DE891095C

DE891095C - Arrangement for generating ultra-short wave diode oscillations by means of a tube with a cathode, an anode and at least one grid in between

Info

Publication number: DE891095C
Application number: DET5210D
Authority: DE
Inventors: Max Dipl-Ing Geiger
Original assignee: Telefunken AG
Current assignee: Telefunken AG
Priority date: 1940-05-19
Filing date: 1940-05-19
Publication date: 1953-09-24

Description

Anordnung zur Erzeugung ultrakurzweiliger Diodenschwingungen mittels einer Röhre mit einer Kathode, einer Anode und mindestens einem dazwischenliegenden Gitter Die Erfindung betrifft eine Röhrenanordnung, mit welcher sich ultrakurzweilige Diodenschwingungen mit besserem Wirkungsgrad als bisher erzeugen lassen.Arrangement for generating ultra-short diode oscillations by means of a tube having a cathode, an anode and at least one therebetween Grid The invention relates to a tube arrangement, with which ultra-short Generate diode oscillations with better efficiency than before.

Zur Erzeugung von Diodensc'hwingungen hat man bereits Entladungsröhren mit nur zwei Elektroden, d. h. Röhren mit einer Kathode, und einer Anode, verwendet. Diese Art der Schwingungserzeugung konnte wegen des dabei beobachteten schlechten Wirkungsgrades kein praktisches Interesse finden. Der schlechte Wirkungsgrad erklärt sich aus folgenden Überlegungen: Um Schwingungen zu erzeugen, müssen die Elektronen eine verhältnismäßig lange mittlere Laufzeit haben, und daraus ergeben sich große Unterschiede zwischen den Laufzeitei der zu verschiedenen Zeitpurlcten aus der Kathode austretenden Elektronen. Es zeigt sich, daß gerade diejenigen Elektronen, welche wesentlich zum Generatoreffekt beitragen, bei Austritt aus der Kathode ein bremsendes Wechselfeld vorfinden, also am Austritt behindert werden.Discharge tubes are already used to generate diode oscillations with only two electrodes, i.e. H. Tubes with a cathode, and an anode, are used. This type of vibration generation could be because of the bad observed Efficiency find no practical interest. The poor efficiency explains result from the following considerations: In order to generate vibrations, the electrons must have a relatively long mean maturity, and this results in large ones Differences between the transit times from the cathode at different times escaping electrons. It turns out that precisely those electrons which contribute significantly to the generator effect, a braking effect when it emerges from the cathode Find alternating field, i.e. be hindered at the exit.

Es ist bereits bekannt, in eine derartige Schwingungserzeugerröhre ein oder mehrere Gitter einzubauen und die Anodenspannung derart zu wählen, daß die Laufzeit der Elektronen zwischen der Anode und dem ihr zunächst liegenden Gitter gleich der Dauer einer Halbperiode wird und dieses Gitter auf einem konstanten Potential oder auf einem mit der Anodenwechselspannung konp'hasen Potential zu 'halten. Bei Befolgung dieser Vorschrift ergeben sich aber noch nicht so günstige Verhältnisse, wie bei der Anordnung gemäß der weiter unten zu beschreibenden Erfindung.It is already known in such a vibrator tube to install one or more grids and to choose the anode voltage such that the transit time of the electrons between the anode and the grid closest to it becomes equal to the duration of a half cycle and this grid is at a constant potential or to keep it at a potential consistent with the anode alternating voltage. at However, following this rule does not result in such favorable conditions, how in the arrangement according to the invention to be described below.

