DE719706C

DE719706C - Magnetronanordnung

Info

Publication number: DE719706C
Application number: DEC52720D
Authority: DE
Inventors: Sylvain Berline; Henri Gutton
Original assignee: CSF Compagnie Generale de Telegraphie sans Fil SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1937-04-17
Filing date: 1937-04-17
Publication date: 1942-04-23
Also published as: FR885305A

Description

Die Erfindung betrifft eine Magnetronanordnung mit einer Röhre, deren zylindrische Anode in zwei Gruppen mit mindestens je zwei miteinander verbundenen Segmenten derart aufgeteilt ist, daß benachbarte Segmente zu verschiedenen Gruppen gehören. Derartige Röhren sind bereits bekannt, jedoch sind hier die zu einer Gruppe zusammengefaßten Elektroden jeweils an beiden Enden miteinander verbunden, so daß zwischen den Verbindungen der beiden Gruppen eine relativ große konzentrierte Kapazität besteht. Dagegen ist es ein Merkmal der Erfindung, daß die Segmente einer Gruppe jeweils nur durch einen

i_S Kurzschlußring ο. dgl. an einem Ende des Anodensystems verbunden sind und daß sich die beiden die Verbindung vermittelnden Kurzschlußringe ο. dgl. an verschiedenen Enden des Anodensystems befinden.

Bekanntlich neigen bei sehr hohen Frequenzen die Kapazitäten zwischen den Elektroden der Röhrengeneratoren dazu, die Potentialdifferenzen zum Verschwinden zu bringen und die Aufrechterhaltung der Schwingungen zu verhindern. Es ist auch schon bekannt, die Wirkung der Kapazität zwischen den Elektroden eines Magnetrons durch Anwendung von Elektroden in Form von als Schwingungskreise wirkenden Doppelleitungen auszuschalten, deren Leiter nicht wie bisher in ihrer Mitte, sondern an einem Ende miteinander verbunden sind. Unter diesen Bedingungen ist es möglich, Elektrodensysteme mit im Verhältnis zu der benutzten Wellenlänge verhältnismäßig großen Abmessungen zu verwenden.

Gemäß der Erfindung ist daher ein Magnetron der eingangs erwähnten Art dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung der Segmente zu einer Gruppe jeweils durch einen Kurzschlußring ο. dgl. am einen Ende des Anodenzylinders vorgenommen ist, daß sich die beiden Kurzschlußringe an verschiedenen Enden des Anodensystems befinden und daß die durch die Segmente mit den Kurzschlüssen gebildeten Doppelleitungen oder Mehrfachleitungen auf Resonanz mit der Arbeitswelle abgestimmt sind.

Fig. i, 2 und 3 zeigen perspektivisch und im Schnitt die Anode eines gemäß der Erfindung ausgebildeten Magnetrons. Diese Anode besteht aus zwei gleichen Elementen, von denen eines in Fig. 1 dargestellt ist. Es wird durch eine Endscheibe R₁ (oder R₂) gebildet, die senkrecht zur Heizfadenachse C steht und im rechten Winkel eine Anzahl von zylin-

einsehen Segmenten S₁ (oder S_s) trägt, die parallel zu dieser Achse liegen. Die beiden Anodenelemente R₁ und R₂ sind an den beiden Enden des Heizfadens C derart einander gegenüberstehend angeordnet, daß ihre Segmente ineinandergreifen. Jedes der beiden Anodenelemente besteht hier aus vier Segmenten, jedoch kann eine beliebige Anzahl von Segmenten vorgesehen werden. In Fig. 2 endet das freie Ende jedes Segmentes kurz vor dem Endring des anderen Anodenelementes, aber es könnte auch, wie später gezeigt wird, über dieses hinaus verlängert werden. Die beiden Anodenelemente werden durch die Gleichspannung mit Hilfe von Lecherdrähten F₁, P₂, den Ringplatten R₁ und R₂, die Äquipotentialverbindungen darstellen, gespeist.

