DE1541069C - Wanderfeld Verstärkerröhre mit elektro statischer Zentnfugalfokussierung - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine Wanderfeld-Verstärker- tronenhohlstrahls dient und einen solchen Durchröhre, insbesondere für Dezimeterwellen, mit einem messer hat, daß das Produkt aus dem Wendelradius a elektrostatisch zentrifugalfokussierten Elektronenhohl- und dem Quotient 2π/λ_ν mit λ_ν als in Längsrichtung strahl, der entlang einer Wendelleitung verläuft, auf des Elektronenhohlstrahls gesehene Wellenlänge des der sich ein rotationssymmetrisches hochfrequentes 5 hochfrequenten elektrischen Wechselfeldes größer als elektrisches Wechselfeld in Längsrichtung des Elek- 1,5 und kleiner als 4 ist.
tronenhohlstrahls verzögert ausbreitet. . Bei einer anderen Gattung von Lauffeldröhren mit

Derartige Wanderfeld-Verstärkerröhren sind bei- Zentnfugalfokussierung, den sogenannten E-Typ-

spielsweise unter dem Namen »Spiratron« aus »Trä- Röhren, ist es an sich bereits bekannt, die Innen-

vaux du Congres International Tubes Hyperfre- io elektrode für die Zentnfugalfokussierung als Verzöge-

quences«, Bd. II, 1956, S. 27 bis 35, und »IRE Trans- rungsleitung auszubilden (man vergleiche beispiels-

actions on Electron Devices«, Januar 1956, S. 62 _t weise »Proc. of the IRE«, Oktober 1958, S. 1700 bis

bis 66, bekannt. Diese Röhren gehören dem söge- . 1705). Dabei wird im Gegensatz zu den O-Typ-Röhren,

nannten O-Typ an, wobei der gebündelten Führung von denen die vorliegende Erfindung ausgeht, nicht

des Elektronenstrahls eine elektrostatische Zentri- 15 von einem Elektronenhohlstrahl, sondern von einem

fugalfokussierung an Stelle einer üblichen Fokussie- auf schraubenlinienförmiger Bahn geführten Elektro-

rung mit magnetischen Längsfeldern dient. Für die nenflachstrahl Gebrauch gemacht. An Stelle einer

elektrostatische Fokussierung ist ein kontinuierlicher, Kopplung mit parallel zur Röhrenachse gerichteten

um seine Achse rotierender Elektronenhohlstrahl vor- elektrischen Feldkomponenten soll sich das elektro-

gesehen, der im Feld eines Zylinderkondensators 20 magnetische Feld, mit dem der Elektronenstrahl in

verläuft, dessen Innenelektrode gegenüber der Außen- Wechselwirkung tritt, azimutal längs der schrauben-

elektrode mit einem so hohen positiven Gleich- linienförmigen Bahn der Elektronen verzögert aus-

potential beaufschlagt ist, daß die zur Achse des breiten. .

Zylinderkondensators nach innen gerichtete elektro- Ein sehr wesentlicher Unterschied zwischen O-Typ-

statische Kraft die nach außen gerichtete Zentrifugal- as Röhren einerseits und E-Typ-Röhren andererseits be-

kraft der rotierenden Elektronen im Gleichgewicht steht nun darin, daß bei E-Typ-Röhren die Leistungs-

tiält. Bei den damit betriebenen bekannten Wander- abgabe an das Hochfrequenzfeld nicht auf Kosten

feldröhren stellt der zur Fokussierung notwendige der Längsgeschwindigkeit der Elektronen erfolgt,

Außenleiter eine Wendelleitung dar, während die sondern dem elektrostatischen Feld entnommen wird,

Innenelektrode des Zylinderkondensators ein zylin- 3° in dem der Elektronenstrahl geführt ist. In E-Typ-

drischer Leiter ist. Die Verzögerungsleitung, deren Röhren gelangen deshalb die Elektronen bei Abgabe

Längsfeld mit dem Elektronenhohlstrahl in Wechsel- von Energie an das Hochfrequenzfeld von einem

wirkung tritt, umgibt also den Elektronenhohlstrahl größeren auf einen kleineren Bahnradius und nähern

einschließlich der zentralen Innenelektrode. sich so zunehmend der Innenelektrode. Aus diesem

