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Elektrodenanordnung zur Erzeugung eines negativen *Widerstandes durch
Verteilung eines aus raschen Elektronen gebildeten Entladungsstromes zwischen zwei
Elektroden Die Erfindung betrifft eine Elektrodenanordnung zur Erzeugung negativer
Widerstände durch Verteilung eines aus raschen Elektronen gebildeten Entladungsstromes
zwischen zwei Elektroden.
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Es ist seit langem bekannt, in Verstärkerröhren statisch negative
Widerstände herzustellen. Die bekanntesten. Ausführungsmöglichkeiten beruhen auf
Sekundäremissionserscheinungen oder auf einer Rückkopplung. Diese Verfahren sind
mit gewissen Nachteilen behaftet: sie sind z. B. zeitlich inkonstant oder benötigen
außerhalb der Röhre liegende Schaltelemente. Es wurde auch vorgeschlagen, einen
negativen Innenwiderstand in besonders gebauten Röhren zu erzeugen, bei denen sich
hinter einer stromdurchlässigen Anode mindestens eine weitere Auffangelektrode befindet
und der von der durchbrochenen Anode durchgelassene Strom an einer zwischen der
Anode und der Auffangelektrode angesammelten Elektronenraumladung abgebremst wird
und sich nach Maßgabe der Primärstromstärke bzw. der _ Anodenspannung auf diese
beiden Elektroden verteilt. Für das Zustandekommen des-negativen Innenwiderstandes
zwischen Kathode und Anode sind also langsame, wenn nicht sogar völlig abgebremste
Elektronen ausschlaggebend. Es ist ferner eine Röhre bekannt,- bei welcher ein negativer
Widerstand durch eine vom Bündelungszustand eines Entladungsstromes. abhängige Stromverteilung
erzeugt wird. Solche Röhren lassen sich aber mit nur verhältnismäßig schwachen Strömen
betreiben und liefern dementsprechend große negative Widerstände, welche nur in
beschränktem Umfang zur Anfachung von Schwingungskreisen verwendbar sind.
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Die Erfindung besteht in einer Elektrodenanordnung zur Erzeugung eines
negativen Widerstandes durch Verteilung eines aus raschen . Elektronen gebildeten
Entladungsstromes zwischen - zwei Elektroden, bei welcher ein durch die öffnung
oder öffnungen einer Hilfselektrode unter einem zwischen o und 99° liegenden Winkel
zur Normalen der Hilfselektrodenoberfläche hindurchtretender Elektronenstrom in
Abhängigkeit von der positiven Spannung einer auf diese Hilfselektrode folgenden
Elektrode (Anode), der .auch die Steuerspannung aufgedrückt wird, ohne Mitwirkung
magnetischer Felder aus seiner ursprünglichen Bewegungsrichtung derart seitlich
abgelenkt wird, daß die Zahl der auf diese Elektrode (Anode) auftreffenden Elektronen
mit Zunahme ihrer positiven Spannung abnimmt. Dieser Zusammenhang zwischen Strom
Lind Spannung der
folgenden Elektrode ist ein Kennzeichen dafür,
daß die an dieser Elektrode endigende Entladungsstrecke einen negativen Innenwiderstand
besitzt. Die Kennlinien, aus denen dieser Innenwiderstand abzulesen ist, können
punktweise aufgenommen werden, so daß die Bezeichnung als statisch negative Widerstände
gerechtfertigt ist.
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Bei der erfindungsgemäßen Elektrodenanordnung kann zwar ebenfalls
eine gewisse 'Bündelung des Entladungsstromes zur Erhöhung der Ausnutzung des Emissionsstromes
vorgenommen werden, jedoch braucht diese Bündelurig weder sehr scharf noch sehr
genau zu sein: Infolgedessen kann man mit stärkeren Entladungsströmen arbeiten und
kleinere negative Widerstände erzielen: Wegen des schrägen Elektroneneinfalls entfällt
nur ein Teil der Elektronengeschwindigkeit auf die Richtung des Steuerfeldes, während
die andere Komponente dazu. senkrecht steht. Um eine Änderung der Strötnvertei-Jung
herbeizuführen, genügt es, nur die eine dieser Komponenten zu beeinflussen, wozu
eine wesentlich geringere Steuerspannung ausreicht als zur Abbremsung der hohen
Absolutgeschwindigkeit. Andererseits ergibt sich aus der hohen Absolutgeschwindigkeit.
eine kurze Verweilzeit der Elektronen im Steuerraum und damit die Verwendbarkeit
der Anordnung für kurze Wellen.
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Das Wesen der Erfindung soll nunmehr an Hand von Ausführungsbeispielen
erläutert werden.
