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Magnetronröhre In der Erfindung handelt es sich um eine als Magnetronröhre
zur Erzeugung, zum Nachweis, zur Verstärkung und zur Frequenzvervielfachung sehr
kurzer Wellen dienende Röhrenkonstruktion mit völlig neuartigen Elektroden, bei
der auch der Aufbau der in ihrer Wirkungsweise bekannten Elektroden von den in der
Röhrentechnik üblichen Formen abweicht. Ferner handelt es sich um die Einführung
von bisher in der Magnetronröhrentechnik nicht verwendeten Elektronenquellen, unter
Angabe zweckentsprechender Konstruktionen.
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Unter einem Magnetron sei ein Entladungsrohr verstanden, in dem ein
konstantes oder variables Magnetfeld wesentlich bestimmend ist für den Weg der Elektrizitätsträger.
Eine Magnetronröhre enthält zumindest eine Kathode und eine Anode, für welche bereits
verschiedene Formen bekanntgeworden sind; z. B. sei als bekannt erwähnt, die Anode
in Form von ebenen Platten oder von Zylinderteilen auszubilden, wobei die Trennfugen
parallel zu der in der Zylinderachse liegenden Kathode verlaufen. Das durchweg zur
Längsachse der Anode parallellaufende, linear gerichtete Magnetfeld wird dabei außerhalb
oder innerhalb der Röhre erzeugt.
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Zur Wirkungsweise der Magnetronröhre soll folgendes gesagt werden:
Eine Entladungsröhre mit mindestens einer Kathode und einer Anode ist also dann
ein Magnetron, wenn sie ohne Magnetfeld ihre Aufgabe nicht erfüllen kann und erst
durch ein zusätzliches magnetisches Feld, z. B. zur Schwingungserzeugung, befähigt
wird. Zur Beeinflussung des Elektronenweges wurden in den meisten Fällen Magnetfelder
verwendet, die durch eine geeignete Vorrichtung außerhalb der Röhre erzeugt wurden.
Es ist auch bekannt, die Anode spiralförmig auszubilden und durch diese Spirale
einen Gleichstrom zu schicken (Patent 471 5a4). Hierbei handelt es sich immer um
parallel zur Anodensystemachse verlaufende, linear gerichtete Felder mit innerhalb
des Entladungsraumes geraden Kraftlinien. .
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Es ist auch bekannt, in Elektronenröhren mit Gitter den Übertritt
der Elektronen von der Kathode zur Anode durch das vom Heizstrom der Kathode erzeugte
magnetische Feld zu beeinflussen, welches den Heizdraht ringförmig umgibt (Patent
49o286); vgl. auch B a r k h a u.s e n , Elektronenröhren, Bd. 1, 1931, S. 47. Mit
diesem zur Kathode zirkularsymmetrischen Magnetfeld kann man die Größe des von der
Kathode zur Anode übergehenden Elektronenstromes (die Zahl der Elektronen) beeinflussen.
Das Magnetfeld kann in diesem Fall keine Steuerfunktion haben, da es konstant ist.
Durch geeignete Wahl der Größe des zur Kathode zirkularsymmetrischen
Magnetfeldes
kann man den Elektronenbahnen in der Nähe der Steuerelektrode eine derartige Krümmung
erteilen, daß die effektiven Röhrendaten S und wesentlich geändert werden. Die hochfr_'
quente Steuerung der Elektronen geschie'hi.@ wie bisher mit den elektrostatisch
wirkendef' Elektroden. Es ist wesentlich anzuführen, daß die Kathode dabei in dem
bzw. den Schwingkreisen liegt.
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Das Magnetronrohr nach der Erfindung mit einer aus zwei oder mehr
Teilen bestehenden Anode ist dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb der Anodenflächen
ein linearer, normalerweise nicht geheizter Leiter (Stromsteg) senkrecht oder annähernd
senkrecht zur Trennfläche(n) der Anoden vorgesehen ist, der zur Erzeugung eines
zirkularsymmetrischen Magnetfeldes dient.
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Die hochfrequente Steuerung der Elektronen kann magnetisch oder elektrisch
erfolgen, und zwar je nach Bedarf in Fremd- oder Eigenerregung.
