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Magnetfeldröhre für ultrakurze Wellen mit ungeschlitzter Anode Die
Erfindung betrifft eine Elektronenröhre zur Erzeugung ultrahochfrequenter Schwingungen,
und zwar insbesondere eine solche Röhre, bei der die sich fortbewegenden Elektronen
selbst und die sich daraus ergebenden Raumladungen um die Elektroden herum in erster
Linie für die zur Erzeugung von Schwingungen erforderliche Rückkopplung maßgebend
sind.
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Es ist bekannt, ultrahochfrequente Schwingungen in einer Magnetfeldröhre
mit ungeschlitzter Anode zu erzeugen. Der Oszillator enthält einen kleinen zentralen
Heizfaden, der von einer positiv geladenen zylindrischen Anode umgeben ist. In dem
Raum zwischen dem Heizfaden und der Anode wird ein magnetisches Feld erzeugt, dessen
Kraftlinien parallel zu dem Heizfaden laufen. Unter diesen Umständen werden aus
dem Heizfaden nach der Anode zu Elektronen herausgezogen, jedoch erreicht wegen
der Wirkung des magnetischen Feldes ein beträchtlicher Teil dieser Elektronen nicht
die Anode, sondern wendet und kehrt in die Nähe des Heizfadens zurück. Diese zurückkehrenden
Elektronen bilden eine Raumladung-um-den-Heizfaden, die das Austreten neuer Elektronen
verhindert, bis diejenigen Elektronen, die zuvor den Faden verlassen haben, zu diesem
zurückgekehrt sind. Diese Steuerwirkung der rückkehrenden Elektronen bewirkt das
Auftreten von Schwingungen ohne Rücksicht auf die Einstellung dieser Elektrodenkreise,
wenngleich dieser Effekt vergrößert werden kann, wenn die Kreise richtig abgestimmt
sind, so daß die Schwankungen des Anoden-Kathoden-Potentials die Erzeugung von Schwankungen
in der Zahl der Elektronen, die die Nähe der Kathode verlassen, unterstützen. Bei
einer solchen Magnetfeldröhre entspricht die erzeugte Frequenz der Zeit, die ein
Elektron braucht, um den gekrümmten Weg von der Kathode zur Anode und zurück zu
durchlaufen.
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Gemäß der Erfindung findet eine Ultrakurzwellenröhre Verwendung, die
möglichst kurze Elektronenwege und demzufolge- hohe Schwingungszahlen ergibt und
die dadurch gekennzeichnet ist, daß die Kathode aus einem auf der Innenseite - emissionsfähigen
Hohlzylinder und die Anode aus einem in der Achse dieses- Zylinders -arigeordnexen
Stabbesteht,
so daß ein unmittelbarer überganE von Elektronen von
der Innenfläche de: Kathodenzylinders zu dem innerhalb dessel ben befindlichen Teil
der Anode stattfindet Es ist an sich eine Röhrenkonstruktion be. kannt, bei der
die Anode aus einem Stab und die Kathode aus einem diesen Stab umgeben den emissionsfähigen
Ring besteht, wobei zwischen Kathode und Anode ein Abschirmzylinder vorgesehen ist.
Bei dieser bekannten Anordnung werden die von der Kathode ausgehenden Elektronen
mittels eines Magnetfeldes so gelenkt, daß sie um die Enden des Abschirmzylinders
herum zur Anode gelangen und demnach relativ lange Wege zu durchlaufen haben. In
Gegensatz hierzu findet bei der hier gekennzeichneten Röhre der unmittelbare Elektronenübergang
zwischen der Innenoberfläche des Kathodenzylinders und der axial in diesem Zylinder
befindlichen Anode statt, um gerade kleinste Elektronenlaufzeiten bei großen Emissionsstromstärken
zu erzielen. Die gekennzeichnete Anordnung ist jedoch nicht auf die Verwendung einer
zylindrischen Kathode beschränkt, sondern beispielsweise auch mit einer Anzahl paralleler,
zylindrisch um die Anode angeordneter Heizfäden ausführbar.
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Abb. i zeigt schematisch den Elektronenweg bei den bisher üblichen
Magnetfeldröhren und Abb. 2 den Elektronenweg bei der gekennzeichneten Magnetfeldröhre.
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Abb.3 zeigt eine solche Magnetfeldröhre teils im Schnitt, teils schematisch.