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In Abb. i bedeutet I eine Hilfselektrode, 1I die Anode und III eine
weitere Hilfselektrode. Der negative Innenwiderstand soll in der an der Anode endigenden
Entladungsstrecke entstehen. Sämtliche drei Elektroden werden auf positiverri Potential
gehalten. Die Elektroden I und II sind mit Öffnungen A, B
ausgestattet: Durch
die Öffnung Ader Hilfselektrode I tritt ein Elektronenstrahl S ein, der von
einer beliebigen Elektronenquelle ausgehen möge. Als Elektronenquelle kann eine
Glüh-, Gas- oder Photokathode verwendet werden; der Strahl kann entweder durch Konzentrationsmittel
(z. B: Wehnelt-Zylinder) oder durch Ausblendung die gewünschte Querschnittsform
erhalten. Der Elektronenstrahl S tritt aus der Hilfselektrode I mit einem Neigungswinkel
a gegen die Richtung der elektrischen Feldlinien (bzw. die Normale auf die Hilfselektrodenfläche
I) aus. Wenn man annimmt, daß der Zwischenraum zwischen den Elektroden I und II
feldfrei ist, d. h. diese beiden Elektroden dasselbe Potential besitzen, verläuft
der Elektronenstrahl zwischen diesen beiden Elektroden geradlinig. Wird nun das
Potential 2t, der. Anode II vergrößert, so erhält der Elektronenstrahl S in dem
nunmehr bestehenden Beschleunigungsfeld eine auf die Anode II senkrecht stehende
zusätzliche Bewegungskomponente. Die Strahlelektronen bewegen sich jetzt nicht mehr
in dem Raum zwischen den Elektroden I und II geradlinig weiter, sondern beschreiben
eine parabolische Bahn S' und treten ganz oder zum Teil durch die Blendenöffnung
B hindurch und werden schließlich von der Elektrode III aufgenommen. Es ist ohne
weiteres einzusehen, daß in diesem Falle der zu der Anode II fließende Strom i2
trotz Vergrößerung des Anodenpotentials u21cleinergeworden ist, d. h.
Dies bedeutet aber, daß der Wechselstromwiderstand der an der Anode Il endigenden
Entladungsstrecke negativ ist. Es ist ohne weiteres einzusehen, daß durch geeignete
Wahl des -Elektronenstrahlquerschnittes und der Form der Blende B ein beliebiger,
u. a. auch linearer Zusammenhang zwischen dem Anodenpotential und dem Anodenstrom
hergestellt werden kann; ebenso läßt sich durch geeignete Wahl der Elektrodenabstände
(insbesondere zwischen I und II) sowie des Neigungswinkels a die Steuerempfindlichkeit
und damit auch die Größe des 'negativen Innenwiderstandes beeinflussen.
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Ähnliche Betrachtungen lassen sich auf die in der Abb:2 dargestellte
Elektrodenanordnung anwenden. In der Abb. 2 gelten die gleichen Bezeichnungen wie
in Abb. i. Der durch die Blendenöffnung A der Hilfselektrode I hindurchtretende
Elektronenstrahl S geht, falls der Raum zwischen den Elektroden I und II' feldfrei
ist, durch die Blendenöffnung B der Anode II und gelaugt auf die Hilfselektrode
III. Der zur Anode II fließende Strom i2 ist also gleich o oder zumindest sehr klein.
Wird aber das Anodenpotentia12t2 verringert, so weicht der Elektronenstrahl von
seiner geradlinigen Bahn ab und verläuft in der gekrümmten Bahn S', wobei die Anode
II alle oder einen größeren Teil der Elektronen auffängt. Auch in diesem Fälle gilt
die Beziehung
d. h. der innere Widerstand der an der Anode 11 endigenden Entladungsstrecke
ist negativ.
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In der Abb.3 ist eine etwas andersartige Elektrodenanordnung dargestellt.
