DE1491471A1 - Mikrowellenverstaerker - Google Patents

Description

Standard Elektrik Lorenz A<|

Stuttgart-Zuffenhaus en

Hellmuth Hirth-Str. 42 ' ■—» J 1491471

ISE/Reg. 2878

P.!.Farnsworth - 173

Mikrowellenverstärker

Die Priorität der Anmeldung vom 19.April 1963 in den Vereinigten Staaten von Amerika ist in Anspruch genommen

Die Erfindung befasst sich mit einem Mikrowellenverstärker und insbesondere mit einem Verstärker, bei dem die Energie eines Strahles gebündelter Elektronen zur Erzeugung eines verstärkten Signales verwendet wird. Im Vergleich zu einem gewöhnlichen Klystron ist der Verstärker wirksamer, kleiner und leichter und hat eine längere Lebensdauer und ist einfacher zu benutzen.

Bei Verstärkern mit Geschwindigkeitsmodulation, wie z.B. bei einem Klystron, liefert eine indirekt geheizte Kathode einen Elektronenstrahl mit gleichförmiger mittlerer Geschwindigkeit. Ein Hochfrequenzfeld zwischen den Gittern des Bündelungs-Hohlraumes im Klystron ändert die Geschwindigkeit der durchgehenden Elektronen derart, dass die Elektronen, welche durch den Bündelungs-Hohlraum beschleunigt wurden, im Laufraum die Elektronen, die den Bündelungs-Hohlraum früher verlassen, aber durch die vorhergehende Halbperiode abgebremst waren, einholen. Daraus resultiert, dass der Strahlstrom zwischen den Gittern des zweiten Resonators oder Auffänger-Hesonators pulsierend oder gebündelt ist, und wenn der zweite !Resonator auf die Bündelungsfrequenz abgestimmt H.Apriii964 * 909814/0660

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-2-ist, liefert der Strahl Energie an den Auffänger.

Besonders wenn hohe Ausgangsleistung von einem Klystron gefordert wird, ist ein entsprechend intensiver Elektronenstrahl nötig, und die thermische Kathode muss eine grosse Emissionsoberfläche aufweisen, die mit hohen thermischen Strahlungsverlusten behaftet ist. Derartige Bohren arbeiten im allgemeinen als Impulsverstärker. Die Impulsamplitude kann 50 bis 500 mal grosser sein als die mittlere Amplitude. Die thermische Kathode muss so gebaut sein, dass sie diese grossen Spitzenströme liefern kann· Dadurch ergibt die thermische Kathode schwierige Kühlungsprobleme. Wie bei jeder thermischen Anordnung erfordert das Klystron eine Anwärmzeit, um stabile Arbeitsbedingungen zu erreichen, und die Lebensdauer ist im allgemeinen durch die Kathodenoberfläche begrenzt. Nach einer Periode des Fichtbenutzteeins ist eine Anlaufzeit von mehreren Stunden erforderlich.

Da bei einem Klystron die mittlere Energie der Elektronen, die den Eesonator verlassen, grosser als diejenige der in den Resonator eintretenden Elektronen ist, erfordert der Bündelungs-Resonator einen wesentlichen Energiebetrag, um den Strahl zu bündeln.

Da der Laufraum eines Klystrons natürlich fest ist, und das Optimum der Bündelung für einen Wert der Erregung stattfindet, wird die Auswahl und Aufrechterhaltung der Erregung und der Beschleunigungsspannungen sehr kritisch. Die durch die Konzentration der Elektronen in den Bündeln hervorgerufene Raumladung neigt dazu , die Bündel im Laufraum zu zerstreuen, wodurch der Strahl divergiert. Sowohl die Längsals auch die Querstreuung schmälern die Wirksamkeit des Klystrons. Daher muss bei guten Konstruifcionen von Klystrons

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ein Kompromiss zwischen dem durch Vergrösserung dea Lauf~ raumes möglichen Verstärkungsgrad und dem Verlust auf Grund von Streuung geschlossen werden. Die theoretisch maximale Wirksamkeit ist 58#. Praktische Wirksamkeiten sind in der Grössenordnung von 2Q# auf Grund verschiedener sekundärer Bundelungseffekte der Raumladungskräfte. Ein grosser Anteil dieses Verlustes ist hei Klystrons die Wärme, die durch aussere Kühlungsanordnungen entfernt werden muss. Sekundärelektronen, die unerwünschterweise im Bereich des Auffängers des Klystrons ausgelöst werden, setzen die Wirksamkeit ebenfalls herab und verursachen andere unerwünschte Wirkungen.

Klystrons sind auch unerwünschten Frequenzänderungen auf Grund der thermischen Ausdehnung und Zusammenziehung infolge von Temperaturänderungen unterworfen» Der Resonanzstromkreis des Klystrons wird durch Streuenergie aufgeheizt. Diese thermischen Ausdehnungseffekte komplizieren die Abstimmung der zwei Resonatoren.

Diese Erfordernisse an den Laufraum und den Bündelungs-Hohlraum und andere zum Betrieb nötige Erfordernisse werden durch die Erfindung durch eine einzige Anordnung vermieden, bei der nur ein vernachlässigbarer Raum in Verbindung mit der Emission und der Bündelung der Elektronen erforderlich ist, so dass weder ein Laufraum noch eine thermische Kathode noch die bei einem Klystron nötigen Elektroden erforderlich sind·

Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein neues Elektronen-Entladungsgefäss zur Verstärkung von Signalen im kikrowellenbereich vorzusehen.

Eine andere Aufgabe der Erfindung ist es, einen Hochfrequenzverstärker zu schaffen, bei dem die Erzeugung und

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Bündelung der Elektronen in wirksamer, zuverlässiger und leichter Weise erreicht wird.

Eine weitere Aufgäbe der. Erfindung besteht darin, einen Hochfrequenzverstärker vorzusehen, der Elektronen erzeugt und bündelt, die von einer Kaltkathodenquelle nach dem Prozess, bekannt unter der Bezeichnung "Phasenfokussierung", emittiert werden.

Eine andere Aufgabe besteht darin, einen Hochfrequenzverstärker vorzusehen, der keine Anwärmzeit erfordert, nur vernachlässigbare Probleme auf Grund der thermischen Ausdehnung und der damit zusammenhängenden Frequenzänderung im Bundelungs-Hohlraum aufwirft und grössere Wirksamkeiten, Energiegewinne und Verstärkungsgrade liefert.

Eine andere Aufgabe besteht darin, einen Hochfrequenzverstärker zu schaffen, d«r einen Hohlstrahl zur wirksamen Energieübertragung erzeugt, jedoch Frequenzverluste, die durch die Bündelung des Strahles verursacht werden, vermindert, die Streuung der Strahlelektronen vermindert, keinen Laufraum und keine kritische Spannungseinstellungen erfordert und die Auslösung von Sekundärelektronen im Bereich des Auffängers herabsetzt.

Eine weitere Aufgabe besteht darin, einen Hochfrequenzverstärker vorzusehen, der einfach abzustimmen ist und einfach arbeitet, eine theoretisch unbegrenzte Lebensdauer hat und keine Anlaufzeit nach einer Periode des Nicht benutztseins erfordert*

Andere Aufgaben und Merkmale der Erfindung werden im fol-·' genden ,an Hand der Beschreibung augenscheinlich·

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Daa erfindungsgemässe elektrische Entladungsgefäas besteht aus einem Hohlraum, der zwei voneinander getrennt angeordnete, feldbestimmende und elektronenemittierende Oberflächen und Mittel, um an den Zwischenraum zwischen diesen beiden Oberflächen ein elektromagnetisches Wechselfeld anzulegen, aufweist· Der Zwischenraum zwischen den beiden Oberflächen und die Amplitude und Periode dieses elektromagnetischen Wechselfeldes sind derart, dass in dem Zwischenraum die Elektronen phasenfokussiert werden. Eine der elektronenemittierenden Oberflächen ist mit einer öffnung versehen, durch die Bündel von phasenfokussierten Elektronen fliegen. Femer sind Mittel vorgesehen, um diese Elektronenbündel länge eines vorbestimmten Weges zu beschleunigen und ferner Mittel, um kinetische Energie aus diesen Elektronenbündeln zu entnehmen, wenn diese einen vorbestimmten Bereich dieses Weges durchqueren.

An Hand der Ausführungsbeispiele der beigefügten Zeichnungen sei die Erfindung im nachstehenden näher erläutert.

