DE810049C - Elektronenentladungsvorrichtung mit Geschwindigkeitsmodulation - Google Patents

Description

(WiGBl. S. 175)

AUSGEGEBEN AM 6. AUGUST 1951

P 35319 VIIIc/2ig D

sind als Erfinder genannt worden

ist in Anspruch genommen

Die Erfindung betrifft eine Elektronenentladungsvorrichtung mit Geschwindigkeitsmodulation. Derartige Einrichtungen enthalten ganz allgemein Mittel zum Erzeugen und Beschleunigen eines Elektronenbündels, ein Eingangssystem, welches geeignet ist, beim Anlegen von Hochfrec[uenzspannungen den Durchgang des genannten Bündels im Rhythmus der Hochfrequenzspannungen zu variieren, wodurch die sogenannte Geschwindigkeitsmodulation erzeugt wird, und ein Ausgangssystem, welches geeignet ist, Hochfrequenzenergie von dem so modulierten Bündel abzuleiten. Vorrichtungen dieser Art finden besonders Anwendung als Oszillatoren, Verstärker und Detektoren von Ultrahochfrequenz.

Die Brauchbarkeit von Vorrichtungen dieser Art nimmt mit der Größe des Bündelstromes zu, und die Größe des Bündelstromes wird in Abhängigkeit von der verwendeten fokussierenden Wirkung die Querschnittsfläche des Bündels bestimmen. Um den Bündelstrom zu erhöhen, muß ein Bündel mit größerem Querschnitt verwendet werden, und wenn, wie dies üblicherweise der Fall ist, ein Bündel mit kreisförmigem Querschnitt verwendet wird, findet man, daß der Wirkungsgrad der Röhre erheblich verringert wird, da das Bündel mit kreisförmigem Querschnitt vergrößert ist. Bei diesen Vorrichtungen erfolgt das Anlegen der Hochfrequenzspannungen und das Ableiten der Hochfrequenzenergie induktiv, und es können zu diesem Zweck scheiben- oder röhrenförmige Elektroden oder hohle Resonatoren verwendet werden, und bei einem Bündel mit größerem Durchmesser müssen die Öffnungen in den Elektroden oder Hohlresonatoren, durch

welche das Bündel hindurchtritt, ebenfalls vergrößert werden, wenn die Stromsammlung an den Elektroden oder Resonatoren auf einem Minimum gehalten werden soll. Wo öffnungen mit großem Durchmesser verwendet werden, wurde gefunden, daß eine unerwünschte Energiestrahlung in Verbindung mit einer unerwünschten Verbreitung des elektrostatischen Feldes auftritt, welch letztere Veranlassung zu einer erhöhten Durchgangszeit der ίο Elektronen gibt, wodurch die Verwendung von anomal hohen Spannungen erforderlich wird, um die Durchgangszeit auf den gewünschten Wert herabzusetzen. Diese Schwierigkeit kann nicht durch die Anordnung von Gittern in den öffnungen überwunden werden, da bei Ultrahochfrequenzen die Drahtstücke der Gitter eine hohe Impedanz darstellen, und ferner bei sehr hohen Frequenzen die Abstände der Drähte eines Gitters vergleichbar werden mit der Wellenlänge der Hochfrequenz-

ao schwingungen. Um den Wirkungsgrad der Röhren der erwähnten Art zu erhöhen, ist es erwünscht, maximale Spannungen zwischen den benachbarten Elektroden der Eingangs- oder Ausgangssysteme oder zwischen den benachbarten Kanten eines Hohlresonators zu erzeugen, und um dieses Resultat zu erzielen, ist es notwendig, das Verhältnis der Fläche zwischen den Elektroden oder zwischen den genannten Rändern zur Querschnittsfläche des Bündels so gering wie möglich zu halten. Es wurde gefunden, daß für gleiche Werte des Bündelstromes die erwähnten Schwierigkeiten dadurch verringert oder überwunden werden können, oder den erforderlichen Bedingungen dadurch besser Rechnung getragen werden kann, daß man ein Bündel von der Form eines Bandes anstatt eines solchen mit angenähert kreisförmigem Querschnitt verwendet. Ferner wird für eine gegebene Querschnittsfläche des Bündels und für einen gegebenen Bündelstrom und gegebene Geschwindigkeit die Störung des Potentials längs des Bündelweges infolge Raumladung geringer bei einem bandförmigen Bündel als bei einem solchen mit Kreisquerschnitt.

