DE810284C - Laufzeitroehre zur Erzeugung und Verstaerkung sehr kurzer elektrischer Wellen - Google Patents

Description

(WlGBL S. 175)

AUSGEGEBEN AM 9. AUGUST 1951

p 21427 VIIIc j 21g D

Dr. Herbert König, Wien

ist als Erfinder genannt worden

Dr. Herbert König, Wien

elektrischer Wellen

Die Erfindung bezieht sich auf eine Laufzeitröhre zur Erzeugung und Verstärkung sehr kurzer elektrischer Wellen und bezweckt vor allem, eine möglichst große Steigerung der Verstärkungswirkung derartiger Röhren zu erzielen. Der wesentliche Teil der Entladungsstrecke solcher Röhren besteht bekanntlich grundsätzlich aus einer Steuerkammer, in der die Elektronen der Wirkung einer Steuerwechselspannung ausgesetzt werden, einer Lauf kammer, in der die Elektronen wechselstrommäßig nur ihren eigenen Abstoßungskräften unterliegen und einer Arbeitskammer zur Auskopplung der verstärkten Hochfrequenzleistung. Die drei genannten Kammern sollen kurz als Hochfrequenzkammer bezeichnet werden. Jede dieser Kammern kann naturgemäß auch wiederholt in der Röhre vorhanden sein.

Die bisher herrschende Auffassung beim Bau solcher Röhren ging dahin, daß man eine maximale Geschwindigkeitsmodulation im allgemeinen nur dann erreichen kann, wenn der Lauf winkel in der Steuerkammer der Röhre im wesentlichen die Größe von π oder einem tingeradzahligen Vielfachen hiervon hat. Auf dieser Grundjage sind z. B. die bekannten Klystronröhren gebaut.

Man hat auch bereits versucht, die Verstärkungswirkung von Laufzeitröhren dadurch zu steigern, daß die Begrenzungselektroden des Laufraumes mit verschieden großen Gleichspannungen beaufschlagt werden. Die auf diese Weise erreichbaren Verbesserungen sind jedoch nicht derartige, d.aß nicht eine weitere Leistungsverstärkung wünschenswert bzw. im Falle sehr kurzer Wellen notwendig erscheint.

Mari versuchte ferner auchrschon. die-Verstärkungswirkung der Röhren dadurch zu verbessern, daß man den Begrenzungselektroden des Laufraumes verschiedene Gleichpotentiale aufdrückte, r während gleichzeitig die beiden Begrenzungselektroden des Steuerraumes und ebenso die des Arbeitsraumes gegeneinander keine Potentialunterschiede aufweisen.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß man durch gewisse Wahl der Gleichspannungen an den Elektroden der Hochfrequenzkammern noch eine sehr bedeutende Erhöhung der Verstärkungswirkung der Röhre gegenüber den bisher bekannten Ausführungen und Betriebsbedingungen erzielen kann. Erfindungsgemäß werden die den Elektroden der Hochfrequenzkammern zugeführten Spannungen, so gewählt, daß wenigstens im Bereich der die Hochfrequenzkammern voneinander trennenden Elektroden Feldstärkenänderungen nur eines, entweder nur positiven oder nur negativen, Richtungssinnes vorhanden sind. Dutch

ao eine derartige zusätzliche Beeinflussung des Elektronenstroms läßt sich die Leistungsfähigkeit der Röhre weitgehend über das bisherige Ausmaß erhöhen. Die genaue Untersuchung dieser Verhältnisse hat aber gleichzeitig noch eine weitere grundsätzliche und