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Bei einem hochfrequentstronigesteuerten Magnetron ändert das zirkularsymmetrische
Magnetfeld seine Größe und vor allem seine Richtung. Unter dem Einfluß dieses magnetischen
Wechselfeldes ändert sich auch der Krüminungs- bzw. Ablaufsinn der Elektronen. Bei
einem hochfrequentstromgesteuerten Magnetron genügt im einfachsten Falle eine zweiteilige
Anode. Die Elektronen können von der Einmissionsquelle, die zweckmäßig in der Trennebene
symmetrisch zu den beiden Anodenteilen Al, A2 liegt (Abb. i), unter dem Einfluß
des Wechselmagnetfeldes in der einen Halbperiode so ablaufen, däß sie zur Anode
A2 gelangen.
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Bei einem hochfrequentspannungsgesteuerten Magnetron ändert das durch
einen Gleichstrom erzeugte zirkularsymmetrische Magnetfeld seine Größe und Richtung
nicht. Zur Steuerung dienen die Wechselspannungen, die zwischen den Anoden bzw.
Anodengruppen auftreten. Der Ablaufsinn der Elektronen kann sich nicht ändern, cla
er durch das konstante Magnetfeld festgelegt ist. Wird bei hochfrequenter Spannungssteuerung
eine zweiteilige Anode verwendet, so kann ein zur Schwingungserzeugung beitragender
Elektronenübergang nur in einer Halbperiode der Hochfrequenz stattfinden. Sollen
in beiden Halbperioden die. Schwingungen angeregt werden (Gegentaktschaltung), so
muß die Anode mindestens aus drei Teilen bestehen, die geeignet miteinander verbunden
sind (vgl. Abb. a).
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W, stellt die ungefähre Bahn eines Elektrons in der einen Halbperiode
und W2 die Bahn eines Elektrons in der anderen Halbperiode der hochfrequenten Schwingung
dar. Im einfachsten Falle eines hochfrequentstromgesteuerten, selbsterregten Magnetron.s
fließt der Steuerstrom, der in diesem Beispiel , kK'kntisch mit dein Schwingstrom
ist; durch _: Schwingkreis, der von der Kapazität der halbkugelförmigen Anodenteile
A1, A=
fünd von der Induktivität des Stromsteges S gebildet wird. Die Elektronenemissionsquelle
E liegt nicht im Schwingungskreis; nur die zur Beschleunigung der Elektronen erforderliche
Gleichspannung liegt zwischen Kathode und den Anodenteilen. Die hochfrequenten Wechselspannungen,
die im Falle eines hochfrequentstromgesteuerten Magnetrons keine wesentliche Rolle
spielen, liegen zwischen den Anodenteilen Al, A2. Die Anode muß also mindestens
zweiteilig ausgeführt werden.
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Allgemein kann man sagen, daß dann die größte Hochfrequenzleistung
erreicht wird, wenn alle Elektronenwege den gleichen Bedingungen unterliegen. Aus
diesem Grunde empfiehlt es sich, den Stromsteg S symmetrisch in bezug auf die Symmetriepunkte
der Anodenteile A anzuordnen (Abb. i und 2), die Anodenteile selbst rotationssymmetrisch
zum Stromsteg zu gestalten und die Emissionsquelle (n) E ganz oder annähernd in
Symmetriepunkten) des .aus Anodenteilen und Stromsteg gebildeten Systems zu legen
(Abb. i bis 4).
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In den anschließenden Abschnitten handelt es sich um die zweckmäßige
Ausgestaltung und Anordnung der neuartigen bzw, bekannten Elektroden.
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Den Stromsteg S kann man zur Ausstrahlung der erzeugten Hochfrequenz
über die annähernd geschlossene Anodenfläche hinaus seitlich verlängern. Aus Symmetriegriinden
wird man ihn beiderseits gleichmäßig verlängern, gegebenenfalls über das Entladungsgefäß
R hinaus, und die Verlängerung V evtl. mit kapazitiven Beschwerungen 13 versehen,
um den Strahlungswiderstand an den Rohrscheinwiderstand anpassen zu können. Dies
ist dann wichtig, wenn man den Dipol geoinetrisch nicht der Wellenlänge entsprechend
ausbilden kann, da der Generator durch den Strahlungswiderstand der Antenne zu stark
gedämpft wird. In solchen Fällen kürzt man den Dipol in seiner Länge und stimmt
ihn z. B. durch Kugeln, die an den Enden angebracht werden, wieder auf Resonanz
ab. Kugeln haben den Vorteil, daß ihre I"'-al)azitätswirkung rechnerisch leicht
zu erfassen ist und daß an ihnen keine elektrische Kantenwirkung auftritt (Abb.3).