Ferner ist bereits bekannt, daß bei einem Laufzeitwinkel von 2,5 ir zwischen der Kathode und der Anode einer Diodenschwingröhrc eine Laufzeitfokussierung stattfindet. Jedoch lassen sich in dieser Weise aus dem folgenden Grunde noch nicht Schwingungen mit der praktisch benötigten großen Leistung erzeugen. Es wäre erwünscht, daß diejenigen Elektronen, die in den Schwerpunkt der an der Anode sich häufenden Ladungen gelangen, bei ihrem Austritt aus der Kathode günstige Feldverhältnisse vorfinden und infolgedessen möglichst zahlreich austreten, während Elektronen, die phasenfalsch, d. h. zwischen den Häufungsstellen an der Anode ankommen, aus der Kathode in möglichst kleiner Zahl austreten sollten. Es zeigt sich aber, daß gerade diejenigen Elektronen, die zur Schwingungserzeugung einen positiven Beitrag liefern, beim Austritt aus der Kathode sich dem bremsenden Maximum des Wechselfeldes gegenüber befinden, also am Autritt behindert werden, während diejenigen Elektronen, welche Schwingleistung verbrauchen, beim Austritt aus der Kathode ein beschleunigtes Wechselfeld vorfinden und deshalb in besonders großer Zahl aus der Kathode austreten, zumal man praktisch nicht im Sättigungsbereich arbeitet. Im Hinblick auf die Schwingungserzeugung besteht also eine bei dieser Diodenschwingröhre verkehrte, d. h. ungünstige Zuordnung von Emission aus der !Kathode und Eintrittsphase der unter günstigen Bedingungen emittierten Elektronen in die Diodenstrecke.It is also known that at a travel time angle of 2.5 ir a transit time focusing between the cathode and the anode of a diode vibrating tube takes place. However, it cannot be done in this way for the following reason Generate vibrations with the large power practically required. It would be desirable that those electrons that accumulate in the center of gravity at the anode Charges arrive at favorable field conditions when they exit the cathode and consequently emerge as numerous as possible, while electrons that wrong phase, d. H. arrive between the accumulation points at the anode from which Cathode should emerge in the smallest possible number. But it turns out that just those electrons that make a positive contribution to the generation of vibrations, at the exit from the cathode opposite to the braking maximum of the alternating field are located, so are hindered from entering, while those electrons which Consume vibration power, an accelerated alternating field when exiting the cathode and therefore emerge from the cathode in particularly large numbers, especially since one is practically not working in the saturation range. With regard to the generation of vibrations So there is something wrong with this vibrating diode tube, i.e. H. unfavorable assignment of emission from the cathode and entry phase of the under favorable conditions emitted electrons in the diode path.

Gemäß der Erfindung wird deshalb unter Benutzung mindestens eines Gitters wie bei der eingangs an zweiter Stelle erwähnten bekannten Anordnung und unter Benutzung eines Laufzeitwinkels zwischen dem anodennächsten Gitter und der Anode, der, wie es bei der eingangs an dritter Stelle genannten bekannten Anordnung für den Laufzeitwinkel zwischen Kathode und Anode einer Diodenschwingröhre bekannt war, genau oder annähernd 2,5 n beträgt, zwischen der Emissionsfläche (Kathode) und der Eintrittsstelle in die Diodenstrecke eine Entladungsstrecke mit einem Laufzeitwinkel von genau oder annähernd n eingeschaltet, wobei die Richtung des Wechselfeldes in beiden Teilen der Entladungsbahn dieselbe ist, so daß die bei einer Zweipolröhre 'herrschenden Zuordnungsverhältnisse umgekehrt werden, d. h. die unter günstigen Feldverhältnissen und daher in großer Zahl aus der Kathode austretenden Elektronen zur Schwingleistungserzeugung beitragen können. Außerdem wird dabei während,der Zeitabschnitte, in welchen Elektronen austreten würden, welche sich an der Schwingungserzeugung nicht beteiligen, der Eintritt von Elektronen in die Diodenstrecke unterbunden.According to the invention, therefore, using at least one Lattice as in the known arrangement and mentioned in the second place using a transit time angle between the grid closest to the anode and the Anode, as is the case with the known arrangement mentioned at the beginning in the third place known for the transit time angle between the cathode and anode of a vibrating diode tube was, exactly or approximately 2.5 n, between the emission surface (cathode) and the entry point into the diode path is a discharge path with a transit time angle switched on by exactly or approximately n, the direction of the alternating field in both parts of the discharge path is the same, so that in a two-pole tube 'the prevailing allocation relationships are reversed, d. H. those under favorable Field conditions and therefore a large number of electrons emerging from the cathode can contribute to the generation of vibrations. In addition, during, the Periods of time in which electrons would emerge, which are involved in the generation of vibrations do not participate, the entry of electrons into the diode path is prevented.

In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt, an Hand welcher weitere Erklärungen über die Wirkungsweise des Erfindungsgegenstandes gegeben werden sollen.Several exemplary embodiments of the invention are shown in the drawing, on the basis of which further explanations about the mode of operation of the subject matter of the invention should be given.

