-
Einrichtung zum Anfachen (Erzeugen, Verstärken, Empfangen) von ultrahochfrequenten
elektrischen Schwingungen Die Erfindung bezieht sich auf Einrichtungen zum Anfachen
(Erzeugen, Verstärken, Empfangen) von ultrahochfrequenten elektrischen Schwingungen,
insbesondere von Schwingungen einer Wellenlänge unter einem Meter, mittels Elektronenröhre
mit einer Kathode, einer durchbrochenen Elektrode und einer vollwandigen Elektrode,
bei der die Elektronen vor dem Eintreten in den von der durchbrochenen Elektrode
und der vollwandigen Elektrode begrenzten Anfachraum zusätzlich durch eine ultrahochfrequente
Steuerspannung gesteuert werden. Zum Anfachen von ultrahochfrequenten. elektromagnetischen
Schwingungen sind Elektronenröhrenanordnungen bekanntgeworden, bei denen die Röhre
eine Kathode, ein gegebenenfalls nur von zwei parallelen Stäben .gebildetes Gitter
und eine vollwandige Elektrode (Anode) enthält und mit dem Gitter und der Anode
ein Resonator verbunden ist. Erteilt man der durchbrochenen Elektrode (Gitter) in
bezug auf die Kathode positive und der vollwandigen Elektrode (Anode) negative Spannung
(Bremsfeldschaltung), so tritt bei geeigneter
Wahl der Elektronenlaufzeiten
eine .Anfachung des Resonators (Anfachresonator) ein.
-
Es ist bereits bekanntgeworden, bei derartigen Anordnungen elektronenoptische
Mittel anzuwenden. Bei einer bekannten Anordnung wird ein in der Elektronenflugrichtung
verlaufendes konstantes Magnetfeld angewendet, um zu erreichen, daß der Gitterstrom
heruntergedrückt wird und der Elektronenstrom von der Kathode aus tunlichst vollständig
zwischen zwei als Gitter dienenden parallelen Stäben hindurch auf die Bremselektrode
zufließt. Bei einer anderen bekannten Anordnung ist ebenfalls zwecks Herabsetzung
-des Gitterstromes zwischen der Kathode und dem hochpositiven Gitter ein Hilfsgitter
vorgesehen, dessen Gitterstäbe im Elektronenschatten der Gitterstäbe des hochpositiven
Gitters angeordnet sind; das Hilfsgitter kann sich auf Kathodenpotential befinden
oder eine gegenüber der Kathode negative Vorspannung erhalten.
-
Durch das ultrahochfrequente Wechselfeld in dem Anfachraum muß eine
Steuerwirkung auf die zwischen der Kathode und der durchbrochenen Elektrode in dem
sogenännten Steuerraum fliegenden Elektronen ausgeübt werden, so daß durch die Lücken
der durchbrochenen Elektrode ein- Elektronenwechselstrom in den Anfachraum eintritt.
Dieser Elektronenwechselstrom muß ferner gegenüber dem Wechselfeld in dem Anfachraum
eine bestimmte Phasenverschiebung aufweisen, um seine Energie.beim Durchfliegen
des Anfachraumes über die diesen begrenzenden Elektroden an den Resonator abgeben
zu können. Die mit solchen Elektronenröhrenanordnungen erzielten Steilheiten der
Stromsp.annungskennlinie sind jedoch nur klein, so daß eine solche Elektronenröhre
nur mit verhältnismäßig geringem Wirkungsgrad arbeitet. Zur Vergrößerung der Steilheit
und zur Erhöhung des Wirkungsgrades können zusätzliche Steuermittel im Steuerraum
vorgesehen werden..
-
Es sind bereits Anordnungen in Bremsfeldschaltung bekanntgeworden,
bei denen zur Erhöhung des Wirkungsgrades eine Doppelgitterröhre verwendet und das
der Anode benachbarte Gitter auf dem hohen positiven Potential gehalten wird, während
dem ,der Kathode benachbarten Gitter eine gegenüber der Anoden- (Bremselektroden-)
Wechselspannung um etwa i8o° phasenverschobene Wechselspannung aufgedrückt werden
soll. Zu diesem Zwecke .ist der Anfachresonator (Drahtkreis) zwischen der Anode
und dem der Kathode benachbarten Gitter angeschlossen, das eine gegenüber der Kathode
negative Vorspannung erhält. Wenn die bekannte Anordnung in Gegentaktschaltung arbeitet,
so sind die beiden positiv vorgespannten Gitter der beiden Röhren miteinander und
die Anode der einen Röhre mit dem der Kathode benarhharten Gitter der anderen Röhre
verbunden. Die drei Verbindungsleitungen sind als Leeherdrahtleitungen ausgeführt.
-
Es sind ferner bereits Anordnungen in Bremsfeldschaltung oder mit
im Sinne der Normalschaltung positiver Anode vorgeschlagen worden, bei ' denen der
Anfachresönator aus einem praktisch allseitig von elektrisch leitenden Flächen begrenzten
und nach außen hin in Spannungsknoten abgeschlossenen Hohlraum (Hohlraumresonator)
besteht und diese Flächen auf einem Tei=l ihrer Ausdehnung Elektroden (die durchbrochene
Elektrode und die Anode) der Elektronenströmung bilden und sich zwischen der durchbrocheneh
Elektrode und der Kathode eine Hilfselektrode (Steuerelektrode) befindet, die ultrahochfrequente
Steuerspannungen j zugeführt erhält (durch Fremdsteuerung öder Rückkopplung). Auch
ist bereits vorgeschlagen worden, die Steuerelektrode (Steuergitter) im Sinne einer
Rückkopplung dadurch mit ultrahochfrequenten Steuerspannungen zu beaufschlage-n,
daß sie mit der vollwandigen Elektrode bzw. dem betreffenden Wandungsteil des Hohlraumresonators
hochfrequenzmäßig verbunden ist: Bei den genannten bekannten Anordnungen und den
erwähnten vorgeschlagenen Anordnungen mit Steuerung der Elektronenströmung durch
eine Hilfselektrode bzw. Steuerelektrode oder Steuergitter besteht der Steuervorgang
darin, daß der Elektronenstrom unmittelbar nach dem Austritt aus der Kathode durch
glas zwischen Steuerelektrode und Kathode vorhandene Wechselfeld vorzugsweise in
seiner Intensität.. gesteuert wird entsprechend der gittergesteuerten Verstärkerröhre
der Langwellentechnik.
