DE869515C

DE869515C - Einrichtung zur Erzeugung eines Elektronenstrahles fuer Entladungs-roehren von Zylindrischem Aufbau mit einem geradlinigen, in der Zylinderachse angeordneten Leiter

Info

Publication number: DE869515C
Application number: DEC5042A
Authority: DE
Inventors: Daniel Reverdin
Original assignee: CSF Compagnie Generale de Telegraphie sans Fil SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1950-11-30
Filing date: 1951-12-01
Publication date: 1953-03-05
Also published as: FR1028662A; US2760101A

Description

Verstärkerröhren für sehr kurze Wellen, die durch Wechselwirkung zwischen einer sich in einer Verzögerungsleitung mit zwei auf verschiedenen Potentialen gehaltenen Leitern ausbreitenden elektromagnetischen Wanderwelle und einem Elektronenstrahl arbeiten, welcher senkrecht zu einem elektrischen und einem mit diesem gekreuzten magnetischen Feld in einem zwischen den beiden Leitern dieser Leitung gebildeten Wechselwirkungsraum verläuft, haben die Besonderheit, daß die Verzögerungsleitung aus einem axialen Leiter und einer zu diesem konzentrischen Elektrode besteht, so daß der Wechselwirkungsraum zylindrisch ist. Das in diesem Raum ausgebildete magnetische Feld zeigt dann ebenfalls eine zylindrische Symmetrie und kann beispielsweise erzeugt werden, indem man einen kräftigen Gleichstrom durch den axialen Leiter schickt. Bei diesen Röhren hat sowohl das elektrische Feld als auch das magnetische Feld in einem beliebigen Punkt des Wechselwirkungsraumes einen Wert, welcher zu dem Abstand > zwischen diesem Punkt und der Systemachse umgekehrt proportional ist, so daß das Verhältnis der beiden Felder für jeden Punkt des Raumes konstant ist. Es sind ferner emittierende Zylinder-

kathoden,bekannt-,, die von dem, axialen Leiter getragen und von dem das'rfiagnetische Feld erzeugenden Strom geheizt werden. .

Die Erfindung bezieht sich auf Einrichtungen, welche rohrförmige Elektrd^ehsti^Blen, Erzeugen und daher für diese Röhrenart geeignet sind. 5y^i:. Sie bezsKgqkt in.· erster Linie die Ausbildung eines elektronenoptischen Systems, welches in verschiedenen Ausführurigs'forinen verwirklicht werden kann, insbesondere danach, ob man die Raumladung berücksichtigt oder nicht, welches jedoch in allen Fällen dazu führt, daß in den Wechselwirkungsraurü. ein stark gebündelter Strahl mit einer Geschwindigkeit geschickt wird, die annähernd gleich dem Verhältnis der dort ausgebildeten elektrischen-und- ipagnetischen-Felder ist, wodurch, wie bekannt, die" Linearität der Elektronenbahnen in diesem Raum bestimmt wird. Weiterhin sieht die Erfindürigjüe Anwendung einer dieser Ausführungsformen beLeiner Röhre Vor, welche nach dem anfangs beschriebenen Prinzip arbeitet, von diesen Röhren jedoch dadurch abweicht, daß die Wechselwirkung zwischen den Energien in dem Strahl und der Verzögerungsleitung durch" ';die Wechselwirkung zwischen Elektronenfäden von verschiedener Geschwindigkeit ersetzt wird.