as neue Erkenntnis geliefert, nämlich, daß bei entsprechender Beeinflussung des Elektronenstroms durch an die Elektroden gelegte Spannungen entgegen der bisher herrschenden Auffassung nicht nur Laufwinkel im Größenwert von π die günstigsten Verhältnisse erzielen lassen, sondern daß diese Verhältnisse in zahlreichen Fällen noch weit übertroffen werden können, wenn Laufwinkel in der Größenanordnung von 2 π oder überhaupt einem geradzahligen Vielfachen von π gewählt werden, für die der Eingangswiderstand unendlich groß wird und somit praktisch keine Steuerleistung erforderlich ist. Voraussetzung für die vorteilhafte praktische Anwendung solcher Lauf winkel ist allerdings, wie schon gesagt, eine gewisse äußere Beeinflussung der Geschwindigkeits-Verhältnisse des Elektronenstroms, wie sie durch die geeignete Spannungsbeaufschlagung der Elektroden erzielt werden kann. Demgemäß werden nach einer weiteren Erfindung die Längen von Steuer- und Arbeitskammer so gewählt, daß mindestens in einer dieser Kammern der Laufwinkel einem geradzahligen Vielfachen von oder annähernd diesem Wert entspricht. Die erwünschte Wirkung ist nicht nur bei ganz exakt eingehaltenem Wert erzielbar, sondern es liefern auch Näherungswerte praktisch die gleichen Ergebnisse, sofern die Abweichungen vom genauen

Wert nicht mehr als etwa

- betragen.
4

Die Erfindung ist an Hand von Ausführungsbeispielen im folgenden näher erläutert.

In Fig. ι der Zeichnung bedeutet 1 die Kathode der Röhre, 2 und 3 sind die die Steuerkammer, 4 und 5 die die Arbeitskammer begrenzenden Elektroden, Zwischen Steuer- und Arbeitskammer ist eine Laufkammer zwischengeschaltet, die ihrerseits durch die Elektroden 3 und 4 begrenzt wird. 6 ist die Auffangelektrode der Röhre. Die Elektroden 2 und 3 sind an einen Schwingkreis 7, die Elektroden 4 und 5 an einen Schwingkreis 8 angeschlossen. Die Steuerleistung wird den Schwingkreis 7 durch die Koppelschleife 9 zügeführt. Zur Auskopplung der Wechselstromenergie dient die mit dem Schwingkreis 8 gekoppelte Schleife 10. Die Elektroden 2, 3,4 und 5 liegen an verschiedenen Teilspannungen der Batterie 11, ebenso sind an diese in geeigneter Weise die Kathode 1 und die Auffang-' elektrode 6 angeschlossen. Um den Übertritt der den einzelnen Elektroden zugeführten Gleichspannungen auf die anderen Elektroden zu verhindern, sind die Schwingkreise 7 und 8 an den Stellen 12 galvanisch unterbrochen, zugleich aber für die Hochfrequenz kapazitiv kurzgeschlossen. Die gleiche galvanische Auftrennung ist an den die Laufkammer einschließenden Zylinder 13 an den Stellen 14 vorgesehen.

Die von der Batterie 11 abgegriffenen Teilspannungen für die Elektroden sind so gewählt, daß sich z. B. der in Fig. 2 wiedergegebene Feldverlauf ergibt. Feldstärken über der Nullinie bedeuten eine Beschleunigung der Elektronen, Feldstärken unter der Nullinie eine Verzögerung derselben. Wie ersichtlich, erfolgt an den Grenzen der aufeinanderfolgenden Hochfrequenzkammern je eine sprunghafte Zunahme der Feldstärke, d. h. diese ändert sich stets im gleichen Richtungssinn, von einem ursprünglich negativen Wert (eventuell über weniger negative Werte) zu positiven Werten. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird also in der Steuerkammer, zwischen 2 und 3, der Elektronenstrom gebremst, während er in der Laufkammer, zwischen 3 und 4, bereits eine Beschleunigung und in der Arbeitskammer, zwischen 4 und 5, eine noch größere Beschleunigung als in der Laufkammer erfährt. Die Änderung der Feldstärken in den aufeinanderfolgenden Hochfrequenzkammern erfolgt treppenförmig in stets gleichem Sinn, im vorliegenden Fall also einmal im Bereich der Elektrode 4. Naturgemäß ist dabei der Fall nicht ausgeschlossen, daß Hochfrequenzkammern zwischengeschaltet sind, bei welchen gegenüber Nachbarkammern keine Änderung der Feldstärke erfolgt.