-
Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Kathode
und der durchbrochenen Elektrode eine durch eine ultrahochfrequente Steuerspannung
gesteuerte elektrische Elektronenlinse vorgesehen ist und daß durch die mit der
ultrahochfrequenten Steuerung der Elektronenlinse verbundene Brennweitenänderung
die Anfachung des zwischen der durchbrochenen Elektrode und der vollwandigen Elektrode
liegendenAnfachresonators bewirkt wird.
-
Die hierzu geeigneten elektrischen Elektronenlinsen sind bereits im
Prinzip -aus der Elektronenoptik bekannt. Da es bei dem Erfindungsgegenstand nicht
so sehr auf eine verzerrungsfreie Abbildung als vielmehr auf eine gute Konzentration
eines Elektronenstrahies ankommt, können auch solche Elektronenlinsen verwendet
werden, welche eine verzerrte Abbildung liefern. Im allgemeinen besteht eine elektrische
Elektronenlinse aus einer oder auch aus mehreren Loch- oder Schlitzblenden bzw.
aus ebenen oder gekrümmten Drahtnetzen, welchen ein verschiedenes Potential erteilt
wird. Passiert nun ein paralleler Elektronenstrahl, zweckmäßig im Hochvakuum, eine
solche Anordnung, so wird er nach dem Verlassen der Blenden bzw. der Drahtnetze
infolge der senkrecht zur Bewegungsrichtung erfolgten Beschleunigungen im allgemeinen
nicht mehr parallel; sondern entweder divergent oder konvergent sein. Im ersten
Fall bezeichnet man die Anordnung als elektrische Zerstreuungs-, im zweiten Fäll
als elektrische Sammellinse, in Analogie zu den optischen Linsen. Der bemerkenswerteste
Unterschied gegenüber den optischen Linsen besteht bei Elektronenlinsen und insbesondere
bei
elektrischen Elektronenlinsen darin, daß sich ihre Brennweite durch die Änderung
der Spannungen an den Blenden einfach und nahezu trägheitslos ändern läßt.
-
Eine solche steuerbare Elektronenlinse kann nun vorteilhaft zur Emissionssteuerung
und damit zur Erhöhung der Steilheit der Stromspannungskennlinie bei Ultrakurzwellenröhren
benutzt werden, wenn in die durchbrochene Elektrode eine punktoller spaltförmige
Öffnung vorgesehen wird, und der Bildpunkt bzw. die Bildlinie der von der Elektronenlinse
abgebildeten Kathode beim Maximum oder Minimum der Steuerwechselspannung, insbesondere
bei voller Aussteuerung auf diesen Spalt projiziert wird.
-
In der schematisch und im Schnitt dargestellten Anordnung der Abb.
i stellt i eine bandförmige, senkrecht zur Zeichenebene ausgedehnte Kathode dar,
welche an ihren beiden Schmalseiten von zwei als Wehneltzylinder wirkenden, relativ
zur Kathode, negativ aufgeladenen Metallbändern 2 und 2' umgeben ist. Mit 3 ist
eine mit einem Schlitz 4: versehene Beschleunigungselektrode zur Beschleunigung
der von der Kathode emittierten Elektronen bezeichnet. Die Schlitzblende 5 ist die
zur Steuerung benutzte Elektronenlinse. Mit 6 ist die durchbrochene und mit 7 die
vollwandige Elektrode bezeichnet, welche beide den Anfachraum begrenzen. In der
Elektrode 6 ist ein schmaler Spalt 8 vorgesehen, durch welchen der zur Anfachung
dienende Elektronenstrom in den Anfachraum eintritt.
-
Durch die Wirkung der negativ aufgeladenen Bleche 2 und 2' wird' ein
nahezu paralleler Elektronenstrahl io erzeugt, der durch die Linsenwirkung der positiven
Beschleunigungselektrode 3 im Raum zwischen den Elektroden 3 und 5 divergent wird.
