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Verfahren zum Betrieb von als B-Verstärker arbeitenden Hochfrequenzverstärkern
für große Leistungen Die Erfindung bezieht sich auf Elektronenentladungsgeräte,
insbesondere auf eine Hochfrequenzverstärkeranordnung unter Verwendung einer besonderen
Elektronenstrahlröhre. Sie setzt sich zur Aufgabe, einen als B-Ver= stärker arbeitenden
Hochfrequenzverstärker anzugeben, bei dem die Anodenverlustleistung mit besonderen
Schaltmitteln und einer besonderen Elektrodenanordnung stark herabgesetzt ist.
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Die bekannten, zur Hochfrequenzverstärkung verwendeten Drei- und Mehrelektrodenröhren
werden, wenn ein hoher Wirkungsgrad gefordert wird, im allgemeinen als C-Verstärker
geschaltet. In C-Verstärkern wird der Stromverlauf, um das Produkt von -ip # ep
möglichst klein zu halten, so eingestellt, daß ein Strom nur während des Teils der
Periode fließt, währenddessen der Wechselspannungsanteil der Anodenspannung negative
Beträge hat. Dabei ist die Anodenverlustleistungip-e", ip der jeweilige Anodenstrom
und ep die entsprechende Anodenspannung. Die zum Betriebe einer üblichen Röhre notwendige
Anodengleichspannung ist bestimmt durch die maximale Wechselspannungsamplitude an
der Anode. Infolgedessen ist die Anodengleichspannung während eines gewissen Teils
der Wechselspannungsper iode unnötig hoch, vor allem in den Zeitabschnitten, in
denen die
Amplitude der Modulationshochfrequenz kleiner ist als
der größte auftretende `'Wert der Wechselspannung. Jedesmal, wenn also die Wechselspannungsamplitude
den Maximalwert unterschreitet, sind die Anodenverluste ohne ein gleichzeitiges
Ansteigen der Ausgangsleistung ziemlich beträchtlich. Diese Verluste vermindern
den Gesamtwirkungsgrad der Röhre.
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Ein maximaler Wirkungsgrad wird erreicht, wenn die Anodengleichspannung
ständig auf solchen Betrag eingeregelt wird, der für die jeweilige Wechselspannungsamplitude
benötigt wird. Wenn dies erreicht werden könnte, so würde man auch in der C-Verstärkerschaltung
einen Wirkungsgrad von roo °;a erhalten, und der Wirkungsgrad würde nicht mehr eine
Funktion des Modulationsgrades sein.
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Es sind bereits Verstärkerschaltungen bekanntgeworden, in denen bezweckt
wurde, eine solche Regelung der Anodengleichspannung zu erreichen. Bei einer derartigen
Schaltung ist man so vorgegangen, daß man von der dem Eingang des Verstärkers zugefügten
Hochfrequenzspannung einen Teil abzweigte, gleichrichtete und die erhaltene Gleichspannung
mit Siebmitteln glättete und zur Regelung eines die Anodenspannung liefernden Netzgerätes
verwendete. Der Nachteil dieser Schaltung besteht darin, daß es mit ihr nur möglich
ist, eine Regelung der Anodenspannung im Rhythmus der Modulationsamplitude durchzuführen,
daß dagegen auf eine Regelung im Rhythmus der Hochfreqüenzamplitude verzichtet werden
muß, da sich sonst Rückkopplungserscheinungen durch die enge Kopplung des Anoden-
und des Eingangskreises nicht vermeiden lassen. Das von der Erfindung vorgeschlagene
Regelverfahren gestattet eine Regelung der Anodenspannung im Takt der Hochfrequenzamplitude
und ergibt aus diesem Grunde eine wesentlich wirksamere Herabsetzung der Anodenverlustleistung.
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Gemäß der Erfindung wird die Regelung der Anodenspannung trägheitslos
durch einen von der Hochfrequenzspannung betätigten Kathodenstrahlschalter vorgenommen.
