DE1004682B - Anordnung mit einem wenigstens ein gasgefuelltes Entladungsgefaess einschliessenden Wellenleiter oder Resonator - Google Patents

Description

Die theoretische Begründung für diese Erfindung ist folgende: Wenn z. B. in einem aus positiven und negativen Teilchen bestehenden begrenzten Gasentladungsplasma die Gesamtsumme der Ladungen jedes Vorzeichens gleich ist, werden die negativen Teilchen (die Elektronen) in einer zu den Grenzen des Plasmas senkrechten Richtung verschoben, während die positiven Teilchen (die Ionen) nicht oder in der entgegengesetzten Richtung verschoben werden, so daß Oberflächenladungen entstehen. Diese rufen elektrische Felder hervor, die das Gleichgewicht der geladenen Teilchen wiederherzustellen suchen.

Die Wiederherstellungskräfte sind im allgemeinen so geartet, daß die Elektronen, nachdem sie aus dem Gleichgewicht in der oben beschriebenen Weise verschoben worden sind und das System danach nicht beeinträchtigt wird, (gedämpfte) harmonische Schwingungen um die Gleichgewichtsstellungen mit einer Kreisfrequenz ausführen, die durch die Volumendichte der Elektronen (oder Ionen) gemäß der folgenden Gleichung bestimmt wird (das MKSA-System wird durchgehend verwendet):

CO_n =

N -e* k · m · ε_η

wobei N — Elektronendichte in m-³, e — Elektronenladung in As, m = Elektronenmasse in kg, ε₀ = die Elektrizitätskonstante oder Wellenkapazität pro Längeneinheit im Vakuum = 8,85 · 10~¹² F/m und k = eine Konstante, deren Wert von der geometrischen Form des Plasmas abhängt. Wenn das Plasma als Ebene ausgebildet ist, beträgt der Wert 1, falls es die Gestalt eines Kreiszylinders hat, ergibt sich der Wert 2, und bei Kugelform beträgt der Wert 3.

Wenn ein System, wie das oben beschriebene, von einem äußeren elektrischen Wechselfeld beeinflußt wird, dessen Frequenz der Eigenfrequenz der Elektronen entspricht, so schwingen diese mit zunehmender Amplitude, bis ein Gleichgewicht erhalten wird, das von den Energie-Verlusten der schwingenden Elektronen durch elektromagnetische Strahlung und durch Zusammenstöße mit Molekülen usw. bestimmt ist.

Das elektromagnetische Strahlungsfeld der schwingenden Elektronen arbeitet mit dem von außen angelegten Feld zusammen, und die technischen Anwendungen der Anlage machen von der Tatsache Gebrauch, daß die Felder so zusammenarbeiten können, daß sie einander in bestimmten Richtungen gänzlich aufheben, während sich ihre Wirkungen in anderen Richtungen summieren.

Diese Erscheinung ist hier ziemlich schematisch beschrieben worden. Eine weitergehende theoretische Behandlung findet man in N. Herlofson, ^Plasma Resonance in Ionospheric Irregularities«· (»Plasma-Anordnung

mit einem wenigstens ein gasgefülltes

Entladungsgefäß einschließenden

Wellenleiter oder Resonator

Anmelder:

Telefonaktiebolaget L M Ericsson,
Stockholm

Vertreter: Dr,-Ing. H. Ruschke,

Berlin-Friedenau, Lauterstr. 37,

und Dipl.-Ing. K. Grentzenberg, München 13,

Patentanwälte

Beanspruchte Priorität:
Schweden vom 9. März 1954

Axel Nikolai Herlofson, Lidingö,

Gunnar Dag Riss Romeil, Stockholm,

und Adam Dattner, Hagersten (Schweden),

sind als Erfinder genannt worden

resonanz in ionosphärischen Unregelmäßigkeiten«), Arkiv för fysik, Bd. 3, Nr. 15, 1951.

Es ist beispielsweise durch die schweizerische Patentschrift 298 708 oder die französische Patentschrift 818 507 bekannt, Gasentladungen als Dämpfungsmedium in Wellenleitern anzubringen. Die Dämpfung der elektromagnetischen Welle, die die Entladung passiert, ist dabei von der Stärke der Entladung abhängig, und die elektromagnetische Welle kann durch Änderung des Ionisationszustandes moduliert werden. Bei den in den genannten Patentschriften beschriebenen Einrichtungen muß die Gasdichte der Entladung ziemlich groß sein, um eine zufriedenstellende Dämpfung zu erhalten, da die Dämpfung von der Kollisionsfrequenz und damit von der Gasdichte abhängig ist. Das Entladungsgefäß, das die Gasentladung trägt, soll derart im Wellenleiter orientiert sein, daß die elektrischen Feldlinien des elektromagnetischen Feldes einen möglichst großen Weg durch die Entladung nehmen.

