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Elektronenröhre für ultrakurze, elektromagnetische Schwingungen Die
Erfindung bezieht sich auf eine'Elektronenröhre für ultrakurze, elektromagnetische
Schwingungen, welche mindestens eine Kathode, eine gegen diese positiv vorgespannte,
aus Segmenten bestehende Anode und ein Magnetfeld aufweist, wobei zwischen benachbarten
Anodensegmenten eine hochfrequente Wechselspannung liegt, bei welcher erfindungsgemäß
in wenigstens angenähert konstantem Abstand zur Anode eine mindestens über ihren
größten Teil von den Elektronen nicht durchstoßene Leitelektrode vorgesehen ist
und die Elektronen auf Bahnen zwischen dieser Leitelektrode und der Anode verlaufen.
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Im Gebiet der ultrakurzen, elektrischen Wellen sind hauptsächlich
drei sich prinzipiell unterscheidende Röhrentypen bekannt, nämlich die Bremsfeldröhren,
die Magnetronröhren und das Klystron. Die erfindungsgemäße Elektronenröhre ist auf
Grund ihrer Wirkungsweise mit den Laufzeitröhren mit dichtmoduliertem Elektronenstrahl,
noch mehr aber mit den Magnetronröhren vergleichbar. Jedoch weist sie gegenüber
denselben sehr ausgeprägte und wesentliche Unterschiede auf und bildet deshalb eine
prinzipiell neue Röhrentype des Ultrakurzwellengebietes.
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Die Wirkungsweise der Elektronenröhre besteht darin, daß die von der
Kathode emittierten Elektronen in einen durch die Hilfselektrode und die Anode begrenzten
Raum gelangen, in welchem sie dem zwischen den Anodensegmenten herrschenden Wechselfeld,
dem zwischen Anode und Kathode bzw. Leitelektrode vorhandenen Gleichfeld und dem
angelegten Magnetfeld unterworfen sind. Unter dem Einfluß dieser Felder bewegen
sie sich auf zwischen der Anode und der Leitelektrode verlaufenden Bahnen. Durch
das Wechselfeld an den Anodensegmenten wird eine Geschwindigkeitsmodulation der
bewegten Elektronen hervorgerufen,
welche sich beim Weiterlaufen
der letzteren in eine Dichtemodulation derselben verwandelt. .Die Elektronenpakete
ihrerseits wirken wieder auf die Anodensegmente zurück und influenzieren auf denselben
Ladungen, wodurch sich die hochfrequenten Schwingungen aufschaukeln. Die Röhre kann
auch in Empfangsschaltungen zur Entdämpfung und Verstärkung elektrischer Schwingungen
verwendet werden.
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Die Röhre besitzt verschiedene wesentliche Vorteile: Die Kathode kann
einfach ausgeführt werden. Die Herstellung eines guten Vakuums ist ohne große Schwierigkeiten
möglich. Die bei den Magnetronröhren lästige und nachteilige Rückheizung durch die
Elektronen und die positiven Ionen wird praktisch vermieden; denn die Elektronen
kehren nicht wie bei jenen nach jeder Schwingung in unmittelbare Nähe der Glühelektrode
zurück, da ihre Bahnen zwischen einer Leitelektrode und der Anode verlaufen, und
die positiven Ionen fallen größtenteils auf die Hilfselektrode und nicht auf die
Glühkathode. Der Weg der Elektronen von der Kathode zur Anode kann beliebig lang
gemacht werden. Außerdem sind die Dimensionen der erfindungsgemäßen Einrichtung
bei Schwingungen im Zentimeter-Wellen-Gebiet nicht unvorteilhaft klein. Und schließlich
wird ein optimaler Wirkungsgrad erreicht, der demjenigen bekannter Magnetrons nicht
nachsteht.
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Die Erfindung sei nun an Hand der nachfolgenden Ausführungsbeispiele
näher erläutert.
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Fig. i und 2 der Zeichnung betreffen Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen
Elektronenröhre, während Fig. 3 bis 6 Ausführungsformen der Kathode und der Leitelektrode
darstellen.
