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Verfahren zur hochfrequenten Fremdsteuerung eines Magnettuns Bei der
vorliegenden Erfindung han< ies sich um Verfahren zur hochfrequenten Fremd-Steuerung
von Magnetrongeneratoven.
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Es ist vorgeschlagen worden, Magnetrons spannungsmäßig hochfrequent
fremdzusteuern; es ist auch vorgeschlagen worden, die Steuerung mit Hilfe eines
zirkularen hochfrequenten Magnetfeldes (hochfrequente Stromsteuerung) vorzunehmen.
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Gemäß der Erfindung wird zur Fremdsteuerung die Abhängigkeit des Anodenstromes
J, von dem Winkel a, zwischen resultierendem Magnetfeld und Elektrodensystemachseausgenutzt,
und zwar derart,. daßeinem konstanten Hauptmagnetfeld, dessen Wert mindestens dem
kritischen Wert bezüglich der gesteuerten Schwinungenentspricht, ein in g einem
Winkel dazu stehendes hochfrequentes, sich periodisch im Takt der Steuerfrequenz
änderndes, relativ kleines magnetisches Querfeld überlagert wird.
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Es ist bereits bekannt, mittels veränderlicher Magnetfelder rhythmische
Abschwächungen und Verstärkungen von in einer Rätere erzeugten Schwingung-en hervorzurufen.
Dieses auch späterhin für Magnetronröhren vorgeschlagene Verfahren ergibt jedoch
lediglich eine Modulation der erzeugten Schwingungen, führt jedoch noch nicht zu
einer hochfrequenten. Fremdsteuerung, bei .der völlig.andere Voraussetzungen als
bei der Modulation zu erfüllen sind. Es wurden auch weiterhin Untersuchungen bekannt
über -den. Einfluß der Winkelstellung des Magnetfeldes relativ zur Elektrodensystemachse
von Magnetronregen@eratoren. Aber auch aus diesen Untersuchungen konnte noch nicht
gefolgert werden, daß eine hochfrequente Fremdsteuerung durch hochfrequente Winkeländerung
des Magnetfeldes auf die durch die Erfindung gegebene Weise möglich ein könnte.
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Die Ausnutzung- der Abhängigkeit des Anodenstromes von dem Magnetfeldwinkel
kann einmal bezüglich der Größe des Anodenstromes und ein andermal hinsichtlich
der Stromverteilung auf die Anodensegmente geschehen. Es hergeben sich zwei verschiedene
Ausführungsformen, die jedoch gemeinsame Merkmale, nämlich die Fremdsteuerung unter
Verwendung der obengenannten Winkelbeziehungen aufweisen. Die Größe des Anodenstromes
hängt in starkem Maße von dem Betrag dieses Winkels ab. Das erfindungsgemäße Verfahren
weist eine Reihe von Vorteilen auf; insbesondere wird !erstens die Steuerleistung
außerordentlichgering, und zweitens eignet sich das Verfahren sehr gut zur Frequenzverdöppelung
bzw. Vervielfachung.
Der vorliegenden Erfindung liegt der Gedanke
zugrunde, die Fremdsteuerung der Elektronen durch eine Richtungssteuerung zu bewirken,
derart, daß dem Hauptmagnetfeld eines Magnetrons, welches in einer der üblichen
Schaltungen betrieben wird, ein schwaches hochfrequentes Steuerfeld in einer von
der Senkrechten zum Hauptfeld mehr oder weniger abweichenden Richtung überlagert
wird. Durch diese Maßnahme wird der resultierende magnetische Vektor nur in seiner
Richtung und fast nicht in seiner absoluten Größe geändert. In Abb. i stellt der
Vektor H die in Richtung der Anodenachse verlaufende Hauptkomponente des. Magnetfeldes
dar. Q ist der Vektor eines z. B. senkrecht auf H stehenden hochfrequenten Hilfsfeldes.
F ist ist der aus beiden Komponenten resultierende wirksame Feldvektor, der mit
dem normalen Hauptfeld H einen von der Größe des Querfeldes Q abhängigen Winkel
a :einschließt. Wie und warum die Änderungen des Winkels a. den Schwingungsvorgang
bestimmend beeinflussen, soll im folgenden Abschnitt an Hand der Abb. 2 bis q. beschrieben
werden.
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Wir betrachten beispielsweise ein Mab etron mit zylindrisch angeordneten
Anodensegmenten und einer Kathode in der Anodenzylinderachse. Das Hauptmagnetfeld
laufe ungefähr parallel zu dieser Achse. Bei symmetrischem Aufbau und geeignet gewählten
elektrischen und magnetischen B:etriebsb:edingungienergibt sich dann experimentell
eine Abhängigkeit des Gesamtemissionsstromes vom Winkel a., die kurvenmäßig in Abb.2
dargestellt ist. Im Arbeitspunkt X (a. = o; Q = o) auf dieser Kurve sind die Elektronenbahnen
eben, und die meisten Elektronen :erreichen gerade nicht die Anode. Daher das Absinken
des Anodenstromes bei sonst unveränderten Betriebsdaten.