Die bekannten Einrichtungen haben aber einige Nachteile. Der Leistungsaufwand für das Modulationssignal ist ziemlich groß, und eine gegebene prozentuale Modulation erfordert eine große Änderung des Ionisationszustandes, d. h. des Entladungsstromes. Der Ionisationszustand ist weiter von der den Wellenleiter durchlaufenden Hoch-

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frequenzenergie abhängig. Die obengenannten Ein- Anordnung als Funktion der Elektronendichte der Gasrichtungen sind fast frequenzunabhängig, d. h., alle entladungsröhre darstellen.

Frequenzen werden gleichmäßig gedämpft. Fig. 1 zeigt in schematischer Weise eine Anordnung

Dank der steilen Modulationskurve, die mit der Ein- nach der Erfindung, in der eine zylindrische Gasentrichtung nach der Erfindung erreicht werden kann, ist 5 ladungsröhre 1, die eine Kathode 2 und eine Anode 3 der Leistungsaufwand für das Modulationssignal klein. besitzt, in einen rechteckigen Wellenleiter 4 so eingesetzt Weiterhin ist der Ionisationszustand von der übertrage- ist, daß die elektrischen Feldlinien einer sich in dem nen Energie fast unabhängig. Die Einrichtung nach der Wellenleiter fortpflanzenden elektromagnetischen Welle Erfindung ist weiter frequenzselektiv, so daß sie zur den Zylinder durchqueren oder kreuzen. Trennung verschiedener Frequenzen verwendet werden io Die Elektronendichte der Gasentladung hat die kann. Größenordnung von

Nach der schweizerischen Patentschrift 302 329 ist ₂

ferner eine Entladungseinrichtung bekannt, die sich auf 2 · m· ε · ^-,

gyromagnetische Resonanz gründet, genauer gesagt auf <?²

den sogenannten Faraday-Effekt, was bedeutet, daß die 15

Polarisationsebene für eine elektromagnetische Welle wobei ω die Kreisfrequenz einer sich in dem Wellenleiter gedreht wird, wenn die Welle sich in einem ionisierten fortpflanzenden Welle ist und in der Umgebung dieses Gas längs den Feldlinien eines Magnetfeldes ausbreitet. Wertes und gegen Null geändert werden kann, z. B. durch Bei der Gyrofrequenz der Elektronen entsteht eine beson- Änderung des Stromes durch die Gasentladung, ders ausgeprägte Absorption der übertragenen elektro- 20 Die Gasentladungsröhre, die im folgenden Plasmamagnetischen Welle. Außer den erforderlichen Anord- resonator genannt wird, bildet eine Impedanz in dem nungen zur Erzeugung eines magnetischen Feldes hat Wellenleiter, wobei sich die Größe und der Phasenwinkel auch diese Einrichtung den Nachteil, daß sie eine sehr als eine Funktion der Elektronendichte N gemäß Fig. 2 große Modulationsleistung benötigt. Um 100 % Modula- ändern, die Wirk- und Blindkomponenten der Impedanz tion zu erzielen, ist es nämlich notwendig, das Magnet- 25 mit Bezug auf den Wellenwiderstand Z₀ aufgetragen sind feld zwischen Null und dem Gyrofrequenzwert ändern und die Impedanz sich auf einen Abschnitt des Wellenzu können. leiters bezieht, der mit der Symmetrieachse des Plasma-

Die Erfindung betrifft eine Anordnung, die eine Leitung resonators zusammenfällt. Die Ziffern längs der Kurve oder einen Resonator aufweist, die bzw. der eine aus geben die Elektronendichte N mit Bezug auf die Elekeinem elektrisch nichtleitenden Material hergestellte, 30 tronendichte bei der Hauptresonanz an: gasgefüllte Röhre umschließt. Der Begriff »Leitung«

definiert hier ganz allgemein eine Anordnung zum Fort- ^ __ 2 ■ m· ε_ο· col

pflanzen elektromagnetischer Energie, z. B. Wellenleiter, ° e²

Koaxialleitung, Paralleldrahtleitung usw. Die Bedeutung des Wortes »Resonator« ist hier im allgemeinen 35 Eine sich längs des Wellenleiters fortpflanzende Welle Sinne eine Anordnung zum Speichern elektromagnet!- wird von dem Plasmaresonator in solcher Weise bescher Energie. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, einflußt, daß ein Teil der Welle von dem Plasmaresonator daß ein Elektronengas in der Röhre angeordnet ist und reflektiert wird, während ein anderer Teil durch den mit einem elektrischen Wechselfeld in der Leitung oder Plasmaresonator verläuft und ein weiterer (wenn auch in dem Resonator so zusammenarbeitet, daß wenigstens 40 sehr kleiner) Teil absorbiert wird. Das Verhältnis ■eine Komponente des Feldes senkrecht zu der Längs- zwischen den Amplituden der hindurchverlaufenden richtung der Röhre verläuft, und durch Mittel zum Ein- Welle und der primären ankommenden Welle ändert sich stellen der Dichte des Elektronengases im besonderen als eine Funktion der Elektronendichte in einer in Fig. 3 auf Werte und in der Umgebung von Werten in der dargestellten Weise, wobei E_t die Amplitude der hindurch-Größenordnung von 45 verlaufenden Welle und Ei die Amplitude der ankommen-

₂ den Welle ist.

