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Elektronenröhre zum Anfachen von ultrakurzen Wellen Die Erfindung
bezieht sich auf Elektronenröhren zum Anfachen (Erzeugen, Verstärken, Empfangen)
von ultrakurzen Wellen, insbesondere des Dezimeter- und Zentimeterwellenlängengebietes,
mit einem derart ausgebildeten Elektrodensystem, daß zwischen zwei seiner Elektroden,
von denen mindestens eine Elektronen emittiert, Potentialflächen von der Form eines
einschaligen Hyperboloids entstehen und mit einem sich in Richtung der Elektronenbewegung
erstreckenden Magnetfeld.
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Die biekannben, nach dem Brernafeldprinzip arbeitenden Ultrakurzwellengeneratoren
weisen den Nachteil auf, daß die Frequenz der erzeugten Schwingungen in stärkerem
Maße von der Amplitude der Elektronenschwingungen abhängig ist. Die Abhängigkeit
der Frequenz von der Amplitude der Elektronenschwingungen bedingt in nachteiliger
Weise auch einen schlechten Wirkungsgrad der bekannten Bremsfeldgeneratoren.
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Zur Beseitigung der erwähnten Nachteile hat man bereits vorgeschlagen,
bei nach dem Bremsfeldprinzip arbeitenden Elektronenröhrenanordnungen die Elektronen
durch ein parabelförinig verlaufendes Potentialfeld quasi-elastisch zu binden, derart,
daß die Frequenz der erzeugten Schwingungen unabhängig ist von deren Schwiagungsam:phtude.,
und zweiter ein Magnetfeld vorzusehen, welches in Richtung der Elektronenschwingungen
verläuft. Das Magnetfeld dient hierbei dazu, die Bewegung der Elektronen auf diejenigen
Gebiete des parabelförmig verlaufenden Potentialfeldes zu beschränken, in denen
die quasi elastische Bindung der Elektronen streng erfüllt ist, d. h. in denen die
Elektronen rein sinusförmige Schwingungen vollführen. Zur Erzeugung eines parabolischen
Potentialverlaufes ist bei den. erwähnten bereits vorgeschlagenen Anordnungen zwischen
zwei parallel zueinander angeordneten Kathoden ein stark positiv vorgespanntes Elektrodensystern
vorgesehen worden.
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die weitere Ausgestaltung
von Ultrakurzwellenröhrenanordnungen der vorerwähnten Art. Die erfindungsgemäßen
Elektronenröhren sind dadurch gekennzeichnet, daß vier symmetrisch und paarweise
gegenüberliegende Elektroden hyperbolischer Form, von denen zwei zur Beschleunigungselektrode
zusammengefaßt sind, sich nach außen hin als Lechersysteme zylindrischer Leiter
mit gleichbleibendem
Ouerschnitt fortsetzen und in einer Entfernung
von 2/.I oder einem ungeradzahligen Vielfachen hiervon durch eine Reflexionsplatte
abgeschlossen sind.
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Der Ausbildung der Elektroden in hyperbolischer Form liegen die nachstehend
an Hand der Abb. i bis 3 erläuterten Überlegungen zugrunde.
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Unter der sowohl für die erfindungsgemäßen Anordnungen als auch für
die bereits vorgeschlagenen Anordnungen zutreffenden Voraussetzung, daß das zur
quasielastischen Bindung der Elektronen dienende Potentialfeld allein durch geeignete
elektrostatische Aufladung von Leitern erzeugt werden soll, muß dieses, falls man
die Raumladung der Elektronen vernachlässigt, der Gleichung der Potentialtheorie
J (p = o
oder in zwei Dimensionen betrachtet
genügen, worin ff das elektrostatische Potential bedeuten soll und .i- und _v die
Koordinaten der betrachteten Ebene. Physikalisch bedeutet die Gleichung, daß das
Feld quellenfrei sein soll.