Für die Elektronenlinse 5 ist daher in der Entfernung a an der Stelle 9 scheinbar
eine punkt-bzw.eine linienförmigeElektronenquellevorhanden, welche auf der anderen
Seite der Elektronenlinse in der Entfernung bim Spalt 8 abgebildet wird. Fällt nun
der Bildpunkt i i auf den Spalt 8, so fliegen alle Elektronen durch die Elektrode
6 in den Anfachraum. Wird die Spannung an der Elektronenlinse 5 geändert, so ändert
sich im gleichen Takt ihre Brennweite. Da .auch für .diese Art von Linsen die Linsenformel
gilt, wobei f die Brennweite, a die Gegenstandsweite
und b die Bildweite bedeutet, so ergibt sich bei konstanter Gegenstandsweite
a eine Änderung der Bildweite b mit der Brennweite f. Der Bildpunkt bzw. die Bildlinie
fällt daher im allgemeinen vor oder hinter .die Elektrode 6. Die Folge hiervon ist,
daß die meisten Elektronen entweder als konvergentes oder als divergentes Bündel
die Elektrode 6 treffen und nur ein geringer Teil derselben .durch den schmalen
Spalt 8 gelangt. Daraus ergibt sich die Möglichkeit, die Einrichtung zur Elektronenstromsteuerung
zu benutzen, wobei sich, wie noch näher ausgeführt wird, eine große Steilheit der
Stromspannungskennlinie erreichen läßt. Bei Steuerwechselspannungen an der Elektronenlinse
5 bewegt sich der Bildpunkt i i der Kathode demnach im allgemeinen längs der Achse
A-A, beispielsweise längs der Strecke x +y: Während einer Periodendauer der Steuerwechselspannung
fällt dann der Bildpunkt zweimal mit dem Spalt der Elektrode 6 zusammen, so daß
der in den Anfachraum eintretende Elektronenwechselstrom zwei Maxima und entsprechend
auch zwei Minima aufweist. Der im Anfachraum eintretende Elektronenwechselstrom
hat daher die doppelte Frequenz wie die Steuerwechselspannung. Diese Frequenzverdoppelung
kann nun in einfacher Weise vermieden werden, wenn sich der Bild- oder Brennpunkt
entweder vor oder hinter der Elektrode 6, also entweder nur auf der Strecke x oder
nur auf y bewegt, so daß er gerade an der Elektrode 6 umkehrt. Die Lage des anderen
Umkehrpunktes kann dagegen beliebig gewählt werden. Bewegt sich beispielsweise der
Brennpunkt vor der Elektrode 6 in dem Raum zwischen 5 und 6, so kann im Extremfall
der Brennpunkt zwischen die Elektroden 3 und 5 fallen. Dies bedeutet aber, daß die
Elektronen alle an der Linse 5 reflektiert werden, so daß kein Elektronenstrom in
den Anfachraum gelangt. Bewegt sich dagegen der Brennpunkt auf der Strecke y, so
kann der zweite Umkehrpunkt im Unendlichen liegen bzw. die Brennweite sogar negativ
werden. Im ersten Fall ist dann der die Elektronenlinse verlassende Elektronenstrahl
parallel, im zweiten Fall sogar divergent. Versuche haben ergeben, daß eine etwas
günstigere Steuerung eintritt, wenn sich der Bildpunkt vor der Elektrode 6, also
in dem Raum zwischen den Elektroden 5 und 6 bewegt. Die Stromspannungskennlinie
ist bei dieser Steuerung in einem großen Intervall geradlinig.
-
Um der Linse 5 eine ultrahochfrequente Steuerwechselspannung von dem
an die Elektroden 6 und 7 angeschlossenen Resonator zuzuführen, kann man die Linse
5 aperiodisch oder über einen weiteren Resonator mit dem Anfachraum koppeln. Vorteilhaft
ist es, die Steuerlinse 5 aperiodisch über eine im Verhältnis zur Wellenlänge kurze
Verbindungsleitung mit der vollwandigen Elektrode 7 zu koppeln. Erfolgt die Kopplung
über einen Kondensator, so kann den Elektroden 5 und 7 ein verschiedenes Gleichpotential
erteilt werden. Durch die Größe des Kopplungskondensators kann man die Amplitude
der Steuerwechselspannung an der Linse 5 einstellen. Soll die Steuerwechselspannung
möglichst groß sein, so erfolgt die Kopplung über einen relativ großen Kondensator,
der für ultrahochfrequente Schwingung einen Kurzschduß darstellt. In allen diesen
Fällen erhält die Steuerlinse eine Wechselspannung, welche zur Wechselspannung der
Elektrode 7 gleichphasig ist.
-
Von Wichtigkeit ist ferner die richtige Wahl der Laufzeit ti der Elektronen
zwischen der Linse 5 und der durchbrochenen Elektrode 6, denn durch die Einstellung
dieser Laufzeit kann man erreichen, daß die Elektronen mit richtiger Phase in den
Anfachraum eintreten. Bei Anwendung der Bremsfeldschaltung, also bei positiver Spannung
an der
Elektrode 6, und bei einer schwach po@itsven oder negativen
Spannung an der Elektrode 7 und bei ebener Ausbildung ,der Elektroden 6 und 7 hat
sich gezeigt, daß die: einfache Laufzeit der Elektronen zwischen den Elektroden
6 und 7 ungefähr ein Drittel der Periodendauer T der Schwingung betragen muß. Ferner
errechnet sich die günstigste Phasenverschiebung zwischen der Wechselspannung an
der Elektrode 7 und einem in den Anfachraum eintretenden, in Richtung auf die Elektrode
7 sich bewegenden und der Spannung voreilenden positiven Wechselstrom .zu
Dieser Phasenwinkel cp kann nun bei zwei verschiedenen Laufzeiten t1 und ti erreicht
werden, je nachdem, ob bei maximal positiver oder bei maximal negativer Steuerwechselspannung
an der Linse 5 .das Bild der Kathode gerade auf den Spalt8 der. Elektrode 6 fällt.
Im ersten Fall muß die Laufzeit t1 ungefähr zu 5/12 der Schwingungsdauer T gewählt
werden und im zweiten Fall ti' ungefähr mit 11%12 der Schwingungsdauer T übereinstimmen.
In beiden Fällen ist eine Steuerung der Elektronenlinse möglich, derartig; daß sich
der Bildpunkt entweder nur vor oder nur hinter der Elektrode 6 bewegt.
-
Sind die den Anfachraum -begrenzenden Elektroden nicht eben, sondern
beispielsweise als Zylinder ausgeführt, so ergibt sich für die Phasenverschiebung
ein etwas abweichender Wert, welcher sich am einfachsten durch den Versuch ermitteln
läßt. Entsprechend diesem geänderten Wert von 99 ändern sich dann auch die
Laufzeiten t1 und t1':.
