DE857550C

DE857550C - Elektronen-Entladungseinrichtung mit Schaltungsanordnung zum Betrieb mit Hoechstfrequenzen

Info

Publication number: DE857550C
Application number: DER1678A
Authority: DE
Inventors: Andrew V Haeff
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1941-01-18
Filing date: 1950-05-06
Publication date: 1952-12-01
Also published as: BE474640A; US2528138A; US2447461A

Description

(WiGBl. S. 175)

AUSGEGEBEN AM 1. DEZEMBER 1952

R 1678 VIIIcI Jig

Die Erfindung bezieht sich auf Elektronen-Entladungseinrichtungen und zugehörige Kreise mit verbesserten Betriebseigenschaften, insbesondere zur Verwendung bei Höchstfrequenzen.

Es hat sich gezeigt, daß Röhren mit gewöhnlichen Gittern für die Stromsteuerung auch für den Betrieb bei Höchstfrequenzen gut geeignet sind und ihren charakteristischen Vorzug einer hohen Steilheit behalten. Indessen l>esteht eine der im Betrieb von Verstärkerröhren bei Höchstfrequenzen auftretenden Schwierigkeiten in dem Vorhandensein einer beträchtlichen Belastung in dem Eingangskreis, die sich darin auswirkt, daß ein übermäßiger Energiebetrag für die Steuerung der Röhre benötigt wird. Dadurch wird die effektive Leistungsverstärkung der Röhre bei Betrieb als Verstärker herabgesetzt.

Die grundlegenden Ursachen einer hohen Eingangsbelastung sind: ι. Strahlungs-Widerstands- und Ohmsche Verluste durch hohe zirkulierende ao Ströme in den Elektroden und Zuleitungen; 2. Elektronenbelastung, die von der Wechselwirkung des Elektronenstromes mit dem Kreis herrührt, einschließlich gegen- oder rückkoppelnde Effekte, die durch die Zuführungsimpedanz hervorgerufen werden.

Zur Verminderung der Ohmschen Widerstandsverluste müssen innere Zuführungen und äußere Leiter verwendet werden, die aus einem Stoff hoher Leitfähigkeit bestehen und große Oberfläche aufweisen. Außerdem müssen Kapazitäten zwischen den Elektroden soweit wie möglich vermindert werden, um zirkulierende Ströme möglichst herabzusetzen. Zur Verminderung von Strahlungsverlusten müssen vollkommen abgeschirmte Kreise der gebräuchlichen Bauart oder geschlossene Hohl-

raumresonatoren verwendet werden. Solche Re sonatoren werden vorliegend als verlustarme Im pedanzen bezeichnet.

Durch die Erfindung soll in erster Linie eine Elektronen-Entladungseinrichtung und ein züge höriger Kreis geschaffen werden, bei welchen die Elektronenbelastung bei Benutzung mit Höchstfrequenzen wesentlich vermindert oder vollständig neutralisiert ist.
ίο Weiterhin bezweckt die Erfindung die Schaffung einer Elektronen-Entladungseinrichtung, bei der Ohmsche und Strahlungswiderstandsverluste bei Benutzung mit Höchstfrequenzen möglichst gering sind.

Gemäß der Erfindung ist bei einer Elektronen-Entladungseinrichtung mit zugehörigen Kreisanordnungen für Betrieb mit Höchstfrequenz, die eine Kathode für die Elektronenerzeugung, eine Anode für die Abnahme der Elektronen und wenigstens zwei längs der Bahn des Elektronenstromes zwischen Kathode und Anode angeordnete durchbrochene Elektroden besitzt, eine verlustarme Impedanz zwischen diesen durchbrochenen Elektroden oder zwischen Kathode und einer von der Kathode entfernten Elektrode eingeschaltet, in welcher Impedanz Energie als Folge des Durchgangs von Elektronen in dem Raum zwischen den beiden durchbrochenen Elektroden oder zwischen der Kathode und der entfernten Elektrode entwickelt und durch eine Kopplungseinrichtung in solcher Phase und solcher Größe auf eine zweite verlustarme Impedanz rückgekoppelt wird, die zwischen der Kathode und einer dieser l>enachbarten Elektrode eingeschaltet ist, daß die in dem Raum zwischen der Kathode und der benachbarten Elektrode absorbierte Energie im wesentlichen ausgeglichen und dadurch die Elektronenbelastung vermindert wird.

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung beschrieben und erläutert. In der Zeichnung zeigen

Fig. ι und 2 schematische Darstellungen von Elektroden und der Elektronenbewegung zwischen den Elektroden,

Fig. 3 und 4 schematische Darstellungen von gewohnlichen Röhren und ihrer Betriebsweisen,

Fig. 5 und 6 Kurven, welche die Beziehung der Elektronenbelastung (Konduktanz) und der Elektronenlaufzeit der Röhren nach Fig. 3 und 4 darstellen,

Fig. 7 bis 10 schematische Darstellungen von Röhren und Kreisen gemäß der Erfindung,

Fig. 11 einen Längsschnitt einer Elektronen-Entladungseinrichtung gemäß der Erfindung, Fig. 11 a einen Schnitt nach Linie ΐΐ^α-ΐΐ^α der Fig. 11,

Fig. 12, 13 und 14 Längsschnitte von anderen Ausführungsformen von Elektronen-Entladungseinrichtungen gemäß der Erfindung, Fig. 14a einen Schnitt nach Linie 14"-14" der Fig. 14.