Pig· 1 zeigt einen Längsschnitt einer erfindungsgemässen Anordnung,

Pig. 2 zeigt einen sehematischen Teilschnitt zwecks Erklärung der Elektronenerzeugung und -bündelung der Anordnung der Pig· 1,

Pig· 3 zeigt eine grafische Darstellung zur Erklärung der Phasenfokussierung,

Pig· 4 zeigt schematisoh den Strahlweg und dte Äquipotentialflächen der Anordnung der Pig. 1,

Pig· 5 ist eine ähnliche schematische Darstellung zur Erläuterung des gebündelten Elektronenstrahles, 909814/0660

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Pig. 6 ist eine grafische Darstellung der Welle innerhalb des Auffangerspaltes und dient zur Erläuterung der Theorie der Arbeitsweise,

Pig· 7 zeigt einen Längsschnitt durch ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Pig_#7a ist ein vergrösserter Teillängsschnitt der Koaxialleitungen, die am Ein- und Ausgangsende der Anordnungen nach den Pig. 1 und 7 benutzt werden,

KLg, 8 zeigt schematisch den Elektronenerzeuger der Anordnung gemäss Figo 7 und dient zur Erläuterung der Arbeitsweise,

KLg, 9 zeigt νergrössert einen Teil der Anordnung gemäss Pig. 8,

Pig,10 ist eine Teilansicht längs der Linien A-A der Pig.7.

In Pig, 1 ist mit 1 eine evakuierte zylindrische Umhüllung bezeichnet, die an ihren entgegengesetzten Enden mittels flexiblen Diaphragmen oder Paltenbälgen 2 und 3 vakuumdicht verschlossen sind, die vorzugsweJLs e aua sauerstofffreiem, hochleitfähigen Kupferblech bestehen« Das Diaphrag- na 2 bildet die Endwand eines Eingangshohlraumresonators 4, während das Diaphragma 3 in ähnlicher Weise die Endwand des Ausgangs-Hohlraum-Resonators 5 bildet. Die zylindrischen Aussenwände dieser Hohlraum-Resonatoren 4 und 5 sind in geeigneter Weise vakuumdicht mit der zylindrischen Wand der Umhüllung 1 verschmolzen, so dass die Hohlräume einen Teil der evakuierten Umhüllung bilden. Die glockenförmigen Teile 6 und 7 sind koaxial auf die entsprechenden Hohlräume 4 und 5 aufgeschraubt. Diese beiden Teile 6 und

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weisen eine mikrometerartige Vorrichtung zur Abstimmung der Hohlräume 4 und 5 auf. Während jede geeignete Einstellungavorrichtung benutzt werden kann, besteht die in der Pig· 1 dargestellte aus einer Hülle 8, reiche koaxial in den rohrförmigen Teil des Endteiles 7 eingeschraubt ist, und einem Teil 10 der Koaxialleitung, welcher in die Hülle 8 geschraubt ist. Die Steigung der äusseren und inneren Gewindegänge der Hülle 8 sind derart, dass eine Umdrehung der Hülle 8 eine noniusartige Bewegung des Teiles 10 ergibt, z.B. kann die Steigung der äusseren Gewindegänge 32 Windungen pro Längeneinheit und die der inneren 24 pro Längeneinheit betragen. Die äusseren Gewindegänge sind derart angeordnet, dass die Hülle 8 in den röhrenförmigen Teil 9 eingeschraubt wird; der koaxiale Teil 10 be wegt sich nach auswärts in Bezug auf die Hülle. Pur die soeben angegebene Steigung ergibt sich eine Gesamtateigung von 96 Windungen pro Längeneinheit. Der Mechanismus 11 auf der linken Seite der Röhre ist gleich dem soeben beschriebenen konstruiert, und für gleiche Teile sind Bezugszeichen mit dem Index "a" verwendet. Die zwei Koaxialleitungsteile 10 und 10a sind gegen Verdrehung durch die Kupferelektroden 12 und 13 gesichert, die vakuumdicht verschmolzen oder auf andere Weise mit den Teilen 2 und verbunden sind. Die Elektroden 12 und 13 sind ferner leitend fest mit den äusseren Leitern der entsprechenden Teile 10 bzw. 10a verbunden. Daher wird ein Drehen der Hüllen 8 und 8a eine axiale Bewegung der Elektroden 12 bzw. 13 hervorrufen, wodurch die Abstimmung der Resonanz-Hohlräume 4 und 5 erreicht wird. Die Diaphragmen 2 und 3 erlauten diese Bewegung, ohne das Vakuum der Röhre zu zerstö-'ren. Die Elektroden 12 und 13 sind mit Bohrungen 14 bzw. 15 versehen und nehmen die Schleifen 16 bzw. 17 auf, die von den Elektroden 12 bzw. 13 isoliert sind. Daa eine Ende

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dieser Schleifen ist mit dem Mittelleiter der Koaxialleitungen und das andere Ende mit der Elektrode 12 bzw. 13 verbunden. Die Schleifen 16 und 17 liegen in den entsprechen-' den Hohlräumen 4 und 5 und dienen zur Ein-bzw. Auskopplung von Energie.

Eine andere Wand des Hohlraumes 4 wird durch die Scheibe 18 aus Kupfer-Beryllium oder einem ähnlichen Material, welches geeignet ist, Sekundärelektronen zu emittieren, gebildet. Die Scheibe 18 weist einen zentralen, becherförmig aus gebildeten Teil 19 auf, der mit einer Öffnung 20, die konzentrisch zu der Längsachse 21 der Röhre angeordnet ist, versehen ist.

Mit der Elektrode 12 ist leitend eine Dynode 22aus Kupfer-Beryllium oder pinlichem Material, weiches geeignet ist, Sekundärelektronen'zu emittieren, verbunden. Die Dynode 22 hat eine konkave Oberfläche 23, welche annähernd parallel zu der rückwärtigen Oberfläche 24 des Teiles 19 ist. Der Radius der Wölbung der Oberfläche 23 ist etwas kleiner als der der Oberfläche 24. Der Grund für diese Differenz wird in der folgenden Beschreibung klar. Die Oberfläche 23 ist vorzugsweise teilweise kugelförmig geformt und koaxial in Bezug auf die Röhrenachse 21 angeordnet. Die zwei Oberflächen 23 und 24f die als feldbestimmende Oberflächen bezeichnet werden, sind getrennt voneinander angeordnet und bilden einen ^eil des ganzen Resonanz-Hohlraumee 4·

An der rechten Seite der Scheibe 18 ist eine raltiv kurze, metallische linsenhülse 25 befestigt. Eine metallische ., Anode oder ein Fokussierungszylinder 26 ist koaxial in der Hülse 1 gehaltert und sein eines Ende steht der Hülse

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gegenüber. Die Anode ist vorzugsweise aus Getter material, wie z.B. Titan, gefertigt, um Restgase zu absorbieren. Der Hohlraum 5 ist ganz ähnlich konstruiert wie der Hohlraum 4 und hat eine Scheibe 27 mit einem kugelförmigen Teil 28. Dieser Teil 28 ist mit einer öffnung 29 versehen, welche konzentrisch in Bezug auf die Höhrenachse 21 ist. Die öffnung 29 ist wesentlich grosser als die öffnung 20 im Eingangshohlraum 4. Die Endwand 27 ist vorzugsweise aus sauerstoffreiem, hochleitenden Kupfer gebildet und kann, um die Sekundärelektronenemission auf ein Minimum zu reduzieren, z.B. mit einer Goldauflage versehen sein.

1Ot der Elektrode 13 ist ein zylindrischer Kupferauffänger 30 verbunden, der mit einer kugelförmigen Oberfläche 31, vorzugsweise mit einer Goldauflage, versehen ist. Diese Oberfläche 31 ist koaxial zur Höhrenachse 21 angeordnet und ist von dem Teil 28 getrennt, um einen Spalt 32 für den Hohlraum-Resonator 5 zu bilden. Die Grosse der Öffnung 29 ist fast so gross wie die Oberfläche 31, so dass ein Minimum an Überschneidung zwischen der Oberfläche 31 und dem Teil 28 der Wand 27 besteht. Der Grund hierfür wird durch die nachfolgende" Beschreibung klar· Eine kurze, koaxiale, zylindrische Hülse 23 ist an der Wand 27 befestigt und liegt dem anderen Ende des FokussierungsZylinders 26 gegenüber. Eine Ehergiequelle, wie z.B. die Batterie 34» versorgt die Röhre mit den nötigen Spannungen. Der negative Pol der Batterie 34 ist mit dem Hohlraum 4 verbunden, während der positive Pol mit dem Hohlraum 5 verbunden ist. Ein Abgriff der Batterie 34 ist direkt mit der Anode verbunden. Typische Arbeitsspannungen für die in Fig. 1 gezeigte Röhre sind in der Pig· 1 angegeben.

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In Betrieb wird ein Mikrowellensignal in der Grössenordnung von beispielsweise 1000 MHz zum Koaxialleitungsteil 10a gekoppelt, um den Hohlraum 4 anzuregen· Mit Hilfe der Hülse 8a kann der Hohlraum abgestimmt werden und andererseits sind die Parameter so gewählt und abgestimmt,, um eine wirksame Anpassung zwischen der Leitung 10a und dem Hohlraum 4 zu gewährleisten.

In ähnlicher Weise ist ein Mikrowellenstromkreis mit der Ausgangsleitung 10 gekoppelt und der Hohlraum 5 mit Hilfe der Hülse 18 abgestimmt. Die Parameter sind so gewählt, um eine geeignete Anpassung zwischen dem Hohlraum 5 und der Leitung 10 zu erzielen.

