DE716129C - Verfahren zum Betrieb von Roehren mit Laufzeitschwingungen - Google Patents

Description

• Verfahren zum Betrieb von Röhren mit Laufzeitschwingungen Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb von Röhren mit Laufzeitschwingungen, welches vorzugsweise zur Erzielung hoher Schwingleistungen bei gutem Wirkungsgrad dienen soll.
• Es sind bereits viele Kurzwellenröhrenanordnungen bekannt, welche teils mit einer Emssionsstromsteuerung und teils mit einer Verteilungssteuerung des in konstanter Stärke von der Kathode ausgehenden Emissionsstromes arbeiten und bei denen die Laufzeit eines Elektrons von der Größenordnung einer Schwingungsdauer der erzeugten Frequenz ist. Die Wirkungsgrade, mit denen bisher Kurzwellen erzeugt wurden, liegen relativ niedrig. Sie bewegen sich bei Bremsfeldschaltungen in der Größe von i5 °/o bzw. bei Mägnetronschaltungen mit Schwingungen erster Ordnung in der Größe von etwa 2,5 % . Es ist auch gelegentlich gelungen, bei Schwingungen höherer Ordnung unter Verwendung sehr starker Magnetfelder Wirkungsgrade von etwa 50'/o zu erreichen.
• Der Zweck der vorliegenden Erfindung ist eine Steigerung des Wirkungsgrades über die üblichen Werte, insbesondere über den Wert` von 5o%, hinaus. Die Zahlenangabe von etwa 50'/,) stellt nämlich eine Grenze dar, die nicht durch experimentelle Weiterentwicklung auf Grund der gewohnten und der Fachwelt geläufigen Vorstellungen des Schwingungsvorganges bei Laufzeitschwingungen überschritten werden kann.
• Das Verfahren nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß ein Elektronenstrahl auf seinem Wege von einer Emissionsquelle zu einer Auffangelektrode ein konstantes elektrisches und ein senkrecht dazu stehendes konstantes magnetisches Querfeld von solcher Größe, daß der Krümmungsradius der Elektronenbahnen kleiner als der halbe Abstand der das elektrische OOtterfeld hervorrufenden Elektroden ist, -durchläuft, und daB dem elektrischen Querfeld ein Hochfrequenzfeld überlagert wird, dessen Frequenz der Umlaufsperiode der Elektronen entspricht.
• Die Wirkungsweise der neuartigen Röhren und Schaltungen, die nach dem Verfahren gemäß der Erfindung arbeiten, soll unter Bezugnahme auf den Aufsatz von Dr. F r i t z, »Zeitschrift für Hochfrequenztechnik« r935, Bd. 46, S. 16 bis 2a, an Hand der Zeichnung erklärt werden.
• Die in Abb. i schematisch dargestellte Röhre besteht im wesentlichen aus zwei parallelen Platten A, und A2. Angenommen, zwischen den Platten bestehe ein in der Größe und Richtung konstantes elektrisches Querfeld. Außerdem sei ein in Größe und Richtung konstantes Magnetfeld vorgesehen, dessen Kraftlinien senkrecht zur Zeichenebene stehen. Die Projelztionen der Kraftlinien bzw. die Grenzen der Wirkungszone des -Magnetfeldes H sind durch kleine Kreuze angedeutet. Weiter sei angenommen, daß der hrümmungsradius der Elektronenbahnen kleiner als der halbe Plattenabstand d wird. Unter diesen Voraussetzungen wird sich ein an der Stelle