DE889466C

DE889466C - Electron tubes for amplifying ultrashort wave oscillations

Info

Publication number: DE889466C
Application number: DEC2938A
Authority: DE
Inventors: Oscar Doehler; Robert Warnecke
Original assignee: CSF Compagnie Generale de Telegraphie sans Fil SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1949-02-23
Filing date: 1950-10-01
Publication date: 1953-09-10
Also published as: GB692705A; CH292925A; NL151728B; FR985556A; US2794146A

Description

(WiGBI. S. 175)(WiGBI. P. 175)

AUSGEGEBENAM 10. SEPTEMBER 1953ISSUED SEPTEMBER 10, 1953

C 2938 Villa 1sia*C 2938 Villa 1sia *

Die vorliegende Erfindung bezieht sich- auf eine Elektronenröhre, bei der mehrere Elektronenstrahlen, die sich mit verschiedener Geschwindigkeit innerhalb eines Entladungsraumes unter dem Einfluß eines transversalen elektrischen und eines senkrecht dazu stehenden magnetischen Feldes fortbewegen, wobei die Fortpflanzungsrichtung der Strahlen senkrecht zu diesen Feldern steht, in Wechselwirkung mit einer Welle treten.The present invention relates to a Electron tube in which several electron beams that move at different speeds within a discharge space under the influence of a transverse electrical and one perpendicular to it standing magnetic field, with the direction of propagation of the rays perpendicular to these fields interact with a wave.

Die Röhre nach der Erfindung erfüllt gleichzeitig die nachfolgenden drei charakteristischen Bedingungen: a) Mehrere Elektronenbündel bewegen sich in derselben Richtung, aber mit verschiedenen mittleren Geschwindigkeiten; b) ein in der Zeit konstantes elektrisches Feld steht senkrecht zur Fortpflanzungsrichtung der mittleren Bündelgeschwindigkeit, und c) ein in der Zeit konstantes magnetisches Feld steht senkrecht auf der Richtung der mittleren Elektronengeschwindigkeit und auf der des konstanten elektrischen Feldes.The tube according to the invention simultaneously fulfills the following three characteristic conditions: a) Several electron bundles move in the same direction, but with different mean ones Speeds; b) an electric field constant in time is perpendicular to the direction of propagation the mean beam velocity, and c) there is a magnetic field constant over time perpendicular to the direction of the mean electron velocity and to that of the constant electric Field.

Mehrere Elektronenbündel können auch durch ein einziges Bündel von begrenztem Querschnitt ersetzt werden, wobei die mittlere Geschwindigkeit der Elektronen im Innern dieses Bündelschnittes veränderlich ist.Several electron bundles can also be replaced by a single bundle of limited cross-section The mean speed of the electrons inside this bundle section is variable is.

In den Abb. 1 bis 3 wird zunächst das Prinzip der Röhre nach der Erfindung dargelegt, woraus sich bereits die bedeutenden Vorteile ergeben werden, die das neue Prinzip in bezug auf die bereits bekannten Röhren besitzt.In Figs. 1 to 3, the principle of the tube according to the invention is shown first, from which already the significant advantages will be obtained which the new principle with respect to the already known Owns tubes.

In der Abb. 1 bezeichnen 1 und 2 die Platten eines Kondensators. Zwischen diesen besteht das konstante elektrostatische Feld E, das in Richtung χ der Achse wirkt und durch eine Batterie U aufrechtgehalten wird.In Fig. 1, 1 and 2 designate the plates of a capacitor. Between these there is the constant electrostatic field E, which acts in the direction χ of the axis and is maintained by a battery U.

Das magnetische Feld senkrecht zu χ wirkt in der Richtung -j- V mit der Induktion B. In den Kondensator i, 2 treten zwei Elektronenstrahlen 3 und 4 ein, die ihn mit den verschiedenen Geschwindigkeiten v_s und v± durchsetzen. Es wird vorausgesetzt, daß die Bewegung der Elektronen geradlinig ist. Das Prinzip in der Arbeitsweise der Röhre wird nicht geändert, wenn die Bewegung der Elektronen nicht geradlinig ist.The magnetic field perpendicular to χ acts in the -j- V direction with the induction B. Two electron beams 3 and 4 enter the capacitor i, 2 and penetrate it at different speeds v _s and v ±. It is assumed that the motion of the electrons is straight. The principle in the operation of the tube is not changed if the movement of the electrons is not rectilinear.

Es wird ferner vorausgesetzt, daß vor Eintritt in den Kondensator mindestens eines der Elektronenbündel in seiner Dichte moduliert ist, d. h. daß es außer einer Gleichstromkomponente auch eine Wechselkomponente enthält, die etwa durch das Empfangs-It is also assumed that at least one of the electron bundles before entering the capacitor is modulated in its density, d. H. that besides a direct current component there is also an alternating component contains which, for example, by the receiving

15. signal hervorgerufen wird. Am Ausgang" des Kondensators i, 2 übertragen die Bündel 3 und 4 ihre Wechselenergie auf einen Schwingungskreis ,5, der mit dem Kollektor 6 gekoppelt ist. Die Arbeitsweise der Röhre beruht darauf, daß der Wechselstrom, der sich in einem oder in den beiden Bündeln befindet, vom Eingang bis zum Ausgang der Röhre wächst, so daß bei kleiner Steuerleistung des Bündels eine hohe Leistungsverstärkung zwischen Eingang und Ausgang der Röhre erhalten wird.15. signal is generated. At the output ″ of the capacitor i, 2, the bundles 3 and 4 transmit theirs Alternating energy on an oscillating circuit 5, which is coupled to the collector 6. The way of working the tube is based on the fact that the alternating current, which is in one or in both bundles, grows from the entrance to the exit of the tube, so that with a small control power of the bundle a high Power gain is obtained between the input and output of the tube.

