DE1052479B - Lauffeldroehre - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung betrifft Lauffeldröhren nach Art der Wanderfeldröhren, in denen Energie zwischen einem Elektronenstrahl und dem Feld einer wandernden Hochfrequenzwelle ausgetauscht wird, sie bezieht sich insbesondere auf die Bauteile, welche die hochfrequente Welle in derartigen Anordnungen führen.

Bei vielen Lauffeldröhren pflanzt sich die hochfrequente Welle auf einer Wendelleitung fort, deren Durchmesser und Steigung so gewählt sind, daß die Phasengeschwindigkeit der Welle in Längsrichtung im wesentlichen gleich der Geschwindigkeit des Elektronenstrahls ist, der in Längsrichtung der Wendel verläuft. Um den optimalen Energieaustausch oder die optimale Einwirkung zwischen dem Elektronenstrahl und dem Hochfrequenzfeld sicherzustellen, muß die Betriebsspannung sowie die geometrische Form der Wendel richtig gewählt werden. Es wurde gefunden, daß in der Praxis eine gute Einwirkung erhalten wird, wenn die folgenden Bedingungen erfüllt sind:

Lauffeldröhre

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2πα Xv

>1

wobei α der Radius der Wendel, λ die Wellenlänge der hochfrequenten Welle, ν die Geschwindigkeit des Elektronenstrahles und c die Lichtgeschwindigkeit ist. Es sei bemerkt, daß eine gute Einwirkung auch noch erhalten wird, wenn der Wert der Größe

2πα

λν

unter den Wert 1 fällt, wobei jedoch ein solcher niedriger Wert das Vorhandensein eines Elektronenstrahles mit sehr kleinem Durchmesser voraussetzt, der schwierig zu erreichen ist. Die angegebene Bedingung stellt daher tatsächlich den praktischen Arbeitsbereich einer Lauffeldröhre dar, die eine einfache Wendel als Verzögerungsleitung benutzt.

Die oben angegebene Bedingung kann ziemlich leicht erfüllt werden, wenn eine Lauffeldröhre mit niedriger Spannung betrieben wird, so daß eine günstige Einwirkung und infolgedessen eine günstige Verstärkungscharakteristik erhalten werden kann; es entstehen jedoch verschiedene Schwierigkeiten bei solchen Röhren, die eine einfache schraubenförmige Verzögerungselektrode benutzen und mit verhältnismäßig hohen Spannungen (10 kV oder mehr) arbeiten.

Wenn die Spannung erhöht wird, nimmt die Strahlgeschwindigkeit zu. Es ist daher erwünscht, daß der Radius α der Wendel um einen entsprechenden Betrag vergrößert wird, damit ein Betrieb innerhalb der oben Anmelder:

Varian Associates,
Palo Alto, Calif. (V. St. A.)

Vertreter: Dr.-Ing. W. Reichel, Patentanwalt,
Frankfurt/M. 1, Parkstr. 13

Martin Chodorow, Ladera Menlo Park, Calif. (V. St. Α.), ist als Erfinder genannt worden

angegebenen Bedingungen möglich ist. Um die Phasengeschwindigkeit der hochfrequenten Welle in Längsrichtung mit der erhöhten Geschwindigkeit des Elektronenstrahles in Beziehung zu setzen, ist es auch notwendig, die Steigung der Wendel zu erhöhen. Es wurde gefunden, daß eine solche Vergrößerung des Radius und der Steigung der Wendel die Impedanz verringert und daher auch die Verstärkungseigenschaften der Röhre vermindert. Die Erklärung hierfür ist kurz folgende: Die Impedanz der Wendel wird im allgemeinen durch die Beziehung

ß2P

ausgedrückt, wobei E die einwirkende Feldkomponente oder Längsfeldkomponente der laufenden Welle, β die Phasenkonstante der Welle und P der gesamte Kraftfluß ist.