Das Anlegen des Feldes an den Spalt zwischen den beiden Oberflächen 23 und 24 ergibt aus der Öffnung 20 die Emission von Elektronenbündeln, die Iäng3 der Achse 21 und . durch den Spalt 32 des Hohlraumes 5 beschleunigt werden. Der Spalt 32 dient als ein Teil des Auffängers, so dass der Durchgang der Elektronenbündel durch den Spalt 32 die Anregung des Hohlraumes 5 ergibt und die Erzeugung eines verstärkten Mikrowellensignales zur Folge hat. Dieses verstärkte Mikrowellensignal wird mittels der Schleife 17 und der Leitung 10 aus dem Hohlraum 5 ausgekoppelt. Die Rückseite des Spaltes 32 wird durch die Oberfläche 31 abgeschlossen, die als Sammler für die Elektronenbündel dient.

Bisher wurden einige Merkmale der verschiedenen Teile und Funktionen erklärt, während im folgenden diese individuell und dann gemeinsam behandelt werden sollen· Bas erste Merkmal ist der Impulsemitter oder Vervielfacher, der aus den zwei feldbestimmenden, elektronen-emitti er enden Oberflächen 23 und 24 innerhalb des Hohlraumes 4 be-

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steht. Diese besondere Anordnung erfüllt im wesentlichen zwei verschiedene Funktionen gleichzeitig. Diese sind die Emission von Elektronen und die Bündelung oder Phasenfokussierung dieser Elektronen in periodischen Gruppen, dfe von der öffnung 20 emittiert werden. Diese zwei Oberflächen 23 und 24 können als Dynoden eines Vervielfachers betrachtet werden, derart, dass Elektronen oszillieren mit Auftreffgeschwindigkeiten zwischen diesen beiden Oberflächen und Sekundärelektronen auslösen. Da die Sekundarelektronen auch mit Auftreffgeschwindigkeit en oszillieren, erzeugen sie einerseits Sekundärelektronen, so dass die Anzahl der Elektronen vervielfacht wird, bis gewisse Grenzbedingungen erreicht sind. Unter gewissen Bedingungen werden die Elektronen, nachd-em sie eine Anzahl von Wegen zwischen den Oberflächen zurückgelegt haben, gebündelt oder, mit anderen Worten, phasenfokussiert. Dies soll im folgenden näher erläutert werden.

In den Pig. 2 und 3, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Teile bezeichnen, ist angenommen, dass ein elektromagnetisches Wechselfeld an dem Zwischenraum zwischen den zwei Oberflächen 23 und 24 liegt. Dieses elektrische Wechselfeld ist in der Pig· 3 durch die Sinuswelle dargestellt. Es ist weiter angenommen, dass ein einziges Elektron z.B. durch Photoemission, thermische Emission oder irgend eine andere Emis- sion vom Punkt 35 in Fig. 2 startet und durch das PeId auf dem durch den Pfeil 35a angezeigten Weg gegen die Oberfläche 24 gezogen wird. Wenn das Elektron auf der Oberfläche 24 mit genügend kinetischer Energie ankommt, werden Se-•kundärelektronen erzeugt. Nun gibt es jedoch zwei Mögliohkeiten für die Sekundärelektronen, die betrachtet werden müssen. Eine davon ist, dass im Augenblick des Entstehens

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die Anfangsenergie ungenügend ist, um das Feld zu überwinden, das noch die gleiche Richtung hat, die die "Primärelektronen zwingt, sich gegen die Oberfläohe 24 zu bewegen. Unter dieser Bedingung werden diese Sekundärelektronen zurückgestossen und sind für jede weitere Aktion verloren» Betrachten wir jedoch die zweite Möglichkeit, nämlich die, dass das elektrische Feld seine Richtung ändert, während die Primärelektronen gerade die Oberfläche 24 erreichen, so finden die Sekundärelektronen günstige Bedingungen vor zum Verlassen und zum Wandern gegen die Oberfläche 23. Der Pfeil 36 bezeichnet diesen Weg. Wenn bei der Ankunft dieser Sekundärelektronen auf der Oberfläche 23 ähnliche Bedingungen herrschen, wie sie bestehen, wenn sie die Oberfläche 24 verlassen, werden zusätzliche Sekundärelektronen erzeugt, und dieser Prozess setzt sich fort, und die Elektronenschwingungen erzeugen eine Vervielfachung der Elektronen.

Um die Elektronenvervielfachung zu entwickeln, ist es nötig, dass die Elektronenlaufzeit von einer Elektrode zur anderen genau eine ungerade Anzahl einer halbe Periode des angelegten elektromagnetischen Wechselfeldes beträgt. Da die Laufzeit von der angelegten Spannung abhängt, kann diese Bedingung durch Änderung der Amplitude und/oder Frequenz des Feldes erreicht werden. Während es auf den ersten Augenblick erscheinen mag, dass diese ElektronenVervielfachung ad infinitum fortgesetzt wird, erreicht die Vervielfachung auf Grund der in dem Spalt ausgebildeten Raumladung evtl. einen Grenzwert, wie im folgenden ausgeführt wird.

Die Elektronen, welche eine Dynode, z.B. Dynode 23, zu

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verschiedenen Augenblicken verlassen, neigen dazu, einander einzuholen, so dass sie nach der Ankunft auf der entgegengesetzten Elektrode eine Verbesserung in ihrer Synchronisation zeigen. Wiederholte Wege dieser Elektronen ergeben eine dicht gebündelte Elektronenscheibe, die ihre Dichte ständig vergrössert und zwischen den Elektroden vorwärts und rückwärts prellt und der Schwingung des angelegten elektrischen Feldes folgt· Dieser Bundelungsprozess wird als Phasenfokussierung bezeichnet. Diese Phasenfokussierung ist in Pig. ,3 erläutert, in der die zv/ei Sinuswellen das Feld bezeichnen, das zwischen den zwei Oberflächen 23 und 24 schwingt. Wenn wir zuerst annehmen, dass ein Elektron "a^w die Oberfläche 24 zur Zeit "t₀" verlässt, wird es beschleunigt durch den Zwischenraum und wird auf der Oberfläche 23 zum Zeitpunkt "tQ¹ ", wie dies durch das Symbol "a¹ " angedeutet ist, auftreffen; das Zeitintervall zwischen tQ und t_Q' ist gleich einer halben Periode der Sinuswelle A, B.

Sunmehr sei angenommen, dass ein anderes Elektron "b" die Oberfläche 24 zur Zeit t^ verlässt. Dieses Elektron startet einige Zeit nach dem Nullpunkt des Feld es und erfährt anfangs eine grössere Beschleunigung, als äie das vorhergehende Elektron "a" erfuhr. Dieses Elektron "b" kommt auf der Oberfläche 23 zum Zeitpunkt t₁' an, der etwas weniger als der halben Periode der Sinuswelle entspricht. Ein Elektron "o", das die Oberfläche 24 zum Zeitpunkt t₂ verlässt, kommt auf der Oberfläche 23 zum Zeitpunkt tp¹ an. Das Zeitintervall ist noch kürzer als das von "b¹¹ und kleiner als die halbe Periode der Sinuswelle. Der Abstand zwischen den Punkten a¹, b¹ und c¹ und der Abstand zwischen den Punkten a, b und c zeigt, dass die Elektronen bei ihrer Ankunft auf der Oberfläche 23 dichter beisammen sind als beim Verlassen der Oberfläche 24.

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Bei Fortsetzung des Zyklus kommen die mit a¹, b' und c¹ bezeichneten Elektronen auf der Oberfläche 24 bei a", b¹¹ und c¹¹ an und sind noch dichter beeinander,als sie es auf der Oberfläche 23 waren, so dass es augenscheinlich wird, dass nach einer mehrfachen Wiederholung des Zyklus alle Elektronen, die auf den Oberflächen 23 und 24 ankommen, synchronisiert sind. Die Elektronen können also als dicht gebündelt oder, phasenfokussiert betrachtet werden.

Es kann angenommen werden, dass alle von den zwei Oberflächen 23 und 24 emittierten Elektronen Phasensynchronismus erreichen. Dies ist jedoch nicht notwendigerweise so. Eine Analyse der Pig» 3 ergibt, dass nur ungefähr 35$ der Feldperiode (diese 35° sciiliessen den Zeitraum zwischen t und ±2 ein) für die Bündelung der Elektronen wirksam ist. Mit anderen Worten, Elektronen, die von einer der Oberflächen 23 und 24 in Phase mit diesem 35°-Teil emittiert wurden, werden evtl. gebündelt, wie dies soeben ausgeführt wurde. Elektronen, die zu einer anderen Zeit der Periode emittiert wurden, erfahren jedoch eher ein Verzögerungs- als ein Beschleunigungsfeld und geben auf diese Art ihre Energie an das Feld ab.