Abb. i zeigt im Querschnitt und Längsschnitt eine Entladungsröhre, bei welcher das Elektroden-System in -einen Hohlraumresonator vom linearen Typ eingebaut ist. Das Vakuumgefäß i besteht aus Metall und begrenzt zum Teil den Resonanzhohlraum. Mit der Wand des Vakuumgefäßes ist die Anode 2 leitend verbunden. Die Kathode 3 ist von der Gefäßwand isoliert. Zur weiteren Begrenzung des Resonanzhohlraumes dienen Metallflächen q. und 5, welche kapazitiv an die Gefäßwand anschließen. Zwischen der Kathode und der Anode befinden sich ein oder zwei Gitter 6 bzw. 7, durch welche der Verschiebungsstrom des Resonanzhohlraumes hin-durchtritt. Die Abnahme der Schwingleistung erfolgt durch eine oder mehrere Kopplungsschleifen B. Bezüglich der Lage der Gitter im Wechselfeld gibt es zwei grundsätzliche Möglichkeiten. In Abb. i sind die Gitter 6 bzw. 7 so angeordnet, daß sie in Äquipotentialflächen des Wechselfeldes liegen und innerhalb des Wechselfeldes keine wechselstrommäßige Kurzschlußverbindung mit der Kathode besteht (sogenannte stehende. Gitter). Die Gitter haben die Form einer Leiter, deren Holme zur Längsachse des Resonanzhohlraumes parallel laufen und an den Enden in Isolierbrücken abgestützt sind. An den Enden der Holme befinden sich die Zuführungsdrähte für die Gitterspannung von außen. Die Gitter sind also an solchen Stellen herausgeführt, an denen 'kein elektrisches, sondern nur ein magnetisches Wechselfeld vorhanden ist. Der Leitungswechselstrom im Resonanzhohlraum verläuft nicht über die Gitter, sondern über die Kathode.Fig. I shows a discharge tube in cross-section and longitudinal section, in which the electrode system is built into a cavity resonator of the linear type is. The vacuum vessel i consists of metal and partially delimits the resonance cavity. The anode 2 is conductively connected to the wall of the vacuum vessel. The cathode 3 is isolated from the vessel wall. Serve to further limit the resonance cavity Metal surfaces q. and 5, which connect capacitively to the vessel wall. Between the cathode and the anode are one or two grids 6 and 7, respectively, through which the displacement current of the resonance cavity passes through. The decrease in vibration power takes place through one or more coupling loops B. Regarding the position of the grids There are two basic possibilities in the alternating field. In Fig. I are the grids 6 and 7 arranged so that they lie in equipotential surfaces of the alternating field and within the alternating field no short-circuit connection with alternating current the cathode consists (so-called standing grid). The grids have the shape of a Ladder, the stiles of which run parallel to the longitudinal axis of the resonance cavity and on the ends are supported in insulating bridges. There are at the ends of the spars the supply wires for the grid voltage from the outside. So the bars are on such Passages brought out at which 'no electrical, but only magnetic Alternating field is present. The line alternating current runs in the resonance cavity not via the grid, but via the cathode.