Wenn die Wendel einen größeren Radius und eine größere Steigung hat, dann führen die anderen Fourierkomponenten der Welle, welche mit anderen Phasengeschwindigkeiten als die einwirkende Komponente E wandern und daher nicht auf den Elektronenstrahl einwirken, relativ einen größeren Betrag der Gesamtleistung P, so daß der in Längsrichtung verlaufenden einwirkenden Komponente E der Welle Energie entzogen und der Impedanzwert verringert wird.

Eine weitere Schwierigkeit, die beim Betrieb einer Lauffeldröhre mit einer einfachen Wendel als Verzögerungsleitung auftritt, besteht in der Erzeugung von Schwingungen infolge der sogenannten »rücklaufenden Welle«. Diese Schwingungen der rücklaufenden Welle ergeben sich aus der Zusammenwirkung des Elektronenstrahles mit einer Fourierkomponente der Welle, bei der die Energie in einer

809 769ß91

zur Strahlrichtung entgegengesetzten Richtung fortschreitet. Diese Fourierkomponente hat eine Phasengeschwindigkeit in der Strahlrichtung, die im wesentlichen gleich der Geschwindigkeit des Strahles ist. Derartige Schwingungen können in jeder Lauffeldröhre entstehen, die eine einfache Wendel als Verzögerungsleitung aufweist, und zwar besonders dann, wenn der Strahl die Wendel fast ausfüllt. Diese Schwingungen sind bei einer Verstärkerröhre unerwünscht.

Es ist bekannt, eine Verzögerungsleitung derart auszubilden, daß die Wandung aus einem oder mehreren Paaren von schraubenförmig gewundenen Leitern mit entgegengesetztem Wicklungssinn bestehen, die an einer verhältnismäßig großen Zahl von Kreuzungspunkten verbunden sind und deren Steigungswinkel im wesentlichen gleich und entgegengesetzt ist. Bei dieser bekannten Anordnung haben die Wendel getrennte Anschlußpunkte, die im Abstand voneinander liegen, so daß die Anschlußpunkte bei normalem Betrieb verschiedene Potentiale infolge der verschiedenen Phasenverbindungen führen. Die Ströme in den Wendeln haben eine Phasenverschiebung zueinander und sind auch verschieden groß, was als ungünstig betrachtet werden muß.

Gemäß der Erfindung sind die Strombahnen der Verzögerungsleitung erst nach der Einkoppelstelle und bereits vor der Auskoppelstelle parallel geschaltet, und die Ausbildung des Elektrodenaufbaues und der Einrichtung zur Zu- und Abführung der hochfrequenten Welle sind so ausgeführt, daß die Ströme gleichphasig und gleich groß sind und daß die elektrischen Längsfeldkomponenten der Welle sich in den Bahnen addieren und die. unerwünschten Teilwellen auf einen kleinen Wert reduziert werden.

Auch mit bekannten Anordnungen, bei denen in einer äußeren Schraubenwendel eine innere gegenläufige Wendel kleineren Durchmessers angeordnet ist, läßt sich diese Arbeitsweise nicht erzielen. Durch die Ausbildung der Verzögerungsleitung gemäß der Erfindung wird das Auftreten von Schwingungen der rücklaufenden Welle weitgehend verhindert. Außerdem wird der Energieerhält der Wechselwirkungskomponente der Lauffeldröhre auf einen möglichst günstigen Wert gebracht.

Die Verzögerungsleitung kann gemäß einem Ausführungsbeispiel aus zwei gegenläufig gewickelten Wendeln mit gemeinsamen Anschlußpunkten bestehen, die so angeregt werden, daß sich die longitudinalen Feldkomponenten addieren. Die Verzögerungsleitung kann z. B. aus zwei in gegenläufigem Sinn gewickelten gegeneinander isolierten Drahtwendeln bestehen.

Es empfiehlt sich, im Bereich des Eingangs- und des Ausgangskreises geradlinige Koppelleiter jeweils dem Verbindungspunkt der Strombahnen und einem zylindrischen, den Elektronenstrahl umschließenden Ring einzuschalten.