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Abb. q. zeigt eine Anordnung, bei der eine Triode zur Steuerung des
Oszillators verwendet wird.
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Abb. 5 zeigt graphisch die Änderungen der Anoden-Kathoden-Spannung
an der Röhre 25 von Abb. 4. als Funktion der Zeit.
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Abb.6 zeigt eine andere Ausführungsform mit einer Einrichtung zur
Modulierung des Ausgangs des Oszillators.
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Abb.7 zeigt ähnlich wie Abb.5 graphisch die Spannungsänderungen an
der Röhre 3o von Abb.6.
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Die Magnetfeldröhre gemäß Abb. i besteht aus der Kathode z und der
zylindrisehen Anode 2, nach der die Elektronen hingezogen werden. Diese Abbildung
läßt den Weg erkennen, den die Elektronen bei einer kritischen Anodenspannung für
eine bestimmte Stärke des Magnetfeldes zurücklegen, das koaxial mit der Kathode
und rechtwinklig zur Ebene der Abbildung durch eine nicht dargestellte Feldspule
erzeugt wird. Der vollständige Weg des Elektronenstroms von der Kathode zur Anode
und zurück zur Kathode ist etwa eine Kardioide. Wenn die Anodenspannung.vergrößert
wird, werden alle Elektronen nach der Anode hin gerichtet, und wenn die Feldstärke
vergrößert wird, wird keines der Elektronen nach der Anode zu gerichtet sein. Bei
einer kritischen Spannung zwischen der Anode und dem magnetischen Feld werden einige
von den Elektronen nach der Kathode zurückgehen und die eben erwähnte Kardioidenbahn
beschreiben.
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Abb.2 zeigt die Elektronenbahnen bei einem Oszillator gemäß der vorliegenden
Erfindung, wo der äußere Zylinder 3 die Kathode und der zentrale Stab q. die Anode
ist. In diesem Fall ist die Länge der Elektronenbahn pro Periode etwa gleich der
halben Länge der Elektronenbahn bei der Anordnung gemäß Abb. i, so daß also dieser
Oszillator bei derselben Anodenspannung etwa die doppelte Frequenz ergibt.
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Das Ausführungsbeispiel gemäß Abb. 3 enthält ein Gefäß 5 aus Glas
oder Quarz mit einem dieses Gefäß umgebenden Metallschirm 6 und einer zylindrischen
Kathode 7 im Innern, die an ihren Enden Schirme 8 trägt, die näher an die zentrale
Anode 9 heranreichen als die Elektronen emittierende Fläche. Der Zweck dieser Abschirmelemente
besteht darin, eine mehr parallele Bewegung der Elektronen und damit eine größere
Schwingungsenergie zu erhalten. Die Anode 9, die von einem Hochspannungsgleichrichter
auf positiver Spannung gehalten wird, ist auch als Zylinder ausgebildet und wird
zweckmäßig durch einen Gas- oder Flüssigkeitsstrom gekühlt, der durch einen Gummischlauch
i o zu- und einen Gummischlauch I I
abgeführt wird. Beide Schläuche sind durch
Metallrohre 12 und 13 an die Anode angeschlossen. Die Anode wird durch Schieber
i q. und 15 auf den Metallrohren abgestimmt, und wenn der Oszillator mit
Kreisen betrieben wird, die auf die Grundfrequenz abgestimmt sind, so wird der Abstand
von der Mitte der Anode nach den beiden .Ab-Stimmschiebern etwa eine Viertelwellenlänge
oder ein ungerades Vielfaches davon betragen. Diese Arbeitsweise nutzt die Anwesenheit
von stehenden Wellen an den mit den Anoden verbundenen Metallröhren aus. Die zylindrisch
um die Anode angeordnete Kathode 7 erhält ihre Energie von der Spannungsquelle 15
über den Transformator 16 und Leitungen 17 und 18, die den Zylinder so hoch erhitzen,
daß er genügend Elektronen emittiert. Der Zylinder kann aus dünnem Metall sein,
durch das ein starker Heizstrom bei geringer Spannung hindurchgeschickt wird, oder
er kann indirekt geheizt sein. Zweckmäßig wird die Kathode mit ihren Verbindungen
auch auf , die Arbeitsfrequenz abgestimmt, und zwar _ : durch;- Ve.-_
änderung
der Länge der Heizleitungen von der Kathode bis zu einem Punkt mit der Spannung
Null. Erforderlichenfalls kann die Einstellung durch einen Schieber i9 bewirkt werden.
