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Einrichtung zur Schwingungserzeugung mittels Hochvakuumröhren in Bremsfeldschaltung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Schwingungserzeugung, insbesondere
zur Erzeugung sehr kurzer elektrischer Wellen, mittels Hochvakuumröhren, die eine
Kathode, ein Gitter und eine flächenförmige Elektrode aufweisen und bei der zwischen
Kathode und Gitter eine weitere Elektrode angeordnet ist von solcher Lage, Gestalt
und Ladung; daß sie das Gitter gegen die von der Kathode kommenden Elektronen ganz
oder zum großen Teil abschirmt.
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Bei der Entwicklung von leistungsfähigen Senderöhren für sehr kurze
Wellen sind bekanntlich erhebliche Schwierigkeiten zu überwinden. Der Wirkungsgrad
der bisher verwendeten Röhren ist äußerst schlecht, ganz besonders, wenn man die
Wellenlänge der Schwingungen so weit verkleinert, daß die Laufzeiten der Elektronen
in der Röhre eine Rolle spielen. Man kann die Laufzeiten der Elektronen verkürzen
durch Erhöhen der Elektronengeschwindigkeit, z. B. durch hohes positives Gitterpotential.
Dabei nimmt man aber bei der üblichen Bauart eine hohe Verlustleitung in Kauf, denn
es fließt ein großer Elektronenstrom unmittelbar von der Kathode zum Gitter.
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Es ist bekannt, zur Herabsetzung der notwendigen Spannungen vor der
Kathode ein Raumladungsgitter anzubringen, welches so ausgebildet ist, daß das auf
hohem positivem Potential befindliche Gitter im Elektronenschatten liegt. Dieses
kaumladegitter liegt an einer konstanten Gleichspannung, und es wird ihm auch kein
Wechselpotential zugeführt. Weiter ist bekannt, eine Vierelektrodenröhre zu verwenden,
bei der beide Gitter positive Potentiale gegenüber den anderen Elektroden haben-
und jedes Gitter mit einer oder mehreren Elektroden durch je ein schwingungsfähiges
System verbunden ist.
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Es ist dann auch eine Bremsfeldschaltung vorgeschlagen worden, bei
der eine Vierelektrodenröhre verwandt ist und bei der dem Hilfsstenergitter eine
gegenüber der Brems-'elektrodenwechselschaltung um etwa i8o° phasenverschobene Wechselspannung
aufgedrückt wird.
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Alle diese Verbesserungen führten jedoch nicht zu dem gewünschten
Erfolge, da der Wirkungsgrad solcher Anordnungen verhältnismäßig gering ist. Eine
der Größenordnung nach wesentlich bessereAusnutzung der Energie erreicht man bei
der vorliegenden Erfindung.
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Gemäß der Erfindung werden bei einer Einrichtung zur Schwingungserzeugung
mittels Hochvakuumröhren in Bremsfeldschaltung, bei denen zwischen Kathode und positivem
Gitter ein Abschirmgitter (Hilfssteuergitter) mit geeigneter Vorspannung angeordnet
ist und bei der der Hochfrequenz bestimmende Kreis zwischen dem positiven Gitter
und der Kathode liegt, dem Abschirmgitter (Hilfssteuergitter) Schwingungen zugeführt,
die den Schwingungen des positiven Gitters annähernd phasengleich sind.
Das
Wesen der Erfindung liegt, mit anderen Worten ausgedrückt, in folgendem. Als Kathode
wird nicht eine ständig Elektronen liefernde Kathode verwendet, sondern eine sogenannte
virtuelle Kathode. Diese virtuelle.. Kathode erreicht man dadurch, daß man eile
ständig emittierende Elektronenquelle, alsö . eine bekannte Glühkathode, benutzt
und vor dieser Glühkathode eine zweite Elektrode (Hilfssteuergitter) anordnet und
diesem Hilfssteuergitter in geeigneten Zeitmomenten solche Potentiale erteilt, daß
es gleichsam als Raumladungsgitter dient, so daß von der Fläche dieses Hilfssteuergitters
nur in gewünschten Zeitmomenten Elektronen in starkem Maße ausgehen. Die Steuerung
des Hilfssteuergitters erfolgt dadurch, daß man durch entsprechende Schaltung einen
Teil der Wechselspannung des positiven Gitters phasengleich dem Hilfssteuergitter
zuführt. Der Elektronenemissionsvorgang ist nicht so zu verstehen, daß in den Sperrzeiten
keine Elektronen von der virtuellen Kathode ausgehen, es ist vielmehr ein periodisches
An- und Abschwellen in Phase mit der Wechselspannung vorhanden.