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In der Abb. i sind K1 und K. zwei Punkte der betrachteten Feldebene,
zwischen denen eine Elektronenpendelung stattfinden soll. Um hierfür optimale Bedingungen
zu schaffen, soll das Potential längs des Weges K1, K#, wie oben dargestellt, parabelförmig
verlaufen. Da die Gleichung JTf=o bz@v.
eine Fläche der räumlichen Krümmung o darstellt, so muß. wenn in einer Vertikalebene
durch die Punkte K, K. der Potentialverlauf, der in Abb. i dargestellt ist,
in einer Ebene, die senkrecht auf der ersten Ebene bzw. der Verbindungslinie K1,
1i. steht. der Potentialverlauf auch parabelförmig, aber umgekehrt von entgegengesetzter
Krümmung sein, so daß die Summe der beiden Krümmungen den Wert o ergibt. Jede andere
Potentialverteilung würde die Bedingung der Quellenfreiheit nicht erfüllen. Die
sich aus den beiden Bedingungen ergebende Potentialfläche zwischen den Punkten hl
und K.=, stellt eine Sattelfläche dar, wie sie in Abb.:2 perspektivisch dargestellt
ist. Bei dieser Darstellung ist das Potential nach unten positiv aufgetragen, so
daß man die Bewegung der Elektronen erhält: wenn man sich vorstellt, daß sie als
mechanische Kugeln von der Potentialflächeherunterrollen. Derge,#i#ünsclite Weg
für die Elektronen ist nun der auf der Kammlinie der Sattelfläche. Eine einfache
Überlegung zeigt, daß die Sattelfläche allgemein durch die' Gleichung cp
- cc (x2- y=)
dargestellt ist, d.h. die Sattelfläche ist, wenn sie
der Gleichung 4(f-0 bzw.
genügt, ein einschaliges Hyperboloid. Linien T, = tonst. sind in Abb. 3 dargestellt.
Die Punkte KI, K2 stellen die Punkte dar, zwischen denen die Elektronen sich
pendelnd bewegen sollen. i und :2 sind die beiden Potentiallinien, die gerade dem
tiefsten Punkt R des Sattels entsprechen. In Richtung nach K1 und K= steigt die
Sattelfläche an, in Richtung nach S und T fällt sie ab. Die Linien (f = tonst.
sind Hyperbeln. Offenbar erhält man eine derartige Potentialverteilung, wenn vier
Elektroden P, Q, S, T angewendet werden, deren Umrandungskurven ebenfalls
Hyperbeln sind und auf Äquipotentiallinien liegen.. Zum Beispiel sind als Umrandungskurven
die schrafflerten Potentiallinien zu wählen und sind zudem als über diesen äquipotentiallinien
errichtete Zylinderflächen zu denken. Natürlich wird man diese Zylinderflächen nicht
ins Unendliche gehen lassen, sondern in der in der ,IM. 3 angedeuteten Weise
abbrechen. Der Abstand zwischen hl und K., d. h. die Schwingweite der Elektronen,
steht in einem einfachen Verhältnis zur Wellenlänge und zur Spannung zwischen den
beiden Leitern, wie aus der Gleichung für das einschalige Hyperboloid und der Pendelgleichung
folgt.
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Die an sich bekannte weitere Maßnahme der Erfindung, die Elektroden
als Lechersystem mit gleichbleibendem Querschnitt fortzusetzen, bringt den Vorteil
mit sich, daß Feldverzerrungen, die auf Reflexionen an den Verbindungsstellen der
Zuleitungen mit den Elektroden zurückgehen und die die gewünschte harmonische Bindung
der Elektronen in Frage stellen, tveitgehend unterdrückt sind.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung. an Hand welchem die Erfindung
näher erläutert werden soll, ist in Abb.4 in der Perspektive, in Abb. ; im Schnitt
dargestellt. Die Abb. 6 und 7 zeigen Einzelheiten dieses Ausführungsbeispieles der
Erfindung.