-
In dem dargestellten Beispiel bestehen die eigentlichen zur Steuerung
benutzten Elektroden aus (der Elektronenlinse 5 und aus der Iden Anfachraum begrenzenden,
mit einemSpalt versehenenElektrode6. Man kann nun auch an Stelle der Elektrode eine
solche wählen, welche an der Stelle der Öffnung oder :des Spaltes i i massiv ausgeführt
ist, d. h. aus einer kleinen Metallplatte oder aus einem schmalen Metallband bestehen
und in mehr oder weniger großer Umgebung der Platte bzw: zu beiden Seiten des Metallbandes
durchbrochen ausgeführt ist. Die Gesamtbreite der Öffnung ist dabei entsprechend
der größten Breite ,des Elektronenstromes zu wählen, so daß bei maximaler Breite
(des gesteuerten Elektronenstromes gerade noch alle Elektronen mit Ausnahme der
wenigen auf das schmale Metallband treffen, die in den Anfachraum eintreten. Bei
einer solchen Ausführung werden dann, wenn der Brennpunkt in der Ebene der Elektrode
6 liegt, alle Elektronen auf das schmale Metallband bzw. auf die Metallplatte auftreffen,
(der in den Anfachraum gelangende Strom also gerade ein Minimum zeigen, und bei
entsprechend maximaler oder minimaler Brennweite wird ein Maximum an Elektronen
in den Anfachraum gelangen. Die Steuerung erfolgt demnach hier mit gerade 18o° Phasenverschiebung
im Vergleich zu ider der erstbeschriebenen Ausführung. Entsprechend dieser Phasenverschiebung
von 18o° sind dann auch die Laufzeiten in dem Raum zwischen der Elektrode 5 und
der Elektrode 6 andere zu wählen, und zwar ergibt sich dann statt t1 = 512 T ein
t11 = 11/12 T und statt t1 = 1112 T ein t12 = 5/12 T. Der sich
infolge der hohen Stromdichte an der kleinen Metallplatte bzw. dem Metallband ergebenden
hohen Erhitzung kann durch die Wahl eines für hohe Temperaturen widerstandsfähigen
Materials, z. B. Wolfram, Tantal, Platin usw., Rechnung getragen werden.
-
In dem beschriebenen Beispiel der Abb. i dient als zusätzliches Steuermittel
eine Loch- oder Schlitzblendenlinse, welche aus einer einzigen Blende besteht und
zwischen einer Beschleunigungselektrode 3 und der durchbrochenen Elektrode 6 angeordnet
ist. Damit eine Linsenwirkung zustande kommt, müssen die Elektroden 3, 5 und 6 verschiedenes
Potential erhalten; insbesondere muß die Steuerlinse 5 relativ zu den Elektroden
3 und 6 negativ vorgespannt sein. Die Elektronen werden daher in den beiden Räumen
zwischen den Elektroden 3 und 5 bzw. zwischen den Elektroden 5 und 6 je nach der
Wahl der Spannungen auch in Achserrichtung beschleunigt oder verzögert. Diese Beschleunigungen
und Verzögerungen in Achserrichtung sind bei der genauen Berechnung der Brennweiten
der Elektronenlinse zu berücksichtigen. Diese in Richtung .der Elektronenbewegung
wirksamen Felder sind außerdem noch infolge ides Wechselpotentials der Linse 5 Schwankungen
unterworfen, womit Laufzeitschwankungen der Elektronen verbunden sind. Durch diese
Laufzeitschwankungen wird eine geringe Streuung der Elektronen in Richtung,der Achse
A eintreten, was sich jedoch nur als eine kleine Verringerung der Steilheit des
ausgesteuerten Elektronenstromes auswirkt. Dieser Nachteil wird jedoch durch die
relativ einfache Anordnung und die mit einer derartigen Blende zu erzielende geringe
Kapazität kompensiert.
-
Will man,die Wirkungen der Elektronenlinse auf einen möglichst schmalen
Raum beschränken, so kann eine in der Elektronenoptik als Einzellinse bezeichnete
Elektronenanordnung gewählt werden. Eine Steueranordnung mit einer solchen Einzellinse
ist in Abb.2 dargestellt. Die beispielsweise dargestellte Einzellinse besteht aus
drei in geringem Abstand voneinander angeordneten Loch-oder Schlitzblenden 12, 13,
14. Die mittlere Blende 12 ist die eigentliche Steuerblende; ihr werden zweckmäßig
die ultrahochfrequenten Steuerwechselspannungen zugeführt, während die Blenden 13
und 14 eine konstante Spannung erhalten. Erteilt man nun den Elektroden 3, 13, 14
und 6 die gleiche Spannung, und zwar eine positive Spannung relativ zur Kathode
i, so sind die Räume zwischen den Elektroden 3, 13 bzw. 14, 6 feldfrei, so daß sieh
die Elektronen in diesen Räumen mit konstanter Geschwindigkeit bewegen. Die Wirkung
der Linse erstreckt sich also praktisch nur auf das kurze Stück zwischen den Elektroden
13, 14. Die dargestellte Elektronenlinse entspricht im optischen Fall einer Linse
in einem Medium mit homogenem und konstantem Brechungsexponenten, wobei ferner
die
Dicke der Linse klein im Vergleich zur Brennweite ist. Mit einer solchen Linse lassen
sich bekanntlich sehr genaue Abbildungen erzielen.
-
Erhalten nun je zwei Elektroden 3 und 13 bzw. 14 und 6 das gleiche
Potential, die beiden Elektrodenpaare 3, 13 bzw. 1q., 6 gegeneinander ein verschiedenes
Potential, dann erhält man eine den Immersionslinsen bzw. den Immersionsobjektiven
entsprechende Elektronenlinse, da sich ja die Elektronen in den beiden Räumen zwischen
3 und 13 bzw. 14 und 6 mit voneinander verschiedener Geschwindigkeit bewegen entsprechend
einem Lichtstrahl in zwei Medien mit verschiedenen Brechungsexponenten. Die Wahl
solcher elektrischer Immersionslinsen bzw. -objektive hat u. a. den Vorteil, den
Elektroden 3 und 6 ein voneinander verschiedenes Potential erteilen zu können.
-
Versuche haben gezeigt, daß es notwendig ist, einen möglichst parallelen
Elektronenstrahl herzustellen, um die Wirkung der Elektronenlinse voll auszunutzen.
Dies kann man einmal dadurch erreichen, daß man die beiden Hilfselektroden 2 und
2' möglichst breit ausführt. Eine andere Möglichkeit besteht darin, auf der der
Beschleunigungselektrode 3 gegenüberliegenden Seite der Kathode eine weitere Elektrode
3' (in Abb. 2) anzuordnen und dieser ebenfalls eine positive Spannung zu erteilen.
Um Gleichstromverluste zu vermeiden, wird dann die dieser Elektrode 3' zugekehrte
Oberfläche der Kathode zweckmäßig schlecht- oder nichtemittierend ausgeführt. Es
hat sich ferner als vorteilhaft erwiesen, die Spannung der Beschleunigungselektrode
3 so groß zu wählen, daß die Kathode i im Sättigungsgebiet arbeitet.
-
Weitere Ausführungsbeispiele von Einzellinsen sind in den Abb.
3 bis 6 dargestellt.
-
In dem Beispiel der Abb. 3 sind die Elektroden 13 und 14 durch Metallstege
15, 15' und 16, 16' mit den Elektroden 3 und 6 galvanisch verbunden, wodurch sich
eine leichte und genaue Montage der Elektroden in der Röhre ergibt. Bei den Beispiel
der Abb. q. sind an Stelle der ebenen Blenden 13 und 14 rechtwinklig gebogene Metallbleche
17, 18 bzw. 17', 18' vorgesehen, durch die eine günstige Feldausbildung in der Linse
erzielt wird. Statt dieser rechtwinklig gebogenen Metal.lblecbe können auch beliebig
abgewinkelte bzw. .gewölbte Bleche verwendet werden. In .dem Beispiel der Abb. 5
ist an Stelle der Schlitzblende 12 ein Drahtnetz i9 vorgesehen. Da es bei den beschriebenen
Elektronenlinsen weniger auf die absolut verzerrungsfreie Abbildung als vielmehr
auf eine gute Konzentration der Elektronen ankommt, lassen sich mit Vorteil solche
feindrähtigen Netze verwenden, bei welchen im Vergleich zu den Loch- oder Schlitzblenden
geringere Steuerspannungen notwendig sind. Die Abb. 6 stellt schließlich noch ein
Ausführungsbeispiel dar, bei welchem zwei auf verschiedenem Potential befindliche
Elektroden 2o und 21 in der gleichen Ebene angeordnet sind. Die Steuerelektrode
21 in der Nähe der Achse besteht nur aus den beiden parallelen dünnen Drähten 21.
Die Zahl der Ausführungsbeispiele läßt sich noch beliebig vermehren, insbesondere
lassen sich auch zylindrische Elektroden oder in beliebiger Weise gewölbte Elektroden
zum Bau von Elektronenlinsen benutzen. Zweckmäßig werden solche Linsenformen verwendet,
welche eine geringe Kapazität haben und bei welchen die zur Steuerung verwendete
Elektrode nach Möglichkeit eine negative Spannung im Vergleich zur Kathode erhält,
so daß an ihr keine Wechselstromverluste auftreten können.
-
Die Abhängigkeit der Brennweite f der in den Abb.2bis6dargestellten
Einzellinsen von den Spannungen an den Blenden ist im Prinzip in dem Diagramm der
Abb. 7 dargestellt. Als Abszisse ist das Verhältnis VSIVA aufgetragen, wobei VS
die Spannung der mittleren Elektrode in bezug auf die äußeren Elektroden und VA
die Spannjung der äußeren Elektroden in bezug auf die Kathode bedeuten. Als Ordinate
ist die Brennweite f aufgetragen. Die gestrichelten Kurven beziehen sich auf eine
Einzellinse entsprechend der Abb. 2 mit Schlitzblenden, die ausgezogenen Kurven
auf eine Einzellinse entsprechend der Abb.5 mit einem Drahtnetz als Steuerelektrode.
Nach oben sind die positiven und nach unten die negativen Werte der Brennweite aufgetragen.
Das Diagramm zeigt nun, daß bei Verwendung einer Schlitzblende als Steuerelektrode
(Abb.2) sowohl bei positiven als auch bei negativen Werten von VS/VA die Brennweite
positiv bleibt, die Linse also als Sammellinse wirkt. Bei Verwendung eines Drahtnetzes
als Steuerelektrode (Abb. 5) wird f bei negativen, VSIVA auch negativ. Die
Linse wirkt also hier als Zerstreuungslinse. Dem Diagramm ist ferner zu entnehmen,
daß sich bei Werten VS.-; VA, also bei Werten in der Umgebung des Nullpunktes,
die Brennweite erheblich mit der Steuerspannung ändern läßt. Bei einer solchen Einstellung
der Elektrodengleichspannungen läßt sich also mit geringer Steuerwechselspannung
die Brennweite in ein großes Intervall ändern, wodurch sich eine hohe Steilheit
der Aussteuerung ergibt.
-
Anwendungsbeispiele der geschilderten Steuereinrichtungen sind in
den Abb. 8 bis 12 dargestellt. Die Abb. 8a zeigt im Querschnitt, die Abb.8b im Längsschnitt
eine Elektronenröhre, bei welcher der ultrakurzweilige Schwingungskreis mit den
zur Anfachung vorgesehenen Elektroden in einem Vakuumgefäß 22 untergebracht ist.
Die vorgesehene Elektrodenanordnung entspricht im Prinzip der bereits in Abb. i
dargestellten Anordnung. Eine bandförmige Glühkathode i, Wehneltbleche 2 und 2',
eine Beschleunigungselektrode 3, eine durchbrochene Elektrode 6 und eine vollwandige
Elektrode 7 bilden das eigentliche Elektrodensystem. Die Elektronenlinse besteht
aus zwei parallelen Drähten 23 und 23', welche über kurze Metallstege 2.I und 24'
mit der vollwandigen Elektrode 7 galvanisch verbunden sind. Die Elektrode 6 wird
von den Metallstegen isoliert durchsetzt. In dein @dar-,gestellten Fall dient als
Anfachresonator ein aus zwei parallelen Metallbändern 25 und 25' bestehendes Lechersystem
der Länge Ä/d., das an
seinem oberen Ende einen Spannungsbauch und
an dem Krarzschlußkondensator 26 am unteren Ende einen Spannungsknoten aufweist.
Die Anfachung des Anfachresonators kann in beliebiger Schaltung erfolgen, zweckmäßig
erfolgt sie in der Bremsfeldschaltung. Es erhalten demnach die Elektroden 3 und
6 eine hohe positive Spannung und :die E,lektraden 23 und 7 eine schwach positive
oder negative Spannung relativ zur Kauhode. Die Abmessungen der Röhre sind dabei
so zu berechnen, daß bei günstigster Anfachung den Elektroden 7 und 23 die gleiche
Vorspannung erteilt werden kann.
