DE3014887A1

DE3014887A1 - Wanderfeldroehre

Info

Publication number: DE3014887A1
Application number: DE19803014887
Authority: DE
Inventors: Georges Fleury; Jean Claude Kuntzmann
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1979-04-20
Filing date: 1980-04-17
Publication date: 1980-11-06
Also published as: JPS55141040A; IT1136179B; GB2050047A; FR2454694B1; IT8012514A0; FR2454694A1; GB2050047B

Description

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DR. HANS ULRIC:-: MAY Q η 1 / Q « 7

D β MÜNCHEN 22, THIERSOHSTRASSE 27 jU I 4ÖO /

TELEGRAMME: MAVPATENT MÜNCHEN TELEX 524487 PATOP TELEFON C0SO3 22 50 51

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T-23-P-2/1695 ^ München, 17- April 1980

MTI/50317/BNT Dr.M/mw

THOMSON-CSF in F-75OO8 Paris / Frankreich Wanderfeldröhre

Die Erfindung betrifft eine Wanderfeldröhre^ in der die Verzögerungsstrecke durch Stützen, deren geometrische Form sich längs der Achse der Röhre verändert, an ihrem Platz gehalten ist.

Bekanntlich besteht eine Wanderfeldröhre aus der Kombination eines langen und feinen Elektronenstrahls mit einer Verzögerungsstrecke mit periodischer Struktur ohne Resonanz. Die Elektronen des Strahls geben Energie an die Höchstfrequenzwelle ab, welche die Verzögerungsstrecke durchläuft, wenn bestimmte Bedingungen des Synchronismus der Welle mit dem Strahl eingehalten sind. In der Praxis besteht die Verzögerungsstrecke im allgemeinen aus einer Wendel oder einem von einer Wendel abgeleiteten Stromkreis. Die Elektronen pflanzen sich längs der Achse der Wendel forTf, welche auch die der Röhre ist. Von den von der Wendel abgeleiteten Stromkreisen seien genannt die Mehrleiterwendel: mit zwei durchflochtenen Strängen, Gegenwendel oder deren topologische Äquivalente, oder auch der Stromkreis mit Ringen und Stäben. Zur Vereinfachung der Darlegung wird jedoch im folgenden stets die Verzögerungsstrecke als eine einfache Wendel angenommen.

In allen Wanderfeldröhren, besonders solchen mit hoher Leistung, treten parasitäre schwingungen bei Frequenzen auf, wo die Phasenverschiebung der Höchstfrequenzwelle zwischen zwei aufeinanderfolgenden Windungen der Wendel nahe bei ir liegt. Für diese Betriebsweise, welche F-Betrieb (τΓ-Typ Betrieb) genannt wird, existiert eine Grenzfrequenz, für welche die Hochstfrequenzenergie sich nicht längs der Verzögerungsstrecke fortsetzt;

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daraus ergibt sich eine starke Wechselwirkung der Welle mit dem Elektronenstrahl, welche Instabilitäten und Schwingungen bewirkt. Um diese Schwingungen zu vermeiden, ist es bekannt, die Länge 1 der Windungen der Wendel längs der Achse der Röhre zu verändern, und entsprechend die Ganghöhe ρ der Wendel zu verändern, um die oben erwähnten Synchronismus-Bedingungen einzuhalten. Insbesondere wurden Verzögerungsstrecken kegelförmig oder quasi-kegelförmig ausgebildet, wie beispielsweise in der französischen Patentanmeldung Nr. 76-28394 (Veröffentlichungsnummer 2 365 218) und ihrem Zusatz Nr. 77 28741 (Veröffentlichungsnummer 2 422 265) der Anmelderin beschrieben.

Diese verschiedenen Lösungen weisen jedoch technologische Nachteile auf. Es ist schwierig, Kegelflächen mit vollkommen identischen Neigungen herzustellen, wobei die betreffenden Flächen einerseits diejenige, welche die Wendel trägt, und andererseits entweder diejenige der isolierenden Längsstützen, welche die .Wendel in der Röhre am Platz halten, oder die Innenfläche der Röhre sind.

