DE1541069A1

DE1541069A1 - Wanderfeld-Verstaerkerroehre mit elektrostatischer Zentrifugalfokussierung

Info

Publication number: DE1541069A1
Application number: DE19661541069
Authority: DE
Inventors: Veith Dr Werner
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1966-11-08
Filing date: 1966-11-08
Publication date: 1969-09-04
Also published as: GB1189510A; DE1541069B2

Description

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SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT München 2, % 6£

Wittelsbacherplatz

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P /1Γ

Wanderfeld-Verstärkerröhre mit elektrosta-tischer Zeritrifügalfokussierung

Hie Erfindung betrifft eine V/anderfeld-Veraturkerröhre, insbesondere für Dezimeterv/ellen, mit einen

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Unterlagen (Art. / s Ι Μ». 2 Nr. l Sttz 3 d·· Änderunaagea. v. 4.9.19671

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elektrostatisch zentrifugalfokussierten Elcktronen-

hohlstrahl, der entlang einer Wendelleitung verläuft, auf der sich ein rotationssymmetrisch} hochfrequenten elektrisches Wechselfeld in Längsrichtung des Slektronenhohlstrahls verzögert ausbreitet.

Derartige Wanderfeld-Verstärkerröhren sind "beispielsweise unter dem Uamen "Spiratron" aus "Travaux du Congres International Tubes Hyperfrequences", Band II, 1956, Seiten 1700 bis 1705 und "IRE Transactions on Electron Devices", Januar 1956, Seiten 62 bis 66 bekannt. Diese Röhren gehören dem sogenannten O-Typ an, wobei der gebündelten Führung des Elektronenstrahls eine elektrostatische Zentrifugalfokussierung anstelle einer üblichen Fokussierung mit magnetischen Längsfeldern dient. Für die elektrostatische Fokussierung ist ein kontinuierlicher, un seine Achse rotierender Elektronenhohlstrahl vorgesehen, der im Feld eines Zylinderkondensators verläuft, dessen Innenelektrode gegenüber der Außenelektrode ait einen so hohen· positiven Gleichpotential beaufschlagt ist, daß die zur Achse des Zylinderkondensators nach innen gerichtete elektrostatische Kraft die nach außen gerichtete Zentrifugalkraft der rotierenden Elektronen ia Gleichgewicht halt. Bei den damit betriebenen bekannten Y/anderfeld-

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röhren stellt der zur Fokussierung notwendige Außenleiter eine Wendelleitung dar, während die Innenelektrode des Zylinderkondensators ein zylindrischer Leiter ist. Die Verzögerungsleitung, deren längsfeld mit dem Elektronenhohlstrahl in Wechselwirkung tritt₅ umgibt also den Elektronenhohlstrahl einschließlich der zentralen Innenelektrode.

Bei den geschilderten bekannten O-iypen mit elektrostatischer Zentrifugalfokussierung erstreckt sich die zentrale Innenelektrode aufgrund ihrer Anordnung innerhalb einer Wendelleitung länge der Wendelachse, wo bekanntlich das von der Wendel geführte Hochfrequenzfeld noch verhältnismäßig stark ausgeprägt ist. Daraus ergibt sich die Schwierigkeit, daß der Innenleiter zusammen mit der Wendelleitung einen Hochfrequenzleiter darstellt, der eine unerwünschte Rückkopplung vom Ausgang der Röhre auf den Röhreneingang bewirkt. Diese störende Rückkopplung könnte vermindert werden, wenn man den Durchmesser der Wendelleitung bei gleichbleibenden Durchmesser der Innenelektrode wesentlich vergrößert. In entsprechender Weise müßte aber gleichzeitig die ander Innenelektrode anliegende Gleichspannung für die elektrostatische Fokussierung des Elektronenhohlstrahls heraufgesetzt werden, was zu außerordentlich hohen