_m· ε · -^-, Wenn die Elektronendichte Null ist, verläuft fast die

^ß2 gesamte ankommende Welle durch den Plasmaresonator.

Bei zunehmender Elektronendichte vermindert sich die

wobei ω die Kreisfrequenz des elektrischen Wechsel- 50 hindurchverlaufende Welle in der Hauptsache, bis ein feldes, m die Masse des Elektrons, e die Ladung des ausgeprägtes Minimum bei der Elektronendichte N₀ Elektrons und ε₀ die Dielektrizitätskonstante des Vakuums erhalten wird. Die Abnahme ist jedoch nicht monoton, ist. sondern die Kurve zeigt eine Anzahl Minima und Maxima,

Die Erfindung ist vielseitig anwendbar, und eine sehr wobei die Differenz zwischen benachbarten Maxima und große Menge von Problemen, im besonderen in der 55 Minima größer ist, wenn sie sich der Elektronendichte N₀ Mikrowellentechnik, kann in neuer Weise gelöst werden. annähert. Wenn die Elektronendichte größer als dieser Eine Anordnung nach der Erfindung kann somit für die Wert ist, wächst die Kurve monoton. Das Minimum Frequenzmodulation eines Oszillators anwendbar sein. bei der Elektronendichte Eine andere Anordnung gemäß der Erfindung kann für

die selbsttätige Frequenzregelung eines Oszillators benutzt ⁶° N —2 ■ m· ε · ^ω°

werden. Eine weitere Anordnung nach der Erfindung ° ° e²

ermöglicht eine Verfahrensweise für die Amplitudenmodulation von Hochfrequenzenergie. Eine weitere An- bedeutet einen praktisch vollständigen Kurzschluß des Ordnung nach der Erfindung kann als Elektronen- Wellenleiters für eine ankommende Welle mit der Kreisschalter für Hochfrequenzenergie arbeiten. 65 frequenz ω₀. Die Impedanz des Abschnittes des Wellen-Die Erfindung wird genauer an Hand der Zeichnung leiters, der mit der Symmetrieachse der Gasentladung beschrieben, in der die Fig. 1, 4, 5, 6, 7 a und 7b ver- zusammenfällt, nähert sich Null bei dieser Elektronenschiedene Anordnungen nach der Erfindung zeigen, dichte für eine mit der Kreisfrequenz ω₀ einfallenden während Fig. 2 das Impedanzdiagramm einer solchen Welle, wenn die Verluste des Plasmaresonators abnehmen. Anordnung und Fig. 3 die Eigenschaften einer solchen 7° Die Verluste hängen hauptsächlich von den Zusammen-