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Es bestehen keinerlei Bedenken, den Stromsteg S rohrförmig auszubilden
und innerhalb des Rohres die Stromzuführungen Z zu einer oder zu mehreren Elektroden
zu verlegen
(Abb. a, 6 und 7). Auch kann innerhalb des Stromsteges
ein vom Steg durch Isolation O getrennter Leiter L vorgesehen sein. Die beiden Enden
dieses Leiters sollen getrennt herausgeführt werden, so daß der zur Erzeugung eines
magnetischen Hilfsfeldes, insbesondere eines Modulationsfeldes, verwendet werden
kann (Abb. q.).
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Den Elektronenemissionsquellen E ist in der Erfindung besondere Beachtung
geschenkt worden. Sie müssen nicht immer, wie anfangs erwähnt, in den Symmetriepunkten
bzw. Symmetrieebenen des aus Anodenteilen und Stromsteg gebildeten Systems liegen,
sondern können auch außerhalb der Schlitzebene liegen, wenn durch ein konstantes,
durch Gleichstrom erregtes Magnetfeld die Elektronen auch ohne hochfrequente Steuerung
um einen gewissen Betrag abgelenkt werden (Abb. -2). Würden die Emissionsquellen
im Falle einer magnetischen Modulation, z. B. mit Hilfe eines koaxial zum Stromsteg
verlaufenden Leiters L, in der Trennebene der Anoden liegen, so würde im Hochfrequenzausgangskreis
die doppelte Modulationsfrequenz auftreten, da das Maximum der Hochfrequenz bei
jedem Nulldurchgang des Modulationsstromes, also zweimal je Periode der Modulationsfrequenz,
auftritt. Will man die Verdopplung vermeiden, so muß man eine geometrische, elektrische
oder magnetische Unsymmetrie in den Magnetronröhrengenerator hineinbringen. Die
geometrische Unsymmetrie kann man durch konstruktive Maßnahmen z. B. dadurch erreichen,
daß man die Emissionsquellen in Richtung des Stromsteges verschoben außerhalb der
Schlitzebene der Anoden anbringt.
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Um die anfangs aufgestellten Symmetriebedingungen möglichst weitgehend
zu erfüllen, bildet man die Emissionsquelle E zweckmäßig als punktförmige oder kreisförmige,
direkt oder indirekt geheizte Kathode aus. Bei der hier vorliegenden Art der Schwingungserzeugung
kommt eine Rückkehr der Elektronen zur Emissionsquelle und damit eine Rückheizung
derselben bzw. Sekundärelektronenerzeugung nicht in Frage. Derartige Erscheinungen
sind dadurch möglich, daß die Elektronen auf ihrem Lauf, wegen der endlichen Ablaufzeit,
bei ihrer Rückkehr (zur Ausgangselektrode) zusätzlich Energie gewonnen haben können.
Da die Laufzeit bei ultrakurzen Wellen in der Größenordnung der Schwingungsdauer
liegt, durchläuft ein Elektron statisch gleichwertige Raumteile des Entladungsgebietes
unter Bedingungen, die durch den Schwingungsvorgang zeitlich aber ungleichwertig
geworden sind. Dieser Punkt ist sehr wesentlich, da somit der Verwendung hochemissionsfähiger
Oxydkathoden (ohne ausgeprägte Sättigung) nichts mehr im Wege steht, die je Einheit
der Kathodenfläche eine viel ergiebigere Elektronenquelle darstellen.
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Die Zuleitungen zur Emmissionsquelle E Kathode) können innerhalb der
Schlitzebene Liegen (Abb. q.), sie können aber auch parallel zum Stromsteg außerhalb
oder innerhalb desselben geführt werden (Abb. a und 7). Wenn man die Auswirkung
des Heizstromfeldes ausschließen will, d. h. nicht als Hilfsfeld zur Modulation
benutzen will (Abb. 7), kann man die Zuführung doppelt nach einer Seite, z. B. verdrillt,
herausführen (Abb. a und q.).
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Praktisch bei allen Ultrakurzwellenröhrengeneratoren ist die Belastungsgrenze
nicht wie sonst durch die Anode, sondern durch die Kathode gegeben. Die Ausmaße
einer Kathode wachsen mit der Emmissionsleistung. Dieses wird bei Kurzwellenröhren
sehr störend empfunden, da mit der Kathode die <Maße der üblichen Elektroden
wachsen, so daß so ein Rohr schließlich zur Erzeugung ultrakurzer Wellen unbrauchbar
wird, weil der durch die Elektroden und ihre Verbindungen gebildete Schwingkreis
eine zu niedrige Eigenfrequenz aufweist.
