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Vorrichtung zum Erzeugen von elektrischen Schwingungen einer Wellenlänge
von einigen Zentimetern Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Erzeugen
von elektrischen Schwingungen einer Wellenlänge von einigen Zentimetern mittels
einer elektrischen Entladungsröhre, in der die aus der Kathode austretenden Elektronen
durch eine oder mehrere Öffnungen einer Anode auf eine parallel zur letzteren verlaufende
Sekundäremissionselektrode geworfen werden, sowie auf eine für eine solche Vorrichtung
bestimmte Röhre.
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Es ist bereits bekannt, Schwingungen sehr hoher Frequenz mittels einer
solchen Röhre zu erzeugen. Die Primärelektronen werden nahezu senkrecht auf die
Sekundäremissionselektrode geworfen, welche die Rückwand eines Hohlraumresonators
bildet, dessen Vorderwand durch die Anode gebildet wird.
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Die höchste Frequenz, bei der eine solche Röhre als Dynatron schwingen
kann, wird bedingt durch die Strecke, welche die Sekundärelektronen zwischen der
Sekundäremissionselektrode und der Anode zurücklegen müssen, und durch den Spannungsunterschied
zwischen den beiden Elektroden. Hierbei ist angenommen, daß die Elektronen nicht
um die Teile der Anode herumschwingen, sondern unmittelbar abgefangen werden. Nur
unter diesen Bedingungen führt der negative Innenwiderstand der Sekundäremissionselektrode
zu Schwingungen. Die Laufzeit der Sekundärelektronen soll bei einem solchen Dynatron
gegenüber der Periode der zu erzeugenden Wechselspannungen klein sein.
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In der Praxis kann die Frequenz nicht höher als 200o MC werden (Wellenlänge
15 cm). Dies tritt auf bei einem Abstand von i mm zwischen Anode
und
Sekundäremissionselektrode und bei einem Spannungsunterschied von tooo V zwischen
den beiden Elektroden. Durch Erhöhung der Spann:zngen und Verkleinerung des Abstandes
kann die Wellenlängengrenze zwar nöch etwas erniedrigt werden, aber die technologischen
Schwierigkeiten (Überschlag) sind so groß und der Wirkungsgrad ist dabei so klein,
daß im Wellenlängenbereich unterhalb io cm praktische Ergebnisse nicht erzielbar
sind. Außerdem ist bei jenen Wellenlängen, bei denen eine derartige Röhre noch schwingt
bei normalen Abstand und üblicher Feldstärke, der Wirkungsgrad auch bereits verhältnismäßig
klein, experimentell wurden 5% bei 2o cm erreicht, da zum Erreichen eines hinreichenden
negativen Innen-Widerstandes die Spannung an der Sekundäremissionselektrode niedrig
gewählt und die Anodenspannung zum Erzielen kurzer ,Laufzeiten gerade hoch sein
muß. Der Unterschied zwischen der höchsten und der niedrigsten Spannung, welche
die Sekundäremissionselektrode dabei erhalten kann, ist also verhältnismäßig gering.
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Bei Röhren dieser Art wird der negative Innenwiderstand nämlich durch
die Änderung des Sekundäretnissionskoeffizienten mit der Spannung an der Sekundäremissionselektrode
bedingt. Diese Änderung ist bei einer Spannung von höchstens einigen hundert Volt
für die meist angewendeten Stoffe noch hinreichend groß. Die Änderung ist maximal
bei einer Spannung von null Volt.
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Die Erfindung hat den Zweck, die Nachteile der bekannten Vorrichtungen,
unter anderem die hohe Feldstärke zwischen Anode und Sekundäremissionsclektrede
und den niedrigen Wirkungsgrad, zu vermeiden.
