-
Einrichtung zur Erzeugung oder Verstärkung ultrahochfrequenter elektrischer
Schwingungen durch Auskopplung von Elektronenenergie aus diskreten Elektronenpaketen
Die Erfindung bezieht sich auf Geräte zur Erzeugung oder Verstärkung von Ultrakurzwellen
durch Auskopplung der in einem Elektronenstrahl hoher Geschwindigkeit und zeitlich
veränderlicherDichteenthaltenenEnergie, und insbesondere auf die Ausgestaltung des
Auskoppelraumes, in dem die kinetische Energie der Elektronen durch Influenzwirkung
auf die Platten eines Kondensators in Schwingungsenergie umgewandelt wird.
-
In neuerer Zeit sind Vorrichtungen bekanntgeworden, mit denen eine
Umwandlung der in einem Elektrolienstrahl veränderlicher Dichte enthaltenen Energie
in Sch-wingungsenergie erreicht werden kann. Diese Umwandlung findet durch Influenzwirkung
der einzelnen Elektronengruppen äuf die Kondensatorplatten eines Sch-wingungskreises
statt. Diese Kondensatorplatten werden hätifig mit der Selbstinduktion des Schwingungskreises
zu einem sogenannten Hohlkreis vereinigt, der z. B. als Toroid ausgebildet ist,
welches auf seinem inneren Umfang geschlitzt und mit zwei einander gegenüberstehenden
Gittern verbunden ist. Zur Vereinfachung wird im folgenden eine Auskoppelvorrichtung
betrachtet, die lediglich aus zwei einander gegenüberstehenden Gittern besteht,
die über eine S elbstinduktion miteinander verbunden sind. Zum Betrieb dieser
Anordnung werden auf hier nicht zu erörternde Weise scharf gebündelte Elektronenpakete
erzeugt, welche die beiden Gitter im Rhythmus einer Frequenzw durchsetzen und hierbei
ihre kinetische Energie mehr oder minder vollständig an den auf diese Frequenz abgestimmten
Schwingungskreis abgeben, worauf sie von einer hinter dem zweiten Gitter liegenden
Auffangelektrode aufgenommen werden. Bezüglich des Vorgangeg der Energieauskopplung
sind zwei Verfahren zu unterscheiden. Nach dem einen ist der Abstand der beiden
Gitter klein gegenüber der Weglänge
der Elektronen während einer
halben Schwingungsperiode, und die Länge bzw. Dicke des Elektronenpaketes etwa von
der -Größenordnung des Gitterabstandes. Der beim Passieren eines Elektronenpaketes.
durch den Auskoppelraum in dein Schwingungskreis fließende Strom besitzt keine Sinusform,
sondern vielmehr die Form eines, verglichen mit der Schwingungsperiode, kurzen Impulses.
Infolgedessen ist die in dem Schwingungskreis erzeugte Schwingung reich an Oberwellen,
insbesondere dann, wenn der Schwingung kreis eine größere Dämpfung besitzt
, 's oder durch Koppelglieder belastet ist. Bei dieser Anordnung ist daher
der Wirkungsgrad der Anordnung nicht sehr gut, da im allgemeinen nur die Grundwelle
in Schwingungskreise verwertet werden kann, während dieOberwellen durchUmwandlung
inWärnie verlorengehen.
-
Nach einem anderen 'Verfahren ist die Länge eines einzelnen Elektronenpaketes
kurz verglichen mit der des Auskoppelrauiries, d.ii. des Gitterabstandes, und die
Verweilzeit d2r Elektronen in dem Auskoppelraum beträgt etwa eine halbe Schwingungsperiode.
Auch hierbei besitzt der abgegebene Influenzstrom el keinen sinusförmigen Verlauf,
was sich aus folgender Befraclitung ergibt. Beim Eintritt der Elektronen in den
Raum zwisch#ii den beiden Gittern entsteht ein hoher Stromstoß in dem Schwingungskreis,
da die Geschwindigkeit der Elektronen noch den vollen Wert besitzt. _IMit weiteremFortschreiten
desElektronenpaketes gegen das zweite Gitter nimmt die Geschwindigkeit der Elektronen
durch die im Ausgangskreis erzeugte Gegenspannung und entsprechend der Influenzstrom
immer mehr ab. Es ergibt sich daher ein etwa sägezahnförmiger Stromverlauf. Auch
bei diesem Verfahren müssen somit zahlreiche Oberschwingungen entstehen.
