DE1270627B - Plasmaroehre mit variabler Reaktanz - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

H03b

Deutsche Kl.: 21 a4- 9/01

Nummer: 1270 627

Aktenzeichen: P 12 70 627.3-35

Anmeldetag: 26. Juni 1964

Auslegetag: 20. Juni 1968

Die Erfindung bezieht sich auf Plasmaröhren, die als Bauteile in Mikrowellenschaltkreisen verwendet werden sollen, und im besonderen auf einen veränderbaren Reaktanzresonator, mit dem eine Frequenzmodulation einer Mikrowellenröhre durchgeführt werden kann.

Eine Entladungsröhre, die Gas unter einem niedrigen Druck enthält und als Übertragungsglied für Mikrowellensignale verwendet wird, verhält sich bekanntlich wie ein Dielektrikum, dessen Dielektrizitätskonstante eine Funktion der Elektronendichte und damit eine Funktion des Entladungsstromes ist. Daher kann man die Resonanzfrequenz eines Plasma-Hohlraumresonators durch Änderungen des Entladungsstromes steuern.

Die einfachste Möglichkeit, ein Plasma zu erzeugen, besteht darin, in einem Edelgas zwischen einer heißen Kathode und einer Anode eine Gleichstromentladung hervorzurufen. Nun ist es aber bekannt, daß ein Plasma, das auf diese Weise erzeugt worden ist, beträchtliche Instabilitäten zeigt, die sich durch die Beobachtung spontaner Schwankungen der Klemmenspannung der Röhre nachweisen lassen. Die Schwankungen der Klemmenspannung der Röhre sind von Instabilitäten der Plasmaelektronendichte begleitet, die es unmöglich machen, solche Plasmaröhren zur Frequenzmodulation eines Resonators heranzuziehen.

Nun ist es bekannnt, daß man den Betrieb einer Plasmaröhre stabil und rauschfrei gestalten kann, wenn man das Gebiet, in dem Ionen erzeugt werden, auf das Gebiet zwischen Gitter und Anode der Plasmaröhre beschränkt. Eine Entladungsröhre, die mit einem Edelgas unter niedrigem Druck gefüllt ist und in der die Entladung durch ein feines, verhältnismäßig undurchlässiges Gitter zwischen der heißen Oxydkathode und der Anode in zwei Gebiete unterteilt ist, ist in einem Aufsatz von E. O. Johnson, J. Olmstead und V. M. Webster unter dem Titel »The Tacitron, a low noise thyratron capable of current interruptions by grid action« beschrieben worden, der in der Zeitschrift »Proceedings of the IRE«, Bd. 42, Nr. 9, September 1954, S. 1350 bis 1362, erschienen ist. In diesem Aufsatz ist auch beschrieben worden, wie man die Größe der Gitteröffnungen, das Gas und den Gasdruck sowie die Gesamtabmessungen der Röhre am besten wählen und aufeinander abstimmen kann. In diesem Falle ist das Gitterpotential das gleiche wie das Kathodenpotential. Eine Ionisation findet ausschließlich in dem Gebiet zwischen dem Gitter und der Anode statt, und die Ionen, die auf diese Weise erzeugt werden, Plasmaröhre mit variabler Reaktanz

Anmelder:

Thomson-Varian, Paris

Vertreter:

Dr.-Ing. W. Reichel, Patentanwalt,

6000 Frankfurt, Parkstr. 13

Als Erfinder benannt:

Jean Favalier, Saint-Maur (Frankreich)

Beanspruchte Priorität:

Frankreich vom 3. Juli 1963 (940 252)

diffundieren durch das Gitter hindurch und bilden im Kathodenraum ein kaltes Plasma. Diese Betriebsweise wird als »Anodenglimmbetrieb« bezeichnet und hat den Vorteil, daß bei diesem »Anodenglimmbetrieb« ein rauschfreies Plasma entsteht, wie es für die Steuerung der Resonanzfrequenz eines Resonators erforderlich ist. Der Aufbau der Röhre verbietet jedoch ihre Verwendung zur Frequenzsteuerung, da es sehr schwierig ist, zu vermeiden, daß Mikrowellenenergie in den Kathodenraum der Plasmaröhre entweicht.

