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Verfahren zur Erzeugung ültrakurzwelliger Schwingungen Die Erfindung
betrifft ein Verfahren zur Erzeugung ultrakurzweiliger Schwingungen, wobei ein Elektronenstrahl
--innerhalb .eines elektrischen Feldes eine parabelförmige Bahn beschreibt. Brenisfeldröhren,
bei denen die durch . das: Beschleunigungsgitter hin- -durchgetretenen Elektronen
im Bremsraum parabelärtige Bahnen beschreiben, sind bekannt. Diese Bahnführung wird
bei der bekannten Anordnung dazu ausgenutzt, zu bewirken, daß jedes Elektron nur
eine Pendehing vornimmt und dann in dem besonders dazu ausgebildeten Beschleunigungsgitter
aufgefangen wird. Die von einer zentralen Kathode- durch ein koaxiales Beschleunigungsgitter
hindurchtretenden Elektronen erfahren an den Gitterstäben je nach ihrem Abstand
von diesen verschiedene `seitliche Ablenkungen, so .daß sie verschiedene Parabeln
indem zwischen dem Beschleunigungsgitter und der Bremselektrode liegenden Auskoppelfeld
durchlaufen. - Es sind weiterhin Anordnungen-belrannt,:- bei. denen -eine--Elektronenströmung
durch ein in der Strömungsrichtung liegendes Auskoppelfeld, an-das sie ihre Energie
abgibt, hindurchgeht.
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Im- Gegensatz -dazu wird bei dem Verfahren gemäß der Erfindung ein
gebündelter Elektronenstrahl mit hoher Anfangsgeschwindigkeit schräg in ein elektrisches
Gleichfeld eingeschossen; in dem er eine parabelförmige Bahn beschreibt. Parallel
zu dem Gleichfeld liegen zwei untereinander gegenphasige Wechselfelder, eines im
ansteigenden und eines im absteigenden Ast der Parabelbahn; die dem Strahl Energie
entziehen. Die Hochfrequenz" energie wird also sowohl'transversal als auch longitudinal
aus dem Elektronenstrahl aus-. gekoppelt. .
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Um das physikalische Prinzip, auf Grund dessen die gemäß der Erfindung
wirkenden Anordnungen zur Schwingungsanfächung arbeiten, deutlich- und anschaulich
-schildern zu können, sei zunächst' die in Abb. i gezeigte Anordnung betrachtet;.-
bei der noch nicht-die beiden gegenphasigen Wechselfelder
vorgesehen
sind. Dieselbe, besteht in der Hauptsache aus einem Kondensatorfeld; das zwischen
den beiden planparallelen und im Abstand d befindlichen Platten P,_ und P2 mit Hilfe
der angelegten Spannung Eo erzeugt wird und in welches ein von der Glühkathode K
ausgehender und von der Anodenspannung E, beschleunigter Elektronenstrahl
S unter dem Neigungswinkel a eintritt. Das Kondensatorfeld ist so
gerichtet, daß es die Strahlelektronen abbremst, d. h. die Oberplatte P2 hat negatives
Potential. Infolgedessen wird der Strahl nach den Gesetzen des schrägen Wurfes auf
einer Wurfparabel abgebogen; und bei genügend starkem Bremsfeld fallen die Elektronen,
die mit der Geschwindigkeit vo schräg emporgeworfen werden, auf P,. zurück, ohne
die Oberplatte erreicht zu haben und durchlaufen z. B. die punktiert eingezeichnete
Bahn.
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Bei der Anordnung nach Abb. r rufen die im Kondensatorfeld befindlichen
Elektronen entsprechend ihrer Bewegungskomponente in Richtung der elektrischen Feldlinien
Verschiebungsströme hervor. Zweckmäßig denkt man sich die Summe aller dieser Stromkom-.
ponenten in zwei Teile zerlegt, nämlich einmal in einen Teil IS, der von den auf
dem steigenden Parabelzweig Z, emporfliegenden und im Kondensatorfeld abgebremsten
Elektronen herrührt, und in einen zweiten Teil If, der von den auf dem Parabelast
Zf fallenden Elektronen stammt. Entsprechend den entgegengesetzten Beschleunigungen
auf beiden Parabelzweigen haben die beiden Verschiebungsstromkomponenten IS und
If entgegengesetztes Vorzeichen, d. h. der eine fließt der Bremsspannung E, entgegen
und gibt Energie an' dieselbe ab, während der zweite die Spannung E, belastet. In
allen Fällen, in denen die Strahlbahn auf der Unterplatte P1 mündet, wie es der
punktierten Wurfparabel in Abb: r entspricht, sind die beiden Parabeläste 2s und
Zf einander spiegelbildlich gleich, und- infolgedessen stimmen auch die von den
steigenden und von den fallenden Elektronen herrührenden Verschiebungsströme überein
und kompensieren sich ihrer verschiedenen Vorzeichen wegen zu Null. Der Widerstand
zwischen den beiden Kondensatorplatten PI und -P2, mit dem die Bremsspannung E'o
belastet ist, ist also unter diesen Umständen unendlich groß.