Zum besseren Verständnis der Wirkung der Elektronenbelastung wird der Mechanismus der Rückwirkung zwischen dem Elektronenstrom und den Elektroden, mit welchen Kreise verbunden sein können, erörtert. Es sei ein System von zwei Elektroden 10 und 11 nach Fig. 1 betrachtet. Es wird angenommen, daß Elektronen von der Elektrode 10, die eine Kathode sein kann, zu der Elektrode 11 wandern, die eine Anode sein kann. Während des Elektronendurchgangs tritt an den Elektroden ein Ladungsspiegelbild auf, das in der Größe der in jedem Augenblick innerhalb des Elektrodenzwischenraumes anwesenden Gesamtladung gleich ist. Die Aufteilung der Spiegelbildladung zwischen den beiden Elektroden hängt im allgemeinen von der augenblicklichen Verteilung der innerhalb des Elektrodenzwischenraumes bewegten Ladungen und von der Konfiguration der Elektroden ab. Der in einer Elektrode durch Bewegung einer Ladung induzierte Strom i ist gleich der Änderungsgeschwindigkeit der auf der Elektrode infolge der bewegten Ladung induzierten Spiegelbildladung. Der in der Elektrode durch den Elektronenstrom induzierte augenblickliche Gesamtstrom ergibt sich durch Summierung der von allen in dem Elektroden-Zwischenraum bewegten Ladungen induzierten Einzelströme. Wenn zwischen den Elektroden 10 und 11 eine Potentialdifferenz auftritt, muß auch der von der Kapazität zwischen den Elektroden herrührende Verschiebungsstrom in Rechnung gestellt go werden.

Es sei nun ein Dreielektrodensystem betrachtet, das beispielsweise aus einer Kathode 10, einem Steuergitter 12 und der Anode 11 einer Triode besteht. Zwei Räume müssen betrachtet werden. Der in der Zwischenelektrode 12 (Fig. 2) induzierte Gesamtstrom wird von bewegten Ladungen in l>eiden Räumen, 10-12 und 12-11, l>eigesteuert, und der Gesamtstrom ist gleich der Vektorsumme der beiden Ströme. Die von dem Elektronenstrom in den Räumen 10-12 und 12-11 erzeugte oder absorbierte Energie hängt von dem betreffenden Strom, von der Spannung und dem Phasenwinkel zwischen Strom und Spannung in jedem Raum ab. So wird die in den Räumen 10-12 und 12-11 erzeugte oder absorbierte Energie

"10-12 ^{= J}10-12 '10-12
^W11rVl = «12-11 F₁₂C₁₁

^C0S **10 12 > COS Φ₁₂._η .

In einem allgemeineren Fall, wie z. B. bei einer Triode mit geringem μ (Verstärkungsfaktor), wo die elektrischen Felder aus dem Raum 12-11 erheblich in den Raum 10-12 eindringen können, muß auch eine direkte Rückwirkung zwischen den Elektroden 11 und 10 in Betracht gezogen werden, so daß eine Energie

^{= 4}IOIi F₁₀-H ^cos Φ10-11

auch in Rechnung zu stellen ist.

Zur Verminderung der Elektronenbelastung muß die Gesamtenergie auf ein Minimum vermindert werden. Dies kann erreicht werden durch die Wahl von solchen Strömen, Spannungen und ihren

Phasen, daß die Gesamtenergie W = FF_1-2 -f- W₂₃ 4- ... ein Minimum ist, wobei die

Indizes ι, 2, 3 ... verschiedene Elektroden bezeichnen.

Bei einer gewöhnlichen Tetrode mit negativem Gitter, die bei niedrigen Frequenzen betrieben wird, ist die Eingangselektrodenbelastung vernachlässigbar klein, wenn die Steuerspannung in der gewöhnlichen Weise zwischen Gitter und Kathode zugeführt wird, so daß die Spannung ebenfalls zwischen dem Steuergitter G und dem Schirm S (vgl. Fig. 3) erscheint. Der hochfrequente Elektronenstrom, der in dem Raum G-S ül>ergeht, ist sehr annähernd dem Strom in dem Raum C-G gleich und in der Phase entgegengesetzt, so daß die gesamte Steuerleistung sehr annähernd Null ist W = iVc-_G — iV_G._s ~ o.

Hingegen wird in einem Kreis wie in Fig. 4, wo die Steuerspannung nur zwischen Gitter und Kathode zugeführt wird, aber nicht zwischen Gitter und Schirm auftritt, die Belastung bei ao niedrigeren Frequenzen sehr erheblich sein. Diese Belastung lx?ruht darauf, daß selbst wenn ein Strom, der dem Strom in dem Raum C-G gleich ist, in dem Raum G-S fließt, in diesem Bereich keine Wechselspannung vorhanden ist und daher in dem Raum G-S keine Energie entwickelt wird, um die in dem Raum C-G absorbierte Energie auszugleichen.

Wenn die Steuerfrequenz erhöht wird, wird der Kreis nach Fig. 3 eine Elektronenbelastung aufweisen, die anfänglich mit der Frequenz wächst. Diese Belastung beruht darauf, daß mit zunehmender Elektronenlaufzeit die Amplituden und Phasen von Strömen in den Räumen C-G und G-S sich in solcher Weise ändern, daß die in den beiden Räumen absorbierten und erzeugten Energiebeträge sich nicht mehr ausgleichen. Im Fall eines Steuergitters mit hohem //, wenn die Abstände und Gleichspannungen so sind, daß die Elektronenlaufzeit G-S zu vernachlässigen, ist gegenül>er der Laufzeit C-G, zeigt die Untersuchung, daß die Elektronenbelastung (Konduktanz) sich mit der Laufzeit wie in Fig. 5 gezeigt, ändern wird.

In dieser Figur stellen die Ordinaten der Kurve

das Verhältnis

dar, wo G die auf Elektronenbewegungen beruhende Konduktanz des Gitters G, und Gm₀ die Steilheit des Gitters G bei einer sehr niedrigen oder Frequenz Null ist, d. h. wenn die Elektronenlaufzeit gegen die Dauer einer Periode der Frequenz der zugeführten Spannungen zu vernachlässigen ist. Die Abszissen stellen das Verhältnis -JL dar, d. h. das Verhältnis der Elektronenlaufzeit zu der Schwingungsperiode der zugeführten Wechselspannung. Die Elektronenbelastung wächst schnell mit der Laufzeit, erreicht ein Maximum bei dem Wert der Laufzeit τ gleich 0,85 der Schwingungsperiode T und geht dann unter idealen Bedingungen durch Null und wird negativ. Für den Fall des Kreises nach Fig. 4 wird die Änderung der Elektronenbelastung mit der Laufzeit in Fig. 6 dargestellt. Ausgehend von ihrem Höchstwert bei niedriger Frequenz nimmt die Belastung mit zunehmender Frequenz ab.

