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Kathodenstrahlröhre zur Erzeugung von kurzen oder ultrakurzen Schwingungen
Die Erfindung betrifft eine Elektronenstrahlröhre zur Erzeugung elektrischer Schwingungen,
vorzugsweise von sehr hoher Frequenz.
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Es sind Elektronenstrahlröhren zur Schi ingungserzeugung bekannt,
bei: denen der Kathodenstrab@l durch elektrostatische Ablenkfelder zwischen zwei
von den Ablenkplatten entfernt liegenden Auffangelektroden hin und her gelenkt wird.
Die an den Auffangplatten erhaltene Energie wird einem Schwingungskreis zugeleitet.
Ein Teil. der Energie wird über Drahtleitungen, insbesondere Lecherleitungen, dien
Ablenkplatten zugeführt und dient dazu, die Schwingungen aufrechtzuerhalten. Weiter
sind Schwingungserzeuger bekannt, bei denen der Strahl nicht geradlinig auf die
Auffangelektrode gerichtet, sondern durch -ein Magnetfeld zu einer halbkreisfärmigen
Bahn umgebogen wird und auf zwei Anoden auftrifft, von denen eine durch eine Drahtleitung
mit einem nahe im Strahlerzeugungssystem liegenden Ablenksystem verbunden ist. Bei
Röhren, dieser Bauart besteht der Nachteil, daß die Verbindungsleitungen, Lechersysbeme
o. dgl., für sehr kurze Wellen schon einen beträchtlichen Wellenwiderstand bieten,
durch den sowohl eine Dämpfung der zu den Ablenkplatten fließenden Energie als auch,
was noch störender ist, eine Phasenverschiebung verursacht wird. @ Infolgedessen
kann bei sehr kurzen Wellen eine Schwingungsanfachung nichtmehr erzielt werden.
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Gemäß der Erfindung wird der Abstand zwischen den Ablenkplatten und
den Anoden auf das Beringst mögliche Maß vermindert, ohne daß damit die Strahllänge
und die Ablenkempfindlichkeit verringert wird. Dies wird erfindungsgemäß dadurch
erreicht, daß die Anoden zugleich als Ablenkplatten ausgebildet sind oder unmittelbar
neben den Ablenkplatten beiderseits :des Strahlweges angeordnet sind und daß von
der Kathode aus hinter den Anoden eine gegen die Kathode negativ vorgespannte Elektrode
angeordnet ist, die die Elektrode auf die Anoden zurücktreibt. Die Entstehung der
Schwingungen wird ermöglicht durch den auf die Laufzeit
der Elektronen
zurückzuführenden Zeitunterschied zwischen der Ablenkung und dem Auftreffen auf
die Anoden.
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Die Erfindung ist an Hand der Zeichnung näher erläutert, in der Fig.
i als Ausführungsbeispiel eine Kathodenstrahlröhre nach der Erfindung zeigt, während
die Wirkungsweise der Röhre und die Schaltung in den Fig. 2 und 3 dargestellt sind.
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Bei der Röhre nach Fig. i ist an einem Ende des Vakuumkolbens i eine:
einen Quetschfuß 3 tragende Einschmelzung vorgesehen, auf der eine lineare Glühkathode
5 und eine mit einer Öffnung 7 versehene Beschleunigungselektrode 6 aufgebaut sind.
Die längliche Öffnung 7 befindet sich unmittelbar über der in gleicher Richtung
verlaufenden Glühkathode. In der Zeichnung sind die Abstände jedoch der. besseren
Übersichtlichkeit wegen nicht ganz den wirklichen Verhältnissen entsprechend dargestellt.
Die Kathode und die Beschleunigungselektrode arbeiten derart zusammen, daß ein gebündelter
Kathodenstrahl .entsteht, dessen Querschnittslängsachse rechtwinklig zur Richtung
der Kathode und der Öffnung 7 liegt. Etwas oberhalb der Beschl--unigungselektrode
befindet sich ein Paar von halbkreisförmigen Anoden 9" und 9b,. Ihre einander zugewandten
Ränder sind zu parallel verlaufenden Stirnflächen io umgebogen, so daß sich zwischen
diesen ein Schlitz i i für den Durchtritt des Kathodenstrahls befindet. Dieser Schlitz
liegt rechtwinklig zur Richtung der Kathode und der Öffnung 7. Die Anoden 9" und
9G sind seitlich aus der Röhre herausgeführt.