Zweckmäßig wird jedoch die Einstellung in den Heizleitungen beim Beginn vorgenommen,
um ungefähr auf die gewünschte Frequenz abzustimmen, worauf die Gesamtabstimmung
im normalen Betriebszustand durch die Anodenschieber 14 und -15 vorgenommen
werden kann. Der Ausgangskreis wird durch :eine übertragerleitung 2o gebildet, die
kapazitiv mit dem Oszillator gekoppelt und an .eine Antenne 2 i angeschlossen ist.
Durch Posaunenschieber 22 kann die Gbertragerleitung abgestimmt werden. Durch zwei
Spulen 23 wird ein starkes magnetisches Feld zwischen den Elektroden in der Richtung
parallel zur Röhrenachse .erzeugt.
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Die Arbeitsweise des Oszillatörs ist folgende: Die von der zylindrischen
Kathode 7 emittierten Elektronen werden auf die positiv gespannte Anode geschleudert
und fliegen mit zunehmender Geschwindigkeit nach dieser hin. Gleichzeitig werden
sie dem Einfluß des Magnetfeldes parallel zur Röhrenachse ausgesetzt, und es wird
bei einer bestimmten Feldstärke ein großer Teil der Elektronen die Anode nicht erreichen,
sondern so abgebogen. daß die Elektronen an ihr vorbeifliegen und wieder in die
Nähe der Kathode zurückkehren, wie in Abb. 2 dargestellt. Wenn das Fließen einer
großen Zahl von Elektronen nach der Anode hin eingeleitet ist, erzeugt ihre Ankunft
in der Nähe der Anode eine negative Raumladung um diese, die dem Einfluß der Anodenspannung
auf die Elektronen emittierende Oberfläche die Waage hält, und es werden keine Elektronen
mehr aus der Kathode austreten, bis diejenigen, die schon in dem Raum zwischen der
Anode und Kathode sind, ihren Weg nach der Anode vollendet . haben und wieder zur
Kathode zurückkehren. Sobald alle Elektronen in dem Raum die Nähe der Anode verlassen
haben, wird die elektrostatische Anziehung an der Kathode wieder wirksam werden
und -eine neue Elektronengruppe ihren Weg beginnen. Diese Wirkung, die in Perioden
auftritt, die der Zeit des Weges der Elektronen entsprechen, ist einer Hochfrequenzschwingung
äquivalent, deren Energie durch den Nutzkreis abgenommen werden kann. Wenn die Elektrodenkreise
abgestimmt werden, etwa durch die Schieber 14 und 15 und die Abstimmelemente
ig, kann der Wirkungsgrad der Röhre vergrößert werden, wenngleich es auch in diesem
Fall notwendig werden kann, eine Neueinstellung-der Anodenspannung vorzunehmen.
- Dieses- erkennt man --aus der bloßen Beobachtung, daß die Ankunft der Elektronengruppen
in der Nähe der Anode von dem Aufprallen einiger Elektronen auf die Anodenoberfläche
begleitet ist, wobei die Gesamtzahl der aufprallenden Elektronen dein Eingangsgleichstrom
entspricht. Diese aufprallenden Elektronen dienen in Verbindung mir den Schwingungen
im Anodenkreis dazu, die Anodenspannung während der Zeit zu verringern, in der eine
minimale Zahl von Elektronen die Kathode verläßt. Eine halbe Periode später, zu
der Zeit, wo maximale Emission von der Kathode gewünscht ist, wird die Anode auf
einer maximal positiven Spannung angelangt sein, deren Wert um einen Betrag größer
als die Gleichstromspannung ist, der der Amplitude der Schwingungen an der Anode
entspricht.
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- Bei der Ausführungsform gemäß Abb.4 wird eine Triode 24 -zur Steuerung
der Schwingungserzeugung im Oszillator 25 benutzt. In dieser Abbildung hat die Steuerröhre
24 während des größten Teils der Zeit einen geringen Widerstand, so daß die Spannun-
an der Oszillatorröhre gleich der zwischen den Klemmen B und C der Anodenquelle
26, vermindert um den verhältnismäßig kleinen Spannungsabfall in der Steuerröhre,
ist. Die Spannung zwischen B und C kann von der Größenordnung von 2ooo Volt sein.
