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Schirmgitterröhre für kurze Wellen und große Leistungen Die Erfindung
betrifft Schirmgitterröhren zur Erzeugung oder Verstärkung ultrakurzer Wellen von
großer Leistung.
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Da die Elektrodenkapazitäten von: Entladungsröhren für Ultrahochfrequenz
einerseits klein sein müssen und andererseits mit der Zunahme der Elektrodenabmessungen
wachsen, ist bei Kurzwellenröhren der Größe der Elektroden. bei normalem Elektrodenaufbau
eine Grenze gesetzt, die natürlich auch die zulässige Leistung, die abgestrahlt
werden kann, begrenzt. Dem Abstand zwischen der Kathode und der Anode ist bei ultrahoher
Frequenz durch die Laufzeit der Elektroden von der Kathode zur Anode eine Grenze
gesetzt, da die Betriebsfrequenz unterhalb der Frequenz bleiben muß, bei der die
Laufzeit einen nennenswerten Bruchteil der Periodendauer ausmacht.
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Sender für Ultrahochfrequenz, beispielsweise für Fernsehsendungen,
bei denen die Bandbreite des bildmodulierten Trägers ziemlieh groß sein muß, erfordern
breit abgestimmte Resonanzkreise mit kleiner Impedanz. Damit ein guter Wirkungsgrad
erzielt wird, müssen die an diese abgestimmten Kreise angeschlossenen Röhren eine
entsprechend kleine Impedanz. aufweisen und sowohl eine hochemissionsfähige Kathode
als auch einen kleinen Anoden-Kathodenabstand besitzen, um schon bei geringen Spannungen
hohe Entladungsströme zu liefern. Da die hohen Kathodentemperaturen und die unter
Hochspannung erfolgende Entladung in der Röhre eine beträchtliche Wärmemenge erzeugen,
muß auch noch die Aufgabe der Wärmeabfuhr von in ihrer Größe begrenzten Elektroden
gelöst werden.
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Wegen der bei Ultrahochfrequenzröhren erforderlichen sehr kleinen
Elektroden- , abstände ist eine wirksame elektrostatische Entkopplung von Eingangs-
und. Ausgangselektroden besonders. wichtig. Die Verwendung eines gewöhnlichen Schirmgitters
zur
Neutralisierung der Elektrodenkapazitäten ist zwar auch schon
für Ultrakurzwellenröhren angegeben worden, führt aber nicht zum Ziel, da die Induktivität
und der Widerstand der Elektrode und ihrer Zuleitungsdrähte bei Ultrahochfrequenz
ausreicht, um schädliche Schwankungen der Schirmgitterspannung und stehende Wellen
zu erzeugen. Auch die gewöhnlichen Schirme zum Abfangen der elektromagnetischen
und elektrostatischen Kraftlinien, die von den verschiedenen abgestimmten Kreisen
ausgehen, sind bei einer Ultrakurzwellenröhre mit hoher Leistung ungeeignet. Beispielsweise
genügt bei diesen Frequenzen schon die Kopplung zwischen geraden kurzen Drahtstücken
innerhalb des Entladungsgefäßes, um den Wirkungsgrad zu verschlechtern und Störungen
zu erzeugen.
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Ziel der Erfindung ist eine Schirnigitterröhre für kurze Wellen und
große Leistungen, bei der auch bei Ultrahochfrequenz- eine wirksame Abschirmung
zwischen Eingangskreis und Ausgangskreis erreicht ist. Dabei wird von verschiedenen
baulichen Einzelheiten Gebrauch gemacht, die an sich schon bekannt sind. Man hat
Ultrakurzwellenröhren in der Weise aufgebaut, daß die -zylindrische Anode einen
Teil des Vakuumgefäßes bildet und an beiden Stirnseiten durch je einen Glaskörper
abgeschlossen ist. Es ist ferner bekannt, das Steuergitter einer Hochleistungsröhre
aus achsparallelen, auf einer Zylindermantelfläche angeordneten Drähten zusammenzusetzen
und an den Enden durch Blechzylinder zusammenzuhalten. Auch der Aufbau einer Kathode
aus mehreren parallelen Drähten ist bekannt. Auch der Aufbau von zylinderförmigen,
konzentrischen Steggittern, deren einzelne Elemente im Elektronenschatten angeordnet
sind, sowie auch wassergekühlte Außenanoden sind bekannt.