Aufgabe der Erfindung ist nun, eine Wanderfeldröhre zu schaffen, welche keine oder weniger parasitäre Schwingungen erzeugt, eine gute Wärmeabführung aufweist und einfacher herstellbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Wanderfeldröhre mit den in Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung behebt die Nachteile und HerstellungsSchwierigkeiten der bekannten Wanderfeldröhren durch eine Bauweise, bei der nicht die geometrische Länge der Windungen der Verzögerungsstrecke, sondern die elektrische Länge dieser Windungen durch Veränderung der dielektrischen Ladung der Strecke längs der Achse verändert wird, was durch Veränderung der Geometrie der diese Strecke in der Röhre am Platz haltenden isolierenden Stützen erreicht wird.

Die Erfindung wird weiter erläutert durch die folgende Beschreibung von Ausführungsbeispielen, welche sich auf die beigefügte Zeichnung beziehen. Hierin zeigen:

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Fig. 1 schematisch eine Wanderfeldröhre mit einer gewendelten Verzögerungsstrecke;

Fig. 2 eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Aufbaus der Wanderfeldröhre;

Die Figuren 3 a bis c Querschnitte von drei Abwandlungen der geometrischen Form der isolierenden Stützen, die im erfindungsgemäßen Aufbau benutzt werden;

Die Figuren 4 a und b und 5 zwei Abwandlungen des erfindungsgemäßen Aufbaus;

Die Figuren 6 a und b eine andere Abwandlung des erfindungsgemäßen Aufbaus mit zusätzlichen Stützstäben.

In den verschiedenen Figuren sind die gleichen Bauteile mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet.

Im Schema der Fig. 1 erkennt man:

eine im ganzen mit G bezeichnete Elektronenkanone, welche aus einer Kathode K, die einen Elektronenstrahl 3 in einer Richtung ZZ emittiert, einer Steuerelektrode W vom Typ Wehnelt-Elektrode und einer Anode A besteht;

eine Verzögerungsstrecke 4, die beispielsweise gewendelt und von im ganzen zylindrischer Form mit der Achse ZZ ist und den Elektronenstrahl 3 umgibt;

eine Fokussierungseinrichtung 5 für den Elektronenstrahl 3 während seines Durchgangs durch die Strecke 4, und schließlich einen Kollektor C der Elektronen des Elektronenstrahls. Die Vorrichtung weist außerdem einen Eingang E und einen Ausgang S für die die Strecke 4 durchlaufende Höchstfrequenzenergie auf. Diese verschiedenen Elemente sind in einer dichten Kammer oder Hülse enthalten, welche im Schema nicht dargestellt ist und eine im ganzen zylindrische Form mit der Achse ZZ hat.

Eine solche Vorrichtung arbeitet bekanntlich wie folgt; die Geschwindigkeit der Elektronen des Strahls 3 wird periodisch moduliert durch das mit der sich längs der Verzögerungsstrecke 4 fortpflanzenden Wanderwelle zusammenhängende Feld. Unter dem Einfluß dieser Geschwindigkeitsmodulation werden die Elektronen paketweise gruppiert, und es erfolgt eine Energieübertragung von den Elektronenpaketen zu der sich über die Strecke fortpflanzenden Welle, vorausgesetzt, daß eine bestimmte Synchronismusbedingung

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zwischen der Geschwindigkeit der Elektronen", und. einer der' Geschwindigkeiten der Phase der die Strecke durchlaufenden Welle erfüllt ist. Bekanntlich ist diese- Synchronismusbedingung definiert durch eine Formel und: ist nicht die gleiche, je nachdem, ob man eine maximale Verstärkung oder eine maximale Ausbeute wünscht. Im Fall einer zylindrischen Wendel ist es b:ekannt"_r diesen Synchronismus durch Veränderung des Ganges der Wendel zu verwirklichen. . .

