DE1058161B - Reflexklystron - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Höchstfrequenzerzeuger nach Art eines Reflexklystrons.

Es. sind Anordnungen bekannt, bei welchen ein Reflexklystron in der Frequenz moduliert wird, indem man die Reflektorspannung in Abhängigkeit von dem modulierenden Signal ändert. Es hat sich jedoch gezeigt, daß Refiexklystrons der üblichen Bauart mit ionenfokussiertem Strahl in ihrer Frequenzmodulationscharakteristik Störwirkungen aufweisen. Insbesondere wurde festgestellt, daß bei gewissen Modulationsfrequenzen in der Trägerfrequenz eine Verschiebung auftreten kann, die häufig von einem starken Abfall des Stromes der Reflektorelektrode begleitet ist. Wenn beispielsweise eine Frequenzmodulation über ein Band von etwa 1 MHz Breite oder mehr angewendet wird, treten erhebliche Frequenzverschiebungen des Trägers in einem Bereich von einigen kHz bis zu mehreren MHz auf. Diese — Störwirkungen haben eine Verzerrung der Modulation und folglich der übertragenen Nachricht zur Folge, die die Anwendbarkeit des Reflexklystrons bei mit Frequenzmodulation arbeitenden Nachrichtenübertragungssystemen beschränkt.

Wahrscheinlich sind diese Frequenzverschiebungen bei Reflexklystronen durch die Erscheinung der Plasmaschwingungen bedingt. Die Erscheinung der Plasmaschwingungen ist an sich bekannt und beispielsweise in dem Buch von Cobine: »Gaseous Conductors«, McGraw Hill, 1941, S. 133 ff., beschrieben. Eshandelt sich dabei um folgendes:

Wenn eine Gruppe von Elektronen sich in einer Entladungsbahn bewegt, ergibt sich jeweils am Ort der Elektronen ein negativer Ladungsüberschuß und an dem Ort, wo die Elektronen sich vorher befanden, ein positiver Ladungsüberschuß. Daraus ergibt sich eine resultierende Kraft, welche die Elektronen in ihre vorhergehende Lage zurückzuholen sucht, und diese Kraft führt, wiederum dazu, daß die Elektronen um diese Lage schwingen. So wurden Schwingungen bis hinauf zu 1000 MHz festgestellt. Es handelt sich dabei um Schwingungen, die keinen abgestimmten Kreis voraussetzen, sondern lediglich Elektronenschwingungen innerhalb der Elektronenbahn sind.

Wenn beispielsweise der Hohlraumresonator eines Reflexklystrons auf eine Eigenfrequenz von 1000 MHz abgestimmt ist, wird auch die von der Röhre abgegebene Trägerfrequenz 1000 MHz betragen. Wird nun dieser Träger z. B. mit einer der Reflektorelektrode zugeführten Signalfrequenz von 2 MHz in der Frequenz moduliert, so müßte nach der Theorie der Träger von 1000 MHz von 998 bis 1002 MHz schwanken. Es wurde nun beobachtet, daß bei gewissen Frequenzen in dem Modulationsbereich (der im vorliegenden Beispiel mit 2 MHz angenommen wurde) die Träger-Reflexklystron

Anmelder:

Sperry Rand Corporation,
Wilmington, Del. (V. St. A.)

Vertreter: Dipl.-Ing. C Wallach, Patentanwalt,
München 2, Kaufingerstr. 8

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 2. Dezember 1953

Charles E. Rich, Hempstead, Ν. Y.,
so und David E. Kenyon, Gold Spring Harbor, Ν. Υ.

(V. St. Α.),
sind als Erfinder genannt worden

frequenz von 1000 MHz auswandert, und zwar kann diese Verschiebung zwischen einigen kHz und mehreren MHz betragen. Beispielsweise kann der Träger bis auf 1010 MHz auswandern.