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Erfindungsgemäß wird eine Schirmgitterröhre fürkurze Wellen und große
Leistungen mit einer zugleich als Teil der Gefäßwand dienenden Anode, die an beiden
Enden durch je einen Glaskolben abgeschlossen ist, derart ausgebildet, daß das Schirmgitter
an beiden Enden durch rohrförmige Schirme verlängert ist, die das Schirmgitter tragen
und an je einem in den Glaskolben eingeschmolzenen, radial durch die Gefäßwand nach
außen führenden Metallring befestigt sind und die Kathoden- und Steuergitterzuleitungen
gegen die Anode abschirmen.
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Die gemäß der Erfindung gebauten Ultrakurzwellenröhren können bei
einer Wellenlänge von 21j2 m mehrere Kilowatt Leistung abgeben. Eine solche Röhre
besteht aus einer an sich bekannten zylindrischen Kathode mit einem an sich bekannten
konzentrischen Steuergitter und einer gleichfalls konzentrischen Anode. Zur Abschirmung
des Steuergitters von der Anode ist in dem ringförmigen Zwischenrauen zwischen diesen
Elektroden ein zylindrisches Schirmgitter angeordnet, welches an beiden Enden in
an sich bekannter Weise von koaxialen Röhren, die für elektrostatische Felder undurchdringlich
sind und an den beiden Enden des Schirmgitters befestigt sind, getragen wird. Die
äußeren Ränder dieser Röhren sind an ringförmigen Durchführungen befestigt, die
radial durch isolierende Abschnitte des Gefäßes hindurchführen und darin eingeschmolzen
sind. Der äußere Rand eines jeden Ringes ragt über das Gefäß hinaus und verläuft
konzentrisch dazu. Das Steuergitter und die Kathode werden innerhalb des Schirmgitters
von entgegengesetzten Enden des Gefäßes her abgestützt und im Abstand voneinander
gehalten. Durch Anschließen von Schirmen bekannter Art an die äußeren Ränder der
beiden Schiringitterdurchführungsringe kann man erreichen., daß die einzelnen Kreise
für die Anode, für das Steuergitter und für die Kathode vollkommen umschlossen und
elektrisch entkoppelt «-erden. Die Schirme können leicht geerdet und gegebenenfalls
zur mechanischen Abstützung der Röhre benutzt werden. Dieser unterbrechungslose
Zusam: menhang der elektrostatischen und elektromagnetischen Schirme von den Enden
des Schirmgitters bis zu den äußeren, die Kreise voneinander trennenden Schirmen
macht die eigentliche Erfindung aus.
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In den Abbildungen ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.
Gemäß den Abb. i und z besteht das Röhrengefäß aus einer zylindrischen Metallanode
i, die an beiden Enden vakuumdicht von zylindrischen Glaskolben 2 und 3 abgeschlossen
wird, die koaxial mit Hilfe der Ringverschmelzungen an die Anode angeschrnolzen
sind. Für die Verschmelzungen ist ein besonderer Metallrin9 q. aus einem Metall
vorgesehen, welches leicht vom Glas benetzt wird und sich gut mit dem Anodenmetall
verschweißen oder verlöten- läßt. Innerhalb der Anode sind konzentrisch angeordnet
das Schirmgitter 5, das Steuergitter 6 und die Kathode 7, wobei die Kathode in bekannter
Weise aus einer Anzahl von geraden, parallelen Heizdrähten besteht, die in einer
zur Anode konzentrischen Zylinderfläche angeordnet sind. Die parallelen Drähte des
Steuergitters sind zylindrisch angeordnet und an ihren Enden an runden Kragen 6o
und 01 befestigt. Der untere Kragen ist an einer rohrförmigen Tragstrebe 62 befestigt,
die unten in den Glaskolben 3 so eingeschmolzen ist, daß die Gitterdrähte
konzentrisch um die Heizdrähte
liegen. Wegen der Wärmeentwicklung
in der Röhre werden die Gitterdrähte und die angrenzenden Teile des Traggerüstes
in bekannter Weise aus hochsehmelzendem Metall, z. B. Tantal, angefertigt.
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Um die Impedanz des Schirmgitters über seine ganze Länge klein zu
halten, wird es, was an sich bekannt ist, aus geraden Drähten gebildet, die sich
parallel zur Anodenachse erstrecken und ähnlich wie die Steuergitter-und Kathodendrähte
in einer Zylindermantelfläche angeordnet sind, die konzentrisch zu den anderen Elektroden
verläuft. Um die Impedanz der Zuleitungen für das Schirmgitter zu verringern und
die Kathoden und Steuergitterzuführungen vollkommen von der Anode und ihren Kreisen
abzuschirmen, De= stehen die Tragstreben für das Schirmgitter aus Röhren 5o und
51, die an den Kragen. am Ende des Schirmgitters angeschlossen sind und die an ihren
äußeren Rändern mit konzentrischen, ringförmigen Durchführungen 52
und 53
verbunden sind. Jede dieser Ringdurchführungen führt radial durch die Glaswand hindurch
nach außen. Im därgestellten Beispiel ist das Tragrohr 5o an einem aufwärts gerichteten
Flansch des Ringes 52 befestigt, und zwar vorzugsweise damit verschweißt.