Wie oben dargelegt, ist es bekannt, zur Veränderung von parasitären Schwingungen, welche in der im F—Betrieb arbeitenden Röhre auftreten können, die geometrische Länge einer Windung ■ der Wendel 4 zu verändern. Die Erfindung bezweckt die Vermeidung der technologischen Schwierigkeiten, welche diese bekannte Lösung mit sich bringt, indem erfindungsgemäß nicht die geometrische Länge sondern die elektrische Länge der Windungen längs der Achse der Röhre verändert wird, und zwar durch Veränderung der dielektrischen Ladung der Strecke. Berechnungen und Untersuchungen der Anmelderin haben gezeigt, daß entgegen den bisherigen Annahmen die Kopplungsimpedanz zwischen dem Höchstfrequenzfeld und den Elektronen des Strahls nicht über die ganze Länge der Röhre maximal sein muß und daß besonders der Wirkungsgrad der Röhre wesentlich verbessert werden kann, wenn eine zum Ende der Strecke, zur Seite des Ausgangs S hin abnehmende K©pplungsimpedanz vorhanden ist. Im erfindungsgemäßen Aufbau wird die Abnahme der Kopplungsimpedanz durch Zunahme der dielektrischen Ladung der Strecke erreicht, was mehrere Vorteile mit sich bringt: Die Erhöhung der elektrischen Ladung der Strecke ermöglicht

1. eine Vergrößerung der elektrischen Länge der Windungen längs der Achse der Röhre und infolgedessen die Unterdrückung bestimmter parasitärer Schwingungen

2. eine Verbesserung der Wärmeabführung. Bekanntlich steigt die abzugebende Wärmeleistung stark am Ende der Strecke; die Erhöhung der dielektrischen Masse am Ende der Strecke ermöglicht daher eine bessere Wärmeabfuhr. ·

Fig. 2 zeigt eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Aufbaus einer Wanderfeldröhre.

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Diese Figur zeigt einen zylindrischen Mantel 6 mit seiner Achse ZZ, welcher die Hülse der Röhre bildet, und im Inneren dieser Hülse eine Wendel 4 von im allgemeinen zylindrischer Form mit der gleichen Achse ZZ. Die Wendel 4 ist durch isolierende Stützen an ihrem Platz gehalten, deren Zahl beispielsweise drei beträgt und die in der Figur mit 7, 8 und 9 bezeichnet sind. Diese Stützstäbe 7, 8, 9 bestehen beispielsweise aus Berylliumoxid und sind an der Wendel 4 und der Hülse 6 durch Hartlötung befestigt.

Dieser Aufbau ist in Fig. 3a im Querschnitt gemäß einer zur Achse ZZ senkrechten Achse AA gezeigt. Diese Figur zeigt wiederum die Hülse 6 mit kreisförmigem Querschnitt, welche die Wendel 4 und die drei Stützstäbe 7, 8 und 9 enthält.

Diese Stützen weisen vier Flächen auf. Von diesen ist die die Wendel 4 tangential berührende Fläche eben, z.B. die Fläche 74 des Stützstabes 7 (Fig. 3a); die gegenüberliegende Fläche (Fläche 76 der Stütze 7) ist eine zylindrische Fläche von im wesentlichen gleichem Radius wie der Radius der Hülse 6, sodaß alle ihre Punkte diese Hülse berühren, die Seitenfläche der Stäbe (70 und 71 für den Stab 7) sind bei dieser Ausführungsform nicht senkrecht zur Fläche 74, sondern bilden mit dieser einen Winkel von mehr als 90°, vorzugsweise 115 bis 135°.

Außerdem zeigen die Figuren, daß die Flächen 70 und 71 eben, jedoch zueinander nicht parallel sind,sondern sich in der Fortpflanzungsrichtung der Elektronen in der Röhre voneinander entfernen; das bewirkt eine Vergrößerung der Zone des Dielektrikums, in der Nähe der Wendel längs deren Achse. Nun ist aber bekanntlich die elektrische Länge einer Windung gleich ihrer geometrischen Länge korrigiert durch die an sie angelegte dielektrische Ladung. Genauer gesagt muß die geometrische Länge für den gesamten in der Nähe der Fläche 74 gelegenen Bereich der Windung korrigiert werden durch einen Koeffizienten, der im wesentlichen gleich der Quadratwurzel der Dielektrizitäts-Konstantendes die isolierenden Stützstäbe 7, 8, 9 bildendem Materials ist. Man erhält daher durch die Divergenz der Flächen 70 und 71 in der Fortpflanzungsrichtung der Elektronen eine Vergrößerung der

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Fläche 74, die nach dem oben Gesagten eir.e Vergrößerung der elektrischen Länge der Windungen über die Länge der Achse ZZ hin zur Folge hat.

