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Elektronenentladungsvorrichtung mit Hohlraumresonator zum Gebrauch
als Schwingungsgenerator Die Erfindung betrifft Elektronenentladungsvorrichtungen
unter Benutzung von Hohlraumresonatoren, die zum Gebrauch als Schwingungsgeneratoren
ausgestaltet sind. Die Erfindung bezieht sich ausschließlich auf solche Vorrichtungen
oder Vorrichtungen der gleichen Art, in welchen Elektroden vorgesehen sind, die
bei geeigneter Vorspannung ein reflektierendes Feld erzeugen, um die Elektronen
im Elektronenstrahl der Vorrichtung nach ihrem Durchgang durch den Spalt im Resonator,
wo sie geschwindigkeitsmoduliert werden, durch den Spalt zurückreflektieren zu lassen.
In solchen Vorrichtungen kann der Resonator die Form eines Toroids besitzen und
wird in bekannter Weise auf die Frequenz der Schwingungen abgestimmt, die zu erzeugen
gewünscht wird. Beim Betrieb werden die von der Kathode emittierten Elektronen durch
den Hohlraumresonator, der in bezug auf die Kathode auf positivem Potential gehalten
wird, beschleunigt, und durch die von den mit der Elektronenröhre verbundenen Elektroden
bewirkte Bündelung auf den Spalt igerichtet. Beim Durchgang durch den Spalt wird
der Elektronenstrahl durch das Vorhandensein eines über dem Spalt erzeugten Schwingungsfeldes
geschwindigkeitsmoduliert, und nach dem Durchgang durch den Spalt wird der Strahl
auf die erwähnten reflektierenden Mittel gerichtet, die im allgemeinen eine reflektierende
Elektrode umfassen, die auf einem solchen negativen Potential gehalten
ist,
daß der Strahl durch den Spalt zurückreflektiert wird, worauf der Strahl dann durch
den Resonator oder eine andere Elektrode aufgenommen wird. Auf dem Weg vom Resonator
zur reflektierenden Elektrode und zurück zum Resonator werden die Elektronen zu
Gruppen gebündelt, d. h. der Strahl wird einer Modulation der Ladungsträgerdichte
unterworfen. Der dichte modulierte Strahl induziert beim Durchgang durch den Resonator
im Innern des Resonators Hochfrequenzströme und hält das Schwingungsfeld über dem
Spalt aufrecht. Auf diese Weise -werden im Resonator Schwingungen erregt, und Schwingungsenergie
kann dem im Resonator erzeugten Feld durch eine in dem Resonator eingeführte geeignete
Leiterschleife entzogen werden.
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Zum leistungsfähigen Betrieb ist es erforderlich, daß erstens das
beim Betrieb zwischen dem Resonator und der reflektierenden Elektrode erzeugte elektrische
Feld einen brauchbaren Grad der Bündelung bewirkt. Zweitens sollte das Feld so sein,
daß es die Sicherheit bietet, daß von dem Elektronenstrahl soviel als möglich durch
den Spalt zurückreflektiert wird; und drittens sollte das Feld so sein, daß die
Laufzeit der axialen und der Randelektronen im wesentlichen die gleiche ist, so
daß solche Elektronen nach der Reflexion den Spalt in Phase erreichen.
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In bekannten Formen von Vorrichtungen der erwähnten Art ils.t vorgeschlagen
worden, eine reflektierende Elektrode in der Form einer flachen Scheibe oder in
der Form eines Kugelteils zu verwenden, wobei die konkave Seite nach dem Reäonator
zu liegt. In ersterem Fall ist das zwischen dem Resonator und der reflektierenden
Elektrode errichtete elektrische Feld aus Äquipötentialflächen zusammengesetzt,
die in der Nähe des Resonators dessen Umriß folgen und an der Öffnung des Resonators
gegen den Resonator konvex sind, die aber bei zunehmender Entfernung vom Resonator
schnell flacher werden und hiernach- über die restliche Entfernung flach bleiben.
Wo die reflektierende Elektrode aus einem Kugelteil besteht, folgen die Äquipotentialflächen
in der Nähe des Resonators wiederum dem Umriß des Resonators und sind an der Öffnung
konvex, im folgenden aber werden die Äquipotentialflächen flach und werden dann
konkav in Richtung auf den Reso-_nator mit bei zunehmender Entfernung vom Resonator
sich steigernder Krümmung, wobei,diejenige Äquipotentialfläche ein Krümmungsmaximum
aufweist, die der reflektierenden Elektrode am nächsten liegt, und diese Krümmung
gleich der Krümmung der reflektierenden Elektrode ist. Da die reflektierende Elektrode
in bezug auf das Potential der Kathode auf einem negativen Potential gehalten wird,
befindet'sich die Nulläquipotentialfläehe, d. h. die Fläche, die das Potential der
Kathode besitzt, zwischen dem Resonator und der reflektierenden Elektrode. Wo die
reflektierende Elektrode die Form einer flachen Scheibe hat, sind die Äquipotentialflächen
zwischen der Nulläquipotentiälfläche und der reflektierenden Elektrode alle flach,
während dort, wo die reflektierende Elektrode, wie oben erwähnt, eine teilweise
kugelige Form hat, die Äquipotentialflächen zwischen der Nulläquipotentialfläche
und der reflektierenden Elektrode zunehmende.'-Krümmung besitzen.