Aufgabe der Erfindung ist daher, eine Plasmaröhre zu schaffen, die in einem Mikrowellenschaltkreis als veränderbare Reaktanz oder als Bauteil zur Veränderung der Frequenz verwendet werden kann. Diese Plasmaröhre soll so ausgebildet sein, daß sich mit ihr Oszillatorröhren mit Resonatoren modulieren lassen.

Die Aufgabe der Erfindung wird daher durch eine Plasmaröhre mit variabler Reaktanz gelöst, die innerhalb eines vorgegebenen Frequenzbereiches schwingungsfähig ist und einen vakuumdichten, mit einem Gas geringen Druckes gefüllten Kolben aufweist, in dem eine Kathode, ein Gitter und eine Anode angeordnet sind, und die eine Vorrichtung aufweist, mit deren Hilfe zwischen Anode und Kathode eine veränderbare Spannung anlegbar ist. Gemäß der Erfindung ist dieses Röhre dadurch gekennzeichnet, daß die Anode aus einem koaxialen Resonator und einem an diesen anschließenden zylindrischen Wellenleiter besteht, daß die Länge des koaxialen Resona-

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tors ein Viertel derjenigen Wellenlänge beträgt, die haben. Die Anode 5, ander eine veränderliche Modu-

zur niedrigsten Frequenz des vorgegebenen Fre- lationsspannung angelegt werden kann, enthält eine

quenzbereiches gehört, daß sich der zylindrische Seitenwandung 54, von der ein Teil zusammen mit

Wellenleiter bis vor das Gitter der Plasmaröhre er- einer Endwandung mit einem Zapfen 51 einen

streckt und so ausgebildet ist, daß seine Grenz- 5 koaxialen Resonator 50 bildet. Der Resonator, ist

frequenz oberhalb der Frequenzen des vorgegebenen so bemessen, daß er nicht in dem üblichen Schwin-

Frequenzbereiches liegt, und daß Mittel vorgesehen gungsmodus eines eingestülpten Hohlraumresona-

sind, mittels welcher Mikrowellenenergie mit einer tors schwingen kann, sondern im TEM-Schwingungs-

Frequenz innerhalb des vorgegebenen Frequenz- modus. Der Rest der Seitenwand 54 stellt einen WeI-

bereiches in den koaxialen Resonator einkoppelbar io lenleiterabschnitt dar, dessen Grenzfrequenz jenseits

und aus ihm auskoppelbar ist. der auftretenden Frequenzen liegt, dessen Durchmes-

Der Durchmesser eines Axialresonators ist für eine ser also kleiner als der Durchmesser eines Wellen-Frequenz der Resonanzschwingung in dem Hohlraum leiters gewählt ist, dessen Grenzfrequenz zumindest kleiner als der Durchmesser eines zylindrischen gleich der oberen Frequenzgrenze des Frequenz-Hohlraumresonators, so daß die äußere Wandung des 15 bereichs der Mikrowellenoszillatorröhre ist, die an die Koaxialresonators einen Durchmesser erhalten kann, Plasmaröhre angekoppelt ist. Die Länge des köder gleich dem des kreisförmigen Führungsstutzens axialen Teiles des Resonators ist in axialer Richtung ist. Die Wandung des zylindrischen Teils und des so gewählt, daß sie etwa einem Viertel derjenigen koaxialen Teiles des Plasmaröhre können daher mit- Wellenlänge entspricht, die der unteren Frequenz des einander fluchtend ausgeführt werden. Es ergibt sich, 20 Frequenzbereiches der angeschlossenen Oszillatordaß die Elektronendichte des Plasmas in dem Raum röhre entspricht. Wenn also das Xenongas nicht des koaxialen Resonators größer und gleichmäßiger ionisiert ist, schwingt der Resonator daher als kogemacht werden kann als in dem bekannten Hohl- axialer Resonator, der an einem Ende offen und am raum und daß eine größere Änderung der Resonanz- anderen Ende geschlossen ist. Er zeigt daher eine frequenz möglich ist, ohne den Wert Q des Resona- 25 Resonanzwellenlänge, die das Vierfache seiner Höhe tors zu erniedrigen. beträgt. Wenn, was ein typischer Fall ist, die obere