stoßen der Elektronen mit Teilchen oder mit den Röhren- tronendichte, die dem vorher erwähnten Wert N₀ entwänden ab, und damit die Verluste für die meisten spricht. Das an die anderen Wellenleiter angrenzende Zwecke klein genug sein können, soll die Zusammenstoß- Ende des Wellenleiters 4 wird dadurch wirksam kurzfrequenz der Elektronen kleiner als ein Zehntel der geschlossen. Während desselben Zeitintervalls ist die Frequenz des elektrischen Wechselfeldes sein. 5 Elektronendichte des Plasmaresonators Γ z. B. Null. Die Die Anordnung nach Fig. 1 ist für die Amplituden- von der Antenne empfangene Energie wird dann dem modulation einer Hochfrequenzwelle anwendbar. Das Empfänger 6 durch die Wellenleiter 4" und 4' direkt zueine Ende des Wellenleiters ist z. B. mit einem Mikro- geführt, während der Wellenleiter 4 gesperrt ist. Unmitwellengenerator oder -verstärker verbunden, während telbar vor dem Auftreten eines Hochfrequenzimpulses von das andere Ende des Wellenleiters an eine Belastung, io dem Sender 5 ändert sich die Polarität der an die Einz. B. eine Antenne, angeschlossen ist. Die Potential- gangsklemmen des Transformators 8 angelegten Steuerdifferenz zwischen den Elektroden 2 und 3 ist in solcher spannung, so daß die Elektronendichte des Plasmareso-Weise gewählt, daß der Strom durch den Plasmaresonator nators Γ den Wert N₀ erhält, wodurch der Eingang des «ine Elektronendichte bewirkt, die in Fig. 3 N₁ oder N₂ Wellenleiters 4' wirksam blockiert wird. Gleichzeitig erentspricht. Dieser Potentialdifferenz ist eine Modu- 15 hält die Elektronendichte des Plasmaresonators 1 den lationsspannung überlagert. Die Elektronendichte des Wert Null, so daß die Hochfrequenzenergie von dem Plasmaresonators ändert sich dann in der Umgebung Sender direkt an die Antenne 7 angelegt wird, während der Mittelwerte N₁ oder N₂, wodurch die Welle, die den der Eingang des Empfängers 6 blockiert ist. Wenn der Plasmaresonator zu der Belastung durchläuft, fast linear Impuls von dem Sender 5 aufhört, ändert sich die Polariamplitudenmoduliert wird, wie in Fig. 3 dargestellt ist. 20 tat der Steuerspannung an den Eingangsklemmen des Eine Änderung um 10% der Elektronendichte ergibt Transformators 8 wiederum, so daß der Empfänger eine Amplitudenmodulation von ungefähr 60 bis 70%. Energie aufnehmen kann, die vor der Antenne aufge-Eine Anordnung nach der Erfindung kann auch zum fangen wird. Selbstverständlich kann ein solcher Sende-Sperren oder Schalten von elektromagnetischer Energie Empfangs-Schalter auf sehr viele andere Arten gebaut anwendbar sein. Sie kann im besonderen mit Vorteil die 25 werden, als gemäß der hier nur zur Veranschaulichung der bereits bekannten Sende-Empfangs-Schalter in Radar- Erfindung gezeigten Art möglich ist. Somit kann die Vergeräten ersetzen. Diese Schalter benutzen eine Gas- bindungsstelle der Wellenleiter 4, 4' und 4" in anderer entladung, die parallel zu den elektrischen Feldlinien Weise hergestellt werden, und die Elektronendichte des in einem Wellenleiter vor sich geht. Die Gasentladung Plasmaresonators zu dem Zeitpunkt, wenn der Plasmawird durch den Mikrowellenimpuls von dem Sender 30 resonator Energie hindurchlassen soll, kann einem aneingeleitet. Die Schaltwirkung wird deshalb erst kurze deren Maximum der Kurve nach Fig. 3 entsprechen als Zeit nach dem Auftreten der Vorderflanke des Sende- dem einen Maximum, das der Elektronendichte Null entimpulses wirksam. Eine Gasentladungsröhre nach der spricht.

Erfindung kann jedoch durch einen Hilfsimpuls erregt Ein anderer Vorteil gegenüber vorher bekannten Sendewerden, und zwar einen Augenblick, bevor die Vorder- 35 Empfangs-Schaltern ist die Tatsache, daß ein Plasmakante des Sendeimpulses auftritt. Dadurch wird be- resonator gemäß der Erfindung im allgemeinen innerhalb wirkt, daß die Arbeitsweise des Schalters während der eines ziemlich breiten Frequenzbandes arbeiten kann, gesamten Dauer des Sendeimpulses wirksam ist. Dies ermöglicht die Vermeidung eines Nachteiles, der mit-Wenn eine Anordnung nach der Erfindung zur Sperrung unter bei Radargeräten bekannter Bauart auftritt, elektromagnetischer Energie verwendet wird, werden die 40 Unerwünschte Änderungen der Sendefrequenz oder der beiden Elektroden des Plasmaresonators mit einer solchen Abstimmung des zu dem Sende-Empfangs-Schalter geVorspannung verbunden, daß der Strom durch den hörenden Kreises haben somit manchmal bewirkt, daß Plasmaresonator und dadurch auch die Stromdichte in die Sendefrequenz außerhalb des Frequenzbereiches der diesem Null wird. Mit den Elektroden wird außerdem Resonanz dieses Schalters liegt. Eine große Anzahl neuer eine Anordnung zum Anlegen einer solchen Steuerspan- 45 technischer Möglichkeiten werden außerdem insofern ernung verbunden, daß der Elektronendichte des Plasma- halten, als Blockierungsanordnungen oder Schalter nach resonators schnell der Wert 2V₀ gegeben werden kann. der Erfindung sehr rasch auf verschiedene Frequenzen Um die Dämpfung zu erhöhen, können mehrere Plasma- durch Änderung der Elektronendichten der Plasmaresonatoren längs eines Wellenleiters angeordnet werden, resonatoren abgestimmt werden können, wobei der Abstand zwischen den Plasmaresonatoren vor- 50 Wie vorher im Zusammenhang mit Fig. 2 erwähnt zugsweise eine ungerade Anzahl Viertelwellenlängen ist. wurde, bildet ein Plasmaresonator in einem Wellenleiter Fig. 4 veranschaulicht die Grundsätze des Aufbaus eine Impedanz, deren Phasenwinkel sich mit der Elek-■einer Anordnung nach der Erfindung für die Verwendung tronendichte ändert. In der Ultrahochfrequenztechnik als Schalter. 5 ist ein Sender und 6 ein Empfänger, die werden Kreise und Leitungen gewöhnlich dadurch abgemittels des Wellenleiters 4 bzw. 4' mit einem gemein- 55 stimmt, daß Blindwiderstände zugefügt werden, die von samen Wellenleiter 4" verbunden sind, der an eine An- Koaxialleitungen gebildet werden, von denen das eine tenne 7 beliebiger Konstruktion angeschlossen ist. 1 und Γ Ende kurzgeschlossen ist, oder durch metallische Körper, sind zwei Plasmaresonatoren, die erfindungsgemäß senk- die in die Wellenleiter usw. hineinragen. Eine Anordnung recht zu den elektrischen Feldlinien angeordnet sind. Die nach der Erfindung kann mitunter solche Abstimm-Kathoden der Plasmaresonatoren können mit einem 60 anordnungen ersetzen. Ein Vorteil besteht dann darin, festen Potential verbunden werden, während ihre Anoden daß die Abstimmung sehr schnell durch elektrische Steuerjeweils z. B. an das eine Ende der Sekundärwicklung eines spannungen geändert werden kann, die an die Elektroden Impulstransformators 8 angeschlossen sind, deren Mittel- des Plasmaresonators angelegt werden. In solcher Weise punkt an einer Vorspannung 9 liegt, die positives Poten- kann die Anpassung einer Leitung an einen Generator tial gegen Kathode hat. Die Steuerspannung, die den 65 oder einer Belastung an eine Leitung selbsttätig oder von Schalter steuern soll, wird an die Eingangsklemmen 9 des Hand dadurch erfolgen, daß die Frequenz oder die Be-Impulstransformators angelegt. Während des Zeitinter- lastung so geändert wird, daß immer optimale Anpassung valls, während dem der Sender 5 keine Energie an die aufrechterhalten wird.