Die Erfindung bezweckt, die erwähnten Nachteile zu vermeiden und ein Reflexklystron zu schaffen, welches sich besonders zur Anwendung bei frequenzmodulierten Übertragungen eignet. Insbesondere bezweckt die Erfindung ein Reflexklystron zu schaffen, welches über mehrere MHz frequenzmoduliert werden kann, wobei die Verzerrung infolge der Frequenzverschiebung der Trägerfrequenz äußerst klein ist. Zu diesem Zweck ist ein Reflexklystron, bei dem zwischen der Kathode und dem Resonatorspalt eine rohrförmige Elektrode vorgesehen ist, welche den von der Kathode kommenden Elektronenstrahl koaxial umschließt und deren Innenwand als Auffangelektrode für den reflektierten Elektronenstrahl dient, gemäß der Erfindung in der Weise ausgebildet, daß zumindest längs eines Abschnitts der rohrförmigen Elektrode deren Innenwand leitende Teile aufweist, welche parallel zur Rohrachse angeordnet sind und in wenigstens annähernd radialer Richtung stegartig von der Innenwand der rohrförmigen Elektrode hervorstehen, und zwar nur so weit, daß der von der Kathode kommende Elektronenstrahl nicht behindert wird.

Es ist bereits bekannt, eine rohrförmige Elektrode zwischen der Kathode und dem Resonatorspalt eines

909 52δ/309·

Reflexklystrons vorzusehen, welche, den von der Kathode kommenden Strahl koaxial umgibt. Auf S. 1433 der Zeitschrift »Proceedings of the Institute of Radio Engineers« vom Dezember 1947 ist ein Reflexklystron dargestellt, bei welchem eine Beschleunigungsanode (Fokussierungsanode) einer derartigen Gestalt Verwendung findet. Bei dem bekannten Reflexklystron wurde diese besondere Form aus Gründen gewählt, die mit der Fokussierung der Elektronen zusammenhängen. Es ist zwar möglich, daß reflektierte Elektronen an den Innenwänden dieser Elektrode aufgefangen werden. Es fehlt jedoch jeder Hinweis, daß diese Elektronen verantwortlich sind für Störungen der vorgenannten Art, und es ist in dieser Veröffentlichung auch kein Hinweis auf irgendwelche Maßnahmen zu finden, welche derartige Störungen vermeiden könnten.

In der britischen Patentschrift 632 948 ist ein Reflexklystron mit einer rohrförmigen Elektrode beschrieben, welche zwischen der Kathode und dem Resonatorspalt vorgesehen ist und den von der Kathode kommenden Elektronenstrahl koaxial umschließt. Die Innenwand dieser Elektrode dient auch als Auffangelektrode für den reflektierten Elektronenstrahl. Bei der bekannten Röhre sollen jedoch lediglich Änderungen der Resonanzfrequenz des Resonators vermieden werden, welche auf Temperaturänderungen zurückzuführen sind.

In der französischen Patentschrift 1 038 542 ist in Fig. 1 ein Zweikammerklystron dargestellt, welches einen zylindrischen Laufraum hat, in dessen Innenwand an dem der Kathode abgewandten Ende axiale Nuten vorgesehen sind, deren Tiefe in Strahlrichtung zunimmt.

Der Zweck der Nuten besteht darin, es zu ermög- 3, liehen, daß mehr Elektronen den Auskoppelspalt durchlaufen können. Das der Erfindung zugrunde liegende Problem tritt bei der bekannten Einrichtung nicht auf, denn bei dem in der genannten französischen Patentschrift beschriebenen Klystron gibt es keine reflektierten Elektronen.

Es hat sich gezeigt, daß durch die Anwendung der erfindungsgemäßen, sich nach innen erstreckenden leitenden Teile die nachteiligen Wirkungen, welche bei der Frequenzmodulation der oben beschriebenen Reflexklystrone auftreten, vermindert werden.

Gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes bestehen die hervorstehenden leitenden Teile aus dünnen Platten. Diese Platten können in Ebenen verlaufen, welche die Strahlachse enthalten. Sie können durch die Seitenstege von rinnenförmigen Körpern gebildet werden, welche an der Innenwand der rohrförmigen Elektrode leitend befestigt sind.

