromstärken bracht, die unteren Wendelenden 14 mit entsprechenauftreten. Der Wegfall eines Wellenleiters und die 60 den Bändern 15, deren Richtung um 60 Grad gegen innige Mischung von Elektronen unterschiedlicher die Bänder 13 versetzt ist. Dadurch entsteht auch bei Geschwindigkeiten erlauben eine Verbreiterung der Verwendung von sehr dünnen Drähten ein festes Ge-Elektronenströmung in radialer Richtung und damit bilde, was als solches in die Röhre eingebaut werden eine Erhöhung des Stromes der Elektronenströmung, kann und bei dem entsprechende Wendelwindungen so z. B. Stromdichten in der Größenordnung bis zu 65 der einzelnen Wendeln eine gleiche Phasenlage der 30 A/cm². Hochfrequenzwelle gewährleisten. Die Bänder 13The tube according to the invention has, inter alia, so regularly arranged that they are or lowing advantages; The braking in front of the individual spirals on the corners of a control gear creates a suitable speed band, each hexagon, the center of which is also occupied by a turning hole that differs from the previously known, intimate one. The upper spiral ends 12, which run in the same direction of the local mixture of the different speeds, are associated with component parts, with extraordinarily low parallel strips 13 connecting transmission voltages and the highest possible current strengths, the lower spiral ends 14 also appearing. The elimination of a waveguide and the 60 bands 15, the direction of which is offset by 60 degrees against intimate mixing of electrons, the bands 13 different. This results in a widening of the use of very thin wires, even at speeds, a solid Ge-electron flow in the radial direction and thus what can be built into the tube as such an increase in the flow of electrons, and with the corresponding helical windings so z. B. current densities in the order of magnitude of up to 65 of the individual filaments have the same phase position of 30 A / cm ² . Ensure high frequency wave. The bands 13

Die Verwendung von Hohlräumen zur Ein- und dienen dann als Hochfrequenzzuleitung, während die Auskopplung besitzt zwar den Vorteil, Resonanzüber- Bänder 15 offen bleiben können, oder ihre Enden 16 höhungen der Höchstfrequenzspannungen zu bewir- werden in bekannter Weise durch eine in ihre Nähe ken, hat natürlich aber auch eine Begrenzung des 7° gebrachte Dämpfungsschicht so stetig gedämpft, daßThe use of cavities for input and then serve as a high-frequency feed line, while the Coupling out has the advantage that resonance over bands 15 or their ends 16 can remain open to cause increases in the high-frequency voltages in a known manner by a nearby ken, but of course also has a limitation of the 7 ° brought damping layer so steadily attenuated that

keine störenden Reflexionen auftreten können. Sinngemäß verfährt man umgekehrt an der Auskoppelstelle. no annoying reflections can occur. The reverse is analogous to the decoupling point.

Bei den in den Fig. 3 und 4 dargestellten Ausführungsbeispielen kann unabhängig von der Elektronengeschwindigkeit im Laufraum für die Ein- und Auskopplung ein, wenn auch begrenzter Geschwindigkeitsbereich der Elektronen frei gewählt werden, indem die Betriebsspannungen der Wendeln unabhängig von den übrigen Spannungen geeignet bemessen werden.In the embodiments shown in FIGS. 3 and 4, regardless of the electron speed in the running area for coupling and decoupling, albeit limited speed range The electrons can be freely chosen by the operating voltages of the coils independently be dimensioned appropriately for the remaining stresses.

Claims

PATENT CLAIMS:

1. Electron wave tube for amplifying very short waves, with only one from a hot cathode originating electron flow is used and in which to achieve the different Electrons - constant velocities of electrostatic means made use of in this way becomes that the number of electrons with greater uniform velocities is greater than the number of electrons with smaller constant velocities, characterized in that the from the The electron flow emerging from the hot cathode initially converges at least to a small extent is bundled and that then electrostatic before passing through the high-frequency coupling space Means of achieving uniform electron velocities which differ over a wide range come into use.

2. Electron wave tube according to claim 1, characterized in that means for electron acceleration with subsequent strong braking are provided.

3. Electron wave tube according to claim 1 or 2, characterized in that at least the coupling of the high-frequency energy to the electron flow through the high-frequency coupling space limiting parts of a cavity resonant circuit takes place.

4. Electron wave tube according to claim 1 or 2, characterized in that at least the coupling of the high frequency energy to the electron flow through one or more Delay lines, in particular one or more wire coils, takes place.

5. electron wave tube according to claim 4, characterized in that a plurality of Delay lines is provided.

6. Electron wave tube according to claim 4 or 5, characterized in that the delay lines formed by short pieces of pipe.

Considered publications:
Austrian Patent No. 167 398;
British Patent Nos. 697 550, 674 758;
French Patent No. 980,473;
Proceedings of the IRE, 1949, pp. 4ff.

1 sheet of drawings