Schirmgitter und Tragrohr 5o sind durch ein kegelstumpfförmiges Metallrohr 54 miteinander
verbunden. Das untere Tragrohr 51 ist mit dem Schirmgitter durch ein lcegelstumpfförmiges
Rohrstück 55 verbunden und an dem Flansch des Durchführungsringes 53 gleitend gelagert,
um Längsausdehnungen des Schirmgitters zu gestatten. Um eine freie Bewegung des
unteren Schirmgittertragrohres in der Längsrichtung zu ermöglichen und gleichzeitig
das Tragrohr längs seines ganzen Umfangs mit dem Einschmelzring elektrisch leitend
zu verbinden, ist ein ringförmiges, blasebalgartiges Verbindungsstück 56 am Rohr
einerseits und am Durchführungsring befestigt. Die rohrförmigen Verbindungsstücke
zwischen dem Schirmgitter und den Durchführungsringen 52 und 53 machen die
Hochfrequenzimpedanz zwischen dem Schirmgitter und seinen äußeren Verbindungen praktisch
vernachlässigbar klein. Gleichzeitig stellen sie eine ununterbrochene Fortsetzung
der Abschirmung zwischen der Anode, der Kathode, dem Steuergitter und ihren Zuleitungeni
dar. Die Kopplung zwischen zwei übernächsten Zylindern einer Reihe von koaxialen
Zylindern ist Null. Zur Vervollständigung der Abschirmung kann man an den äußeren
Rändern der beiden Schirmgitterdurchführungsringe gewöhnliche Schirme befestigen,
die die Kreise für die Anode, für das Steuergitter und -für die Kathode gegebenenfalls
vollkommen einschließen und- elektrisch trennen, wobei man diese äußeren Schirme
am besten unmittelbar mit der Vorspannungsbatterie für das Schirmgitter verbindet.
Eine besondere Ausführungsform dieser Abschirmung, bei der auch die Röhre von der
Abschirmung getragen wird, wird im Zusammenhang mit Abb.3 näher beschrieben werden.
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Zur Erzielung des erforderlichen geringen Widerstandes und der hohen
Leistung besteht die Kathode aus einer Anzahl von dicht beieinander angeordneten
parallelen Heizdrähten, die praktisch eine emittierende Zylinderfläche darstellen,
bei der alle Punkte den günstigsten Abstand von der Anode besitzen. Um die Hochfrequenzimpedanz
zwischen den Enden des Heizkreises klein und um den Gleichstrom für die Heizung
innerhalb vernünftiger Grenzen zu halten, ist eine Anzahl von parallel geschalteten
Kreisen vorgesehen. Im dargestellten Beispiel sind sechs Kreise gezeigt. Jeder Kreis
besteht aus einem U-förmigen Heizdraht, dessen Enden mit den Zuführungsdrähten verbunden
sind, während der obere Bogen des Heizdrahtes von einem zentralen Stab isoliert
gehalten und gespannt wird. Die Feder für die Spannung der verschiedenen Drähte
und die Trag- . stäbe sind so ausgebildet, daß sie sich leicht innerhalb' des Schirmgitters
zusammen- undeinbauen lassen, so daß auch sie vom Anodeneinfluß abgeschirmt sind.
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Die verhältnismäßig große Anodenverlustleistung wird durch eine an
sich bekannte Flüssigkeitskühlung abgeführt.
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Abb.3 zeigt den Aufbau von zwei erfindungsgemäßen Röhren für Gegentaktbetrieb.