Der Kathodenstrahlschalter kann ein Bestandteil der Verstärkerröhre sein. Die als
Ausführungsbeispiel angegebene Röhre stellt eine Verstärkerröhre mit eingebautem
Elektronenstrahlschalter bekannter Bauart dar. Hierbei sind Mittel vorgesehen, um
einen Elektronenstrahl über einer vorgeschriebenen Bahn hin und her zu lenken; in
dieser Bahn ist eine Mehrzahl von Anoden aufgestellt, welche dazu dienen, die Strahlelektronen
aufzufangen. Die einzelnen Anoden sind vorzugsweise durch Kondensatoren miteinander
verbunden und bilden so hochfrequenzmäßig eine Einheit. Gleichstrommäßig sind die
Anoden dagegen voneinander getrennt und auf Potentialen gehalten, die stufenweise
längs des von dem Elektronenstrahl überstrichenen Bereichs anwachsen. Der Elektronenstrahl
wird normalerweise so eingestellt, daß er beim Beginn jeder Halbperiode des Strornflusses
auf diejenige Anode auftrifft, welche auf niedrigstem Potential gehalten ist.
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Zum Betrieb der Röhre wird diese so geschaltet, daß sie als B-Verstärker
arbeitet, wobei die zu verstärkende Hochfrequenz an das Gitter bzw. an den Wehneltzylinder
des Strahlerzeugungssystems gelegt wird. Die Hochfrequenzamplieude sei etwa gleich
der Spannung der auf höchstem Potential liegenden Elektrode und wesentlich größer
als das Gleichspannungspotential der ersten Anode, auf welche der Elektronenstrahl
beim Beginn der Halbperiode auftrifft. Unter wirksamer Anodenspannung soll im folgenden
die Summe aus der jeweiligen Anodengleichspannung und der in einem Arbeitskreis,
der in Hochfrequenzverbindung mit allen Anoden steht, auftretenden Wechselspannung
verstanden werden. Beim Beginn der Periode nimmt der Anodenstrom zu, während gleichzeitig
die Hochfrequenzspannung in negativer Richtung zunimmt. Dementsprechend nimmt mit
fortschreitender Periode die wirksame Anodenspannung ab, erreicht einen Minimalwert
für die Aufnahme von Elektronen und würde sogar unter diesen Wert sinken. Dadurch
würde ein weiteres Auftreffen von Elektronen verhindert sein, und der Anodenstrom
würde aufhören zu fließen. Gemäß der Erfindung kann jedoch dieser letztere Fall
nicht eintreten, weil in dem gleichen Augenblick, wo die wirksame Anodenspannung
den für ein Auftreffen der Elektronen erforderlichen Minimalwert erreicht, der Elektronenstrahl
auf die nächste Anode abgelenkt wird, welche ein höheres Gleichspannungspotential
besitzt. Damit erhält die effektive Anodenspannung wieder einen genügend hohen Wert,
um einen Stromfluß zu gewährleisten. Wenn die Wechselspannung noch negativere Beträge
erreicht, so wird das Gleichspannungspotential der zweiten Anode schließlich auch
nicht ausreichen, um ein Absinken der wirksamen Anodenspannung unter den erforderlichen
Minimalwert zu verhindern. In dem Augenblick erfolgt aber wieder eine Ablenkung
des Elektronenstrahls auf die 3. Anode, welche ein noch höheres Gleichspannungspotential
führt, womit die angewachsene Wechselspannungsamplitude wiederum kompensiert ist.
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Dieses Verfahren wird nacheinander so oft durchgeführt, bis der Elektronenstrahl
auf der letzten Anode angelangt ist, welche ein
Gleichspannungspotential
führt, das ebenso groß oder etwas größer als die größte auftretende Wechselspannungsamplitude
ist. Mit weiterem Fortschreiten der Periode nimmt die negative Wechselspannungsamplitude
wieder ab, und entsprechend wächst die wirksame Anodenspannung an. Sobald nun die
wirksame Anodenspannung einen vorgeschriebenen Betrag überschreitet und einen Wert
erreicht, der wesentlich höher ist als die zur Sammlung der Elektronen erforderliche
Mindestspannung, wird der Elektronenstrahl wieder auf die vorletzte Elektrode zurückgelenkt,
welche ein niedrigeres Gleichspannungspotential führt und damit eine Verminderung
der wirksamen Spannung erreicht. Dieser Vorgang wiederholt sich so oft, bis der
Elektronenstrahl. die Anode mit dem niedrigsten Gleichspannungspotential erreicht
hat, worauf die Halbperiode abgeschlossen ist und der Strom aufhört. Der Vorgang
wiederholt sich bei Wiederauftreten des Anodenstromes.