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Spannungswerten führt, die für die Praxis nicht mehr geeignet sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine nach den Prinzip eines sogenannten Spiratrons ausgebildete Wanderfeldröhre mit zentrifugalfokussiertem Elektronenstrahl so auszugestalten, daß "bei praktisch sinnvollen Potentialen für die Strahlführung die Gefahr einer Rückkopplung in der Röhre weitgehend vermieden ist. Zur Lösung dieser Aufgabe wird bei einer Wanderfeldröhre der eingangs erwähnten Art nach der Erfindung vorgeschlagen, daß die Wendelleitung vo-n einer hohlzylindrischen, gegenüber der Wendelleitung mit einem negativeren Gleichpotential beaufschlagten Außenelektrode umgeben ist, wobei die Wendelleitung als Innenelektrode für die elektrostatische Zentrifugalfokussierung des Elektronenhohlstrahls dient und einen solchen Durchmesser hat, daß das Produkt aus dem Wendelradius a und dem Quotient cct/λ^. mit Λ als in Längsrichtung des Elektronenhohlstrahls gesehene Wellenlänge des hochfrequenten elektrischen Wechselfeldes größer als 1,5 und kleiner als 4 ist.

Bei einer anderen Gattung von Lauffeldröhren mit Zentrifugalfokussierung, den sogenannten E-Typ-Röhren,

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ist es an sich bereits "bekannt, die Innenelektrode für die Zentrifugalfokussierung als Verzögerungsleitung auszubilden (man vergleiche beispielsweise "Proc. of the IRE", Oktober 1958, Seiten 1700 bis 1705). Dabei wird im Gegensatz zu den O~Typ-Röhren, von denen die vorliegende Erfindung ausgeht, nicht von einem Elektronenhohlotrahl, sondern von einem auf schraubenlinienförniger Bahn geführten Elektronenflachstrahl Gebrauch gemacht. Anstelle einer Kopplung mit parallel zur'Röhrenachse gerichteten elektrischen Peldkomponenten soll sich das elektromagnetische PeId, mit dem der Elektronenstrahl in Wechselwirkung tritt, azimutal längs der schraubenlinienf örmigen Bahn der Elektronen verzögert ausbreiten.

Ein sehr wesentlicher Unterschied zwischen 0-Syp-Röhren einerseits und E-Typ-Röhren andererseits besteht nun darin, daß bei E-Typ-Röhren die Leistungsabgabe an das Hochfrequenzfeld nicht auf Kdsten der Längsgeschwindigkeit der Elektronen erfolgt, sondern den elektrostatischen Feld entnommen wird, in dem der Elektronenstrahl geführt ist. In E-Typ-Röhren gelangen deshalb die Elektronen bei Abgabe von Energie an das Hoehfrequenzfeld von einem größeren auf einen kleineren Bahnradius und nähern sich so zunehmend der Innenelektrode. Aus diesen Grund ist abweichend von den bisherigen 0-Typ-Röhren

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nicht der Außenleiter dec die Zentrifugalfokussierung "bewirkenden Zylinderkondensators, sondern der Innenleiter als Verzögerungsleitung ausgebildet. Bei einer Übertragung dieser Maßnahme auf die geschilderten bekannten O-Typ-Röhren mußte der Fachmann eine Wirkungsgradverschlechterung befürchten, v/eil die Intensität des Hochfrequenzfeldeo einer Wendelleitung außerhalb der Wendel stärker abfällt als im Innern der Wendel. Bei einer erfindungsgemäßen Wanderfeld-Verstärkerröhre tritt dieser Nachteil jedoch überraschenderweise nicht ein. Hierzu liefert die vorgeschlagene Bemessung für die Wendel einen bedeutenden Beitrag, da dabei verhältnismäßig große Wendelradien sich ergeben und damit die Intensität dec Hochfrequenzfcldes in Außenraum der Wendel weniger stark abklingt als bei vergleichsweise geringeren Wendelradien. Es kommt hinzu, daß ein zentrifugalfokussierter Elektronenhohlstrahl am Innenrand eine wesentlich höhere Elektronendichte als am Außenrand aufweist, so da,ß die Wechselwirkung mit dem Hochfrequenzfeld der Wendel auf jeden Fall intensiver ist als im Fall einer den Elektronenhohlstrahl umschließenden Wendelleitung. Im übrigen hat die angegebene Relation für den Wendelradius den Vorteil, daß die Wendel in diesem Bereich eine besonders geringe Dispersion zeigt.

