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Elektronenröhrenänordnung zum Anfachen von ultrahochfrequenten elektromagnetischen
Schwingungen Die Erfindung betrifft Elektronenröhrenanordnungen zum Anfachen (Erzeugen.
Vers u ärken, Empfangen) b von ultrahoclifr-equenten elektromagnetischen'Schwingungen,
bei denen ein von elektrisch leitender. Flächen praktisch allseitig begrenzter Hohlraum
(Hohlraumresonator) als Resonator verwendet wird, der die Elektronenströmung umgibt.
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Derartige Elektronenröhrenanordnungen sind bereits vorgeschlagen worden.
Die den Hohlraumresonator begrenzenden -,%Zetallflächen, die beispielsweise aus
einem Außenleiter und einem von diesem umschlossenen auf von dem Außenleiter unterschiedlichem
Gleichpotential befindlichen Innenleiter bestehen, sind bei diesen Anordnungen an
ihren Enden nicht galvanisch miteinander verbunden. Zur Herabsetzung von Verluststrahlung
hat man bei den erwähnten vorgeschlagenen Anordnungen die Enden der verschiedenes
Gleichpotential führenden Leiterflächen der Resonatoren durch Kurzschlußkondensatoren
hochfreduenzmäßig miteinander verbunden, wobei einer dieser Kurzschlußkondensatoren
in zweckmäßiger Weise als eine zu einem Verbraucher führende Energieleitung, z.
B. als eine konzentrische Energieleitung von geringem Wellenwiderstand, ausgebildet
wird.
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Die Elektronenröhrenanordnung nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
daß innerhalb eines zur Begrenzung des Hohlraumresonators dienenden Hohlkörpers
ein von dessen Warndungen gleichstrommäßig isolierter, flä chenförrniger, als Elektrode
dienender Metallkörper vorgesehen ist, der einerseits zusammen mit Teilen des Hohlkörpers
zur Begrenzung des Hohlraumresonators dient und andererseits mit anderen Teilen
der Flächen des Hohlkörpers einen Kondensator bzw. eine Energieleitung (vorzugsweise
eine Kurzschlußkapazität) bildet.
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Ausgenommen vom Erfindungsgegenstand sind Magnetronröhren mit Spaltanode,
bei denen gemäß einem älteren Vorschlage die Anodensegmente zu einem Resonator verlängert
sind und der Resonator von einem vorzugsweise zylindrischen, leitenden Metallkörper
zur @% ermeidung von Streustrahlung allseitig umschlossen ist.
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Die erfindungsgemäßen Elelctronenröhrenanordnungen
zeichnen
sich in verschiedener Hinsicht aus. So kann der Potentialunterschied zwischen den
den Hohlkörper begrenzenden Metallflächen nunmehr beliebig klein gehalten werden.
Für den Fall, daß eine arI-die Leiterflächen des Hohlkörpers anschlie ßende Energieleitung
vorgesehen wird, ist darin insofern ein Vorteil zu sehen, als die gleichstrommäßige
Isolation der Leiter der Energieleitung in Fortfall kommen kann. Die Metallflächen
des Hohlkörpers können galvanisch miteinander verbunden werden, was in wärmetechnischer
Hinsicht, nämlich für die Ableitung der im Innern der Röhrenanordnung in Wärme umgewandelten
Verlustleistung, von Bedeutung ist. Schließlich ist noch darauf hinzuweisen, daß
durch die flächenhafte Ausbildung des als Elektrode dienenden Metallkörpers und
durch die besondere Anordnung dieses Metallkörpers im Innern des Hohlkörpers erreicht
wird, daß der ultrahochfrequente Schlvingwecliselstrom ausschließlich über hochfrequenzmäßig
geschlossene Metallflächen (unter Vermeidung von Drahtleitungen) fließen kann.