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Es sei bemerkt, daß die wirksame Anodenspannung sogar bis. auf Kathodenpotential
absinken kann, so daß die ankommenden Elektronen nahezu die Geschwindigkeit o besitzen,
weil in der Röhre gemäß der Erfindung der Anodenstrom keine Funktion der wirksamen
Anodenspannung ist, solange diese Spannung keine negativen Beträge erreicht.
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Die Ablenkung des Elektronenstrahls in der oben beschriebenen Art
erfolgt stets bei einem vorgeschriebenen Wert der Hochfrequenzspannung. Es können
die bekannten Ablenkmittel verwendet werden denen eine derHochfrequenzspannung proportionale
Ablenkspannung zugeführt wird; damit wird der Ablenkwinkel eine Funktion der jeweiligen
Hochfrequenzspannung.
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Im folgenden wird auf die Figuren Bezug genommen Fig. i stellt einen
Längsschnitt durch eine Röhre gemäß der Erfindung mit einer Schaltung zum Betrieb
derselben dar.
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Fig. 2 zeigt eine Ansicht der erfindungsgemäßen Anordnung für Kabelverstärker.
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Fig. 3 zeigt in graphischer Darstellung die Verluste in bekannten
Röhren, verglichen mit den Verlusten in der erfindungsgemäßen Röhre.
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Fig. 4 zeigt eine Schar von Kurven, welche die wirksamen Anodenspannungen
beim Betriebe der Röhre darstellen.
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Die Fig. 5 und 6 zeigen die Beziehungen zwischen den einzelnen Anodenspannungen
und dem gesamten Anodenstrom.
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Fig. 7 zeigt als ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung eine
Röhre mit nur zwei Anoden.
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In Fig. i enthält eine evakuierte Hülle der bei Kathodenstrahlröhren
üblichen kegelförmigen Gestalt an dem engeren Ende ein Strahlerzeugungssystem, welches
aus einer Elektronen emittierenden Kathode 2, einer Steuerelektrode 4 und einer
Beschleunigungselektrode 5 besteht. Die Kathode 2 kann in der üblichen Weise durch
eine Heizspirale 6 geheizt werden. An dem gegenüberliegenden weiteren Ende der Röhre
befinden sich fünf plattenförmige Anoden, von oben nach unten in der Reihenfolge
7, 9, io, 12 gezählt. Es sei jedoch bemerkt, daß an Stelle von fünf Anoden jede
andere Zahl ebenfalls geeignet ist.
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Auf das Strahlerzeugungssystem folgen zwei Ablenkelektroden 14 und
15, die innerhalb oder außerhalb der Röhre gelegen sein können und so angeordnet
sind, daß der Strahl im Betrieb über den einzelnen Anoden hin und her gelenkt werden
kann. Zwischen den Ablenkmitteln und den Anoden befindet sich ein Faradaykäfig 16.
Wie weiter unten dargelegt werden wird, ist es unter Umständen zweckmäßig, jede
Anode mit einem Bremsgitter zu versehen. Dementsprechend sind vor jeder Anode die
Gitter 17, i9, 2o, 21 und 22 angeordnet. Das Gitter jeder Stufe ist mit der Anode
der darüberliegenden Stufe verbunden, mit Ausnahme des Gitters 17, welches durch
eine besondere Leitung 24 geerdet ist. Ebenfalls geerdet ist die Kathode 2 des Strahlerzeugungssystems.