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Im durch Fig. i dargestellten Ausführungsbeispiel zylindrischer Bauart
bedeutet i eine elektronenemittierende Glühkathode, 2 eine Leitelektrode und i i
ein sich auf Anodenpotential befindlicher Hohlraumresonator. Der letztere ist durch
einen zylinderförmigen äußeren Mantel 3, durch zwei Seitenwände 4, von denen
nur eine sichtbar ist, und durch die Anodensegmente 5 begrenzt. Außerdem ist ein
nicht gezeichnetes, in Richtung der Achse 6 orientiertes Magnetfeldvorhanden. Die
Leitelektrode :2 besitzt dasselbe Potential wie die Kathode i, so daß ein radial
nach außen gerichtetes elektrisches Gleichfeld vorhanden ist.
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Im Betrieb verlaufen die von der Kathode i emittierten Elektronen
unter dem Einfluß des radialen elektrischen und des axialen magnetischen Feldes
auf Zykloidenbahnen zwischen der Leitelektrode 2 und den Anodensegmenten 5 in der
Umfangsrichtung der Mikrowellenröhre. Beim schwingenden Hohlraumresonator i i treten
zwischen benachbarten Segmenten 5, welche im wesentlichen die Kapazität des Hohlraumresonators
darstellen, abwechselnd entgegengesetzt positive und negative Ladungen auf, und
somit ist zwischen diesen ein hochfrequentes Wechselfeld vorhanden. Dieses Wechselfeld
ruft, ähnlich wie beim Klystron, an den kreisenden Elektronen Geschwindigkeitsänderungen
hervor, woraus sich beim Weiterlaufen der Elektronen eine Paketierung derselben
ergibt. Diese Dichteschwankungen ihrerseits rufen durch Influenzwirkung eine Vergrößerung
des hochfrequenten Wechselfeldes zwischen den Anodensegmenten hervor, so daß sich
die Schwingungen verstärken. Die Elektronenpakete, die ihre Energie abgegeben haben,
gelangen schließlich zur Anode.
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Es werden im allgemeinen praktisch alle Elektronen nach einem vollen
Umlauf um die Achse der Elektronenröhre entweder von der Leitelektrode absorbiert
sein oder sich von derselben sehr weit entfernt haben, so daß keine mehr auf die
Glühkathode i gelangen können und somit die bei Magnetronröhren bekannte Rückheizung
durch dieselben nicht auftritt. Aber auch eine Rückheizung durch eventuell vorhandene,
durch Gasreste bedingte positive Ionen ist praktisch bedeutungslos; denn diese Ionen
werden hier sozusagen ausschließlich von der Leitelektrode 2 abgefangen.
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Der Wirkungsgrad der Röhre ist gegeben durch das Verhältnis der Anodensegmentbreite
zum Abstand der Segmente von der Leitelektrode, und die Wellenlänge der erzeugten
Schwingungen ist in erster Näherung eine Funktion der gegenseitigen Kapazität der
Anodensegmente je Längeneinheit in der Umfangsrichtung, des Abstandes der Segmente
5 vom Mantel 3 der Fig. i und der axialen Länge des Hohlraumresonators. Weil außerdem
für die Bemessung der Segmente noch konstruktive Gesichtspunkte maßgebend sind,
kann ihre Zahl daher bei den verschiedenen Röhren in sehr großen Grenzen schwanken.
Die Zahl der Segmente und damit die Leistung der Röhre kann bei gleicher Wellenlänge
praktisch beliebig gesteigert werden. Dies ist ein grundsätzlicher Vorteil der Erfindung
gegenüber bekannten Mikrowellengeneratoren.
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Fig. 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel im Querschnitt. Die Bedeutung
der Bezugszeichen ist dieselbe wie in Fig. i. Die Kathode i ist hier als Wendel
ausgebildet. Außerdem sind Seitenplatten 7 angebracht und galvanisch mit der Hilfselektrode
2 verbunden zum Zweck, eine Abstrahlung von Hochfrequenzenergie zu verhindern und
eine unerwünschte Ablenkung oder Elektronen zu vermeiden. Zur Energiekopplung ist
dieLeiterschleife 8 vorgesehen.