Antenne 7 überträgt, die dem Sender und dem Empfänger Eine Anordnung nach der Erfindung ist auch zur Erzeu-

gemeinsam dient, hat der Plasmaresonator eine Elek- 70 gung von Phasen- oder Frequenzmodulation bei hohen

7 8

Frequenzen anwendbar. Wenn der Plasmaresonator in Größe des Entladungsstromes geändert wird. Wenn einen Resonator senkrecht zu den elektrischen Feldlinien somit die Amplitude und die Phase der Komponente E₂ eingefügt wird und wenn eine solche Spannung an die geändert wird, wird die Resultierende E mehr oder Elektroden der Röhre angelegt wird, daß eine geeignete weniger elliptisch polarisiert.

Elektronendichte, vorzugsweise gleich N₀, erhalten wird, 5 Wenn die Elektronendichte des Plasmaresonators dem kann die Abstimmung des Resonators elektrisch dadurch Wert N₀ entspricht, wird die Komponente E₂ gänzlich geändert werden, daß die Elektronendichte in der Um- reflektiert, und die Resultierende E wird gleich der gebung dieses Wertes variiert wird. Wenn der Resonator Komponente E₁. Auf diese Weise wird eine Drehung der die Frequenz des Generators bestimmt, kann der Genera- Polarisationsebene erhalten (wobei die Amplitude gleichtor durch eine Modulationsspannung frequenzmoduliert ίο zeitig vermindert wird). Die Verkleinerung der Amplitude, werden, welche die Abstimmung des Resonators ändert, _, 1 .. .

wenn sie an die Elektroden des Plasmaresonators angelegt ^{ώε ζ}· ^Β· ψ₂ ^betra^' ^{faUs nur em} Hasmaxesonator wird. verwendet wird und dieser unter einem Winkel von 45°

Ein Reflexklystron kann dadurch frequenzmoduliert zu der Polarisationsebene der einfallenden Welle angeordwerden, daß eine Modulationsspannung an die Reflektor- 15 net ist, kann dadurch herabgesetzt werden, daß mehrere elektrode angelegt wird. In diesem Falle wird eine lineare Plasmaresonatoren hintereinander angeordnet werden, Frequenzmodulation jedoch nur in einem begrenzten wobei jeder von ihnen um einen kleinen Winkel gegen Frequenzbereich erhalten. Dies hängt von der Tatsache den vorhergehenden gedreht wird.

ab, daß die Abstimmung des Resonators konstant und Falls statt dessen die Elektronendichte des Plasma-