Bei dem gezeichneten treppenförmigen Verlauf der Feldstärke ist zugleich erfindungsgemäß ein Laufwinkel in der Steuerkammer von 2 π oder einem geradzahligen Vielfachen von π {2 mn) gewählt, wodurch sich der grundsätzliche Vorteil ergibt, daß keine elektronisch bedingten Steuerleistungen aufzubringen sind. Die Arbeitsstrecke ist bei diesem Feldverlauf ebenfalls mit Vorteil so zu bemessen, daß der Laufwinkel in ihr 2 π bzw. ein geradzahliges Vielfaches von π (2 η π) beträgt. Diese Wahl des Laufwinkels in der Arbeitskammer liefert zusammen mit dem gegebenen Feldverlauf die günstigsten Verhältnisse für den Leistungsentzug in dieser Kammer.

In' Fig. 3 ist der Feldverlauf einer anderen Ausführungsform der Erfindung gezeigt, bei der nur an der Elektrode 3 eine Änderung der Feldstärke vorgesehen ist, während die Feldstärken in Lauf kammer und Arbeitskammer einander gleich sind. In der Steuerkammer wird in diesem Fall wieder im Sinne der Erfindung ein Laufwinkel von 2 π oder einem geradzahligen Vielfachen von π (2 mn) gewählt, wodurch ebenso wie im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 keine elektronische Steuerleistung erforderlich ist. Im Ar-

beitsraum hingegen erhält man in diesem Fall die günstigsten Verhältnisse hinsichtlich Leistungsentnahme bei einem Laufwinkel, welcher η oder einem ungeradzahligen Vielfachen hiervon (2 w — ι) π entspricht.

Nach Fig. 4 findet ein Feldstärkesprung nur im Bereich der Elektrode 4 statt, während Steuer- und Laufkammer gleiche Feldstärke besitzen. In diesem Fall sind zur Erreichung günstigster Arbeitsverhältnisse die Lauf winkel so zu wählen, daß der Lauf winkel in der Steuerstrecke oder einem ungeradzahligen Vielfachen von π ((2 m — ι) π) entspricht, in der Arbeitskammer 2 π oder ein geradzahliges ■ Vielfaches von π (fin π) beträgt.

In allen Fällen ist es, wie schon oben ausgeführt wurde, nicht notwendig, den Laufwinkel genau die Größe von π oder 2 π oder einem Vielfachen hiervon zu geben, es genügt, wenn diese Werte nur näherungsweise eingehalten werden, sofern die Abweichungen vom genauen Wert im allgemeinen nicht mehr als

etwa

TZ

ausmachen.

Eingehendes Studium dieser Verhältnisse hat ferner ergeben, daß außer den obengenannten Größen der Laufwinkel auch noch Laufwinkel im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Beeinflussung des Elektronenstroms besonders vorteilhaft angewendet wer-

den können, die der Gleichung tg - = - genügen,

2 2

wobei α den Laufwinkel in der betreffenden Kammer bedeutet. Als Wurzeln dieser Gleichung ergeben sich annähernd die Werte 3, 5, 7 ...

Bei einem Feldverlauf, der etwa dem in Fig. 2 dargestellten entspricht, je eine sprunghafte Änderung der Feldstärke an den Elektroden 3 und 4, werden mit Vorteil Laufwinkelwerte der letztgenannten Größe sowohl für die Steuer- als auch für die Arbeitskammer angewendet.

Ein weiterer Faktor, durch den die Verstärkungseigenschaft der Röhre günstig beeinflußt werden kann, ist durch den Laufwinkel in der Laufkammer gegeben. Im Sinne der Erfindung wird dieser möglichst groß gewählt, d. h. bis auf jenen optimalen Wert gesteigert, bei dessen Überschreitung durch Aufplatzen des Elektronenstroms wegen des damit verbundenen Elektronenverlustes wieder eine Abnahme der Wirkung eintritt.

Eine ähnlich günstige Wirkung, wie sie die Verlängerung der Laufkammer mit sich bringt, läßt sich auch dadurch erzielen, daß die Lauf kammer der Röhre durch eine oder mehrere Elektroden, z. B. Gitter- oder Lochblenden, unterteilt ist, die zur Erzeugung entsprechender Feldstärkensprünge mit geeigneten Spannungen beaufschlagt sind.