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Der flächenhafte, als Elektrode dienende Metallkörper, der im folgenden
kurz auch als umschlossene Elektrode bezeichnet wird, kann eben oder zylindrisch
ausgebildet werden. Er kann innerhalb des zur Begrenzung des Hohlraumresonators
dienenden Hohlkörpers so angeordnet werden, -daß er mit seinen Schmalseiten dicht
an die Wand des Hohlkörpers heranreicht und den von dem Hohlkörper begrenzten Raum
in Teilräume zerlegt, die durch Spalte miteinander gekoppelt sind. Beispielsweise
kann, wie es bei bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung der Fall ist, der
Hohlkörper von einem zylindersymmetrischen Lechersystem und die umschlossene Elektrode
in Gestalt eines Hohlzylinders ausgebildet werden. Wird der Hohlraumresonator dann
in seinem mittleren Teil angefacht, so bilden sich dort ein Spannungsbauch und an
seinen Stirnflächen Spannungsknoten aus. Es fallen die zwischen den Stirnflächen
des Hohlkörpers und der umschlossenen Elektrode gebildeten Spalte mit den Schwingungsknoten
zusammen. In der Nähe dieser Knotenlinien werden vorteilhaft Isolatoren zur Befestigung
sowie die Stromzuführung zu der umschlossenen Elektrode angeordnet.
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Die von dem zur Begrenzung des Hohlraumresonators dienenden Hohlkörper
umschlossene Elektrode kann ferner auch aus mehreren Teilen bestehen, die gegeneinander
isoliert sind und beispielsweise verschiedene Gleichspannung erhalten können. Zur
Anfachung der erfindungsgemäßen Elektronenröhrenanordnung kann irgendeine der bekannten
Schaltungen angewendet werden. Soll beispielsweise die Elektronenröhrenanordnung
in der Bremsfeldschaltung betrieben werden, so wird zweckmäßig die Einrichtung so
getroffen, daß die umschlossene Elektrode die auf negativem Potential befindliche
Bremselektrode darstellt.
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Um eine Verbesserung der Durchsteuerung der in -den Raum zwischen
Gitter und Bremselektrode eintretenden Elektronen zu erhalten, können z. B. .in
Verbindung mit der Bremselektrode noch zusätzliche Steuermittel vorgesehen werden,
die in dem Raum zwischen Kathode und Gitter eine Steuerung der Emission hervorrufen.
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In den Abb. i bis 3 sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt,
die zur weiteren Erläuterung der Erfindung dienen mögen.
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Die Abb. i zeigt eine sogenannte Flaschenröhre. Zur Anfachung kommt
ein ?./q.-Resonator, der im wesentlichen aus dem flaschenförmigen Metallbehälter
i als Außenleiter und einem in den Flaschenhals hineinragenden Zylinder 2 als Innenleiter
besteht. Der Innenleiter ist hohl ausgebildet, weist am Ende ein Gitter 3 und im
Innern desselben eine Haarnadelkathode q. auf. Letztere ist durch einen Isolierkörper
5 an dem Ende des Innenleiters 2 befestigt. Die beiden Heizzuleitungen 6, 6' sind
isoliert durch den Innenleiter 2 geführt. Die zwei Metallringe ; , 7', durch die
die Heizleitungen. ebenfalls isoliert hindurchgeführt sind, begrenzen im Innern
der Gitterelektrode und des hohlen Innenleiters Räume, die gegenüber dem zur Anfachung
gelangenden Resonanzraum verstimmt sind.
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Innerhalb des flaschenförmigen Außenleiters i befindet sich gemäß
der Erfindung eine als Hohlzylinder ausgebildete Elektrode 8, die durch Isolierkörper
9 an den Stirnflächen innerhalb des flaschenförmigen. Außenleiters abgestützt ist.
An der Stelle io erhält der flaschenförmige Außenleiter eine Glasmetallverschmelzung
als Einführung für die Zuleitung i i. Der Innenleiter bildet mit dem Flaschenhals
1z eine konzentrische Energieleitung der Länge 7./4. Der Innenleiter geht am rechten
Ende der Energieleitung in die Antenne 13, der Außenleiter in die als Gegengewicht
dienende Platte 1:I über.