Die Vergrößerung der dielektrischen Ladung der Strecke längs der Achse ist in Fig. 3a für eine besondere Form des Querschnitts der isolierenden Stützstäbe 7, 8 und 9 gerzeigt. Die Figuren 3 b und 3c zeigen in gleicher Weise ebenfalls im Querschnitt die gleiche Veränderung der dielektrischen Ladung, jedoch für andere Querschnittsformen der Stützstäbe.

Fig. 3b unterscheidet sich von Fig. 3a nur durch die Form der die Wendel 4 berührenden Fläche der Stützstäbe 7b, 8b und 9b. Diese Fläche, welche für den Stützstab 7b mit 74b, für den Stützstab 8b mit 84b und für den Stützstab 9b mit 94b bezeichnet ist, ist nicht mehr eben sondern zylindrisch mit gleichem Radius vie der Außenradius der Wendel 4, um den Kontakt zwischen dem Stützstab und der Wendel zu verbessern. Eine solche Ausbildung wird für tiefe Betriebsfrequenzen bevorzugt, da in diesem Fall bekanntlich die verwendeten dielektrischen Stüt2;stäbe eine verhältnismäßig erhebliche Größe haben und die Hartlötung unzureichend wäre, um den Kontakt zwischen der Wendel und den Stäben zu gewährleisten, wenn deren Flächen 74 eben wären.

Fig. 3c zeigt den Fall, wo die isolierenden Stützstäbe, hier mit 7c, 8c, 9c bezeichnet, einen rechtwinkligen Querschnitt haben, d.h. daß einerseits die den Flächen 74 und 76 der Fig. 3a entsprechenden Flächen 74c und 76c hier eben sind und andererseits die Seitenflächen 70c und 71 c, welche den Flachen 70 und 71 der Fig. 3a entsprechen, hier zu den erwähnten Flächen 74c und 76c senkrecht (normal) sind.Diese Art der Ausbildung wird für die höchsten Betriebsfrequenzen bevorzugt, für welche die verwendeten Stützstäbe eine verhältnismäßig geringe Abmessung haben, sodaß für sie die Lötung genügt, um den Kontakt zwischen der Wendel, den Stützstäben und der Hülse 6 zu gewährleisten. Diese Struktur ist offensichtlich auch technologisch vorteilhaft, da leicht herstellbar.

Fig. 4 zeigt eine andere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Aufbaus, wobei die Veränderung der elektrischen Länge der Windungen der Wendel längs der Achse der Röhre nicht gleichmäßig ist.

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Fig. 4a zeigt die Röhre im Querschnitt. Die Hülse 6 und die Wendel 4 sind wiederum konzentrisch, wobei letztere beispielsweise durch drei isolierende Stützstäbe gehalten ist, die hier mit 7d, 8d und 9d bezeichnet sind. Diese Stützstäbe haben beispielsweise einen gleichen Querschnitt wie die der Fig. 3a, unterscheiden sich jedoch von jenen Stäben dadurch, daß ihre Seitenflächen (70 und 71 für den Stützstab 7 in Fig. 3a) hier jede durch zwei ebene Flächen gebildet sind.

Fig. 4b zeigt nur einen dieser isolierenden Stützstäbe, z.B. den Stab 7d. Jede der Seitenflächen besteht aus zwei ebenen Flächenabschnitten, 72 und 73 auf der einen Seite, 77 und 78 auf der anderen Seite. Die einander gegenüberliegenden Flächen 7 2 und 77 können zueinander parallel oder, wie die Figur zeigt, leicht divergierend sein. Die an sie anschließenden Flächenabschnitte 7 3 und 78 bilden miteinander einen größeren Winkel als der Winkel zwischen den Flächenabschnitten 72 und 77.