Unter diesen Umständen geht hinreichend viel Leistung an der Anode der Röhre verloren,
um die Anode auf -eine Temperatur zu heizen, wo sie Elektronenemittiert. Dann läßt
man die Regelröhre periodisch ihren Strom absperren, indem man die Spannung an ihrem
Gitter 27 negativ macht, worauf die der Oszillatorröhre 25 aufgedrückte Spannung
gleich der zwischen den Klemmen A, B
der Spannungsquelle 26 ist, vermindert
um den Spannungsabfall, der von dem Widerstand 28, der in Reihe mit der Leitung
zur Klemme A liegt, herrührt, in diesem Falle etwa iooo Volt. Die dem Oszillator
von den Klemmen A und B zugeführte Spannung ist von entgegengesetzter Polarität
gegenüber der Spannung, die zuvor von den Klemmen B und C zugeführt war. Auf diese
Weise wird die Kathode von 25 positiv und wird uegen der Emission von der Anode
von 25 ein umgekehrter Strom in der Röhre fließen. Dies ist, wie man erkennt, die
genaue Bedingung, die zur Erzeugung von -Schwingungen nach dem an Hand der Abb.2
und 3 beschriebenen Verfahren benötigt wird, vorausgesetzt, daß alle anderen Bedingungen
und Einstellungen vorher erfüllt sind. So kann eine gewöhnliche Vakuumröhre für
den Oszillator 25 verwendet werden, indem man Strom durch diesen in einer normalen
Richtung hindurchschickt, der stark -genug ist, -die Anode.
bis
zur Elektronenemission zu erhitzen, worauf die Anode auf Kathodenpotential umgepolt
wird. Durch sehr schnelles Umkehren der Potentiale können modulierte, ultrahochfrequente
Schwingungen erzeugt werden. Der verhältnismäßig kleine Zeitteil, während dessen
die Schwingungen stattfinden, hält die durchschnittliche Verlustleistung an dem
kleinen zentralen Teil der Röhre innerhalb der zulässigen Grenzen.
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Der Kommutator 29 stellt eines der möglichen Ausführungsbeispiele
zur Steuerung der Spannung am Gitter 27 der Steuerröhre 24 dar, wodurch der gewünschte
Zustand für das Auftreten von Schwingungen in kurzen Perioden mit einer Geschwindigkeit
verursacht wird, die durch den Kommutator bestimmt wird. Für handelsübliche Röhren
wird es wahrscheinlich notwendig sein, daß der Schwingzustand 25o- bis 25oomal je
Sekunde unterbrochen wird, während für Prüfzwecke i2o Unterbrechungen je Sekunde
am geeignetsten sein dürften. Im letzteren Falle kann man ein elektromagnetisches
Feld verwenden.
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Die Verbindung des Gitters 27 mit der Vorspannungsquelle 29' erfolgt
durch Bürsten, die durch die Kommutatorlamellen kurzgeschlossen werden, wobei die
Zeitintervalle von der Drehgeschwindigkeit der Trommel und der Breite der Lamellen
abhängen. Dadurch, daß man die Bürsten längs des Kommutators verschiebbar anordnet
und die Lamellen keilförmig ausbildet, kann man jede gewünschte relative Zeitlänge
für Spannungen in der einen oder anderen Richtung erhalten.
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Abb.5 zeigt die Änderungen des Anoden-Kathoden-Potentials der Röhre
25 als Funktion der Zeit. Hier zeigt das positive Potential die Bedingung für das
Heizen der Anode und das negative Potential die Bedingung für das Umkehren der Funktionen
von' Anode und Kathode zur Erzeugung von Schwingungen an.
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Die Abb. 6 zeigt eine Magnetfeldröhre 3o, die Schwingungen ergibt,
wenn die Kathode gegenüber der Anode positiv ist. Die Anode wird durch Elektronenaufprall
von dem Gleichstrom erhitzt, bis sie Elektronen aussendet, worauf der Gleichstromspannung
G eine genügende getastete oder modulierte Wechselspannung 6ü überlagert wird, die
eine Umkehr der Anoden-Kathoden-Spannung für einen Teil der Zeit bewirkt. Die ultrahochfrequenten
Schwingungen werden so während des Intervalls der Spannungsumkehr auftreten. An
den Anodenkreis der Röhre 3o ist die Antenne 3 i angekoppelt.
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Abb.7 ist eine der Abb.5 entsprechende graphische Darstellung, die
die Änderung der Spannung an der Röhre 30 in Abb. 6 als Funktion der Zeit
zeigt.