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Um die Strahlleistung von den Heizstromzuführungen fernzuhalten, ist
auf die verlängerte Antenne 13 eine Hülse 15 aufgeschoben. Das rechte Ende
der Hülse ist mit dem rechten Ende der Antenne galvanisch verbunden, das linke Ende
der Hülse weist eine Platte 1d." als Gegengewicht auf. Die Antenne 13 bildet zusammen
mit der Hülse 15 einen auf die in der Röhre angefachte
Schwingung
abgestimmten Resonator, der nur über das zwischen den beiden Scheiben 14 und 14a
gelegene Stück der Antenne Strahlung in radialer Richtung aussendet. Die Scheiben
14 und 14" dienen zur kapazitiven Überleitung des hochfrequenten Wechselstromes
im Außenleiter z2 der Energieleitung. Das rechte Ende der hohl ausgebildeten Antenne
ist mit einem Glasstutzen ioa versehen, durch den. die Heizstromleitungen 6 und
6' vakuumdicht geführt sind. Um die Röhre vakuumdicht abzuschließen, erhält auch
das rechte Ende der Energieleitung eine Glasmetallverschmelzung Iob- Ein besorndere&
Vakuumgefäß ist dann nicht mehr erforderlich. Um die Röhre auf Hochvakuum auszupumpen,
kann beispielsweise der Glasstutzen ioa mit einer Pumpleitung verbunden werden.
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Die Wirkungsweise -der beschriebenen Anordnung ist folgende: Erhält
der Innenleiter eine hohe positive Spannung und die isoliert angeordnete Elektrode
8 eine geeignete schwach positive oder negative Spannung, so kann bei entsprechender
Heizung der Glühkathode 4 der aus Innen- und Außenleiter bestehende A/4-Resonator
zu Schwingungen angefacht werden. An dem Flaschenhals der Röhre bildet sich ein
Schwingungsknoten, zwischen dem Boden und dem Ende des Innenleiters bildet sich
ein Spannungsbauch aus.
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In dem .dargestellten Fall braucht dem Behälter i und damit auch dem
Außenleiter 12 der Energieleitung keine besondere Gleichspannung erteilt zu werden.
Vorfeilhaft kann man an einer geeigneten Stelle, z. B. an der Knotenstelle 16, zu
Beginn des Flaschenhalses eine galvanische Verbindung zwischen dem Innen- und dem
Außenleiter anbringen. Die beiden Leiter der Energieleitung sind dann auf demselben
Gleichpotential.
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Noch vorteilhaftere Ausführungsformen .der Erfindung zeigen die Abb.
2 a bzw. 2 b und (die Abb. 3. Hier wird zur Anfachung ein Resonator der Länge @/2
benutzt. In dem Beispiel der Abb. 2a sind mit 17 und 18 zwei konzentrische Zylinder
bezeichnet, die zusammen mit den Endflächen ig, 2o einen torusförmigen Hohlraum
begrenzen. Der mittlere Teil des als Hohlzylinder ausgebildeten Innenzylinders ist
durch eine Gitterelektrode 21 ersetzt, die aus zur Zylinderachse parallelen Drähten
aus Wolfram oder Molybdän besteht. Im Innern dieser Gitterelektrode ist wiederum
eine Haarnadelkathode 22 untergebracht, deren Heizzuleitungen 23 isoliert durch
den Isolierkörper 24 geführt sind. Der Innenzylinder 17 erhält auf der linken Seite
einen Glasstutzern 25, durch den die Heizleitungen vakuumdicht durchgeführt sind.
Die beiden Metallringe 26, 26' dienen wieder zur Verstimmung des die Kathode enthaltenden
Hohlraumes innerhalb des Gitters 21 bzw. zur Bildung weiterer verstimmter Räume
innerhalb des Innenleiters 17.
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Die Haarnadelkathode 2-2 erhält durch die Schraubenfeder 28 eine geeignete
Fadenspannung. Die Schraubenfeder ist innerhalb des Isolierkörpers 27 untergebracht
und mit ihrem rechten Ende an dem Isolierkörper befestigt. Sie greift mit dem linken
Ende über den Zugdraht 29 und den Haken 3o an der Haarna,delkathode an. Die Schraubenfeder
ist in relativ großer Entfernung von der Glühltathode und dem sich bei der Anfachung
in Bremsfeldschaltung hoch erhitzenden Gitter untergebracht, um zu vermeiden, @daß
sie durch Erwärmung ihre Elastizität einbüßt.