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Das Abschirm- bzw. Hilfssteuergitter, das gemäß der Erfindung zwischen
Glühkathode und positivem Gitter eingeschaltet wird, muß, um seine Aufgabe richtig
erfüllen zu können, nicht nur räumlich entsprechend angeordnet, sondern auch geometrisch
entsprechend durchgebildet sein. Die Streben des positiven Gitters müssen, von den
Heizfäden der Glühkathode aus gesehen, im Schatten der Streben des Hilfssteuergitters
liegen. Dann wird der von der Kathode ausgehende Elektronenstrom zerteilt und in
einzelne schmale Bündel aufgelöst, die an den Streben des 'positiven Gitters vorbeiströmen.
Das Vorgitter wirkt also blendenartig. Die Elektronen fliegen daher mit großer Geschwindigkeit
entsprechend den hohen Beschleunigungsspannungen durch die Lücken des positiven
Gitters hindurch. Feerrrer muß der Durchgriff der Beschleunigungsspannung durch
das Hilfssteuergitter hindurch möglichst groß sein, damit die Elektronen hohe Geschwindigkeiten
auf dem Wege zwischen Kathode und positivem Gitter erreichen und die Höhe der erforderlichen
Beschleunigungsspannungen auf ein vernünftiges Maß begrenzt wird.
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Außer diesen bekannten Bedingungen, dem bollwerkartigen Schutz des
positiven Gitters durch das Hilfssteuergitter und dem großen Durchgriff der Beschleunigungsspannung
durch das Hilfssteuergitter hindurch, sind die sonst üblichen Bedingungen zu erfüllen,
z. B. das Kleinhalten der Abstände und damit der Laufzeiten für die Elektronen.
So werden die Glühdrähte der Kathode zweckmäßig dicht vor die Gitterlücken gesetzt.
Dies erfordert dann auch einen seitlichen Schutz der Streben des positiven Gitters
durch die Streben ' Ales Hilfssteuergitters, also z. B. eine Art . @Pächform für
diese.
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.Eine Schaltung, die besonders geeignet zur _@xzeugung von Zentimeterwellen
ist, wird 'durch die Fig. z dargestellt. Die Glühfäden der Kathode sind mit K, das
positive Gitter ist mit G2, das Hilfssteuergitter mit G1 und die plattenförmige
Elektrode mit A bezeichnet. Die räumliche Anordnung und geometrische Ausbildung
der Elektroden ist, wenn auch schematisch, mit dargestellt. Vor den einzelnen Streben
des positiven Gitters, von der Kathodenebene aus gesehen, liegen die einzelnen breiteren
Streben des Hilfssteuergitters, die z. B. Winkelform besitzen, so daß sie die Streben
des positiven Gitters umklammern. Die Glühfäden der Kathode liegen in den Lücken
des Hilfssteuergitters, so daß alle Abstände klein werden. Das Hilfssteuergitter
erhält, gegen die Kathode gerechnet, ein negatives Potential von beispielsweise
5oo Volt, das positive Gitter ein positives Potential von z. B. 4ooo Volt und schließlich
die als Bremselektrode dienende Platte wieder ein negatives Potential, und zwar
in Höhe von etwa zooo Volt. Die Elektronen fliegen unter der Einwirkung dieser statischen
Felder von der Kathode durch die Lücken des Hilfssteuergitters G1 und die Lücken
des positiven Gitters G2 hindurch in den Raum zwischen positivem Gitter G@ und Bremselektrode
A hinein. In diesem Raum laufen sie infolge der starken negativen Ladung der Bremselektrode
gegen ein starkes Feld an. Die Geschwindigkeit der Elektronen wird auf Null abgebremst,
sobald sie die Potentialnullfläche erreichen. Diese ist mit der Platte A identisch,
wenn diese das Potential Null gegen die Kathode besitzt, und rückt näher an das
positive Gitter G2 heran, wenn das Potential der Platte, wie in dem Ausführungsbeispiel
angenommen wird, negativ ist. Sobald die Elektronen die Geschwindigkeit Null erreicht
haben, kehrt sich unter dem Einfluß der positiven Spannung am positiven Gitter G,
ihre Bewegungsrichtung um, sie fliegen auf die Streben dieses Gitters zu, um auf
sie (im einfachsten Falle) mit voller Geschwindigkeit aufzutreffen.