Gemäß der Erfindung ist die Elektronenentladungsvorrichtung in der Weise ausgebildet, daß sie Mittel zur Erzeugung eines Elektronenbündels von der Form eines Bandes aufweist, und daß wenigstens eines der Eingangs- und Ausgangssysteme eine Mehrzahl von in Abständen längs der Bahn des Bündels angeordneten Elektroden enthält, zwischen denen elektrische Felder erzeugt werden können, so daß dem Bündel Geschwindigkeitsmodulation erteilt oder entzogen werden kann, wobei jede der Elektroden dem Bündel auf wenigstens angenähert der ganzen Länge wenigstens einer langen Seite des Bündelquerschnitts benachbart ist.

Erfindungsgemäß kann die Vorrichtung ferner

in der Weise ausgebildet sein, daß sie Mittel zur Erzeugung eines Elektronenbündels von der Form eines Bandes aufweist, und daß wenigstens eines der Eingangs- und Ausgangssysteme einen mit öffnung versehenen Hohl resonator aufweist, welcher quer zur Bahn des Bündels angeordnet ist, wobei die öffnung des Resonators, durch welche das Bündel hindurchtritt, eine Form aufweist, welche allgemein mit dem Querschnitt des Bandes übereinstimmt.

Die Bezeichnung Band soll hier und im folgenden jedes Bündel umfassen, bei dessen Querschnitt die Abmessung in einer Richtung wesentlich größer ist, als in der anderen. Der Querschnitt des Bündels hat zweckmäßig die Form eines länglichen Rechtecks, jedoch können auch andere Formen gewählt werden, beispielsweise kann die Querschnittsform des Bündels elliptisch sein, wobei die große Achse im Verhältnis zur kleinen Achse groß ist. Das Elektronenbündel braucht nicht auf seiner ganzen Länge die Form eines Bandes aufzuweisen, vorausgesetzt, daß es in der Nähe der genannten Elektroden oder des Resonators oder der Resonatoren bandförmig ist. Die Bezeichnung längere Seiten des Bündele bedeutet die längeren Seiten des Bündels im Querschnitt betrachtet.

Die Mittel zum Erzeugen des Eletronenbündels können aus einer länglichen ebenen Kathode bestehen, auf welche eine Steuerelektrode und darauf eine Beschleunigungselektrode folgt, wobei jede der beiden letztgenannten Elektroden zweckmäßig die Form eines Paares von Stäben besitzt, welche seitlich symmetrisch mit Bezug auf die Kathode angeordnet sind. Die Querdrähte der Steuer- und g₀ der Beschleunigungselektrode können in solcher Weise ausgerichtet sein, daß der zur Beschleunigungselektrode fließende Elektronenstrom klein im Verhältnis zum! Gesamtbündelstrom ist.

Die Elektroden des Eingangs- und Ausgangssystems können beliebiger Bauart sein. Beispielsweise können die Elektroden des Eingangs- und Ausgangssystems aus drei einer der längeren Seiten des Bündels benachbarten Stäben bestehen, oder aus drei Paaren von Stäben, welche beide längere Seiten des Bündels umfassen, oder sie können aus drei flachen Streifen bestehen, welche längs einer der längeren Seiten des Bündels angeordnet sind, oder aus drei Paaren von flachen Streifen, welche beide längeren Seiten des Bündels umfassen, wobei diese Streifen eine beträchtliche Abmessung in Richtung der Bahn des Bündels aufweisen. Es kann auch irgend eine andere Gruppierung der drei Elektroden verwendet werden, welche einer Anordnung in der Nähe des Bündels fähig ist, ohne dessen Durchgang wesentlich zu behindern. Die erste und dritte Elektrode jeder Gruppe kann Verlängerungen aufweisen, beispielsweise aus massivem oder durchbrochenem Metallblech oder aus Metallgaze, welche sich nach der Wand der Umhüllung und zweckmäßig rechtwinklig zur Bahn ,»

des Bündels erstrecken. Im Betrieb werden die erste und dritte Elektrode jeder Gruppe auf Erdpotential mit Bezug auf die Hochfrequenzspannungen gehalten, und die Spannungen zum Modulieren des Bündels, oder die vom Bündel abzuleitende Energie können bei der zweiten Elektrode jeder Gruppe zugeführt bzw. abgeleitet werden, welche zweiten Elektroden als die eigentlichen Eingangs- bzw. Ausgangselektroden bezeichnet werden können. Der 125 ■ Längsabstand der drei Elektroden jeder Gruppe ist