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Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die hohlzylindrische Außenelektrode aufgrund ihres in Vergleich zur Verzögerungsleitung negativen Gleich-Potentiale zugleich die Kollektorelektrode für den Elektronenhohlstrahl bilden kann. Es steht dann eine große Fläche zur Wärmeabstrahlung zur Verfugung. Eine erfindungsgeraäße Röhre kann deshalb die Verlustwärrae wie eine strahlungsgekühlte gittergesteuerte Senderöhre ohne metallischen Kontakt mit dem Außenraum der Röhre abstrahlen. In diesen Zusammenhang sei bemerkt, daß der zylindrische Außenleiter von der Wendelleitung einen beliebig großen Abstand haben kann, so daß nicht nur ein für störende Rückkopplungen verantwortliches Zusammenwirken mit dem Hochfrequenzfeld der Wendel ausgeschlossen ist, sondern auch die wärmeabstrahlende Fläche sehr groß wird .■■■'-

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde die Erkenntnis gewonnen, daß die Steigung der Elektronen des zentrifugalfokussierten Elektronenhohlstrahls für den Wechselwirkungsmechanismus ohne Bedeutung ist, während man bisher allgemein eine möglichst große Steigung der Strahlelektronen vorausgesetzt hat. Aufgrund des ■ rotationssymmetrischen Hochfrequenzfeldes einer Wendelleitung ist eο nämlich gleichgültig, ob die Strahl-

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elektronen sich vorzugsweise in Längsrichtung der Wendelleitung oder vorzugsweise in Unifangsrichtung der Wendelleitung bewegen. Trotz der Drehbewegung d-er

Elektronen haben die längs einer Mantollinic des Hohlstrahls aufeinanderfolgenden Elektronen eine übereinstimmende Phasenlage. Es braucht also keine Rücksicht auf die Neigung der Elektronenbahnen genommen werden, so daß kleine Steigungen der Elektronenbahnen zulässig 3ind und damit sehr hohe Perveanzen des Elektronenstrahls erreicht werden können.

Anhand deo in den Piguron der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeiopielo soll die Erfindung nachstehend mit weiteren Merkmalen näher erläutert werden.

Die Figur 1 zeigt in zum Teil schematischer DarotellungD-weise einen Längsschnitt durch eine erfindungsgeraäßc Wanderfeld-Verstärkerröhre. Mit 1 ist eine bezüglich der Röhrenachse zentral angeordnete Wendelleitung bezeichnet, die auf einer Halterung aus dielektrischem Material befestigt ißt. Die Halterung besteht im vorliegenden Fall aus einem dünnwandigen Keramikrphr 2, könnte aber auchbeispielsweise aus gleichmäßig um die Röhrenachso verteilten Quarz- oder Keramikstäben bestehen. Das Keramik-■.'-■" - ^:; ' \f

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rohr 2 ist an den zylindrischen Außenleitern 5 und 4 zweier Koaxialleitungen gehaltert, die die Vakuunhülle 5 der Röhre an beiden Stirnseiten durchdringen und dabei den Hochfrequenzeingang und -ausgang der Röhre bilden. Zur Ankopplung der Wendelleitung dienen in an sich bekannterWeise Koppelwendeln 6 und 7_S die an der Innenwand dec Keramikrohreo 2 angeordnet und mit einen stetig sich verjüngenden Durchmesser an die beiden Innenleiter 8 und 9 der genannten Koaxialleitungen galvanisch angeschlossen sind. Die Wendelleitung 1 ist in einem möglichst großen Abstand von einer hohlzylindrischen Außenelektrode 10 umschlossen, die in Betrieb der Röhre auf ein gegenüber der Wendelleitung negatives Gleichpotential gelegt wird.'·