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Es fehlt in der Kurzwellen-Magnetr onröhrentechnik also an Elektronenquellen
mit hoher Emissionsfähigkeit je Flächeneinheit bzw. je Raumeinheit der Kathode.
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Es wird hier zum erstenmal vorgeschlagen, in Magnetrons als Elektronenquelle
eine Vakuumfunkenstrecke, eine Lichtbogen- oder eine andere selbständige Gasentladungsstrecke
zu benutzen. Pünktlichtbogenlampen, bei denen vorwiegend thermische Elektronenerzeugung,
Vakuumfunkenstrecken, bei denen vorwiegend Sekundärelektronenerzeugung auftritt,
oder gewöhnliche Gasentladungen sind sehr ergiebige Elektronenquellen. Das eigentliche
Entladungsvolumen ist gegenüber dem Röhreninnenraum sehr klein.
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Der Metalldampfdruck, der z. B. bei einem Lichtbogen in dem vorher
praktisch druckfreien Raum entsteht, fällt nach den Anoden zu außerordentlich rasch
ab, und zwar aus geometrischen Gründen ungefähr wie r/r' und aus thermischen Gründen
mit einer negativeren Potenz als r-1 # (z/r).
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Wegen der Ionenträgheit spielen die Elektronen allein eine wesentliche
Rolle. Man hat es durch geeignete Konstruktionen und Dimensionierungen vollkommen
in der Hand, die Bogenentladungsbahn selbst als wesentliche Elektronenquelle wirksam
zu machen oder die Elektronenemission im wesentlichen auf die an beiden Elektroden
auftretenden Sekundärelektronen zurückzuführen.
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Bei einer derartigen Emissionsquelle muß der Stromsteg äußerlich eine
Abänderung erfahren. Er muß an den Stellen, an denen er
sonst die
geheizten Kathoden trug, galvanisch unterbrochen werden. Die Unterbrechungsstellen
U tragen die verschiedenen gestaltbaren Entladungselektroden F (Abb. 5 a bis 5 c).
Der Hochfrequenzstrom kann nun mit über die Entladungsstrecke gehen. Nach Messungen
von Prof. Zenneck ist bei geeigneter Wahl der Elektrodenabstände und der Stromdichte
der Widerstand der Entladungsbahn für Hochfrequenz und Größenordnungen kleiner als
der statische. Es kann dem Hochfrequenzstrom auch ein kapazitiver Nebenschluß N
zur Entladungsstrecke innerhalb oder außerhalb des Stromsteges gegeben werden. Ist
die kapazitiv e Überbrückung außerhalb des Stromsteges angebracht, so müssen für
die Elektrizitätsträger geeignete Austrittsöffnungen T vorgesehen sein. Die vom
Stromsteg durch Isolation O galvanisch getrennten kapazitiven Überbrückungen können
als magnetische bzw. je nach Anordnung auch als elektrische Steuerorgane verwendet
werden (Abb. 5 a bis 5 e).
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Zur Bündelung der austretenden Elektronen sind in unmittelbarer Nähe
der Emissionsquelle E Hilfselektroden H angeordnet. Diese Hilfselektroden H sind
rotationssymmetrisch gebildet (in bezug auf den Stromsteg), im einfachsten Fall
ebene Kreisscheiben und ähneln in ihrer Wirkungsweise den Wehnelt-Zylindern bei
Braunsc hen Röhren usw. Die Hilfselektroden H sind durch Isolationszwischenlagen
O sowohl vom Stromsteg S als auch von der Emissionsquelle E getrennt. Sie können
mit Punkten beliebigen Potentials durch Zuleitungen Z, insbesondere auch mit der
Kathode direkt, verbunden werden. Die Streubreite des Elektronenfächers, d. h. die
Gesamtheit der - Elektronenbahnen während eines Zeitmoments, ist vom Potential und
vor allem von der Form der Hilfselektroden H abhängig. Diese Tatsache kann für Modulationszwecke
nutzbar gemacht werden. Die Anwendung dieser obengenannten Elektronenquellen ist
nicht auf Magnetrons mit zirkularsymmetrischem Magnetfeld beschränkt (Abb. 6).
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Die Anodenteile A bildet man zur Herabsetzung des Strahlungswiderstandes
(effektive Antennenhöhe = Schlitzbreite) so aus, daß sie eine in bezug auf den Stromsteg
rotationssymmetrische, galvanisch oder wenigstens hochfrequenzelektrisch, annähernd
geschlossene Fläche, insbesondere eine Kugelfläche, bilden. Um den Strahlungswiderstand
auf ein Minimum herabzudrücken, kann man die Schlitzung durch einen ringartigen
Dekkel D schließen. Durch entsprechende Ausbildung von D (vgl. Abb. ä) kann man
erreichen, . daß ohne große zusätzliche Kapazitätserhöhung zwischen A1 und A2 das
Generatorsystem selbst fast nicht mehr strahlen kann. Dieser Abschluß D kann als
Auffangvorrichtung zum Schutz der Glaswand gegen die aufprallenden Elektronen dienen.