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Dies wird anders, wenn dem ansteigenden Ast der Paräbel ein zum absteigenden
Ast gegenphasiges Wechselfeld überlagert ist, wie dies die in der Abb. 2 schematisch
gezeichnete Anordnung zeigt. Hier ist anders als in Abb. z die Oberplatte P2 durch
Schlitzung in zwei Stücke P2 und P2' aufgeteilt. Führt man- diesen beiden Teilplatten
verschiedene Spannungen zu, dann entstehen zwei räumlich getrennte, verschieden
starke Felder, welche die oben erwähnte Symmetrie der Strahlparabel selbst dann
aufheben, wenn der Strahl auf P,. mündet. Selbstverständlich müssen die Potentiale
so gewählt werden, daß der parabelförmige Grundcharakter der 'Strahlkurve erhalten
bleibt. Zweckmäßigerweise geht man daher so vor, daß man zwischen die beiden Oberplatten
einen geeigneten Nutzwiderstand, d. h. also einen Resonanzkreis L-C, schaltet, über
dessen: Symmetriepunkt man den beiden Oberplatten die gemeinsame negative Ruhespannung
E0 zuführt. Diesem konstanten Ruhepotential überlagern sich dann die Resonanzspannungen,
die durch die Anfachung an L-C entstehen, und zwar auf beiden Seiten gegenphasig,
so daß der Elektronenstrahl im Gegentakt gesteuert wird. Man siehtleicht ein, daß
diese Art der Gegentaktsteuerung das wirksamste Mittel ist, um den gewünschten Unterschied
zwischen den steigenden und den fallenden Elektronen herbeizuführen. Im übrigen
entspricht die durch Abb.2 veranschaulichte Gegentaktröhre genau der Anordnung nach
Abb: r, nur daß die beiden Verschiebungsstromkomponenten I, und If getrennt voneinander
auf die beiden Platten P2 und P2' abfließen und einen _ negativen Anfachungswiderstand
zwischen den beiden Oberplatten hervorrufen.
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Es ist klar, daß die erzeugbaren Hochfrequenzleistungen in erster
Linie davon abhängen, welche Leistungen in dem Elektronenstrahl selbst zur Verfügung
stehen, mögen die Strahlclektronen ihre kinetische Energie allein von der Anodenspannung
E" erhalten haben oder mag noch eine zusätzliche Energiekomponente, die 'von der
gleichstrommäßigen Belastung der Spannung Eo herrührt, hinzukommen. Da man hinsichtlich
der Elektronengeschwindigkeit mit Rücksicht auf die erforderliche Wurfparabel an
bestimmte Gesetzmäßigkeiten gebunden ist und weil man anderseits auch die Stromdichte
mit Rücksicht auf die Raumladungen und auf die natürliche, der Bündelung des Strahles
entgegenstehende Diffusion der Elektronen nicht zu hoch wählen darf, muß man danach
trachten, die räumliche Ausdehnung des Strahles möglichst groß zu machen, ohne daß
davon jedoch die beschriebenen Gesetzmäßigkeiten, insbesondere die Unterteilung
in steigende und fallende Elektronen, betroffen wird. Aus diesem Grunde ist infolgedessen
die Verbreiterung des Strahles in Richtung senkrecht zur Zeichenebene der Abb. 2
am vorteilhaftesten. -Die praktische Durchführung dieser Methode bietet verschiedene"
Möglichkeiten.
Entweder arbeitet@män mit einem Fachstrahl; d'£-
man gibt. dem Kondensatorfeld und dem hindurchgehenden .Strahl unter Beibehaltung
des Längsschnittes nach Abb. 2 eine solche Breite, wie.es die Rücksicht auf die
zulässige Plattenkapazität. eben noch zuläßt, oder man bildet die ganze -Anordnung
rotationssymmetrisch aus mit der Kathode als Achse.. In Abb. 3 ist eine solche rotationssymmetrische;
nach dem Erfindungsprinzip arbeitende Gegentaktanordnung im axialen Schnitt ,gezeigt.