Bei den geschilderten bekannten O-Typen mit 35 Grund ist abweichend von den bisherigen O-Typelektrostatischer Zentnfugalfokussierung erstreckt sich Röhren nicht der Außenleiter des die Zentrifugaldie zentrale Innenelektrode auf Grund ihrer Anord- fokussierung bewirkenden Zylinderkondensators, sonnung innerhalb einer Wendelleitung längs der Wendel- dem der Innenleiter als Verzögerungsleitung ausgeachse, wo bekanntlich das von der Wendel geführte bildet. Bei einer Übertragung dieser Maßnahme auf Hochfrequenzfeld noch verhältnismäßig stark aus- 4° die geschilderten bekannten O-Typ-Röhren mußte der geprägt ist. Daraus ergibt sich die Schwierigkeit, Fachmann eine Wirkungsgradverschlechterung bedaß der'Innenleiter zusammen mit der Wendelleitung fürchten, weil die Intensität des Hochfrequenzfeldes einen Hochfrequenzleiter darstellt, der eine uner- einer Wendelleitung außerhalb der Wendel stärker wünschte Rückkopplung vom Ausgang der Röhre abfällt als im Inneren der Wendel. Bei einer erfi'ndurigs- · auf den Röhreneingang bewirkt. Diese störende 45 gemäßen Wanderfeld-Verstärkerröhre tritt dieser NachRückkopplung könnte vermindert werden, wenn man teil jedoch überraschenderweise nicht ein. Hierzu den Durchmesser der Wendelleitung bei gleichblei- liefert die vorgeschlagene Bemessung für die ,Wendel bendem .Durchmesser der Innerielektrode wesentlich einen bedeutenden Beitrag, da dabei verhältnismäßig vergrößert. In entsprechender Weise müßte aber große Wendelradien sich ergeben und damit die Intengleichzeitig die an der Innenelektrode anliegende 5° sität des Hochfrequenzfeldes im Außenraum der Gleichspannung für die elektrostatische Fokussierung Wendel weniger stark abklingt als bei vergleichsweise, des Elektronenhohlstrahls heraufgesetzt werden, was geringeren Wendelradien. Es kommt hinzu, daß ein zu außerordentlich hohen Spannungswerten führt, zentrifugalfoknssierter Elektronenhohlstrahl am Innendie für die Praxis nicht mehr geeignet sind. rand eine wesentlich höhere Elektronendichte als am

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine 55 Außenrand aufweist, so daß die Wechselwirkung mit

nach dem Prinzip eines sogenannten Spiratrons aus- dem Hochfrequenzfeld der Wendel auf jeden Fall

gebildete Wanderfeldröhre mit zentrifugalfokussier- intensiver ist als im Fall einer den Elektronenhohlstrahl

tem Elektronenstrahl so auszugestalten, daß bei prak- umschließenden Wendelleitung. Im übrigen hat die

tisch sinnvollen Potentialen für die Strahlführung angegebene Relation für den Wendelradius den Vor-

die Gefahr einer Rückkopplung in der Röhre weit- 60 teil, daß die Wendel in diesem Bereich eine besonders

gehend vermieden ist. Zur Lösung dieser Aufgabe geringe Dispersion zeigt..

wird bei einer Wanderfeldröhre der eingangs erwähn- Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin,

ten Art nach der Erfindung vorgeschlagen, daß die daß die hohlzylindrische Außenelektrode auf Grund

Wendelleitung von einer hohlzylindrischen, gegenüber ihres im Vergleich zur Verzögerungsleitung negativen

der Wendelleitung mit einem negativeren Gleich- 65 Gleichpotentials zugleich die Kollektorelektrqde für

potential beaufschlagten Außenelektrode umgeben den Elektronenhohlstrahl bilden kann. Es steht dann

ist, wobei die Wendelleitung als Innenelektrode für eine große Fläche zur Wärmeabstrahlurig zur Ver-

die elektrostatische Zentrifugalfokussierung des Elek- fügung. Eine erfindungsgemäße Röhre kann deshalb