Diese Zunahme der Wechselleistung längs der Röhre ist durch die Bewegungsgesetze der Elektronen in dem gekreuzten elektrischen und magnetischen Felde bedingt. Wenn nach Abb. 1 ein longitudinales elektrisches Feld in der Richtung ± y besteht, ist das Elektron durch die kombinierte Wirkung dieser longitudinalen Komponente und des Magnetfeldes einer Kraft in Richtung ¹F χ unterworfen. Wenn nach Abb. ι ein transversales elektrisches Feld längs ± χ wirksam ist, ist ein Elektron einer Kraft in Richtung ± y unterworfen.This increase in the alternating power along the tube is due to the laws of motion of the electrons in the crossed electric and magnetic fields. If, as shown in Fig. 1, there is a longitudinal electric field in the direction ± y , the electron is subjected to ^{a force in the direction 1} F χ due to the combined effect of this longitudinal component and the magnetic field. If, according to Fig. Ι, a transverse electric field is effective along ± χ , an electron is subjected to a force in the direction of ± y .

Es wird zunächst ein Elektronenbündel betrachtet, bei dem alle Elektronen sich mit der gleichen Geschwindigkeit fortbewegen (Abb. 2) und das vor dem Eintritt in das gekreuzte elektrische und magnetische Feld in seiner Dichte moduliert ist. Die Modulation in der Dichte bedeutet, daß die Raumladung periodisch im Innern des Bündels sich ändert. Es wird vorausgesetzt, daß_#in der Abb. 2 das Gebiets, die größte und das Gebiet B die schwächste Dichte der Raumladung besitzt. Die Feldlinien des elektrischen Wechselfeldes, die von den negativen Ladungen der Elektronen herrühren, haben alsdann einen Verlauf, wie er in der Abb. 2 durch einen kontinuierlichen Linienzug dargestellt ist. Die auf die Elektronen ausgeübten Kräfte nach den oben angegebenen Gesetzen sind durch Pfeile im unterbrochenen Linienzug dargestellt. Wenn man zunächst die transversale Bewegung außer Betracht läßt, sieht man, daß infolge dieser Kraftwirkung eine Gruppierung der Elektronen in dem Gebiet C vor sich geht, wobei diese GruppierungFirst, an electron bundle is considered in which all electrons move at the same speed (Fig. 2) and which is modulated in its density before entering the crossed electric and magnetic field. The modulation in the density means that the space charge changes periodically inside the bundle. It is assumed that _# in Fig. 2 has the area, the greatest and the area B, the weakest density of the space charge. The field lines of the alternating electric field, which originate from the negative charges of the electrons, then have a course as shown in Fig. 2 by a continuous line. The forces exerted on the electrons according to the laws given above are shown by arrows in broken lines. If one ignores the transverse movement at first, one sees that as a result of this force action, a grouping of the electrons takes place in the region C, this grouping

um den Wert —in der Phase verschoben ist in bezugshifted by the value —in phase is related

auf die Gruppierung, die durch die anfängliche Dichtemodulation des Bündels hervorgerufen ist. Eine solche Gruppierung läßt offensichtlich den Wechselstrom in dem Bündel nicht ansteigen. Um dieses Resultat zu erhalten, muß die Gruppierung in C in derWeise in der Phasenlage geändert werden, daß sie in die Region A fällt.on the grouping caused by the initial density modulation of the beam. Obviously, such a grouping does not increase the alternating current in the bundle. To get this result, the grouping in C must be phased so that it falls within region A.

Wenn man jetzt durch das Bündel längs D, D' einen Schnitt legt und annimmt, daß die oberen und unteren Teile des Bündels sich mit verschiedenen Geschwindigkeiten bewegen, so wird die Gruppierung im Punkt C sich gleichfalls fortbewegen, und für eine passend gewählte Differenz der Geschwindigkeit wird im 'Mittel die Gesamtgruppierung des Bündels durch die gegenseitige Wirkung der Raumladung der Bündel verstärkt sein. Hieraus folgt eine Zunahme des Wechselstromes längs des Durchlaufs der Elektronen und infolgedessen auch eine Verstärkung.If one now cuts through the bundle along D, D ' and assumes that the upper and lower parts of the bundle move at different speeds, the grouping at point C will also move, and for a suitably chosen difference in speed On average, the overall grouping of the bundle will be reinforced by the mutual action of the space charge of the bundle. This results in an increase in the alternating current along the passage of the electrons and, consequently, a gain.

Diese Ausführungen erklären die Phänomene nur qualitativ.These explanations only explain the phenomena qualitatively.

Man wird bemerken, daß sich identische Phänomene der Vergrößerung der Gruppierung durch Wechselwirkung zwischen zwei Elektronenbündeln auch bereits im Innern von Röhren einstellen werden, wenn kein gekreuztes elektrisches und magnetisches Feld auf die Fortpflanzung des Bündels einwirkt. Im letzteren Falle wird die Umgruppierung der Elektronen in dem Bündel von geringerer Geschwindigkeit auf Kosten der Geschwindigkeit der Elektronen des anderen Bündels erhalten. Unter energetischem -Gesichtspunkt kann man in Wechselenergie nur die umsetzen, die der Differenz der Geschwindigkeiten beider Elektronenbündel entspricht. Wenn die Wechselwirkung zwischen den Elektronenbündeln go nicht mehr vor sich geht, so wird die Leistung und der Wirkungsgrad der Röhre eingeschränkt. Bei der Röhre nach der Erfindung besteht eine solche Einschränkung nicht. Die longitudinale Geschwindigkeit jedes Bündels und damit gleichzeitig die Differenz der Geschwindigkeiten zwischen den Bündeln sind während des ganzen Laufes der Bündel aufrechterhalten. Die gruppierten Elektronen, die sich in einem Verzögerungsfeld fortbewegen, verlieren nicht an Geschwindigkeit, sie bewegen sich vielmehr nach dem angegebenen Gesetz gegen die positive Platte des Kondensators. Man erhält Elektronenkurven, wie sie schematisch in der Abb. 3 für jedes der Bündel 3 und 4 gezeichnet sind. Wenn z. B. ein Elektron bei Abwesenheit des Hochfrequenzfeldes am Eingang die Geschwindigkeit besitzt, die bestimmt ist durch dieIt will be noted that identical phenomena of the enlargement of the group through interaction between two electron bundles can also be set inside tubes, when there is no crossed electric and magnetic field acting on the propagation of the bundle. In the latter case, the regrouping of the electrons in the bundle becomes slower obtained at the expense of the speed of the electrons of the other bundle. Under energetic From the point of view, only that of the difference in speed can be converted into alternating energy corresponds to both electron bundles. When the interaction between the electron bundles go is no longer going on, the performance and efficiency of the tube is reduced. In the There is no such restriction on the tube of the invention. The longitudinal speed of each bundle and thus at the same time the difference in Velocities between the bundles are maintained throughout the run of the bundle. the grouped electrons moving in a deceleration field do not lose speed, rather, they move against the positive plate of the capacitor according to the law given. Electron curves are obtained as shown schematically in Fig. 3 for each of the bundles 3 and 4 are drawn. If z. B. an electron in the absence of the high frequency field at the entrance Has speed that is determined by the