von der Frequenzmodulation unabhängig ist. Falls erfin- 20 resonators dem Wert N₁ oder N₂ entspricht, läßt der dungsgemäß ein Plasmaresonator in den Resonator eines Plasmaresonator auch einen Teil der Komponente E₂ Reflexklystrons, zweckmäßigerweise in den kapazitiven hindurch, der in der einen oder anderen Richtung mit Teil des Resonators, eingesetzt wird und die Modulations- Bezug auf E₁ phasenverschoben wird, so daß die Resulspannung an die Reflektorelektrode sowie an die Elektro- tierende E elliptisch polarisiert wird, den des Plasmaresonators angelegt wird, wird die Fre- 25 Damit sich eine Gasentladung eines Plasmaresonators quenzmodulation innerhalb eines beträchtlich größeren in einem Wellenleiter oder Resonator in der beschriebenen Frequenzbereiches linear sein. Die Ausgangsleistung wird Weise verhält, sollte die Ausdehnung der Gasentladung sich auch weniger mit der Frequenz ändern, da die Impe- in einer Richtung parallel zu der Komponente des danz des Resonators beträchtlich weniger abhängig von elektrischen Wechselfeldes, mit dem er zusammenwirkt, der Frequenz ist, wenn die Abstimmung des Resonators 30 nicht merklich groß sein. Es kann somit ausreichen, wenn synchron mit der Modulationsfrequenz geändert wird. die Erstreckung der Gasentladung in dieser Richtung

Eine Anordnung nach der Erfindung ist auch für weniger als ein Achtel der Wellenlänge des elektrischen selbsttätige Frequenzregelung eines Ultrahochfrequenz- Wechselfeldes im Vakuum ist.

Oszillators anwendbar. In einem solchen Falle wird ein Andererseits sollte die Ausdehnung des Plasma-

Teil des Oszillatorausgangs an einen Frequenzdiskrimi- 35 resonators nicht größer als ein Viertel der Wellenlänge nator angelegt, so daß eine von der Oszillatorfrequenz sein, da andererseits zu große Phasendifferenzen zwischen abhängige Spannung erhalten wird. Diese Spannung wird den Feldern (und Strömen) in verschiedenen Teilen der an einen in dem Resonator des Oszillators angeordneten Röhre auftreten würden.

Plasmaresonator angelegt, und die Abstimmung des Fig. 6 zeigt einen Querschnitt einer Anordnung nach

Resonators wird so geändert, daß die mittlere Frequenz 40 der Erfindung, die aus einer Koaxialleitung oder einem des Oszillators selbsttätig auf den gewünschten Wert ein- Koaxialresonator und einem Plasmaresonator besteht, gestellt wird. 12 ist der Außenleiter und 13 der Innenleiter der Koaxial-

Weitere technische Anwendungen einer Anordnung leitung. 1 ist der Plasmaresonator, der den Innenleiter nach der Erfindung werden infolge der Effekte ermöglicht, umgibt und hauptsächlich konzentrisch zu diesem die erhalten werden können, wenn Plasmaresonatoren 45 verläuft. Die Enden des Plasmaresonators werden durch z. B. in kreisförmige Wellenleiter in solcher Weise einge- die äußere Umhüllung der Koaxialleitung herausgeführt, setzt werden, daß die elektrischen Feldlinien von der in Die Gasentladung des Plasmaresonators erfolgt hauptdem Wellenleiter fortschreitenden Welle einen Winkel sächlich senkrecht zu der Längsrichtung des Innenleiters, mit den Begrenzungen der Gasentladung bilden. Dadurch, Fig. 7 a zeigt einen Querschnitt einer anderen Anord-

daß eine eben oder geradflächig polarisierte Welle bei- 50 nung nach der Erfindung und Fig. 7b einen Längsschnitt spielsweise in eine elliptisch oder kreisförmig polarisierte durch diese Anordnung. 12 ist der Außenleiter einer Welle umgeformt oder ihre Polarisationsebene gedreht Koaxialleitung oder eines koaxialen Resonators, und 13 werden kann, wird die Polarisation in ebener Weise auf- ist der entsprechende Innenleiter. Rund um den Innenrechterhalten. leiter ist ein Plasmaresonator 1 mit ringförmigem Quer-

Fig. 5 zeigt eine Anordnung für einen solchen Zweck, 55 schnitt hauptsächlich konzentrisch zu dem Innenleiter wobei 1 ein Plasmaresonator ist, dessen Elektroden mit 2 angeordnet. Die Elektroden sind ebenfalls ringförmig und 3 bezeichnet sind und der in einen kreisförmigen ausgebildet und verlaufen konzentrisch zu dem Innen-Wellenleiter 4 eingesetzt ist. Die elektrischen Feldlinien leiter. Die Gasentladung erfolgt somit zylinderförmig und sind mit 10 bezeichnet und mit unterbrochenen Linien in der Hauptsache parallel zu dem Innenleiter, dargestellt. Der Plasmaresonator bildet einen bestimmten 60 Ein Plasmaresonator kann ebenfalls rings um einen Winkel mit den Feldlinien. An einem bestimmten oder beide Leiter einer Paralleldrahtleitung in derselben Punkt 11 kann der Feldvektor E durch eine Kompo- Weise angeordnet werden, wie die Plasmaresonatoren in nente E₁, die parallel zu der Längsrichtung des Plasma- Fig. 6 oder 7 rings um den Innenleiter der Koaxialleitung resonators verläuft, und eine andere Komponente E₂ angeordnet sind.