Darüber hinaus ist für einen vorgegebenen Gas- Frequenzgrenze bei 9000 MHz liegt, was einer Weidruck und für eine vorgegebene Frequenzänderung lenlänge von 3,33 cm entspricht, beträgt die axiale die Absorption von Mikrowellenenergie auf Grund Länge des Resonators 50 7 mm und der Durchmesser der Leitfähigkeit des Plasmas von um so geringerer 30 des Wellenleiters 54 14 mm. Die entsprechende Bedeutung, je gleichförmiger die Elektronendichte des Grenzfrequenz des Wellenleiters beträgt dann Plasmas in dem Hohlraum ist. 3 · 10« / (1,707 · 1,4) = 12 600 MHz.

Nach der Erfindung beträgt die Länge des ko- Ein Signal von 9000 MHz kann demzufolge der zu axialen Resonators zwischen seiner Endwandung und hohen Grenzfrequenz wegen durch diesen Wellender Ebene, die durch das Ende seines starren Innen- 35 leiter nicht hindurchgehen.

leiters hindurchgeht, ein Viertel derjenigen Reso- In der Nähe des abgeschlossenen Endes der

nanzwellenlänge, die er aufweist, wenn der Ent- Außenwandung des Resonators 50 sind an die

ladungsstrom in dem Resonator Null beträgt. Außenwandung zwei wellendurchlässige Fenster 52

Aus der britischen Patentschrift 946 232 ist schließ- und 53 angesetzt.

lieh noch eine elektronische Abstimmvorrichtung für 40 Das Gitter 4 hat von dem Innenleiter 51 des ko-Klystronröhren bekanntgeworden, in der die Re- axialen Resonators einen ausreichenden Abstand, um sonanzfrequenz des Hohlraumresonators eines Re- zu verhindern, daß aus dem in einem Dämpfungsflexklystrons dadurch geändert wird, daß man den modus schwingenden Wellenleiter 54 Mikrowellen-Reflexklystronresonator an den Hohlraumresonator energie entweichen und in den Kathodenraum der einer Plasmaröhre ankoppelt und den Entladungs- 45 Plasmaröhre gelangen kann. Daher ist auch der Einstrom in der Plasmaröhre ändert. Der Betrieb mit nuß des Gitter-Kathoden-Gebietes sowie der Einfluß dieser Vorrichtung wird jedoch durch das Rauschen desjenigen Gebietes des Gitter-Kathoden-Raumes, der Plasmaröhre beeinträchtigt und ist um so besser, das dicht neben dem Gitter der Röhre liegt, auf den je geringer das Rauschen der Plasmaröhre ist. Betrieb der Plasmaröhre merküch herabgesetzt, da

Im folgenden soll die Erfindung in Verbindung mit 50 die Mikrowellenfelder in der Nachbarschaft des Git-

den Zeichnungen im einzelnen beschrieben werden. . ters ziemlich klein sind.

F i g. 1 ist eine schematische Darstellung einer Die Ionisationsvorgänge werden durch eine Gleich-

Plasmaröhre nach der Erfindung, deren Reaktanz spannung zwischen der Anode 5 und der geheizten

variabel ist; Kathode 2 ausgelöst. Das Plasma, das sich durch

F i g. 2 ist eine teilweise geschnittene Vorderansicht 55 Stöße zwischen den Elektronen und dem Edelgas

einer Plasmaröhre nach der Erfindung, die an ein bildet, wenn die Elektronen durch das Gitter 4 hin-

Reflexklystron angekoppelt ist. durchtreten, diffundiert in den Anodenraum der

Fig. 1 zeigt eine vakuumdicht abgeschmolzene Plasmaröhre hinein. Die Elektronendichte ist in der

Glasrohre 1, die mit einem Edelgas unter niedrigem Nähe des Endes des Innenleiters 51 am höchsten.