-
Die vorliegende Erfindung setzt es sich zur Aufgabe, eine nach dem
zweiten Verfahren arbeitende Elektrodenanordnung anzugeben, mit der ein nahezu rein
sinusförmiger Influeiizstrom in dem Schwingungskreis erlialten werden kann. Bei
der genaueren Betrachtung wird sich ergeben, daß die Lösung verschieden ausfallen
muß, je nachdem die Elektronen nur einen Bruchteil ihrer Geschwindigkeit
oder ihre Gesamtgeschwindigkeit im Auskoppelraum einbüßen.
-
Gemäß der Erfindung werden die beiden denAuskoppelraum begrenzenden
Elektroden so ausgestaltet, daß die elektrostatische Feldstärke am Ort des Eintritts
und Austritts der Elekronen etwa Null ist und an einer Stelle des Auskoppelraumes,
an der die Elektronen etwa 1/2 bis '-o,7,9 der Länge des Raumes zurückgelegt haben,
ein Maximum hat. Zur Erläuterung der Erfindung wird auf die Fig. i bis
7 Bezug genommen, von denen 23 Fig. i eine Vorrichtung mit ebenem
Hohlraum, Fi-. 2 ein Diagramm des Stromverlaufs bei parallelen und ebenen Auskoppelelektroden,
Fig. 3 ein solches bei sinusförtniger Wechselspannung, Fig. 4 ein Diagrainni
zur Darstellung des theoretischen Potentialgradienten, die Fig. 5 und
7 Ausführungsbeispiele für Elektrodenkonfigurationen gemäß der Erfindung
und Fig. 6 ein Diagranim der Festlegung eines Feldstärkemaximums darstellt.
-
In Fig. i sei durch i und 2 die Lage der beiden gitterförmigen Kondensatoi
platten des Auskoppelraumes bei der bekannten Anordnun- angedeutet. Das Gitter i
sei a7if Erdpotential gelegt, das Gitter2 über einen Widerstand 3 mit der
Elektrode i verbunden. In deniAugenblick, wo das Elektronenpaket von links her kommend
das Gitter i durchsetzt, fließt in dem Widerstand 3 des Gitters 2 ein Strom,
welcher der Geschwindigkeit des Elektronenpaketes proportional ist. Gleichzeitig
entsteht eine Gegenspannung durch den Spannungsabfall an dem Widerstand, durch die
die Geschwindigkeit der Elektronengruppe verlangsamt wird. Der Stromverlauf in dein
Widerstand der Zuführung kann daher etwa durch die Kurve in Fig. 2 dargestellt werden.
t' el Hier ist in der Ordinate der Strom, in der Abszisse die Zeit aufgetragen.
E-rsetzt man jetzt den Widerstand durch einen Schwingungskreis, der bereits zu einer
gewissen Eigenamplitude erregt sei und eine geringe Eigendämpfung habe, so erhält
der Stromverlauf etwa die Gestalt der Fig. 3. Die Form dieser Kurve entspricht
etwa einer Cosinusfunktion. Man erkennt, daß es unter gewissen Voraussetzungen,
d.Ii. genügend Ber Amplitude der Wccliselspannun-, niö,-lieh ist, die Elektronen
nach Durchlaufen des Auskoppelraumes bis auf die Geschwindigkeit Null abzubremsen.
Dieser Überlegung ist wie. im folgenden zugrunde gelegt, (laß sich die sinusförmige
Wechselspannung in solcher Phase zu den Elektronenpaketen befindet, daß das Potential
der Elektrode2 beim DurchgangdesElektronenpaketes durch dasGitteri gerade Null ist,
bei weiterem Fortschreiten der Elektronen zu negativen Werten durchschwinIgt und
bei Ankunft der Elektronen an dem Gitter2 wieder Null wird.
-
Auch bei einem Stromverlauf gemäß der Fig. 3 kann also kein
sinusförmiger Influenzstroni erhalten und daher in einem gedämpften Schwingungskreis
keine rein sinusförmige Wechselspannung erzeugt werden. Es entstehen vielmehr außer
der Grundschwingung zahireiche Oberwellen, die im allgemeinen nicht verwertet werden
können und den gesaintenWirkungsgrad derArilagge lierabset7,uii.