Ä' befindliches Elektron, welches -eine Anfangsgeschwindigkeit v, mit irgendeiner Richtung hat, auf cycloidenförmigen Bahnen bewegen, und zwar je nach Richtung des -Magnetfeldes nach links oder rechts. Dies kommt daher, daß die Bahn des kreisenden. Elektrons bei der Annäherung an die Platte mit dem hohen (positiven) Potential A,. aufgeweitet und bei Annäherung an die Platte mit dem kleineren Potential stärker gekrümmt wird im Vergleich mit einer Kreisbahn, die es beschreiben wurde, wenn beide Platten sich auf demselben Potential befinden würden. Diese Überlegungen sollen nur zur Erklärung dazu dienen, daß das Elektron ohne besondere Beschleunigungselektrode eine im -Mittel fortschreitende Bewegung ,z,111 senkrecht zu den magnetischen und elektrischen Kraftlinien, also längs der Platten, erhalten kann, wenn lediglich ein elektrisches Querfeld besteht.
• In Abb. 2 ist eine ähnliche Röhre schematisch dargestellt. Im Gegensatz zu dem vorangegangen Beispiel soll zwischen den Platten A1 und .d. neben dem konstanten Gleichquerfeld noch ein in Richtung und Größe wechselndes elektrisches Querfeld (-) auftreten. Die Elektronen mögen an der linken Seite von einer etwa in der -Mitteleben,< zwischen den Platten liegenden Emissionsduelle 1i austreten bzw. voll dieser Seite in das Plattensystem eintreten und einer an der rechten Seite senkrecht zu der anfangs genannten -Mittelebene stehenden Elektrode N zustreben.
• Es ergeben sich folgende Bewegungsgleichungen für das Elektron: Die Betriebsbedingungen (-Magnetfeld) und elektrischen Vorspannungen seien so gewählt, claß die Zeit für einen Umlauf eines Elektrons ungefähr einer Schwingungsperiode entspricht (Schwingungen erster Ordnung). Betrachten wir ein Elektron, das gerade in seiner y-Komponente der Ges.ch.windigkeit gegeilpliasig gegenüber dem Wechselfeld abläuft, so gibt es bei jedem halben Umlauf einen Teil seiner z. B. aus einem Beschleunigung sgleichfeld genommenen Energie an (las elektrische Wechselfeld ab und v:c-rkleinert damit seine Geschwindigkeit und seinen Kriimrnungsradius. Es gelangt an einen Punkt, an dem sich seine Trägheitskraft gerade mit der Einwirkung des Gegenfeldes kompensiert. Es unterliegt dann nur noch der beschleunigenden Kraft des Wechselfeldes und nimmt demnach wieder Energie aus diesem Felde auf. Die oszillatorischen Bewegungen schaukeln sich «-leder auf, d. h. die y-Komponente der Elektronengeschwindigheit macht eine Schwebung, so wie man e: voll zwei lose gekoppelten Pendeln her kennt. Es findet ein periodischer Energieaust-usch zwischen dein pendelnden Elektron und dem Wechselfeld statt. Wir machen also folgenden Ansatz: Ein Einsetzen und einmalige Integration ergibt eine Schw ebung auch der x-Komponente. Um den Wert .d co und die Konstanten zti bestimmen, ist außer Teil Anfangsbedingungen noch die Bestimmung hinzuzunehmen. daß ein Elektron innerhalb einer halben Schwebung seine ganze Bewegungsenergie abgegeben bzw. aufgenommen haben rnu!). (l. 11.