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Eine flache reflektierende Elektrode arbeitet in bezug auf die wirksame
Bündelung zufriedenstellend, wo aber, wie es gewöhnlich der Fall ist, der .Elektronenstrahl
auf dem Weg zur reflektierenden Elektrode divergiert, werden sehr wenige der Rindelektronen
durch die Öffnung im Resonatox zurückreflektiert werden. Daher ist bei einer solchen
Vorrichtung die Leistungsfähigkeit gering.
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Ein System von konkaven Äquipotentialflächen, wie sie durch eine konkave
reflektierende Elektrode errichtet werden, kann sowohl die axialen als auch die
Randelektronen wirkungsvoll durch den Reson.ator zurückreflektieren, besitzt aber
keine Leistuugsfäihi,gkeit"da nur ein geringer Grad von Elektronenbündelung eintritt.
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Es ist daher ersichtlich, daß Vorrichtungen mit entweder einer flachen
oder einer konkaven reflektiereAden Elektrode den obenerwähnten Erfordernissen eines
leistungsfähigen Betriebes nicht genügen.
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Erfindungsgemäß kann diesen Erfordernissen im Vergleich zu den bekannten
Ausführungsarten der Vorrichtungen der erwähnten Art vollständiger genügt werden,
wenn die beim Betrieb quer zu dem Weg des Elektronenstrahles errichteten Äquipotentialflachen
eine gegen den Resonator zu konkave Form haben, wobei die Krümmung der genannten
Äquipotentialflächen sich bei Entfernung vom Resonator und Annäherung an die Nulläquipotentialfläche
erhöht und sich im Gebiet des mittleren Teils des Strahles bei Entfernung von der
Nulläquipotentialfläche vermindert.
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Es ist daher ein Merkmal der Erfindung, daß eine Elektronenentladungsvorrichtung
der angeführten Art vorgesehen ist, in welcher das genannte reflektierende Mittel
so ausgestaltet ist, daß bei geeigneter Ladung Äquipotentialflächen zur Reflexion
des Elektronenstrahles entstehen, die quer zum Weg des Strahles gegen den Resonator
konkav gekrümmt verlaufen, wobei sieh die Krümmung der genannten Äquipotentialflächen
bei, Entfernung vom Resonator und Annäherung an die Nulläquipotentialfläche erhöht
und im Gebiet des mittleren Teils des Strahles sich bei Entfernung von der Nulläquipotentiaffläche
vermindert, um so die Leistungsfähigkeit der Vorrichtung zu verbessern. Wie oben
angeführt, werden die Äquipotentialflächen in unmittelbarer Nähe des Resonators
wegen des Vorhandenseins der Öffnung gegen den Resönator konvex sein, während die
Äquipotentialflächen bei Entfernung vom Resonator in ihrer Konvexität abnehmen und
zur konkaven Form überwechseln. Die erwähnten Äqui-_ potentialflachen, die mit der
Erfindung übereinstimmen, sind nur jene Äquipotentialflächen, die zwischen dem Punkt,
an denen die Äquipotentialflächen in die konkave Form übergehen und dem reflektierenden
Mittel liegen. Als mittlerer Teil
des Strahles sei zum Zweck der
Beschreibung der Teil des Strahles definiert, der entlang des Zentrums des von dem
Strahl eingenommenen Raumes liegt und der einen Querschnitt hat, der ungefähr der
Hälfte der Fläche der Öffnung gleicht, aus der der Strahl aus dem Resonator austritt.
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Ein weiteres Merkmal der Erfindung ist, daß eine Schaltungsanordnung
mit einer Elektronenentladungsvorrichtung der angeführten Art vorgesehen ist, in
welcher das genannte reflektierende Mittel so ausgeführt und mit Bezug auf das Potential
des Resonators und der Kathode der genannten Vorrichtung auf einem solchen Potential
gehalten wird, daß Äquipotentialflächen zur Reflexion des Strahles errichtet werden,
die quer zum Weg des Strahles gegen den Resonator konkav verlaufen, wobei die Krümmung
der genannten Äquipotentialflächen sich bei Entfernung vom Resonator und Annäherung
an die h,'@ulläquipotentia.lfläche erhöht und im Gebiet des mittleren Teils des
Strahles sich bei Entfernung von der Nulläquipotentialfläche vermindert, um so die
Leistungsfähigkeit der Vorrichtung zu verbessern.