Bei einer anderen Ausführungsform kann die Verzögerungsleitung aus einer Reihe von im Abstand voneinander senkrecht zur Strahlbahn ausgerichteten Ringen bestehen, die je an diametral entgegengesetzten Punkten mit den benachbarten Ringen durch geradlinige Leiterteile verbunden sind. Die Verzögerungsleitung kann ferner aus einer Metallröhre hergestellt sein, die auf gegenüberliegenden Seiten abwechselnd angeordnete Einschnitte aufweist, durch die parallele Bahnabschnitte für gleich große und gleichphasige Ströme gebildet werden.

Weitere Merkmale und Einzelheiten des Erfindungsgegenstandes gehen aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen hervor, die in der Zeichnung dargestellt sind.

Fig. 1 ist ein Schnitt einer Lauffeldröhre gemäß der Erfindung, der zum Teil schematisch ausgeführt ist;

Fig. 2 ist ein Querschnitt nach der Linie 2-2 der Fig. 1;

Fig. 3 ist eine Teilansicht der Verzögerungsleitung der Fig. 1, von oben gesehen;

Fig. 4 ist ein Schnitt nach der Linie 4-4 der Fig. 3;

Fig. 5 ist eine Teilseitenansicht der Verzögerungsleitung der Fig. 1;

Fig. 6 ist eine schaubildlichc Ansicht einer abgeänderten Form der Verzögerungsleitung;

Fig. 7 ist eine Seitenansicht einer weiter abgeänderten Form der Verzögerungsleitung, bei der ein Teil abgebrochen dargestellt ist;

Fig. 8 ist ein Schnitt nach der Linie 8-8 der Fig. 7, und

Fig. 9 ist eine Ansicht einer weiteren abgeänderten Form einer Verzögerungsleitung gemäß der Erfindung.

Die Erfindung ist in Verbindung mit einer Verzögerungsleitung dargestellt, welche die unerwünschten Fourierkomponenten einer hochfrequenten Welle, und zwar die sogenannten veränderlichen Φ-Komponenten, auf einen kleinen Wert herabsetzt. Dies wird dadurch erreicht, daß zwei Wendel von im wesentlichen dem gleichen Durchmesser in umgekehrten Richtungen gewickelt werden, und indem die hochfrequente Welle der sich daraus ergebenden Verzögerungsleitung derart zugeführt wird, daß die veränderlichen Φ-Komponenten vermindert werden und die nützlichen auf den Strahl einwirkenden Komponenten der auf den beiden im Gegensitz gewickelten Wendeln wandernden Welle sich addieren. Da die veränderlichen Φ-Komponenten, die bei Benutzung einer einfachen Wendel auftreten, durch die angegebene Verzögerungsleitung vermindert werden, wird ein Betrieb der Lauffeldröhre mit hoher Spannung bei verhältnismäßig günstigen Verstärkungseigenschaften möglich, und die Schwingungen der rücklaufenden Welle werden im wesentlichen beseitigt.

Die zwei Schwingungszustände auf einer gegenläufig gewickelten Wendel, welche den normalerweise benutzten Schwingungszuständen einer einfachen Wendel entsprechen, können die gleiche oder entgegengesetzte Polarität aufweisen. Der erste Schwingungszustand, bei dem entgegengesetzte Polarität vorhanden ist, erzeugt ein Feld zwischen den beiden Wendeln von verhältnismäßig großer Stärke und ein axiales oder Längsfeld von vernachlässigbarem Wert. Der zweite Schwingungszustand, bei dem die beiden Wendelspannungen die gleiche Polarität haben, ist im Gegenteil durch ein kleines Feld zwischen den Wendeln und eine große Längskomponente ausgezeichnet, die für die Zusammenwirkung mit dem Strahl nutzbar ist. Wenn daher die hochfrequente Energie der gegenläufig gewickelten Wendel gemäß der Erfindung zugeführt wird, so daß der richtige Polaritätszustand erfüllt ist, dann wird der erste obenerwähnte Schwingungszustand tatsächlich unterdrückt und nur der nutzbare zweite Schwingungszustand an der Verzögerungsleitung auftreten. Da dieser zweite Zustand derjenige ist, bei dem die Wendelspannungeu gleiche Polarität haben, ist es nicht notwendig, daß die Wendeln gegeneinander isoliert sind.