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Der Innenzylinder 17 und der Außenzylinder i8 gehen am rechten Ende
in eine Energieleitung von der Länge ),/4 über. Der Innenleiter 31 wird durch .eine
2/4-Antenne 32 fortgesetzt, der Außenleiter 33 geht am rechten Ende in eine Metallplatte
34 über, die als Gegengewicht dient. Um einen Vakuumabschluß zu erhalten, ist über
die Antenne 32 ein kurzes Glasrohr 35 geschoben, das mit der Platte 34 verschmolzen
ist. Um eine Berührung von Innen- und Außenleiter 31, 33 der Energieleitung zu vermeiden,
ist der Außenleiter 33 vorteilhaft am rechten Ende und am Übergang in die Metallscheibe
34 mit einem dielektrischen Führungsring 40 z: B. aus Glas oder Glimmer versehen.
Bei Wärmeausdehnung des Innenleiters 17 bzw. des Gitters 21 kann sich der Innenleiter
in dieser Führung bewegen. Die durch die Wärmeausdehnung hervorgerufene Abstimmungsänderung
der Antenne kann bei der Konstruktion der Röhre mitberücksichtigt werden.
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Im Innern des zwischen den beiden Leitern 17 und 18 gebildeten torusförmigen
Hohlraumes befindet sich gemäß der Erfindung die als Hohlzylinder ausgebildete,
allseitig umschlossene Elektrode 36. Diese ist an den Stirnflächen -des zylindrischen
Raumes durch Isolatoren 37 abgestützt. An der linken. Stirnfläche i9 ist. eine Glasverschmelzung
38 vorgesehen, durch die die Stromzuleitung 39 zu der umschlossenen Elektrode
30 geführt ist.
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Der durch die Zylinder 17, 18 und die Stirnflächen i9 und 2o umschlossene
torusförmige Hohlraum wird von der hohlzylindrischen Elektrode 36 für zwei Teilräume
a und b zerlegt, die an den Stirnseiten ig und 2o durch. ringförmige Spalte miteinander
kommunizieren.
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Der Außendurchmesser der zylinderförmigen
Elektrode
3ti ist nur wenig kleiner als der Innendurchmesser des äußeren Mantels t8 gewählt.
Der Teilraum b erhält dadurch im Vergleich zu dem Teilraum a. einen kleinen Wellenwiderstand.
Wesentlich frequenzbestimmenrd ist daher nur der Teilraum a. der den eigentlichere
Resonatorhohlraum darstellt, während h die Kurzschlußkapazitä t für die L'berleitung
des Hochfrequenzstronies von der Innenfläche von 36 auf die Stirnflächen i g und
2o bildet.
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Bei Erregung des Resonatorhohlraumes ca in der Grundschwingung bilden
sich in dein mittleren Teil, an der Stelle des Gitters 2i, ein Spannungsbauch und
an den Enden des zylindrischen Resonatorhohlraumes Spannungsknoten aus. Die lichte
Weite zwischen den Platten ig und -2o stimmt dann ziemlich genau mit der halben
Wellenlänge der angefachten Schwingung überein. Die zur Abstützung der Elektrode
36 vorgesehenen Isolatoren 3; sowie die Spannungszuführung 3g liegen demnach in
der Nähe eines Spanungsknotens der Schwingung, wodurch die elektrische und Ableitungsverluste
vermieden sind.
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Aus dein Schnitt A-A der Abb. 2b ist die Abstützung der umschlossenen
Elektrode» innerhalb des durch die Zylinder 1; und 18 und deren Stirnflächen ig
und 20 gebildeten tortisförmigen Hohlraumes zu erkennen. Die umschlossene Elektrode
36 weist an mehreren Stellen Einfräsungen auf, in welche die Isolatoren 3; teilweise
eingelassen sind. Die umschlossene Elektrode kann auf diese Weise ihre Lage weder
in axialer noch in radialer Richtung ändern.