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die Verlustwärme wie eine strahlungsgekühlte gitter- Elektronen bewegen sich dann auf schraubenliniengesteuerte Senderöhre ohne metallischen Kontakt mit förmiger Bahn, deren Steigung, wie bereits eingangs dem Außenraum der Röhre abstrahlen. In diesem erwähnt, trotz des Vorliegens einer O-Typ-Röhre sehr Zusammenhang sei bemerkt, daß der zylindrische klein sein kann. Im vorliegenden Fall wird der um Außenleiter von der Wendelleitung einen beliebig 5 seine Achse rotierende Elektronenhohlstrahl nach dem großen Abstand haben kann, so daß nicht nur ein für Prinzip der sogenannten Harris-Strömung erzeugt, störende Rückkopplungen verantwortliches Zusam- bei der bekanntlich ein nur im Bereich der Kathodenmenwirken mit dem Hochfrequenzfeld der Wendel oberfläche stark ausgeprägtes magnetisches Feld erausgeschlossen ist, sondern auch die wärmeabstrah- forderlich ist. Dieses Magnetfeld wird durch einen lende Fläche sehr groß wird. io zylindrischen Permanentmagneten 18 erzeugt, der

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde die außerhalb der Vakuumhülle 5 der Röhre angeordnet Erkenntnis gewonnen, daß die Steigung der Elektro- ist und in Längsrichtung der Röhre verschiebbar sein nen des zentrifugalfokussierten Elektronenhohlstrahls soll. Durch diese Verschiebbarkeit des Permanentfür den Wechselwirkungsmechanismus ohne Bedeu- magneten 18 kann die im Kathodenbereich erfordertung ist, während man bisher allgemein eine möglichst 15 liehe magnetische Feldstärke in sehr einfacher Weise große Steigung der Strahlelektronen vorausgesetzt hat. eingestellt werden. Der Permanentmagnet 18 belastet Auf Grund des rotationssymmetrischen Hochfrequenz- die Anordnung gewichtsmäßig nur wenig. Im übrigen feldes einer Wendelleitung ist es nämlich gleichgültig, sei bemerkt, daß ein Elektronenhohlstrahl mit dem ob die Strahlelektronen sich vorzugsweise in Längs- gewünschten Drall der Elektronen auch mit rein elekrichtung der Wendelleitung oder vorzugsweise in Um- 20 trostatischen Mitteln, und zwar insbesondere durch fangsrichtung der Wendelleitung bewegen. Trotz der eine Ablenkung der Einzelelektronen, erzielbar ist. Drehbewegung der Elektronen haben die längs einer Der von der Elektronenkanone ausgehende Elek-Mantellinie des Hohlstrahls aufeinanderfolgenden Elek- tronenhohlstrahl ist in F i g. 1 mit 19 bezeichnet, tronen eine übereinstimmende Phasenlage. Es braucht Er tritt nach Verlassen des Elektronenstrahlerzeugungsalso keine Rücksicht auf die Neigung der Elektronen- 25 systems in den Raum zwischen der Wendelleitung 1 bahnen genommen zu werden, so daß kleine Steigun- und der zylindrischen Außenelektrode 10 ein und gen der Elektronenbahnen zulässig sind und damit wird in diesem Raum durch eine elektrostatische sehr hohe Perveanzen des Elektronenstrahls erreicht Zentrifugalfokussierung geführt. Am Ende des Wechwerden können. selwirkungsraumes ist eine Abbremselektrode 20 an-

An Hand des in den Figuren der Zeichnung dar- 3° geordnet, die als Ansatz am Außenleiter 4 der koaxigestellten Ausführungsbeispiels soll die Erfindung alen Auskoppelleitung ausgebildet ist und vorzugsnachstehend mit weiteren Merkmalen näher erläutert weise auf Kathodenpotential liegt. Auf diese Weise werden. wirkt der zylindrische Außenleiter 20 zugleich als