mit Bezug auf die Betriebsspannungen so bemessen, daß im Falle, wo diese Elektroden vernachlässigbare Abmessung in der Richtung der Elektronenbewegung haben, die Zeit der Bewegung der Elektronen zwischen der ersten und zweiten Elektrode und zwischen der zweiten und dritten Elektrode gleich der halben Periodendauer der Hochfrequenzschwingungen ist, während im Falle, wo diese Elektroden eine beträchtliche Abmessung in

ίο Richtung der Elektronenbewegung haben, die Bewegungszeit von dem Spalt zwischen der ersten und zweiten Elektrode zum Spalt zwischen der zweiten und dritten Elektrode gleich der halben Periodendauer der Hochfrequenzschwingungen ist.

In manchen Fällen kann es wünschenswert sein, ein magnetisches Längsfeld anzuwenden, dessen Stärke mit Bezug auf den Abstand der Elektroden und auf die Betriebsspannung geregelt wird, um dadurch sicherzustellen, daß der Elektronenstrom nicht in beträchtlichem Ausmaß gegen die Elektroden des Eingangs- und Ausgangssystems stößt.

In manchen Fällen kann es wünschenswert sein, die Stäbe der Elektrodenpaare mit Quergitterdrähten zu verbinden, und da die Stäbe infolge des verwendeten bandförmigen Querschnitts des Bündels verhältnismäßig nahe einander angeordnet sein können, verursachen die Drähte nicht die vorerwähnten Schwierigkeiten.

Wenn entweder das Eingangs- oder das Ausgangssystem, oder beide, einen Hohlresonator aufweisen, kann der letztere allgemein einen Hohlkörper besitzen, welcher das Bündel umgibt, und anstatt kreisförmige öffnungen aufzuweisen, durch welche das Bündel hindurchtritt, wie bei bekannteh Formen von Hohlresonatoren, sind die öffnungen so geformt, daß sie mit dem Querschnitt des Bündels übereinstimmen. Wenn der Querschnitt des Bündels längliche, rechteckige Form besitzt, wird die Form der öffnung des Resonators, durch welche das Bündel hindurchtritt, ebenfalls im allgemeinen längliche, rechteckige Form aufweisen, wobei der Resonator zweckmäßig entsprechend geformt ist.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Elektronenentladungsvorrichtung gemäß der Erfindung dargestellt.

Fig. ι zeigt schematisch einen Grundriß einer Ausführungsform einer Röhre;

Fig. 2 zeigt in Seitenansicht eine vollständige Röhre;

Fig. 3 ist ein Querschnitt durch die in Fig. 2 dargestellte Röhre, jedoch mit einer abgeänderten Elektrodenausbildung;

Fig. 4 zeigt schematisch einen Querschnitt durch eine Röhre mit Hohlresonator;

Fig. 5 ist eine Seitenansicht des in Fig. 4 dargestellten Resonators.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 1 hat die thermionische Kathode eine ebene rechteckige Emissionsfläche, deren kleinere Abmessung parallel zur Zeichnungsebene, und deren größere Abmessung rechtwinklig zu derselben ist, und sie dient dazu, ein Bündel von der Form eines Bandes auszusenden. Die Steuerelektrode 2 weist die Stäbe 3, 4 auf, welche seitlich symmetrisch zur Kathode in einem geringen Abstand von dieser angeordnet sind, und eine Anzahl parallel zur Zeichnungsebene angeordneter Drähte 5 tragen. Die Beschleunigungselektrode 6 weist die gleiche Konstruktion auf wie die Steuerelektrode 2 und ist in geringem Abstand vor dieser angeordnet. Das Eingangs- und Ausgangssystem weisen je drei Elektroden auf, welche aus Streifenpaaren 7, 8, 9 bzw. 7⁰, 8°, 9° bestehen, welche in Abständen längs des Bündels 10 symmetrisch zu diesem und in unmittelbarer Nähe desselben angeordnet sind. Die Elektroden befinden sich längs der gesamten Länge beider längeren Seiten des Bündels. Es wurde gefunden, daß zur Erzielung der besten Wirkung die Abmessung dieser Streifen in der Richtung der Bündelbahn ungefähr gleich ihrem Querabstand sein soll und daher abhängig von der Breite des Bündels ist. Die Sammelanode 11 kann mit Kühlflossen 12 versehen sein. Die Elektrode 13, welche zum Unterdrücken von Sekundärelektronen dient, die von der Anode ausgestrahlt werden, kann beispielsweise von ahnlicher Bauart wie die Steuerelektrode 2 sein.