Formel V₀ ^s = ¹Z₄ V₀, und wenn es den KondensatorFormula V ₀ ^s = ¹ Z ₄ V ₀ , and if it's the capacitor

unter der Einwirkung des Hochfrequenzfeldes in einem Punkt verläßt, der das konstante Potential ³/₄ V₀ besitzt, so ist die entsprechende Energieleaves under the action of the RF field at a point which has the constant potential ^_3/4 V _0, then the corresponding energy

in Nutzwechselleistung umgesetzt. Wenn alle Elektronen gleichartige Kurven beschreiben, erhält man einen Wirkungsgrad von der Größenordnung von 5o°/₀, der auch mit den experimentellen Ergebnissen übereinstimmt. Diese Werte sind beträchtlich größer als diejenigen von Röhren mit zwei Bündeln von ver- " schiedener Geschwindigkeit, aber ohne gekreuzte elektrische und magnetische Felder. Gegenüber diesen Röhren besitzt die Röhre nach der Erfindung einen beträchtlich erhöhten Wirkungsgrad und Nutzleistung. Man kennt andererseits Röhren, in. denen -die Elektronenbündel mit einer elektromagnetischen Welle in einem Raum in Wechselwirkung treten, der vonimplemented in service change. If all electrons describe similar curves, an efficiency of the order of magnitude of 50 ° / _{0 is obtained} , which also agrees with the experimental results. These values are considerably greater than those of tubes with two bundles of different speeds, but without crossed electric and magnetic fields. Compared to these tubes, the tube according to the invention has a considerably increased efficiency and efficiency. which -the electron bundles interact with an electromagnetic wave in a space that is from

gekreuzten elektrischen und magnetischen Feldern überlagert ist. Der Wirkungsgrad dieser letzteren Röhren ist gleichfalls genügend gesteigert. In den Röhren geht die Wechselwirkung in dem Raum einer Verzögerungsleitung vor sich, die zur Fortleitung und Verzögerung der Empfangswelle dient. Hierbei muß die Geschwindigkeit der Welle gleich derjenigen der Elektronen sein, damit eine Verstärkung stattfinden kann. Es ist ziemlich schwierig, eine derartige Verzögerungsleitung herzustellen, da die Genauigkeit der Abmessungen um so größer sein muß, je größer die Verzögerung der Empfangswelle ist. Man kann z. B. Verzögerungsleitungen herstellen, in denen die Wellengeschwindigkeit ¹Z₂₀ der Lichtgeschwindigkeit beträgt, während eine Herabsetzung z. B. auf ^x/₅₀ der Lichtgeschwindigkeit bereits eine mechanische Genauigkeit verlangt, die nur unter sehr großen Verlusten zu erreichen ist. Die Gleichspannung und das notwendige magnetische Feld sind um so höher, je größer die Geschwindigkeit der Welle ist. Diese Tatsache beschränkt in der Praxis den Bau der bekannten Röhren auf Spannungen höher als ι Kilovolt und auf magnetische Felder höher als etwa 500 Gauß.
In der Röhre nach der Erfindung enthält der Wechselwirkungsraum keine Leitung und kein Abstimmungselement. In ihr ersetzt jedes elementare Bündel die Verzögerungsleitung in ihrer Wirkung auf die anderen elementaren Bündel.
Hieraus folgt, daß die mechanischen Schwierigkeiten bei der Röhre nach der Erfindung gegenüber den bekannten Röhren viel kleiner sind. Insbesondere ist es möglich, Röhren zu bauen, die mit sehr schwachen Spannungen von einigen hundert Volt und mit magnetischen Induktionen in einer Größenordnung von 100 bis 200 Gauß arbeiten.crossed electric and magnetic fields is superimposed. The efficiency of these latter tubes is also increased sufficiently. In the tubes, the interaction takes place in the space of a delay line which serves to transmit and delay the received wave. The speed of the wave must be the same as that of the electrons so that an amplification can take place. It is quite difficult to manufacture such a delay line because the greater the delay of the reception wave, the greater the dimensional accuracy. You can z. B. produce delay lines in which the wave ^{speed is 1} Z ₂₀ the speed of light, while a reduction z. B. at ^x / ₅₀ the speed of light already requires a mechanical accuracy that can only be achieved with very large losses. The higher the speed of the shaft, the higher the DC voltage and the necessary magnetic field. In practice, this fact limits the construction of the known tubes to voltages higher than ι kilovolts and to magnetic fields higher than about 500 Gauss.
In the tube according to the invention, the interaction space contains no conduit and no tuning element. In it, each elementary bundle replaces the delay line in its effect on the other elementary bundles.
It follows that the mechanical difficulties with the tube according to the invention are much smaller than with the known tubes. In particular, it is possible to build tubes that work with very weak voltages of a few hundred volts and with magnetic inductions on the order of 100 to 200 Gauss.

Bevor die Ausführungsbeispiele dargelegt werden, soll noch einmal das Prinzipielle der Erfindung zusammengefaßt werden:
Es handelt sich um eine Verstärkerröhre, bei der die Verstärkung durch Wechselwirkung einer Mehrzahl von Elektronenbündeln erreicht wird, die sich mit verschiedener Geschwindigkeit im Innern eines Wechselwirkungsraumes unter der Einwirkung gekreuzter magnetischer und elektrischer Felder fortbewegen und von denen wenigstens eines in seiner Dichte moduliert ist. Die Wechselwirkung der elektrischen Wechselfelder, die durch die Wechselraumladung des modulierten Bündels entstehen, haben eine Vergrößerung der Gruppierung längs der Bündel zur Folge, d. h. ein Anwachsen des Wechselstromes vom Eingang zum Ausgang der Röhre. Infolge dieser Wechselwirkung verlagern sich die Bündel gegen die positive Elektrode, die das elektrostatische Feld führt. Am Ausgang der Röhre durchsetzen die Bündel quer einen Schwingungskreis und übertragen ihre Wechselleistung auf diesen.Before the exemplary embodiments are presented, the principles of the invention should be summarized once again:
It is an amplifier tube in which the amplification is achieved through the interaction of a plurality of electron bundles, which move at different speeds inside an interaction space under the effect of crossed magnetic and electric fields, and at least one of which is density modulated. The interaction of the alternating electrical fields, which are created by the alternating space charge of the modulated bundle, result in an increase in the grouping along the bundle, ie an increase in the alternating current from the input to the output of the tube. As a result of this interaction, the bundles are shifted towards the positive electrode, which carries the electrostatic field. At the exit of the tube, the bundles traverse an oscillation circuit and transfer their alternating power to it.