Die F i g. 1 zeigt in zum Teil schematischer Dar- Kollektorelektrode. Dieser Kollektor kann vorteilhaft stellungsweise einen Längsschnitt durch eine erfin- 35 als »abgebremster« Auffänger betrieben werden, wobei dungsgemäße Wanderfeld-Verstärkerröhre. Mit 1 ist die erforderliche Gleichspannung über die Zuleitung 21 eine bezüglich der Röhrenachse zentral angeordnete angelegt wird. Die Wendelleitung 1 erhält ihr für Wendelleitung bezeichnet, die auf einer Halterung aus die Zentrifugalfokussierung notwendiges elektrisches dielektrischem Material befestigt ist. Die Halterung Gleichpotential über den Anschluß 22.
besteht im vorliegenden Fall aus einem dünnwandigen 4° Die Wendelleitung 1 wird erfindungsgemäß so be-Keramikrohr 2, könnte aber auch beispielsweise aus messen, daß ihr Radius α gleich dem Quotient aus gleichmäßig um die Röhrenachse verteilten Quarz- der 1,5- bis 4fachen »verzögerten« Wellenlänge λ_ν oder Keramikstäben bestehen. Das Keramikrohr 2 (geometrische Wellenlänge der mit dem Elektronenist an den zylindrischen Außenleitern 3 und 4 zweier strahl gekoppelten Welle in Längsrichtung der Wendel-Koaxialleitungen gehaltert, die die Vakuumhülle 5 45 leitung) und der Zahl 2π ist. Man erhält damit verder Röhre an beiden Stirnseiten durchdringen und hältnismäßig große Wendelradien, die einen hohen dabei den Hochfrequenzeingang und -ausgang der Wirkungsgrad der Wechselwirkung zwischen dem Röhre bilden. Zur Ankopplung der Wendelleitung Elektronenhohlstrahl 19 und der auf der Wendelleitung dienen in an sich bekannter Weise Koppelwendeln 6 verzögert fortschreitenden elektromagnetischen Welle und 7, die an der Innenwand des Keramikrohres 2 5° sicherstellen. Der Grund hierfür wird aus den F i g. 2 angeordnet und mit einem stetig sich verjüngenden und 3 deutlich, die die Verteilung der elektrischen Durchmesser an die beiden Innenleiter 8 und 9 der Feldintensität E_z in Längsrichtung der Wendel für genannten Koaxialleitungen galvanisch angeschlossen zwei verschiedene Wendelradien zeigt. Man erkennt, sind. Die Wendelleitung 1 ist in einem möglichst daß bei einer Wendel mit kleinerem Radius (F i g. 2) großen Abstand von einer hohlzylindrischen Außen- 55 die Intensität des elektrischen Feldes im Außenraum elektrode 10 umschlossen, die im Betrieb der Röhre der Wendel wesentlich stärker abfällt als bei einer auf ein gegenüber der Wendelleitung negatives Gleich- Wendel mit größerem Radius (F i g. 3). Die obere potential gelegt wird. Grenze für den Wendelradius ist in erster Linie kon-

Zur Erzeugung eines Elektronenhohlstrahls ist eine struktiv begründet.

Elektronenkanone vorgesehen, welche eine Ring- ^6o Eine Wanderfeldverstärkerröhre nach F i g. 1 eignet kathode 11, zwei Wehneltelektroden 12 und 13 sowie sich besonders zur Nachrichtenübertragung im Ferneine Zuganode 14 enthält. Die Zuganode 14 ist vor- sehband IV und V. Sie soll also vorzugsweise zwischen zugsweise als ein ringförmiger Ansatz der zylindrischen 470 und 960 MHz betrieben werden. Dabei sei z.B. Außenelektrode 10 ausgebildet. Die Durchführungen eine maximale Ausgangsleistung von 20 W erwünscht. 15 und 16 dienen zur Zuführung der Heizleistung an ⁶5 Hierzu können folgende praktische Spannungswerte die mit dem Anschluß 17 versehene Kathode 11. Der angegeben werden. Die mittlere Wellenlänge im anvon der Ringkathode 11 ausgehende Elektronenhohl- gegebenen Frequenzbereich beträgt 40 cm. Um eine strahl soll um seine Achse rotieren; die einzelnen verhältnismäßig geringe Baulänge der Röhre zu er-

zielen, wählt man für das Verzögerungsmaß in Längsrichtung der Wendel einen Wert von etwa 20. Dies bedeutet eine Längsgeschwindigkeit des Elektronenhohlstrahls 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 3000 V und bemißt den Abstand der Außenelektrode 10 von der Wendel so, daß die Außenelektrode für eine Zentrifugalfokussierung des Elektronenhohlstrahls ein Potential U_c 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! getrennt und wie die Auskoppelleitungen geerdet. Die Zugelektrode 14 erhält ihre Spannung über die Außenelektrode 10.