Diese Kurven zeigen, daß für gewisse Werte des Elektronenlaufzeitwinkels, d. h für gewisse Werte des Verhältnisses

r Laufzeit

T Schwingungsperiode

die Belastung selbst bei den gebräuchlichen Eingangskreisen klein ist. Indessen liegen die Werte der Frequenz und der Betriebsspannungen für diese optimalen Bedingungen häufig außerhalb des brauchbaren Betriebsbereichs der Röhren. Die Röhren könnten für diese optimale Bedingung ausgelegt werden, jedoch erfordert dies im allgemeinen einen Kompromiß, so daß die hohe Steilheit teilweise geopfert werden muß. Durch die Erfindung werden Mittel geschaffen, um die Elektronenbelastung in einem weiten Bereich von Frequenzen und Betriebsspannungen zu neutralisieren, ohne daß die üblichen Eigenschaften der Röhre, wie z. B. die hohe Steilheit, irgendwie geopfert werden müssen.

Nach einem allgemeinen Schema wird zusätzlich zu der zwischen Kathode und Steuergitter zugeführten Steuerspannung zwischen dem Steuergitter und dem Schirmgitter eine Spannung von solcher Größe und Phase entwickelt, daß in dem Steuergitter-Schirmgitter-Raum Energie erzeugt wird, und diese Energie wird in den Kathode-Steuergitter-Kreis zurückgekoppelt, so daß sie die in dem Kathode-Steuergitter-Raum absorbierte Energie ausgleicht.

Fig. 7 zeigt die schematische Schaltung eines solchen Kreises. Eine Impedanz Z₂ wird zwischen das Schirmgitter S und das Steuergitter G mit solcher Größe und solchem Phasenwinkel eingeschaltet, daß der Strom ig-s ^an dieser Impedanz eine Spannung V₂ erzeugt. Die Energie W₉ = i_G._s V₂ cos (ig-s V₂), die in dem Raum G-S erzeugt wird, wird dann mittels eines Kopplungskreises Z₀ auf den Steuergitter-Kathode-Kreis Z₁ rückgekoppelt. Die Impedanzen Z₁ und Z₂ haben gewöhnlich die Form von abgestimmten Kreisen, und die Kopplungsimpedanz Z₀ kann die Elektrodenkapazität oder ein Hilfskopplungselement sein.

Eine abgeänderte Ausführung des in Fig. 7 gezeigten Kreises ist schematisch in Fig. 8 dargestellt, wo die ImpedanzZ₂ zwischen dem Schirm JT und die Kathode C anstatt zwischen Schirm 5" und Steuergitter G geschaltet ist. Die Kopplung zwischen den Kreisen Z₁ und Z₂ wird durch die Kapazität zwischen Steuergitter und Schirm gebildet oder kann durch einen Hilfskopplungskreis Z₀ ergänzt werden. In Fig. 7 und 8 sind normale Ausgangskreise mit zwischen Anode und Schirm geschalteten Ausgangsimpedanzen Z vorgesehen. Indessen können Ausgangskreise anderer Art verwendet werden, da das vorgeschlagene Schema zur Neutralisierung der Eingangsbelastung in keiner Weise von dem Energieentzug aus dem Ausgangskreis abhängt. Fig. 9 zeigt schematisch den Kreis zur Neutralisierung der Eingangs-

belastung in Kombination mit einem induktiven Ausgangskreis Z. Der Ausgangskreis Z ist hier zwischen die beiden Schirmelektroden S₁ und S₂ geschaltet. Das Fanggitter ist mit ^₃ und die Sammelelektrode mit A bezeichnet. Fig. io zeigt schematisch den Eingangskreis der Fig. 8 in Kombination mit dem induktiven Ausgangskreis. In den oben beschriebenen Schaltbildern sind nur die wesentlichen Hochfrequenzkreise angegeben. Block-, Erdungs- und Überbrückungskondensatoren, die zur Isolierung der Elektroden gegen Gleichstrom vorgesehen werden, damit verschiedene Gleichspannungen verschiedenen Elektroden zugeführt werden können, sind nicht dargestellt. Eine praktische Ausführung der Erfindung in Anwendung bei einer sog. Röhre mit induktivem Ausgang ist im einzelnen in Fig. 11 dargestellt. Kurz gesagt, besteht diese Röhre aus einer Kathode zur Erzeugung eines Elektronenstrahls und einem Sammler zur Abnahme der Elektronen. Ein Modulationsgitter ist neben der Kathode angeordnet, um den zu dem Sammler gehenden Elektronenstrahl zu modulieren. Der Strahlweg wird von einem Hohlraumresonator umgeben, der aus einem Hohlkörper mit einem sich durch ihn erstreckenden Durchgang besteht, durch welchen der Strahl hindurchtritt. Der Durchgang ist mit einem Spalt versehen, der in einer quer zu dem Strahlweg verlaufenden Ebene liegt. Wenn der modulierte Elektronenstrahl den Spalt durchsetzt, wird Energie von dem Strahl auf den Hohlraumresonator übertragen, der den Ausgangskreis der Röhre bildet und mit einem Strahler oder einem Verstärker gekoppelt sein kann.

Nach Fig. 11 ist die Röhre mit einer konkaven Flächenkathode 15 ausgerüstet, die aus Tantal bestehen kann. Diese Kathode wird durch Elektronenbombardement aus einer Hilfskathode 16 erhitzt, die z. B. in Form einer Wolframspirale ausgebildet und von einem Bündelungsschirm oder Napf 17 umgeben ist, der die Elektronen aus dem Heizfaden auf die Kathode 15 richtet. Die Kathodenspirale 16 wird durch Zuführungen 18 und 19 mit Heizstrom gespeist und die Hauptkathode 15 am Ende eines rohrförmigen Körpers 15' getragen, mit welchem die Kathodenleitung 20 elektrisch verbunden ist. Der Elektronenstrahl wird mittels eines Gitters 21 moduliert und geht durch ein Paar von rohrförmigen Beschleunigungselektroden 22 und 23, die durch einen Spalt 24 getrennt sind. Die Elektronen werden von der Sammelelektrode 25 aufgenommen, die mit einem Kühlmantel 26 zur Kühlung der Sammelelektrode versehen ist.

Die Beschleunigungs- und Schirmelektroden 22 und 23 sind zylindrisch bzw. konisch geformt, um die Absorption eines Elektronenstromes aus dem Strahl, der sich ausbreiten kann, zu vermeiden. Der Ausgangskreis 13 ist ein geschlossener Hohlraumresonator und besteht aus zwei konisch gestalteten Metall flächen 27 und 2j'', die am Umfang durch ein kurzes zylindrisches Teil 27" verbunden sind. Der Spalt in dem Hohlraumresonator paßt zu dem Spalt zwischen den Beschleunigungselektronen 22 und 23, an welchen die konisch geformten Seiten des Hohlraumresonators befestigt und elektrisch verbunden sind.

Die Kathode 15 ist in einem zylindrischen Tragrohr 29 angebracht, wobei aus Isoliermaterial bestehende Ringe 28 die rohrförmige Kathodenverlängerung 15' gegen das Tragrohr 29 isolieren, jedoch zwischen ihnen eine kapazitive Kopplung zulassen. Die Zuleitungen für den Heizdraht und die Kathode werden mittels des Rohrkörpers 29 abgeschirmt, der als inneres Teil eines aus einer konzentrischen Leitung bestehenden Kreises dient. Das Steuergitter 21 wird an dem Ende eines Rohrkörpers 30 von zylindrischer Form getragen, das den inneren Rohrkörper 29 koaxial umgibt und den Außenkörper des konzentrischen Kreises bildet, wobei die Enden durch Scheibenkörper 31 und 31' verschlossen sind. Der Kathode-Gitter-Kreis wird durch die Rohrkörper 29 und 30 gebildet, die den Innen- und den Außenleiter einer von der Verschlußscheibe 31 kurzgeschlossenen konzentrischen Leitung bilden. Dieser Kathode-Gitter-Kreis, der auch als ein Hohlraumresonatortopfkreis bezeichnet werden kann, entspricht der Impedanz Z₁ der Fig. 9. Die große Kapazität zwischen dem Kathodenträger oder der Verlängerung 15' und dem zylindrischen Körper 29 bildet einen Ne1>enweg für Hochfrequenzstrom von der Kathode zu dem Rohrkörper 29.

Das Verschlußteil 31 ist mit einer öffnung versehen, durch welche sich die Zuführungsdrähte 18, 19 und 20 erstrecken, und mit einem Kragen oder Ansatz 32, an welchem ein napfförmiges Isolierteil 33 angeschmolzen ist und durch welches die Leiter durchtreten und eingeschmolzen werden. Das napfförmige Teil 33 schließt das Innere der Kreise luftdicht ab.

Ein dritter Rohrkörper 34 von zylindrischer Form umgibt die l>eiden anderen Rohrkörper koaxial. Er ist mit Abschlußteilen 34' und 37' versehen, wobei ein Spalt 22' zwischen dem Verschlußteil 37' des Rohrkörpers 34 und dem Verschlußteil 31' des Rohrkörpers 30 vorgesehen ist. Der Raum zwischen den Zylindern 30 und 34 bildet einen Resonanzraum mit einer Impedanz zwischen dem Steuergitter und der Beschleunigungs- oder Schirmelektrode 22, die der in Fig. 9 gezeigten Impedanz Z₂ äquivalent ist.

Um einen Isolierträger zwischen den Beschleunigungs- und Schirmelektroden 22 und 23, welchen eine hohe positive Spanming im Betriebe zugeführt wird, und dem Gitter 21 zu schaffen, welchem eine negative Vorspannung zugeführt wird, trägt der Zylinder 34 den Topfkreis 13 mittels eines isolierenden Glaszylinders oder Ringes 35, der mit den zylindrischen Ringkörpern 36 und 37 dicht verbunden ist, die an dem zylindrischen Körper 34 bzw. an der Wand 27' des Topfkreises getragen werden. Die hohe Kapazität zwischen dem Endteil 37' des zylindrischen Körpers 34 und der benachbarten Wand des Topfes dient als Überbrückung für zirkulierende Hochfrequenzströme, so daß die Hochfrequenzpotentialdifferenz zwischen

dem Rohrkörper 34 und der Topfwand auf einen vernachlässigbaren Wert herabgesetzt wird. Der Sammler 25 wird in gleicher Weise von der anderen Wand 27 des Topfkreises getragen, an welcher ein Verlängerungskragen 38 befestigt ist. Der Kühlmantel des Sammlers ist mit einem Verlängerungskragen 39 versehen. Diese l>eiden Verlängerungen 38, 39 sind mit einem zylindrischen Isolierteil oder Kragen 40 dicht verbunden.

Die unabhängige Abstimmung aller Kreise wird mit Hilfe von Koll>enkondensatoren durchgeführt. So ist der äußere Rohrkörper 30 mit einem Kragen oder Ansatz 41 versehen, der eine öffnung in der Außenfläche des Rohrkörpers umgibt. Mit dieser »5 Verlängerung ist ein einspringendes Isolierrohr 42 verbunden, das sich durch diese öffnung und eine öffnung in dem inneren Rohrkörper 29 erstreckt, der mit einer die öffnung umgebenden Verlängerung 43 versehen ist. Dieses einspringende [solierrohr besteht vorzugsweise aus einem verlustarmen Glas oder Quarz. Der Abstimrnkolben 44 ist in dem einspringenden Isolierrohr eingesetzt und kann mittels finer Isolierstange 45 eingestellt werden, die mit dem Kolben verbunden ist. Eine Veränderung der Lage des Kolbens ändert die Kapazität zwischen den benachbarten Kreiselementen und bildet so ein Mittel zur Abstimmung der inneren Kreise. Für die Abstimmung des Schirmkreises ist eine Anordnung gleicher Art bei 46 vorgesehen, wobei der Rohrkörper 34 mit einer öffnung versehen ist, um die sich ein Kragen 41' erstreckt, während das einspringende Glasrohr sich in der napfförmigen Verlängerung 43' in dem Rohrkörper 30 erstreckt. Eine gleiche Anordnung ist allgemein l>ei 47 in dem Ausgangstopfkreis 13 dargestellt.