Nach diesen prinzipiellen Darlegungen handelt es sich jetzt darum, Elektronenbündel zu schaffen, die sich mit verschiedenen Geschwindigkeiten in gekreuzten magnetischen und elektrischen Feldern vorwärts bewegen, wobei auch die Vielzahl der Bündel durch ein einziges Bündel mit festgelegtem Querschnitt ersetzt werden kann,, in dessen Innerem für jeden transversalen Schnitt die Geschwindigkeit des Bündels veränderlich ist. In den gekreuzten Feldern E und H ist die mittlere Geschwindigkeit der Elektronen in der senkrechten Richtung zu diesen Feldern durch die Formel gegeben:After these basic explanations it is now a matter of creating electron bundles that move forward at different speeds in crossed magnetic and electric fields, whereby the multitude of bundles can be replaced by a single bundle with a fixed cross-section, inside for every transverse cut the speed of the bundle is variable. In the crossed fields E and H , the mean velocity of the electrons in the direction perpendicular to these fields is given by the formula:

ν =ν =

IbIb

wo E in V/cm gemessen ist, B in Vs/cm², wobei B die magnetische Feldinduktion ist. Wenn man B in Gauß mißt, erhält man ν in cm/sec:where E is measured in V / cm, B in Vs / cm ² , where B is the magnetic field induction. If you measure B in Gauss, you get ν in cm / sec:

8 ^E 8 ^E. ^7S7S

Nach der Erfindung wird in jedem Querschnitt des Wechselwirkungsraumes das Verhältnis -=- veränder-According to the invention, in each cross section of the interaction space the ratio - = - change-

jD OOjD OO

lieh gemacht, sei es durch Änderung von E, von B oder beider in jedem Querschnitt des Wechselwirkungsraumes. Es ist nicht notwendig, daß der Sinn der Änderung von EjB bestimmt ist, d. h. es kann, wenn man von der negativen Elektrode des Kondensators ausgeht, der Wert EjB gegen die positive Elektrode des Kondensators wachsen bzw. abnehmen.borrowed, be it by changing E, B, or both in every cross-section of the interaction space. It is not necessary that the sense of the change in EjB be determined, ie, starting from the negative electrode of the capacitor, the value EjB can increase or decrease relative to the positive electrode of the capacitor.

Die Änderung von B in dem Querschnitt des Wechselwirkungsraumes wird allgemein durch eine besondere Konstruktion der Polschuhe des verwendeten Magneten erreicht, die eine solche Form erhalten, daß ein nichthomogenes magnetisches Feld entsteht. Die Änderung des elektrischen Feldes im Innern jedes Schnittes des Wechselwirkungsraumes wird durch eine angepaßte Form der Feldelektroden erhalten. Wenn diese Elektroden z. B. zylindrisch sind, so hat das elektrische Feld in einem Punkt 22 den WertThe change in B in the cross-section of the interaction space is generally achieved by a special construction of the pole pieces of the magnet used, which are given a shape such that a non-homogeneous magnetic field is created. The change in the electric field in the interior of each section of the interaction space is obtained by an adapted shape of the field electrodes. When these electrodes are e.g. B. are cylindrical, the electric field at a point 22 has the value

E = E =

F₀ ist die Potentialdifferenz zwischen den beiden Zylindern von den Radien T₁ und r₂.F ₀ is the potential difference between the two cylinders of radii T ₁ and r ₂ .

Ein anderes Verfahren, ein mit der Entfernung veränderliches Feld zu schaffen, beruht auf dem Einfluß der Raumladung bei der Potentialverteilung zwischen den beiden Kondensatorplatten. Man führt in dieses Feld Glühkathoden ein, deren Strom durch die Zwischenraumladung den Gang des Feldes abändert, ein Verfahren, das in der Abb. 9 dargelegt werden wird.Another method of creating a field that varies with distance is based on this Influence of the space charge in the potential distribution between the two capacitor plates. Man leads a hot cathode into this field, the current of which changes the course of the field through the interstitial charge, a procedure which will be set out in Fig. 9.

Bei den Darlegungen des Prinzips sind als Grundlage zwei Elektronenbündel gewählt, die sich unter Ab-Wesenheit eines Hochfrequenzfeldes geradlinig fortbewegen. Man erhält derartige Felder mittels mehrerer Kathoden, die sich gegenüber der negativen Platte des Kondensators auf verschiedenem Potential befinden, und die durch diese Kathoden erhaltenen Elektronenbündel werden auf verschiedenem Niveau in den Wirkungsraum eingeführt. Das Experiment hat immer gezeigt, daß die Arbeitsweise der Röhre nicht auf das Vorhandensein eines geradlinigen Bündels beschränkt ist. Man kann auch das Bündel mittels einer einzigen Äquipotentialkathode erzeugenIn the explanation of the principle, two electron bundles are chosen as a basis, which are under absenteeism of a high frequency field in a straight line. Such fields are obtained by means of several Cathodes, which are at different potentials in relation to the negative plate of the capacitor, and the electron beams obtained through these cathodes become at different levels introduced into the sphere of activity. The experiment has always shown that the working of the tube is not limited to the presence of a rectilinear bundle. You can also use the bundle generate by means of a single equipotential cathode