Weitere. Einzelheiten, und ,Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung an Hand der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen

Fig. ι und 2 zwei Ausführungsbeispiele von Elektronenerzeugern, welche ohne Berücksichtigung der Raumladung ausgebildet sind,

Fig, 3 ein Ausführungsbeispiel eines Strahlerzeugers, der unter Berücksichtigung der Raumladung ausgebildet ist,

Fig. 4 eine Darstellung für die graphische Bestimmung von gewissen baulichen Abmessungen des Strahlerzeugers nach. Fig|..3, - __h

Fig. 5 ein Änwendungsbeispiel des Strahlerzeugers nach Fig. 3 bei ""einei ■ WaMerWellenröhre mit rohrförmigem Aufbau ohne Verzögerungsleitung und mit Wechselwirkung zwischen Elektronenfäden von verschiedenen Geschwindigkeiten'; die sich senkrecht zu den gekreuzten elektrischen und magnetischen Feldern bewegen,

Fig. ι zeigt irn.Längsschnitt eine Röhre, die mit einem elektrischen Strahlerzeuger gemäß der Erfindung ausgestattet ist. Diese Röhre besitzt einen axialen Leiter 1 mit dem Radius r₀', der sich auf dem Potential null befindet und von einer Anode 2 umgeben wird, die so ausgebildet ist, daß sie wenigstens in den Grenzen des Wechselwirkungsraumes 3, auf Grund einer durch- die gestrichelte ^;Linfe schematisch verfanschauäichten "'Konstruktion/':·-Vetzögerungscharak-'" teristiken bäsitzti?' ■'·'■-- ■: ' ■'■ :■ '· % " Diese Anode mit dem Radius -V₁ wird auf ein durch die Quelle 4 geleiertes Potential·-F₁ "gebracht, so daß in dem-'Wefch'selwifkungSr-aumi-ein*durch die-folgende ; ■Gleichung^bestimmtes Feld ausgebildet wird:- -/

,W: wobei F₁₀ eine-Konstante und χ den veränderlichen Radius eines beliebigen Punktes bezeichnet. ··

Wenn man einen durch eine Quelle 5 erzeugten Strom I von passendem Wert durch den axialen Leiter schickt, wird in" eiern Wechselwirkungsraum ein zylindrisch-symmetrisches Feld

B₁ = IhI = ^m I₂)

ausgebildet, wobei .F₁₀ eine Konstante und μ₀ die Permeabilität des Vakuums ist.

Auf dem axialen Leiter ist eine emittierende Zylinderkathode 6 angeordnet. Auf der entgegengesetzten Seite ist der axiale Leiter durch ein Stück •mit dem Radius-r₀ verlängert, welches durch den Isolierfuß 7 hindürchtritt. Der Radius r₀ ist in der Zeichnung gleich r₀' dargestellt, könnte jedoch im allgemeinen Fall auch: einen abweichenden Wert haben. .

Gemäß der Erfindung werden die von der Kathode 6 emittierten Elektronen der Wirkung eines elektrischen Feldes E_z und eines magnetischen Feldes B_z in der Weise ausgesetzt, daß sie zu einem stark konzentrierten rohrförmigen Strahl 8 gebündelt werden und, nachdem sie eine Bahn beschrieben haben, die einen Halbbogen einer Kurve von zykloidaler Form entspricht, in den Wechselwirkungsraum 3 mit einer Geschwindigkeit eintreten, die annähernd gleich dem Verhältnis E₁ :B_X ist, so daß sie sich in diesem Raum weiterhin nach einer geradlinigen Bahn mit dem Radius r_maK bewegen.

Die erforderlichen Werte von E_% und B_t können auf Grund der folgenden Überlegung gewählt werden.

Geht man von den Gleichungen für die Bewegung eines Elektrons von der Masse m und der Ladung e aus, das sich in dem elektrischen Feld E₂ und in dem magnetischen Feld B₂ bewegt, und vernachlässigt man die Wirkungen der Raumladung, so kann man einen Ausdruck für die Geschwindigkeit des Elektrons finden, welches den mittleren Leiter mit der Geschwindigkeit null verläßt und eine zykloidale Bahn beschreibt. Es läßt sich zeigen, daß die Höchstgeschwindigkeit %_ez des Elektrons, welche dem höchsten Punkt der Bahn entspricht, wo die Tangente waagerecht verläuft, gleich dem doppelten Wert des Verhältnisses E₂ : B₂ ist, und daraus läßt sich die höchste Amplitude der Bahn ableiten:

Ymax —■

exp

|"2£₈ »I

'[-BT" Tj ·

(3)

Damit die Bahnen-in dem Wechselwirkungsraum, wo ein elektrisches Feld E₁ und das magnetische Feld B₁ herrschen, geradlinig werden, muß andererseits die folgende Beziehung berücksichtigt werden:

L·

Es muß demnach:

2E₂

(4)

■ (5)

Da man aus praktischen Gründen zweckmäßig B₁ = B₂ macht, wobei die beiden Felder von demselben Magnetisierungsstrom / erzeugt werden, muß

2 E₂ ^=

(6)

gemacht werden, d. h. das elektrische Feld in der Nähe des Strahlerzeugers muß den halben Wert desjenigen in dem Wechselwirkungsraum besitzen. Ein erstes, in Fig. ι dargestelltes Beispiel für die ίο Verwirklichung dieser Beziehung benutzt eine zylindrische Hilfselektrode 9 mit dem Radius Y₂, welche um die Kathode 6 angeordnet und auf ein Potential F₂ gebracht ist. Die Beziehung zwischen Y₂ und F₂ kann bestimmt werden, indem man berücksichtigt, daß

rldg

(7)

und unter Verwendung der Beziehungen (1) und (6). Im allgemeinen Fall erhält man

2 log ^₁-log r₀'*

(8)

Im Fall der Fig. I wurde r₀ = r₀' gemacht, wobei F₁ und F₂ verschiedene Werte haben. Man kann jedoch auch von der Verwendung einer Hilfselektrode absehen, wenn nach Fig. 2 der axiale Leiter und die Anode einen stufenförmig veränderlichen Querschnitt haben, wobei die Kathode auf dem im Durchmesser verkleinerten Teil des axialen Leiters angeordnet und der diesem verjüngten Teil gegenüberliegende Teil der Anode gegenüber dem Anodenabschnitt, welcher dem Wechselwirkungsraum entspricht, erweitert wird. In diesem Fall ist F₂■= F₁ und die Beziehung zwischen den Radien r₂ und T₁ ist durch die Beziehung (8) gegeben, in welcher r₀ und r₀' verschiedene Werte haben.

Diese Form des axialen Leiters, welche auf der Seite des Strahlerzeugers verjüngt ist, besitzt außerdem den Vorteil, daß der Teil des Leiters in dem Wechselwirkungsraum weniger als der in der Nähe der Emissionsquelle gelegene Teil heizt. In diesem Fall genügt im allgemeinen der das magnetische Feld erzeugende Strom, um die direkte Heizung der auf der Oberfläche angeordneten Emissionsschicht zu bewirken, während es im FaU. der Fig. 1 notwendig sein könnte, über der Emissionsschicht einen besonderen Heizkreis anzubringen.

Die beschriebenen Strahlerzeuger, die ohne Berücksichtigung der Raumladung ausgebildet sind, können in Verstärkerröhren geringer Leistung, etwa bis z. B. 0,5 kW, Verwendung finden. Bei höheren Leistungen wird der Raumladeeffekt beträchtlich, die Bündelung wird mangelhaft und der Strahl divergiert. In diesem Fall wird die Bündelung gemäß der Erfindung verbessert, indem man zu beiden Seiten des Kathodenzylinders Wehneltelektroden anbringt, deren konische Flächen zweckmäßig in der Oberfläche des axialen Leiters angebracht werden können.

Diese Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 3 dargestellt, in welcher entsprechende Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind wie in Fig. 1 und 2.

Zu beiden Seiten der Kathode 6 sind konische Flächen 10 bzw. 11 angeordnet, die als Wehneltelektroden arbeiten und mit der Oberfläche des axialen Leiters 1 verbunden sind. Die Winkel, welche diese Flächen mit der Systemachse bilden, können graphisch bestimmt werden. Zu diesem Zweck berechnet man nach bekannten mathematischen Methoden die Form der Grenzbahn 12 des Strahles, die in der Darstellung nach Fig. 4 eingezeichnet wird. Die Bahnen aller Elektronen im Innern des Strahles erhält man, indem man die Grenzbahn in axialer Richtung parallel verschiebt.