Hehmen wir bei Betrachtung der Figo 2 an, dass die Elektronenverviel fachung zwischen den Oberflächen 23 und 24 in Richtung der Pfeile stattfindet, so werden die Elektronen, wenn sie die Nachbarschaft der Öffnung 20 erreicht haben, zyklisch annähernd in Ringform emittiert. Die grösste Elektronendichte Jst an der Peripherie der Ringe. Die Emission nimmt die Form von hohlen Elektronenringen 37 an, wie dies schematisch in Fig· 2 angedeutet ist. Der Abstand zwischen diesen Ringen, deren Elektronen dicht gebündelt sind, ent-

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spricht der Frequenz des erregenden Feldes.

Infolge der verschiedenen an die Teile der Röhre gelegten Spannungen werden Äquipotentialflächen ausgebildet, ähnlich wie sie in Fig. 4 gezeigt sind. Eine Elektronenlinse ist zwisehen der Oberfläche 24 und der Anode 25 vorgesehen, welche die Elektronenbündel 37 zur Achse 21 fokussiert« Diese Elektronenbündel sind im folgenden mit Strahl 38 bezeichnet. Wenn der Strahl jedoch weiter fortschreitet, erfährt er die Wirkung der Linse zwischen der Anode 26 und dem Auffänger 28 und 31 und geht evtl. durch die Öffnung 29 durch den Spalt 32 und wird durch die Obeffläche 31 gesammelt. Als ein Teil dieser Strahlfokussierung sei auch,bemerkt, dass die Dynode symmetrisch gewölbt in Bezug auf die Achse 21 ist. Dies ist wichtig aus dem Grund, dass Sekundärelektronen die Oberfläche 23 mit einer angenähert Maxwellschen Geschwindigkeitsverteilung verlassen und eine mittlere Energie von ungefähr 10 Volt und Richtungen entsprechend der Lambert-Verteilung haben. Beide, die Geschwindigkeit und die Richtungsverteilung, sind bemerkenswert unabhängig von der Energie und dem Auftreffwinkel der Primärelektronen. Diß Sekundärelektronen, die letztlich durch die Öffnung 20 gehen, verlassen die Oberfläche 23 in einem senkrechten Winkel dazu. Da die Oberfläche 23 mit der Achse 21 einen Winkel bildet, ist die Anfangselektronenbewegung konvergent. Es wirken also zwei konvergierende Kräfte auf die emittierten Elektronen ein, eine auf Grund der Fokussierungsanode 26, wie bereits ausgeführt, und eine zweite auf Grund der Geschwindigkeit und Richtuhgsverteilung der Elektronen nach dem Verlassen der Oberfläche 23. Diese Konvergenz ist äusserst wichtig, weil sie eine dichtere Packung der Elektronen in den Bündeln 37 hervorruft und Strahlungsverluste reduziert.

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Nach Fig. 2 wandern die vervielfachten Elektronen radial nach innen gegen die Öffnung 20 aus verschiedenen Gründen» 1) erfahren sie eine Anziehungskraft des Feldes von der Anode 26 und werden daher durch die Öffnung 20 gezogen,

2) neigt die Raumladungs-Rüekstossung der oszillierenden Elektronenwolke im Zwischenraum 23a dazu, die Bündel nach innen zu bewegen,

3) hat die Elektrode 23 eine geringere Wölbung als die Oberfläche 24, wie bereits früher erwähnt. Infolgedessen veranlassen die Feldkräfte die Elektronen, sich gegen die Röhr enachse zu bewegen.

Die gemeinsame Wirkung dieser drei Kräfte ergibt die Emission der Bündel 37.

Ein zweiter Begrenzungsfaktor der endgültigen Anzahl von emittierten Elektronen sind die Raumladungseffekte. TJm den Vervielfacherprozess aufrecht zu erhalten, muss der Sekundäremissionsfaktor der Oberflächen 23 und 24 grosser als 1 sein. Die Elektronenwolke bildet durch den Vervielfacherprozess der auftreffenden Elektronen Jeden Feldzyklus zweimal. Dies verleitet daher zu der Annahme, dass das Anwachsen der Anzahl der entstehenden Elektronen ohne Grenze ist. Es wird jedoch «in Gleichgewichtszustand erreicht, wenn die entstehenden Elektronen nahe an den Grenzen der Oberflächen 23-und 24 ein grosses Raumladungsfeld antreffen, welches einen Teil davon abhält, sich mit der Elektronenwolke zu vereinen und letztlich auf der entgegengesetzten Oberfläche aufzutreffen» Wenn diese Raumladungsgrenze erreicht ist, kann nur ein entstehendes Elektron für Jedes auftreffende Elektron das Raiamladungsfeld überwinden. Die zusatz-·/ liehen SekundSrelektronen werden auf die emittierende Ober-

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fläche zurückgetrieben. In dem Spalt 23a, der durch die zwei Vervielfacheroberflächen 23 und 24 bestimmt wird, finden gleichzeitig drei Prozesse statt. Diese sind

1) Elektronenvervielfachung an den Oberflächen,

2) Energieübertragung vom Feld zu der sich bewegenden Raumladung,

und

3) die Raumladungsprozesse, die die endgültige Elektronendichte begrenzen.

Diese Prozesse gleichen einander aus, um eine stabile, selbständige Arbeitsweise zu gewährleisten, welche als dynamisches Gleichgewicht bezeichnet werden kann.

Die Vervielfachung zwischen den zwei Oberflächen 23 und 24 kann im wesentlichen als ein konstanter Spannungsprozess betrachtet werden; die zur Vervielfachung nötige Spannung ist derart, dass die Elektronenlaufzeit der Halbperiode der angelegten Spainung entspricht.

Es sei bemerkt, dass zwei Arten der Vervielfachung möglich sind.

1) kann der Vervielfacher so konstruiert sein und arbeiten, dass die Auftreffpunkte der Elektronen des 1., 3., 5. usw. Weges gut getrennt sind· Dabei existieren nur einige Elektronen am Eingangsende 23b dfes Spaltes 23a, deren Anzahl gegen das Ausgangsende 20 anwächst. Wenn mehr Elektronen am Eingangsende eingeführt werden, wächst die Anzahl der Ausgangselektronen an. Der Vervielfacher arbeitet also als Elektronenvervielfacher. Damit der Elektronenausstoss eine genaue Wiedergabe des Elektroneneingangs ist, sollte die Raumladung sogar am Ausgangsende 20 niedrig sein.

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Dies ist jedoch nicht die Art, in der der Vervielfacher der Erfindung arbeitet. I¹Ur diesen Pail muss betrachtet werden, dass die Sekundärelektronen an einem gewissen Punkt der Emission jede Rihhtung haben können, obwohl die Mehrzahl die Oberfläche senkrecht verlässt,, Nach ein paar We= gen wandern einige Sekundärelektronen rückwärts, d.h. in Sichtung zum Eingangsende 23b, so dass die verschiedenen Stufen der Vervielfachung nicht genau getrennt sind. Wenn der Vervielfacher zusätzlich in Raumladungssattigung arbeitet, wird sogar am Eingangsende 23b Raumladung anzunehmen sein und zusätzliche Elektronen, denen es möglich ist, einzudringen, werden in den meisten Fällen keine Wirkung haben. Obgleich der Elektronenausstoss dadurch nicht die Anzahl der am Eingangsende 2^b eindringenden Elektronen darstellt, hängt er trotzdem noch, wie bereits ausgeführt, von der Amplitude der Hochfrequenzeingangsspannung ab. Auf diese Weise ist die Anordnung ein Spannungsverstärker, und dies ist die gewünschte Betriebsart.

Nun sei das "Geräusch" betrachtet, dem dieser Verstärker unterworfen ist. Es gibt verschiedene Geräuschquellen:

Elektronen, die zufällig am Eingangsende 23b auftreten, können die Arbeitsweise der Vervielfacherart beeinflussen, sind aber nicht, beachtbar bei der Verstärkerart. Durch die Schwankungen entsprechend der Elektronen-Temperatur der Quelle ^Hohlraum 4) hervorgerufene Geräusche werden durch die Raumladung in dem Verstärker weit mehr reduziert, als dies in gewöhnlichen thermischen Röhren der Pail ist. Geräusche, die durch Ionen, die in das Eingangsende 23b eindringen oder im Spalt 23a erzeugt werden, können beachtlich. werden. Diese Ionen wandern jedoch gegen die höchste Elektronenkonzentration am Ausgangsende 20 und v/erden durch die

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Elektronenbündel eingefangen, wodurch die damit verbundenen Geräusche vermindert werden.

Auf diese Art und Weise ist der Verstärker relativ geräuschfrei.