und mit als begrenztem Querschnitt in den Wechselwirkungsraum einführen. In den verschiedenen Punkten des Raumes ist die mittlere Geschwindigkeit der Elektronen stets diejenige, die durch das Verhältnis EjB gegeben ist. Sie ist also veränderlich, wenn EjB sich ändert. Der mittleren Bewegung der Elektronen ist alsdann eine rotatorische Bewegung überlagert, und die mittleren Wegkurven der Elektronen sind durch gerade Linien definiert, über die ίο Epicycloiden gelagert sind. Die elementaren Bündel werden alsdann untereinander gemischt, aber wenn EjB im Querschnitt variabel ist, finden sich in der Nachbarschaft jedes Elektrons andere Elektronen, die sich mit verschiedenen mittleren Geschwindigkeiten vorwärts bewegen. Die Röhren besitzen also entweder verschiedene Kathoden mit verschiedenem Potential oder eine Kathode mit großer Oberfläche derart, daß das Bündel mehr oder weniger den Wechselwirkungsraum ausfüllt mit einem Verhältnis EjB, .das veränderlich ist und eine Funktion des Abstandes der Platten des Kondensators ist.and introduce it into the interaction space with a limited cross-section. At the various points in space the mean speed of the electrons is always that given by the ratio EjB . So it is changeable when EjB changes. The mean movement of the electrons is then superimposed on a rotational movement, and the mean path curves of the electrons are defined by straight lines over which ίο epicycloids are stored. The elementary bundles are then mixed with one another, but if EjB is variable in cross-section, there are other electrons in the vicinity of each electron, which move forward at different average speeds. The tubes have either different cathodes with different potentials or one cathode with a large surface area so that the bundle more or less fills the interaction space with a ratio EjB, which is variable and a function of the distance between the plates of the capacitor.

Die Abb. 4 bis 9 zeigen Ausführungsbeispiele verschiedener Röhren nach der Erfindung.Figs. 4 to 9 show embodiments of various tubes according to the invention.

In den Abb. 4 und 4 a ist eine Röhre dargestellt, in deren Innerem die radiale Änderung von EjB und die Geschwindigkeit der Elektronen durch ein elektrostatisches Feld erhalten wird, welches durch zwei Zylinder geschaffen wird. Das elektrostatische Feld ist also mit r veränderlich, und das magnetische Feld senkrecht auf der Ebene der Zeichnung der Abb. 4 kann konstant sein. Die Abb. 4 a zeigt einen transversalen Schnitt der Röhre längs E, E' der Abb. 4. Die Röhre besitzt metallische Wände, üblicherweise aus Kupfer, und der Deckel 41 ist teilweise abgehoben, um den Aufbau der Röhre zu zeigen. Das elektrische Feld der Raumwechselwirkung wird durch einen zylindrischen Kondensator mit den Elektroden 7 und 8 in dem oberen Teil der Röhre geschaffen. Die Außenelektrode bildet unmittelbar die Röhrenwandung, die im allgemeinen an Erde gelegt sein wird. Eine negative Spannung in bezug auf 7 liegt an der Innenelektrode 8 über die Leitung 9. Der Emissionsteil der Röhre enthält die Kathode 10, eine Fokussierungselektrode 11 und die Beschleunigungsanode 12. Das Elektronenbündel besitzt einen Querschnitt derart, daß bei seinem Durchgang durch den Wechselwirkungsraum der Wert EjB in dem Bündelquerschnitt ausreichend veränderlich ist. Die Modulation des Bündels wird mittels der Eingangswendel 13 bewerkstelligt, die zwischen den Emissionsteil und den Eingang in den Wechselwirkungsraum geschaltet ist. Ein Ende der Wendel ist an die Wand 7 geschaltet, das andere an den Innenleiter 14 einer koaxialen Leitung mit dem Außenleiter 15, der zur Koppelung z. B. mit einer Antenne oder einem Vorverstärker dient. Die Koppelung der Belastung am Ausgang ist auf dieselbe Weise durchgeführt. Das Bündel durchläuft die Wendel 16, deren Ende mit dem Innenleiter 17 der koaxialen Leitung 17, 18 verbunden ist, und überträgt so ihre Wechselleistung auf die Belastung bei 17 und 18. Nach ihrem Durchgang durch die Wendel werden die Elektronen durch die Auffangelektrode 6 aufgefangen, deren. Potential gleich dem der äußeren Wandungen, also gleich dem der positiven Elektrode des Wechselwirkungsraumes ist. In Fig. 4 and 4a a tube is shown, inside the radial change of EjB and the speed of the electrons is obtained by an electrostatic field, which is created by two cylinders. The electrostatic field is thus variable with r , and the magnetic field perpendicular to the plane of the drawing in Fig. 4 can be constant. Fig. 4 a shows a transverse section of the tube along E, E ' of Fig. 4. The tube has metallic walls, usually made of copper, and the cover 41 is partially lifted off to show the structure of the tube. The electric field of the space interaction is created by a cylindrical capacitor with electrodes 7 and 8 in the upper part of the tube. The outer electrode directly forms the tube wall, which will generally be connected to earth. A negative voltage with respect to 7 is applied to the inner electrode 8 via the line 9. The emission part of the tube contains the cathode 10, a focusing electrode 11 and the accelerating anode 12. The electron beam has a cross-section such that when it passes through the interaction space the value EjB is sufficiently variable in the bundle cross-section. The beam is modulated by means of the input coil 13, which is connected between the emission part and the input into the interaction space. One end of the coil is connected to the wall 7, the other to the inner conductor 14 of a coaxial line with the outer conductor 15, which is used for coupling z. B. is used with an antenna or a preamplifier. The coupling of the load at the output is carried out in the same way. The bundle runs through the helix 16, the end of which is connected to the inner conductor 17 of the coaxial line 17, 18, and thus transfers its alternating power to the load at 17 and 18. After passing through the helix, the electrons are captured by the collecting electrode 6, whose. Potential equal to that of the outer walls, i.e. equal to that of the positive electrode of the interaction space.