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Bei Einhaltung eines Arbeitspunktes Y bzw. Y' :erreicht eine größere
Zahl von Elektronen die Anoden. Der Grund hierfür ist folgender: Es tritt jetzt
neben dem normalen Hauptfeld Hein Querfeld auf, welches bewirkt, daß das resultierende
Feld F mit der Anodenzylinderachse einen endlichen Winkel a, einschließt. Die Elektronen
bewegen sich nicht mehr in Ebenen senkrecht z. B. zur Kathode, sondern wickeln sich
schraubenförmig um das gedrehte resultierende Magnetfeld ,als Achse ab und erreichen
ohne Anderung der Größe der elektrischen :oder magnetischen Felder die Anoden. Ändert
man also a, periodisch, z. B. durch. Überlagerung eines Querwechselfeldes quer zum
Hauptfeld oder durch Drehen des Elektrodensystems gegenüber ,der Kraftlinienrichtung
des Hauptmagnetfeldes, so- @ergeben sich stoßartige Stromänderungen 7e, und zwar
wenn man den Arbeitsruhepunkt nach X verlegt und die Winkeländerungen nach positiven
und negativen Werben von a. etwa bis zur Erreichung der Arbeitspunkte Y und Y' vornimmt,
erhält man Kurven nach Abb. 3. In Abb. 3 sind über die Zeit t als Abszissena:chse
die Winkeländerungenda.=sa und gleichzeitig die Stromstöße I, aufgetragen. Man sieht
deutlich, daß der Emissionsstrom mit der doppelten Frequenz der Winkeländerungen
schwankt. Die Ausgangsleistung des Magnettuns hat also die doppelte Frequenz gegenüber
dem steuernden hochfrequenten Querfeld. In Abb. q. sind I, und a- in derselben Abhängigkeit
von t aufgetragen. Jedoch ist dabei angenormnen, daß die Winkeländerungen
d rL von einem Ruhepunkt Y
bzw. Y' entweder nur in positiven oder nur
in negativen Werten von u_, etwa bis cc = o, vor sich gehen. Die Ausgangsleistung
des Magnetrans besitzt in diesem Falle dieselbe Frequenz wie das steuernde Hilfsquerfeld.
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Im vorangegangenen Abschnitt sind bis jetzt nur die elektronenphysikalischen
Vorgänge innerhalb der Entladungsröhre betrachtet worden. Für die äußere Ausführung
der Schaltung gemäß der vorliegenden Erfindung bestehen grundsätzlich zwei verschiedene
Möglichkeiten. Einmal kann man den durch die Stromstöße 1e anregb,aren Schwingungskreis
direkt zwischen Anode und Kathode legen, wobei die beiden Anoden so kurz wie möglich,
d. h. ohne Zwischenschaltung eines resonanzfähigen Kreises, miteinander verbunden
sind (Abt. 7). Der sich dabei abspielende physikalische Vorgang ist relativ einfach
und bedarf keiner weiteren Erläuterung.
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Es besteht weiterhin noch die Möglichkeit, das zu steuernde Magnettun
in der üblichen Symmetrieschaltung, bei der die Anodensegmente- in mindestens zwei
Gruppen gegeneinander schwingen, arbeiten zu lassen. Ohne das steuernde Querfeld
würden in dieser Schaltung durch Selbsterregung Schwingungen erzeugt, deren Frequenz
im wesentlichen von der Induktivität L zwischen den Anodengruppen, der Kapazität
der Teilanoden und einer zusätzlichen Kapazität C parallel zur In.duktivität abhängen
würde. Fügt man nun zu einem derartigen selbsterregten Magnetron ein hochfrequentes
Querfeld hinzu, so wirkt dieses wie ein Drosselventil für den Anodenstrom, indem
es nur solche Schwingungen zu großen Amplituden anwachsen läßt, deren Frequenz mit
der Steuerfrequenz übereinstimmt.
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Eine unmittelbare Rückwirkung der gesteuerten Schwingungen auf die
Steuerschwingungen ist bei diesem Verfahren ausgeschlossen, da von den fliegenden
Elektronen
keine Arbeit am steuernden hochfrequenten Magnetfeld
geleistet werden kann. Dias Integral Kraft X Weg ,_ ' ,fI(.ds; I(=H.e.v ist
immer Null, .da die Kraft I( senkrecht zum Weg ds steht.