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Vorzugsweise enthält das genannte reflektierende Mittel eine reflektierende
Elektrode, die durch einen den Strahl umfassenden, kurzen leitenden Flansch begrenzt
ist.
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Die Erfindung kann auf Elektronenentladungsv orrichtungen angewendet
werden, die einen Elektronenstrahl verwenden, der eine im Querschnitt im wesentlichen
kreisförmige Form aufweist, in welchem Fall :die reflektierende Elektrode kreisförmig
und mit einem Fl,an,sch am Rand veriszhen ist, und auch auf Elektronenentladungsvorrichtungen,
in welchen der Elektronenstrahl bandförmig ist, in welchem Fall die reflektierende
Elektrode eine längliche Form hat, um sich dem bandförmigen Strahl anzupassen.
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Die Zeichnung zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Fig. i zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Elektronencntladungsvorrichtung,
und Fig. 2 ist eine im vergrößerten Maßstab wiedergegebene Darstellung der Äquipotentialflächen,
die beim Betrieb zwischen dem Resonator und der reflektierenden Elektrode der in
Fig.i gezeigten Vorrichtung erzeugt werden.
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In Fig. z ist eine Kathode i zur Erzeugung eines Elektronenstrahles
von einem Kathodenschirm 2 umgeben. Eine Sammel- oder Fokussierelektrode 3 in der
Form einer mit einer Öffnung versehenen Membran dient dazu, wenn die Elektroden
auf einem geeigneten Potential gehalten werden, in Verbindung mit dem Kathodenschirm
2 ein Fokussierfeld zu erzeugen. Der Hohlraumresonator q. hat die Gestalt eines
Toroids und ist mit einem Paar gegenüberliegend angebrachter öffnungen 5 und 6 versehen,
die einen Spalt bilden, Welchen der Elektronenstrahl passieren m@uß. Das Feld, welches
dazu dient, den Elektronenstrahl durch die Öffnung 6 im Resonator zurückzureflektieren,
zum Zweck der Aufrechterhaltung der Erzeugung von Schwingungen im Resonator, wird
durch die Anbringung einer reflektierenden Elektrode 7 erzeugt, die bei Betrieb
in bezug auf die Kathode i auf einem negativen Potential gehalten wird.
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Die in der Zeichnung gezeigte Vorrichtung verwendet einen Strahl von
kreisförmigem Querschnitt, und es ist wünschenswert, daß der Elektronenstrom an
:dem Spalt eine Überkreuzung aufweist. Folglich wird der Elektronenstrahl, wenn
er aus dem Resonator austritt, von divergenter Form sein. Die reflektierende Elektrode
7 ist, da der Elektronenstrahl einen kreisförmigen Querschnitt hat, von kreisförmiger
Form. Um das Feld auf dem Weg des Strahles so zu verbessern, daß den vorerwähnten
Erfordernissen vollständiger genügt wird, ist die Elektrode 7 im wesentlichen flach
und mit einem den Strahl umfa@s:senden, kurzen leitenden Flansch 7a versehen,
wobei die erwähnte leitende Oberfläche die Formeines Randflansches hat, wie bei
7a :gezeigt wird. Fig. 2 der Zeichnung zeigt einige Äquipotentialflächen zwischen
dem Resonator .4 und der reflektierenden Elektrode 7, wenn die letztere mit Bezug
auf die Kathode i auf einem negativen Potential gehalten wird und wenn der Resonator
q. mit Bezug auf die Kathode i auf einem positiven Potential gehalten wird. Wie
dargestellt, sind die Äquipotentialflächen a und b in der Nähe der Öffnung 6 im
Resonator von konvexer Form, während zwischen den Äquipotentialflächen b und c die
Äquipotentialflächen von der konvexen Form zur konkaven Form übergehen. Die Krümmung
der Äquipotentialflächen, wie im Beispiel der Äquipotentialfläche d dargestellt,
erhöht sich bei Annäherung an die Nulläquipotentialfläche, die die Oberfläche e
sein kann, und vermindert sich im Gebiet des mittleren Teils des Strahles bei Entfernung
von der Nulläquipotentialfläche, wie aus der Form der Äquipotentialfläche f ersichtlich
ist. Die Divergenz des Strahles auf seinem Weg zwischen dem Resonator q. und der
reflektierenden Elektrode 7 kann so sein, wie durch die in Fig.2 gezeigten gestrichelten
Linien angedeutet wird, und es wird bemerkt, daß, während die obenerwähnte abnehmende
Krümmung für den mittleren Teil des Strahles gilt, die Krümmung im Gebiet der Randelektronen
des Strahles größer ist im Vergleich zu der Krümmung der Äquipotentialflächen im
Gebiet des mittleren Teils des Strahles. Die Äquipotentialflächen zwischen der Oberfläche
f und der reflektierenden Elektrode 7, wie beispielsweise die Äquipotentialfläche
g, nehmen an Krümmung weiterhin ab, und jene Äquipotentialflächen, die nahe an der
reflektierenden Elektrode liegen, folgen dem Umriß der genannten Elektrode. Die
Elektronen werden jedoch reflektiert, bevor sie-,die reflektierende Elektrode erreichen.