Die Achse des ganzen Systems wird von einem stromdurchflossenen Draht gebildet,,
dessen Durchmesser an der Stelle K auf ein kurzes Stück so. weit verringert ist,
daß er sich auf die zur Elektronenemission erforderliche Temperatur erhitzt. Gegebenenfalls
kann- er an dieser Stelle noch mit@einer hochemittierenden Oxydschicht bedeckt sein.
Der ganze Kathodendraht ist von zwei konzentrischen Anodenrohren R' und R" - umgeben,
von denen jedes für sich aus zwei Stücken besteht, zwischen denen auf die Länge
von K zwei ringförmige Spalte frei bleiben. Beide Rohre führen verschieden hohe
Anodenspannungen Eä und E", so daß das in dem Schlitzraum entstehende elektrische
Feld als rotationssymmetrische Zylinderlinse wirkt und die von der Kathode emittierten
Elektronen in Form eines Schefbenstrahls bündelt.
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Damit die wurfparabelfözmige Strahlbahn entsteht; die bei dem Verfahren
gemäß der Erfindung wesentlich ist, ist es erforderlich, den Stfahlelektronen eine
Bewegungskomponente.in axialer. Richtung zu erteilen. Dies kann auf verschiedene
Weise geschehen. Entweder ordnet man die Ringspalte in den beiden Anodenrohren R'
und R" ao an, daß der äußere Spalt gegen den inneren etwas nach der Mitte
der Röhre verschoben ist, oder man erteilt; wenn beide Spalte übereinanderliegen,
den linken Rohrstücken eine etwas niedrigere Spannung a°ls den .längeren rechten
Stücken, wodurch das Zylindersystem konisch wirkt und den Strahl nicht genau radial,
sondern konisch bündelt. Schließlich besteht noch die Möglichkeit, den Strahl zwar
genau radial in das Feld einzuschießen oder bildlich gesprochen senkrecht emporzuwerfen
und ihm dann die gewünschte axiale Bewegungskomponente mit Hilfe eines besonderen;
-axial wirkenden Hilfsfeldes zu erteilen. Auch dieser Fäll ist in Abb. 3 dargestellt,
indem .zu beiden Seiten der Röhre zwei Endscheiben P3. . und P4 angebracht sind,
zwischen denen die gewünschte axiale Feldkomponente durch Anlegen geeigneter Potentiale
erzeugt wird. Obwohl- die Strahlelektronen senkrecht- zu den Platten P1 und P2 in
das Kondensatorfeld eintreten, werden sie angenähert auf einer Wurfparabel _ abgelenkt,
- nur - daß die Bewegungsko@rriponente in axialer Richtuilg nicht konstant
ist, sondern- einem quadratischen Zeitgesetz unterliegt.
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Gleichgültig, auf welchem Wege die axiale Bewegungskomponente gewannen
wird, durchlaufen die Strahlelektronen die- in Abb. 3 @ im- Schnitt eingezeichneten
Wurfparabeln. Da es sich nunmehr jedoch nicht mehr um einen Faden- oder Flachstrahl,
sondern- um einen Scheibenstrahl handelt, muß man sich die ganze. Strahlfläche .durch
Rotation der Wurfparabel um die. Röhrenachse entstehend denken; d. h. der Strahl
hat die Form eines Doppelrotationsparaboloids. Entsprechend dem rotationssymmetrischen
Aufbau bestehen natürlich auch die- beiden Nutz- oder Bremselektroden P2 und P2
r aus nebeneinanderliegenden Ringen gleichen Durchmessers, zwischen denen ebenso-wie
vorher' der anzufachende Schwingungskreis L-C liegt. Die Betriebsverhältnisse sind
gegenüber der einfachen Anordnung --;des Abb. 2 nicht verändert, und auch die <Wir
kungsweise der rotationssymmetrischen =Anordnung ist die gleiche wie bei der vorhers
gehenden Röhre, nur daß man mit sehr, viel stärkeren Strahlströmen arbeiten kann,
ohne daß die-Stromstärke das zulässige Maß überschreitet. . -Die für den hochfrequenten
Energfeürnsatz maßgebenden Steuerfelder zwischen - den Bremsringen P2 und P2' und
dem :äußeren Anodenrohr R" werden .bei der ,in Abb#4 wiedergegebenen Doppelstrahlröhre
- noch besser ausgenutzt. Dieselbe arbeitet-mit zwei Strahlen S1 und S2, welche
von beiden- Seiten aus in die Steuerfelder eingeschossen Werden und. sich in der
Äquatorzone ihrer Paraboiloide gegenseitig durchdringen. Da für =beide Strahlen
dieselben Gesetze gelten. wie vorli' für einen Strahl beschrieben, sind, die üon
beiden Strahlen herrührenden negativen,-< Ai: faehungswiderstände einfach parallel.!=ge`
schaltet zu denken, so daß die Doppelstüaihl-: röhre mindestens die doppelte Energie-!'einer.
