DE1016375B - Wanderfeldroehrenanordnung mit einer Verzoegerungsleitung in Form einer Doppelwendel (in sich gewendelten Wendel) - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung befaßt sich mit elektrischen Entladungsgefäß en mit einem geschwindigkeitsmodulierten Elektronenstrahl, bei welchen eine elektromagnetische Welle in der Nähe des Elektronenstrahls verläuft, so daß die Welle mit den Elektronen des Elektronenstrahls in Wechselwirkung tritt, wodurch die Welle verstärkt wird. Eine der größten Schwierigkeiten bei elektrischen Entladungsgefäßen mit einem geschwindigkeitsmodulierten Elektronenstrahl, bei denen der Elektronenstrahl einen langen Weg zurücklegen muß, besteht darin, den großen Strahlstrom längs dieses Weges zu fokussieren. Es hat sich nun gezeigt, daß diese Schwierigkeit überwunden werden kann, indem man einen Elektronenstrahl benutzt, welcher dieEigenschafteneinesBrilloum-Strahles aufweist. Es sind bereits Wanderfeldröhren bekannt, bei welchen eine Wechselwirkung zwischen einem Bril-Iouin-Strahl und den elektromagnetischen Feldern stattfindet. Diese Vorschläge benutzen jedoch zur Verstärkung der elektromagnetischen Welle die Energie der axialen Elektronengeschwindigkeit. Es sind ferner Magnetrone bekannt, bei welchen der Elektronenstrahl unter dem Einfluß eines magnetischen Feldes einen gekrümmten Weg zurücklegt und auf diese Art und Weise ständig mit einer Welle, die längs desselben Weges (beispielsweise durch eine Wendel um den gekrümmten Elektronenweg) geschickt wird, in Wechselwirkung tritt. Es wurden ferner Anordnungen vorgeschlagen, bei welchen die Röhre als eine nach Art einer Magnetfeldröhre gestaltete Wanderfeldröhre ausgebildet ist, bei welcher sich an zentraler Stelle eine vorzugsweise zylindrische Kathode befindet, die von einer die Wanderwelle führenden, Leitungseigenschaften besitzenden Einrichtung in Form einer Doppelwendel (in sich gewendelten Wendel) umgeben ist.

Es sind ferner Magnetfeldröhren bekannt, bei denen ein um die Röhrenachse rotierender, ringförmiger Elektronenstrahl gegen die hochfrequenten Schlitzfelder eines in Segmente aufgeteilten, die Basisfläche der Kathode zukehrenden Kegelmantels so eingeschossen wird, daß sich die Elektronen spiralförmig in Achsenrichtung längs des Kegelmantels bewegen. Auch sind Magnetfeldröhren bekannt, bei denen längs des wendeiförmigen Laufweges des Elektronenstrahls, und koaxial zu diesem, in Strahlrichtung aufgeschlitzte Elektroden angeordnet sind und die Elektronenströmung in Wechselwirkung mit den hochfrequenten Schlitzfeldern dieser Elektroden tritt. Derartige Anordnungen haben jedoch den Nachteil sehr kleiner Raumladungskonstante. Ferner ist die erzielte Wechselwirkung durch die Schlitze nur schwach, und die Anordnungen sind nur für Frequenzen unterhalb von 1000 MHz brauchbar.

Wanderfeldröhrenanordnung

mit einer Verzögerungsleitung

in Form einer Doppelwendel

(in sich gewendelten Wendel)

Anmelder:

International Standard Electric
Corporation, New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter: Dipl.-Ing. H. Ciaessen, Patentanwalt,
Stuttgart-Zuffenhausen, Hellmuth-Hirth-Str. 42