Die dargestellte und beschriebene Wanderfeldröhre hat unter anderem folgende Vorteile. Wenn beim Einschalten der Röhre das Gleichpotential der Wendel nicht sofort den für eine Zentrifugalfokussierung erforderlichen Wert erreicht, wird der Elektronenhohlstrahl 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 Wechselwirkungsraumes geführt und dort durch die geerdete Elektrode 20 auf die Außenelektrode 10 gelenkt. Auf Grund des verhältnismäßig großen Durchmessers der Außenelektrode 10 kann die Verlustleistung, die in der Größenordnung von 40 bis 50 W liegt, durch Wärmeabstrahlung abgeführt werden, so daß kein metallischer Kontakt des Kollektors mit dem Außenraum der Röhre erforderlich ist. Man kann also den geschilderten, für eine Wirkungsgraderhöhung erwünschten abbremsenden Betrieb der Kollektorelektrode ohne Isolationsprobleme erzielen. Dabei hat man den zusätzlichen Vorteil, daß Sekundärelektroden, die beim Auftreffen des Elektronenhohlstrahls auf den Außenleiter 10 entstehen können, im elektrischen Feld zwischen der Abbremselektrode 20 und dem Außenleiter 10 wieder gegen den Kollektor gelenkt werden und dadurch den Betrieb der Röhre nicht beeinträchtigen. Zum Betrieb der Röhre sind außer der Heizspannungsquelle nur noch Gleichspannungsanschlüsse für die Wendelleitung 1 und den Außenleiter 10 erforderlich, wobei lediglich die Spannungsquelle für den Kollektor Leistung liefern muß.

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Wanderfeld-Verstärkerröhre, insbesondere für Dezimeterwellen, mit einem elektrostatisch zentrifugalfokussierten Elektronenhohlstrahl, der entlang einer Wendelleitung verläuft, auf der ein rotationssymmetrisches hochfrequentes elektrisches Wechselfeld in Längsrichtung des Elektronenhohlstrahls verzögert fortschreitet, dadurch gekennzeichnet, daß die Wendelleitung (1) von einer hohlzylindrischen, gegenüber der Wendelleitung mit einem negativen Gleichpotential beaufschlagten Außenelektrode (10) umgeben ist, wobei die Wendelleitung (1) als Innenelektrode für die elektrostatische Zentrifugalfokussierung des Elektronenhohlstrahls (19) dient und einen solchen Durchmesser hat, daß das Produkt aus dem Wendelradius α und dem Quotient 2π\λ_Ώ mit λ_ν als in Längsrichtung des Elektronenhohlstrahls (19) gesehene Wellenlänge des hochfrequenten elektrischen Wechselfeldes größer als 1,5 und kleiner als 4 ist.

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

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

4. Wanderfeld-Verstärkerröhre nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenelektrode (10) im Betrieb der Röhre mit einem Potential (U_c) beaufschlagt ist, das ungefähr gleich der Hälfte der longitudinalen Voltgeschwindigkeit (t/_z) des Elektronenhohlstrahls (19) ist.

5. Wanderfeld-Ver stärkerröhre nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wendelleitung (1) auf einer die Röhrenachse koaxial umgebenden Halterung (2) aus dielektrischem Material befestigt ist und innerhalb dieser Halterung (2) jeweils an beiden Seiten der Wendelleitung eine Koppelwendel (6, 7) angeordnet ist, die mit einem sich stetig verjüngenden Durchmesser an den Innenleiter (8, 9) einer Koaxialleitung angeschlossen ist, die, an beiden Röhrenenden die Vakuumhülle (5) der Röhre durchdringend, einen zur Röhrenachse zentralen Hochfrequenzeingang und -ausgang bildet.

6. Wanderfeld-Verstärkerröhre nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterung (2) der Wendelleitung (1) am Außenleiter (3, 4) der beiden Koaxialleitungen in der Röhre befestigt ist.

7. Wanderfeld-Verstärkerröhre nach einem der Ansprüche 1 bis 6, 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.

8. Wanderfeld-Verstärkerröhre nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektronenkanone (11, 12, 13, 14) einen Elektronenhohlstrahl (19) mit so starkem Drall der Strahlelektronen erzeugt, daß die Steigung der schraubenlinienförmigen Elektronenbahnen höchstens 45° beträgt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen