DE818964C

DE818964C - Circuit arrangement for generating vibrations with an electron discharge device which has a hollow resonator and a reflective electrode

Info

Publication number: DE818964C
Application number: DE1949P0035334
Authority: DE
Inventors: Bernard Joseph Mayo
Original assignee: EMI Ltd
Current assignee: EMI Ltd
Priority date: 1941-08-08
Filing date: 1949-03-01
Publication date: 1951-10-29
Also published as: CH252007A; FR928525A; GB576127A

Description

Die Erfindung betrifft Elektronenentladungsvorrichtungen mit Hohlresonatoren, die zum Gebrauch als Schwingungsgeneratoren konstruiert sind, und Schaltungsanordnungen mit solchen Vorrichtungen. Die Erfindung betrifft ausschließlich Vorrichtungen derjenigen Art, bei welcher eine reflektierende Elektrode dazu verwendet wird, einen Elektronenstrahl, nachdem er den Spalt in dem Resonator passiert hat, wo er geschwindigkeitsmoduliert wird, zu veranlassen,The invention relates to electron discharge devices with hollow resonators for use constructed as vibration generators, and circuit arrangements including such devices. The invention relates exclusively to devices of the type in which a reflective electrode is used to generate an electron beam after it has passed the gap in the resonator, where it is speed modulated to cause

ίο durch den Spalt zurückreflektiert zu werden. Der Resonator besitzt bei solchen Vorrichtungen gewöhnlich Toroidform und ist in bekannter Weise auf die Schwingungsfrequenz abgestimmt, welche er erzeugen soll. Im Betrieb werden die aus der Kathode austretenden Elektronen durch den Hohlresonator beschleunigt, welcher auf einem positiven Potential mit Bezug auf die Kathode gehalten wird. Durch die fokussierende Wirkung, welche durch die mit der Kathode verbundenen bzw. benachbarten Hilfselektroden hervorgerufen wird, werden die Elektronen ao durch den Spalt im Zentrum des Toroides gelenkt. Beim Passieren des Spalts wird der Elektronenstrahl durch das hochfrequente elektrische Wechselfeld des Resonators, welches quer zum Spalt gerichtet ist, geschwindigkeitsmoduliert, und nach Passieren des Spalts wird der Strahl gegen eine reflektierende Elektrode gelenkt. Die reflektierende Elektrode besitzt eine solche Form und ist auf solchem Potential gehalten, daß der Strahl durch den Spalt zurückreflektiert wird, wobei die Elektronen durch den Resonatorίο to be reflected back through the gap. Of the The resonator in such devices usually has a toroidal shape and is in a known manner on the Vibration frequency matched, which he should generate. In operation, the emerging from the cathode Electrons accelerated through the hollow resonator, which is at a positive potential with Relation to the cathode is kept. Due to the focusing effect, which is caused by the Cathode connected or adjacent auxiliary electrodes is caused, the electrons are ao directed through the gap in the center of the toroid. When passing the gap, the electron beam is due to the high-frequency alternating electric field of the resonator, which is directed across the gap, velocity modulated, and after passing the gap the beam is against a reflective one Electrode steered. The reflective electrode has such a shape and is held at such a potential that that the beam is reflected back through the gap, the electrons through the resonator

oder eine andere Elektrode aufgenommen werden. Beim Passieren des Resonators auf dem Wege zur reflektierenden Elektrode und zurück zum Resonator werden die Elektronen des Strahles gruppenweise zusammengedrängt, d. h. laufzeitmäßig dicht moduliert. Der dicht modulierte Strahl induziert beim Hindurchtreten durch den Resonator Hochfrequenzströme im Innern des Resonators und hält das Wechselfeld quer zum Spalt aufrecht. Auf diese Weise werden ίο im Resonator Schwingungen aufgebaut, und es kann aus dem elektromagnetischen Feld, welches in dem Resonator errichtet wird, mittels einer in den Resonator eingebrachten Schleife Schwingungsenergie abgeleitet werden.or another electrode can be picked up. When passing the resonator on the way to reflecting electrode and back to the resonator, the electrons of the beam are grouped huddled, d. H. closely modulated in terms of duration. The densely modulated beam induces the High-frequency currents inside the resonator pass through the resonator and hold the alternating field upright across the gap. In this way, vibrations are built up in the resonator, and it can from the electromagnetic field that is established in the resonator, by means of one in the resonator introduced loop vibration energy can be derived.

Eine Bedingung für die Erzeugung von Schwingungen ist, daß die Laufzeit, d. h. die Zeit, die von den Elektronen benötigt wird, um von dem Mittelpunkt des Schjvingungsfeldes des Resonators zum Reflektionspunkt und zurück zum genannten Mittelpunkt ao zu gelangen, η — */₄ Perioden der Schwingungen beträgt, welche erzeugt werden sollen, wobei η eine beliebige ganze Zahl ist. Bei den bekannten Ausführungsformen von Oszillatoren der in Frage stehenden Art besitzt η den relativ hohen Wert 7. Für einen wirksamen Betrieb ist es erforderlich, daß die Elektronengruppen in den Resonator in der gleichen Phase eintreten wie die in dem Resonator schon bestehenden Schwingungen, und es ist klar, daß, wenn ein Wechsel in der Durchgangszeit der Elektronen, beispielsweise infolge eines zufälligen Wechsels der dem Resonator oder Reflektor zugeführten Spannungen, auftritt, die Phasenänderung, welche erzeugt wird, größer sein wird, je größer der Wert η ist. Ferner wird die Differenz der Laufzeiten zwischen einem axialen und einem Randelektron, welche durch Unvollkommenheiten in dem reflektierenden Feld und in dem fokussierenden Feld der Kathode erzeugt werden, veranlassen, daß die Elektronengruppen um einen Betrag verzerrt werden, welcher ebenfalls von dem Wert von η abhängt.One condition for the generation of vibrations is that the transit time, ie the time required by the electrons to get from the center of the resonator's shear field to the point of reflection and back to the said center point ao, η - * / ₄ periods of Vibrations is to be generated, where η is any integer. In the known embodiments of oscillators of the type in question, η has the relatively high value 7. For effective operation it is necessary that the electron groups enter the resonator in the same phase as the vibrations already existing in the resonator, and it is It is clear that if there is a change in the transit time of the electrons, for example as a result of a random change in the voltages applied to the resonator or reflector, the phase change which is generated will be greater the greater the value η . Furthermore, the difference in transit times between an axial and an edge electron, which are produced by imperfections in the reflecting field and in the focusing field of the cathode, will cause the electron groups to be distorted by an amount which also depends on the value of η.

Die Erfindung bezweckt daher, die obenerwähnten Phasenänderungen zu verringern.The invention therefore aims to reduce the phase changes mentioned above.

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung mit einer Elektronenentladungsvorrichtung, welche einen Hohlresonator und eine reflektierende Elektrode aufweist, um einen Elektronenstrahl, nachdem er den Resonator passiert hat, wo er geschwindigkeitsmoduliert wird, zurück zum Resonator zum Erzeugen von Schwingungen zu reflektieren. Gemäß der Erfindung ist die Anordnung derart, daß die Laufzeit der Elektronen geringer ist als vier Perioden der Schwingungen, welche im Betrieb erzeugt werden. Die Laufzeit kann hierbei durch wesentliche Erhöhung des dem Hohlresonator zugeführten Potentials verringert werden. Dieses Behelfsmittel ist jedoch nicht sehr erwünscht, und daher ist es vorzuziehen, dem Hohlresonator ein mit Bezug auf die Kathode der Vorrichtung positives Potential zuzuführen, welches etwa 2000 Volt nicht überschreitet, und die Laufzeit durch Abkürzen der Entfernung zwischen dem Hohlresonator und der reflektierenden Elektrode zu verkleinern.The invention relates to a circuit arrangement with an electron discharge device which having a hollow resonator and a reflective electrode to generate an electron beam after it has passed the Resonator has passed where it is velocity modulated, back to the resonator to generate Reflect vibrations. According to the invention, the arrangement is such that the transit time of the electrons is less than four periods of the vibrations that are generated during operation. The term can can be reduced by a substantial increase in the potential supplied to the hollow resonator. However, this expedient is not very desirable and therefore it is preferable to use the hollow resonator with respect to the cathode to supply the device with a positive potential which is not about 2000 volts exceeds, and the transit time by shortening the distance between the hollow resonator and the downsize reflective electrode.

Es soll eine Elektronenentladungsvorrichtung zum Erzeugen von Schwingungen vorgesehen sein, welche einen Hohlresonator und eine Elektrode aufweist, welche fähig ist, wenn sie auf einem geeigneten Potential gehalten wird, ein Elektronenbündel, nachdem es den Resonator passiert hat, wo es geschwindigkeitsmoduliert wird, durch den Resonator zurückzureflektieren. Dabei soll der Abstand zwischen dem Reflektionspunkt und dem Resonator derart sein, daß, wenn ein positives Potential von der Größenordnung von 1000 bis 2000 Volt mit Bezug auf die Kathode der Vorrichtung dem Resonator zugeführt wird, die Laufzeit der Elektronen geringer ist als vier Perioden der Resonanzfrequenz des Resonators.It should be provided an electron discharge device for generating vibrations, which has a hollow resonator and an electrode which is capable when placed on a suitable Potential is held, an electron beam after it has passed the resonator where it is velocity modulated will reflect back through the resonator. The distance between the Reflection point and the resonator be such that when a positive potential of the order of magnitude from 1000 to 2000 volts with respect to the cathode of the device is fed to the resonator is, the transit time of the electrons is less than four periods of the resonance frequency of the resonator.

Zweckmäßig ist die Laufzeit so gering als möglich zu wählen. Beispielsweise sollte η ι oder 2 sein, wodurch die Phasendifferenzen beträchtlich verringert werden. Auf diese Weise kann eine höhere Spannungsänderung vorgenommen werden, ohne daß die Elek- tronen mit solcher Phasendifferenz an dem Spalt zwischen den öffnungen in dem Resonator ankommen, daß der Erzeugung von Schwingungen entgegengewirkt wird, so daß die Stabilität des Oszillators erhöht wird. Ferner kann die Dichtemodulation infolge der größeren Phasenübereinstimmung der axialen und Randelektronen erhöht werden.It is advisable to choose the duration as short as possible. For example, η should be ι or 2, which considerably reduces the phase differences. In this way, a higher voltage change can be made without the electrons arriving at the gap between the openings in the resonator with such a phase difference that the generation of vibrations is counteracted, so that the stability of the oscillator is increased. Furthermore, the density modulation can be increased due to the greater phase correspondence of the axial and edge electrons.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel einer Elektronenentladungsvorrichtung gemäß der Erfindung dargestellt.In the drawing is an embodiment of an electron discharge device according to the invention shown.

Die Kathode 1 zum Erzeugen eines Elektronenbündels ist von einem Kathodenschirm 2 umgeben. Eine fokussierende Elektrode 3 in Form einer mit öffnung versehenen Wand dient dazu, in Verbindung mit dem Kathodenschirm 2, wenn die Elektroden auf einem geeigneten Potential gehalten werden, ein fokussierendes Feld zu erzeugen. Die Verwendung einer fokussierenden Elektrode 3 in Form einer Wand ermöglicht, die Kathode 1 näher an dem Resonator 4 anzuordnen, so daß der Konvergenzwinkel des Strahles größer ist, als dies sonst der Fall wäre. Der Hohlresonator 4 ist toroidförmig und mit einem Paar von der Kathode abgewandter öffnungen 5, 6 versehen, wodurch ein Spalt gebildet wird, durch welchen das Elektronenbündel hindurchzutreten veranlaßt wird. Die reflektierende Elektrode 7 (s. Patentschrift 284362,) dient dazu, das Elektronenbündel zurück durch die öffnung 6 in dem Resonator zu reflektieren, zum Zwecke, die Schwingungserzeugung im Resonator aufrechtzuerhalten. Wie bereits erwähnt, ist die Laufzeit der Elektronen bei den bekannten Vorrichtungen in der Größenordnung von sieben Perioden der Schwingungen, welche erzeugt werden sollen, d. h. der Schwingungsperiode, auf welche der Resonator abgestimmt ist. Bei der vorliegenden Ausführung ist die Laufzeit auf weniger als vier Perioden herabgesetzt, und zwar vorzugsweise auf etwa ein bis zwei Perioden. Die Laufzeit ist abhängig von der dem Hohlresonator zugeführten Spannung und von der Entfernung zwischen der reflektierenden Elektrode und dem Resonator. Wäh- iao rend es möglich ist, die Laufzeit durch wesentliche Erhöhung des dem Resonator zugeführten Potentials herabzusetzen, so ist dies, wie bereits erwähnt, kein erwünschtes Mittel, und es ist daher allgemein zweckmäßig, die Laufzeit durch Verkürzung des Abstandes zwischen der reflektierenden Elektrode und demThe cathode 1 for generating an electron beam is surrounded by a cathode screen 2. A focusing electrode 3 in the form of a wall provided with an opening is used to connect with the cathode screen 2 when the electrodes are kept at an appropriate potential to generate focusing field. The use of a focusing electrode 3 in the form of a wall allows the cathode 1 to be arranged closer to the resonator 4, so that the angle of convergence of the beam is greater than would otherwise be the case. The hollow resonator 4 is toroidal and having a pair of openings 5, 6 facing away from the cathode, whereby a gap is formed through which the Electron bundle is caused to pass through. The reflective electrode 7 (see patent specification 284362,) serves to reflect the electron beam back through the opening 6 in the resonator, for the purpose of to maintain the generation of vibrations in the resonator. As mentioned earlier, the runtime is the Electrons in the known devices in the order of seven periods of oscillation, which are to be generated, d. H. the period of oscillation to which the resonator is tuned. In the present embodiment, the running time is reduced to less than four periods, preferably on about one to two periods. The running time depends on the amount fed to the hollow resonator Voltage and the distance between the reflective electrode and the resonator. Weh- iao rend it is possible to increase the running time by significantly increasing the potential supplied to the resonator as already mentioned, this is not a desirable means, and it is therefore generally expedient to the transit time by shortening the distance between the reflective electrode and the

Resonator herabzusetzen, so daß positive, 2000 Volt nicht überschreitende Potentiale mit Bezug auf die Kathode 1 verwendet werden können.Decrease resonator so that positive potentials not exceeding 2000 volts with respect to the Cathode 1 can be used.

Bei einer besonderen, für die Erzeugung von Schwingungen von etwa 10 cm geeigneten Ausführung ist der Durchmesser der Öffnung in dem Kathodenschirm 3 bis 5 mm, während die Öffnung in der fokussierenden Elektrode 4 bis 6 mm betragen kann. Der Abstand zwischen den benachbarten Flächen der Kathode 1 und des Schirmes 2 kann in kaltem Zustand 0,2 bis 0,5 mm betragen und der Abstand zwischen den benachbarten Flächen des Kathodenschirmes 2 und der fokussierenden Elektrode 3 in kaltem Zustand 1 bis 3 mm. Der Abstand zwischen der ebenen Fläche der reflektierenden Elektrode 7 und der Mittelebene zwischen den Öffnungen 5 und 6 kann 3,8 mm betragen. Der Abstand zwischen der Kathode 1 und der Ebene, in welcher die Öffnung 5 des Resonators liegt, kann ungefähr 15 mm betragen.In a special version suitable for generating vibrations of around 10 cm the diameter of the opening in the cathode shield is 3 to 5 mm, while the opening in the focusing electrode can be 4 to 6 mm. The distance between the neighboring Areas of the cathode 1 and the screen 2 can be 0.2 to 0.5 mm in the cold state and the Distance between the adjacent surfaces of the cathode screen 2 and the focusing electrode 3 1 to 3 mm when cold. The distance between the flat surface of the reflective electrode 7 and the center plane between the openings 5 and 6 can be 3.8 mm. The distance between the cathode 1 and the plane in which the opening 5 of the resonator lies can be approximately 15 mm.

Der Durchmesser der Öffnungen 5 und 6 in dem Resonator kann 2 mm betragen, was bedeutend geringer ist als der Durchmesser der Öffnungen, welcher bisher vorgeschlagen wurde, so daß das Bündel enger mit dem Resonator gekoppelt ist, was die Wirkung weiter erhöht. Der Resonator 4 kann auf einem Potential von 1000 bis 2000 Volt gehalten werden und die reflektierende Elektrode 7 auf einem negativen Potential von 150 bis 500 Volt (s. Patentschrift 284 362). Der Kathodenschirm 2 kann im Betrieb auf dem Potential der Kathode 1 gehalten werden, und es wird die Anordnung so getroffen, daß der konvergierende Elektronenstrom dadurch auf eine scharfe Kreuzung in der Nähe des Spaltes fokussiert wird, daß das Potential, das der fokussierenden Elektrode 3 zugeführt wird, auf — 300 bis +300 Volt eingeregelt wird. Zweckmäßig ist jedoch die Anordnung des Schirmes 2 und der Elektrode 3 derart, daß die gewünschte Kreuzung erhalten wird, wenn sich die Elektrode 3 und die Kathode auf gleichem Potential befinden. Es wird angenommen, daß die Kathode der Vorrichtung auf dem Potential Null gehalten wird und die Potentiale der Elektroden mit Bezug auf das Potential der Kathode betrachtet werden. Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die angegebenen Dimensionen beschränkt, diese können vielmehr variiert werden, besonders falls größere Ausgangsströme erforderlich werden.The diameter of the openings 5 and 6 in the resonator can be 2 mm, which is significantly smaller is than the diameter of the openings which has heretofore been suggested so that the bundle is closer with is coupled to the resonator, which further increases the effect. The resonator 4 can be at a potential from 1000 to 2000 volts and the reflective electrode 7 at a negative Potential from 150 to 500 volts (see patent specification 284 362). The cathode screen 2 can are kept at the potential of the cathode 1 during operation, and the arrangement is made in such a way that that the converging electron stream thereby hits a sharp intersection near the Gap is focused that the potential that is supplied to the focusing electrode 3, to -300 is regulated to +300 volts. However, the arrangement of the screen 2 and the electrode 3 is expedient such that the desired intersection is obtained when the electrode 3 and the cathode are on the same potential. It is assumed that the cathode of the device is at the potential Is held zero and the potentials of the electrodes are considered with respect to the potential of the cathode will. It goes without saying that the invention is not restricted to the specified dimensions, these can rather be varied, especially if larger output currents are required.

Claims

Patent claims:

1. Circuit arrangement for generating vibrations with an electron discharge device, which has a hollow resonator and a reflective electrode to generate an electron beam, after it has passed the resonator where it is velocity modulated back to reflect to the resonator, characterized in that the transit time of the electrons is lower is as four periods of the vibrations that are generated during operation.

2. Circuit arrangement according to claim 1, characterized in that the running time is η - ^x / ₄ , where η = ι or 2.

3. Electron discharge device for generating vibrations, in an arrangement according to claim 1, characterized in that the distance between the reflection point and the Resonator is so small that when a positive potential of the order of 1000 to 2000 volts with respect to the cathode of the device is fed to the resonator, the running time of electrons is less than four periods of the resonance frequency of the resonator.

4. Electron discharge device according to claim 3, characterized in that said distance is so small that the transit time is η - ¹ Ii , where η = ι or 2 is.

1 sheet of drawings

1*75 10.511 * 75 10.51