Die der Impedanz Z₀ in Fig. 9 entsprechende Kopplung zwischen den Kathode-Gitter- und Gitter-Schirm-Kreisen ist mittels einer geschlossenen Schleife 50 hergestellt, deren Lage mittels einer Einstellstange 51 einstellbar ist. Eine Verlängerung 48 auf dem äußeren Rohrkörper 34 umgibt eine öffnung, in welche ein einspringendes Glasteil 49 durch eine übereinstimmende öffnung in dem Rohr-

♦5 körper 30 eingreift. Die Lage der geschlossenen Schleife 50 bestimmt den Kopplungsgrad.

Die Steuerenergie für den Gitter-Kathoden-Kreis wird von einem Hochfrequenzerzeuger durch eine Schleife 52 zugeführt, die sich in einem einspringenden Teil 53 erstreckt, das in einer öffnung der Außenfläche des Topfkörpers 30 angeordnet ist. Der Ausgang aus dem Topfkreis wird mittels einer Schleife 54 erhalten, die sich in einem einspringenden Glasteil 55 erstreckt, das von dem Topfkreis getragen wird und sich durch eine öffnung in dem Topfkreis erstreckt.

Der innere Rohrkörper 29 wird durch eine Spannungsquelle 56 gegen die Kathode 15 negativ vorgespannt. Eine weitere Spannungsquelle 57 legt die Kathode 15 an eine höhere Spannung als der Heizfaden 16, so daß Elektronen die Rückseite der Kathode bombardieren. Der Heizstrom für den Heizfaden wird von einer Spannungsquelle 58 geliefert. Der Topfkreis 13 wird durch eine Spannungsquelle 59 auf einer hohen positiven Spannung gegen Kathode gehalten, die größer sein kann als die Spannung einer Spannungsquelle 60, die zwischen Sammler und Kathode geschaltet ist.

Im Betrieb wird die Eingangsspannung über die Schleife 52 dem Kathode-Gitter-Topfkreis zugeführt, der die Rohrkörper 29 und 30 umfaßt. Dadurch wird das Gitter 21 dazu veranlaßt, den von der Kathode 15 ausgehenden Elektronenstrahl zu modulieren. Dieser modulierte Elektronenstrahl geht durch den Spalt 22' in den Schirm-Steuergitter-Kreis, wobei Energie an den aus den Zylindern 30 und 34 bestehenden Hohlraumresonator geliefert wird, die durch eine Schleife 50 rückgekoppelt wird, um den Betrag der Steuerenergie möglichst klein zu machen. Der modulierte Strahl geht dann durch die Beschleunigungselektrode 22 und über den Spalt 24, um den Ausgangstopfkreis 13 zu erregen, wobei die verzögerten Elektronen von dem Sammler 25 bei einer geringeren Geschwindigkeit absorbiert werden. Der Ausgang aus dem Topfkreis wird mittels der sich innerhalb des Topfkreises erstreckenden Schleife 54 erhalten.

Wie ersichtlich, werden durch die in Fig. 11 gezeigte Bauart Verluste, die von den Elektronenbelastungseffekten in dem Eingangskreis herrühren, auf ein Minimum herabgesetzt. Ohmsche und Widerstandsverluste als Folge eines hohen zirkulierenden Stromes in den Elektroden und Zuführungen werden auf ein Minimum herabgesetzt, weil die verwendeten konzentrischen Leitungen und Hohlraumresonatoren aus einem Stoff hoher Leitfähigkeit bestehen und großen Durchmesser besitzen und weil für die Hochfrequenzströme ein wirksamer Nebenweg vorhanden ist. Strahlungsverluste werden wegen der abgeschirmten Kreise ioo auf ein Minimum herabgesetzt. Damit ist der dreifache Zweck der Erfindung erfüllt und eine Röhre geschaffen, die insbesondere zur Verwendung bei Höchstfrequenzen mit hohen Wirkungsgraden geeignet ist.

Fig. 12 zeigt einen Längsschnitt einer anderen Röhre gemäß der Erfindung, bei welcher alle Hohlraumresonanzkreise außerhalb des evakuierten Kolbens 70 angeordnet sind. Die konkav kugelförmig gekrümmte Kathode 71, die indirekt geheizt wird, ist mit Heizleitungen 72 und 73 versehen, wobei die letztere auch als Zuführung für die Kathode dient. Ein Steuergitter 74 ist dicht bei der Kathode angeordnet und hat dieselbe Form, während die Beschleunigungselektroden 75 und 76 von dem Glaskolben mittels der Zuleitungen 75' und 76' getragen werden. Der Sammler yy ist mit Strahlungsrippen 78 und einem Zuführungs- und Trägerdraht 79 ausgerüstet. Eine Fangelektrode 80 für Sekundärelektronen ist innerhalb des Sammlers neben seiner Mündung angeordnet und durch die Leitung 81 mit einem Punkt der Spannungsquelle 116 verbunden. Durch sie werden die innerhalb des Sammlers erzeugten Sekundärelektronen abgefangen.

Der Topfkreis 13 besteht aus zwei ebenen, kreisförmigen Metallscheiben 82 und 83, die an dem

Umfang mittels eines ringförmigen Teiles 84 miteinander verbunden sind. Der Ausgangsspalt wird zwischen zwei Elektroden 85 und 86 gebildet, die von den scheibenförmigen Seitenteilen des Topfkreises gehalten werden und mit ihnen elektrisch verbunden sind. Das Seitenteil 82 weist einen Ringansatz 87 auf, in welchem ein Zylinder oder Kragen 88 verschiebbar eingepaßt ist, um einen Abstimmkondensator für den Topfkreis zu bilden. Der Kragen ist mit einem radial hochstehenden Rand 89 versehen und wird mittels einer Isolierstange 90 an der Seite des Topfkreises eingestellt. Der Kondensatorzylinder wird auf der Elektrode 86 durch isolierende Ringkörper 91 und 92 verschieb-•5 bar getragen.

Der aus einer konzentrischen Leitung bestehende Kathode-Gitter-Kreis weist einen inneren Rohrkörper 93, der zur Abschirmung der Kathodenzuführungen dient, einen mit dem inneren Rohrao körper 93 koaxialen und konzentrischen äußeren Rohrkörper 94 und eine kurzschließende Scheibe 95 auf, welche die beiden Rohrkörper elektrisch verbindet. Die Kathode ist mit dem inneren Rohrkörper durch einen napfförmigen Ansatz 96 kapazitiv gekoppelt, der mit der Kathodenzuführung elektrisch verbunden und auf dem inneren Rohrkörper durch die Isolierhülse 97 isolierend befestigt ist. Das Gitter ist mit dem äußeren Rohrkörper durch Kontaktfedern 98 elektrisch verbunden. Der Hohlraumresonator für den Schirm-Gitter-Kreis besteht aus einem äußeren Rohrkörper 99, der den Körper 94 koaxial umgibt und durch einen scheibenförmigen Körper 100 kurzgeschlossen ist. Der Schirm-Steuergitter-Kreis wird durch einen Zylinder 103 abgestimmt, der mit einer Einstellstange 104 versehen und auf dem Rohrkörper 94 durch die ringförmigen Isolierteile 105 und 106 verschiebbar angeordnet ist. Um Energie aus dem Schirmgitter-Steuergitter-Kreis zu dem Kathode-Steuergitter-Kreis zurückzuführen, erstreckt sich ein L-förmiger Schleifenkörper 107 aus dem Raum zwischen den Körpern 94 und 99 durch eine öffnung in das Innere des Rohrkörpers 94. Die Einstellung erfolgt mittels einer Stange 108. Um den Kathode-Gitter-Kreis an eine Steuerquelle zu koppeln, ist eine Schleife 109 vorgesehen, die sich durch eine öffnung in den Rohrkörper 94 erstreckt. Der Ausgang aus dem Ausgangstopfkreis wird mittels einer Schleife 110 entnommen, die sich in eine öffnung in dem Teil 84 des Topfkreises erstreckt. Um den Elektronenstrahl in der Röhre zu bündeln, sind Solenoide in und 112 vorgesehen, die ein magnetisches Feld in Richtung der Röhrenachse erzeugen.

Die Gittervorspannung wird aus einer Spannungsquelle über einen Spannungsteiler 113' entnommen, während der Heizkreis der Kathode durch einen mit einer Spannungsquelle verbundenen Transformator 114 hergestellt wird. Der Topfkreis 113 wird gegen Kathode auf einem hohen positiven Potential durch eine Spannungsquelle 115 gehalten, die größer als die für den Sammler vorgesehene Spannungsquelle 116 sein kann.

Die Arbeitsweise dieser Anordnung ist im wesentlichen die gleiche wie im Fall der Fig. 11.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 13 dargestellt. In diesem Fall sind alle Elektroden und Kreiselemente in einem Kolben 119 eingeschlossen. Die konkav geformte Kathode 120 wird mit Elektronen aus einer Kathodenheizung 121 bombardiert, die von einem napfförmigen Bündelungs- und Abschirmungsteil 122 umgeben ist. Für die Heizung des Heizdrahtes 121 sind Zuführungen 123 und 124 und für die Kathode eine Zuführung 125 vorgesehen. Das Gitter 126 ist dicht neben der Kathode angeordnet, und der Elektronenstrahl verläuft durch aufeinanderfolgende Beschleunigungselektroden 127 und 128 zu einem Sammler 129, der an einer Zuführung 130 befestigt und mit einem von der Zuführung 132 gehaltenen Fangring 131 versehen ist.

DerKathode-Gitter-Topfkreis besteht aus den leicht gekrümmten scheibenförmigen Seitenteilen 133 und 134, die an ihrem Umfang durch ein ringförmiges Teil 135 elektrisch verbunden sind. Der innere Teil des Kreises ist mit einem Rohransatz 135' versehen, der mit dem Kathodenansatz 120' kapazitiv gekoppelt ist, wobei das Seitenteil 134 das Gitter 126 trägt. Der Schirmelektrode-Steuergitter-Hohlraumresonator besteht aus Seitenteilen 136 und 137, die an ihrem Umfang durch ein ringförmiges Teil 138 verbunden sind. Damit ist ein zweiter Hohlraumresonator geschaffen, der den Hohlraumresonator des Kathode-Steuergitter-Kreises umgibt. Die Beschleunigungs- oder Schirmelektrode 127 ist an der Wand 137 des Schirmelektrode-Steuergitter-Kreises befestigt. Der Hohlraumresonator-Ausgangs-Kreis besteht aus der Seitenwand 137, einer Seitenwand 139 und einem äußeren Ringteil 140, die am Umfang verbunden sind. Die Ringteile 140 und 138 sind im vorliegenden Fall als Verlängerungen dargestellt. Die Beschleunigungselektrode 128 wird von der Endwand 139 getragen, mit welcher sie verbunden ist.

Die Kopplung und Abstimmung der Kreise ist in gleicher Weise möglich wie bei den vorhergehenden Ausführungsformen der Erfindung. Demgemäß ist der Röhrenkolben mit einer Anzahl von einspringenden Teilen versehen, die sich durch Öffnungen in den verschiedenen Topfkreisen erstrecken und einen Durchgang für Kopplungsschleifen oder Abstimmkondensatoren bilden. Der Steuerkreis ist mit dem Gitter-Kathoden-Kreis durch eine Schleife 141 gekoppelt, die sich in einem einspringenden Teil 141' erstreckt. Der Schirmelektrode-Steuergitter-Topfkreis und der Steuergitter-Kathode-Topfkreis sind induktiv gekoppelt, um die Rückkopplung mittels einer Schleife 142 zu ermöglichen. Diese Schleife ist in einem einspringenden Teil 142' in dem Röhrenkolben untergebracht, welches sich durch öffnungen in den beiden Topfkreisen erstreckt. Die Abstimmung des Kathode-Steuergitter-Topfkreises wird mittels eines Abstimmkolbens 143 durchgeführt, der in einem einspringenden Rohr 144 verschiebbar angeordnet ist, das sich durch öffnungen in den Topfkreisen

und Ansätze 133' und 134' erstreckt, zwischen denen ein Spalt gebildet wird.

Die Abstimmung des Schirmelektrode-Steuergitter-Kreises wird mittels eines in einem einspringenden Glasrohr 146 untergebrachten Abstimmkolbens 145 durchgeführt. Der Kolben 145 bewegt sich in einem rohrförmigen Teil 149, welches an dem Teil 134 befestigt ist, und springt auch in einen rohrförmigen Schacht 150 vor, der mit der Elektrode 127 verbunden ist. Eine gleiche Anordnung ist zur Abstimmung des Ausgangskreises vorgesehen, bei der ein Kolben 147 verschiebbar in einem einspringenden Rohr 148 und in Kopplungsansätzen 151 und 152 angeordnet ist. Der Ausgang wird mittels einer Schleife 147' geliefert, die in einem Ansatz 148' angeordnet ist und sich durch eine öffnung in dem ringförmigen Verbindungsteil 140 des Ausgangstopfkreises erstreckt. Der Heizstrom wird von einer Spannungsquelle 152 zugeführt und die Potentialdifferenz für das Bombardement der Rückseite der Kathode 120 aus einer Spannungsquelle 154. Die Gittervorspannung wird von einer Spannungsquelle 153 geliefert. Die für den Topfkreis und den Sammler benötigten as Spannungen werden durch Spannungsquellen 155 bzw. 156 erzeugt.

Die Arbeitsweise dieser Anordnung entspricht ■derjenigen der anderen beschriebenen Ausführungsformen.

Eine weitere Ausführungsform ist in Fig. 14 und 14a dargestellt. Diese Ausführung gleicht etwa derjenigen der Fig. 13, sie ist jedoch mit einer Mehrfachanordnung für Kathode und Gitter und mehrzelligen Beschleunigungselektroden versehen, um Raumladungs- und Elektronenlaufzeiteffekte zu vermindern. Grundsätzlich werden durch Anordnung einer mehrzelligen Bauart die Raumladungseffekte im wesentlichen beseitigt, indem das Raumpotential an den Elektroden auf einem höheren Wert gehalten wird als es der Fall wäre, wenn ein einzelner, starker Elektronenstrahl benutzt wird.

Bei der dargestellten Anordnung schließt der

Kolben 159 die Elektroden und Topfkreise ein. Die Kathode besteht aus mehreren Kathodenelementen 160, die mit einem napfförmigen Tragkörper 161 sowie Heiz- und Kathodenleitungen 162 und 163 versehen sind. Die Gitter 164 sind nach Art von Mehrfachelementen ausgebildet, und die Strahlen gehen durch mehrzellige Beschleunigungselektroden 165 und 166 mit Durchgängen, die zu den Kathoden und Gittern passen, wobei die Elektronen von einem Sammler 168 aufgenommen werden, vor welchem eine Fangelektrode 169 angeordnet ist.

Für den Sammler und die Fangelektrode sind Zuleitungen 170 bzw. 171 vorgesehen.

Der Gitter-Kathoden-Kreis 172 besteht aus einem aus zwei Kegelstümpfen gebildeten Körper, von denen der eine an seiner Innenseite einen mit dem Kathodenring 161 kapazitiv gekoppelten Rohransatz 173 trägt. Der andere Kegel trägt das Gitter 164. Der Schirmelektrode-Steuergitter-Kreis besteht aus den Wandteilen 175, 176 und 177, wobei die Wand 176 die Schirm- und Beschleunigungselektrode 165 trägt. Der Ausgangstopfkreis umfaßt das Wandteil 176, ein kegelförmiges Wandteil 178 und ein ringförmiges Teil 179, das einen Ansatz des Teiles 177 bilden kann. Die Beschleunigungselektrode 166 wird von dem Wandteil· 178 getragen.

Ferner sind einspringende Glasrohransätze vorgesehen, wobei die Eingangsschleife 180 sich in einem einspringenden Teil 181 erstreckt, das seinerseits durch öffnungen in den Wänden der Teile geht, die die Kreise für den Schirmelektrode-Steuergittertopf und für den Kathode-Steuergittertopf bilden. Der Ausgang wird mittels einer Schleife 182 abgenommen, die sich in einem einspringenden Rohrteil 183 erstreckt, das durch eine Öffnung in dem Ausgangstopfkreis geht. Die Heizspannung wird durch eine Spannungsquelle 183 und die Gittervorspannung durch eine Spannungsquelle 184 geliefert. Die Ausgangstopfspannung wird von einer Spannungsquelle 185 und die Sammlerspannung durch eine Spannungsquelle 186 erzeugt. Ein Schnitt nach der Linie \\^a-\\^a mit Sicht auf die Kathode ist in Fig. 14a gezeigt. Die Arbeitsweise dieser Anordnung ist im wesentlichen dieselbe wie bei den anderen beschriebenen Ausführungsformen. Eine Kopplungsschleife, die nicht dargestellt wurde, aber im wesentlichen wie die Schleife 142 in Fig. 13 ausgebildet sein kann, kann verwendet werden, um die Kathode-Gitter- und Schirm- und Beschleunigungselektrode - Hohlresonator - Topfkreise 172 und 175 zu koppeln.