-
Als Anfachresonator kann beim Erfindungsgegenstand in bereits vorgeschlagener
Weise ein auf die Betriebsfrequenz abgestimmter Hohlraum dienen, der praktisch allseitig
durch Metallflächen begrenzt wird und durch .diese galvanisch oder kapazitiv nach
außen hin in Spannungsknoten abgeschlossen und dadurch gegen (den Austritt von Verluststrahlung
geschützt ist, während im Innern des Hohlraumes Wandteile desselben an der Stelle
eines Spannungsbauches die den Anfachraum begrenzenden Elektroden «durchbrochene
Elektrode und vollwandige Elektrode) ider Elektronenströmung bilden. Es können nach
den älteren Vorschlägen konzentrische Elektrodensysteme Anwendung finden oder die
als Elektroden wirkenden Wandteile einen ebenen Plattenkondensator bilden. Die anfachenden
Elektronen treten von ider Kathode her durch den die idurchbrochene Elektrode bildenden
Wandteil hindurch in den Resonatorhohlraum ein, und zwar im ersten Fall (konzentrische
Elektroden) senkrecht - zur Achse; im anderen Fall in Achserrichtung. Es kann dabei,
wie ebenfalls bereits in einem älteren Vorschlag angegeben worden ist, .die Einrichtung
so getroffen sein, .daß der Abstand der den Resonator begrenzenden, elektrisch leitenden
Flächen an (den Stellen, wo dieselben als Elektroden wirken, kleiner ist als der
Abstand der Flächenteile, die sich an die als Elektroden wirkenden Flächenteile
anschließen; an die die Elektroden bildenden Flächen kann sich ein torusförmiger
Raum anschließen.
-
Die .angegebene Verwendung von Hohlraumresonatoren als Anfachresonatoren
beim Erfindungsgegenstand bietet den besonderen Vorteil, daß nicht Streufelder von
dem Anfachresonator ausgehen können, die in unkontrollierbarer Weise auf die Elektronenströmung
außerhalb des Anfachraumeis einwirken und an irgendeiner Stelle oder unter Umständen
mehreren Stellen eine nichtgewollte zusätzliche Steuerung ider Elektronenströmung
zur Folge haben könnten, welche der beabsichtigten Wirkung der Elektronenlinseentgegenarbeitet
bzw. sie irgendwie störend beeinflußt. Wenn erfindungsgemäß die Elektronenlinse
in einem Hohlraum (Steuerhohlraum), der von Metallflächen praktisch allseitig begrenzt
und gegen den Austritt von Verluststrahlung .geschützt ist, enthalten ist, so können
solche störenden Streufelder auch nicht von der Steuerstelle ausgehen. Die ,gewünschte,
ultrahochfrequente Steuerung ist auf einen voribestimmten Rauar, Aden vorerwähnten
Hohlraum (Steuerhohlraum), konzentriert (lokalisiert). Auch ist (die Elektronenlinse
gegen die Einwirkung irgendwelcher, auch elektrostatischer Felder von außen her
geschützt (abgeschirmt). Die Elektronen können vom Eintritt in den Steuerhohlraum
ab bis innen Anfachraum hinein in der metallischen Ab-
schirmung verlaufen.
-
Würde die Elektronenlinse nicht in dem Steuerhohlraum enthalten sein,
so würden von :der Steuerstelle ausgehende ultrahochfrequente Strieufelder eine
zusätzliche Steuerung auf Iden von -der Kathode startenden Elektronenstrom ausüben
können; es könnte durch die unübersehbaren Streufelder eine ungewollte Steuerung
der Intensität des Elektronenstromes oder der Geschwindigkeit der Elektronen vor
dem Eintritt in die Elektronenlinse zustande kommen. Bei innerhalb des Steuerhohlraumes
angeordneter Kathode würde ähnlich eine ungewollte zusätzliche Steuerung des von
der Kathode ausgehenden Elektronenstromes eintreten können, indem der Steuerhohlraum
die mit ultrahochfrequenten Steuerspannungen beaufschlagte Steuerelektrode bzw.
--blende. enthält und folglich in gewissem Maße selbst bei Verstimmung gegenüber
der Steuerfrequenz zum Mitschwingen angeregt wird. Ist indessen die Elektronenlinse
in :dem Steuerhohlraum enthalten, die. Kathode dagegen außerhalb desselben angeordnet,
so kann einerseits der von der Kathode ausgehende Elektronenstrom nicht durch von
der Steuerstelle herrührende Streufelder beeinflußt werden, während andererseits
elektrisches Wechselfeld aus dem Steuerhohlraum heraus nur zufolge Durchgriffs auf
den von der Kathode ausgehenden Elektronenstrom einwirken kann. Der der Kathode
zugekehrte Wandungsteil :des Steuerhohlraumes dient zweckmäßig gleichzeitig als
Beschleunigungsgitter (entsprechend ider Elektrode 3 in Abb. i). Um weiterhin ein
infolge durchgreifenden Wechselfeldes etwa mögliches Mitschwingen des Raumes zwischen
dem Beschleunigungsgitter und der Kathode und eine @dadurch wiederum mögliche zusätzliche
Steuerung des von der Kathode austretenden Elektronenstromes zu verhindern, besonders
zu unterdrücken, kann der Raum zwischen Beschleunigungsgitter und Kathode gegenüber
der Eigenfrequenz des Anfachresonators verstimmt, vorzugsweise auf eine höhere Eigenfrequenz
abgestimmt sein.