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In Abb.,I sind die beiden die emittierenden Schichten K1, K#, enthaltenden
Leiter mit P und Q, die beiden zur Beschleunigungselektrode zusammengefaßten (Hilfs-)
Elektroden
mit S und T, die Reflexionsplatte mit
U bezeichnet. Dabei sind P und O mit der Platte U leitend verbunden,
während S und T
durch die Platte U hindurchgeführt sind, mit dieser aber einen
guten kapazitiven Schluß haben können.
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Die Länge der Leiter P, 0, S, T vorn freien Ende, an welchem sich
die Glühdrähte Kl bzw. K2 befinden, bis zur Platte U beträgt 2/4. Es entsteht dann
an der Stelle der Glühfäden K1, K2 ein Spannungsbauch. an der Plattenoberfläche
U aber ein Spannungsknoten. Am freien Ende, d. h. am Ende des Spannungsbauches,
kann dann das durch P, 0 dargestellte Lechersystem verlängert werden > entweder
nach dem Innern der Röhrenanordnung oder durch die Röhrenwand hindurch nach außen
zur Ankopplung eines Strahlers.
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In praktischen Fällen, z. B. bei einer Röhre zur Erzeugung einer Wellenlänge
von 1o cm, ergibt sich für das Magnetfeld H eine Stärke von 1000 bis 3ooo Gauß.
Das Magnetfeld kann durch irgendwelche Spulenanordnungen erzeugt werden. Von großem
Vorteil ist es, da Magnetspulen eine dauernde Pnergieaufzehrung# zur Folge haben,
das Magnetfeld durch einen permanenten Magneten zu erzeugen. Als die Polschuhe eines
permanenten Magneten werden am besten die Elektroden P, D selbst verwendet. Die
Elektroden P, O sollen gemäß der weiteren Erfindung aus ferromagnetischem Material
bestehen. Um einen ungünstigen Einfluß dieses ferromagnetischen Materials auf die
hochfrequenten Vorgänge zu vermeiden, sind die Polschuhe an ihrer Oberfläche mit
einem gut leitenden, nicht magnetischen Überzug, insbesondere aus Kupfer, Silber,
Gold usw. versehen. Die Hochfrequenz verläuft dann an der Oberflächenschicht, und
diese Oberflächenschicht stellt kein Hindernis für die Ausbreitung des magnetischen
Feldes dar.
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In Abb. 5 ist die Röhre nach Abb. q. im axialen Schnitt dargestellt,
unter der Voraussetzung, daß zur Erzeugung des Magnetfeldes ein permanenter Magnet
verwendet wird. Die Hilfselektroden S und T sind dabei weggelassen. Die beispielsweise
aus weichem Eisen bestehenden Polschuhe P und O; die in einer Nut die Kathodendrähte
K1 und K2 enthalten, sind bis zu der im -Spannungsknoten angeordneten Reflexionsplatte
U verlängert durch unmagnetische leitende Stäbe Y und W, welche das Profil
der Elektroden haben und in der Abbildung im Schnitt dargestellt sind. Hinter diesen
Stäben bzw. in dem von ihnen umschlossenen Hohlraum ist als Rundstab- der eigentliche
permanente Magnet 1V1 angeordnet, der sich hinter der Platte U -zur Überführung
des magnetischen Feldes, z. B. in Form eines Kreisbogens, schließt. Dieser hufeisenförmige
Magnet erzeugt dann zwischen P und O das verlangte, in die Richtung der Elektronenpendelung
weisende Magnetfeld.
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Die Funktion der Röhre ist nun folgende: Die von den Kathoden Ki und
K2 emittierten Elektronen zerfallen in zwei Klassen: Eine Klasse von Elektronen,
welche dem als Resonator dienenden Lechersystem bei der ersten Pendelung von K1
nach K2 bzw. von K nach K, Energien entzieht und welche bei der ersten Pendelung
mit einer ihre Anfangsgeschwindigkeit o übertreffenden Geschwindigkeit endet. Diese
Klasse von Elektronen wird also nach einmaliger Pendelung wieder eingefangen.