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Zum Betrieb der Röhre wird eine modulierte Hochfrequenzspannung über
den Kondensator 25 an das Gitter 4 gelegt, welches durch die Gitterbatterie 26 über
die Drossel 27 entsprechend dem B-Verstärkerbetrieb negativ vorgespannt ist. Die
Anode des Strahlerzeugungssystems 5 wird durch die Batterie 29 auf positivem Potential
gehalten. Der Faradaykäfig 16 liegt durch die Batterie 3o auf schwach positiver
Spannung, und die Anodenspannungen werden 'von einem Spannungsteiler und der Batterie
3 t durch die einzelnen Widerstände 32, 34,- 35, 36 und 37 gewonnen, wobei die Anode
7 an dem niedrigsten und die Anode 12 an dem höchsten Potential liegt. Die einzelnen
Widerstände 32 bis 37 sind hinter den Drosseln 4o durch Kondensatoren 4i überbrückt,
so daß die Anoden hochfrequenzmäßig eine Einheit bilden. Diese Einheit ist über
den Kondensator 42 mit dem Arbeitskreis 44 verbunden. Eine weitere Verbindung ist
zwischen dem Arbeitskreis 44 und einer der Ablenkelektroden 14 vorgenommen, während
die andere Elektrode i5 geerdet ist. Die Aufgabe des Faradaylcäfigs 16 besteht darin,
zu verhindern, daß das Feld von den verschieden vorgespannten Anoden eine Ablenkung
des Elektronenstrahls aus der vorgeschriebenen Bahn bewirkt.
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Bei der nun folgenden Darlegung der Wirkungsweise der Anordnung soll
zunächst angenommen
werden, daß die einzelnen Anoden aus nicht
sekundär emittierendem Material hergestellt sind und die im vorgehenden beschriebenen
Bremsgitter nicht verwendet werden. Beim Beginn der Halbperiode des Stromflusses
ist der Elektronenstrahl auf die Anode 7 gerichtet, welche beispielsweise auf einem
Gleichspannungspotential von 28oo Volt liegt. Beim Anwachsen der im Anodenkreis
herrschenden Hochfrequenzspannung zu negativen Amplituden nimmt das effektive Anodenpotential
der Anode 7 ab. Durch die gleichzeitig auf die Ablenkelektroden 14 und 15
einwirkende Hochfrequenzspannung wird der Elektronenstrahl in - Richtung auf die
Anode 9 verschoben und bei einem vorgeschriebenen Wert der Hochfrequenzspannung
so weit abgelenkt, daß er von der Anode 7 auf die Anode g herübergleitet, welche
beispielsweise an einer Spannung von 5500 Volt liegt.
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Bezugnehmend auf die Kurvenschar in Fig. 4. stellt die Kurve A den
Verlauf des Anodenpotentials an der Anode? in Abhängigkeit von der Zeit dar. Der
stark ausgezogene Teil der Kurve A entspricht dem Arbeitsbereich während des Auftreffens
des Elektronenstrahls auf die Platte;. Wie man sieht, nimmt die wirksame Anodenspannung
e" ab, bis sie den vorgeschriebenen Wert, in diesem Falle Kathodenpotential, erreicht
hat, worauf der Elektronenstrahl auf die Anode 9 herübergelenkt wird, welche an
eine Batteriespannung von 5500 Volt gelegt ist, wie durch die Kurve B angedeutet
ist. Der stark ausgezogene Teil B stellt wiederum den Arbeitsbereich dar. Mit weiter
fortschreitender Schwingungsperiode nimmt e, wiederum bis auf Kathodenpotential
ab, worauf der Elektronenstrahl auf die 770o Volt führende Anode io lierüberelenkt
wird, wie aus der Kurve C ersichtlich ist. Die Anodenspannungswerte en entsprechen
wiederum dem stark angewachsenen Teil C'. Dieser Vorgang wiederholt sich beim Übergang
auf die Anode i i entsprechend dein Kurvenzug D bzw. D'.