Eine etwas abgeänderte Ausführungsform einer solchen Röhre zeigt die Abb. 2, in welcher die gleichen Bezugszeichen verwendet sind, soweit es sich um übereinstimmende Teile handelt. Der Resonanzhohlraum, dessen Querschnitt weit schraffiert ist, wird in diesem Fall durch die Anode, den daran anschließenden Teil des Vakuumgefäßes und eine kapazitiv mit dem Vakuumgefäß verbundene Scheidewand 9, welche gegenüber der Anode das Gitter 7 enthält, begrenzt. Der Leitungswechselstrom des Resonanzhohlraumes verläuft in diesem Fall zum größten Teil über das Gitter 7. Die indirekt geheizte Kathode 3 und gegebenenfalls ein weiteres zwischen der Kathode und dem Gitter 7 angeordnetes iGitter 6 sind zum Unterschied von der Abib. i kapazitiv mit dem Gitter 7 kurzgeschlossen, beispielsweise mittels der Isolierstücke io gegeneinander abgestützt. Das Verschiebungsfeld des Resonanzhohlraumes verläuft hier nur zwischen dem Gitter 7 und der Anode 2, aber es greift durch die Löcher in dem Gitter 6 auf die Kathodenoberfläche durch. Dieser Unterschied gegenüber der Abb. i wirkt sich auf die Bemessung des Abstandes der Gitter untereinander und des Abstandes des Gitters 6 von der Kathode aus. Der Fall der Abb. (i entsprach einem Durchgriff von ioo°/o-, und dieser führt zu relativ großen Gitterabständen und einem großen Abstand zwischen Gitter 7 und Kathode.A somewhat modified embodiment of such a tube shows Fig. 2, in which the same reference numerals are used insofar as they are matching parts. The resonance cavity, the cross-section of which is heavily hatched is, in this case through the anode, the adjoining part of the vacuum vessel and a partition 9 capacitively connected to the vacuum vessel, which is opposite the anode contains the grid 7, limited. The alternating conduction current of the resonance cavity in this case runs for the most part over the grid 7. The indirectly heated Cathode 3 and possibly another between the cathode and the grid 7 arranged iGitter 6 are different from Abib. i capacitive with the grid 7 short-circuited, for example supported against one another by means of the insulating pieces io. The displacement field of the resonance cavity only runs between the grating here 7 and the anode 2, but it engages through the holes in the grid 6 on the cathode surface by. This difference compared to Fig. I affects the dimensioning of the The distance between the grids and the distance between the grid 6 and the cathode the end. The case of Fig. (I corresponded to a penetration of 100 ° / o-, and this leads to relatively large grid spacings and a large spacing between grid 7 and Cathode.

Abb. 3 zeigt eine Anordnung mit konzentrischem Aufbau. Der Resonanzhohlraum, dessen Querschnitt schraffiert ist, hat in diesem Fall die Form eines Toroides, während die Emissionsfläche der Kathode 3 und das Gitter 6 Zylindermantelflächen sind.- Das Vakuumgefäß r besteht aus Metall und hat die Gestalt eines beiderseits abgedeckten Zylinders. Das Gitter 7 ist mit der Gefäßwand leitend verbunden, während die Anode 2 gegen diese mittels einer Glasverschmelzung r r isoliert ist. Die Anode ist als hohler Ring ausgebildet und mit Rohranschlüssen 12 zur Zu- bzw. Abfuhr eines strömenden Kühlmittels versehen. (Der Einfac'h'heit halber ist nur ein solcher Anschluß gezeichnet.) Um Verluste zu v:rm-eiden, wählt man den Abstand der Glasverschmelzung ir z von .der Gefäßwand gleich einer Viertelwellenlänge der erzeugten Schwingung.Fig. 3 shows an arrangement with a concentric structure. The resonance cavity, its cross section is hatched, in this case has the form of a toroid, while the emission surface of the cathode 3 and the grid 6 are cylindrical surface areas are.- The vacuum vessel r is made of metal and has the shape of one on both sides covered cylinder. The grid 7 is conductively connected to the vessel wall while the anode 2 is insulated from this by means of a glass fusion r r. The anode is designed as a hollow ring and with pipe connections 12 for the supply and discharge of a provided flowing coolant. (For the sake of simplicity, there is only one such connection drawn.) In order to avoid losses, one chooses the distance of the glass fusion ir z von .der vessel wall equal to a quarter wavelength of the generated oscillation.