-
Der aus den angegebenen Gründen vorteilhafte Steuerhohlraum stellt
ein zweites außer dem Anfachresonator vorhandenes Schwinggebilde dar. Durch seine
Verstimmung gegenüber der Eigenfrequenz des Anfachresonators, insbesondere Abstimmung
auf eine höhere Eigenfrequenz, werden Störungen, wie Mehrwelligkeit bzw. Koppelschwingungen,
in einfacher Weise unterdrückt. Dieses gilt auch bezüglich der Verstimmung des Rauaases
zwischen der Kathode und dem Beschleunigungsgitter bzw. dem als solches dienenden
Teil der Wandung des Steuerhohlraumes.
-
Die Abb. 9 a und 9b zeigen im Quer- und Längsschnitt als Ausführungsbeispiel
eine Elektronenröhre mit einem axial- bzw. rotationssymmetrischen
Hohlraum
als Anfachresonator, der nach einem älteren Vorschlage von konzentrischen Leitern
gebildet wird, von ,denen der äußere flaschenförmige Gestalt besitzt. Als zusätzliches
Steuermittel ist im vorliegenden Fall eine elektrische Einzellinse gewählt. Als
Resonatordient ein konzentrisches und zylindrisches Lechersystem der Länge @/4,
bestehend aus einem flaschenförmigen Metallbehälter 26 und aus einem Metallrohr
27, das von dem Behälter 26 isoliert ist und durch den Hals 28 in diesen hineinragt.
Die Elektroden, welche von den Röhren 27 und 26 (auf einem Teil ihrer Länge) gebildet
werden, entsprechen den Elektroden 6 und 7 in der Abb. z ; der von ihnen begrenzte
Raum stellt demnach denAnfachraum dar, wobei sich am unteren Ende ein Spannungsbauch
und am oberen Ende ein Spannungsknoten .der Schwingung ausbildet. Der enge Zwischenraum
zwischen dem Flaschenhals 28 und dem hohlen Metallrohr 27 stellt eine Energieleitung
für die Ultrahochfrequenz .dar. Ihre Länge wird zweckmäßig zu A,/4 gewählt. An .der
Stelle 27' dient das Metallrohr als Antenne. Das obere Ende dieser Antenne
ist durch den Glasstutzen vakuumdicht abgeschlossen. Durch diesen Glasstutzen sind
die Heizstromzuleitungen 29, die Spannungszuleitung 30 zu ,den Wehneltblechen
und die Spannungszuleitung 31 zu der Beschleunig@ungselektrode 36 ins Innere
der Röhre geführt. Damit diese Leitungen von ultrahochfrequenten Schwingungen frei
bleiben, ist über die Antenne 27' am oberen Ende in geringem Abstand ein Metallzylinder
32 geschoben, der an seinem oberen Ende durch die Scheibe 33 mit dem Rohr 27' galvanisch
verbunden ist. Die beiden Platten 34 und 34', welche die Zylinder 28 und 32 abschließen,
dienen als Gegengewichte zur kapazitiven Überleitung des Antennenstromes. Die gesamte
Länge der .Antenne 27' beträgt zweckmäßig ungefähr A/2. Die weiterhin zur Anfachung
und Steuerung vorgesehenen Elektroden entsprechen der in Abb. 3 idargestellten Ausführung.
Zur Elektronenemission dient eine bandförmige indirekt beheizte Oxydkathode 35 :mit
zwei Wehneltblechen 2 und 2' zur Konzentration des Elektronenstrahls. Entsprechend
den zwei von der Kathode ausgehenden Elektronenstrahlen sind in der zylindrischen
Beschleunigungselektrode 36 zwei schlitzförmige Öffnungen vorgesehen. Dahinter,
in dem Raum zwischen den Elektroden 36 und 27, liegen je zwei aus drei Einzelblenden
37, 38, 39 bestehende Elektronenlinsen. Durch die schmale Spalte 40 tritt der von
den Elektronenlinsen gesteuerte Elektronenwechselstrom in den Anfachraum. Die Blenden
37 der Elektronenlinse sind mit der Elektrode 27 und die Blenden 39 mit der Elektrode
36 galvanisch verbunden. Die Steuerblenden 38 sind an ,die Metallplatte41 galvanisch
angeschlossen. DiePlatte bildet mit dem Boden42 des Gehäuses einen Kondensator,
so,daß den Steuerblenden gleichphasig zu der Spannung der Elektrode 26 eine ultrahochfrequente
Wechselspannung erteilt werden kann. Die den Boden des Gehäuses vakuumdicht durchsetzende
Zuleitung 43 erlaubt es, den Steuerblenden eine beliebige Vorspannung zu erteilen.
Um zu vermeiden, daß sich außer dem Resonatorraum zwischen den Elektroden 27 und
26 noch andere Räume, insbesondere Steuerraum zwischen den Elektroden 36 und 27
oder der Kathodenraum (zwischen 36 und 35) erregen und zu Störungen Anlaß geben,
sind diese weiteren Räume gegenüber der Frequenz des Resonators verstimmt und insbesondere
auf eine höhere Frequenz abgestimmt. Zur Verstimmung dienen bei oder dargestellten
Röhre beispielsweise die Metallscheiben 44 und 45. Um die Ableitung von Schwingungsenergie
über die Zuleitungen 29 bis 31 zu vermeiden, können innerhalb des Rohres 27 weitere
Metallscheiben 46 vorgesehen sein. Werden die Glasverschmelzungen 43, 8, 48 und
28 vakuumdicht ausgeführt, so kann der die Röhre abschließende äußere Mantel selbst
als Vakuumgefäß benutzt werden.
-
Die Abb. i o a und i o b zeigen imQuer- und Längsschnitt ein weiteres
Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei der als Anfachresonator ein Hohlraumresonator
dient, welcher ebenfalls von konzentrischen Leitern gebildet ist, und zwar nach
einem älteren Vorschlage in der Weise, daß ein als Elektrode (Anode) dienender hohlzylindrischer
Metallkörper einen rohrförmigen Innenleiter umgibt und seinerseits von einem rohrförmigen
Außenleiter in kapazitivem Kurzschluß umgeben ist, wobei der rohrförmige Innenleiter
und der rohrförmige Außenleiter an ihren Enden (an der Stelle von Spannungsknoten
des Hohlraumresonators) kapazitiv oder galvanisch miteinander verbunden sind. Die
Elektronenlinse besteht bei diesem Ausführungsbeispiel aus einfachen Schlitzblenden.