Nach den Untersuchungen der Patentinhaberin, welche an Modellen in einer elektrolytischen Wanne vorgenommen wurden, tritt die optimale Bündelung ein, wenn die Erzeugenden der Oberflächen der Wehneltelektroden etwa einen Winkel von 67,5° mit der Richtung bilden, die bestimmt wird, indem man eine Gerade zieht, die durch den Ausgangspunkt der Grenzbahn auf der Kathode und den Punkt dieser Bahn geht, dessen Ordinate ¹Z₆ der maximalen Höhe entspricht, welche die Bahn erreicht. Dies ist in Fig. 4 gezeigt, wo die Strecke A-B der Oberfläche der Kathode entspricht und die Punkte C und D ¹J₆ der maximalen Höhe der Grenzbahnen 12 und 13 entsprechen. Die Geraden A-C und B-D bestimmen dann die Richtungen, von welchen aus die Winkel von 67,5° gezählt werden, die die Lage der Oberflächen der Wehneltelektroden 10 und 11 bestimmen. Da diese Geraden parallel sind, weil die äußersten Bahnen, wie oben erwähnt, die gleiche Form haben, ist der Winkel zwischen den Erzeugenden der Wehneltelektroden 10 und 11 in ein und derselben axialen Ebene 135⁰.

Der Radiusunterschied des axialen Leiters in dem Wechselwirkungsraum r₀' im Verhältnis zu dem Radius der Kathode r₀ berechnet sich auf der Basis der Verbindung der Äquipotentiallinien in der Nähe -des Strahlerzeugers und in dem Wechselwirkungsraum in der Höhe r_max, welche dem Strahl entspricht.

Die Oberfläche der Wehneltelektrode 11, welche die Kathode mit dem axialen Leiter in dem Wechsel-Wirkungsraum verbindet, wird, wie in Fig. 3 gezeigt, nach einer allmählich zunehmenden Form profiliert. Die konische Fläche der Wehneltelektrode ία auf der anderen Seite der Kathode schließt sich an eine zylindrische Oberfläche an, deren Halbmesser z. B. gleich r_max ist.

Damit die elektrischen Felder in dem Bereich zwischen den Wehneltelektroden sich in der richtigen Weise aneinanderschließen, muß die zylindrische Anode 2 durch eine konische Fläche 14 verlängert werden, welche sich, wie in Fig. 3 gezeigt, nach dem Strahlerzeuger hin erweitert.

Im Vergleich zu den Strahlerzeugern der Fig. 1 und 2, die ohne Berücksichtigung der Raumladung ausgebildet sind, zeigt der Strahlerzeuger nach Fig. 3 den Vorteil, daß der Schottky-Effekt durch die Raumladung stark begrenzt ist, und die Strahlbündelung besser sowie von der Stromdichte unabhängig ist. Der Strahlerzeuger wird vorzugsweise in Verstärkerröhren für ultrakurze Wellen für große Leistung und konstante Belastung verwendet, wo die ausschließlich

durch die Raumladung begrenzte höchste Leistung erreicht werden kann, ohne daß die Bündelung gestört wird.

In allen Fällen wird zweckmäßig als emittierende Kathode eine Oxydkathode verwendet. In diesem Fall wird das innere Entstehungsgeräusch noch vermindert. Andererseits sind, wenn die Kathode direkt durch den das magnetische Feld erzeugenden Strom geheizt wird und man dieses Feld durch geringe ίο Veränderungen dieses Stromes einstellen wül, die Temperaturänderungen im Fall einer Oxydkathode nicht so groß, daß die Emission unerwünschten Änderungen unterliegt.