I ist wieder eine Hilfselektrode, die eine Öffnung A besitzt. II ist jene
Elektrode an welcher der negative Widerstand erzeugt werden soll (Anode) ; die Potentiale
dieser beiden Elektroden sollen mit ui, 2t2 bezeichnet werden,
während
El die Feldstärke vor der Elektrode I und E2 die Feldstärke in dem Raum vor der
Elektrode II bedeuten. Es sei nun angenommen, daß ein Elektronenstrahl senkrecht
auf die Elektrode I gerichtet sei und die Blende A durchsetze. Dabei erleiden die
Elektronen Ablenkungen, die um so größer sind, je größer der Abstand a des Elektrons
in der Fläche der Elektrode I von der Symmetrieachse Y ist. Der Ablenkungswinkel
ist durch folgende Beziehung gegeben:
In dem Zwischenraum zwischen den Elektroden I und II beschreiben die Elektronen
Parabelbahnen, die sich auf der Symmetrieachse Y schneiden. Der Abstand des Schnittpunktes
von der Elektrode I beträgt unter der Annahme, daß E2 > El ist:
Es vereinigen sich also alle Elektronen des Strahlbündels in einem auf der Symmetrieachse
liegenden Punkt, der als Brennpunkt bezeichnet werden möge. Seine. Lage ändert sich,
wie aus der letzten Formel hervorgeht; in Abhängigkeit von der Feldstärke E2 und
damit auch von dem Anodenpotential u2. Es sei zunächst angenommen, daß die Potentiale
u1, 2c2 bzw: die Feldstärken El, E2 so gewählt seien, daß der Brennpunkt F auf der
mittleren Auffangfläche der Elektrode II liegt. Vergrößert man . jetzt das Anodenpotential
u2, so verschiebt sich der Brennpunkt nach der Elektrode I zu und nimmt beispielsweise
die Lage F' ein. Wie die Ab-Bildung erkennen läßt; schneiden sich die Elektronenbahnen
in einem vor der Elektrode II liegenden Punkt, so daß ein Teil der Elektronen durch
die Blenden B bzw. eine solche ringförmig zu denkende Blende hindurchtritt und auf
die rückwärts gelegene Auffangelektrode III auftrifft. Man übersieht ohne weiteres,
daß der zu der Elektrode II fließende Strom i2. durch die vorgenommene Erhöhung
des Potentials u2 verkleinert wird und infolgedessen der innere Widerstand der an
der Elektrode II endigenden Entladungsstrecke wieder negativ ist. Die besondere
Eigentümlichkeit des an Hand von Abb.3 erläuterten Ausführungbeispiels besteht in
der Ausnutzung der Linseneigenschaften von Blenden für den-durch diese hindurchtretenden
Elektronenstrahl.
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In den bisher behandelten Ausführungsbeispielen war nur von je einem
zugeordneten Paar von Öffnungen auf den Elektroden I und II die Rede. Es ist jedoch
ohne weiteres möglich, die Zahl von Öffnungen zu vergrößern und die beiden Elektroden
I und II sieb- oder gitterförmig auszuführen. Man gelangt hierdurch zu einer in
der Röhrentechnik bereits vielfach erprobten Bauart des Elektrodensystems und kann
dadurch die mit Hilfe eines einzigen Paares von zugeordneten Öffnungen erzielbaren
Wirkungen vervielfachen. Bei den beschriebenen Anoi#dnungen wurde von einem Elektronenstrahl
oder einer gebündelten Entladung bestimmten Querschnittes ausgegangen. Selbstverständlich
kann die Querschnittsbestimmung durch die in der Elektrode I vorhandenen Blenden
selbst erfolgen, so daß eine Elektronenquelle der in Verstärkerröhren üblichen Art
Verwendung finden ° kann. Die vorerwähnte Mehrfachanordnung läßt sich auch mit Elektroden
in Gestalt von konzentrischen Zylindern und Einem axialen Glühfaden bzw. einer entsprechend
geformten indirekt geheizten Kathode ausführen.
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Die vorhin behandelten Ausführungsbeispiele sollen nicht als Beschränkung
aufgefaßt werden, denn selbstverständlich ist es für den Fachmann nicht schwer,
auf Grund der gegebenen Darstellung auch noch andere Ausführungsmöglichkeiten zu
entwickeln. Es wurde z. B. bei den Abb. z und z von einer gestreckten Ruhelage des
Elektronenstrahls in dem Raum zwischen den Elektroden I und II ausgegangen, was
auf der Voraussetzung gleicher Vorspannungen an den Elektroden I und II beruhte.
Selbstverständlich kann man als Ruhelage auch eine in bestimmter Weise gekrümmte
Elektronenbahn wählen, wobei die beiden vorgenannten Elektroden verschiedene Potentiale
erhalten müssen. Auf diese Weise läßt sich z. B. ein mechanischer Justierungsfehler
der beiden Elektroden auf elektrischem Wege ausgleichen. Durch die erfindungsgemäß
gestellte Forderung, die Stromverteilung bei raschen Elektronen vorzunehmen, ergibt
sich die Wahl der Entladungsstromstärke sowie der Abstände und Spannungen der einzelnen
Elektroden in solcher Weise, daß sich in jenem Gebiet des Entladungsraumes, wo die
Stromverteilung vor sich geht, keine Raumladungsstauungen und insbesondere kein
Minimum des Effektivpotentials mit dem Wert o ausbilden können.