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Einrichtung zur Erzeugung ultrakurzer Wellen durch Frequenzvervielfachung
mit Elektronenvervielfachung Es ist eine Einrichtung zur Frequenzvervielfachung
vorgeschlagen worden, in der aus einem periodisch wiederkehrenden Impuls zwei oder
mehr gegeneinander zeitlich verschobene Impulse abgeleitet, durch Elektronenvervielfachung
verstärkt und einem gemeinsamen Ausgangskreis zugeführt weiden. Die Erfindung betrifft
eine zur Durchführung eines derartigen Verfahrens besonders geeignete und dabei
einfache Einrichtung.
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Erfindungsgemäß verwendet man zur Frequenzvervielfachung eine Entladungsröhre
mit einer Kathode als Primärellektronenquell@e, einem Steuergitter, dem die Impulse
der Grundfrequenz zugeführt werden, einem oder mehreren hintereinanderliegenden
sekundäremissionsfähigen Gittern und einer Anode, von der die Schwingungen höherer
Frequenz abgenommen werden, und wählt die Elektrodenäbstände und Elektrodenspannun:gen
derart, daß die durch Elektronenvervielfachung erzeugten Elektronen in einem definierten
zeitlichen Abstand nach den Primärelektronen auf die Anode auftreffen.
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Die Abb. z zeigt in schematischer Darstellung ein Ausführungsbeispiel
des Erfindungsgedankens. Ein entlüfteter Kolben V enthält eine Glühkathode I<,
ein Steuergitter S und dahinter fünf Gitterelektroden Cri bis C'r5 sowie die AnodeA.
Die Kathode kann eine Glühkathode oder eine lichtelektrische Kathode sein; zweckmäßig
wählt man im ersten Falle eine Äquipotentialkathode, damit längs der ganzen Kathodenoberfläche
dieselbe Beschleunigungsspannung wirksam ist. Dem Steuergitter S werden an den Klemmen
t und z Spannungsimpulse von der zu vervielfachenden Grundfrequenz über einen Transformator
I
aufgedrückt. Wenn als Steuerspannung keine Impulse zur Verfügung
stehen. sondern eine ungefähr sinusförniige Schwingung, kann man aus dieser diskrete
Impulse leicht dadurch ableiten, daß man dem Steuergitter S eine so große negative
Vorspannung erteilt, daß nur positive Spannungsspitzen der Steuerspannung einen
Primärstrom fließen lassen. Bezüglich der Impulsdauer 1-r.«-. der Länge derjenigen
Zeitabschnitte, in denen die Röhre ausgesteuert ist, ist zu bemerken, daß diese
Zeit bei ir-faclier Frequenzvervielfachung gleich oder kleiner als der it-te Teil
einer vollen Periode der Grundfrequenz sein muß.
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Die Vervielfachungsgitter G, bis G5 erhalten positive Spannungen,
z. B. von einem abgriff der Anodenspannungsquelle E_4. und zwar in der Weise, daß
die Spannung eines Gitters um so höher ist, je größer seine von der Kathode aus
gerechnete Ordnungszahl ist. Beispielsweise gibt man dem ersten Vervielfachungsgitter
G1 eine Spannung von i oo Volt, dein zweiten Gitter G= von Zoo Volt usw. Außerdem
fertigt man die Vervielfachungsgitter aus einem Werkstoff an oder bedeckt sie mit
einer Schicht eines Stoffes, der einen hohen Sekundäreanissionskoeffizienten (größer
als i) aufweist. Derartige Stoffe sind in genügender Auswahl bereits bekannt, z.
B. Alkali- oder Erdalkalimetall, Aluminium. Durch die an ein Vervielfachungsgitter
gelangenden Primärelektroneninipuls:e werden an dem betreffenden Gitter Sekundärelektronen
ausgelöst, di° ebenso wie die übrigen nicht an der Auslösung von Sekundärelektronen
beteiligten Primärelektronen zur Anode bzw. zu den nachfolgenden Vervielfachungsgittern
eilen, aber dort erst später als die entsprechenden Primärelektronen ankommen. Dies
hängt damit zusammen, daß die Sekundärelektronen mit einer geringen Geschwindigkeit
von wenigen Volt aus der Oberfläche der Vervielfacherelektrode austreten, während
die Primärelektronen an dieser Stelle bereits eine höhere Geschwindigkeit, die dem
durchlaufenden Spannungsgefälle entspricht, besitzen. Im Beispielsfalle treffen
also auf der Anode nacheinander ein: die Primärelektronen, die aus der von der Heizbatterie
EH gespeisten Kathode I( kommen und von dem durch die Spannungsquelle E, vorgespannten
Steuergitter S und den weiteren Gittern durchgelassen worden sind, die am ersten
Vervielfachungsgitter G1 erzeugten Sekundärelektronen, die am zweiten Vervielfachungsgitter
G2 erzeugten Sekundärelektronen usw. Die Elektronenlaufzeit hängt sowohl von den
Abständen als auch von den Spannungsunterschieden zwischen den einzelnen Elektroden
ab. Wählt man z. B. die Abstände zwischen den Vervielfacherelektroden zu 4 mm und
die zwischen zwei aufeinanderfolgenden Gittern liegende Spannung zu ioo Volt und
führt man dem Steuergitter S periodische Impulse zu, .deren Frequenz einer Wellenlänge
von 2,4 m entspricht, so wird an der Anode eine Folge von Sekundärelektronenimpulsen
eintreffen, die einer Wellenlänge von 40 cm entspricht. Die Anzahl der von einem
Primärelektronenimpuls erzeugten Sekundärelektronenimpulse hängt von der Anzahl
der Gitter ab. Mit in Vervielfachungsgittern läßt sich erreichen, daß im Anodenkreis
(m + i) Impulse je Priinärspannungsimpuls entstehen. Umgekehrt sind bei einer Frequenzvervielfachung
auf das q-fache (g - i) Vervielfachungsgitter notwendig, um die Periodendauer der
Grundfrequenz gleichmäßig mit Impulsen der vervielfachten Frequenz auszufüllen.