Wenn man in vereinfachter Form bei jedem ao der beiden Anodenelemente nur ein einziges Segment betrachtet, kann das Wesen eines Magnetrons gemäß der Erfindung schematisch nach Fig. 4 dargestellt werden. In dieser Figur sind vereinfacht die beiden Anodenelemente A_x, B₁ und A₂, B₂ des Magnetrons, ihre Endringe R₁ und R₂, die Lecherdrähte F₁, F₂ und die Brücke P dargestellt, die sie mit der positiven Spannungsquelle, deren andere Klemme an der Kathode C liegt, verbindet. Zur Vereinfachung ist das parallel zur Kathode C gerichtete magnetische Feld nicht gezeichnet. Hingegen ist in schematischer Darstellung eine Ersatzwechselstromquelle durch gestrichelte Linien für die EMK von sehr hoher Frequenz angedeutet, die zwischen den Anodenelementen des Magnetrons auf Grund seiner Wirkungsweise erzeugt werden.

Die für die Erfindung wesentliche Erscheinung besteht darin, daß ein derartiges, an seinen beiden gegenüberliegenden Enden gespeistes Magnetron die Erzeugung von stabilen Schwingungen mit weit höherer Frequenz und mit weit größerer Leistung ermöglicht als bei in ihrer Mitte gespeisten Anodenelementen.

Dieses Magnetron speist z. B. eine Antenne Ci₁, ffo, die entweder durch die Verlängerungen der Lecherdrähte F₁, F₂ (Fig. 5) oder durch eine SchleifeFj',F₂'gebildet wird, die nach bekannten Schaltungen mit diesen Leeherdrähten (Fig. 6) durch Induktion gekoppelt wird.

In Fig. 6 ist außerdem der Kolben A des Magnetrons und ein Reflektorschirm E, z. B. in Form eines Paraboloides, dargestellt, der in bekannter Weise das ausgestrahlte Energiebündel richtet.

Bei derartigen Anordnungen wird man insbesondere feststellen, daß die Röhre stabil und kräftig auf einer genau bestimmten Wellenlänge schwingt, die von den Abmessungen und Entfernungen der Anodenelemente abhängt, aber von der Stelle der zwischen den Lecherdrähten gespannten Brücke/³, an welcher die Gleichspannung HT zugeführt werden kann, unabhängig ist. Durch \^rerschiebung der Brücke P wird lediglich die auf die Antenne übertragene Energie verändert.

Die Erklärung für das befriedigende Arbeiten der gemäß der Erfindung beschaffenen Röhren scheint darin zu liegen, daß durch die Speisung der Anodenelemente an ihren beiden gegenüberliegenden Enden, bei gewissen bevorzugten Frequenzen, auf denen die Schwingungen sich erregen, die parasitäre Wirkung der inneren Kapazitäten unterdrückt wird.

Eine einfache Rechnung, die unten als Erklärung aufgestellt wird, erlaubt es in der Tat, die durch die Erfindung erzielten Ergehuisse in dieser Weise zu erklären. Für die Rechnung wird die Annahme gemacht, daß, wie in Fig. 7 dargestellt, eine Spannung mit hoher Frequenz von der Form

U = U₀ cos co t

eine Doppelleitung A₁, B₁, A₂, B₂ an ihren beiden entgegengesetzten Enden speist.

Geht man von der Gleichung für die Ausbreitung in dieser Leitung aus

ff X" '(J t²

und führt man die Grenzbedingung ein, so ergibt sich, daß der Speisestrom eines solchen ·).■> Kreises die folgende Form hat:

sin Θ

I —■ 2ca U₍₎

cos θ + & sm (")

sin ω /.

In dieser Formel ist Θ

ω L ν · , wobei Λ eine

Funktion der Selbstinduktion und der Kapazität der Leitung, c die Kapazität je Längeneinheit der Leitung und 2L die Länge A₁ B₁ = A.₂ B., ist. In dieser Formel ist zur Vereinfachung die durch die Widerstände der Kreise hervorgerufene Dämpfung vernachlässigt. Sie zeigt, daß der Strom I stets um 90° gegen die Spannung U verschoben ist. Der Kreis verhält sich demnach wie eine Kapazität, wenn die Stromamplitude

sin Θ

positiv ist, hingegen wie eine Selbstinduktion, wenn I negativ ist. Die Kurve I in Abhängig

keit von Θ = ist in Fig. 10 wiedergegeben.