Druck gefüllt ist. Das Edelgas kann beispielsweise 60 Diese Betriebsbedingung ist besonders günstig, wenn

Xenon sein. Der Gasdruck liegt zwischen 0,02 und man große Veränderungen der Resonanzfrequenz

0,2 Torr. Innerhalb der Röhre sind eine Oxyd- des Koaxialresonators hervorrufen will, da die maxi-

kathode 2 mit ihrem Heizelement 3 sowie ein Gitter 4 malen elektrischen Feldstärken in dem Resonator,

und eine Anode 5 angeordnet. der in einem TEM-Modus schwingt, in der Ebene

Ein metallischer Zylinder 41, der die Kathode 2 65 auftreten, in der der Resonator offen ist und die durch

umgibt und an ihr mittels einer ringförmigen Platte das Ende des Innenleiters 51 hindurchgeht.

42 befestigt ist, trägt ein engmaschiges Gitter 4, des- Über die Eigenschaften und das Verhalten einer

sen Maschen eine Abmessung von etwa V10 mm Plasmaröhre, die mit Xenon unter einem Druck von

Claims (1)

1. 5 6

   0,02 Torr gefüllt ist, sollen die folgenden Angaben Hohlraumresonator 250, die Reflektorelektrode 260

   Auskunft geben: sowie den abgesetzten Ausgangswellenleiter 257 und

   _Λ, . . _ . . das Fenster 252 zu zeigen. Die Flansche 156 und 256

   Maximale Ionisierungsspannung _{kömen entweder} miteinander verschraubt oder auch

   zwischen Anode und Kathode.. 60 Volt ₅ miteinander verlötet werden. Wenn die beiden

   Mittiere Betriebsspannung zwi- Flansche 156 und 256 vakuumdicht miteinander verschen Anode und Kathode .... 20 Volt bunden sind, ist eines der beiden Fenster 152 und 252

   Maximaler Strom 200 mA überflüssig. Die gasdichte Hülle für die Baueinheit

   Geschätzte maximale Dichte des aus dem Klystron und der Plasmaröhre wird über den

   Plasmas 10¹²/cm^{3 10} Ausgangswellenleiter 257 und den Eingangswellen-

   Resonanzfrequenz bei Entiadungs- ^leii^er6 vervollständigt. Das Fenster 152 kann weg-

   gleichstrom Null in einer typi- f₇ ^elf^{sen wecd}^ ™^{d das} .^^{enster 25}? ^ ^den

   sehen Plasmaröhre 8 000 MHz Vakuumraum der Klystonrohre von dem Gasraum

   _, . , . . „ . der Plasmarohre.

   Resonanzfrequenz bei eniem Entladungsstrom von 100 mA .... 11000 MHz ⁵

   Geschätzter Ö-Wert während des "

   Betriebes 200 j pi_aSmaröhre mit variabler Reaktanz, die

   innerhalb eines vorgegebenen Frequenzbereiches

   Die F i g. 2 stellt eine Plasmaröhre dar, die allge- ao schwingungsfähig ist und einen vakuumdichten,

   mein mit der Bezugsziffer 100 bezeichnet ist und die mit einem Gas geringen Druckes gefüllten Kolben

   an ein Reflexklystron angekoppelt ist, das das Be- aufweist, in dem eine Kathode, ein Gitter und

   zugszeichen 200 trägt. Die Röhren 100 und 200 stel- eine Anode angeordnet sind, und die eine Vor-

   len gemeinsam ein elektronisches Bauelement dar, das richtung aufweist, mit deren Hilfe zwischen

   häufig »Klysmatron« genannt wird. Dieser Name ist 25 Anode und Kathode eine veränderbare Spannung

   aus der Zusammenziehung der beiden Worte »Kly- anlegbar ist, dadurch gekennzeichnet,

   stron« und »Plasma« entstanden. daß die Anode (5) aus einem koaxialen Resonator

   Die Plasmaröhre 100 unterscheidet sich von der (50) und einem an diesen annschließenden zylin-