Der Resonator wird von dem hohlen Metallzylinder 47 und ider von den beiden Zylindern
47 und 48 eingeschlossenen, ebenfalls hohlzylindrischen Elektrode 49 begrenzt. Am
oberen Ende gehen die Zylinder 47 und 48 in die eine Energieleitung bildenden Zylinder
5o und 51 über. An diese schließen sich eine i/4-Antenne 52 und eine Metallplatte
53 zur kapazitiven Überleitung ,des Antennenstromes an. D'ie Anregung des Resonators
erfolgt in seinem mittleren Teil. Der Zylinder 47 enthält in seinem Inneren eine
bandförmige Glühkathode i, Wehneltbleche 2 und 2', eine Beschleunigungselektrode
36 mit zwei Schlitzen und zwei als Schlitzblenden ausgebildete Elektronenlinsen
54 und 54'. Durch die kurzen Stege 55 sind die Elektronenlinsen mit der Elektrode
49 verbunden. Der die Elektronenlinsen enthaltende Steuerraum 56, welcher ebenfalls
als praktisch vollständig geschlossener metallischer Hohlraum ausgebildet ist, hat
eine geringere Länge als der Anfachraum 57 erhalten, so daß eine störende Erregung
desselben vermieden wird. Die Wirkungsweise der Anordnung ist nach dem Vorausgehenden
ohne weiteres verständlich, so daß sich deren Beschreibung erübrigt.
-
Die Abb. i i stellt als Ausführungsbeispiel eine Elektronenröhre im
Schnitt dar, die gemäß einem älteren Vorschlage ebene Elektroden und einen scheibenförmigen
Hohlraumresonator als Anfachresonator aufweist, der in der Mitte (Achse), wo seine
Wandteile als Elektroden wirken, einen
Spannungsbauch und längs
seines Umfanges ein( Knotenlinie :des elektrischen Feldes (für die Betriebsfrequenz)
besitzt. In .dem Metallgehäuse 5E ist eine scheibenförmige Metallplatte 59 vorgesehen;
welche mit der unteren Wand .des Gehäuses den Resonatorraum und mit -der oberen
Wand des Gehäuses eine Energieleitung für die Ultrahochfrequenz begrenzt. Die obere
Gehäusewand ist in der Mitte mit einer Öffnung versehen, aus der eine .1/q.-Antenne
in den Außenraum ragt. An die untere Gehäusewand schließt sich ein zweites Gehäuse
61 von geringerem Durchmesser an, welches die Kathode 62, eine gitterförmige Beschleunigungskathode
63 und die Elektronenlinse 65 enthält. Der Steuerraum 64 ist auch hier relativ zudem
Resonatorräum verstimmt. Durch den Verbindungssteg 66 erhält die Elektronenlinse
von der Elektrode 59 eine zu dessen Wechselspannung gleichphasige Steuerspannung.
Um der Elektronenlinse auch eine geeignete Gleichspannung erteilen zu können, ist
in der Platte 59 ein Kana167 vorgesehen,idurch welchen eine Spannungszuleitung
68 geführt ist. Diese Zuleitung durchsetzt das Gehäuse 58 in Spannungsknoten
am Rande.
-
Inder Abb: r2 ist schließlich noch im Querschnitt eine Elektronenröhre
dargestellt, bei welcher ein im Gegentakt arbeitendes Elektradensystem in einem
Vakuumgefäß 69 mit nur einer Glühkathode zusammen arbeitet. Das Elektrodensystem
ist ähnlich, wie es bereits in Abb. i dargestellt wurde, und man kann es sich dadurch
entstanden denken, daß die Elektroden 27 und 26 längs einer Ebene E-E aufgeschnitten
sind und die Teile 27', 27" und 26', 26" bilden. In der Symmetrieebene befinden
sich die bandförmige Glühkathode i und die Wehnelt!bleche 2 und 2': Zur Beschleunigung
der Elektronen dienen wieder Beschleunigungselektroden 3' und 3". Die Elektronenlinsen
werden hier durch zwei parallele Metalldrähte 70 und 70' gebildet, welche (wie bei
dem Beispiel in Abb.8) über Stege 71 und 71" mit den Elektroden 26' und 26"
galvanisch verbunden sind.
-
Der Erfindungsgegenstand kann u. a. auch vorteilhaft bei denjenigen
bereits vorgeschlagenen Anordnungen verwendet werden, bei denen außer dem Anfachresonator
ein auf die Frequenz der zu verstärkenden Schwingungen abgestimmter, an das Steuergitter
angeschlossener Resonator (Steuerresonator), dem die zu verstärkenden ultrahochfrequentenSchwingungen
zugeführt werden (Fremdsteuerung, Rückkopplung), vorgesehen ist und bei denen jeder
der beiden Resonatoren von parallelen oder konzentrischen Metallflächen gebildet
ist und dem Steuerresonator ider Steuerraum und die ihn begrenzenden Elektroden
und dem Anfachresonator lediglich der Anfachraum und weitere ihn begrenzende Elektroden
angehören und die anfachenden Elektronen, von .der Kathode aus gesehen, nach ihrem
Austritt aus dem Steuerraum (Kathode-Steuergitter) und damit aus dem Steuergitter
einen relativ zur Betriebsfrequenz verstimmten (und daher praktisch hochfrequenzfeldfreien)
Beschleunigungsraum durchlaufen, ehe sie in den Anfachraum (Beschleunigungsgitter
- Anode bzw. Bremselektrode) eintreten. Die Elektronenlinse ist dann in dem Steuerresonator
enthalten.
-
Die Elektronenlinse kann auch zur Niederfrequenzsteuerung der Ultrakurzwellenröhren
benutzt werden, indem irgendeiner Blende der Elektronenlinse, zweckmäßig der auch
zur ultrahochfrequenten Steuerung dienenden Blende, eine niederfrequente Modulationswechselspannung
zugeführt wird.