Beanspruchte Priorität:
Großbritannien vom 15. Mai 1951

Marcus Campbell Goodall, London,
ist als Erfinder genannt worden

Bei einem Elektronenstrahl des an sich bekannten Brillouin-Typs, welcher sich längs einer geradlinigen Achse fortbewegt, ist unseres Wissens bisher noch nicht vorbekannt, die Rotationsenergie des Strahles zur Verstärkung der elektromagnetischen Welle zu benutzen. Daher wird eine Wanderfeldröhrenanordnung mit einer Verzögerungsleitung in Form einer Doppelwendel (in sich gewendelten Wendel) vorgeschlagen, bei der die Elektronen durch Einwirkung eines axial gerichteten Magnetfeldes veranlaßt werden, auf wendeiförmigen Bahnen entlang der Verzögerungsleitung zu laufen und dabei mit der längs der Verzögerungsleitung fortschreitenden elektrischen Welle in Wechselwirkung treten. Bei dieser Vorrichtung wird gemäß der Erfindung das Elektronenstrahlerzeugungssystem vor der Verzögerungsleitung an dem einen Röhrenende und die insbesondere becherförmige Auffangelektrode an dem anderen, dem Elektronenstrahlerzeugungssystem gegenüberliegenden Röhrenende angeordnet und das Elektronenstrahlerzeugungssystem derart ausgebildet und seine Elektrodengleichspannungen sowie die Stärke des axialen Magnetfeldes derart gewählt, daß es einen gebündelten, um die -Strahlachse rotierenden Elektronenstrahl erzeugt.

Die Erfindung sieht also ein elektrisches Entladungsgefäß vor, welches aus einem Strahlerzeugungssystem besteht, das mit Hilfe eines homogenen

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magnetischen Feldes einen Elektronenstrahl in wendeiförmigen Wegen um die Hauptachse der Röhre in Form eines Brillouin-Strahls schickt, und ferner Mittel, um eine elektromagnetische Welle längs dieser Wege zu führen, so daß ständig eine Wechselwirkung zwischen der Energie dieser Welle und der Rotationsenergie des Elektronenstrahls stattfindet und dadurch eine Verstärkung der Welle hervorgerufen wird.

An Hand der Ausführungsbeispiele der Zeichnungen sei die Erfindung näher erläutert.

Fig. 1 zeigt den schematischen Querschnitt eines Ausführungsbeispiels einer Wanderfeldröhre gemäß der Erfindung;

Fig. 2 zeigt die in der Fig. 1 benutzte Doppelwendel; Fig. 3 gibt einen schematischen Querschnitt eines Ausführungsbeispiels eines Elektronenwellenverstärkers gemäß der Erfindung wieder:

Fig. 4 zeigt einen Schnitt der Fig. 3 längs der Linie IV-IV.

In dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 ist mit dem Bezugszeichen 1 die Glasumhüllung, in welcher das .Strahlerzeugungssystem 2 und die Doppelwendel 3 untergebracht sind, wiedergegeben. Die Auffangelektrode 4 ist mit dem anderen Ende der Röhre verschmolzen. Das Strahlerzeugungssystem 2 ist besonders geeignet, in Verbindung mit einem homogenen Magnetfeld einen Brillouin-Strahl durch die Wendel zu schicken. Das Strahlerzeugungssystem 2 besteht aus einer kegelförmigen Kathode 5, deren Spitze in Strahlrichtung zeigt, einem Heizelement 6, einer ersten Beschleunigungselektrode 7 mit dem unmittelbar anschließenden Hohlzylinder 8. Die Kathode kann auch eine andere Form, beispielsweise die Form eines Hohlzylinders, annehmen, sie muß dann nur von entsprechend geformten, in diesem Falle zylindrisehen Beschleunigungselektroden umgeben sein. Die Kathode 5 ist in der Beschleunigungselektrode 7 angeordnet und wird durch die Isolierscheiben 10 mittels des Teiles 9 zentriert. Die JBeschleunigungselektrode 7 Wendel so dicht wie möglich an den Elektronenstrahl herankommt, die Wendel jedoch keinen nennenswerten Teil der Strahlelektronen aufnimmt.