   Plasmaröhre der F i g. 1 nur in ihrem äußeren KoI- irischen Wellenleiter (54) besteht, daß die Länge

   ben. Die verschiedenen Teile der Plasmaröhre 100, 30 des koaxialen Resonators (50) ein Viertel der-

   die bereits in der Fig. 1 gezeigt worden sind, sind jenigen Wellenlänge beträgt, die zur niedrigsten

   mit den gleichen, jedoch um 100 erhöhten Bezugs- Frequenz des vorgegebenen Frequenzbereiches

   ziffern bezeichnet worden. gehört, daß sich der zylindrische Wellenleiter bis

   Eine zylindrische Seitenwandung und eine End- vor das Gitter (4) der Plasmaröhre erstreckt und wandung 105 grenzen eine hohle, verhältnismäßig 35 so ausgebildet ist, daß seine Grenzfrequenz oberdickwandige Kammer 150 aus Metall ab. Die End- halb der Frequenzen des vorgegebenen Frequenzwandung 105 ist in ihrer Mitte mit einem Stab 151 bereiches liegt, und daß Mittel vorgesehen sind versehen, der in einer Halbkugel endet. Die Seiten- (52, 53), mittels welcher Mikrowellenenergie mit wandung 154 ist vakuumdicht auf einen Sockel auf- einer Frequenz innerhalb des vorgegebenen gesetzt, der die Kathode 102 und koaxial dazu den 40 Frequenzbereiches in den koaxialen Resonator Zylinder 141 trägt, an dem das Gitter 104 befestigt einkoppelbar und aus ihm auskoppelbar ist.
   ist. Während des Betriebes ist die Kammer 150 mit 2. Plasmaröhre nach Anspruch 1, dadurch geXenon unter einem Druck gefüllt, der in dem oben kennzeichnet, daß zum Einkoppeln bzw. Ausangegebenen Bereich liegt. koppeln der Mikrowellenenergie in den bzw. aus

   Zwei Anschlußöffnungen 6 und 7 stellen den 45 dem koaxialen Resonator zwei miteinander aus-Wellenleitereingang bzw. Wellenleiter ausgang des gefluchtete Wellenleiterabschnitte vorgesehen sind, Resonators 150 dar, über die dem Resonator Mikro- die bezüglich des koaxialen Resonators radial wellenenergie zugeführt bzw. entzogen werden kann. verlaufen, und daß diese beiden Wellenleiter-Über den Eingangs- und den Ausgangsanschluß sind abschnitte an den koaxialen Resonator mittels zwei wellendurchlässige Fenster 152 und 153, z.B. 50 wellendurchlässiger Fenster angekoppelt sind,
   aus Tonerdekeramik, vakuumdicht angeordnet. Ein 3. Plasmaröhre nach Anspruch 1, dadurch ge-Eingangsflansch 156, der aus Kupfer hergestellt sein kennzeichnet, daß sie eine Vorrichtung zum kann, stellt die Verbindung mit einem Ausgangs- vakuumdichten Koppeln des koaxialen Resonators flansch 256 eines Reflexklystrons 200 her. Der Aus- an den Hohlraumresonator einer Klystrongangsflansch 158 führt zum Verbraucher (nicht ge- 55 oszillatorröhre mit einem vorgegebenen Frequenzzeigt). Es sind zwei kapazitive Phasenjustierungsstäbe bereich aufweist, wobei mit Hilfe der Plasmaröhre 155 und 157 vorgesehen, die sich, von der breiten die Frequenz der Klystronoszillatorröhre abge-Seitenwandung der beiden Wellenleiterabschnitte aus- stimmt wird,
   gehend, in den Eingangs- und den Ausgangswellenleiter hineinerstrecken. 60 In Betracht gezogene Druckschriften:

   Das Reflexklystron 200 ist wie üblich aufgebaut. Britische Patentschrift Nr. 946 232;

   Ein Teil des Klystrons ist in der Figur weggelassen »Proceedings of the IRE«, Bd. 42, Nr. 9, September

   worden, um die Kathode 202, den eingestülpten 1954, S. 1350 bis 1362.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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