In Fig. 1 ist eine Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes dargestellt, bei der eine Lauffeldröhre eine zylindrische Glashülle 10 aufweist, die an einem Ende durch eine Auffangelektrode 11 abgeschlossen ist. Die Auffangelektrode 11 ist an ihrem Rand her-

inetisch mit der Glashülle 10 verschmolzen und hat eine zentrale Bohrung 12 zum Auffangen der Elektronen, welche die Länge der Lauffeldröhre durchlaufen haben. Die Auffangelektrode 11 wird durch eine geeignete Gleichspannungsquelle 14 auf einem gewünschten positiven Potential gegenüber der Kathode 13 der Röhre gehalten; die Kathode 13 ist am anderen Ende der Glashülle 10 innerhalb eines Glasbechers 15 angebracht, der mit einem zylindrischen Randteil 16a eines Fokussierringes 16 verschmolzen ist. Die Verbindung ist so ausgebildet, daß der Fokussierring 16 die von der Kathode 13 emittierten Elektronen in einen dünnen geradlinigen Strahl in Axial- oder Längsrichtung der Röhre bündelt. Die Kathode 13 wird durch einen geeigneten Heizfaden geheizt, der mit einer Heizspannungsquelle 17 verbunden ist, um die Emission hervorzurufen; an dem Fokussierring 16 liegt ein positives Potential einer Gleichspannungsquelle 19. Die Elektronen werden in Form eines gebündelten Strahles mit Hilfe einer Magnetspule 18 durch die Röhre geführt.

Die Verzögerungselektrode 20 ist in axialer Richtung der Röhre zwischen der Kathode und dem Auffängerende derselben mit Hilfe von drei Glasstäben 21 gehaltert (Fig. 2) und an jedem Ende mit einer Antenne 22 verbunden, welche vorzugsweise die Form eines hohlen zylindrischen Abschnittes hat. Die Antenne 22 am Kathodenende der Röhre nimmt hochfrequente Energie aus einem üblichen Wellenleiter 23 auf, der mit einem abgeschrägten Teil in die Nähe der Röhre geführt ist, so daß eine richtige Anpassung an die \^erzögerungsleitung 20 erfolgt. Er ist außerdem mit einem kurzen seitlichen Flansch 24 in der Nähe der Antenne 22 versehen, um die Ankopplung zu verbessern. Eine ähnliche Anordnung dient dazu, die hochfrequente Energie von der Antenne 22 an dem Auffängerende der Röhre auszukoppeln und einem Wellenleiter 25 zuzuführen. Eine positive Gleichspannung wird der Verzögerungsleitung 20 durch Verbindung mit der Auffangelektrode 11 an der Stelle 2Oo zugeführt.

Es ist ersichtlich, daß die hochfrequente Energie durch Kopplung von den üblichen koaxialen Leitungen auf die Enden der Verzögerungsleitung 20 übertragen werden kann. Der mittlere Leiter der koaxialen Leitung ist dann mit dem einen Ende der Verzögerungsleitung verbunden, und der äußere Leiter kann mit einer metallischen Abschirmung verbunden sein, welche die Glashülle umgibt.