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Die zweite Klasse von Elektronen steht zum Wechselfeld des Resonators
in derartiger Beziehung, daß sie bei ihrer Pendelung gebremst wird. Da die Frequenz
der Pendelung von der Amplitude unabhängig ist, verliert diese zweite Klasse von
Elektronen immer mehr an Energie und erreicht schließlich in der Nähe des Sattels
bei R derart -kleine Geschwindigkeit, daß sie aus der Bahn P, R, D entgleist und
von einer der Elektroden S bzw. T eingefangen wird.
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Bemerkenswert ist, daß es mit einer solchen Röhre. möglich ist, eine
Modulation der erzeugten Schwingungen auf dreierlei Weise zu erzielen. 1. Kann man
die Spannung der Elektroden S und T gemeinsam gegenüber den unter sich auf gleichem
Potential befindlichen Elektroden P und D verändern. Ferner ist es möglich, nur
eine der seitlichen Elektroden S und T gegenüber den Elektroden P und O zu verändern,
und schließlich kann man eine Modulation auch dadurch noch erzielen, daß man das
Potential P gegen O verändert und dadurch die Potentialverteilung in der Röhre stört
und entsprechend die Amplitude der erzeugten Schwingung verändert. Die Glühdrähte
sind, um eine Ablenkung im Magnetfeld zu verhindern, in Nuten der magnetischen Polschuhe
eingelassen, so daß sie auf drei Seiten von ferromagnetischem -Material umgeben
sind, welches das Magnetfeld herabmindert. Die Seitenwände der Nuten befinden sich
auf dem Potential des negativen Glühdrahtes und wirken infolgedessen wie ein Wehneltzylinder
konzentrierend auf den Elektronenstrom. Man kann die Glühdrähte als flache Bänder
ausbilden, deren Ebene senkrecht zu der Richtung der Elektronenbewegung steht, so
daß sie einer Ausbiegung senkrecht zur Richtung der Elektronenbewegung einen großen
Widerstand entgegensetzen. Ferner kann man die Kathodendrähte bifilar ausbilden.
Die beiden Leiter einer solchen Bifilarschleife werden
bei passender
Richtung des Heizstromes im Feld derart abgelenkt, daß sie sich gegenseitig anziehen.
In die Mitte dieser beiden Schleifendrähte kann, wie Abb.6 zeigt, ein dünnes Blättchen
aus hochtemperaturwiderstandsfähigem und isolierendem Material gebracht «-erden,
«-elches die gegenseitige Berührung der beiden Leiter verhindert. Inn allgemeinen
ist es nicht möglich, bei Ultrakurzwellenröhren, welche nach dem Brernsfeldprinzip
arbeiten, Oxydkathoden zu verwenden. Dies hängt damit zusammen, daß die Oxydkathoden
keine genügend ausgeprägte Sättigung erreichen. Die Folge davon ist, daß unter dem
Einfuß des Wechselfeldes auch der Emissionsstrom an der Kathode eine periodische
Veränderung erfährt. Dies wirkt nun ähnlich wie ein Dämpfungswiderstand zwischen
den beiden Elektroden des Wechselfeldes, insbesondere im vorliegenden Falle zwischen
den beiden Kathoden. Bei den Bremsfeldröhren üblicher Konstruktion mit schwacher
Anfachung reicht der beschriebene Dämpfungswiderstand bereits dazu aus, das Auftreten
von Schwingungen überhaupt zu verhindern. Bei der Röhre entsprechend vorliegender
Erfindung wird die kinetische Energie der Elektronen infolge der optimalen Ausbildung
des Feldes vielbesser ausgenutzt, so daß auch mit Oxydkathoden (v g1. Abb. 7) trotz
ihrer dämpfenden Wirkung Schwingungen mit hinreichender _lnnplitude erzeugt werden
können.