Diese Auführungsform weist den Vorteil auf, daß die dielektrische Ladung nur am Ende der Strecke wesentlich erhöht wird, wodurch die Stäbe gegenüber der vorangehenden Ausführungsform optimaler dimensioniert werden können. Man kann so zu Beginn der Strecke einen kleinen Querschnitt wählen, was die Kopplungsimpedanz in diesem Bereich und damit die Verstärkung pro Längeneinheit erhöht, und am Ende der Strecke einen stark vergrößerten Querschnitt, was besonders eine bessere Wärmeabführung ermöglicht. Diese Ausführungsform ist jedoch technologisch etwas komplizierter als die der Fig* 3a.

Fig. 5 zeigt eine Abwandlung der vorangehenden Ausführungsform, welche derjenigen der Fig. 4b entspricht, jedoch einen isolierenden Stützstab 7e aufweist, dessen Seitenflächen jede drei ebene Flächenabschnitte aufweisen, die nacheinander auf der einen Seite 10, 11 und 12 und auf der anderen Seite 13,14 und bezeichnet sind und so drei Bereiche des Stützstabes von jeweils verschiedener bzw. veränderlicher Breite definieren. Der Vorteil dieser Ausführungsform liegt darin, daß die dielektrische Ladung der Strecke feiner verändert werden kann, was eine Verbesserung der Wärmeabführung und Ausbeute ermöglicht, wobei jedoch die technologische Realisierung schwieriger ist.

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Die Figuren 6a und 6b zeigen eine weitere Abwandlung des erfindungsgemäßen Aufbaus mit zusätzlichen Stützstäben.

Fig. 6a zeigt einen Querschnitt der Röhre, wobei man wiederum die Hülse 6, die Wendel 4, beide mit der Achse ZZ, und sechs Stützstäbe erkennt, wobei drei Stützstäbe 7f, 8f und 9f sich wie zuvor über die ganze Länge der Röhre erstrecken und ihre Form beispielsweise entsprechend der in Fig. 3a gezeigten Form ist, wobei jedoch die Seitenflächen(7Of und 71f für den Stütz— stab 7f) hier zueinander parallel sind und drei zusätzliche kürzere Stützstäbe 7g, 8g und 9g sich beispielsweise über das letzte Drittel der Verzögerungsstrecke erstrecken und die Vergrößerung der dielektrischen Ladung bewirken.

Fig. 6b zeigt einen der zusätzlichen Stützstäbe, z.B. den Stützstab 7g. Die Fläche 74g dieses Stabes, welche der Fläche 74 der Fig. 3a entspricht, ist nicht mehr über ihre ganze Länge mit der Wendel 4 in Berührung, vielmehr weist der Stab 7g an einem seiner Enden einen verjüngten Abschnitt 75 auf, damit die Veränderung der Impedanz längs der Achse ZZ nicht zu plötzlich erfolgt.

Im übrigen sind in Fig. 6a die Seitenflächen jedes der zusätzlichen Stützstäbe 70g und 71g als parallel zueinander verlaufend dargestellt, jedoch können sie auch miteinander einen von 0° abweichenden Winkel bilden, wie beispielsweise Fig. 2 und Fig. 3 zeigen, um die dielektrische Ladung der Strecke allmählich zu erhöhen. Auch können die Stützstäbe 7f, 8f und 9f der Fig. 6a eine der oben beschriebenen Formen haben, um ebenfalls die dielektrische Ladung der Strecke zu verändern.

Bei allen oben beschriebenen Abwandlungen der Ausführungsform ist der Gang der Wendel, welche die Verzögerungsstrecke bildet, längs der Achse der Röhre verändert, um die oben erwähnten Bedingungen des Synchronismus zwischen dem Elektronenstrahl und den HochstfrequenzweIlen einzuhalten.