ersetzt werden, die senkrecht zu der Längsrichtung des 65 Ein zylinderförmiger Plasmaresonator kann z. B. Plasmaresonators verläuft. Die Komponente E₁ wird zwischen den Leitern einer Paralleldrahtleitung senknicht oder jedenfalls nur sehr wenig von der Gasentladung recht zu der Längsrichtung der Leiter und der Ebene beeinflußt, während die Größe und Phase der Kompo- durch die Leiter angeordnet werden, nente E₂ von der Elektronendichte des Plasmaresonators Man bemerkt, daß in den erwähnten Beispielen die

abhängt und dadurch geändert werden kann, daß die 70 Gasentladungsröhren im allgemeinen zylinderförmig

waren, was bedeutet, daß die Elektronendichte, die N₀ entspricht,

2 ■ o>² ■ m · e„

beträgt, wobei ω die Kreisfrequenz der Welle ist, die mit dem Plasmaresonator zusammenwirkt.

Falls eine hohle, zylindrische Röhre gemäß Fig. 7 b verwendet wird, kann diese Röhre in elektrischer Hinsicht als ebene Röhre betrachtet werden, was bedeutet, daß die dem Wert iV₀ entsprechende Elektronendichte in diesem Falle angenähert

co² · m · ε₀

beträgt.

In einigen der erwähnten Beispiele kann eine zylindrische Röhre durch eine ebene Röhre ersetzt werden, wobei dann N₀ in derselben Weise zu halbieren ist.

In einigen Fällen können kugelförmige Entladungen ao verwendet werden. Die dem Wert N₀ entsprechende Elektronendichte wird dann statt dessen

3 · to² · m · ε_η

Die Elektronengaskonzentration (Dichte), die zum Betrieb des Plasmaresonators erforderlich ist, ist vorher so angenommen worden, daß sie mittels einer gewöhnliehen Gasentladung zwischen zwei Elektroden aufrechterhalten wird.

Ein Gasentladungsplasma kann jedoch auf andere Weise aufrechterhalten werden, z. B. dadurch, daß ein hochfrequentes Wechselfeld in geeigneter Weise in einer gasgefüllten Röhre induziert wird. In diesem Falle braucht die Entladungsröhre keine Elektroden zu enthalten.

Die erforderliche Elektronendichte kann ebenfalls ohne die Notwendigkeit eines gewöhnlichen Gasentladungsplasmas erhalten werden, beispielsweise dadurch, daß ein Elektronenstrahl in eine gasgefüllte Röhre eingeführt wird.

Magnetische Felder können auch verwendet werden, um eine Gasentladung bei einem niedrigen Gasdruck aufrechtzuerhalten, was im allgemeinen (in der Praxis) erwünscht ist.

Insgesamt ist jedes Verfahren zur Erzielung einer ausreichend großen Elektronendichte grundsätzlich zur Erzeugung eines Plasmaresonators gemäß der Erfindung anwendbar.

Im Hinblick auf praktische Gesichtspunkte besteht bei Plasmaresonatoren, in denen die Elektronendichte durch eine Gasentladung aufrechterhalten wird, der Wunsch, daß der die Gasentladung aufrechterhaltende Strom so klein wie möglich sein soll. Dies bedingt, daß die mittlere Geschwindigkeit der Elektronen klein sein muß. Praktisch kann der Entladungsstrom in vielen Fällen wesentlich verringert werden, ohne die Elektronendichte zu vermindern, indem das Entladungsgefäß in ein magnetisches Feld gebracht wird, das in geeigneter Weise gerichtet ist. Das magnetische Feld dient dem Zweck, die Elektronenbahnen zwischen den Elektroden zu verlängern und dadurch die Zeit zu vergrößern, die sie bei der Entladung verbrauchen.

Claims (17)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Anordnung, die eine Leitung oder einen Resonator für elektromagnetische Wellen und wenigstens ein gasgefülltes Entladungsgefäß, vorzugsweise Röhren, aufweist, das aus einem elektrisch nichtleitenden Material hergestellt ist, wobei das Gefäß gänzlich oder teilweise innerhalb des elektrischen Wechselfeldes der Leitung bzw. des Resonators angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das gasgefüllte Gefäß in seiner Längsrichtung hauptsächlich senkrecht zu dem elektrischen Wechselfeld oder zu dessen Grundkomponente angeordnet ist, und weiterhin gekennzeichnet durch Mittel zum Einstellen der Elektronendichte in dem Entladungsgefäß im besonderen auf Werte von ungefähr