Die hervorstehenden leitenden Teile können auf einen Abschnitt der rohrförmigen Elektrode beschränkt sein, welcher von der Kathode durch einen größeren Abstand getrennt ist und bis in die Nähe des Resonatorspalts reicht.

Vorzugsweise besitzt die rohrförmige Elektrode E einen kreisförmigen Querschnitt.

Die Oberflächen der hervorstehenden leitenden Teile bzw. die Gesamtinnenfläche der rohrförmigen Elektrode können geschwärzt sein, um — wie bekannt — die Abgabe von Sekundärelektronen möglichst ί klein zu halten.

Die der Elektronenströmung zugewandten Kanten der hervorstehenden leitenden Teile können auf der Mantelfläche eines zur rohrförmigen Elektrode koaxialen (gedachten) Zylinders liegen. ;

Zweckmäßigerweise wird ein ionenfokussierter Elektronenstrahl verwendet.

Weitere AOrteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels an Hand der Zeichnung. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine zum Teil geschnittene Ansicht eines Reflexklystrons gemäß der Erfindung,

Fig. 2 einen Schnitt nach der Linie 2-2 der Fig. 1 in vergrößertem Maßstabe.

Fig. 1 zeigt ein Reflexklystron an sich bekannter Bauart, bei welcher ein Hohlraumresonator 10 einen Teil des Vakuumgefäßes bildet. Der Hohlraum wird im wesentlichen durch die zylindrische Außenwand 12, die feste Stirnwand 14 und den biegsamen Teil 16 gebildet, der an seinem Außenumfang in einem Ringkörper 18 gelagert ist, welcher seinerseits an der zylindrischen Wand 12 befestigt ist.

Ein Elektronenstrahlerzeuger 20 ist in einem zylindrischen Gehäuse 22 eingebaut, das einen Teil des Vakuumgefäßes der Röhre bildet und an der unteren Stirnwand 14 des Hohlraumresonators 10 befestigt ist. Der Strahlerzeuger 20 und das zylindrische Gehäuse 22 sind an einem Sockel 24 angebracht, der die elektrischen Verbindungen zu der Kathode, der Fokussierungselektrode und dem Heizdraht vermittelt. Der Strahlerzeuger 20 sendet einen Elektronenstrahl durch den Hohlraumresonator 10 in Richtung der Röhrenachse.

In den Resonatorhohlraum ragt ein metallisches Rohr 26, welches den Elektronenstrahl gegen die im Hohlraum vorhandenen elektrischen Felder abschirmt und so einen im wesentlichen feldfreien Raum schafft, durch welchen der Elektronenstrahl hindurchgeht. An dem oberen Ende des Rohres 26 ist ein Gitter 28 vorgesehen, welches zusammen mit einem in der oberen Stirnwand des Hohlraumresonators 10 angebrachten Gitter 30 einen Spalt bildet, in welchem nach der bekannten Wirkungsweise des Reflexklystrons der Strahl in Wechselwirkung mit dem elektromagnetischen Feld des Hohlraumresonators 10 tritt. Am unteren Ende des Rohres 26 ist ein an sich ebenfalls bekanntes Glättungsgitter 31 vorgesehen.

In der Bahn des Elektronenstrahles ist eine Reflektorelektrode 32 angeordnet, um die Elektronen durch den Resonatorspalt zurückzuwerfen. Der elektrische Anschluß zu der Reflektorelektrode 32 erfolgt durch eine Kappe 34, die von einem Isolator 36 getragen wird. Dieser Isolator isoliert die Kappe 34 gegen die metallische Wand 38, die den oberen Teil des Vakuumgefäßes des Klystrons bildet.

Das Klystron wird in bekannter Weise mechanisch durch die Einstellschrauben 40 abgestimmt, die zwischen der Ringplatte 18 und einer zweiten Ringplatte 42, welche an der Wand 38 des oberen Teiles des Klystrons befestigt ist, angreifen. Die Schrauben 40 wirken gegen die Federn 44, so daß durch Verstellung der Schrauben 40 der Abstand zwischen den Platten 18 und 42 und dadurch der Abstand zwischen den Gittern 28 und 30 verändert wird. Der Federdruck kann mit Hilfe von Einstellmuttern 47 und Schraubenbolzen 45 geregelt werden, die an der Platte 18 befestigt sind.