Im Betrieb ist es wünschenswert, daß die Elektroden 7 und 7^a sich auf geringerem Ruhepotential befinden, als die Elektroden 8 bzw. 8°. Dies bewirkt, daß Elektronen durch die Elektroden 8 und 8" go fokussiert werden, wodurch der Gleichstrom zu diesen Elektroden verringert und die Gleichstromimpedanz auf einem hohen Wert gehalten wird. Die Elektroden 9 und 9° können beliebiges Ruhepotential aufweisen wenn man berücksichtigt, daß die Dauer der Bewegung der Elektronen von dem Spalt zwischen den Elektroden 7 und 8 oder J^a und 8" j zum Spalt zwischen den Elektroden 8 und 9 oder 8^a und 9" gleich einer halben Periode der Hochfrequenzschwingung ist. Die Elektroden 7 und 9 sowie 7" und g" sind mit Bezug auf Hochfrequenz geerdet, und die fluktuierenden Potentiale treten an den Elektroden 8 und 8" auf.

Es hat sich als vorteilhaft ergeben, daß die Elektrode 2 im Betrieb ein geringes positives Potential und die Beschleunigungselektrode 6 ein etwas größeres positives Potential besitzt, da die auf diese Weise erhaltene vorbereitende Fokussierung der Elektronen die Bewegungszeiten in axialer Richtung aller Elektronen des Bündels auszugleichen bestrebt ist und dadurch vollständigere Geschwindigkeitsmodulation und höhere Leistung hervorbringt.

In Fig. 2 sind die verschiedenen Elektroden mit entsprechenden Bezugszeichen versehen wie in Fig. i. 14 ist die Hülle der Vorrichtung und 15 ein zur Einführung der Hochfrequenzleiter in die Röhre geeigneter Verschluß, wie er in der britischen Patentschrift 4072/40 beschrieben ist. Die geerdeten Elektroden 7 und 9, 7" und g" sind mit Ansätzen 16 versehen, wie sie in Fig. 3 dargestellt sind, welche mit Ausnahme der rechteckigen öffnung, durch welche das Bündel hindurchtritt, quer zur Hülle ohne Unterbrechung verlaufen. Diese Ansätze können gegenüber den Elektroden 7 und 9 bzw. 7" und g" isoliert und auf verschiedenen Gleichspannungswerten gehalten sein, wie es das

Fokussieren der Röhre verlangt. Die Kapazität in μμ-Faτ^d pro Zentimeter von den Elektroden 8 zu den Elektroden 7 und 9 zusammen und von den¹ Elektroden 8° zu den Elektroden y" und ρ" wird gleich gehalten derjenigen der Übertragungsleitung oder des Resonanzkreises, welche mit ihnen zu verbinden sind, und ist durch folgende Beziehung gegeben:

C = ^-'³

wobei Z₀ die Impedanz der Übertragungsleitung in Ohm und K die Dielektrizitätskonstante in elektrostatischen Einheiten des Mediums ist, in welchem sich die Elektroden befinden. Wenn die Elektroden 7, 8, 9 und 7°, 8°, 9⁰ aus Paaren von Stäben mit Querdrähten bestehen, ist die Kapazität ungefähr gleich

Yk-w _ 15^

ά,πά Z₀

wenn die Randeffekte vernachlässigt werden, wobei W der seitliche Abstand der Stäbe und d ihr Längsabstand ist. Die richtigen Verhältnisse für andere Elektrodenkonstruktionen können entweder experimentell oder durch Berechnung gefunden werden.

Obwohl bei den an Hand der Zeichnung beschriebenen Beispielen sowohl das Eingangs- als das Ausgangssystem mit dem Elektronenstrom induktiv gekoppelt sind, ist selbstverständlich die Erfindung nicht auf eine solche Anordnung beschränkt. Beispielsweise kann in manchen Fällen der Ausgang aus der Röhre an einer Anode, gegen welche der Elektronenstrom stößt, abgeleitet werden.