Die Abb. 4 a zeigt noch einige Einzelheiten der Konstruktion. Die innere Elektrode 8 des Kondensators, die ihre Spannung über 9 erhält, wird durch die äußeren Wandungen 41 der Röhre getragen und ist von ihr durch Isolierstücke 19, z. B. aus keramischem Stoff oder Quarz, isoliert. In der Abb. 4 a durchsetzt das Elektronenbündel den Wechselwirkungsraum 20 in einer Richtung parallel zur Ebene. 21 sind die Polschuhe eines Magneten.Fig. 4 a shows some details of the construction. The inner electrode 8 of the capacitor, the receives its tension across 9 is carried by the outer walls 41 of the tube and is from it by insulating pieces 19, for. B. made of ceramic or quartz, isolated. This prevails in Fig. 4 a Electrons bundle the interaction space 20 in a direction parallel to the plane. 21 are the pole pieces of a magnet.

Bei der Abb. 5 stellt der Ausgangskreis einen Resonanzhohlkörper 22 dar, welcher z. B. mittels einer Deformation der Wände auf die Empfangsfrequenz abstimmbar ist. Am Ausgang des Wechselwirkungsraumes treten die Elektronenbündel in den Hohlraum quer durch ein Gitter 23 ein und verlassen ihn quer durch ein zweites Gitter 23, um danach von der Auffangelektrode 6 aufgefangen zu werden. Die Koppelungsschleife 24 dient zur Abnahme der Nutzleistung für den Belastungskreis, der mittels der koaxialen Leitungen 17, 18 angekoppelt ist.In Fig. 5, the output circle represents a resonance hollow body 22, which z. B. by means of a deformation the walls can be tuned to the reception frequency. At the exit of the interaction space the electron bundles enter the cavity across a grid 23 and leave it across a second grid 23, in order to then be collected by the collecting electrode 6. The coupling loop 24 is used to decrease the useful power for the Load circuit which is coupled by means of the coaxial lines 17, 18.

In Abb. 6 wird die Dichtemodulation der Bündel mittels eines Gitters 25 vor der Kathode erhalten, das mit dem inneren Leiter 14 der koaxialen Eingangsleitung verbunden ist. In Fig. 6 the density modulation of the beams is obtained by means of a grid 25 in front of the cathode, the is connected to the inner conductor 14 of the coaxial input line.

Bei der Röhre nach den Abb. 7 und 7 a ist der go Wechselwirkungsraum 20 gleichfalls ein zylindrischer Kondensator. Die Entfernung zwischen den beiden Leitern 7 und 8 ist klein im Vergleich zum Krümmungsradius der Elektroden. Das elektrostatische Feld zwischen den beiden Elektroden ist beinahe konstant. Die gewünschte Variation von EjB wird durch ein nichthomogenes magnetisches Feld in dem Wechselwirkungsraum erhalten. Der Ein- und Ausgangskreis in der Röhre besteht aus Verzögerungsleitungen, wobei die Verzögerung mittels einer großen Zahl perforierter Scheiben 26 mit zylindrischem Querschnitt erhalten wird. Ein Elektronenbündel wird durch eine Welle, die sich in dieser Verzögerungsleitung mit einer Geschwindigkeit fortpflanzt, die angenähert gleich derjenigen der Elektronen ist, in seiner Dichte moduliert. Das Empfangssignal wird mittels koaxialer Leiter 27, 28 angeschaltet, deren innerer Leiter 27 den Kathodenteil io enthält. Um den Eingang an die Leitung mit den durchbohrten Scheiben 29 anzupassen, sind die Öffnungen der Scheiben 29 viel größer in der Nachbarschaft am Eingang als am Ausgang. Dieser Gang der Öffnungsdurchmesser hat zur Folge, daß der Wellenwiderstand und die Fortpflanzungsgeschwindigkeit langsam längs des Weges des Empfangssignals vom Eingang an variieren, und daß die Reflektion der Empf angswelle auf ein Minimum zurückgeführt ist. Am Ausgang geht das Bündel quer durch die Ausgangsleitung, in der gleichfalls durchlöcherte Scheiben zur Anpassung an den Ausgangskreis eingeführt sind. Das in der Dichte modulierte Bündel überträgt seine Wechselleistung wenn die Abmessungen der Leitungen und der durchlöcherten Scheiben in der Art gewählt sind, daß die erregte Welle dieselbe Geschwindigkeit besitzt wie die Elektronen des Bündels. Die Abmessungen der Verzögerungsleitung müssen also der Arbeitsgleichspannung der Röhre angepaßt sein. Die NutzleistungIn the tube according to FIGS. 7 and 7 a, the interaction space 20 is also a cylindrical capacitor. The distance between the two conductors 7 and 8 is small compared to the radius of curvature of the electrodes. The electrostatic field between the two electrodes is almost constant. The desired variation of EjB is obtained by a non-homogeneous magnetic field in the interaction space. The input and output circuit in the tube consists of delay lines, the delay being obtained by means of a large number of perforated discs 26 of cylindrical cross-section. The density of a beam of electrons is modulated by a wave propagating in this delay line at a speed approximately equal to that of the electrons. The received signal is switched on by means of coaxial conductors 27, 28, the inner conductor 27 of which contains the cathode part io. In order to adapt the entrance to the line with the perforated disks 29, the openings of the disks 29 are much larger in the vicinity of the entrance than at the exit. This course of the opening diameter has the consequence that the wave resistance and the speed of propagation vary slowly along the path of the received signal from the input, and that the reflection of the receiving angswelle is reduced to a minimum. At the exit, the bundle goes across the exit line, in which also perforated disks are inserted to adapt to the exit circle. The density modulated bundle transmits its alternating power if the dimensions of the lines and the perforated disks are chosen in such a way that the excited wave has the same speed as the electrons of the bundle. The dimensions of the delay line must therefore be adapted to the working DC voltage of the tube. The useful power

wird auf den Außenleiter 30 übertragen, während der Innenleiter als Auffangelektrode 6 wirkt.is transferred to the outer conductor 30, while the inner conductor acts as a collecting electrode 6.

Während des Durchganges quer durch den Eingangsund den Ausgangskreis kann das Bündel durch Hilfsspulen 31 und 32 fokussiert werden.During the passage across the input and output circuit, the bundle can pass through auxiliary coils 31 and 32 are focused.