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Am anderen Ende der Röhre i ist eine Elektrode 14 angeordnet. Sie
besteht zweckmäßig aus einem dünnen Draht und ist so'angeordnet, daß sie quer zur
Richtung des Schlitzes i i liegt, also pVallel mit der Längsachse der Kathode und
der Öffnung 7. Sie wird an ein gegen die Anoden negatives Potential angeschlossen
und bewirkt, daß der Kathodenstrahl 17' nach seinem Durchtritt durch den Schlitz
i i auf eine der Anoden zurückgelenkt wird und--dort auf die Fläche 18 auftrifft.
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Fig.3 zeigt beispielsweise eine geeignete Schaltung, wobei jedoch
nur die im Rahmen der vorliegenden Erfindung interessierenden Teile dargestellt
sind. Die Anoden 9" und gb, sind miteinander über eine Selbstinduktion 2o verbunden,
zu der eine Kapazität 21 parallel geschaltet ist. Die Glieder 2o und 2 i stellen
einen abstimmbaren Schwingungskreis dar. Die Selbstinduktion 2o besitzt eine Mittelanzapfu:ng
2q., die an den positiven Pol einer Spannungsquelle 27 führt, deren negativer Pol
einerseits an die Gegenelektrode 1:l, anderseits über einen die Potentialdifferenz
zwischen 5 und 1q. bestimmenden Widerstand 30 an die Kathode geführt ist. Die Beschleunigungsel:ektrode
6 liegt unmittelbar am positiven Pol der Spannungsquelle 27.
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In Fig:2 sind die verschiedenen Phasen, die der Kathodenstrahl nacheinander
einnimmt, schematisch dargestellt. Die Bezugszeichen entsprechen denen der Fig.i.
Es sei die Schaltung der Fig.3 zugrunde gelegt. Die Elektroden mögen an Spannung
liegen. Die Anoden 9a und 9b, befinden sich zunächst auf dem gleichen positiven
Potential. In der Phase A läuft der Strahl zunächst axial durch die Mitte der Öffnung
i i. Die Stromverteilung auf die beiden Anoden 9" und 9b wird jedoch nicht genau
symmetrisch sein, so daß sich eine der beiden Platten, beispielsweise die Platte
9b, auf ein negatives Potential gegenüber der Platte 9" auflädt, da mehr Elektronen
auf sie fallen. Die Stirnflächen io wirken dann als Ablenkplatten. Infolgedessen
wird der Strahl zwischen b°iden Platten in Richtung auf die Platte 9" abgebogen
(Phase B). Nach Ablauf einer kurzen Zeit, die der Laufzeit der Elektronen im Raum
zwischen den Anoden und der Elektrode 14 entspricht, wird also die Platte 9" .ein-en
größeren Strom erhalten als die Platte 96. Dies hat zur Folge, daß sie nunmehr gegen
die Platte 9U stark negativ wird, so daß der Strahl in Richtung auf die Platte 9b
zurückpendelt. Die Elektronen fällen jedoch zunächst immer noch auf die Platte 9"
(Phase C). Wenn diese jedoch auf ihren Höchstwert aufgeladen ist, erreicht die Auslenkung
des Strahles ein Maximum, und die zurückkehrenden Elektronen fallen bei richtiger
Einstellung der Anordnung nunmehr auf die Elek- i trolle 9v (Phase D). Diese lädt
sieh nunmehr negativ auf, bewirkt eine Ablenkung in Richtung auf die Platte 9",
wie es in der Phase F dargestellt ist. Endlich kehrt der Strahl in die bei F dargestellte
Lage zurück, und der Vorgang wiederholt sich von vorn.