Bei einer bestimmten Leitung sind L und a definiert, und ω ändert sich wie Θ. Wenn die Frequenz klein ist, hat der Strom I den Wert I₀=Ja U₀. Wenn die Frequenz wächst,

nimmt dieser Strom ab, geht bei Θ = 2,3» durch ein Minimum und wächst dann unbestimmt bei cotg(9=—Θ, d. h. bei ©==2,82 da die Dämpfung als Null angenommen wurde. Bei diesem Wert wechselt der Strom seine Phase, und die Leitung verhält sich dann wie ein Serienrescsnainzkreis.

Bei Θ = π wird der Strom I Null und die Impedanz der Leitung unendlich, so daß sich

to die Leitung jetzt wie ein Parallelkreis verhält.

Wenn die Frequenz weiterwächst, ergeben sich wieder Werte von Θ in unbestimmter Zahl, für die Θ = — cotg Θ (bei allen diesen Werten wird die Stromamplitude unendlich), und andere in ebenfalls unendlicher Anzahl, für die· θ —kn (die Stromamplitude wird dabei Null und die Leitung besitzt eine unendliche Impedanz).

Wählt man den Koordinatenanfang O in der Mitte der Leitung und bezeichnet man mit χ die Abszisse des Punktes M₁ auf der Achse O x, so wird die Potentialdifferenz zwischen zwei gegenüberliegenden Punkten HI₁₁M₂ der Leitung durch folgende Gleichung wiedergegeben:

U₀ ωχ

= —■ — _7Γ cos ·— cos oj t .

cos θ + ο' sin C7 α

Die Amplitude der Potentialdifferenz in jedem Punkt ist demnach eine Funktion der Abszisse und beträgt:

U_n

cos Θ -j- Θ sin Θ

ωχ

cos ——,

Bei χ = 0, d.h.. in der Mitte des Kreises, ist diese Amplitude ein Maximum. Fig. 8 zeigt den Wert V_M1 — V_m längs der Leitung.

Bei Θ = ~-=k π ergibt sich ein Amplitudenmaximum an den beiden Enden A₁ und B₁.
Bei Θ = — cotg Θ, d. h. bei der Resonanz, würde die Amplitude der Potentialdifferenz bei der anfangs gemachten Annahme unendlich.

Bei den beiden Werten Θ = — cotg Θ und Θ = k π verschwindet demnach, wie ersicht-Hch, die Kapazität zwischen den Elektroden aus den Formeln.

Insbesondere bei dem Wert Θ = k π geht die Kapazität zwischen den Elektroden nicht ein, woraus sich, wie oben dargelegt, die Möglichkeit ergibt, sehr kurze Wellen mit Kreisen von verhältnismäßig großen Abmessungen zu erzeugen.

Ein Kreis, wie er in Fig. 9 dargestellt ist, bei dem die Zuleitungen nicht an den Enden der Leitungen, sondern an beliebigen, symmetrisch zur Mitte c liegenden Punkten A₁, A₂ angeordnet sind, würde entsprechende Eigenschaften haben. Wie festgestellt wurde, kann man auf diese Weise Schwingungen unterhalten unter definierten Verhältnissen des magnetischen Feldes und der Spannung. Vorbehaltlich weiterer Aufklärung kann dafür folgende Erklärung gegeben werden.

Betrachtet man ein aus der den Heizfaden umgebenden Raumladung hervorgegangenes Elektron und nimmt man an, daß das magnetische Feld den Blockierungswert erreicht, so bleibt dieses Elektron auf einem ziemlich großen Weg auf einer den Umfang der Anode tangierenden Bahn. Seine Geschwindigkeit ist dabei

γ m

wobei β die Ladung des Elektrons, m seine Masse und V die Anodengleichspannung ist. Das Elektron wird aufeinanderfolgend .vor jeder Anodenplatte vorbeigehen, und die Dauer seines Übergangs zwischen den Mitten von zwei aufeinanderfolgenden Platten ist

■ζην'

wobei d der Durchmesser des Anodenzylinders ist. .