In dem Fall, wo die Raumladung in der Röhre kräftig ist, ist das Gesetz, wonach sich gemäß der Formel (1) das elektrische Feld umgekehrt zu dem Radius ändert, nicht mehr genau. Das Verhältnis E₁ : B₁ wird für die betreffenden Elektronen der äußeren Oberfläche und der inneren Oberfläche des rohrförmigen Strahles verschieden. Da die Raumladung auch die Geschwindigkeit der Elektronen beeinflußt, so daß die Geschwindigkeit an der Außenfläche des rohrförmigen Strahles größer ist als die Geschwindigkeit an der Innenfläche, wird jedoch die Gleichheit zwischen der Geschwindigkeit und dem erwähnten Verhältnis überall gewahrt, und die Bewegung der Elektronen bleibt in dem ganzen Abschnitt des Strahles im wesentlichen geradlinig.

Der Strahlerzeuger nach Fig. 3 eignet sich sehr gut für die Herstellung derartiger Verhältnisse, und die Erfindung sieht auch eine Anwendung eines solchen Strahlerzeugers bei einer Röhre der anfangs geschilderten allgemeinen Bauart vor, bei welcher jedoch die Wechselwirkung zwischen den Energien des Strahles und der Verzögerungsleitung ersetzt ist durch die Wechselwirkung zwischen Elektronenfäden von verschiedenen Geschwindigkeiten.

Bekanntlich sind die oben geschilderten Verhältnisse bei Ungleichheit der Geschwindigkeit sehr günstig für die Verstärkung durch eine Elektronenwelle. Man hat dieses Prinzip schon bei der Ausbildung von Röhren ohne Verzögerungsleitung angewendet, welche entweder den Wanderwellenröhren ohne Magnetfeld oder den Röhren mit gekreuzten Feldern von gerader öder kreisförmiger Ausbildung entsprechen. Die Erfindung sieht jedoch Röhren ohne Verzögerungsleitung vor, welche den rohrförmigen Röhren mit gekreuzten Feldern, deren Magnetfeld zylindrische Symmetrie aufweist, entsprechen, und verwendet zu diesem Zweck einen Strahlerzeuger der Bauart nach Fig. 3.

Um eine Verstärkerröhre dieser Bauart auszubilden, biaucht man nur eine kleine Schwingung durch einen Eingangskreis zu erzeugen und die verstärkte Welle durch einen anderen Kreis am Ausgang abzunehmen. Da die Bandbreite der Verstärkung in einem Elektronenstrahl verhältnismäßig weit ist, wird man zweckmäßig Eingangs- und Ausgangskreise mit breitem Band benutzen, wie z. B. Wendelkreise, Dieser Vorteil schließt jedoch nicht die Möglichkeit der Verwendung von anderen Kreisen aus, wie z. B. der Verwendung eines koaxialen Eingangs- und Ausgangskreises, da die Röhre eine koaxiale Form besitzt.

Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel. Die Elektronen werden durch einen Strahlerzeuger der Bauart nach Fig. 3 emittiert, welcher aus einer Zylinderkathode 6 und zwei Wehneltelektroden 10, 11 besteht. Der Wechselwirkungsraum 3 'liegt zwischen dem axialen Leiter 1 und der rohrförmigen Anode 2, welche zum Unterschied von den bekannten Röhren dieser Art ein einfacher Zylinder ohne jede Verzögerungseigenschaft ist. Zwei Wendelendstücke 15, 16 sind mit dem Eingang bzw. Ausgang des Strahles des Wechselwirkungsraumes gekoppelt, während ein Sammler 17 die Elektronen aufnimmt, die einen Teil ihrer Wechselenergie an den Ausgangskreis abgegeben haben. Die Kathode, die beiden Wehneltelektroden und der axiale Leiter befinden sich alle auf demselben negativen Potential, während die Anode auf das Potential null gebracht wird. Eine Quelle 4 schickt durch den axialen Leiter einen Strom für die Heizung der Kathode und für die Erzeugung des magnetischen Feldes. In der Röhre ist ein Wasserumlauf erforderlich, um die Wärme abzuführen, welche von dem das magnetische Feld hervorbringenden Strom erzeugt wird. Dieser Umlauf geht durch den Kanal 18 in der Anode. Bei einer Röhre mit großer Leistung muß auch die Ausgangswendel 16 gekühlt werden. Durch die Verbindungen 19, 20 werden die Wendel 15 bzw. 16 mit den Ultrah'ochfrequenzeingangs- und -ausgangskreisen gekoppelt.

