DE853015C - Lauffeldroehre fuer Verstaerkerzwecke - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Lauffeldverstärkerrö'hre mit einer Verzögerungsleitung, die einer gewissen Anzahl gekoppelter Stromkreise äquivalent ist, an denen eine elektromagnetische Welle sich mit einer Geschwindigkeit fortpflanzt, die kleiner ist als die des Lichts und annäherungsweise gleich der der Elektronen in einem Elektronenbündel, das sich im Innern dieser Leitung fortbewegt. Die Verstärkung wird durch Wechselwirkung mit der Laufwelle und dem Elektronenstrahl erreicht.

Nach der Erfindung sind diese Art Röhren mit einer Verzögerungsleitung ausgerüstet, in welcher die Verzögerung mittels Schütze, Schlitze, Blenden oder Hohlräume, die in einer oder beiden Wänden der Leitung eingerichtet sind, stattfindet. Die Verstärkung und der Wirkungsgrad einer Röhre mit einer solchen Verzögerungsleitung wird dadurch erhalten und verbessert, daß in der Nachbarschaft des Eintritts des Elektronenbündels das fortgeleitete Wellenfeld einen elektrischen Vektor besitzt, der scharf senkrecht zur Richtung des Elektronenbündels steht, während in der Nachbarschaft am Ausgang die longitudinal Komponente des elektrischen Feldes in der Richtung des Elektronenbündels und der Fortpflanzung der Welle bedeutend stärker ist als die senkrecht zum Bündel stehende Komponente.

In den Abb. ι bis 4 ist die Arbeitsweise einer Röhre beschrieben, die mit einer derartigen Verzögerungsleitung ausgerüstet ist.

In der Abb. 1 ist die Arbeitsweise beschrieben. Die Abb. 2 bis 4 stellen Ausführungsformen der Erfindung dar. Die Lauffeldröhre ist durch ein

Elektronenbündel gekennzeichnet, das sich in Richtung der Welle fortbewegt (etwax), einem in der Zeit konstanten elektrischen Felde E, das senkrecht zu χ gerichtet ist, etwa in der Richtung y, und einem ebenfalls in der Zeit konstanten magnetischen Felde, das senkrecht zu χ und y gerichtet ist, etwa in der Richtung z.

Eine Welle, die auf der Verzögerungsleitung läuft, muß in der Nächbarschaft des Eintritts eine ίο Gruppierung der Elektronen hervorrufen, während in der Nachbarschaft des Ausgangs eine Wechselwirkung zwischen der Welle und dem Bündel in der Art stattfindet, daß die Energie der Elektronen auf die Welle übertragen wird und so eine Ver-Stärkung der Amplitude und infolgedessen auch der Leistung erhalten wird.

In der Abb. 1 ist schematisch das elektrische Feld einer Welle dargestellt, die sich längs einer Verzögerungsleitung fortpflanzt, wobei die Verzögerung mittels Schlitze 1, 1 usw. bewirkt wird, die in einer der Wände 2 oder 3 der Wellenleitung angeordnet sind. Die Feldgeschwindigkeit der Welle ist angenähert gleich der Geschwindigkeit der Elektronen in der Richtung x. Die magnetische Feldstärke, die in der Richtung ζ wirksam ist, wirkt auf die Beschleunigung eines Elektrons (e in der Abb. 1) immer senkrecht zum elektrischen Feld. Eine Gruppierung der Elektronen im Innern der fortschreitenden Welle wird durch Beschleunigung oder Verzögerung in der Richtung χ erhalten. Die Gruppierung wird durch die Komponente des elektrischen Feldes der Welle erhalten, die die Richtung y hat, d. h. durch den elektrischen Vektor der Welle, der senkrecht zur Fortpflanzung der Welle steht und zu der des magnetischen Feldes. Hieraus folgt, daß die Gruppierung um so wirksamer wird, je stärker die Komponente des elektrischen Vektors ist, die senkrecht zur Fortpflanzungsrichtung der Welle und zu der des Elektronenbündels steht.

Nach der Gruppierung der Elektronen muß ihre Energie auf die Welle übertragen werden, um Verstärkung zu erhalten. Diese Verstärkung wird durch den elektrischen Vektor der Welle erhalten, der in der Richtung χ gerichtet ist. Durch das vorhandene magnetische Feld bremst der elektrische Vektor nicht das Elektron, sondern er verursacht eine Bewegung -desselben in der Richtung y nach der Anode zu, ohne die Komponente seiner Geschwindigkeit in der Fortpflanzungsrichtung zu ändern. Das Elektron wird also von der Anode aufgefangen mit einer Energie, die kleiner ist als diejenige, welche ihrem Potential entspricht, wodurch die Differenz der Energie auf die Anode übertragen wird und dort ihre Entdämpfung hervorruft.