Ferner ist die Erfindung nicht auf die in Fig. 1 bis 3 dargestellten Typen von Ein- und Ausgangssystemen beschränkt, da sie auf diejenige Art von Geschwindigkeitsmodulationsvorrichtungen leicht anwendbar ist, bei welcher das Eingangs- oder das Ausgangssystem, oder beide, einen Hohlresonator aufweisen, durch welchen das Bündel hindurchtritt. Bei dieser Art von Geschwindigkeitsmodulationsröhren ist der Hohlresonator auf eine gewünschte Frequenz abgestimmt, die Spannungen, welche dem Bündel die Geschwindigkeitsmodulation verleihen, können einem Hohlresonator zugeführt werden, und die Ausgangsleistung kann von einem anderen, in geeignetem Abstand vom ersten Resonator befindlichen Resonator abgeleitet werden. Bei Geschwindigkeitsmodulationsvorrichtungen, welche als Oszillatoren verwendet werden, kann ein Resonator zweckmäßig mit einem anderen Resonator gekoppelt werden, oder es kann ein einziger Resonator verwendet und das mit Geschwindigkeitsmodulation versehene Bündel in den einzigen Resonator zurück reflektiert werden. Die Erfindung kann auf jede von diesen oder anderen Arten von Geschwindigkeitsmodulationsvorrichtungen mit Hohlresonatoren verwendet werden. Fig. 4 zeigt schematisch im Querschnitt, unter Fortlassung der Hülle, eine erfindungsgemäße Vorrichtung, mit nur einem einzigen Hohlresonator. Bei dieser Vorrichtung kann die längliche Form aufweisende Kathode 1 so mit anderen Elektroden vereinigt werden, daß sie ein bandförmiges Bündel erzeugt. Dieses ist so angeordnet, daß es durch die öffnung 20 eines Hohlresonators 21 hindurchtritt, wobei die öffnung so geformt ist, daß sie allgemein mit dem Querschnitt des verwendeten bandförmigen Bündels übereinstimmt, wobei die Kanten der öffnung so nahe wie möglich am Bündel angeordnet sind. Das Bündel wird, nachdem es durch den Resonator hindurchgetreten ist, durch eine Reflexionselektrode 22 durch den Resonator zurückreflektiert. Der in Fig. 5 dargestellte Resonator weist ein Paar gerader zylindrischer Teile 23, 24 auf, welche längs der längeren Seiten des Bündels angeordnet sind, wobei die Enden dieser Teile durch hohle halbkreisförmige Teile 25, 26 miteinander verbunden sind. Der Resonator ist im allgemeinen in einer Ebene rechtwinklig zur Achse des Bündels angeordnet und umfaßt das Bündel, wobei er, wie ersichtlich, ähnlich den bekannten Resonatorformen ausgebildet ist mit der Ausnahme, daß die öffnung so geformt ist, daß das bandförmige Bündel durch sie hindurchtreten kann und die allgemeine Gestaltung des Resonators dementsprechend ist.

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Elektronenentladungsvorrichtung mit Geschwindigkeitsmodulation, dadurch gekenn-

' zeichnet, daß sie Mittel zur Erzeugung eines Elektronenbündels von der Form eines Bandes aufweist, und daß wenigstens eines der Eingangs- und Ausgangssysteme eine Mehrzahl von in Abständen längs der Bahn des Bündels angeordneten Elektroden enthält, zwischen denen elektrische Felder erzeugt werden können, so daß dem Bündel Geschwindigkeitsmodulation erteilt oder entzogen werden kann, wobei jede der Elektroden dem Bündel auf wenigstens angenähert der ganzen Länge wenigstens einer langen Seite des Bündelquerschnitts benachbart • ist.

2. Elektronenentladungs\^rorrichtung mit Geschwindigkeitsmodulation nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie Mittel zur Erzeugung eines Elektronenbündels von der Form eines Bandes aufweist, und daß wenigstens eines der Eingangs- und Ausgangssysteme einen mit öffnung versehenen Hohlresonator aufweist, welcher quer zur Bahn des Bündels angeordnet ist, wobei die öffnung des Resonators, durch welche das Bündel hindurchtritt, eine Form aufweist, welche allgemein mit dem Querschnitt des Bandes übereinstimmt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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