Die Abb. 7 a stellt einen Schnitt längs F, F' der Abb. 7 dar. In der Abb. 7 durchqueren die Elektronenbündel den Wechselwirkungsraum 20 zwischen 7 und 8 in einer Richtung, die senkrecht auf der Zeichnungsebene steht. 21 bezeichnet die Polschuhe eines Magneten mit einem Zwischenstück von veränderlicher Länge, um das nichthomogene magnetische Feld zwischen den Leitern 7 und 8 des elektrostatischen Feldes veränderlich zu machen.Fig. 7 a shows a section along F, F ' of Fig. 7. In Fig. 7, the electron bundles traverse the interaction space 20 between 7 and 8 in a direction which is perpendicular to the plane of the drawing. 21 denotes the pole pieces of a magnet with an intermediate piece of variable length in order to make the non-homogeneous magnetic field between the conductors 7 and 8 of the electrostatic field variable.

Die Verzögerungsleitung mit durchlöcherten Scheiben kann auch durch eine Leitung ersetzt werden, in welcher die Verzögerung durch eine Vielzahl von Umweggliedern ersetzt ist. Ebenso können die koaxialen Leiter 27, 28 am Eingang und zg, 30 am Ausgang durch andere Koppelungsmittel ersetzt werden. Es ist auch nicht erforderlich, daß die Elektronenbündel Halbkreise in dem Wechselwirkungsraum beschreiben. Das allgemeine Prinzip für den Aufbau der Röhre nach Abb. 7 ist das folgende: Die Steuerung des Bündels und die Abgabe der Nutzleistung werden mittels einer Verzögerungsleitung bewerkstelligt, wobei die Verzögerung der Welle durch eine Vielzahl von Umweggliedern bei dem Durchlauf der Welle erreicht wird. Der Gebrauch einer derartigen Verzögerungsleitung besitzt den Vorteil, daß die Koppelung zwischen Elektronenbündel und der Welle sehr fest ist. Das bedeutet, daß für eine gegebene Empfangsleistung die Modulation in der Dichte am Eingang in den Wechselwirkungsraum sehr erhöht ist, höher als diejenige, die z. B. durch eine Wendel erhalten wird. Aus dieser starken Modulation folgt eine hohe Verstärkung der Röhre, und außerdem ist die Bandbreite bei Wellenleitern mit Umweggliedern geringer als diejenige bei einer Wendel.The delay line with perforated disks can also be replaced by a line in which the delay is replaced by a plurality of detour elements. Likewise, the coaxial conductors 27, 28 at the input and zg, 30 at the output can be replaced by other coupling means. It is also not necessary that the electron bundles describe semicircles in the interaction space. The general principle for the construction of the tube according to Fig. 7 is as follows: The control of the bundle and the output of the useful power are achieved by means of a delay line, the delay of the wave being achieved by a large number of detour elements as the wave passes. The use of such a delay line has the advantage that the coupling between the electron beam and the wave is very tight. This means that for a given received power, the modulation in the density at the entrance to the interaction space is very increased, higher than that which z. B. is obtained by a helix. This strong modulation results in a high amplification of the tube and, in addition, the bandwidth of waveguides with detour links is smaller than that of a helix.

Es ist ebenso möglich, in dem Wechselwirkungsraum eine Verbindung eines nichthomogenen elektrostatischen Feldes mit einem nichthomogenen magnetischen Felde vorzunehmen.It is also possible to create a connection of a nonhomogeneous electrostatic in the interaction space Field with a non-homogeneous magnetic field.

Die Abb. 8 und 8 a stellen eine Röhre in ebener Ausführung mit zwei Kathoden io^a und 10" dar, die sich auf verschiedenen negativen Spannungen in bezug auf die gemeinsame Anode 12 befinden können. Das transversale elektrische Feld liegt zwischen einer ebenen Elektrode 8 mit der Zuleitung 9 und dem metallischen Gehäuse 7 der Röhre. 7 ist in bezug auf 8 positiv. Da das elektrostatische Feld zwischen 7 und 8 konstant ist, wird ein nichthomogenes magnetisches Feld durch einen Magneten mit Polschuhen 21 und Zwischeneisen von veränderlicher Breite hergestellt. Mit entsprechenden Werten von E und B und entsprechender Polung der Kathoden io° und io⁶ und der Fokussierungselektroden kann man erreichen, daß die Bündel bei Abwesenheit des Empfangssignals den Wechselwirkungsraum in Geraden durchlaufen. Am Eingang wird die Steuerung mittels einer Wendel 13 bewirkt, mit welcher die Empfangswelle durch die koaxialen Leiter 14,15 gekoppelt ist. Der Lastkreis ist am Ausgang 16 der Wendel durch die koaxialen Leiter 17, 18 ausgekoppelt. Die Achse der Wendel wird vorzugsweise ein wenig in bezug auf die Achse der Röhre geneigt, um dem Verlauf der Elektronenbahnen Rechnung zu tragen, der durch das Empfangssignal bedingt wird. 6 ist die Auffangelektrode.8 and 8 a show a tube in a flat design with two cathodes ^{10 a} and 10 ″ , which can be at different negative voltages with respect to the common anode 12. The transverse electric field lies between a flat electrode 8 with of the supply line 9 and the metal housing 7 of the tube, 7 is positive with respect to 8. Since the electrostatic field is constant between 7 and 8, a non-homogeneous magnetic field is produced by a magnet with pole pieces 21 and intermediate irons of variable width Values of E and B and the corresponding polarity of the cathodes io ° and io ⁶ and the focussing electrodes can cause the bundles to run straight through the interaction space in the absence of the received signal is coupled by the coaxial conductors 14, 15. The load circuit is at the output 16 of the coil through the koa axial conductor 17, 18 decoupled. The axis of the helix is preferably inclined a little with respect to the axis of the tube in order to take into account the course of the electron trajectories which is caused by the received signal. 6 is the collecting electrode.