Diese Betrachtungen zeigen die Wirkung des transversalen elektrischen Vektors auf die Gruppierung und des' longitudinalen Vektors auf die Übertragung der Leistung. Die erste Wirkung ist •zwischen dem Eingang und dem Punkt der Röhre erwünscht, der ungefähr in der Mitte gelegen ist. Die Erfindung schlägt also Maßnahmen vor, durch welche in der Nachbarschaft des Eingangs das transversale elektrische Feld der Welle sehr stark ist gegenüber dem longitudinalen Feld, während in der Nachbarschaft am Ausgang das longitudinal Feld stärker bevorzugt wird mit dem Ziel, die Übertragung der Energie vom Bündel auf die Welle viel wirksamer zu gestalten.

Diese Wirkung wird durch eine Abänderung der Dimensionen längs der Verzögerungsleitung erhalten und viel spezieller durch eine Abänderung der Breite der Schlitze, Blenden usw. oder des Abstandes der Leiterwände. Es ist aber noch eine ergänzende Bedingung iür das Arbeiten der Röhre zu erfüllen. Längs der Verzögerungsleitung ist die Geschwindigkeit der Welle näherungsweise derjenigen der Elektronen gleich zu halten. Diese Gleichheit in der Geschwindigkeit ist notwendig, um die Verstärkungswirkung der Welle durchzuführen. Wenn also etwa bei Variation der Dimensionen der Feldverlauf abgeändert wird, sind andere Vorrichtungen einzuführen, durch welche die Gleichheit der Geschwindigkeiten gesichert wird, wobei gleichzeitig die angewendeten Modifikationen des Feldverlaufs aufrechtzuerhalten sind.

Die Abb. 2 bis 4 zeigen schematisch drei Ausführungsbeispiele von Konstruktionen für die Verzögerungsleitung, bei denen am Eingang das Feld eine vorwiegend senkrecht wirksame Komponente besitzt, während in der Nachbarschaft des Ausgangs das longitudinale Feld ohne Verlust des transversalen Feldes wächst, wobei die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Welle näherungsweise gleich der der Elektronen längs ihres Laufweges ist.

In der Abb. 2 wird die Änderung der Feldverteilung durch eine Änderung der Schlitzweite erhalten. Für breite Schlitze ist das transversale Feld Ey viel stärker als für enge Schlitze. Das longitudinale Feld E_x wächst, wenn die Weite des Schlitzes abnimmt. Für die gestellte Aufgabe erhält also die Verzögerungsleitung in einer ihrer Wände 2 die Schlitze 1, 1', 1", deren Breite in Richtung des Elektronenlaufs kleiner wird. Die gesamte Leitung 2 befindet sich in bezug auf die andere, 3, auf einem positiven Potential, so daß · man eine konstante Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Welle längs des Elektronenlaufs durch eine no Variation der Tiefe der Schlitze erhält, die zunehmen muß, wenn die Breite der Schlitze abnimmt.

Ein anderes Verfahren zur Abänderung der elektrischen Feldverteilung längs der Verzögerungsleitung ist in der Abb. 3 dargestellt. In diesem Falle bleibt die Breite der Fenster konstant, aber der Abstand der Wände d wird größer vom Eintritt an nach dem Ausgang zu in der Richtung x', wodurch eine Abnahme des tranversalen elektrischen Feldes und eine Zunahme des magnetischen in der gleichen Richtung erhalten wird. Die Vergrößerung der Breite zwischen 2 und 3 läßt die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Welle steigern, während die Geschwindigkeit der Elektronen abnimmt.

Die Geschwindigkeit der Elektronen ist durch

die Formel gegeben:

B ■ d

(i)

wo V die Spannung zwischen 2 und 3 bezeichnet und B den Wert der magnetischen Induktion.

Es ist also notwendig, die Geschwindigkeit der Welle auf diejenige der Elektronen durch eine angepaßte Variation der Tiefe der Schlitze 1, 1' durchzuführen, wie es in der Abb. 3 dargestellt ist. Die in den Abb. 2 und 3 dargestellten Systeme sind von ebenem Charakter. Die Erfindung ist aber auf derartige Formen der Verzögerungsleitung nicht beschränkt. Die Prinzipien der Erfindung sind ebenso auf Systeme mit kreisförmigem Schnitt anwendbar. Die Abb. 4 stellt ein Beispiel einer solchen Ausführungsform dar.

Die beiden Teile der Verzögerungsleitung sind mit 4 und 5 bezeichnet. Die Eintrittsleitung 4 ist derartig durchgeführt, daß das elektrische Feld der Welk stark radial gerichtet ist, was durch eines der angegebenen Verfahren in den Abb. 2 und 3 zu erreichen ist, z. B. mittels Schlitze 1 von einer relativ großen Breite. Andererseits ist in der Ausgangsleitung 5 das longitudinale elektrische Feld viel ausgeprägter, indem man z. B. viel engere Schlitze 1' vorsieht. Die beiden Teile sind voneinander getrennt und auf verschiedenem Potential F₄ und V- gehalten. Die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Wellen ist in beiden Teilen verschieden infolge der verschiedenen Dimensionierung der Schlitze 1 und 1' und der Hohlräume 11 und 11', die den Schlitzen zugeordnet sind. Man wählt die Werte F₄ und F- derart, daß in jedem Teil die durch die Gleichung (1) gegebene Geschwindigkeit der Elektronen gleich der Geschwindigkeit der Welle ist.

Die Abb. 4 zeigt andererseits die Kathode 6 der Röhre, die in der inneren Elektrode 3 der Verzögerungsleitung angeordnet ist, einen Panzerschirm 7, durch den eine elektronische und elektromagnetische Rückkopplung des Ausgangs auf den Eingang abgeschirmt wird, und zwei Kopplungsschleifen 8 und 9, die zur Einführung der Eingangsleistung und zur Abnahme der verstärkten Leistung dienen. Außerdem ist in 10 ein isolierter Querriegel angeordnet mit hohen Verlusten, der eine starke Dämpfung der reflektierten Wellen in der Ausgangsleitung hervorruft und eine Rückkopplung der Ausgangswelle nach dem Eingang im entgegengesetzten Sinne des Elektronenlaufs vermeidet. Die Feldlinien des üblichen transversalen magnetischen Feldes sind in B bezeichnet.

Auch bei ebenen Systemen kann man gleichfalls die Verzögerungsleitung in zwei Teile aufteilen, wobei der Eintrittsteil ein elektrisches Feld der Welle besitzt, das wesentlich senkrecht gerichtet ist, und der Ausgangsteil ein wesentlich longitudinal gerichtetes elektrisches Feld, und man kann diesen Teilen eine verschieden konstante Spannung erteilen in der Art, daß in jedem Teile die Geschwindigkeit der Elektronen näherungsweise gleich der der Welle ist.

Es ist bereits erwähnt worden, daß ein Vorteil der Röhre nach der Erfindung in einer Erhöhung der Verstärkung und der Leistung im Vergleich zu einer Röhre besteht, die dasselbe Verhältnis des transversalen Feldes im Vergleich zum longitudinalen längs der Verzögerungsleitung besitzt. Das System nach Abb. 1 besitzt aber noch einen weiteren Vorteil. Es ist auseinandergesetzt worden, daß die Gruppierung der Elektronen mit Hilfe einer Wechselwirkung zwischen dem Bündel und dem transversalen oder radialen Feld der Welle erreicht worden ist, während die Energieübertragung des Bündels auf die Welle durc'h das longitudinale Feld bewerkstelligt ist.

In dem System nach Abb. 4 sind das longitudinale Feld des Eingangsteils 4 und infolgedessen die Energieübertragung in ihrem ersten Teile indessen ziemlich schwach. Die Welle ist infolgedessen nur wenig verstärkt vom Eingang bis zum Ausgang dieses Teils. Hieraus folgt der Vorteil, daß die Gefahr der Selbsterregung der Eingangsleitung sehr gering ist, obgleich diese Gefahr mit der Zunahme der Verstärkung in dem Stromkreise wächst.

Claims (7)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Lauffeldröhre für Verstärkerzwecke, bei der ein Elektronenbündel einer Verzögerungsleitung zugeordnet ist und unter der Ein- wirkung eines elektromagnetischen Feldes steht, das sich längs der Wellenleitung fortpflanzt, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerungsleitung aus zwei Leitern besteht, zwischen denen der Elektronenstrahl sich bebewegt, wobei die Verzögerungsleitung eine vorbestimmte Dimensionierung derart besitzt, daß die Komponente des elektrischen Feldes der Welle, die senkrecht auf der Eortpflanzungsrichtung steht, in der Fortpflanzungsrichtung abnimmt, während die longitudinale Komponente des gleichen Feldes in derselben Richtung zunimmt.

2. Elektronenröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Leiter der Verzögerungsleitung Schlitze besitzt, die nach einem vorbestimmten Gesetz in ihrer Dimensionierung derart geändert werden, daß die Komponente des elektrischen Feldes der Welle, die senkrecht auf der Fortpflanzungsrichtung des Bündels steht, abnimmt und die longitudinale Komponente desselben Feldes in der gleichen Richtung zunimmt.

3. Elektronenröhre nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Leiter der Doppelverzögerungsleitung Hohlräume besitzt, die nach einem vorgegebenen Gesetz in ihren Dimensionen geändert sind.

4. Elektronenröhre nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der Verzögerungsleitung mit zwei Leitern, die längs der

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Fortprlanzungsrichtung des Bündels verlaufen, wenigstens ein Leiter dieser Leitung Schütze enthält, die, ttm der Leitung die Verzögerungseigenschaften zu verleihen, eine Änderung der Dimensionen der Schütze nach einem vorgegebenen Dimensionsgesetz zulassen.

5. Elektronenröhre nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den beiden Leitern der Verzögerungsleitung nach einem bestimmten Gesetz geändert wird.

6. Röhre nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitung in zwei Abschnitte geteilt ist, die auf einem verschiedenen konstanten Potential gehalten werden, und daß eine verschiedene Dimensionierung der Elemente der Verzögerungsleitung in jedem der genannten Abschnitte vorgenommen ist.

7. Elektronenröhre nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß in der in zwei Abschnitte geteilten Leitung, die ein verschiedenes konstantes Potential führen, einer Isoliertrennung mit hohen Verlusten zwischen beiden Abschnitten geschaltet ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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