  2-

  A J

  ( d y Uta

  f e de & sin o)t # dt (IV)

  wobei v, die Maximalgeschwindigkeit oder in praktischen Fällen die vom Beschletniigungsgleichfel:d hervorgerufene Anfangsgeschwindigkeit des Elektrons ist. Es ergibt sich dann bei gegebenen Röhrenabmessungen und gegebenen Feldern .d m als Funktion der Wechselspannung L',= und der Phase zwischen rld der Wechselspannung. d co -= f (U,=) Stellt man die Energiebilanz für ein Elektron auf, welches sich an irgendeinem Punkt im Feld zwischen den Platten A1 und <?., befindet, so kommt man zu fol;ender Formel: E=e(U-±iz'U-)# wobei gesetzt werden soll, mit anderen Worten, ein Elektron hat z. B. durch das elektrische Beschleunigungsgleichfeld U- eine Anfangsgeseh@vindigkeit i/2 u erhalten, wobei e die Elementarladung eines- Elektrons bedeuten soll. Lautet die Gleichung für ein Elektron, welches nach einem oder mehreren Umläufen, allgemein. gesagt nach 7z Umläufen, auf einer Elektrode gelandet ist: E-e(U -n#U_)-o, so heißt das, es hat seine gesamte aus dem Gleichfeld aufgenommene Energie (kinetische Energie) in Schwingenenergie umgesetzt und landet mit einer minimalen Geschwindigkeit, im optimalen Falle mit der Geschwindigkeit Null, auf einer Elektrode. Von diesem Elektron kann man.. behaupten, daß es -den Schwingungsvorgang in der günstigsten Weise unterstützt hat. Der theoretische Wirkungsgrad, unter der Voraussetzung, daß alle Elektronen der betreffenden Röhre phasenrichtig laufen, wäre dann etwa ioo°/o. Die auffangende Elektrode muß natürlich gegenüber der Ursprungsquelle des Elektrons (Kathode) eine positive Vorspannung führen, und zwar diejenige, die der Energiegleichung entspricht. Die maximal mögliche Leistungsabgabe ist also direkt der beschleunigenden Spannung proportional; -trotzdem kann das Elektron mit einer praktisch unendlich kleinen Geschwindigkeit auf einer positiv vorgespannten Elektrode landen, wenn es vorher seine Energie an das Wechselfeld abgegeben hat.
• Abb. 3 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung. Der Elektronenaustritt aus der Kathode K wird -durch eine Hilfselektrode G, (Zuggitter) begünstigt und durch zwei weitere Helfselektroden G, im Rhythmus der zu erzeugenden Frequenz gesteuert. Zur Bündelung des Elektronenstromes ist eine Art Richtelektrode Z vorgesehen. Die Elektronen laufen in einer Art Cycloidenwendel, d. h. auf einer Wendelbahn mit stetig kleiner werdendem Radius, zwischen den Nutzelektroden A1 und ' A2 ab und landen, nachdem sie ihre Energie an die Nutzelektroden abgegeben haben, mit einer minimalen Geschwindigkeit auf der Auffangelektrode N. Hinter den durchbrochen ausgeführten Nutzelektroden A1 und A2 befinden sich in Abb. 3 noch weitere Nutzelektroden AI und An, welche jedoch nicht Gegenstand des Patentbegehrens sind und deren Funktion daher nicht weiter erörtert zu werden braucht.
• Bezüglich der Modulation, der Demodulation, der Fremdsteuerung und der Stabilisation lassen sich natürlich alle bekannten und geeigneten Verfahren elektrischer und magnetischer Art oder Kombinationen davon unter Verwendung von Haupt- oder Hilfselektroden anwenden.

Claims (6)

1. PATENTANSPRÜCHE: i. Verfahren zum Betrieb von Röhren mit Laufzeitschwingungen zur Anfachung von ultrakurzen elektrischen Wellen, dadurch gekennzeichnet, daß ein Elektronenstrahl auf seinem Wege von einer Emissionsquelle zu einer Auffangelektrode ein senkrecht zur Verbindungslinie Kathode-Auffangelektrode stehendes konstantes elektrisches und ein senkrecht dazu und zur Verbindungslinie Kathode-Auffangelektrode stehendes konstantes magnetisches Querfeld von solcher Stärke durchläuft, daß der Krümmungsradius der Elektronenbahnen kleiner als der halbe Abstand der das elektrische Querfeld hervorrufenden Elektroden ist und daß die Nutzschwingungen den dem elektrischen Querfeld überlagerten Hochfrequenzfeld entnommen werden, dessen Frequenz der Umlaufsperiode der Elektronen entspricht.
2. 2. Anordnung für ein Verfahren nach Anspruch i, gekennzeichnet durch zwei parallele Plattenelektroden zur Aufrichtung des elektrischen Gleich- und Wechselquerfel-des, eine Elektronenquelle an der einen Seite des durch die Plattenelektroden begrenzten Raumes und eine Auffangelektrode an der gegenüberliegenden Seite.
3. 3. Anordnung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch einen Schwingungskreis zwischen den Plattenelektroden. q..
4. Verfahren nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektronen vor ihrem Eintritt in das Schwingelekträdensystem im Takte der Betriebsfrequenz gesteuert werden.
5. 5. Anordnung für ein Verfahren nach Anspruch q., dadurch gekennzeichnet, daß ,die Steuerelektroden mit den Schwingelektroden selbst verbunden sind.
6. 6. Anordnung nach Anspruch 2, da- j durch gekennzeichnet, daß die Plattenelektroden zumindest teilweise durchbrochen ausgebildet sind und daß sich hinter diesen weitere Plattenelektroden befinden, die gegenphasig zu den jeweils da- j vor liegenden Plattenelektroden schwingen.