Einstrahlröhre liefert. . --=:=r#@,=:i Die Anwendung eines einheitlichen- äwialerr
Hilfsfeldes verbietet sich bei @ der; Droppxelr strahlröhre, weil dadurch die @ymmetri'erge:
stört würde, da das Hilfsfeld immer für,:einuri der beiden Strahlen in falscher
Richtung wirken würde. Um die Symmetrie bei-"Benutzung von seitlichen Ablenkplatten.
beizt. behalten, kann man die Anordnung grundsätzlich, wie in Abb: 5 gezeigt, treffen,
-indem. man die beiden Endplatten P'3` und P3 negativ vorspannt und mit Hilfe des
in, der. Mitte der Röhre befindlichen Innenringes@D der positiv vorgespannt sein
muß,..zwei@piii= ander entgegengesetzt gerichtete,äxiale Hnlfs felder erzeugt, die.
beide Strahlen in, gleicher
Weise beeinflussen. -Selbstverständlich
muB der Durchmesser des Innenringes P4 so gewählt werden, daß die Strahlen zwischen
diesem und den Bremsringen in beiden Richtungen ungehindert passieren können.
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Die Schwingungsanfachung- läßt sich dadurch verbessern, daß man die
Verhältnisse so einstellt, daß die Elektronen unmittelbar vor dem -Trennungsschlitz
zwischen P2 und P»" umkehren. Die sich am Schwingungskreis ausbildenden Schwingspannungen
ziehen dann den- Strahl oder die Strahlen entweder auf den einen oder auf den anderen
Bremsring; so daß nicht nur der Verschiebungsstrom, sondern auch der Konvektionsstrom
an der Schwingungserzeugung teilnimmt. Um für diesen Fäll ein Austreten von Elektronen
durch den Zwischenspalt zu verhindern, versieht man zweckmäßig einen der beiden
-Außenringe mit einer falzförmigen Uberlappung Ü in Abb. 3 und q., die über den
arideren Ring hinausgreift und den ganzen Elektrodenraum nach außen abschließt.
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Wenn man sich vor Augen hält, daß auf Grund der vorhergehenden Betrachtungen
der Konvektionsstrom, d. h. das Auftreffen von Strahlelektronen auf die eine oder
auf die andere Nutzelektrode, zur Schwingungsanfachung an sich nicht erforderlich
ist, sondern: daß sich schon mit dem Verschiebungstrom allein, den die an den; Nutzelektroden
vorbeigehenden Elektronen in diesen influenzieren, praktisch brauchbare Wirkungsgrade
erzielen lassen, wird die in Weiterverfolgung des Erfindungsprinzips entstandene
Anordnung nach Abb, 6 verständlich. Diese unterscheidet sich von den vorhergehenden
Elek tro`_nenstrahlgeneratoren dadurch, daß die konstante,- die Wurfparabel erzwingende
Gleichspannung von den die SchwingungsanfachüngbewirkendernHochfrequenzspannungen
getrennt ist, indem für beide Spannungen besondere Elektroden vorgesehen sind. Während-nämlich
die konstante Bremsspannung :R-o an dem einheitlichen Bremsblech P2 liegt, befinden
sich innerhalb des von dem Strahl umschlossenen Raumes zwei besondere Auskoppelelektroden
PP und P2", welche mit dem anzufachenden Resonanzsystem L-C in Verbindung stehen
und die hochfrequenten Nutzspannungen führen. Auch in dieser Röhre überlagern sich
die von P2 und P," ausgehenden Hochfrequenzfelder dem konstanten, zwischen P2 und
P1 entstehenden Bremsfeld, wobei es auf die Richtung, in welcher sich die Gleich-
und Wechselkomponenten der auf den Strahl einwirkenden Felder überlagern, nicht
ankommt, wenn nur die auf den steigenden und auf den fallenden Parabel-Zweig entfallenden
Wechselfelder gegenphasig wirken. Die in Abb.6 gezeigte Röhre arbeitet infolgedessen
grundsätzlich ebenso wie die vorher beschriebenen Röhren, weist jedoch in der Praxis