Die Verzögerungsleitung 20 der Fig. 1, 2, 3, 4 und 5 enthält die obenerwähnte gegenläufig gewickelte Wendel, wobei diese Leitung in besonders einfacher Weise hergestellt ist. Eine Reihe von V-förmigen Einschnitten 26 ist auf einer Seite eines zylindrischen Metallrohres 27 mit Hilfe eines Fräsers eingeschnitten, der in Fig. 3 durch die strichpunktierte Linie 28 angedeutet ist und der durch das Rohr in Richtung des Pfeiles A in Fig. 4 hindurchgeführt wird. Das Rohr wird dann um eine halbe Drehung gewendet, und eine zweite Reihe von Einschnitten 29, die gegenüber der ersten Reihe versetzt ist, aber gleiche Form hat, wird von dieser Seite der Röhre eingeschnitten.

Wie aus Fig. 1 hervorgeht, sind die Einschnitte 26, 29 in der Nähe des Eingangs und des Ausgangs erweitert, um die Steigung der Wendel zu vergrößern und so die richtige Anpassung an die Eingangs- und Ausgangswellenleitungen zu erzielen. Außerdem ist jede Antenne, um die obenerwähnte Bedingungen der gleichen Polarität der Spannungen auf der gegenläufig gewickelten Wendel zu erfüllen, mit den Wendeln an einem gemeinsamen Punkt 30 verbunden. Auf diese Weise werden zwei wendeiförmige und elektrisch parallele Bahnen für die hochfrequente Energie auf der Verzögerungsleitung der Fig. 1 vorgesehen, welche, wie oben erwähnt, den Energieverlust durch die nicht einwirkenden Fourierkomponente verringern und die rückläufigen Schwingungen im wesentlichen beseitigen.

Wahlweise können auch andere Leitungen hergestellt werden, die im Endergebnis einen schraubenförmigen und elektrisch parallelen Weg für die hochfrequente Welle bilden. Wie aus Fig. 6 hervorgeht, kann eine Verzögerungsleitung nach dem Prinzip der gegenläufig gewickelten Wendel durch eine Reihe von Ringen 31 gebildet werden, von denen jeder mit einem Ring an gegenüberliegenden Enden verbunden ist, die um 180° zueinander versetzt sind. Die Verbindung erfolgt durch kurze Stege 32, deren Länge von der Geschwindigkeit des Strahles und der Frequenz der hochfrequenten Welle abhängt. Sowohl diese als auch die erstbeschriebene Verzögerungsleitung sind mechanisch starr, so daß sie in der Röhre je nach dem verfügbaren Raum und der Konstruktion in verschiedener Weise montiert werden können.

In Fig. 7 und 8 ist eine Ausführungsform dargestellt, die gegeneinander isolierte Wendel enthält und eine zylindrische Glasrohre 33 aufweist, an deren innerer und äußerer Oberfläche Drahtwendeln 34 und 35 angeordnet sind. Die einzige Bedingung für eine solche Leitung ist die, daß die Dicke des rohrförmigen Trägers 33 nicht zu groß sein darf, damit die Durchmesser der Wendeln 34 und 35 nicht zu verschieden ausfallen; andernfalls wird ein Energiebetrag von der veränderlichen Φ-Komponente geführt und geht für die nutzbare Verwendung verloren.

Die gegenläufig gewickelten Wendel können auch aus Drähten 36, 37 gebildet werden, die beide auf die Außenseite eines Glasrohres 38 nach Fig. 9 gewickelt sind. Da in jedem Fall die Wendel so angeordnet sind, daß sie den Schwingungszustand erzeugen, bei dem die Spannungen gleiche Polarität haben, ist es, wie oben erwähnt, uinefhebl'ilöh, ob die Wendel einander nach Fig. 9 berühren oder ob sie nach Fig. 7 und 8 gegeneinander isoliert sind.