Schließlich gelangt
der Strahl auf die letzte Anode 1a, und die Anodenspannung durchläuft auf dem Kurvenzug
E den Arbeitsbereich E'. Die letzte Anode kann auf einer Spannung von io ooo Volt
gehalten werden. Nachdem das negative 'Maximum der Hochfrequenzspannung vorüber
ist, beginnt die effektive Anodenspannung mit weiter fortschreitender Schwingungsperiode
wieder zu wachsen. In dem gleichen Maße wie die Wechselspannungsanode weniger negativ
wird, nimmt auch die Ablenkkraft auf den Elektronenstrahl ab, und bei einem bestimmten
Wert wird der Strahl auf die Anode i i zurückgelenkt, und die einzelnen Kurvenzüge
D, C, B,
A werden in entgegengesetzter Richtung durchlaufen. Man erkennt aus
Fig. 4., dall es möglich ist, eine wirksame Anodenspannung einzustellen, welche
den geringst möglichen Wert für die Sammlung der Elektronen während der Halbperiode
eines Stromiiusses nur wenig überschreitet.
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Fig. 5 zeigt eine angenommene Form des Anodenstroms i" während einer
halben Periode, wenn die Röhre als B-Verstärker betrieben wird, und Fig.6 die Änderung
der j Anodengleichspannung während der Halbperiode des Stromflusses von Fig. 5.
Die Kurve Z der Fig. 3 zeigt die Anodenverlustleistung während einer halben Arbeitsperiode
für die erfindungsgemäße Röhre. Diese Kurve wurde erhalten durch Multiplizieren
der entsprechenden Ordinaten von Fig. 5 mit denen von Fig. 4.. Die Kurve I' zeigt
einen Anodenverlust, der bei einer normalen Röhre eintreten würde. Ein Vergleich
der Kurven 1 und 1' zeigt, daß die Anodenverlustleistung in der erfindungsgemäßen
Röhre auf etwa 1/s bis 1J4 der Verluste in einer normalen Röhre verringert worden
ist, Durch eine Analyse der Kurven der Fig. q., 5 und 6 läßt sich zeigen, daß die
Geschwindigkeiten der auftreffenden Elektronen während der ganzen Periode des Stromflusses
im wesentlichen dieselben sind. Dementsprechend spielen die Flugzeiten der Elektronen
für die Arbeitsweise der Röhre keine Rolle.
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Der Wirkungsgrad der Röhre ist innerhalb sehr kleiner Grenzen unabhängig
von dem Modulationsgrad, jedoch, wie man durch Vergleich der Fig. 5 und 6 erkennt,
abhängig von der Zahl der Anoden in der Röhre, "Zurückkommend auf die Bedeutung
der Bremsgitter 17,19,20, 2i und.22 ist zu sagen, elaß eine Verwendung derselben
zweckmäßig ist wegen der Schwierigkeit, ein praktisch nicht sekundär emittierendes
Material für die Anoden zu finden. Die Verwendung dieser Bremsgitter ändert die
Voraussetzungen der Betriebsweise in gewissem Maße, weil das Bremsgitter der gerade
arbeitenden Stufe nicht auf ein Potential absinken darf, welches niedriger ist als
das Kathodenpotential, weil sonst eine Sperrwirkung eintreten würde. Daher ist es
bei Verwendung von Bremsgittern notwendig, den Strahl- von einer Stufe zur folgenden
lierüberzulenken,wenn die wirksame Anodenspannung der vorhergehenden Stufe sich
gerade dein Kathodenpotential nähert. Der Gesamtwirkungsgrad wird jedoch durch die
Verwendung von Bremsgittern nicht wesentlich vermindert. Die Durchführung der erfindungsgemäßen
Betriebsweise führt zu einer Anzahl von Vorteilen. Es kann entweder mehr Energie
in einer Röhre bewältigt werden oder die Elektroden können für dieselbe
Ausgangsleistung
beträchtlich kleiner gemacht werden, wodurch eine Verringerung der inneren Kapazitäten
eintritt, die es möglich macht, noch höhere Frequenzen zu verstärken.