den Vorteil auf, daß man die unter Hochfrequenz stehenden Auskoppelelektroden sehr
viel kleiner bemessen kann als den mit Rücksicht auf den Elektronenstrahl zu dimensionierenden
Außenzylinder P2, und daß man wegen der kleineren Kapazitäten eine bessere Anpassung
des Außenkreises an den inneren Elektronenwiderstand erhält. Schließlich läßt sich
das durch Abb. 6 veranschaulichte Prinzip der getrennten Auskopplung mit der Auskopplung
durch die beiden Gegentaktbremselektroden kombinieren, was z. B. zu der in Abb,
7 gezeigten Röhre führt, die sich aus der Zusammenfassung von Abb. 3 und Abb. 6
ergibt. Damit die beiden Steuerfelder, die der Strahl auf dem steigenden und fallenden
Parabelzweig durchsetzt, ihre Gegenphasigkeit beibehalten, trifft man die Anordnung
am einfachsten so, daß man die nunmehr in Betracht kommenden vier Auskoppelelektroden,
nämlich die äußeren Bremsplatten oder Bremsringe P2 und P2' mit den beiden inneren
Auskoppelelektroden P2*" und P2"" auf die aus der Figur ersichtliche Weise über
Kreuz miteinander verbindet, so daß jeweils gegenphasige Wechselspannungen führende
Elektroden auf ein Auskoppelfeld entfalle;i. Um den verschiedenen Elektroden die
geeigneten Ruhespannungen zuführen zu können, d. h. um P2"' und F,""' auf
ein niedriges Potential und P2 und P2' auf das erforderliche Bremspotential Po bringen
zu können, sind die eingezeichneten Sperrkondensatoren C' und C" sowie die beiden
Drosselspulen D' und D" vorgesehen. Selbstverständlich läßt sich diese Methode
der dbppelten Gegensteuerung auch bei zwei einander entgegenlaufenden Strahlen gemäß
Abb. ¢ anwenden, wie sie noch zahlreiche Schaltkombinationen zuiäßt, ohne daß von
dem geschilderten erfindungsgemäßen Verfahren grundsätzlich abgegangen wird.
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Wenn man zur Anfachung sehr hoher Frequenzen übergeht, kann es unter
Umständer vorteilhaft sein, mehrere Steuerfelder über die ganze Wurfparabel zu verteilen.
Das führt zu der in Abb. 8 gezeigten Anordnung, bei welcher die Oberplatte P'2 statt
wie bisher in zwei in vier Teilplatten P2'-P2"" zerlegt ist. d Der Forderung nach
Gegenphasigkeit nebeneinanderliegender Steuerfelder entsprechend, sind diese vier
Platten oder Ringe abwechselnd zu zwei Elektrodenpaaren zusainmengeschlossen, die
in der beschriebenen Weise mit dem anzufachenden Resonanzkreis L-C verbunden sind
und über diesen die Ruhespannung Po zugeführt erhalten. Es sei betont, daß sich
das durch Abb,8 veranschaulichte Prinzip er mehrfachen Unterteilurig
natürlich
nicht auf vier Felder beschränkt und daß es sich ebenso auf alle vorbeschriebenen
Generatoren, insbesondere auch auf die getrennten Auskoppelelektroden der Abb: 6;'anwenden
läßt. -Im Rahmen der vorstehenden Au'sführungen dürfte es sich erübrigen, auf weitere
Ausgestaltungen, und Anwendungen des Erfindungsprinzips einzugehen, wie z. B. auf
die zweckmäßige Ausbildung der angefachten Resonanzsysteme, die z. B-. mit den Außenringen
als organisches Ganzes zu zylinder-oder kugelförmigen Resonanzhohlkörpern vereinigt
werden können sowie auf eine frQquenzstabile Amplitudenmodulation, die etwa nach
dem Prinzip der Dichtesteuerung von Elektronenstrahlen vermittels eines die. Glühkathode
umschließenden Gitters durchgeführt werden kann, weil alle diese Methoden und Anordnungen
grundsätzlich von anderen Röhren und Sendern her bekannt sind.