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Bei der in Abb. 3 dargestellten Röhre ist der Durchmesser der umschlossenen
Elektrode 36 so gewählt, daß zwei konzentrische zylindrische Resonanzräume a, b
von annähernd gleichem Wellenwiderstand entstehen, die in Spannungsknoten an den
Stirnseiten des Lechersvstems miteinander koniinunizieren. Die Röhre weist ferner
zusätzliche Steuerelektroden 42 innerhalb des Gitterkathodenraumes auf, die mit
der umschlossenen Elektrode 36 galvanisch verbunden sind. Die an dem mittleren,
Teil der als Bremselektrode dienenden umschlossenen Elektrode 36 auftretenden Steuerspannungen
rufen dann in dem Gitterkatliodenrauni eine zusätzliche Steuerung der Elektronenströinung
hervor. Hierbei ist darauf zu achten. daß die dein Gitterkathodenrattm zugeführten
Steuerwechselspannungen phasenrichtig sind.
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Elektronenröhren mit den erfindungsgemäßen Merkmalen -zeigen. eine
Reihe von Vorteilen: Da der Resonator aus einem Hohlraum besteht, der durch metallische
Wandungen allseitig begrenzt ist, so kann, keine Verluststrahlung austreten. Die
Ableitung von Schwingungsenergie über die Spannungszuleitung der allseitig umschlossenen
Elektrode ist durch die Verlegung der Durchführungsstelle in dem Außenleiter bzw.
des Anschlusses an die umschlossene Elektrode in einen Spannungsknoten der Schwingung
praktisch zu Null gemacht. Auch die Ableitung von Schwingungsenergie über dic# Heizzuleitungen
ist vermieden. Die Kathode ist in einem Raum untergebracht. der gegenüber dein Resonanzraum
stark verstimmt ist. Die über die Gitterlücken vorhandene Kopplung des Resonanzraumes
mit dein Kathodenraurn ruft dort nur sehr geringe Spannungsamplituden hervor, so
daß auch der Heizdraht nur geringe Wechselspannungen führet kann. Durch die bifilare
Anordnung der Glühkathode und durch die Verwendung mehrerer Abschirmplatten
20, :7', die innerhalb des hohlen Innenleiters 1; Räume abschließen, die
gegenüber dem zur Anfachung gelangenden Resonator stark verstimmt sind. ist die
Ableitung über die Heizleitung zti Null gemacht.
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Weiterhin kann durch die Bemessung der Energieleitung, die mit relativ
kleinem Wellenwiderstand ausgeführt wird, die günstigste Anpassung des Strahlers
an die Röhre erzielt werden. Wegen des kleinen Wellenwiderstandes der Energieleitung
treten an der Übergangsstelle von. Energieleitung und Antenne nur geringe Spannungen
auf, in der Röhre dagegen an den Stellen der eingefügten Elektroden hohe Steuerspannungen.
Die letzteren sind für den guten Wirkungsgrad der Röhre maßgebend. Ferner fallen
bei den erfindungsgemäßen Röhren die Isolationsschwierigkeiten in der Energieleitung
fort. Die sich nahe gegenüberstehenden Wandungen der Energieleitung erhalten keine
holte Gleichspannung gegeneinander.
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I-in besonderes Vakuumgefäß kann bei den erlindungsgemäßen Röhren
ebenfalls in Fortfall kommen, da der Hohlkörper bzw. dessen Außenleiter selbst das
Vakuumgefäß bildet. Da die mit den Elektroden verbundenen Wandungen der Röhre mit
dem Außenraum in Verbindung stehen, ergibt sich ferner eine bessere Kühlung. Die
Kühlung der Rölire wird noch dadurch verbessert, daß die sich im Betrieb hoch erhitzende
Elektrode (z. B. die Gitterelektrode bei Anregung der Röhre in Bremsfeldschaltung
) mit dein äußeren Mantel leitend verbunden ist. -Matt wird in diesem Fall für die
Gitterstäbe ein bei hoher "Temperatur schmelzendes Metall, z. B. Wolfram oder llolvbdiin,
und für die übrigen Wairdteile des Hohlraumes nicht ferromagnetische Metalle von
guter Wärmeleitfähigkeit, z. B. Kupfer oder Silber. wählen.