Der wesentliche Vorteil dieses Verstärkers liegt in der Einfachheit seines Aufbaues. Die Anzahl der Elektroden ist auf ein Minimum herabgesetzt. Die Wendelendstücke sind so kurz, daß sie keine Schwierigkeiten bei der Anbringung verursachen, wie sie bei den Röhren mit einer wendeiförmigen Verzögerungsleitung bestehen. Der rohrförmige Aufbau ohne Verzögerungsleitung erfordert nur einfach zu bearbeitende und gedrängte Teile.

Claims

Patentansprüche.-

1. Einrichtung zur Erzeugung eines Elektronenstrahles für Entladungsröhren von zylindrischem Aufbau mit einem geradlinigen, in der Zylinderachse angeordneten Leiter, gekennzeichnet durch eine auf diesem Leiter angeordnete emittierende Zylinderkathode und durch ein elektronenoptisches System, welches die Emission dieser Kathode in einem rohrförmigen Strahl, der diesen Leiter als Achse besitzt, bündelt.

2. Wanderwellenverstärkerröhre mit einem Strahlerzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektronen sich senkrecht zu einem magnetischen Feld und einem zu diesem gekreuzten elektrischen Feld verschieben, wobei das magnetische Feld mit zylindrischer Symmetrie durch einen in dem axialen Leiter fließenden Gleichstrom und das radiale elektrische Feld durch eine zwischen diesem Leiter und einer konzentrischen Elektrode angelegten Spannung erzeugt wird.

3. Röhre nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die konzentrische Elektrode Ver- zögerungseigenschaften aufweist und von einer

elektromagnetischen Welle durchlaufen wird, die durch Wechselwirkung zwischen ihrem Hochfrequenzfeld und dem Strahl verstärkt wird.

4. Röhre nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die konzentrische Elektrode frei von Verzögerungseigenschaften ist und die elektromagnetische Eingangswelle dem Strahl eine Modulation aufdrückt, welche ihrerseits in der Röhre die Fortpflanzung einer Welle zur Folge hat, welche durch Wechselwirkung zwischen den in dem Strahl vorhandenen Fäden von verschiedenen Geschwindigkeiten verstärkt wird.

5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das elektronenoptische System eine zylindrische Hilfselektrode aufweist, welche den die Kathode tragenden Bereich des axialen Leiters umgibt und auf ein vorbestimmtes Potential gebracht wird.

6. Röhre nach Anspruch 2 mit einem Strahlerzeuger nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfselektrode mit der konzentrischen Elektrode des axialen Leiters verbunden ist, dessen Durchmesser kleiner ist als derjenige der vorhergehenden Elektrode.

7. Röhre nach Anspruch 2 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode von einem Teil des axialen Leiters getragen wird, der im Durchmesser gegenüber den anderen Teilen desselben Leiters verkleinert ist.

8. Röhre nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode eine Oxydkathode ist.

9. Röhre nach Anspruch 2 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundflächen des Kathodenzylinders beiderseits mit etwa konischen Flächen verbunden sind.

10. Röhre nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die konischen Flächen Oberflächenteile des axialen Leiters bilden und den im Durchmesser verkleinerten Teil dieses Leiters mit den Teilen mit größerem Durchmesser verbinden.

11. Röhre nach Anspruch 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel zwischen den Umrissen eines axialen Schnittes der beiden konischen Flächen etwa 135 ° beträgt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Q5746 2.53