Nun
gilt für den von einem Elektronenpaket geringer Dicke und der Ladung 2 abgegebenen
Influenzstrom die Beziehung
wobei grad U, die Feldstärke in dem Auskoppelraum bei Anlegen der konstanten
Spannung U = i an die Auskoppelclektrode:2 ist. (Näheres hierüber flehe Zeitschrift
Proc. of IRE., 193 9, Hef t 9, S - 5 8 4, 5 8 5). Bei der weiteren
Überlegung wird von Dimensionsfaktoren abgesehen, da es lediglich darauf ankommt,
einen qualitativen Verlauf der Feldstärke grad U zu finden. Es -ergibt sich
nämlich aus der obigen Formel, daß es möglich sein muß, durch geeignete Elektrodenausbildung
eine solche Feldstärke grad U, zu erzeugen, daß der Influenzstrom sinusförmig
wird. Eine einfache Überlegung zeigt bereits, daß bei sinusförmiger Wechselspannung
der grad U, in der Nähe der Elektrode i verschwinden muß, damit die im homogenen
Feld vorhandene-Stromspitze bei 4 (s. Fig. 3) verschwindet und daß ferner
die Feldstärke in der Nähe der Elektrode:2 erhöht werden muß, um das starke Absinken
des Stromes in einem Bereich 5 (s. ebenfalls Fig. 3) zu vermeiden.
Für die folgende Rechnung wird die Annahme zugrunde gelegt, daß die Elektronen mit
der Geschwindigkeit Vo von links her kommend in den Auskoppelraum eintreten und
durch die Bremsspannung der Elektrode 2 bis auf die Geschwindigkeit von nahezu i\-'ull
verzögert werden. Es handelt sich hier um eine spezielle Annahme, für die sich eine
ganz bestimmte Feldausbildung ergeben wird. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese
Annahme beschränkt.
-
Die genauere Festlegung des Potentialgradienten ergibt sich durch
Berücksichtigen der elektrodynamischen Grundgleichung.
Auf der rechten Seite dieser Gleichung ist die sonst angegebene Feldstärke aufgespalten
in die statische Feldstärke des Einspotentials grad U(" also eine nur von der Elektrodenform
abhängige Größe, den zeitabhängigen Teil sin a)t und die Wechselspannungsamplitude
-der Auskoppelelektrode U. Setzt man in diese Gleichung den aus Gleichung
(i) entnommenen Wert grad U, ein, so erhält man unter Berücksichtigung, daß
für die linke Seite der Gleichung (i) gelten 'soll: j = j, - sin (o
t, die folgende Differenzialgleichung x . x = A
- sin' cot. Die Lösung dieser Differentialgleichung ist zwar umständlich, jedoch
möglich. Das Er-,gebnis hängt natürlich von der Wahl der Grenzbedingungen ab. Die
Grenzbedingungen sind einmal die Geschwindigkeit der Elektronen am Ende des Laufraums,
also beim Auftreffen auf die zweite Elektrode, und die Eintrittsgeschwindigkeit
der Elektronen. Beim Durchrechnen einer Näherungslösung ergab sich, daß bei der
Feldstärkeverteilung ein Maximum an der Stelle 0,78 d liegen muß, wobei d
die Länge des Laufraums längs der Elektronenbahn ist. Die Feldstärke verschwindet
außerdem am Anfang des. Laufraums und am Ende desselben. Bei dieser Feldstärkeverteilung
treffen die Elektronen auf die zweite Elektrode mit der Geschwindigkeit von nahezu
Null auf. In Fig. 4 wird eine qualitative Kurvendarstellung dieses Verlaufs gegeben.
-
Fig. 5 zeigt eine beispielsweise Ausführungsform eines Auskoppelratimes,
dessen Feldstärkenverteilung ungefähr der obigen Funktion genügt. Die Elektroden
6 und ;7 dieses Auskoppelraumes sind kegelstumpfförmig ausgestaltet und an
dem engeren Ende mit einem Netz bedeckt, welches den Eintritt bzw. Austritt der
Elektronen ermöglicht. Die Erzeugende des Kegels 7 ist zweckmäßig eine Hyperbel,
während die des ersteren, 6, etwa eine Gerade ist. Der Schnittpunkt der beiden
erzeugenden Kurven liegt etwa an der Stelle, wo sich das Maximum der Feldstärke
be-
finden soll. Durch die hyperbolische Form des zweiten Kegels wird erreicht,
daß die Feldstärke für die auf der Achse der beiden Kegel entlang laufenden- Elektronen
vor der Elektrode 7, der eigentlichen Auskoppelelektrode, rascher abnimmt
als vor der Elektrode 6, wie dies die obige Funktion verlangt.
-
Es sei bemerkt, daß die Erfindung nicht auf die angegebene Elektrodenform
beschränkt ist; es ist vielmehr möglich, die vorgeschriebene Potentialverteilung
auch mit anders geiormten Elektroden zu erreichen, beispielsweise mit zylindrischen
Elektroden verschiedener Länge, die an den für den Eintritt und Austritt der Elektronen
vorgesehenen Enden mit einem -Netz abgedeckt sind. Wenn man hinge,-en von der Annahme
ausgeht, daß die Elektronen im Auskoppelraum nicht bis zur Geschwindigkeit o abgebremst
werden, so ergibt sich, daß sich das Maximum der Feldstärke mit geringer werdendem
Geschwindikeitsverlust der Elektronen mehr und mehr zur Mitte des Auskoppelraumes
verschiebt. In Fig% 6 wird ein Kurvendiagramm angegeben, aus dem die Lage
des Ma:#zimums in Abhängigkeit von dem Verzögerungsfaktor f
aufgetragen ist.