Es ist ohne weiteres einzusehen, daß die Elektronenlaufzeit zwischen den einzelnen
Gittern den Elektrodenabständen direkt proportional ist. Man könnte also durch Verringerung
der Gitterabstände von 4 auf 2 bzw. i mm bei gleichen Spannungsunterschieden zwischen
aufeinaaiderfolgenden Vervielfachungsgittern auf Wellen von 20 oder i o cm und darunter
kommen. Der Spannungsunterschied geht mit der Wurzel in die Laufzeit ein, so daß
man z. B., gleiche Elektrodenabstände vorausgesetzt, durch eine Spannungserhöhung
auf das Vierfache eine Verkürzung der Wellenlänge auf die Hälfte erreichen kann.
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Es ist nicht notwendig, die Vervielfachergitter aus dem Röhrenkolben
herauszuführen, sondern man kann in diesem einen Spannungsteiler W (Abb. i) einbauen.
Im allgemeinen wird man den Widerstand zweckmäßig für alle in der Röhre auftretenden
Frequenzen kurzschließen; bei sehr kurzen Wellen erübrigt sich die kapazitive Überbrückung
des Spannungsteilerwiderstandes mit Rücksicht auf die vorhandene Eigenkapazität.
Durch den Einbau des Spannungstei1erwiderstandes in die Röhre erspart man, wie die
Abb. i erkennen läßt, Zuführungen für die Vervielfachergitter.
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Auf dem beschriebenen Weg gelingt es, sehr kurze Wellen, die an den
Klemmen 3 und 4 abgenommen werden können, mit guter Frequenzkonstanz zu erzeugen,
da man die niedrigere Grundfrequenz mit bekannten Mitteln, z. B. durch Schwingkristalle
oder dämpfungsarme Hohlraumresonatoren, leicht stabilisieren kann.
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In Abb.2 ist versucht worden, die Wirkungsweise der Erfindung durch
ein Weg-Zeit-Diagrarnm zu veranschaulichen. Auf der Abszissenachse ist die Zeit
aufgetragen und in der Ordinatenrichtung der von den Elektronen durchlaufene Weg.
Außerdem wurde die Lage der einzelnen Vervielfachergitter
0l bis
G5 und der Anode A angedeutet und der zugehörige Spannungswert vermerkt. Für den
von der Kathode herkommenden Primärelektronenstrom gilt die Kurve p, aus der man
ablesen kann, daß die durch einen Steuerimpuls ausgelösten Primärelektronen eine
gewisse Zeit brauchen, um zur AnodeA zu gelangen.
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Beim Auftreffen auf die erste Vervielfacherelektrode 0, werden
Sekundärelektronen erzeugt, für welche die Kurve s, gilt. Beim Auftreffen auf die
zweite Vervielfacherelektrode G2 erzeugt der Primärstrom Sekundärelektronen, für
welche die Kurve s2 maßgebend ist. Eine Weile später kommen die der Kurve s, entsprechenden
Sekundärelektronen in den Bereich des zweiten Vervielfachergitters G. und laufen
teils weiter, teils erzeugen sie selbst nochmals Sekundärelektronen, für welche
die Kurve si gilt. Die einzelnen Kurven sind formgleich und lediglich parallel zueinander
verschoben. Man kann nun leicht verfolgen, wie die Elektronenlawine weiterrollt
und sich vergrößert. Am Gitter 0l ist nur ein einziger Stromimpuls vorhanden, am
nächsten Vervielfachergitter G2 aber schon zwei usw. Da einzelne Stromimpulse verschiedenen
Ursprungs ungefähr gleichzeitig auf eine Vervielfacherelektrode auftreffen, z. B.
treffen sich die Kurven s" und s2 ungefähr am gleichen Punkt des Gitters G3,ergibt
sich der Zustand, daß statt des einen Primärimpulses an der zweiten Vervielfacherelektrode
zwei, an der dritten Vervielfacherelektrode drei Impulse vorhanden sind und schließlich
an der Anode, der sechsten Elektrode, sechs Impulse. Man sieht auch, daß man z.
B. den Ausgangskreis schon an die Elektrode Gg anschließen könnte. Dann würde zwischen
dem letzten durch Vervielfachung entstandenen Teilimpuls und dem ersten darauffolgenden
Primärelektronenimpuls ein Zeitabstand von i/3 Periodendauer der Grundfrequenz bestehen;
trotzdem aber ist in dem zu dieser Elektrode fließenden Stroim°bereits die sechsfache
Grundfrequenz enthalten.