So. kann durch Anbringen eines den Strahl umfassenden, kurzen leitenden Flansches
an der reflektierenden Elektrode zwischen dem Resohator und der reflektierenden
Elektrode ein Feld errichtet werden, das effektiv einen Kompromiß darstellt zwischen
den Feldern, die erzeugt würden, wenn eine flache reflektierende Elektrode ohne
eine den Strahl umfassende
leitende Oberfläche und wenn eine reflektierende
Elektrode von konkaver Form verwendet würde. Die Äquipotentialflächen werden sich
über die in Fig. 2 gezeigten Grenzen hinaus erstrecken, und die Teile der Äquipotentialflächen
jenseits der gezeigten Grenzer- werden in der Nähe der reflektierenden Elektrode
dazu neigen, im wesentlichen parallel .zu dem Flansch 7" zu liegen. Diese
Teile spielen jedoch im wesentlichen keine Rolle bei der Reflexion, da sie nicht
auf dem Weg des Strahles liegen.
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Es wurde gefunden, daß es zwischen dem Durchmesser der Elektrode 7
und der Breite des Flansches 7a ein optimales Verhältnis für ein Maximum an Leistungsfähigkeit
gibt. Dieses optimale Verhältnis ist ungefähr 3, d. h. die Breite des Flansches
7a ist ein Drittel des Durchmessers der Scheibe. Es wurde ebenfalls gefunden, daß
der optimale Durchmesser für die reflektierende Elektrode 7 ungefähr 3- bis 4mal
der Durchmesser der Öffnung 6 im Resönator ist. Die Öffnung 6 kann z. B. einen Durchmesser
von 2 mm haben, wobei dann der Durchmesser der reflektierenden Elektrode ungefähr
6: bis 8 mm beträgt.
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. Die Erfindung kann auch für Elektronenentladungsvorrichtungen verwendet
werden, die bandförmige Strahlen verwenden. -In einem solchen Fall sind im Resonator
längliche Öffnungen, um sich dem bandförmigen Strahl- anzupassen, und die reflektierende
Elektrode hat eine längliche Gestalt, die geeignet ist, die Reflexion des bandförmigen
Strahles zu bewirken. Die reflektierende Elektrode wird in diesem Fall mit einem
den Strahl umfassenden, kurzen leitenden Flansch versehen, der sich aber nicht um
den gesamten Rand der genannten Elektrode, sondern sich nur entlang ihrer längeren
Seiten zu erstrecken braucht. Die oben angeführten optimalen Abmessungen gelten
auch für die längliche Form der reflektierenden Elektrode, beziehen sich aber in
diesem Fäll auf die kleinere Achse der reflektierenden Elektrode und die längliche
Öffnung. Da die reflektierende Elektrode vorzugsweise nahe am Resonator angebracht
ist und da beim Betrieb der Resonator auf einem hohen positiven Potential und die
reflektierende Elektrode -auf einem niedrigen oder negativen Potential gehalten
werden; entsteht die Gefahr, daß infolge der Nähe der reflektierenden Elektrode
zum Resonator ein Funkenübertritt auftreten kann. Um diese Möglichkeit zu reduzieren,
ist die der reflektierenden Elektrode 7 benachbarte Wand des Resonators 4 in Nähe
des Flansches 7a der reflektierenden Elektrode mit einer kreisförmigen Vertiefung
8 versehen, so daß ein angemessener Zwischenraum zwischen dem Rand des Flansches
und der benachbarten Oberfläche des Resonators gewährleistet ist, um die Möglichkeit
eines Funkenübertritts zu verringern.
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Beim Betrieb der in der Zeichnung gezeigten Vorrichtung kann die Fokussier-
oder Sammelelektrode auf einem Potential von -3oo bis -f- 300 Volt, die 'Kathode
i und der Kathodenschirm 2 auf Nullpotential, der Resonator 4 auf einem positiven
Potential von iooo bis 2ooo Volt und die reflektierende Elektrode 7 auf einem negativen
Potential von iSo bis 5oo Volt gehalten werden.