k · m ■ ε₀ ■ —_r ,

wobei ω die Kreisfrequenz des elektrischen Wechselfeldes, m die Masse des Elektrons, e die Ladung des Elektrons, ε₀ die Dielektrizitätskonstante des Vakuums und k ein von der Form des Entladungsgefäßes abhängiger Faktor ist, dessen Wert zwischen 1 und 3 liegt, wobei der Gasdruck in dem Gefäß derart ist, daß die Zusammenstoßfrequenz der Elektronen weniger als ein Zehntel der Frequenz des elektrischen Wechselfeldes beträgt, und schließlich dadurch gekennzeichnet, daß die Ausdehnung der Gasentladung in einer Richtung parallel zu dem Wechselfeld, mit dem sie zusammenwirkt, weniger als ein Viertel und vorzugsweise weniger als ein Achtel der Wellenlänge des elektrischen Wechselfeldes im Vakuum beträgt.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gewünschte Elektronendichte mittels einer Gasentladung innerhalb des Gefäßes aufrechterhalten wird.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gefäß mit einem Gas gefüllt ist, das eine kurze Wiedervereinigungszeit hat, z. B. Wasserstoffgas mit etwas zugesetztem Wasserdampf.

4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das gasgefüllte Gefäß in einen rechteckigen Wellenleiter parallel zu den breiten Seiten des Wellenleiters eingesetzt ist.

5. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das gasgefüllte Gefäß in eine Koaxialleitung oder einen koaxialen Resonator hauptsächlich konzentrisch zu dem Innenleiter des Leitungsresonators eingesetzt ist.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das gasgefüllte Gefäß so in dem koaxialen Leiter oder Resonator angeordnet ist, daß die Entladung hauptsächlich senkrecht zu der Längsrichtung des Mittelleiters auftritt (Fig. 6).

7. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das gasgefüllte Gefäß so in dem koaxialen Leiter oder Resonator angeordnet ist, daß die Entladung hauptsächlich parallel zu der Längsrichtung des Mittelleiters auftritt (Fig. 7a, 7b).

8. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das gasgefüllte Gefäß zwischen den Leitern einer Paralleldrahtleitung senkrecht zu der Längsrichtung der Leiter angeordnet ist.

9. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein gasgefülltes Gefäß wenigstens rings um einen der Leiter einer Paralleldrahtleitung angeordnet ist, wodurch die Gasentladung senkrecht zu der Längsrichtung der Leiter auftritt.

10. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein gasgefülltes Gefäß rings um wenigstens einen der Leiter einer Paralleldraht-

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leitung derart angeordnet ist, daß die Entladung parallel zu der Längsrichtung der Leiter auftritt.

11. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator das frequenzbestimmende Element eines Oszillators oder eines Verstärkers ist, wobei die Elektronendichte der Gasentladung auf einen solchen Wert von ungefähr

k · m ■ S_n —=-

IO

eingestellt ist, daß die Impedanz, die das gasgefüllte Gefäß in den Resonator einführt, ein variabler Blindwiderstand ist.

12. Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden des gasgefüllten Gefäßes an eine Modulationsspannungsquelle zur Frequenzmodulation des Generators oder Verstärkers angeschlossen sind.

13. Anordnung, bestehend aus einer Vorrichtung nach Anspruch 11, bei der die Frequenz des Oszillators

in bekannter Weise, z. B. durch Änderung der Elektrodenspannung, frequenzmoduliert ist, dadurch gekennzeichnet, daß die frequenzmodulierende Spannung gleichfalls an die Elektroden des gasgefüllten Gefäßes in solcher Weise angelegt ist, daß die erhaltene Modulation der Elektronendichte eine Linearisierung der Frequenzmodulation des Oszillators bewirkt.

14. Anordnung nach Anspruch 1 mit einem gasgefüllten, innerhalb des elektrischen Feldes einer Leitung angeordneten Gefäß, wobei die Leitung zwischen einen Mikrowellengenerator oder einen Verstärker oder eine Belastung geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektronendichte des

gasgefüllten Gefäßes etwas kleiner oder größer als

k · m · ε₀ · —γ

ist, und gekennzeichnet durch Mittel zur Änderung dieser Elektronendichte gemäß einer Modulationsspannung,, wobei die durch die Leitung verlaufende Energie amplitudenmoduliert ist.

15. Anordnung nach Anspruch 1, bestehend aus einem gasgefüllten Gefäß, das in dem elektrischen Feld einer Leitung angeordnet ist, gekennzeichnet durch Mittel zur schnellen Änderung der Elektronendichte des gasgefüllten Gefäßes zwischen einem solchen Wert, der vorzugsweise gleich

ist und bei dem die hindurchlaufende Energie ein Minimum hat, und einem Wert, bei dem die hindurchverlaufende Energie ein Maximum hat.

16. Anordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere gasgefüllte Röhren längs der Leitung um Abstände getrennt angeordnet sind, die gleich einer ungeraden Anzahl Viertelwellenlängen sind.

17. Anordnung nach Anspruch 1, bei der das Entladungsgefäß die Form einer Röhre hat, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert des Faktors k im wesentlichen 2 beträgt.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Schweizerische Patentschriften Nr. 298 708, 302 329; französische Patentschrift Nr. 818 507.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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