Weitere Merkmale der Erfindung werden klar, wenn der Verstärker als Stromkreis betrachtet wird. Wie Fig· 4 zeigt, sind die Äquipotentialflächen an der Öffnung etwas gewölbt. Das Feld der Anode hilft, die Elektronengruppen 37 aus der Öffnung 20 zu ziehen. Eine wünschenswerte Konstruktion ist die, bei der der Gradient an der Ausgangsoberfläche des Vervielfachers (zentraler Teil der Oberfläche 23) den innerhalb des Spaltes 23a überschreitet. In diesem Fall sind die die Öffnung 20 verlassenden Elektronen nicht durch die Raumladung begrenzt, obgleich der Strom innerhalb des Spaltes 23a raumladungsbegrenzt ist. Der Hohlraum hat ein hohes "Q", solange er unbelastet ist. Das ¹¹Q" ist jedoch reduziert, wenn sich die Raumladung in dem Spalt 23 ausbildet und sogar mehr, wenn Elektronen von der Öffnung 22 in die Anode 26 fliegen. Das Resuktat ist das gleiche, wie wenn ein gleichwertiger Widerstand mit den beiden Oberflächen 23 und 24 benachbart zur Öffnung 20 verbunden wäre. Der Wert dieses Widerstandes verringert sich, wenn die Anzahl der Elektronen im Vervielfacher grosser wird.

Wenn die Spannung, die durch die Eingangeschieife 16 geliefert wird, grosser wird, wird der Widerstand kleiner unfl die Spannung am Spalt 23a wächst weniger im Verhältnis zum ,Anwachsen der Eingangsspannung und entspricht in diesem Bereich noch der Hochfrequenzamplitude. Mit anderen Worten, die veränderliche Ausgangslast hat einen Öervo-Effekt, welcher

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ISE/Reg. 2878

-2 θα en Verstärker linearisiert.

Es können zwei zusätzliche Beobachtungen gemacht werden.

1) abhängig von dem Energiebereich, in welchem die Röhre arbeitetf (z.B. zwischen 1 bis 50 oder 10 bis 500 Watt) ändert sich der mittlere Wert von "Q" des Hohlraumes und daher die genaue Grosse der Kupplungsschleife 16. Es ist bekannt, dass diese Schleife dazu dient, den Hohlraum an den Koaxialleitungseingang anzupassen. Daher muss diese Schleife für den gewünschten Energiebereich konstruiert sein.

2) Da das Feld der Anode 26 etwas in den Zwischenraum 23 eindringt, wird etwas Energie von der Anode 26 geliefert· Diee wird später in Verbindung mit der Anordnung nach Pig· 7 näher ausgeführt.

Es sei darauf hingewiesen, dass, während die Anordnung ^5 nach der Pig· 1 einen Hohlraumresonator 4 zur Anlegung des Peldes an den Vervielfacherspalt verwendet, noch andere konventionelle Anordnungen möglich sind. Bei dem Ausführungsbeispiel ist für die Kopplung eine Schleife vorgesehen, aber an ihrer Stelle können eine Sonde, eine Koaxialleitung, ein Wellenleitereingang und andere Mittel zur Kopplung verwendet werden·

Wie bereits früher ausgeführt, wird von der Vervielfacher- · Öffnung 20 ein Strahl 58 von Elektronenbündeln 37 emittiert. Dieser Strahl fliegt durch die Röhre zum Auffänger 28, 31 längs eines Weges, wie er in Pig. 5 mit 38 beaeichnet ist. Die Sammel- und Zerstreuungslinsen, die früher beschrieben wurden, sind teilweise für diese Porm des Strahles verantwortlich. Der Weg des Strahles wird durch die ßaumladungs-

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U9U71

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Wirkung zwischen aufeinander folgenden Elektronenbündeln beeinflusst. Er kann jedoch durch positive Ionen, die im-

—8 '—9 mer in der Röhre sind, selbst wenn der Druck 10 bis 10 mm Quecksilbersäule beträgt, abgeändert werden. Diese Ionen im Hauptraum der Röhre sind vom Standpunkt des Geräusches her gesehen, weniger harmlos als diejenigen im Zwischenraum 23a. Sie neigen dazu, sich in den Raumladungsbündeln 37 zu sammeln oder, vorzugsweise in radialen Richtungen, mit diesen zu schwingen. Man könnte meinen, dass diese evtl. durch Rekombination entfernt werden. Dies ist jedoch ein weniger empfehlenswertes Mittel als der Ladungsau*ausch zwischen Ionen und neutralen Molekülen. In letzterm Falle wird ein neues log. gebildet, welches jedoch weniger Energie aufweist, als das vorherige, welches nun neutral ist und sich radial weg bewegt und auf die Anode 26 oder auf die Röhrenwände auftrifft. Es wird daher vorgezogen, die Anode aus Titan oder einem ähnlichen Material zu fertigen oder mit einem geeigneten Getter zu bedecken, um Restgase zu absorbieren.

Wie bereits früher ausgeführt, wird der Strahl 38 evtl.

durch die Elektrode 31, nachdem er durch den Spalt 32 gegangen ist, gesammelt. Die Elektronenlinsen sind so konstruiert, dass der in den Spalt 32 eintretende Strahl so dicht wie möglich an den Kanten der Öffnung 29 vorbeistreicht. Da der Strahl 38 im wesentlichen aus ringförmigen Elektronenbündeln besteht, folgt, dass die stärkste Elektronenkonzentration unmittelbar benachbart zu dem Spalt 32 ist, welcher angeregt werden soll· Se ist bekannt, dass der Durchgang von Elektronenbündeln durch Auf fänger Absorption von Elektronenenergie ergibt und die Erzeugung eines elektromagnetischen Feldes _zur folge hat. Wie im Falle des Eingangs

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der Röhre, so muss auch der Spalt 32 an die Ausgangsieitung 10 angepasst sein, bevor die maximale Wirksamkeit erreio&t istβ Der Hohlraum 5 muss mit der Periode der durch den Spalt 32 gehenden Elektronenbündel in Resonanz sein·

Da die Elektronenbündel auf ihrem Weg vom Emitter zum Kollektor beschleunigt werden, nehmen sie einen wesentlichen Betrag von kinetischer Energie auf. Diese kinetische Energie wird im Spalt 32 absorbiert und ein Resonanzfeld im Hohlraum 5 entwickelt, welches etwa demjenigen in Pig, 6 entspricht. Die Tatsache ist wichtig, dass die Elektronenbündel nach dem Eintreten in den Spalt 32 eine Eückholkraft des erzeugten Feldes erfahren, derart, dass die Bündel, die auf der Oberfläche 31 auftreffen, eine wesentlich geringere Geschwindigkeit aufweisen. Die verbleibende Geschwindigkeit reicht gerade aus, dass die Oberfläche 31 die Elektronen sammelt. Obgleich also die kinetische Energie der Elektronenbündel beim Passieren des Spaltes 32 sehr hoch sein mag, erzeugen diese Bündel beim Auftreffen auf der Oberfläche 31 keine Sekundäremission auf Grundder Energieabsorption und Reduktion der Elektronengeschwindigkeit. Zusätzlich ist die Auffängergleichspannung so gewählt, dass bei einer bestimmten Spaltweite keine Vervielfachung stattfinden kann. Diese Erläuterung ist natürlich idealisiert, da gewisse Grenzbediigmgen bestehen, die, wenn überschritten, eine geringe Sekundäremission erzeugen können.

Eine Methode zur Steuerung der Elektronensammlung auf der Oberfläche 31 besteht darin, einen geeigneten Widerstand in Serie mit dem positiven Pol der Batterie 34 vorzusehen, (Fig. 5). Nehmen wir an, daas die Sammlung der Elektronen auf der Oberfläche 31 einenStrom in Sichtung -des Pfeiles erzeugt, welcher auf G₁-Un(J ßes Spannungsabfalles am Wider-

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■.•■;5«-^r H9U71

ISE/Reg. 2878

stand 40 die Spannung an der Oberfläche 31 erniedrigt· Diese erniedrigte Spannung entspricht der schraffierten Zunahme 42 in dem negativen Ast der Welle der Fig. 6. Da die nunmehr in dem Spalt 32 eintreffenden Elektronen das durch die negative Zunahme 42 vergrösserte negative Feld antreffen, werden sie mehr abgebremst als früher, so dass sie mit geringerer Geschwindigkeit auf der Oberfläche auftreffen als vorher. Dieser negativere Aufbau an der Oberfläche 31 wächst an, bis die Sammlung der Elektronen durch die Oberfläche 31 und der durch den Pfeil 41 bezeichnete Strom einen Gleichgewichtszustand erreichen, welcher dann einer Selbststeuerung unterliegt.