Das dem Strahlerzeugungssystem benachbarte Ende der Doppelwendel 3 ist durch einen leitenden Stift 17 mit dem Teil 8 verbunden und das andere Ende de*· Wendel mit einem ähnlich leitenden Stift 18 mit einem Zylinder 19 von der gleichen Größe wie der Teil 8. Der Zylinder 19 kann mit der Auffangelektrode 4 verbunden sein, die beiden Teile können jedoch auch voneinander isoliert angeordnet werden« Ein Eingangswellenleiter 20, der mit einem Anpassungsstutzen 21 versehen ist, umschließt die Röhre in der Nähe des Anfangs der Doppelwendel, und ein ähnlicher Wellenleiter 22 mit einem ähnlichen Anpassungsstutzen 23 am anderen Ende der Röhre bildet die Ausgangsleitung. Die Stifte 17 und 18 wirken als Wellenleiter in der gleichen Weise wie die ähnlichen Stifte in den gebräuchlichen Wanderfeldröhren mit einfacher Wendel. Der Teil 8 und der Zylinder 19 bilden mit den entsprechenden Flanschen 24 und 25 λ/4-Leitungen, wodurch die Röhre in den Wellenleitern in ähnlicher Weise, wie es bei den bekannten Wanderfeldröhren üblich ist, angeordnet ist. Das Heizelement 6 der Kathode ist in geeigneter Weise über zwei der Stifte 26, welche in die Bodenplatte der Umhüllung 1 eingeschmolzen sind, mit der Batterie 27 verbunden. In der Fig. 1 ist die Kathode 5 mit einem Ende des Heizelementes und die Beschleunigungselektrode 7 mit dem positiven Pol der Spannungsquelle 28, die mit der Batterie 27 in Serie liegt, verbunden. Mit dieser Anordnung und einem Magneten mit einem axialen Magnetfeld in der Größenordnung von 600 Gauß kann von dem Strahlerzeugungssystem 2 bei einer axialen Länge der Doppelwendel 3 von ungefähr 3 cm ein Strom von 90 mA bei einer Beschleunigungsspannung von 300 Volt erhalten werden.

Da der Elektronenstrahl die Form eines Brillouin-

Strahls aufweist, haben die Elektronen die gleiche

ist konisch und umgibt.,die Emissionsoberfläche der 40 axiale Geschwindigkeit. Die Beschleunigungsspannung Kathode. Der Teil 8 der Beschleunigungselektrode 7 an der ersten Beschleunigungselektrode 7 kann daher schließt sich an den konischen Teil an und bildet einen so eingerichtet werden, daß alle Elektronen Wendeln Zylinder, dessen Durchmesser nicht kleiner ist als der mit der gleichen Steigung wie die Doppelwendel 3 beder Grundfläche der Kathode 5, Das Entladungsgefäß
ist in einem Permanentmagnet 11 angeordnet; die 45
Enden der Röhre liegen in-den zentralen Öffnungen
der Polschuhe 12 und 13. Bei Anwesenheit eines
magnetischen Feldes zwischen- den Polschuhen sind
die von der Kathode 5 emittierten Elektronen radialen

und axialen Komponenten des elektrischen Feldes und 50 gemäß der Erfindung wesentlich kürzer sein kann, als dem axialen Magnetfeld-unterworfen. Die Werte der die übliche Wanderfeldröhre und daß sie wesentlich elektrischen und magnetischen Felder sind so gewählt, niedrigere Spannungen für ihre Spannungsversorgung daß sich die Elektronen durch die Doppelwendel in benötigt.

Die Erfindung ist besonders für Elektronenwellenverstärker geeignet. Beim Elektronenwellenverstärker wird an Stelle des Wellenleiters, beispielsweise der Doppelwendel, von der Raumladung eines in Richtung des Wendelumfanges der zweiten Wendel laufenden und durch die zu verstärkende elektromagnetische Welle modulierten Elektronenstrahls Gebrauch ge-

schreiben. Die Wellen werden während ihres Weges längs der Doppelwendel ständig verstärkt. Da die Elektronen und die Wellen, mit welchen sie in Wechselwirkung treten, Wege zurücklegen, die bei einer kleinen axialen Fortbewegung mehrere Wellenlängen, lang sein können, ist es klar, daß eine Röhre

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Form eines Brillouin-Strahles bewegen.