Die verschiedenen Polarisationen der beiden Kathoden genügen nicht, um verschiedene Geschwindigkeiten der Elektronenbündel in den gekreuzten elektrischen und magnetischen Feldern zu erhalten. Die mittlere Geschwindigkeit der Elektronen hängt nur vom Verhältnis EjB ab und ist unabhängig von der Polarisation der Kathoden. Die verschiedenen Polarisationen der Kathoden haben nur zum Ziel, Elektronenbahnen zu erhalten, die genügend geradlinig zwischen Eingang und Ausgang verlaufen. Ohne passend gewählte Polarisationen würde das Elektronenbündel an eine der Elektroden 7 oder 8 stoßen, bevor es die Ausgangswendel verlassen hat. Die mittlere Geschwindigkeit der Elektronen und ihre Abänderung im Zwischenwirkungsraum sind nur durch die Werte des elektrostatischen und des magnetischen Feldes bestimmt.The different polarizations of the two cathodes are not sufficient to obtain different speeds of the electron bundles in the crossed electric and magnetic fields. The mean speed of the electrons depends only on the ratio EjB and is independent of the polarization of the cathodes. The aim of the different polarizations of the cathodes is only to obtain electron orbits that are sufficiently straight between the input and output. Without suitably selected polarizations, the electron beam would hit one of the electrodes 7 or 8 before it has left the exit coil. The mean speed of the electrons and their change in the space between them are only determined by the values of the electrostatic and magnetic fields.

Auch bei den Abb. 4 bis 7 kann es vorteilhaft sein, zwei oder selbst eine Vielzahl von Kathoden zu gebrauchen. Umgekehrt kann auch das ebene System nach Abb. 8 mit einer Kathode arbeiten. Die Einführung mehrerer Kathoden ist immer in bezug auf Verstärkung und Wirkungsgrad der Röhre von Vorteil.In Figs. 4 to 7, too, it can be advantageous to use two or even a large number of cathodes. Conversely, the flat system according to Fig. 8 can also work with a cathode. The introduction multiple cathodes is always beneficial for the gain and efficiency of the tube.

Die Abb. 9 und 9 a stellen eine ebene Röhre dar, bei der die Elektronengeschwindigkeiten im Wechselwirkungsraum variiert werden. Man wendet bei dieser Röhre ein homogenes magnetisches Feld an, d. h. daß die Breite des Luftspaltes zwischen den Polschuhen 21 des Magneten für die gesamte Höhe des Wechsel-Wirkungsraumes konstant ist. Das elektrostatische Feld wird zwischen 8 und 7 angelegt. 8 ist in bezug auf 7 negativ. Um eine Abänderung des elektrischen Feldes in jedem Schnitt zu erhalten, führt man in den Wechselwirkungsraum eine gewisse Zahl von Kathoden 33 ein, die ihren Emissionsstrom in diesen Raum aussenden. Die Raumladung, die hieraus folgt, führt zu einer Minderung des Potentials in dem Wechselwirkungsraum. Das elektrische Feld nimmt in der Nachbarschaft von 8 ab und wird in der Nachbarschaft von 7 stärker. Eine Abänderung des Emissionsstromes durch die Kathoden 33 durch Abänderung des Heizstromes 34 gestattet den Verlauf des Potentials zwischen 8 und 7 zu ändern und die besten Arbeitsbedingungen einzustellen.Figs. 9 and 9 a represent a flat tube in which the electron speeds in the interaction space can be varied. A homogeneous magnetic field is applied to this tube, i. H. that the width of the air gap between the pole pieces 21 of the magnet for the entire height of the alternating action space is constant. The electrostatic field is applied between 8 and 7. 8 is related to 7 negative. In order to obtain a change in the electric field in each section, one leads into the interaction space a certain number of cathodes 33, which emit their emission current into this space. The space charge that follows from this leads to a reduction of the potential in the interaction space. The electric field increases in the neighborhood of 8 decreases and gets stronger in the neighborhood of 7. A change in the emission current through the cathodes 33 by changing the heating current 34 allows the course of the potential between 8 and 7 to be changed and employ the best working conditions.

Die Erfahrung hat gezeigt, daß der Aufbau nach Abb. 9 geeignet ist, auch ohne die Kathoden 33 zu arbeiten, sofern die Stromdichte der Bündel io^aundio* genügend hoch ist. In diesem Falle genügt die Raumladung der Bündel selbst, um eine Veränderung des transversalen elektrischen Feldes hervorzurufen und eine Abänderung der Geschwindigkeit der Elektronen zu erreichen, wie sie für die Arbeitsweise der Röhre notwendig ist.Experience has shown that the structure of Fig. 9 is suitable to work also without the cathode 33, if the current density of the bundles io ^a undio * is sufficiently high. In this case the space charge of the bundle itself is sufficient to produce a change in the transverse electric field and to change the speed of the electrons, as is necessary for the functioning of the tube.

Claims

Patent claims:

i. Electron tube for amplifying ultrashort waves Vibrations, characterized in that a plurality of electron beams, of at least one of which is modulated in its density, moving at different speeds in the

Inside an interaction space under the influence of crossed electrical and magnetic Moving fields on each other and on the direction of propagation of the electron beams · Stand vertically.

2. Tube according to claim i, characterized in that a single electron beam with a fixed Cross-section is generated with the inside of each cut perpendicular to the direction of movement the velocities of the electrons are different.

3. Tube according to claim 1 or 2, characterized in that that in each cross section of the

■ Interaction space the relationship of the electrical to the magnetic field strength by changing the electric, the magnetic or both Field strengths in the direction of the electric field lines differs from point to point.

4. Tube according to claim 1 to 3, characterized in that that the electrodes of the interaction space have a cylindrical shape.

5. Tube according to claim 1 to 4, characterized in that that it contains a magnet with pole pieces and air gaps, the sizes of which are variable are.

6. Tube according to claim 1 to 5, characterized in that that one or more emission cathodes are introduced into the field of the interaction space whose space charge changes the course of the field.

7. Tube according to claim 1 to 6, characterized in that the electron beam is one Equipotential cathode large surface introduced into the field interaction space and the variable Field is subject.

8. Tube according to claim 1 to 7, characterized in that that the modulation of the electron beam by the received signal at the input of a delay helix takes place, which is coupled to the input circuit and the field interaction space.

9. Tube according to claim 1 to 8, characterized in that that the removal of the alternating power of the electron beam at the output with the help of a Helix takes place, which is coupled with the field action space and the load circuit.

10. Tube according to claim 1 to 9, characterized in that that the axis of the retardation coil in relation to the central axis of the electron path is inclined.

11. Tube according to claim 1 to 10, characterized in that that the alternating power of the electron beam by means of a tuned cavity resonator is decoupled to the load circuit or an oscillation circuit.

12. Tube according to claim 1 to 11, characterized in that that the wave resistance of the individual circles is matched to one another.

Referred publications:
U.S. Patent No. 2064469.

In addition 2 bdatt drawings