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Wesentlich ist die Ausgestaltung von Kathode und Leitelektrode. In
den Fig. 3 bis 6 sind verschiedene Ausführungsformen dargestellt. Bei allen ist
wiederum mit i die Kathode und mit :2 die Leitelektrode bezeichnet. In Fig. 3'umschließt
die Leitelektrode die Kathode auf der der Anode abgekehrten Seite und ist infolgedessen
in der Umfangsrichtung vollständig geschlossen. In den Fig.4 und 5 ist je eine Steuerelektrode
9 vorgesehen, welcher vorzugsweise ein gegen die Leitelektrode etwas negatives Potential
gegeben wird. Die Steuerelektrode 9 kann ähnlich einem Wehneltzylinder ausgebildet
sein. Bei der mit nach innen gerichteten Umbördelungen io versehenen Leitelektrode
2 gemäß Fig. 6 empfiehlt es sich, die Glühkathode i gegenüber der Elektrode 2 negativ
vorzuspannen. Bei einer weiteren Ausgestaltung der Leitelektrode 2
in
der Nähe der Kathode i bzw. der Steuerelektrode 9 befindet sich die Kathode nicht
in der Fläche des Leitzylinders z, sondern etwas außerhalb derselben. Den Steuerelektroden
9 kann ein konstantes oder veränderbares Potential gegeben werden. Es kann aber
auch die Spannung zwischen Kathode und Leitelektrode veränderlich sein.
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Auch im übrigen ist die Erfindung natürlich nicht auf die Ausführungsbeispiele
beschränkt. Anode und Leitelektrode brauchen nicht die Form von Kreiszylindern zu
besitzen, sondern können irgendwie, unter anderem auch eben ausgebildet sein. Eine
solche ebene Konstruktion entsteht beispielsweise, indem die Einrichtung nach Fig.
i mit einer durch die Kathode i gehenden und in der Achse 6 endigenden Fläche aufgeschnitten
und abgerollt wird, wobei sich die Kathode der so gebildeten Elektronenröhre am
einen Ende befindet und die Hilfselektrode und die Anode zwei parallele Ebenen bilden.
Auch bei dieser Einrichtung ist die Orientierung des Magnetfeldes senkrecht zu den
Seitenplatten 4. des Hohlraumresonators.
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Als Kathode eignet sich eine Wendel, eine Glühfaden- oder eine Großflächenkathode;
sie kann direkt oder indirekt geheizt sein. Sie besteht entweder aus einem oder
bei Röhren großer Leistung aus mehreren emittierenden, faden- oder wendelförmigen
.Kathodenleitern, welche unmittelbar benachbart oder auf dem Umfang der Leitelektrode
regelmäßig angeordnet sind.
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Der Leitelektrode kann je nach den Umständen ein konstantes oder veränderbares
Potential gegeben werden.
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Gegebenenfalls lassen sich noch zusätzliche Steuergitter vorsehen.
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Die Anodensegmente bestehen im allgemeinen aus Blechen mit flächenhafter
Ausdehnung oder aus Drähten oder Stäben mit beispielsweise elliptischem, kreisförmigem
oder rechteckigem Querschnitt.
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Als Schwinggebilde wird im allgemeinen ein Hohlraumresonator dienen,
da derselbe kleine elektrische Verluste bedingt und weitere allgemein bekannte Vorteile
aufweist. Dessen Form kann jedoch von der in den Ausführungsbeispielen dargestellten
erheblich abweichen. Aber auch eine Lecherleitung erweist sich in gewissen Fällen
als Schwinggebilde vorteilhaft.
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Die Kühlung der wärmebeanspruchten Teile kann beispielsweise durch
Strahlung erfolgen, indem die betreffenden Teile geschwärzt werden. Auch können
zur Vergrößerung der Oberfläche Kühlflügel angebracht werden. Insbesondere bei Großleistungsröhren
empfiehlt es sich, eine Wasserkühlung vorzusehen. Bei der Herstellung wird für die
besonders wärmebeanspruchten Teile ein speziell wärmebeständiges Material, z. B.
Tantal, verwendet.
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Die Veränderung der Eigenfrequenz kann durch Ändern des Volumens des
Hohlraumresonators geschehen. Auch kann diese durch veränderbares Eintauchen von
feldverdrängenden Mitteln am Ort großer magnetischer oder elektrischer Energie durchgeführt
sein, oder es läßt sich die Kapazität des Resonators, beispielsweise die gegenseitige
Kapazität der Anodensegmente, variieren. Durch Änderung der Abstimmung einer mit
dem Hohlraumresonator gekoppelten Lecherleitung besitzt man eine weitere Möglichkeit
zur Frequenzänderung. Schließlich kann auch die Stärke des Magnetfeldes und/oder
der Anodenspannung für bestimmte Zwecke veränderbar gemacht werden.