Die oberen und die unterem Schirmgitterdurchführungsringe 52 bzw. 53 werden
durch Schrauben oder Bolzen, vorzugsweise mit Hilfe biegsamer Flansche, an der oberen
bzw. unteren Deckplatte eines kastenförmigen Metallschirmes go befestigt. Die Heizstromzuführungen
gi sind miteinander .verbunden, wobei das Verbindungsstück vorzugsweise eine halbe
Wellenlänge lang ist. Ihre Mittelpunkte, die Knotenpunkte der stehenden Wellen,
sind mit der Heizgleichspannungsquelle verbunden. Die Gitter sind gleichfalls durch
einen Leiter g-- abgestimmt, der et-,vas kürzer als 1/4 der Wellenlänge in Luft
oder ein Vielfaches davon ist und dessen Mittelpunkt mit der Gittervorspannungsquelle
verbunden ist. Die Gitterzuleitung ist über eine Lecherdrahtschleife an eine Steuerspannungsquelle
angeschlossen. Die Einlaß- und Auslaßstutzen der Wasserkühlmäntel für die Anoden
sind über rohrförmige Leiter 93
miteinander verbunden, an deren Mittelpunkt
Kühlmittelzuleitungen 94 angeschlossen sind., die sich durch eine Öffnung im Ab-
Schirmkasten
nach unten erstrecken mögen. Die Gleichspannung für die Anoden wird ain besten im
'elektrischen Mittelpunkt der Leiter 93 zugeführt. Ein Hochfrequenzausgangskreis,
bestehend aus einem Leiter 95, ist in der dargestellten Weise an die Leiter 93 angeschlossen
und ist durch eine Öffnung des Kastens an der Seite nach außen geführt.
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Die in den. Abb. 1 und 2 dargestellte Röhre läßt sich bequem herstellen.
Die fertig mit den Wassermänteln ausgerüstete Anode wird zunächst an beiden Enden
mit Kragen q. aus einer Fe-Ni-Co-Legierung verschweißt. Dann werden auf beiden Seiten
der ringförmigen Schirmgitterzuleitungen und der Kragen q. Glasringe angeschinolzen,
die den Durchmesser der Kolben besitzen. Darauf werden die Ringe an die Anodenglasringe
angeschmolzen. Das fertig zusammengebaute Schirmgitter einschließlich der Endringe
und der kegelstumpfförinigen Röhre 54 und 55 bzw. der Rohrstücke 50 und 51
wird nunmehr in die Anode eingeschoben und der Flansch 52 an das Rohr
50 bzw. der Blasebalgflansch 56 an den Ring 53 und die Rohre 62 angeschweißt.
Darauf wird das Steuergitter mit einem Glaskolben, der die untere Hälfte des unteren
Glasteiles darstellt und mit dem Tragrohr 62 verschmolzen ist, in die Anode eingeschoben
und der Rand des Glaskolbens an den Glasring des Schirmgitterdurchführungsringes
53 angeschmolzen. Das freie obere Ende des Steuergitters wird währenddessen durch
eine Lehre zentriert. Die Steuergitterlehre wird entfernt und die fertig aufgebaute
Anode vom anderen Ende her mit dem angeschmolzenen Glasteil an den Ring 52 angeschmolzen,
wobei das untere Ende des Heizfadenaufbaus durch eine durch das untere Ende der
Steuergittertragröhre eingeführte Lehre zentriert wird. Das Tragrohr besitzt einen
Zentrierkragen 63 mit einer Öffnung, die die Lehre genau an der Achse des Gefäßes
zentriert. Die Öffnung im unteren Ende der Steuergitterzuleitung kann durch einen
Purnpstutzen 64 abgeschlossen «erden. Nachdem der Kathodenaufbau am oberen Ende
eingeschmolzen ist, kann man die Lehre durch den Pumpstutzen 64 aus der Röhre entfernen.
Um den Pumpstutzen herum kann ein mit einem Gewinde versehener Kragen vorgesehen
sein, auf den eine Schutzkappe für die Abziehspitze, die gelegentlich als Zuführung
für das Steuergitter dienen kann, aufgeschraubt werden kann..
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Eine Leistung von 5 Kilowatt umnodulierter Trägerwelle von etwa 2112
in wurde mit einer Röhre mit folgenden Maßen erzielt: Anode etwa 15,5 cm lang und
mit einem Innendurchmesser von etwa 7,2 cm. Innendurchmesser des Schirmgitters,
des Steuergitters und des Kathodenzylinders 4,2 bzw. 3,2 bzw. 2,4 cm. Gesamtheizstrom
bei sechs parallel geschalteten Kreisen und 16,4 Volt Heizspannung q.qo Ampere.
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Untersuchungen haben ergeben, daß bei dieser Röhre die Kapazität zwischen
Anode und Schirmgitter etwa 33,7 PF und da.ß die Anodensteuergitterkapazitit etwa
0,31 pF betrug. Die Stromaufnahme des Steuer- und des Schirmgitters betrug etwa
2o,5 Ampere, die Anodenspannung etwa 9ooo Volt.