Die obige Beschreibung bezieht sich auf den Fall einer Verzögerungsstrecke von gewendelter und zylindrischer Form, jedoch erstreckt sich die Erfindung in gleicher Weise auf andere Hochfrequenzstrukturen, die von dielektrischen Stützstäben gehalten

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sind, wie die Strecke mit Ringen und Stäben oder die Strecke mit Ringen und Buckeln oder Schleifen oder auch die pseudokonische Wendel, welche in der oben erwähnten französichen Patentanmeldung und deren Zusatzanmeldung beschrieben sind.

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Claims

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D β MÜNCHEN 2 2, THIERSCHSTRASSE 27 3 O 1! 4· 8 B 7

TELEGRAMME: MAYPATENT MÜNCHEN TELEX 524487 PATOP
TELEFON CO 89) 22 5Ο51

T-23-P-2/1695 München, 1.7. April 1980

MTI/5031 7/BNT Dr.M/mw

THOMSON-CSF in F-7 5OO8 Paris / Frankreich

Wanderfeldröhre

Patentansprüche

M, Wanderfeldröhre, welche in einem evakuierten Mantel eine Elektronenkanone, die einen Elektronenstrahl liefert, und eine periodische Verzögerungsstrecke mit veränderlichem Gang, über die sich eine Höchstfrequenzwelle unter Wechselwirkung mit den Elektronen fortpflanzt, aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß sie außerdem elektrisch isolierende Stützstäbe (7,8,9) aufweist, welche die Verzögerungsstrecke (4) im Mantel (6) halten und im wesentlichen parallel zur Achse (ZZ) des Mantels (6) verlaufen und deren Querschnitt, welcher senkrecht zu dieser Achse gelegt ist, längs dieser Achse verändert ist.
2. Wanderfeldröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausmaß des in der Nähe der Verzögerungsstrecke (4) liegenden Bereichs (74) der Stützstäbe (7,8,9) längs der Achse (ZZ) des Mantels (6) in der Fortpflanzungsrichtung der Elektronen (3) vergrößert ist.
3. Wanderfeldröhre nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützstäbe (7c,8c,9c) einen rechteckigen Querschnitt haben.
4. wanderfeldröhre nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützstäbe (7 j 8,9) einen Querschnitt von gebogener Trapezform haben und die den Mantel (6) berührende Fläche (76) der Stützstäbe im wesentlichen die gleiche Form vie der Mantel (6) hat.

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5. Wanderfeldröhre nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützstäbe (7b,8b,9b) einen gebogenen trapezförmigen Querschnitt haben und die den Mantel (6) und-die Verzögerungsstrecke (4) berührenden Flächen des Stützstabes jeweils die gleiche Form wie diese haben.
6. Wanderfeldröhre nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektronenstrahl (3), der Mantel (6), und die Verzögerungsstrecke (4) im wesentlichen die gleiche Achse (ZZ) haben und die Seitenflächen der Stützstäbe,welche weder die Verzögerungsstrecke (4) noch den Mantel (6) berühren, mit dieser Achse (ZZ) einen Winkel bilden.
7. Wanderfeldröhre nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel konstant ist.
8. Wanderfeldröhre nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel abschnittweise,vorzugsweise diskontinuierlich verändert.
9. Wanderfeldröhre nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß sie an dem in der Fortpflanzungsrichtung der Elektronen (3) gesehenen Ende der Verzögerungsstrecke (4) zusätzliche elektrisch isolierende Stützstäbe (7g,8g,9g) aufweist.

Kurze Zusammenfassung (Abstrakt)

Die Erfindung betrifft eine Wanderfeldröhre (Wanderwellenröhre), in der die Verzögerungsstrecke durch isolierende Stützen am Platz gehalten ist, deren geometrische Form längs der Achse der Röhre verändert ist, um bestimmte parasitäre Schwingungen zu unterdrücken.

Die gewendelte und zylindrische Verzögerungsstrecke 4 mit der Zylinderachse ZZ ist in einer ebenfalls zylindrischen Hülse 6 mit der Achse ZZ durch drei isolierende Längsstäbe 7,8,9 gehalten, deren Querschnitt längs der Achse der Röhre vergrößert ist, um die dielektrische Ladung der Strecke 4 zu erhöhen.

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