Zur Erzeugung eines Elektronenhohlstrahls ist eine Elektronenkanone vorgesehen, welche eine Ringkathodc 11, zwei Wehneltelektroden 12 und 13 sowie eine Zuganode 14 enthält. Die Zuganode 14 ist vorzugsweise als ein ringförmiger Ansatz der zylindrischen Außenelektrode 10 ausgebildet. Die Durchführungen 15 und 16 dienen zur Zuführung der Heizleistung an die mit den Anschluß 17 versehene Kathode 11. Der von der Ringkathode 11 ausgehende Elektronenhohlstrahl soll um seine Achse ■rotieren; die einzelnen Elektronen bewegen sich dann auf

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schraubenlinienförniger Bahn, deren Steigung, wie bereits eingangs-erwähnt, trotz des Vorliegens einer 0-Typ-Röhro sehr klein sein kann. In vorliegenden Pail wird der un seine Achse rotierende Elektronenhohlst rahl nach den Prinzip der sogenannten Harris-Strönung erzeugt, "bei der bekanntlich ein nur in Bereich der Kathodenoberfläche stark ausgeprägtes magnetisches Feld erforderlich ist. Dieses Magnetfeld wird durch einen zylindrischen Permanentmagneten 18 erzeugt, der außerhalb der Vakuurahülle 5 der Röhre angeordnet ist und i2i Längsrichtung der Röhre verschiebbar sein soll. Durch diese Verschiebbarkeit deo Permanentmagneten 18 kann die in Kathodenbereich erforderliche magnetische Feldstärke in sehr einfacher Weise eingestellt werden. Der Permanentnagnet 18 belastet die Anordnung gev/ichtsmäßig nur wenig. Im übrigen sei bemerkt, daß ein Elektronenhohlstrahl mit den gewünschten Drall der Elektronen auch mit rein elektrostatischen Mitteln, und zwar insbesondere durch eine Ablenkung der Einzelelektronen, erzielbar ist.

Der von der Elektronenkanone ausgehende Elektronenhohlstrahl ist in Figur 1 mit 19 bezeichnet. Er tritt nach Verlassen des Elektronenstrahlerzeugungssystems in den Raun zwischen der Wendelleitung 1 und der zylindrischen Außenelektrode 10 ein und wird in diesem Raum durch

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eine elektrostatiBche Zentrif ugalf okuosierung geführt. An End ο des Wechselwirkungoraumea ist eine Abbremselektrode 20 angeordnet, die alo Ansatz am Außenleiter der koaxialen Auskoppelleitung ausgebildet ist und vorzugsweise auf Kathodenpqtential liegt. Auf diese V/eise wirkt der zylindrische Außenleiter 20 zugleich al3

Kollektorelektrode. Dieser Kollektor kann vorteilhaft als "abgebremster¹¹ Auffänger betrieben werden, wobei die erforderliche Gleichspannung über die Zuleitung 21 angelegt wird. Die Wendelleitung 1 erhält ihr für.die Zentrifugalfokussierung notwendiges elektrisches Gleichpotential über den Anschluß 22.

Die Wendelleitung 1 wird erfindungsgemäß so bemessen, daß ihr Radius a gleich dem Quotient aus der 1,5-fachen bis 4-fachen "verzögerten" Wellenlänge ^_v (geometrische Wellenlänge der rnit dem Elektronenstrahl gekoppelten Welle in Längsrichtung der Wendelleitung) und der Zahl 2 er ist» Man erhält damit verhältnismäßig große Wendelradiert, die einen hohen Wirkungsgrad der Wechselwirkung zwischen den Elektronenhohlstrahl 19 und der auf der Wendelleitung verzögert fortschreitenden elektromagnetischen Wellt/. \fer tfruna nierfür wird aus den Figuren 2 und 3 deutlich, die die Verteilung der elektrischen Feldintensität E₂ in Längsrichtung der Wendel für zwei ·

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verschiedene Wendelradien zeigt. Man erkennt, daß bei einer Wendel mit kleineren Radius (Figur 2) die Intensität des elektrischen Feldes in Außenraun der Wendel wesentlich stärker abfällt als bei einer Wendel mit größerem Radius (Figur 3). Bio obere Grenze für den Wendelradius ist in erster Linie konstruktiv begründet. _■-.■■