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H = magnetischer Vektor, e = Ladung des Elektrons, v = Geschwindigkeit
des Elektrons. Dies leuchtet ohne weiteres ein, denn ein Magnetfeld kann nur eine
Krümmung der Bahn der Elektronen, aber keine Geschwindigkeitsänderung hervorrufen.
Ein Magnetfeld kann die kinetische Energie nicht verändern, dem Elektron keine Arbeit
zuführen oder entziehen.
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In den Abb.5 bis 8 sind beispmelsweise@ Anordnungen zur Durchführung
des Erfindungsgedankens dargestellt.
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Die Erzeugung des magnetischen Querfeldes zur Änderung des Winkels
a, kann in beliebiger Weise erfolgen. Besonders brauchbar haben sich Ausführungen
nach Abb. 5 erwiesen, bei denen in den Anodenschlitzen zwischen je zwei gegenüberliegenden
Anod@ensegmenten A2, A3 und A.4, A1 eine vom. Steuerstrom durchflossene Querfeldwindungq
isoliert angebracht ist.
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In Kbb.6 ist der parallel zur Längsachse des Anodensegments verlaufende
Teil der Querfeldwindung W, direkt mit den Anodenblechen vereinigt worden, so daß
praktisch diese Teile der Windung wegfallen können. Die Anodensegmente erhalten
auf der einen Seite einen VerbindungsbügelB und auf der anderen Seite Zuführungen
Z zum Anschluß an den Steueroszillator.
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In Abb. 7 ist eine Magnetrönschalttmg dargestellt, bei der die Schwingungserzeugung
nur bei Vorhandensein eilfies Steuerfeldes vor sich gehen kann. Der Verlauf der
Felder bzw. die Erzeugungsorgane der Felder sind in dieser Abbildung aus Gründen
der. Übersichtlichkeit nicht angegeben. A1 und A2 sind die Anodensegmente eines
z. B. zweigeteilten Magnetrens, die über einen kurzen Bügel B miteinander verbunden
sind. In der hochfrequenzmäßigen Verbindung zwischen Anoden und Kathode I( ist ein
z. B. auf die doypelte Steuerfrequenz abgestimmter SchwinZungskreis LC eingeschaltet.
Die elektrischen urid magnetischen Betriebsdaten sind so gewählt, d.aß der Arbeitspunkt
bei X zu liegen kommt (vgl. Abb. 2). Es ergeben sich dann Anodenstromstöße von der
doppelten Steuerfrequenz (Abt. 3), die den Schwingkreis LC erregen.
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Die Parallelschaltung LC kann gegebenenfalls durch eine Striens.chaltung
hersetzt werden (in der- Abb.7 gestrichelt dargestellt). In Abb. 8 ist eine Schaltung
dargestellt, bei der die Anoden A1 und A.3 bzw. A2 und A4 eines viergeteilten Magnetroms
durch Büge1B untereinander verbunden sind. Die auf diese Weise entstandenen Anodmgrupp.wi
sind über einen Schwingungskreis LV ebenfalls verbunden, von dem die erzeugte
Hochfrequenz abgenommen werden kann. In der Abb. 8 sind die Anoden A2 und A4 über
eine Lecherleitung mit einem Steuersender i,1 verbunden. Die Ankopplung der Steuerquelle
an die Lecherleitung geschieht zweckmäßig in solchen Punkten, in denen die Spannung
in bezug auf die -erzeugte Frequenz annähernd Null ist. Das in Abb. 8 dargestellte
Magnetren ist an und für sich imstande, Schwingungen von einer durch LV bestimmten
Frequenz zu erzeugen. Diese Schwingungserzeugung wird gleichsam von einer fremden
Steuerquelle überwacht. Ein fremdgesteuertes magnetisches Querfeld sorgt dafür,
daß die Schwingungen nur darin zu annehmbaren Amplituden ,anwachsen können, wenn
die Eigenfrequenz des Kreises L'C' mit der-Steuerfrequenz übereinstimmt. Bezüglich
der zu steuernden Schwingungen sind die Anoden A2 und A.4 identisch und haben in
jedem Augenblick dasselbe Potential. Bezüglich der Steuerfrequenz bilden sie zusammen
mit ihrem BügelB die zur Erzeugung eines magnetischen Querfeldes notwendige Windung'W".
Von der Steuerfrequenz werden die beiden Anodensegmente gegensinnig stromdurchflossen.
Im Bedarfsfall können die Phasenverhältnisse zwischen quasi selbsterregten Schwingungen
und steuernden Schwingungen durch Größen korrigiert werden, welche auf die Laufzeit
der Elektronen @einwirken. Dieses ist aber im allgemeinen überflüssig, da eine feste
Phasenverschiebung nicht stört.