Bei f = i, d. h. Geschwin-
Weiterhin ist es möglich, eine Elektrodenanordnung
nach den obigen
Gesichtspunkten e k>
anzugeben, bei der nicht nur während der negativen, sondern
auch während der positiven Periode der Wechselspannung ein Influenzstroni abgenommen
wird. Zudem Zweck wird von einer bekannten Anordnung ausgegangen, bei der zwischen
zwei auf Erdpotential liegenden Elektroden eine durchlässige. einen feldfreienRatim
entlialtendeAuskoppelelektrode angeordnet ist. Gemäß der weiteren Erfindung werden
nun in dem zwischen der Auskoppelelektrode und den beiden geerdeten Elektroden gebildetenRaum
durchAusgestaltun,- der Elektroden nach den obigen Gesichtspunkten solche Feldverteilungen
erzielt, daß in jeder Halbperiode der Spannung ein sintisförmiger, mit der Spannung
in Phase befindlicher Strom entnommen werden kann. Insbesondere ist es zweckmäßig,
den Geschwindigkeitsverlust der Elektronen in dem ersten Auskoppelraum so einzustellen,
daß die Geschwindigkeit der Elektronen beim Verlassen dieses Raumes den Wert
und beim Verlassen des zweiten, von dem ersteren durch ein Gitter getrennten Auskoppelraumes
den Werto besitzt. Es ergibt sich hierbei eine Elektrodenkonfiguration nach Fig.
7. Die Anordnung besteht aus einer Zylinderelektrode 8, die an dem
einen Ende eine mit dein Netz i i bedeckte Öffnung aufweist, ferner aus der Auskoppelelektrode
9, die aus zwei verschieden weiten Zylindern 12 und 13 zusaminengesetzt
ist, zwischen dein ein Netz 14 liegt, sowie schließlich der Elektrode io, die mit
der Elektrode 8 zusammen auf Erdpotential liegt. Die Elektrode io besitzt
Zylinderel form, ist zweckmäßig andern der Elektrode 9
zugekehrten Ende mit
einer Blende 15 versehen und an dem anderen Ende geschlossen. Der zweiteAuskoppelraum
zeigteine wesentlich geringere Länge als der erste, da die Elektronen in diesem
kaum wesentlich langsamer sind als im ersten und somit während einer halben Periode
einen kürzeren Weg zurücklegen. ladungsbahn erstrecken und über einen Schwingungskreis
miteinander verbunden sind, dessen Schwingungsdauer gleich der doppelten Laufzeit
der Elektronen durch den Laufraum ist, dadurch gelzeiiii7eiclinet, daß die Feldverteilung
zwischen den beiden Elektroden längs der Elektronenbalin so ausgebildet ist, daß
der bei der -\I)bremsung der Elektronen durch das elektrische Wechselfeld zwischen
den bei-(len Elektroden erzeugte Influenzstrom im wesentlichen rein sinusförmig
verläuft.
-
;-. Vorrichtung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß
die beiden Elektroden als Kegelstümpfe ausgebildet sind, (lie ihre weiteren Öffnungen-eLnander
züikehren und deren engere üffoungen nut je einem Netz abgedecht sind.
-
3. Vorrichtung nach Anspruch i, da-ZD durch gekennzeichnet,
daß die erzeugende Linie des weiter von der Kathode entfernten Kegels eine Hyperbel
ist.
-
4. Vorrichtung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden
Elektroden als Zylinder ausgebildet sind, deren Längen sich verhalten wie
6,5 und 3,5-
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche
zur Entnahme von sinusförmigen Influenzströmen in beiden Halbwellen der Wechselspannung,
dadurch gekennzeichnet, daß zwei Auskoppelräume hintereinander angeordnet werden,
die eine Elektrode gemeinsam haben und von je einer auf Erdpotential liegenden
Elektrode begrenzt werden.
-
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß der Feldstärkeverlauf im ersten Auskoppelraum derart ist, daß die Elektronen
in den zweiteu Auskoppelraum mit einer den Bruchteil
der ursprünglichen Geschwindigkeit betragenden Geschwindigkeit eintreten und daß
in diesem die Feldstärke so ausgebildet ist, daß die Elektronen bis nahezu Geschwindig1.zeit
o verzögert werden.