Das Ausgangssignal wird aus dem Resonatorhohlraum über eine koaxiale Leitung 46 ausgekoppelt, deren Innenleiter 48 als Sonde in den Resonatorhohlraum eintaucht.

Wenn das beschriebene Reflexklystron bei Dauerstrichbetrieb mit Frequenzmodulation verwendet wird, treten die obenerwähnten Störwirkungen auf, d. h. daß

Claims (1)

bei gewissen Modulationsfrequenzen eine plötzliche Verschiebung in der Trägerfrequenz eintritt, die häufig begleitet ist von einem Abfall des Stromes in der Reflektorelektrode und von einem Abfall der Modulationsausgangsleistung. Diese Störeffekte werden im wesentlichen ausgeschaltet, wenn gemäß der Erfindung mehrere leitende Stege oder Rippen 50> die vorzugsweise aus Nickel bestehen, an der Innenwand einer zylindrischen Nickelhülse 52 vorgesehen werden, die in das Rohr 26 eingedrückt ist. Diese Rippen werden vorzugsweise durch rinnenförmige Körper gebildet, die an der Innenwand der Hülse 52 durch Punktschweißung befestigt sind (Fig. 2). Die so gebildeten Rippen ragen in den Bereich des Elektronenstrahles vor, sind aber so ausgebildet, daß sie den von der Kathode kommenden Strahl nicht behindern, sondern einen zylindrischen Durchgangsraum von solchem Durchmesser begrenzen, daß der Elektronenstrahl von der Kathode durch das Rohr 26 ohne Beeinträchtigung hindurchtreten kann. Die Rippen sind, damit sie den Elektronenstrahl nicht behindern, zweckmäßig so ausgebildet, daß sie sich nicht über die ganze Länge des Rohres 26 erstrecken, sondern in einem gewissen Abstand von dem Glättungsgitter 31 in einem Bereich endigen, wo der vom Strahlerzeuger 20 kommende Elektronenstrahl noch stark ausladet. Es hat sich gezeigt, daß durch die gemäß der Erfindung in dem Rohr 26 vorgesehenen Rippen die obenerwähnten Störeffekte bei einem Reflexklystron praktisch beseitigt werden. Die Bedeutung und Wirkung der Rippen, welche die bei Frequenzmodulation mittels eines Reflexklystrons auftretenden Störeffekte unterdrücken, wird ohne weiteres klar, wenn man die über die Ursache der Trägerverschiebung bestehende Theorie in Betracht zieht. Der von der Kathode ausgehende Elektronenstrahl geht durch das Rohr 26 zu dem Resonatorspalt. In dem Bereich des Rohres 26 tritt dabei eine Ionenfokussierung des Strahles ein, und zwar infolge der Anwesenheit von Ionen, die in dem Bereich zwischen den Enden des Rohres 26 gewissermaßen »gefangen« sind. Die von der Reflektorelektrode 32 zurückgeworfenen Elektronen werden, wenn sie durch den Resonatorspalt laufen, ziemlich stark zerstreut und treffen auf die Innenwand des Rohres 26 bzw. der Hülse 52 auf, wo sie die Abgabe von Sekundärelektronen bewirken. Diese Sekundärelektronen beeinflussen die Arbeitsweise des Klystrons nicht besonders, solange das Klystron nicht moduliert wird. Im Bereich der rohrförmigen Elektrode besteht ein Potentialabfall zwischen dem Elektronenstrahl und der Wand des Rohres 26. Dieser Potentialabfall ist so, daß ein Zustand hergestellt wird, bei welchem innerhalb des Rohres eine Plasmaschwingung erzeugt werden kann. Dieser Potentialabfall sucht des weiteren, wenn das Ionengas zu der Plasmaschwingung erregt wird, zusammen mit dem reflektierten modulierten Elektronenstrahl die Schwingung aufrechtzuerhalten. Die natürliche Frequenz dieser Schwingung des Ionenplasmas liegt innerhalb des normalen betriebsmäßigen Frequenzmodulationsbereichs des Reflexklystrons. Wenn nun die Reflektorspannung während der Modulation geändert wird, treffen die reflektierten Elektronen auf die Innenwand