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In Fig. 2 wird eine Hochfrequenzverstärkerröhre gezeigt, in der die
Anoden ;7, 9, io, ii und 12 miteinander durch eine Metallklappe 5o kapazitiv verbunden
sind. Diese Metallplatte verbindet das anodenseitige Ende der Röhre mit dem mittleren
Leiter 5 i eines Fernkabels, dessen äußerer Mantel 52 auf Erdpotential liegt. Der
äußere Mantel 52 des Verstärkers ist mit der Anode 5 des Strahlerzeugungssystems
durch einen Blockkondensator 55 verbunden, so daß beide hochfrequenzmäßig geerdet
sind. In dieser Darstellung sind wegen der Übersichtlichkeit die Verbindungen zu
den Anoden fortgelassen worden. Diese Verbindungen müssen in dem Ausführungsbeispiel
nicht wie -in Fig, z am Ende der Röhre, sondern seitlich herausgeführt werden. Im
übrigen sind die beiden Röhren einander identisch. Die Ausgangsleistung kann auch
von einem Punkt 5¢ an den Innenleiter 51. des Übertragungskabels etwa % Wellenlänge
von der Kappe 5o entfernt abgenommen werden.
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In Fig.7 wird eine vereinfachte Ausführung der erfindungsgemäßen Anordnung
mit nur zwei getrennten Anoden gezeigt. In diesem Beispiel tritt der von der Anode
5 ausgehende Elektronenstrahl unter normalen Bedingungen durch eine Öffnung 6o in
einer becherförmigen Anode 61 hindurch, wobei die Seitenwände62 dieses Bechers von
dem Strahlerzeugungssystem abgekehrt sind. Über der Öffnung des Bechers befindet
sich in geringem Abstand eine ebene Elektrode 6q.. Die beiden Anoden 61 und 64 sind
durch den Kondensator 65 hochfrequenzmäßig zu einer Einheit verbunden. Der abgestimmte
Ausgangskreis 44 ist mit beiden Anoden über einen Blockkondensator 66 verbunden.
Die Anodenspannungsquelle 3 i ist derart geschaltet, daß das volle Anodenpotential
über die Drossel 67 an die Elektrode 61 gelangt, während die Elektrode 6q. etwa
die Hälfte der Batteriespannung über die Drossel 69 von dem Abgriff 7o erhält. In
dieser Ausführungsform ist - die Eingangsspannung an das Gitter bzw. den Wehneltzylinder
des Strahlerzeugungssystems gelegt. Die Röhre wird durch Vorspannen mit einer Gitterbatterie
26 als B-Verstärker geschaltet.
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Beim Beginn der Halbperiode, während welcher ein Strahlstrom fließt,
tritt der Elektronenstrahl durch die Öffnung 6o hindurch und wird von der Anode
64 aufgenommen, an welche etwa die Hälfte der Batteriespannung angelegt ist. Mit
fortschreitendem Schwingungsvorgang und zunehmendem Strahlstrom wird das Potential
der Platte 64 immer niedriger und niedriger, bis es unter Kathodenpotential fällt.
Danach werden die Elektroden nicht mehr von dieser Anode 6q., sondern von der becherförmigen
Elektrode 61 aufgenommen, und gegen das Ende der Halbperiode, während welcher das
Potential der Elektrode 61 vermindert wird, geht die Elektronensammlung wieder auf
die Anode 64 über. Die Arbeitsweise dieser vereinfachten Anordnung ist etwa dieselbe
wie die der oben beschriebenen Anordnung, außer hinsichtlich der Tatsache, daß der
Strahl nur zweimal während des Stromflusses verschoben wird. Aus diesem Grunde wird
der Gewinn an Wirkungsgrad nicht so groß # sein können wie -in den oben beschriebenen
Anordnungen, jedoch bringt die Vereinfachung der Schaltkreise den Vorteil, daß keine
besonderen Mittel für die Ablenkung des Elektronenstrahles erforderlich sind und
der Übergang von der einen zur anderen Elektrode automatisch erfolgt.
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Es sei noch bemerkt, daß die Anode 61 nicht notwendig becherförmig
ausgebildet zu sein braucht; sie kann auch die Form eines Zylinders besitzen. Der
Hauptgrund dafür, die Anoden becherförmig auszubilden, besteht darin, daß die Elektronen
daran gehindert werden sollen, in Richtung auf die Strahlanode zurückgetrieben zu
werden und dadurch der Sammlung zu entgehen.