Durch die erfindungsgemäß erreichbare Verbesserung der Leistungsfähigkeit der Röhre ist es in manchen Fällen möglich, auf die Anordnung einer Laufkammer überhaupt zu verzichten und trotzdem noch eine beachtenswerte Leistungsverstärkung zu erzielen. Voraussetzung hierfür ist im allgemeinen, daß der Laufwinkel sowohl in der Steuer- als auch in der Arbeitskammer einem geradzahligen Vielfachen von π oder annähernd diesem Wert entspricht und daß im Bereich der Steuer- und Arbeitskammer trennenden Elektrode eine entsprechende Änderung der Feldstärke vorhanden ist.

Die Weglassung des Laufraumes ist auch bei einer Röhre möglich, bei der die Laufwinkel a in Steuer-

und Arbeitskammer der Bedingung tg - = — exakt

oder annähernd genügen und bei der ebenfalls ein entsprechender Sprung in der Feldstärke an der Grenze zwischen Steuer- und Arbeitsraum vorgesehen ist.

Auf eine besondere Laufkammer zwischen Steuer- und Arbeitskammer kann auch dann verzichtet werden, wenn an der Grenze zwischen Steuer- und Arbeitskammer kein ausgesprochener Feldsprung vorliegt, sofern hierbei nur die Bedingung erfüllt ist, daß der Laufwinkel in der einen Kammer einem geradzahligen Vielfachen von π und in der anderen Kammer einem ungeradzahligen Vielfachen von π genau oder annähernd entspricht, wobei es im wesentlichen gleichgültig ist, in welcher Kammer jeweils der geradzahlige bzw. der ungeradzahlige Wert gewählt wird.

Bei allen beschriebenen Anordnungen ist es auch zulässig und möglich, auf die Vorbeschleunigung der Elektronen in einer Vorbeschleunigungsstrecke zu verzichten und die Kathode selbst als erste Begrenzungsfläche des Steuerraumes zu benutzen.

Statt Gleichspannungen können zur Speisung der Elektroden auch zeitlich veränderliche Spannungen, insbesondere niederfrequente Wechselspannungen verwendet werden.

Claims (15)

Patentansprüche:

1. Laufzeitröhre zur Erzeugung und Verstärkung sehr kurzer elektrischer Wellen, bei der einzelnen, die Hochfrequenzkammern der Röhre, wie Steuerkammer, Laufkammer, Arbeitskammer, begrenzenden Elektroden Gleichspannungen oder zeitlich veränderliche Spannungen, insbesondere niederfrequente Wechselspannungen zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die den Elektroden zugeführten Spannungen so gewählt sind, daß wenigstens im Bereich der die Hochfrequenzkammern voneinander trennenden Elektroden Feldstärkenänderungen nur eines, entweder nur positiven oder nur negativen, Richtungssinnes vorhanden sind.

2. Laufzeitröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Längen der durch Elektroden begrenzten Steuer- und Arbeitskammern der Röhre so gewählt sind, daß mindestens in einer dieser Kammern der Laufwinkel einem geradzahligen Vielfachen von π oder annähernd diesem Wert entspricht.

3. Laufzeitröhre mit Steuer- und Arbeitskammer und dazwischenliegender Laufkammer nach Anspruch ι und 2, dadurch gekennzeichnet, daß Steuer- und Arbeitskammer so bemessen sind, daß in beiden der Lauf winkel einem geradzahligen Vielfachen von π oder annähernd diesem Wert ent-

spricht und daß die den Elektroden zugeführten Spannungen so gewählt sind, daß der Elektronenstrom sowohl im Bereich der Elektrode zwischen Steuer- und Laufkammer als auch im Bereich der Elektrode zwischen Lauf- und Arbeitskammer eine Änderung seiner Beschleunigung oder Verzögerung erfährt.

4. Laufzeitröhre mit Steuer- und Arbeitskammer und dazwischenliegender Laufkammer nach Anspruch ι und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Laufwinkel in der Steuerkammer einem geradzahligen Vielfachen von π oder annähernd diesem Wert und der Laufwinkel in der Arbeitskammer einem ungeradzahligen Vielfachen von π oder annähernd diesem Wert entspricht und daß die den Elektroden zugeführten Spannungen so gewählt sind, daß die Beschleunigung oder Verzögerung des Elektronenstroms nur im Bereich der Elektrode zwischen Steuer- und Laufkammer eine Änderung erfährt, während im Bereich der Elektrode zwischen Lauf- und Arbeitskammer praktisch keine Änderung der Beschleunigung bzw. Verzögerung des Elektronenstroms auftritt.