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Die Platten 9" und gb sind an einen Schwingungskreis angeschlossen,
so daß in diesem ungedämpfte Schwingungen auftreten. L m eine möglichst hohe Leistung
zu erzielen, muß die Laufzeit der Elektronen so eingestellt werden, daß die Elektronen
immer noch auf die eine Platte fallen, während der Strahl in Richtung auf die andere
verschoben wird.
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Das Potential der Gegenelektrode 1a wird so gewählt, daß der Strahl.
diese Elektrode nicht ganz erreichen kann. Die Länge des von den Elektronen durchlaufenen
Weges ist einmal durch die Spannung an dieser Elektrode, zum anderen durch den Abstand
zwischen ihr und den Anoden bestimmt. Diese Länge und die Geschwindigkeit der Elektronen
werden
so gewählt, daß die Laufzeit gleich'/,-, 3/2, '/2 USW. der Periode des Schwingungserzeugers
ist.
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Bei der Anordnung nach- Fig. r pendelt der in Richtung auf die Anoden
zurückkehrende Strahl über den Schlitz t r hinweg, und die Elektronen vermischen
sich dort mit den von der Kathode herrührenden Elektronen. Infolgedessen wird eine
momentane Stromlücke im Ausgang auftreten, da einige Elektronen wieder rückwärts
durch den Schlitz fallen. Dies kann gemäß Fig.4 vermieden werden, indem man die
Anodenplatten übereinandergreifen läßt und den Strahl so lenkt, daß das zurückkehrende
Elektronenbündel außerhalb .eines exzentrischen. Schlitzes über die Anoden streicht.
.In diesem Fall treten keine Verluste durch die zurückkehrenden Elektronen @cin.
Die Kathode und die Beschleunigungs-,elektrode werden dann zweckmäßig etwas seitlich
in der Röhre angeordnet, und der Strahl wird durch ,eine Fokussierelektrode 16 in
der gewünschten Weise gerichtet (s. Fig. 4).
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Das Ablenksysbem wirkt auch auf den zurückkehrenden Strahl. Dieser
Einfluß ist jedoch gering, so daß die Steuerung des Strahls keine Schwierigkeiten
macht.
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Die so erzeugte Schwingungsfrequenz .ändert sich mit der Wurzel aus
der Spannung zwischen der Kathode und der Beschleunigungselektrode, vorausgesetzt
daß die Gegenelektrode 14 nur -wenig negativ in ,bezug auf die Kathode ist. Ist
jedoch die Gegenelektrode 14 als große, ebene Platte ausgebildet und .an ein gegen
die Kathode stark negatives Potential angeschlossen, so. wird sich die Frequenz
umgekehrt zur Wurzel aus der Spannung ändern. Mittels der Gegenelektrode 14 kann
jedoch auch ein solches Felderzeugt werden, daß die rücktreibende Kraft auf der
Bahn des Elektrodenstrahles dem Abstand von der Beschleunigungselektrode direkt
proportional ist. Ein solches Feld kann durch die dargestellte schmale Elektrodenform
gut angenähert erzeugt werden. Das Potential zwischen der Elektrode 14 und der Kathode
wird mittels eines Widerstandes 3o so eingestellt, daß ein möglichst günstiger Ausgleich
erfolgt.
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Es liegen in diesem Fall ähnliche Verhältnisse vor wie bei einer elastischen
Schwingung, bei der die rücktreibende Kraft der Auslenkung proportional ist, während
die Frequenz unabhängig von der Amplitude ist. Infolgedessen würde die Schwingungsfrequenz
unabhängig von der Spannung sein. Diese Bedingung braucht jedoch nicht streng erfüllt
zu sein, wenn die Frequenz nur über einen gewissen Bereich spannungsunabhängig sein
soll. Es empfiehlt sich, die Felder und Spannungen in der Röhre so zu wählen, daß
die Frequenz bei Spannungsschwankungen, wie sie bei Speisung aus einem Umformer
auftreten, unverändert bleibt. Bei richtiger Bemessung der Konstanten des Schwingungskreises,
der Röhrendimensionen und der Betriebsspannungen sind diese Schwankungen; unschädlich.
Eine gewisse Kompensation von Spannungsschwankungen kann ferner erreicht werden,
wenn das Potential der Anoden mit dem der Gegenelektrode 14 verkoppelt wird.
