DE869515C - Einrichtung zur Erzeugung eines Elektronenstrahles fuer Entladungs-roehren von Zylindrischem Aufbau mit einem geradlinigen, in der Zylinderachse angeordneten Leiter - Google Patents
Einrichtung zur Erzeugung eines Elektronenstrahles fuer Entladungs-roehren von Zylindrischem Aufbau mit einem geradlinigen, in der Zylinderachse angeordneten LeiterInfo
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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. 5yi:. 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 Ez und eines magnetischen Feldes Bz
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 :BX ist, so daß sie sich in diesem
Raum weiterhin nach einer geradlinigen Bahn mit dem Radius rmaK bewegen.
Die erforderlichen Werte von E% und Bt 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 rmax, 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 rmax 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 (11)
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
Applications Claiming Priority (1)
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