In den Figuren 7, 8, 9 und 10 soll nun ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung.beschrieben werden. Da eine grosse Anzahl der Teile denen der Anordnung der Fig. entspricht, sind für gleiche !Peile gleiche Bezugszeichen verwendet·

Die Hauptunterschiede der beiden Anordnungen bestehen in dem Impulsemitter, der Fokussierungsanode und dem Auffänger. In -Bezug auf den Impulsemitter, der in Fig. 1 aus zwei axial voneinander entfernt angeordneten Oberflächen 23 und 24 besteht, hat der Impulsemitter der Fig. 7 zwei koaxiale, radial voneinander angeordnete ringförmige Ober- ' flächen. Der letztere Impulsemitter umfasst ein Dynodenelement 37b von zylindrischer Form, das fest und leitend mit der Elektrode 12 verbunden ist· Dieses Dynodcnelement ist ,koaxial zur Röhrenachse 21 und schliesst mit einer ebenen Oberfläche 38b, die senkrecht zur Achse 21 steht, ab· Die äussere Peripherie des Elementes 37b, die der Fläche 38b unmittelbar benachbart ist, ist mit einer ringförmigen Einschnürung versehen, deren Oberfläche gewölbt ausgebildet

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ist.

Die Platte 18 des Hohlraumes 4 hat einen ringförmigen Teil· 42, dessen innere Oberfläche 43 gewölbt ist. Die zwei zueinander konkaven ringförmigen Oberflächen 39 und 43 sind koaxial zur Eöhrenachse und weisen zueinander einen radialen Abstand auf.

Die Oberfläche 43 weist eine OberflächenVerlängerung 44 auf, die, wie die Figur zeigt, divergiert. Diese Oberfläche 44 ist vorzugsweise kegelstumpfförmig ausgebildet und weist in Bezug auf die Achse einen Winkel von ungefähr 15° auf.

Anstelle der zylindrischen Anode 26 der Fig. 1 verwendet diese. Anordnung zwei axial voneinander getrennte und isolierte Anodenhülsen 26a und 26b, deren Enden sich gegenüberstehen. Drei Keramik- oder ähnliche Stäbe 26c, die in einem Abstand von 120° zueinander angeordnet sind, sind mit den Hülsen 26a und 26b fest verbunden. Diese Stäbe sind an der Platte 27 in geeigneter Weise, z.B. mittels Meten und Hülsen 33, fest verbunden.

Beim Betrieb bestimmen die Oberflächen 39 und 43 den Vervielfacherspalt und sind daher aus einem geeigneten sekundäremissionsfähigen Material gebildet, welches daaselbe sein kann., wie es für die Oberflächen 23 und, 24 der Anordnung der Fig. 1 verwendet wurde. Ein erregendes Feld wird an den Hohlraum 4 in der gleichen Weiae, wie dies bereits im Zusammenhang mit der Fig. 1 ausgeführt wurde, angelegt. Der Abstimm-Mechanismus 11 wird solange betätigt, bis Resonanz erreicht ist. Am Vervielfacherspalt entsteht ein Wechselfeld, das Vervielfachung und Phasenfokussierung

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-25-

der Elektronen, die von den Dynod enoberflachen 39 und 43 emittiert wurden, zur Folge hat. Auf Grund des positiven Potential$eldes der Anoden 26a und 26b wandern die im Vervielfacherspalt erzeugten Elektronen in der durch die Pfeile 45 in Pig· 8 angedeuteten Richtung, bis sie endlich die ringförmige Öffnung 46 des Spaltes als ein konvergierender Strahl 38a verlassen, der aus ringf02migen Elektronenbündein 37a zusammengesetzt ist. Die Anoden 26a, 26b Juat

(UBJUl

zusammen mit dem Impulsemitter ebenso wie bei der Anordnung nach der Pig. 1 eine Elektronenlinse, welche .anfangs den Strahl gegen die Achse 21a bündelt. Die Beschleunigungsspannungen der Anoden 26a und 26b können jedoch verschieden geändert werden, wodurch die Fokussierung in geeigneter Weise beeinflusst werden kann. An diese Anoden können auch geeignete Signale zwecks Modulation des Strahles 38a gelegt werden.

Das Dynoden-KLement 37 ist axial angeordnet, so dass der letzte Aufprall der oszillierenden Elektronen zwischen den Dynoden-Dberflachen 39 und 43 auf die Oberflächen-Verlängerung auftrifft· Dies ist wichtig, wie bereits früher ausgeführt wurde, aus dem Grund, weil die Sekundärelektronen, welche die Oberflächenverlängerung 44 verlassen, eine angenäherte Mastwellsche Geschwindigkeitaverteilung und eine Lambertsehe Hichtungeverteilung aufweisen. Die Qesohwindigkeitsverteilung hat eine mittlere Energie von ungefähr 10 Volt und die Richtungsverteilung ist im wesentlichen senkrecht zur Oberfläche 44. Die Elektronen, welche, wie in der Anordnung nach der Pig. 1, phasenfokussiert sind, ötarten schliesslich von der Oberfläche 44 in Richtung entsprechend dem Pfeil 47» so dass die anfängliche Elektronenemission in Richtung gegen die Achse 21 verläuft oder, mit ·

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2878

anderen Worten, sie konvergieren. Auch nach dem Verlassen der Oberfläche 44 stehen die Elektronen noch unter dem Einfluss des Hochfrequenzfeldes des Spaltes, welches sie gegen die Achse 21 beschleunigt. Die Kombination dieser Effekte ergibt äii£ Bildung des konvergierenden Strahles 58a, welcher dichter gepackte Bündel 37a ergibt und dadurch StrahlungsVerluste vermeidet, dass der Strahl von der Wand abgehalten wird.

Die vorhergehenden Diskussionen in Bezug auf die Erzeugung der Elektronen sollen nun aiiSax^BräiiaBaiKunter dem Gesichtspunkt der Bündelung der Elektronen betrachtet werden·

Es gibt drei verschiedene Wege, um dichte Bündel zu formen.

1) Geschwindigkeitsmodulation, wie sie vom Klystron her bekannt ist,

2) Phasenfokussierung, wie bereits beschrieben, als eine wiederholte Form der Geschwindigkeitsmodulation,

3) Sekundäremission, bei der zusätzliche Elektronen fortlaufend erzeugt werden·

Die zwei letzteren Prozesse werden bei dem Vervielfacher der Erfindung benutzt, durch den alle Elektronen letztlich innerhalb des Spaltes (fig. 7) gebündelt werden. An diesem Punkt der Diskussion ist es gut, die Arbeitsweisen der Impulsemitter der ζ ei Anordnungen der Pig. 1 und 7 zu betrachten und zu vergleichen. In beiden Fällen sind die entgegengesetzten Oberflächen (23 und 24 in Fig. 1 und 39 und in fig. 7) auf eiern gleichen Gleichpotential, haben jedoch eine Hochfrequenz-Potential-Differenz dazwischen. Diese ergibt zwei Arten von Vervielfachung, wie folgt:

9098U/0660 ~²⁷~

ISE/Reg. 2878 1 4 9 H 7

Die erste Art ist durch die Abwesenheit eines anodischen

Gleichfeldes zwischen den zwei Oberflächen gekennzeichnet, während ein derartiges Feld bei der zweiten Art vorhanden ist. Bei der ersten Art (Pig. 1), bei der ein kleines oder kein anodisches Gleichfeld in dem Spalt zwischen den zwei Oberflächen 23 und 24 vorhanden ist, erfordert die Elektro_ nenvervielfachung:

a) Elektronen, die eine Oberfläche verlassen, müssen, damit sie auf der entgegengesetzten Oberfläche mit genügender Energie auftreffen, um Sekundäremission mit einem Sekundär emiasionsfaktor grosser als 1 auszulösen, durch das Hochfrequenzfeld beschleunigt werden,

und

b) wenn die Elektronen die zweite Oberfloche treffen, darf

das Hochfrequenzfeld keine Richtung oder Intensität haben, welche die Emission von Sekundärelektronen verhindert.

Bei der zweiten Art ^Pig. 7) ist, wie später ausgeführt, ein anodisches Feld zwischen den Oberflächen 39 und 43 vorhanden. Die Elektronenvervielfachung erfordert die gleichen Hochfrequenzfeldbedingungen des Abs* ä), aber ist mehr oder weniger unabhängig von denen des Abs. b). Es wird jedoch eine Verbesserung der Wirksamkeit erzielt.