Aus dem vorstehenden ergibt sich, daß die Erfindung eine besonders für die Verwendung bei Höchstfrequenzen geeignete Elektronen-Entladungseinrichtung vorsieht, da sowohl die Ohmschen und Strahlungs-Widerstandsverluste, die von in dem Elektroden und Zuleitungen zirkulierenden Hochfrequenzströmen herrühren, im wesentlichen beseitigt werden als auch die Elektronenbelastung, die sich aus der Rückwirkung des Elektronenstromes und des Kreises ergibt, einschließlich der von der Zuführungsimpedanz hervorgerufenen rück- und gegenkoppelnden Effekte, ebenfalls im wesentlichen neutralisiert wird. Dies wird erreicht mit Hilfe von Zuleitungen und äußeren Leitern, die aus einem Stoff hoher Leitfähigkeit bestehen und großen Durchmesser aufweisen. Die Strahlungsverluste werden durch vollkommen abgeschirmte Kreise auf »o ein Minimum herabgesetzt, die aus geschlossenen Hohlraumresonatoren bestehen.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

i. Elektronen-Entladungseinrichtung mit j.15 Schaltungsanordnung zum Betrieb mit Höchstfrequenzen, die eine Kathode zur Erzeugung von Elektronen und eine Anode zur Aufnahme der Elektronen und wenigstens zwei durchbrochene Elektroden besitzt, die längs der Bahn des Blektronenstromes zwischen Kathode und Anode angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste verlustarme Impedanz zwischen die durchbrochenen Elektroden oder zwischen die Kathode und eine der Elektroden geschaltet ist, daß in dieser Impedanz Energie

als Folge des Elektronendurchlaufs durch den Raum zwischen den beiden durchbrochenen Elektroden oder durch den Raum zwischen der Kathode und der erwähnten Elektrode erzeugt und mittels einer Kopplungseinrichtung in solcher Phase und Größe auf eine zweite verlustarme Impedanz, die zwischen Kathode und eine ihr benachbarte Elektrode geschaltet ist, rückgekoppelt wird, daß die in dem Raum zwischen Kathode und der benachbarten Elektrode absorbierte Energie ausgeglichen und dadurch die Elektronenbelastung vermindert wird.
2. Elektronen-Entladungseinrichtung mit Schaltungsanordnung nach Anspruch i, bei welcher die erste verlustarme Impedanz zwischen den Elektroden liegt, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden aus einem Steuergitter und wenigstens einer rohrförmigen Elektrode bestehen, daß die zweite verlustarme Impedanz aus einer ersten Konaxialleitung mit Innen- undAußenleiter besteht, daß die Kathode und das Steuergitter mit dem Innenleiter bzw. dem Außenleiter am einen Ende der Konaxialleitung kapazitätsgekoppelt bzw. unmittelbar angeschlossen sind, dabei dieser Innen- und Außenleiter am anderen Ende derKonaxialleitung leitend miteinander verbunden sind, und daß die erste verlustarme Impedanz ferner eine zweite Konaxialleitung mit Innenleiter und Außenleiter enthält, das Steuergitter und die rohrförmige Elektrode mit dem Innenleiter bzw. dem Außenleiter am einen Ende der zweiten Konaxialleitung verbunden bzw. kapazitätsgekoppelt sind, und daß schließlich dieser Innen- und Außenleiter am anderen Ende der Konaxialleitung ebenfalls leitend miteinander verbunden sind.
3. Einrichtung und Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenleiter der ersten Konaxialleitung den Innenleiter der zweiten Konaxialleitung bildet, so daß dieser Außenleiter durch den Außenleiter der zweiten Konaxialleitung abgeschirmt wird.
4. Einrichtung und Schaltanordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein leitendes Element zwischen und in kapazitiver Beziehung zu den Innen- und Außenleitern der einen oder der beiden Konaxialleitungen angeordnet ist, wobei die Lage dieses Elementes veränderlich ist, um die Abstimmung dieser Konaxialleitungen einstellen zu können.
5. Einrichtung und Schaltanordnung nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine weitere rohrförmige Elektrode zwischen der ersterwähnten rohrförmigen Elektrode und der Anode angeordnet ist und daß ein geschlossener Hohlraumresonatof der ersterwähnten und der weiteren rohrförmigen Elektrode zugeordnet und mit Kopplungsmitteln versehen ist, durch weicht- die in dem Hohlraum entstehende Energie der Einrichtung entnommen werden kann.
6. Einrichtung und Schaltanordnung nach Anspruch 1, bei welcher die erste verlustarme Impedanz zwischen den Elektroden liegt, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden aus einem Steuergitter und wenigstens einer rohrförmigen Elektrode bestehen, daß ferner die zweite verlustarme Impedanz aus einem ersten Resonanzhohlraum besteht, an dessen Wände die Kathode bzw. das Steuergitter kapazitiv bzw. unmittelbar angeschlossen sind und daß die erste Impedanz aus einem zweiten Resonanzhohlraum besteht, an dessen einander gegenüberliegen de Wände das Steuergitter und die rohrförmige Elektrode angekoppelt sind.
7. Einrichtung und Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Resonanzhohlraum den ersten Resonanzhohlraum umschließt, derart, daß der erste Hohlraum durch den zweiten abgeschirmt wird.
8. Einrichtung und Schaltungsanordnung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden eine weitere rohrförmige Elektrode enthalten, welche zwischen der an erster Stelle erwähnten rohrförmigen Elektrode und der Anode liegt und daß ein geschlossenerResonanzhohlraum der ersterwähnten und der weiteren rohrförmigen Elektrode zügeordnet und mit einer Auskopplungseinrichtung versehen ist, über welche die in dem erwähnten Hohlraum auftretende Energie der Röhre entnommen werden kann.
9. Einrichtung und Schaltanordnung nach Anspruch 2, 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode durch Bombardement mit Elektronen emittierend gemacht wird, daß die Elektronen von einem hinter der Kathode angeordneten erhitzten Leiter emittiert werden, wol >ei die Zuleitungen zu dem erhitzten Leiter und zu dem Steuergitter in dem Innenleiter der ersterwähnten Konaxialleitung untergebracht sind.
10. Einrichtung und Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode durch die Elektronenemission eines hinter ihr liegenden Heizfadens zur Elektronenemission veranlaßt wird und daß die Anschlußleitungen des Heizfadens und no der Kathode in einem rohrförmigen Körper untergebracht sind, welcher von der einen Wand des ersterwähnten Resonanzhohlraumes an konaxial zur Röhrenachse verläuft.

Angezogene Druckschriften: Proceedings of J.R.E. 1940, Bd. 28, S. 126 bis 131.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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