5. Laufzeitröhre mit Steuer- und Arbeitskammer as und dazwischenliegender Laufkammer nach Anspruch ι und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Laufwinkel in der Steuerkammer einem ungeradzahligen Vielfachen von π odör annähernd diesem Wert und der Laufwinkel in der Arbeitskammer einem geradzahligen Vielfachen von π oder annähernd diesem Wert entspricht und daß die den Elektroden zugeführten Spannungen so gewählt sind, daß die Beschleunigung oder Verzögerung des Elektronenstroms nur im Bereich der Elektrode zwischen Lauf- und Arbeitskammer eine Änderung erfährt, während im Bereich der Elektrode zwischen Steuer- und Laufkammer praktisch keine Änderung der Beschleunigung oder Verzögerung des Elektronenstroms stattfindet.

6. Laufzeitröhre mit Steuer- und Arbeitskammer und dazwischenliegender Laufkammer nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe des Laufwinkels α in Steuer- und Arbeitskammer

der Bedingung tg — = — oder annähernd diesem

Wert entspricht und daß die den Elektroden zugeführten Spannungen so gewählt sind, daß der Elektronenstrom sowohl im Bereich der Elektrode zwischen Steuer- und Laufkammer als auch im Bereich der Elektroden zwischen Lauf- und Arbeitskammer eine Änderung seiner Beschleunigung oder Verzögerung erfährt.

7. Laufzeitröhre nach einem der Ansprüche 1 bis6, dadurch gekennzeichnet, daß der Laufwinkel in der Laufkammer möglichst groß gewählt ist.

8. Laufzeitröhre nach einem der Ansprüche 1

bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufkammer der Röhre durch eine oder mehrere Elektroden, z. B. Gitter- oder Lochblenden, unterteilt ist, die zwecks Änderung der Feldstärke an Spannung gelegt sind.

9. Laufzeitröhre nach Anspruch 1 oder/und 2, dadurch gekennzeichnet, daß an die Steuerkammer der Röhre ohne Zwischenschaltung einer Laufkammer die Arbeitskammer anschließt.

10. Laufzeitröhre mit unmittelbar an die Steuerkammer anschließender Arbeitskanfmer nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Laufwinkel sowohl in der Steuer- als auch in der Arbeitskammer einem geradzahligen Vielfachen von π oder annähernd diesem Wert entspricht und daß im Bereich der Steuer- und Arbeitskammer trennenden Elektrode durch Zuführen geeigneter Spannung eine Änderung der Beschleunigung oder Verzögerung des Elektronenstroms vorgesehen ist.

11. Laufzeitröhre mit unmittelbar an die Steuerkammer anschließender Arbeitskammer nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe des Laufwinkels α in Steuer- und Arbeitskammer

der Bedingung tg — = — oder annähernd diesem

Wert entspricht und daß der Elektronenstrom im Bereich der Steuer- und Arbeitskammer trennenden Elektrode durch eine dieser Elektrode zugeführte geeignete Spannung eine Änderung der Beschleunigung oder Verzögerung erfährt.

12. Laufzeitröhre mit unmittelbar an die Steuerkammer anschließender Arbeitskammer nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Laufwinkel in der Steuerkammer einem geradzahligen Vielfachen von π oder annähernd diesem Wert und der Laufwinkel in der Arbeitskammer einem ungeradzahligen Vielfachen von π oder annähernd diesem Wert entspricht.

13. Laufzeitröhre mit unmittelbar an die Steuerkammer anschließender Arbeitskammer nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Laufwinkel in der Steuerkammer einem ungeradzahligen Vielfachen von π oder annähernd diesem Wert und der Laufwinkel in der Arbeitskammer einem geradzahligen Vielfachen von π oder annähernd diesem Wert entspricht.

14. Laufzeitröhre nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode der Röhre selbst die Eintrittselektrode der Steuerkammer bildet.

15. Laufzeitröhre nach einem der Ansprüche 1

bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwin- no gungskreise galvanisch aufgetrennt sind, um den Übertritt der der einzelnen Elektrode zugeführten Gleichspannung zu einer anderen Elektrode zu verhindern.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

© 984 8.