Wie bereits früher ausgeführt, sind diejenigen Elektronen, die innerhalb eines gewissen Phauenbereiches emittiert werden, phasenfokussiert und diejenigen, die ausserhalb dieses Winkels emittiert werden, kehren auf die emittierende Oberfläche zurück und sind verloren. Bei Einführung des erwähnten anodischen Feldes jedoch werden die letzteren Elektronen durch das Hochfrequenzfeld nicht umgekehrt und gehen verloren, sondern sie werden mit den phasenfokussierten Elektro-

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nen vereinigt. Das anodische Feld sichert Elektronenemission zu jeglicher Zeit und, wenn es genügend stark ist, sogar gegen die rückführenden Kräfte des Hochfrequenzfeldes. Dies erklärt sich wie folgt:

Das positive, durch die Fokussierungsanode 26a erzeugte Feld durchdringt den Spalt zwischen den Oberflächen 39 und 43 etwa in der in Fig. 9 schematisch wiedergegebenen Art. Dieses Feld innerhalb des Spaltes, ungefähr um dessen Mittelpunkt, erscheint den Elektronen als eine Anode, derart, dass sie nach d er Emission gegen die entgegengesetzte Oberfläche beschleunigt werden. Elektronen., die zu einer Zeit ausserhalb des erwähnten Phasenbereiches emittiert werden, werden durch das Hochfrequenzfeld zurückgehalten, anstatt beschleunigt zu. werden. Sie erreichen die entgegengesetzte Oberfläche nicht und kehren unter dem Einfluss des Anodenfeldes gegen die erste Anode zurück. Dabei werden sie weiter durch das Hochfrequenzfeld verzögert. Diese Schwingung dauert an, ohne die Oberflächen 39 und 43 zu erreichen, die Elektronen wandern jedoch gegen die Öffnung 46. Diese Bedingung ist durch den gestrichelten, serpentinenartigen Pfeil in Fig. 9 erläutert. Einige dieser Elektronen können jedoch, bevor sie die Öffnung 46 verlassen, genügend verzögert werden, so dass sie in Schritt fallen oder, mit anderen V/orten, -in den Phasenbereich, in dem die Elektronen fokussiert sind. Dies ist durch den ausgezogenen Pfeil 45a in Fig. 9 wiedergegeben. Damit wird augenscheinlich, dass diejenigen Elektronen, welche mehr Verzögerungs- als auch Beschleunigungskräfte vorfinden, evtl. schwingen, oder in arideren Worten - "quasi-phasenfokussiert" sind, in ei-, ner Phasenbeziehung mit dem Hochfrequenzfeld, in welchem sie mit den phasenfokussierten Elektronen vereinigt sind.

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H9U71

ISE/Reg; 2878

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Im wesentlichen verlassen alle von den Oberflächen 39 und 43 emittierten Elektronen die Öffnung 46 in Form von Bündeln 37a und alle Elektronen, welche anfänglich ausserhalb des fokussierenden Phasenbereiches emittiert wurden, sind nicht verloren. Wenn ein zentrales anodisches Feld vorgesehen ist, so dass Elektronenemission gegen das Hochfrequenzfeld stattfinden kann, wird von diesen Elektronen Arbeit gegen das Hoehffequenzfeld geleistet, und die Energie des letzteren ist dadurch vergrössert. Dies dient der Verstärkung des Hochfrequenzfeldes oder andererseits dem Ersatz der bei der Phasenfokussierung dem Feld entzogenen Energie, wodurch der Energiebetrag, der für den Vervielfacher erforderlich ist, verringert wird. Der Vervielfacher ist daher ein wirksamer Stromerzeuger. Während die Verwendung des zentralen anodischen Feldes auf die Elektronenlaufzeit einwirkt, ist dieser Effekt leicht durch Änderung des Abstandes der Vervielfacheroberflächen und/oder die Hohlraumabstimmung kompensiert. Die Wölbungen der Dynodenoberflachen 39 und 43 hängen in einem gewissen Umfang mit den Spannungen der Anoden26a und 26b zusammen. Diese Beziehung ist derart, dass die Wölbungen vergrössert werden können, wenn die Anodenspannungen vergrössert werden, um Raumladungssättigung zu erhalten. Die entgegengesetzte Bedingung ist auch richtig.

Während die Oberflächen 39 und 43 im vorhergehenden mit gewölbtem Querschnitt gezeigt und beschrieben wurden, ist es für den Fachmann klar, dass sie ebenso eben oder von anderer Form sein können. Die Form der Oberflächen 39 und 43 hängt in grossem Umfang von der Konstruktion und den Erfordernissen der Höhrenanordnung ab.

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1 L 9 1 L 7

ISE/Rego 2878 I 4 3 I «♦ / I

-30-

Der Auffänger der Mg. 7 ist ganz ähnlich demjenigen der Figo 1, unterscheidet sich jedoch im wesentlichen durch den Aufbau des Kollektors und der Hohlraumendplatte. Der Auffänger 30a ist mit einer gewölbten Oberfläche 31a ähn.-lieh der Oberfläche 31 in Fig. 1 versehen» Im Kollektor 30a ist jedoch eine koaxiale, zylindrische Bohrung 48 vorgesehen, welche sich bis in die Elektrode 13a erstreckt· Das offene oder obere Ende ist mit einem offenen Gitter oder leitenden Schirm 49 versehen, welcher in geeigneter Weise mit dem Sammler 30a leitend verbunden ist. Die Endplatte 27 ist flach und mit einer koaxialen Öffnung 29a von kleinerem Durchmesser als die Öffnung 29 der Figo 1 versehen. Diese Öffnung 29a hat ungefähr den gleichen Durchmesser wie die Bohrung 48 und hat bei einem Ausführungsbeispiel einen Durchmesser von ungefähr 12,7 mm.

die Dimensionen der übrigen Teile der Röhre werden im folgenden angeführt.

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-31- H91471 ·

ISE/Eeg.2878

Die Arbeitsweise dieses Auffängers ist im wesentliche die gleiche wie die desjenigen der Fig.1, ausgenommen, daß der Strahl 38a von einer solchen Größe ist, daß er die Öffnung 29a und die Öffnung in der Bohrung 48 gerade ausfüllt. Der Hohlraum 5 wird durch die- Elekt:

nenbündel 37a, wenn sie durch den Spalt zwischen der Platte 27 und die Oberfläche 49 und Oberfläche 31a hindurchgehen erregt, wie dies bei der Anordnung nach Fig.1 der Fall ist. Da Sekundär-Emission vom Sammler vermieden oder vermindert werden soll, ist sowohl die Oberfläche 31a als auch das Maschenmaterial 49 vorzugsweise mit einem Goldüberzug versehen. Die das Maschenmaterial 49 durchdringenden Elektronen treffen die Wand der Bohrung 48 und werden mindestens teilweise gesammelt. Wenn irgendwelche Sekundär-Elektroden von der Wand emittiert werden, v/erden diese zum größten Teil innerhalb der Bohrung gefangen und durchwandern sie radial. Falls eine Raumladung ausgebildet wird, werden die Elektronen auf die Wand zurückgestoßen und dadurch gesammelt. Um die Sekundär-Emission herabzusetzen, ist die Wand vorzugsweise mit einem Goldübersug versehen. Die störenden Effekte der Sekundäf-Emission innerhalb des Auffängers sind also entweder verhindert oder stark reduziert.

Aus den bisherigen Ausführungen kann entnommen werden, daß der Betrieb (in Bezug auf beide Anordnungen) augenblicklich stattfinden kann, da keine thermische Kathode geheizt werden muß. Weiterhin sind bei Verwendung des Vervielfacliungsprozesses die aus der Vervielfacher-Öffnung emittierten Elektronenbündel oder Elektronenringe dicht gepackt. Dies hat eine Wirksamkeit in der Arbeitsweise zur Folge, da weniger Streuelektronen in und zwischen den Bündeln auftreten. Zusätzlich kann der Längsabstand zwischen der Impulselektrode und dem Auffänger zur Beschleunigung der Elektronen benutzt werden, wodurch diesen eine größere kinetische Energie mitgeteilt werden kann, so daß·beim Erreichen des Auffängers "durch die Bündel eine große Ausgangsleistung entnommen werden kann. Da die Geschwindigkeiten der Elektronen, welche die Oberfläche 31 erreichen, relativ klein ist, wird durch diese Oberfläche 31 wenig Energie absorbiert, die in Hitze umgewandelt wird. Die Oberfläche 31 und damit auch der Sammler 30 arbeitet bei einer niedrigen

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Temperatur und hat die Verwendung von besonderen Kühlungsanordnungen nicht nötig. Dia die Röhre nicht durch einen thermischen Strom in
ihrem Betrieb begrenzt ist, ist die Energie,die entwickelt werden
kann, ebenfalls nicht begrenzt, ausgenommen durch die Abführung 4er Wärme, welche innerhalb erzeugt ist. Es ist wichtig, daß der Widerstand 40 in der Fig. außerhalb der Röhre angeordnet ist, wodurch ein Teil der Wärme von der Röhre ferngehalten wird, der sonst auf st±H der Oberfläche 31 entwickelt würde·

Wie aus dem Vorhergehenden hervorgeht, kann die Größe, Form, Abmessungen und Arbeitsbedingungen geändert werden, ohne die Erfindung
zu verlassen. Einige Abmessungen sind für die Ausführungsbeispiele im folgenden wiedergegeben und es sei bemerkt, daß diese Abmessungen ' als Beispiel und nicht als Beschränkung betrachtet werden sollen.