Die Doppelwendel 3 wird aus einem Leiter, der zu einer ersten Wendel von .kleinem Umfange und vorzugsweise rechteckigem Querschnitt gewickelt ist, gebildet. Aus dieser ersten-Wendel mit kleinem Umfange wird dann die zweite Wendel· mit großem Umfange hergestellt. Die Windungen.- der zweiten Wendel sind in wendeiförmigen Nuten.oder Rillen des Keramikteiles 14 festgelegt (Fig.-έ).. Die Steigung der zweiten Wendel ist gleich der Steigung der Elektronenwege gemacht, während- der Umfang der ersten Wendel so dimensioniert ist, daß die elektromagnetische Welle, welche längs der Windungen der zweiten Wendel wandert, eine Geschwindigkeit aufweist, welche annähernd der Geschwindigkeitider-.äußeren- Strahlelektronen auf ihren wendeiförmigen.-Wegen'-.entspricht. Der Innenmacht ; der Verstärkungseffekt beruht auf der Wechselwirkung mit anderen Teilen des gleichen Strahls, welche mit einer etwas verschiedenen Geschwindigkeit wandern.

Bei einem schlauchförmigen Brillouin-Strahl haben die Elektronen, die in der Nähe der Röhrenachse kufen, eine verhältnismäßig kleine Winkelgeschwindigkeit im Vergleich zu den Elektronen, die weiter von der Röhrenachse entfernt sind. In einem solchen

durchmesser der zweiten JfendeList derart, daß die 70 Strahl sind also relativ starke Abweichungen der

Rotationsgeschwindigkeit in radialer Richtung vorhanden. Diese Art von Elektronenfluß kann leicht dadurch erreicht werden, daß das Strahlerzeugungssystem der Fig. 1 so abgeändert wird, daß die Kathode als Kegelstumpf ausgebildet wird. Ein Ausführungsbeispiel eines solchen Elektronenwellenverstarkers ist in Fig. 3 wiedergegeben. Die Teile, die in der Fig. 3 die gleichen Funktionen wie die in der Fig. 1 haben, sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Das Strahlerzeugungssystem der Fig. 3 hat eine kegelförmige Kathode 31, deren kleinerer Durchmesser in Richtung der Elektronenstrahlbewegung liegt. Die Kathode 31 ist von einer ähnlich geformten kegelstumpf förmigen ersten Beschleunigungselektrode 32 umgeben. Die Kathode 31 ist in ähnlicher Weise wie die Kathode 5 der Fig. 1 mit Hilfe einer Isolierscheibe 10 im zylindrischen Teil der ersten Beschleunigungselektrode 32 montiert. Diese Beschleunigungselektrode 32 ist durch einen zu der Achse der Röhre parallelen leitenden Stift 33 mit der Doppelwendel 34 verbunden. Ein Wellenleiter 20 mit dem Anpassungsstutzen 21 umgibt außerhalb der Röhre die Doppelwendel 34. Bei der vorliegenden Anordnung ist der Innenleiter der 2/4-Leitung des Wellenleiters 20 (an Stelle des Zylinders 8 der Fig. 1) durch den zylindrischen Teil der Elektrode 32 dargestellt. Am anderen Ende der Röhre ist eine dex Doppelwendel 34 ähnliche Doppelwendel 35 in dem Wellenleiter 22 angeordnet und mit dem Innenleiter 19 der 2/4-Leitung des Ausgangs durch den leitenden Stift 36 verbunden. Jede der beiden Doppelwendeln 34 und 35 ist aus einem Leiter, dessen erste Wendel einen rechteckigen Querschnitt hat, gebildet; die zweite Wendel besteht aus einer einzigen Windung in einer zum Elektronenstrahl annähernd senkrechten Ebene. Die Anordnung ist in der Fig. 4 näher ausgeführt. Die Doppelwendeln 34 und 35 sind durch einen Überzug 37 (Fig. 3) an der Innenfläche der Röhre, der beispielsweise aus Graphit besteht, elektrisch gleichstrommäßig miteinander verbunden. Der Überzug 37 ist so angeordnet, daß er nur mit der Endwindung jeder Doppelwendel verbunden ist, wie dies mit 38 in der Fig. 4 angedeutet wird.