Ohne auf die Einzelheiten der Rechnung einzugehen, kann man feststellen, daß, wenn man dem konstanten elektrischen Feld ejn Feld hoher Frequenz zwischen zwei aufeinanderfolgenden Platten überlagert, das Elektron infolge seiner angenommenen Geschwindigkeit von der Platte mit niedrigstem Potential aufgefangen werden kann; es liefert in diesem Augenblick Leistung an den äußeren Kreis.

Diese Bedingung ist verwirklicht, wenn die Übergangsdauer sich einer Halbperiode nähert oder kleiner ist. Gute Schwingungsverhält-

T
nisse ergeben sich bei τ ä —g-.

Bei bestimmter Wahl des Anodendurchmessers, der Elektrodenanzahl und der Anodenspannung ist die Wellenlänge der erzeugten Schwingung gut definiert. Das magnetische Feld hat andererseits einen Wert, dem- no zufolge die Elektronen tangential an die Anode gelangen. Dieser Wert wird das Blockierungsfeld des Magnetrons bei der Spannung V genannt. Es hat den Wert:

H_h — 6,7 —- .

Hierbei ist H in Gauß, V in Volt und der Halbmesser r in Zentimeter eingesetzt.

Bei einem in der beschriebenen Weise ausgebildeten Magnetron kann man in der Praxis feststellen, daß eine Welle von gut definierter

Frequenz aufrechterhalten wird, wenn die der Laufzeit (Γα2,6τ) entsprechende Periode gleich ist der Resonanzperiode des Kreises. Jede andere kleinere oder größere Frequenz S wird nicht aufrechterhalten.

Fig. 11 zeigt im einzelnen die Ausbildung des Magnetrons gemäß der Erfindung.

Im folgenden werden als Ausführungsbeispiele die charakteristischen Werte von zwei gemäß der Erfindung ausgebildeten Magnetrons angegeben, die mit 1 und 2 bezeichnet sind. Als Vergleich sind die entsprechenden Werte eines Magnetrons der von E. G. Linder vorgeschlagenen Art gegenübergestellt, bei der eine in zwei in ihrer Mitte gespeiste Segmente geteilte Anode mit Endplatten für die Verbesserung des elektrischen Feldes vorgesehen ist.

20 Charakteristische	Neue	Neue	Bauart
Werte des	Bauart	Bauart	E. G.
Magnetrons	Nr. ι	Nr. ζ	Linder
Durchmesser
25 mm	7.4	6,4	4
Länge in mm .	20	10	8
Anzahl der
Segmente...	8	12
Wellenlänge
³⁰ in cm	16	IO	IO
Spannung in
Volt	600	600	1000
Magnetisches
55 Feld in Gauß	450	500	1400

Diese Zusammenstellung zeigt deutlich die Vorteile des gemäß der Erfindung ausgebildeten Magnetrons. Insbesondere ist festzustellen, daß bei einer höheren Frequenz das erforderliche magnetische Feld und die erforderliche Spannung viel geringer sind. Die Befestigung der Anodensegmente auf einer Scheibe ermöglicht es im übrigen, ihre Anzahl ohne Schwierigkeit zu vervielfachen.

Claims

Patentansprüche:

ι. Magnetronanordnung mit einer Röhre, deren zylindrische Anode in zwei Gruppen mit mindestens je zwei miteinander verbundenen Segmenten derart aufgeteilt ist, daß benachbarte Segmente zu verschiedenen Gruppen gehören, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung der Segmente zu einer Gruppe jeweils durch einen Kurzschlußring o. dgl. am einen Ende des Anodenzylinders vorgenommen ist, daß sich die beiden Kurzschlußringe an verschiedenen Enden des Anodensystems befinden und daß die durch die Segmente mit den Kurzschlüssen gebildeten Doppelleitungen oder Mehrfachleitungen auf Resonanz mit der Arbeitswelle abgestimmt sind.
2. Magnetronanordnung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenkreis in zwei gegenüber ihrem Mittelpunkt symmetrischen Punkten, insbesondere den kurzgeschlossenen Endpunkten, an die zu verschiedenen Gruppen gehörigen Anodensegmente angeschlossen ist.

Hierzu ι Blatt Zeichnungen

GFHItrOK Γ IN' ΠΓ If