Abstand zwischen Oberfläche 23 und 24 4,5 mm

Radius der Oberfläche 23 31,7 mm

Radius der Oberfläche 24 37,3 mm

Durchmesser der Öffnung 20 . 18,9 mm

Betriebsfrequenz, annähernd- 1000 MHz

Impedanz des Leitungsteiles 10a 50 0hm

Weite des Spaltes 32 4,5 mm

Radius der Oberfläche 31 31,7 mm

Radius der/pfatte 28 benachbarten Oberfläche 37,3 mm

Durchmesser der Öffnung 29 38,1 mm

Durchmesser der Öffnung 29a ■ 12,7 mm

Durchmesser der Bohrung 48 15,9 mm

Tiefe der Bohrung 48 20,7 mm'

Weitester Abstand zwischen den Oberflächen 39 und 43 4,8 mm

Abstand zwischen den Oberflächen 39 und 43 an den Kanten 3,15 mm Axialer Abstand der Oberfläche 38b von der Endplatte

(Fig.7) 25,4 mm

15,9 mm

Die Figuren 1 und 7 sind so wiedergegeben, daß andere Dimensionen, . wenn gewünscht, direkt aus diesen Zeichnungen entnommen werden können.·

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Claims (1)

1. DrI

   91471

   Patentansprüche

   Elektrisches Entladungsgefäß, bei dem die von einer Emissionselektrode emittierten Elektronen längs eines vorbestimmten Weges gegen einen Auffänger beschleunigt werden, der die Elektronen auffängt und ein den Elektronen entsprechendes elektrisches Signal erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß die Emissionselektrode einen Spalt, der mindestens eine Oberfläche mit einem Sekundärfaktor größer als 1 aufweist, und das an den Spalt angelegte Hochfrequenzfeld die emittierten Elektronen innerhalb des Spaltes zu periodischen Elektronenbündeln fokuiBLert, die in Richtung auf den Auffänger beschleunigt werden.

   Elektrisches Entladungsgefäß nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Spalt, von dessen Oberflächen mindestens eine derart geformt ist, daß die Abmessung des Spaltes in einer vorbestimmten Richtung wenigstens eine Änderung aufweist, als Resonanzspalt arbeitet, .in dem die infolge des an ihm liegenden Feldes zwischen den Oberflächen schwingenden immer dichter phasenfokusiert werdenden Sekundärelektronen sich im wesentlichen in einer bestimmten Richtung innerhalb des Spaltes bewegen.

   Elektrisches Entladungsgefäß nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Spalt durch ein Paar sich in einigem Abstand gegenüberstehenden Oberflächen bestimmt wird, von denen wenigstens eine aus einem Material besteht, das einen Sekundär-Emissionsfaktor größer als 1 aufweist.

   Elektrisches Entladungsgefäß nach mindestens einem der Ansprüche 1...3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Beschleunigung der Elektronenbündel eine Anode dient, welche die Elektronenbündel konvergent macht.

   Elektrisches Entladungsgefäß nach mindestens einem der Ansprüche 1...4, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Emissionselektrode erzeugten Elektronenbündel eine ringförmige iorm aufweisen, so daß sich ein Hohlstrahl ergibt.

   Elektrisches Entladungsgefäß nach mindestens einem der Ansprüche 1«#.5f dadurch gekennzeichnet, daß die Emissionselektrode ein Elektronenvervielfacher ist, der Elektronenbündel emittiert.

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   copy ~⁵⁴~ ·

   -34- H9-H71

   ISE/Reg. 2878

   7. Elektrisches Entladungsgefäß nach mindestens einem der Ansprüche 1...6, dadurch gekennzeichnet, daß in oder zwischen einer der einen oder mehreren den Spalt bestimmenden Oberflächen eine Öffnung vorgesehen ist, die derart angeordnet ist, daß die phasenfokulierten Elektronenbündel sich durch diese Öffnung gegen die Beschleunigungselektroden "bewegen.

   8. Elektrisches Entladungsgefäß nach Anspruch 3 in Kombination mit mindestens einem der Ansprüche 4···7, dadurch gekennzeichnet, daß jede der den Spalt bestimmenden Oberflächen gewölbt ist und jede einen verschiedenen Radius der Wölbung aufweist, so daß wenigstem ein Bereich besteht, in dem die Oberflächen weiter voneinander entfernt sind.

   9. Elektrisches Entladungsgefäß nach Anspruch 3 und 7» dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung in einer der 2 den Spalt bestimmenden Oberflächen angeordnet ist.

   10. Elektrisches Entladungsgefäß nach Anspruch 3 und 7» dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung durch die Kanten der beiden den Spalt bestimmenden Oberflächen gebildet wird.

   11. Elektrisches Entladungsgefäß nach mindestens einem der Ansprüche 7··»10, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, um

   . die phasenfokussLerten Elektronenbündel gegen und durch die Öffnung zu bewegen.

   12. Elektrisches Entladungsgefäß nach mindestens einem der Ansprüche 7-..11, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Beschleunigung der Elektronenbündel verwendete zylindrische Anode eine Achse aufweist, die senkrecht zu der Ebene der Öffnung ist und durch deren Mittelpunkt geht und ein Ende der Anode zu mindestens einer der die Öffnung bestimmende Oberfläche benachbart ist.

   13· Elektrisches Entladungsgefäß nach Anspruch 3 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß beide den Spalt bestimmenden Oberflächen in Bezug auf die Anode konkav ausgebildet sind.

   14. Elektrisches Entladungsgefäß nach mindestens einem der Ansprüche 1...i3_t dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Feld durch einen Resonanzstromkreis z.B· einen Resonanzhohlraum erzeugt wird, in dem mindestens eine der den Spalt bestimmenden Oberflächen den Hauptteil der Kreiskapazität darstellt·

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   H9H71

   ISB/Regc2878 ~⁵⁵-

   15. Elektrisches Entladungsgefäß nach mindestens einem der Ansprüche 1...14, dadurch gekennzeichnet, daß die Auffänger-Elektrode mit

   ^: einem durch mindestens eine Oberfläche bestimmten Spalt versehen ist, und mindestens eine dieser Oberflächen einen Sekundär-Emissionsfaktor größer als 1 aufweist und mindestens eine der den Auffangerspalt bestimmenden Oberfläche mit einer Öffnung versehen ist, die derart angeordnet ist, daß die beschleunigten phasenfokuaoLerten Elektronenbündel in den Auffängerspalt·eindringen können, der als Resonanzspalt zur Energieaufnahme aus den Elek-

   . tronenbündeln dient.

   16. Elektrisches Entladungsgefäß nach Anspruch 15» dadurch gekennzeichnet, daß der Auf fang er spalt durch eine erste und eine zweite acadtx. einander getrennt gegenüber angeordneten Oberflächen bestimmt wird, von denen die erste mit einer Öffnung zum Durchgang der beschleunigten Elektronen auf die zweite Oberfläche versehen ist, deren Ebene sex^krecht auf den Mittelpunkt des vorbestimmten Weges der Elektronenbündel steht und daß die zweite Oberfläche aus einem Material besteht, dessen Sekundär-Emissionsfaktor kleiner als 1 ist.

   17· Elektrisches Entladungsgefäß nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Oberflächen der Auffänger-Elektrode einen Resonanzspalt bilden, der derart geformt und dimensioniert ist.

   durch die '

   daß er durch die/Offnung der ersten Oberfläche fliegenden Elektronenbündel erregt wird.

   18. Elektrisches Entladungsgefäß nach Anspruch 16 und 17, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Oberfläche eine feste, konkave Oberfläche ist.

   19· Elektrisches Entladungsgefäß nach.Anspruch 16 und 17, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Oberfläche zur Aufnahme des Strahls mit einem Hohlraum versehen ist, der in Bezug auf die Öffnung der ersten Oberfläche derart angeordnet ist, daß die Elektronen in ihn eindringen und gefangen werden.

   20. Elektrisches Entladungsgefäß nach Anspruch 19» dadurch gekennzeichnet, daß über dem Hohlraum eine Abdeckung aus einem vorzugsweise leitenden Maschenmaterial vorgesehen ist.

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   ~³⁶~ U9U71

   ISE/Reg. 2878

   21. Elektrisches Entladungsgefäß nach Anspruch 3 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanten der zwei Oberflächen die öffnung bestimmen, die derart angeordnet und geformt ist, daß die Elektronenbündel hindurch auf die Beschleunigungs-Elektroden fliegen.

   22. Elektrisches Entladungsgefäß nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei den Spalt der Emissionselektrode bestimmenden Oberflächen koaxial und radial voneinander getrennt angeordnet sind und die den Beschleunigungselektroden nächste Oberfläche eine ringförmige Oberflächenverlangerung aufweist, die nach außen divergiert.

   23· Elektrisches Entladungsgefäß nach mindestens einem der Ansprüche 1...22, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschleunigungs-Elektroden durch eine in Segmente geteilte rohrförmige Anode gebildet wird und jeder dieser Segmente mit einer verschiedenen Vorspannung versehen ist.

   24. Elektrisches Entladungsgefäß nach mindestens einem der Ansprüche 1...23, dadurch gekennzeichnet, daß das Potential der Beschleunigungs-Elektroden im Emissionsepalt einen positiven Potentialgradienten erzeugt, durch den die Elektronen gegen die Beschleunigungs-Elektroden beschleunigt werden·

   14.4.1964
   Dr.Hi/La/Rp

   9O98U/iU?.6O