des Rohres 26 bzw. der Hülse 52 in solcher Weise auf, daß die Erzeugung von Sekundärelektronen entsprechend dieser Modulation erfolgt. Dadurch wird die Plasmaschwingung erregt und aufrechterhalten. Diese Plasmaschwin- gungen führen zu einer Vergrößerung des Durchmessers des Elektronenstrahles, die wiederum einen Verlust an Ausgangsleistung, eine Änderung der Trägerfrequenz bzw. der effektiven Resonanzfrequenz des Resonators 10 nach sich zieht. Durch Anordnung der radialen Rippen in dem Rohr 26 wird die Plasmaschwingung auf doppelte Weise verhindert. Einmal bewirken sie durch ihre räumliche Gestaltung, daß ein großer Teil der in dem Rohr ίο 26 erzeugten Sekundärelektronen abgefangen und dadurch ihr Eintritt in das Ionenplasma verhindert wird. Außerdem verändern die radialen Rippen die Potentialverteilung besonders in dem in der Nähe der Wand des Rohres 26 bzw. der Hülse 52 gelegenen Bereich und beseitigen dadurch weitgehend die Vorbedingung für die Erregung und Aufrechterhaltung der Plasmaschwingung in dem Ionengas. Da bis zu einem gewissen Grade das Verhalten der Plasmaschwingung von der Sekundäremissionscharakteristik der Rohrwandung abhängig ist, wird durch Veränderung der Oberfläche der Charakter der Schwingung beeinflußt. Es hat sich daher als vorteilhaft erwiesen, wenn man die Innenflächen der-Hülse 52 und die Rippen 50 entsprechend behandelt, z. B. schwärzt, um eine Oberfläche zu schaffen, die einen verminderten Sekundäremissionskoeffizienten aufweist, um dadurch die Erzeugung von Sekundärelektronen zu vermindern. Aus der vorstehenden Beschreibung ist ersichtlich, daß die verschiedenen Ziele der Erfindung durch die verbesserte Ausbildung eines Reflexklystrons erreicht wurden, das wie üblich mit Ionenfokussierung des Strahles arbeitet. Das Reflexklystron kann in bekannter Weise in der Frequenz moduliert werden, indem die Spannung an der Reflektorelektrode geändert wird, wobei die Modulationsfrequenz über ein Fernsehfrequenzband mit vernachlässigbarer Verschiebung der Trägerfrequenz geändert werden kann. Diese verbesserte Wirkungsweise wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß zumindest längs eines Abschnitts der rohrförmigen Elektrode deren Innenwand leitende Teile 50 aufweist, welche parallel zur Rohrachse angeordnet sind und in wenigstens annähernd radialer Richtung stegartig von der Innenwand der rohrförmigen Elektrode hervorstehen, und zwar nur so weit, daß der von der Kathode kommende Elektronenstrahl nicht behindert wird. Die hervorstehenden leitenden Teile beeinflussen den Potentialgradienten zwischen Elektronenstrahl und Rohrwandung und fangen außerdem die Sekundärelektronen ab, welche von der Rohrwandung durch die reflektierten Elektronen emittiert werden. Die Erfindung beschränkt sich nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel, das in den Einzelheiten in mannigfacher Weise abgeändert werden könnte, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Patentansprüche:

1. Reflexklystron, bei dem zwischen der Kathode und dem Resonatorspalt eine rohrförmige Elektrode vorgesehen ist, welche den von der Kathode kommenden Elektronenstrahl koaxial umschließt und deren Innenwand als Auffangelektrode für den reflektierten Elektronenstrahl dient, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest längs eines Abschnitts der rohrförmigen Elektrode deren Innenwand leitende Teile (50) aufweist, welche parallel zur Rohrachse angeordnet sind und in wenigstens annähernd radialer Richtung