Auf diese Art und Weise wird die zweite Beschleunigungselektrode des Strahlerzeugungssystems 30 durch die Doppelwendeln 34 und 35 zusammen mit dem sie verbindenden Überzug 37 gebildet. Der Elektronenstrom des Strahlerzeugungssystems ist so gerichtet, daß er die Doppelwendeln 34 und 35 nicht trifft, aber sie streift. Die Doppelwendel 34 zusammen mit dem Stift 33 nimmt Elnergie von dem Wellenleiter 20 auf und moduliert den Elektronenstrahl. In dem Raum zwischen den Doppelwendeln 34 und 35 wird die elektromagnetische Welle durch innere Wechselwirkung zwischen den Strahlelektronen verstärkt. Die Verstärkung findet in ähnlicher Weise statt wie die bei den Elektronenwellenverstärkern mit doppeltem Strahl der bekannten Art, mit dem Unterschied, daß die in Wechselwirkung zueinander tretenden Elektronen und Wellen sich miteinander um die Röhrenachse drehen. Die verstärkte elektromagnetische Welle wird durch die Doppelwendel 35 aufgenommen und an den Wellenleiter 22 weitergegeben.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Wanderfeldröhrenanordnung mit einer Verzögerungsleitung in Form einer Doppelwendel (in sich gewendelten Wendel), bei der die Elektronen durch Einwirkung eines axial gerichteten Magnetfeldes veranlaßt werden, auf wendeiförmigen Bahnen entlang der Verzögerungsleitung zu laufen und dabei mit der längs der Verzögerungsleitung fortschreitenden elektrischen Welle in Wechselwirkung treten, dadurch gekennzeichnet, daß das Elektronenstrahlerzeugungssystem vor der Verzögerungsleitung an dem einen Röhrenende und die insbesondere becherförmige Auffangelektrode an dem anderen, dem Elektronenstrahlerzeugungssystem gegenüberliegenden Röhrenende angeordnet ist und daß das Elektronenstrahlerzeugungssystem derart ausgebildet ist und seine Elektrodengleichspannungen sowie die Stärke des axialen Magnetfeldes derart gewählt sind, daß es einen gebündelten, um die Strahlachse rotierenden Elektronenstrahl erzeugt.

2. Wanderfeldröhrenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Emissionsquelle (Kathode) des Elektronenstrahlerzeugungssystems eine konische Form aufweist und mit ihrem sich verjüngenden Ende in Strahl richtung zeigt und daß die Kathode von einer ebenfalls konischen und mit ihrem sich verjüngenden Ende in Strahlrichtung zeigenden Beschleunigungselektrode koaxial umgeben ist, die ihrerseits in Strahlrichtung'mit einem koaxialen zylindrischen Verlängerungsstück versehen ist.

3. Wanderfeldröhrenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerungsleitung aus zwei voneinander durch einen größeren Zwischenraum getrennten Teilen besteht und daß der eine Teil mit einem Eingangskreis und der andere Teil mit einem Ausgangskreis in Form von Wellenleitern gekoppelt ist.

4. Wanderfeidröhrenanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Teil aus einer einzigen Windung einer Doppelwendel besteht, deren erste Wendel einen rechteckigen Querschnitt aufweist.

5. Wanderfeldröhrenanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den beiden Teilen der Doppelwendel eine Verbindung vorgesehen ist, die in Form eines leitenden zylinderförmigen Belages auf der Röhreninnenwand ausgebildet ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Schweizerische Patentschrift Nr. 228 074;
französische Patentschrift Nr. 877 643.

Entgegengehaltene ältere Rechte:
Deutsches Patent Nr. 832 025.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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