Verbindet man D mit einem geeigneten Potential, so kann man den Übergang des Elektronenfächers
von A1 auf A2 steuern, z. B. zu Modulationszwecken (vgl. Abb.9).
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Bildet man das Mittelstück D so aus; daß es in bezug auf die
Elektronenwege annähernd gleichwertig mit den anderen Anodenteilen wird, und bringt
man es auf dasselbe Potential, so erhält man ein Magnetron mit dreiteiliger Anode
(Abb. io). Durch die Spaltverdoppelung erreicht man eine Frequenzverdoppelung in
bezug auf die zugeführte Steuerfrequenz. Abb. i i bis 13 stellen Weiterbildungen
des Magnetrons nach Abb. io dar. Die Anodenbeile AI, A2, As ... des Frequenzvervielfachungsmagnetrons
müssen so ausgebildet werden, daß der Elektronenfächer auf jedem Anodenteil die
gleiche Zeit verweilt. Benachbarte Anodenteile sind durch Induktivitätenl untereinander
und über dies mit einem z. B. in Abb. i i gezeichneten Ausgangskreis 1% verbunden.
Zweckmäßig wird man die Induktivitäten 1 und den zur Kopplung dienenden Teil des
Kreises N innerhalb des Entladungsgefäßes anordnen, um mit möglichst wenig Durchführungen
durch die Gefäßwand auskommen zu können.
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Beim Frequenzvervielfachungsmagnetron ist normalerweise nur eine Elektronenemissionsquelle
vorgesehen, die in der geometrischen Mitte des aus Stromsteg und Anodenteilen gebildeten
Systems liegt. Die Frequenzvervielfachungszahl entspricht der Zahl der Anodenschlitze.
Die Verbindung der einzelnen Anodenteile untereinander und mit der Anodenspannungsquelle
hat so zu erfolgen, daß die in den einzelnen Zeitabschnitten der Grundperiode (Steuerfrequenzschwingung)
angeregten höherfrequenten Schwingungen sich im Verbrauchskreis oder bei direkter
Abstrahlung in ihren Feldern additiv überlagern.
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Die Abnahme der erzeugten Hochfrequenz läßt sich beim hochfrequentstromgesteuerten
Magnetron ohne Frequenzvervielfachung am günstigsten über eine kapazitive Kopplung
P ausführen. Diese Koppelvorrichtung P kann nun in das Entladungsgefäß R eingebaut
werden (Abb. 1q.), oder man kann das .Rohr so konstruieren, daß die Anoden der Gefäßwand
unmittelbar benachbart sind, so daß die Kapazitätsbelege P außerhalb des Rohres,
vorzugsweise in ihrem Kopplungsgrad veränderlich, angebracht werden können (Abb.
i5). Zum Schutz der Glaswand gegen Elektronenaufprall kann der Anodenschlitz durch-
eine Belegung abgedeckt werden.
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Wird der Stromsteg von einem nicht im
Rohr erzeugten
Wechselstrom oder nur von einem Gleichstrom gespeist, dann sind die Anodenteile
A durch Isolation 0 vom Steg zu trennen (Abb. 2 und 7). Sind dagegen Steg undAnode
galvanisch miteinander verbunden, so kann der Stromsteg bzw. seine Verlängerung
an hochfrequenzmäßig geeigneten Punkten mit Anschlüssen für die Elektrodenspannung
versehen werden (Abb. 9 und 16).
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Zur Kühlung von Anode und (bzw. oder) Steg können diese mit Ansätzen
zur Erhöhung der natürlichen Kühlung oder mit Vorrichtungen zur. künstlichen Kühlung
durch strömendes Kühlmittel, z. B. Luft, Wasser oder öl, versehen werden.
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Die erfindungsgemäße Röhre ist keinesfalls auf die hier aufgezählten
Elektroden und deren Formen beschränkt. Es können ebenso z. B. zwischen Emissionsquelle
und Anode bzw. hinter der Anode, wenn diese ganz oder teilweise durchbrochen ist,
weitere durchbrochene, gitterförmige oder volle Elektroden G vorgesehen sein (Abb.
7 und 16).