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Bei einer erfindungsgemäß ausgebildeten Vorrichtung zum Erzeugen elektrischer
Schwingungen einer Wellenlänge von einigen Zentimetern, bei der die aus der Kathode
heraustretenden Elektronen durch eine oder mehrere Öffnungen in einer Anode auf
eine sich parallel zur letzteren erstreckende Sekundäremissionselektrode geworfen
werden, werden diese Elektronen zu einem oder mehreren Bündeln mit kleinem Öffnungswinkel
vereinigt, deren Achsen einen Winkel von: etwa 45° mit der Anodenebene bilden; die
Spannungen an der Anode und der Sekundäremissionselektrode und ihr gegenseitiger
Abstand werden dabei derart gewählt, daß beim Nichtauftreten von Wechselspannungen
an den Elektroden die Primärelektronen gerade noch auf die Sekundäremissionselektrode
fallen und die Laufzeit der Sekundärelektronen hur Anode annähernd eine ganze Periode
der zu erzeugenden Schwingungen beträgt.
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Bei der auf diese Weise erhaltenen Vorrichtung hängt der negative
Innenwiderstand der Se'kundäremissionselektrode praktisch nur ab von der Änderung
des Primärstroms zu dieser Elektrode mit der Spannung an dieser Elektrode: Ist der
Primärstrom nicht allzu groß, dann hat die Abhängigkeit des Sekundäremissionskoeffizienten
von der Spannung nahezu keinen Einfluß. Bei den bekannten Vorrichtungen, bei denen
die Primärelektronen nahezu senkrecht auf die Sekundäremissionselektrode fallen,
hat die Spannung an der Sekundäremissionselektrode praktisch keinen Einfluß auf
den Primärstrom. Die Größe des negativen Innenwiderstandes wird bei einer Vorrichtung
nach der Erfindung auch durch den Öffnungswinkel der Elektronenbündel bestimmt.
Bei einem Öffnungswinkel von etwa 5 °, die Achse des Bündels bildet einen Winkel
von 45° mit der Anode, beträgt das Spannungsgebiet der Sekundäremissionselektrode,
in welcher der ganze Primärstrom von der Anode übernommen wird, annähernd ein Siebentel
des Spannungsunterschieds zwischen Anode und Sekundäremissionselektrode. Um einen
großen Strom zwischen Anode und Sekundäremissionselektrode zu erhalten, kann die
Spannung derart gewählt werden, daß der Sekundäremissionskoeffizient annähernd seinen
Höchstwert hat. Anfangs nimmt der Wirkungsgrad mit derGröße der Übernahmestrecke,
also mit dem Öffnungswinkel des Bündels, zu. Bei einem übermäßig großen Öffnungswinkel
wird der negative Innenwiderstand so groß, daß der Wirkungsgrad infolge entstehender
Verluste in den Widerständen des Kreises wiederum abnimmt. Das Verhältnis zwischen
der Spannung an der Sekundärernissionselektrode und der Spannung an der Anode wird
praktisch gleich dem Quadrat des Sinus des Winkels gewählt, den das Elektronenbündel
mit der Anodenebene bildet, der Abstand zwischen den beiden Elektroden wird dann
durch die gewünschte Laufzeit bedingt. Vorstehend wurde angegeben, daß die Achse
der Elektronenbündel einen Winkel von etwa 45° mit der Anodenebene bildet; sie kann
jedoch ohne Bedenken zwischen 2o und 7o ° gewählt werden. Der. Öffnungswinkel des
Elektronenbündels hängt von der Größe der Kathode, dem Abstand von der Anode sowie
von der divergierenden Wirkung des Raumes zwischen Anode und Sekundäremissionselektrode
ab. Ein Scheitelwinkel des zur Anode gerichteten kegelförmigen Bündels von 15 bis
20° ergibt ausgezeichnete Ergebnisse. Die Laufzeit der Sekundärelektronen darf im
allgemeinen zwischen '/2 und t'/2 Perioden der zu erzeugenden Schwingungen schwanken,
wobei die Röhre nach wie vor oszilliert. Es ist also möglich, ohne Spannungsänderung
über einen großen Wellenlängenbereich abzustimmen.
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Die einfachste Ausführungsform einer Röhre für eine erfindungsgemäß
ausgebildete Vorrichtung ist die, bei der nur ein Primärelektronenbündel angewendet
wird. Anode und Sekundäremissionselektrode können dabei als mehr oder weniger flache
Scheiben ausgebildet sein, die unmittelbar in eine Glaswand der Röhre eingeschmolzen
und auf diese Weise in einem Hohlraumresonator aufgenommen sind.