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Als Schwingungssysteme werden zweckmäßig Paralleldrahtleitungen verwendet,
von denen das eine Ende an die beiden in Frage kommenden Elektroden der Röhre angeschlossen
wird und- das andere Ende durch j e einen zur Abstimmung auf den Paralleldrähten
verschiebbarenBlockkondensator überbrückt wird. In der Zeichnung sind diese Paralleldrahtleitungen
mit L, L1 und L@ L=
bezeichnet. Die Gleichstromanschlüsse liegen
über Drosseln Dr an den Blockkondensatoren. Auch die übrigen Anschlüsse zur Kathode
und zur Bremselektrode erfolgen in bekannter Weise über Drosseln.
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Die einmal angestoßene, den Elektrodengleichspannungen überlagerte
Wechsel-EMK steuert nun ihrerseits den Elektronenstrom. Die beiden durch die Paralleldrahtleitungen
als Hauptteil gebildeten Schwingungssysteme sind durch die gemeinsame Innenkapazität
der Röhre zwischen Kathode und Hilfssteuergitter G1 gekoppelt. Über diese Kapazität
ist das Paralleldrahtsystem L, L1 geschlossen. Das andere System L. L, liegt
an der Reihenschaltung von zwei Kapazitäten, nämlich der .einen eben genannten zwischen
Kathode und Hilfssteuergitter und der anderen zwischen Hilfssteuergitter G1 und
positivem Gitter G2, so .daß das System L, L1 an einem Teil der Kapazität angekoppelt
ist. Die Wechselspannungen zwischen positivem Gitter und Kathode und zwischen Hilfssteuergitter
und Kathode sind in Phase.
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Eine Erklärung des Schwingungsvorganges ist folgende. - In der positiven
Phase der beiden Gitterwechselspannungen werden die durch das starke Feld schnell
auf große Geschwindigkeit gebrachten Elektronen in der schon beschriebenen Weise
durch die Lücken in den Raum zwischen dein positiven Gitter G. und Bremselektrode
A hineingetrieben und hier auf die Geschwindigkeit Null abgebremst. In der negativen
Phase der beiden Gitterwechselspanungen kehren einerseits die Elektronen im Bremsraum
ihre Bewegung um und treffen auf die Streben des positiven Gitters G2, das hier
als Anode wirkt; andererseits wird, da ja, wie erwähnt, auch die Wechselspannung
am Hilfssteuergitter durch die negative Phase geht, . der Elektronenstrom von der.Kathode
durch die Gitterlücken in Richtung auf die Bremselektrode stark geschwächt, so daß
ein Zusammentreffen von neuen Elektronen mit der vom Bremsfeld nach dem positiven
Gitter zurück= laufenden Elektronenwolke vermieden ist. Der für eine Schwingungserzeugung
erforderliche negative Widerstand der Röhre kommt dadurch zustande, daß die Elektronen
in der positiven Phase der Wechselspannung am positiven Gitter an diesem Gitter
vorbeifliegen und erst nach der Abbremsung und Umkehr als Anodenstrom auf das Gitter
auftreffen, wenn die Wechselspannung an ihm gerade durch die negative Phase geht.
Die beschriebene Schaltung ist selbstverständlich auch bei zylinderförmiger Anordnung
der Elektroden, wie sie in Abb. a dargestellt ist, zu verwenden.