Eine Wanderfeldverstärkerröhro nach Figur 1 eignet sich besonders zur Nachrichtehübertraguhg im Fernsohband IV und V. Sie soll also vorzugsweise zwischen 470 und 960 1.IHz betrieben werden. Dabei sei z. B. eine maximale Ausgangsleistung von 20 W erwünscht. Hierzu können folgende praktische Spannungswerte angegeben werden. Die mittlere Wellenlänge im angegebenen Frequenzbereich beträgt 40 cn.

Um eine verhältnismäßig geringe Baulänge der Röhre zu erzielen, wählt man für das Verzögerungsmaß in Längsrichtung der Wendel einen Wert-.-von etwa 20. Dies be- .. deutet eine Längsgeschwindigkeit des Elektroncnhohl-Dtrahls von U₂ = 625 V. Demgegenüber kann die Drehgeschwindigkeit, ebenfalls in Volt ausgedrückt, einen beliebigen Wert haben; sie kann beispielsweise in der Größenordnung von 1000 V liegen. Man legt dann die Wendelleitung auf eine Spannung in der Größenordnung von 5000 V und beinißt den Abstand der Außenelektrode 10 von der Wendel so,

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daß die Außenelektrode für eine Zentrifugalfokussierung des Elektronenhohlstrahls ein Potential U₀ von etwa 300 V aufweist. Da die Außenelektrode zugleich als Kollektor dient, wird so die Röhre mit "abgebremstem" Kollektor betrieben, und zwar mit einer Kollektorspannung von etwa 300 V gegenüber ■ einer Voltgeschwindigkeit des Elektronenstrahls in längsrichtung der Wendelleitung 1 von 625 V. Die Ein- und Auskoppelwendeln 6 und 7 sind gleichspannungsmäßig von der Wendelleitung 1 getrennt und wie die Auskoppelleitungen geerdet. Die Zugelektrode 14 erhält ihre Spannung über die Außenelektrode 10.

Die dargestellte und beschriebene Wanderfeldröhre hat unter anderen folgende Vorteile. Wenn beim Einschalten der Röhre das Gleichpotential der Wendel nicht sofort den für eine Zentrifugalfokussierung erforderlichen Wert erreicht, wird der Elektronenhohis.trahl 19 nach Eintritt in den Wechselwirkungsraum nach außen abgelenkt und von der Außenelektrode 10 aufgenommen, wie durch die gestrichelten Linien 23 angedeutet. Nach Erreichen des richtigen Spannungswertes der Wendelleitung 1 wird der Elektronenhohlstrahl 19 bis zum Ende des Wechse!wirkungsräumes geführt und dort durch die geerdete Elektrode 20 auf die Außenelektrode 10

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gelenkt. Aufgrund dec verhältnismäßig großen Durchmesser α der Außenelektrode 10 kann die Verlustleistung, die in der Größenordnung von 40 bis 50 V/ liegt, durch Wärraeabstrahlung abgeführt werden, so daß kein metallischer Kontakt deo Kollektors mit dem Außenraum der Röhre erforderlich -ist. Man kann also den geschilderten, für eine Y/irkungsgraderhöhung erwünschten abbremsenden Betrieb der Kollektorelektrode ohne Isolationsprobiene erzielen. Dabei hat man den zusätzlichen Vorteil, daß Sekundarelektror.cn," die beim Auftreffen dos Elektronenhohlstrahls auf den Außenleiter 10 entstehen können, im elektrischen Feld zwischen der Abbremselektrodo 20 und dem Außenleiter wieder gegen den Kollektor gelenkt werden und dadurch den Betrieb der Röhre nicht beeinträchtigen. Zum Betrieb der Röhre sind außer der Heizspannungsquelle nur noch Gleichspannungsanschlüsso für die Wendelleitung 1 und den Außenleiter 10 erforderlich, wobei lediglich die Spannungsquelle für den Kollektor .Leistung liefern muß.