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Eine günstige Ausführungsform einer Röhre für eine Vorrichtung nach
der Erfindung ist die, bei der zwei auf beiden Seiten der Systemachse angeordnete
Kathoden verwendet werden und die Sekundäremissionselektrode in zwei Hälften geteilt
.ist, die je mit einem der beiden Elektronenbündel zusammenwirken. Die beiden Hälften
der Sekundäremissionselektrode können dabei aus den gekrümmten
Enden
einer in Form zweier flacher Streifen durch die Röhrenwand hindurohgeführten Lecherleitung
bestehen. Die Röhre kann-in diesem Fall im Gegentakt arbeiten, wodurch der Wirkungsgrad
sehr hoch wird.
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Die Erfindung sei an Hand der Zeichnung näher erläutert, in der Fig.
i eine Röhre mit einem einzigen Elektronenbündel und Fig. 2 eine Röhre mit zwei
Elektronenbündeln und einer geteilten Sekundäremissionselektrode darstellt.
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In Fig. i bezeichnen i die Glaswand der Röhre, 2 die aus einer Kupferscheibe
bestehende Anode, 4 die Sekundäremissionselektrode, deren durchgebogener Teil S
in einem Abstand von 1,5 mm von der jlnocle gegenüber der in dieser vorgesehenen
Öffnung 3 liegt. Die Hohlkathode 6 ist derart angeordnet, daß ein von ihr ausgehendes
Elektronenbündel, das durch die Anodenöffnung auf den Teil 5 der Sekundäremissionselektrode
geworfen wird, einen Winkel von etwa 45° mit der Anodenebene bildet. Vor der Kathode
und Anode sind Bündelungsorgane 7 bzw. 8 angeordnet, von denen ersteres an eine
besondere Spannung gelegt werden kann. In den hölii-enlioden ist eine Anzahl von
Zuführungsdräliten 9 eingeschmolzen, und oben auf die Sekun-<läi-eniissionselektrode
ist noch eine Glaswand lo geschmolzen, uni die Sekundäreinissionselektrode in einfacher
Weise mittels eitler Flüssigkeit kühlen zu können. Ein Vorteil des schräg einfallenden
Primärbündels ist noch, daß die Sekundärelektronen sich in einem Raum zwischen zwei
flachen Platten bewegen müssen, so daß die Laufzeitstreuung sehr gering ist.
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In Fig. 2 bezeichnet 11 die Glaswand der Röhre, in der eine Anode
12 mit einer öffnung ig vorgesehen ist. Zwei Kathoden 13 und 14 sind seitwärts von
der :\nodenachse derart angeordnet, daß die Verbindungslinien zwischen der Mitte
der Öffnung ig und der Mitte der Kathoden einen Winkel von 45° mit der Anodenebene
bilden. Vor den beiden Kathoden sind Bündelungsorgane 15 und 16 und vor der Anodenöffnung
zwei Bündelungsorgane 17 und 18 angeordnet, die als massive Umdrehungskörper ausgebildet
sind. In die Röhrenwand sind zwei Streifen eingeschmolzen, die in einem parallel
zur Anode verlaufenden Teil endigen. Letzterer Teil ist mit Cäsiumoxyd präpariert.
Die aus der Kathode 13 austretenden Elektronen werden auf den Teil 21 der Sekundäremissionselektrode
und die aus der Kathode 14 austretenden auf die Sekundäremissionselektrode 20 geworfen.
Beträgt die Spannung an der Anode 1400 V und die an der Sekundäremissionselektrode
700 V, so können in einem Wellenlängenbereich von 3'bis 5 cm Schwingungen
mit einem Wirkungsgrad erzeugt werden, der bei 5 cm Wellenlänge annähernd 2o % beträgt.
Die Ausmaße der Röhre ergeben sich aus der neben der Röhre angegebenen Millimeterskala.