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Die Anoden 9" und 9b können unmittelbar an einen Dipolstrahler angeschlossen
werden, dessen Größe für die .ausgesandte Wellenlänge wesentlich ist. Durch Anordnung
eines Steuergitters innerhalb der Röhre kann in der gleichen Anordnung eine Modulation
auf die Schwingung aufgedrückt werden.
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Zur Konstanthaltung der Spannung der Elektrode 14, auf die es besonders
ankommt, können bekannte Mittel verwendet werden. Diese Aufgabe ist verhältnismäßig
leicht zu lösen, da diese Elektrode keinen Strom führt. Die erzeugte Frequenz kann
auch mit geeigneben Mitteln synchronisiert werden, wobei man zweckmäßig die Spannung
der Elektrode 14 zur Frequenzkontrolle benutzt.
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Ein Zahlenheispiel sei angeführt. Die Anodenspannung möge 3ooo V betragen
und die mittlere Geschwindigkeit der Elektronen r,63 X i o9 cm/Sek. Bei - einer
Frequenz von 66 Megahertz beträgt die Laufzeit i,/1,32 X 10s. Der gesamte Weg der
Elektronen beträgt dann 12,4 cm, die einfache Länge also 6,2 cm. Hieraus folgt,
daß die Röhre durchaus handliche Dimensionen besitzt.
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Es kann auch. mit den Oberschwingungen der Grundfrequenz gearbeitet
werden, jedoch ist man hierbei an die Benutzung der niedrigeren Harmonischen gebunden,
wenn nicht ein ,äußerst geringer Abstand zwischen Beschleunigungselektrode und Ablenksystem
.eingehalten werden kann. Je kleiner dieser-gewählt wird, um so höhere Harmonische
können benutzt werden. Die Röhre sollte jedoch nicht übermäßig klein gebaut werden,
da die Frequenz bis zu einem gewissen Grade von der Geschwindigkeit zwischen den
Ablenkplatten abhängt und die Ablenkempfindlichkeit mit der Gesamtlaufzeit der Elektronen
ansteigt. Die praktisch gebauten Röhren arbeiteten befriedigend innerhalb-eines
Frequenzbereiches von 3o bis. Zoo Megahertz.
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Die Röhre kann auch zur Erzeugung viel niedrigerer Frequenzen benutzt
werden. ' Es wird dann zweckmäßig oberhalb der Anoden ein Gitter vorgesehen, welches
sich auf einem Zwischenpobenti:al zwischen dem der Anoden und dem der Kathode befindet.
Infolgedessen durchlaufen die Elektronen ihre Bahn mit weit geringerer Geschwindigkeit,
so daß die Laufzeit stark, ansteigt. In diesem Fall wird
zugleich
die Ablenkempfindlichkeit größer. Auf diese Weise können Frequenzen bis zu i o Megahertz
herab erzeugt werden.
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Die obere Grenze bei: der Erzeugung hoher Frequenzen ist durch die
immer geringer werdende Ablenkempfindlichkeit bei kurzer Bahnlänge gegeben, die
Grenze bei: der Erzeugung kleiner Frequenzen dagegen durch die erforderlich werdenden
langen Röhren. Eine Erhöhung der Frequenz kann durch Verzicht auf einen guten Wirkungsgraderreicht
werden, wobei dann die Hauptenergie für die Ablenkung benötigt wird. Es können dann
extrem hohe Frequenzen von kleiner Amplitude ,erzeugt werden, die nachträglich verstärkt
werden.
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Die Vorzüge der Erfindung bestehen in der Einfachheit und dem guten
Wirkungsgrad der Anordnung. Der Oszillator schwingt leicht an und ist den sonst
sehr störenden Frequenzschtvankungen nicht unterworfen. Er eignet sich ebenso für
den unmittelbaren Anschluß an einen Dipol wie für ein Arbeiten weit von der Energiequelle
entfernt, wie z. B. auf Masten. Für äußerst hohe Frequenzen wird die Röhre zweckmäßig
ziemlich weit gebaut, wodurch eine einwandfreie Konstruktion erleichtert wird.