9 Patentansprüche
3 Figuren

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Claims

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P a te η t α η s ρ r ü c h ο

1. Wanderfeld-Verstärkerröhroj insbesondere für Dezimeterwellen, mit einen elektrostatisch zentrifugalfokussierten Elektronenhohlstrahl, der entlang einer Wendelleitung verläuft, auf der sich ein rotationssymmetrisches hochfrequentes elektrisches Wechselfeld in Längsrichtung des Elektronenhohlstrahls verzögert ausbreitet, dadurch gekennzeichnet, daß die Wendelleitung -(ι)-, von einer hohlzylindriechen, gegenüber der Wendelleitung mit einen negativen Gleichpotential beaufschlagten Außenelektrode (10) umgeben ist, wobei die Wendelleitung (1) als Innenelcktrodc für die elektrostatische Zentrifugalfokussierung des Elektronenhohlstrahls (19) dient und einen solchen Durchmesser:hat, daß das Produkt aus denl·Wendelradius a und den ■ Quotient 2cz/a^ mit£_v als in iängsrichtung des Elektronenhohlstrahls (19) gesehene Wellenlänge des hochfrequenten elektrischen Wechselfeldeo größer als 1,5 und kleiner alo A ist.

,2. Wanderfeld-Verstärkerröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die hohlzylindrische Außenelektrode (10) zugleich die-Kollektorolektrode für den Elcktronenhohlstrahl (19) bildet.

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3. Wanderfeld-Verstärkerröhro nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß am ausgangsseitigen Ende der Wendelleitung (1) in Weg des Elektronenhohlstrahls (19) eine Abbremselektrode (20) angeordnet ist,-die in Betrieb der Röhre mit Kathodenpotential beaufschlagt ist. ·

4. Wanderfeld-Verstärfcerröhro nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenelektrode (10) im Betrieb der Rohre-mit einem Potential ("UV) beaufschlagt ist,

das ungefähr gleich der Hälfte der longitudinalen Voltgeschwindigkeit (U₂) des Elektronenhohlstrahls (19) ist.

5. Wanderfeld-Verstärkerröhro nach einen der Ansprüche 1 bis At dadurch gekennzeichnet, daß die Außenelektrode (TO) von der Wendelleitung (1) einen wesentlich größeren Abstand hat als der Elektronenhohlstrahl (19) gegenüber der Wendelleitung einnimmt.

6. Wanderfeld-Verstärkerröhre nach einen der Ansprüche ί bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wendelleitung (1) auf einer die Röhrenachsο koaxial umgebenden Halterung (2) au3 dielektrischen Material befestigt ist

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und innerhalb dieser Halterung (2) jeweils an beiden Seiten der Wendelleitung eine Koppelwendel (6,7) angeordnet iot» die. mit einen sich stetig verjüngenden Durchmesser an den Innenleiter (.8,9) einer Koaxialleitung angeschlossen ist, die an beiden Röhrenenden die Vakuumhülle' (5) der Rö-hro durchdringend einen zur Rohrenachse zentralen Hochfrequenzeingang und -ausgang bildet.

7. Wanderfeld-Verstärkerröhre nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterung (2) der Wendelleitung ( 1) am Außenleiter (3 »4) der beiden Koaxialleitungen in der Röhre befestigt ist.

8. Wanderfeld-Verstarkerröhre nach einen der Ansprüche 1 'bis 7) dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des Elektronenhohlstrahls (19) eine nach dem Prinzip der sogenannten Harris-Strömung arbeitende Elektronenkanone (11,12,13,14) mit einem außerhalb der Röhre angeordneten zylindrischen. Permanentmagnet (18) vorgesehen ist. .

9. Vfanderfcld-Verstärkerrö'hro nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektronenkanone (11,12,13,14)

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einen Eloktronenhohlstrahl· (19) rait so starken Prall ■ der Strahlelektronen erzeugt, daß die Steigung der schraubenlinienförmigen Elektronenbahnen höchstens 45°'betrügt.

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ORIGINAL INSPECTED