Es sei bemerkt, daß jede der verschiedenen oben beschriebenen gegenläufig gewickelten Wendelleitungen von einem Glaszylinder oder von Glasrohren gehaltert werden. Derartige Halterungen ergeben bei Verwendung einer Verzögerungsleitung mit einfacher Wendel, wie oben erwäihnt, eine Verringerung der Impedanz

Die Verringerung der von den nicht einwirkenden-Fourierkomponenten der hochfrequenten Welle geführten Leistung, welche sich aus der Konstruktion der gegenläufig gewickelten Wendel ergibt, vermindert die Verluste in dem Glas oder in einem anderen Dielektrikum der Halterung beträchtlich. Die gegenläufig gewickelte Wendel der Verzögerungsleitung gemäß der Erfindung begünstigt daher aus einer Anzahl von Gründen den Austausch der Energie zwischen dem Elektronenstrahl und dem Feld einer fortschreitenden hochfrequenten Welle.

Verschiedene andere Abänderungen der Verzögerungsleitung sind gemäß der Erfindung möglich. Außerdem kann die Verzögerungsleitung auch nicht nur bei Lauf feldröhren mit Vorteil verwendet werden, sondern auch bei anderen Elektronenröhren, bei denen

ein Elektronenstrahl Energie gegenüber einem hochfrequenten Feld austauscht. Ein Beispiel hierfür ist z. B. der lineare Beschleuniger.

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Lauffeldröhre nach Art einer Wanderfeldröhre, bei der Energie zwischen einem Elektronenstrahl und dem Feld einer hochfrequenten Welle ausgetauscht wird, welche längs eines den Strahl umgebenden Wellenleiters läuft und bei der der mit Verzögerungseigenschaften ausgestattete Wellenleiter aus mehreren zwischen Eingangsund Ausgangskreis parallel geschalteten Strombahnen besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die Strombahnen der Verzögerungsleitung erst nach der Einkoppelstclle und bereits vor der Auskoppelstelle parallel geschaltet sind, daß die Ausbildung des Elektrodenaufbaues und der Einrichtungen zur Zu- und Abführung der hochfrequenten Welle so ausgeführt sind, daß die Ströme gleichphasig und gleich groß sind, und daß die elektrischen Längsfeldkomponenten der Welle sich in den Bahnen addieren und die unerwünschten Teilwellen auf einen kleinen Wert reduziert werden.

2. Lauffeldröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerungsleitung aus zwei gegenläufig gewickelten Wendeln mit gemeinsamen Anschlußpunkten besteht, die so angeregt werden, daß die longitudinalen Feldkomponenten sich addieren.

3. Lauffeldröhre nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerungsleitung aus zwei in gegenläufigem Sinn gewickelten, gegeneinander isolierten Drahtwendeln besteht.

4. Lauffeldröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich des Eingangs- und Ausgangskreises geradlinige Koppelleiter jeweils zwischen dem Verbindungspunkt der Strombahnen und einem zylindrischen, den Elektronenstrahl umschließenden Ring eingeschaltet sind.

5. Abänderung einer Lauffeldröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß kleine Abschnitte der parallelen Strombahnen durch gemeinsame Leiterteile gebildet werden.

6. Lauffeldröhre nach Ansprüchen 2 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die gegenläufig gewickelten Wendeln regelmäßig wiederkehrende Verbindungspunkte in Längsrichtung der Wendeln aufweisen, zwischen denen die Ströme gleichphasig und gleich groß auf parallelen Bahnen verlaufen.

7. Lauffeldröhre nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerungsleitung aus einer Metallröhre besteht, die auf gegenüberliegenden Seiten abwechselnd angeordnete Einschnitte aufweist, durch die parallele Bahnabschnitte für gleich große und gleichphasige Ströme gebildet werden.

8. Lauffeldröhre nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerungsleitung aus einer Reihe von im Abstand voneinander, senkrecht zur Strahlbahn ausgerichteten Ringen besteht, die je an diametral entgegengesetzten Punkten mit den benachbarten Ringen durch geradlinige Leiterteile verbunden sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 856 469, 893 695;
österreichische Patentschrift Nr. 176 614;
britische Patentschrift Nr. 646 545, 646 546, 668 017.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

© 809 769/391 3.59