Betrachtet man zunächst nur die Anordnung mit einem Hilfsgitter, so zeigt sich, daß keine vollkommene Unterdrückung falschphasiger Elektronen möglich ist. Letzteres gelingt erst unter Anwendung zweier Hilfsgitter, von denen das der Kathode gegenüberliegendeGitter im wesentlichen gegenüber der Kathode keine oder eine im Verhältnis zu der zwischen Gitter und Kathode auftretenden Wechselspannung kleine Gleichspannung aufweist. Daß man mit einem einzigen Hilfsgitter nur eine unvollkommene Vorsteuerung des Elektronenstromes erzielen kann, hängt damit zusammen, daß es nicht möglich ist, in einer einzigen Wechselfeldstrecke für die während des Wechselspannungsmaximums aus der Kathode austretenden Elektronen eine Laufzeit von -i und während der negativen Halbwelle eine Unterdrückung der Emission zu erzielen. Mit einer reinen Wechselspannung kann man zwar eine Unterdrückung der Emission während der negativen Halbperiode erzielen, jedoch nur sehr schwer eine Laufzeit, die angenähert gleich n ist, für die unter günstigen Feldverhältnissen emittierten Elektronen. Dies hängt damit zusammen, daß bei längeren Laufzeiten im reinen Wechselfeld eine Umkehr der Elektronen und ein Zurückfallen der Elektronen auf die Kathode eintritt; die Elektronen erreichen somit das Gitter nicht. Um zu erzielen, daß die Elektronen trotz einer längeren Laufzeit zum Gitter gelangen, muß das Gitter eine gegen die Kathode positive Vorspannung erhalten, und diese wieder steht einer vollkommenen Sperrung des Elektronenaustritts während einer Halbperiode entgegen. Bei der Anordnung mit zwei Gittern wird die halbphasige Elektronenausscheidung, d. h. die Zurückhaltung der Elektronen während einer Halbperiode der erzeugten Schwingung, in dem Raum zwischen Kathode und dem ersten Gitter und die gesamte Laufzeit einer halben Periode durch den Raum zwischen den beiden Gittern erzielt. Ein zweites Gitter 6 kann auch in einer Anordnung nach Abh. 3 vorgesehen werden.If one only looks at the arrangement with an auxiliary grid, see above it turns out that no complete suppression of wrong-phase electrons is possible is. The latter only succeeds with the use of two auxiliary grids, one of which is the Grid opposite cathode essentially none or opposite to the cathode an alternating voltage in relation to the alternating voltage occurring between the grid and the cathode has a small DC voltage. That you can only get one with a single auxiliary grid can achieve imperfect precontrol of the electron flow is related to that it is not possible in a single alternating field path for the during the AC voltage maximum electrons emerging from the cathode have a transit time of -i and to achieve a suppression of the emission during the negative half-wave. With a pure alternating voltage one can suppress the emission during achieve the negative half-cycle, but it is very difficult to achieve a running time that approximates is equal to n, for the electrons emitted under favorable field conditions. This is due to the fact that with longer running times in the pure alternating field a The electrons are reversed and the electrons fall back onto the cathode; the electrons therefore do not reach the grid. To get the electrons get to the grid despite a longer running time, the grid must be one against the Cathode received positive bias, and this again is a perfect one Blocking of the electron exit during a half cycle against. In the arrangement with two grids, the half-phase electron precipitation, i.e. H. the reluctance of electrons during a half cycle of the generated oscillation, in the space between Cathode and the first grid and the entire term of half a period through achieved the space between the two grids. A second grid 6 can also be used in an arrangement according to Dep. 3 can be provided.

In Abb. q. ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung mit einem toroidförmigen Resonanzhohlraum und zwei Gittern dargestellt. Die Anode :2 besteht aus einem Ring mit T-förmigem Querschnitt und ist mit dem metallischen Vakuumgefäß r leitend verbunden. Die innere Begrenzung des Resonanzhohlraumes ist durch eine metallische Scheidewand 9 gegeben, welche kapazitiv an die Gefäßwand anschließt und in der Verlängerung der zylindrischen Kathodenoberfläche liegt. Die Scheidewand weist ringförmige Ansätze 13 auf, die als Wehneltelektrode wirken. Die beiden Gitter 6, 7 bestehen aus je zwei Drahtringen 1d., zwischen denen zur Systemachse parallel Drähte ausgespannt sind. Die Gitteranschlüsse sind, ähnlich wie in Abb. 2, so verlegt, daß sie in den vom elektrischen Feld freien Innenraum des toroidförmigen Resonanzraumes führen, ohne das elektrische Verschiebungsfeld des Resonanzhohlraumes zu durchsetzen.In Fig.q. is another embodiment of the invention with a toroidal resonance cavity and two gratings shown. The anode: 2 consists consists of a ring with a T-shaped cross-section and is connected to the metallic vacuum vessel r conductively connected. The inner limitation of the resonance cavity is by a metallic septum 9 given, which capacitively connects to the vessel wall and lies in the extension of the cylindrical cathode surface. The partition has annular lugs 13 which act as a Wehnelt electrode. The two grids 6, 7 each consist of two wire rings 1d., Between which parallel to the system axis Wires are stretched out. Similar to Fig. 2, the grid connections are laid in such a way that that they are in the interior of the toroidal resonance space free from the electric field lead without enforcing the electrical displacement field of the resonance cavity.

Claims

PATENT CLAIMS: e.g. Arrangement for generating ultra-short-wave diode oscillations by means of a tube with a cathode, an anode and at least one therebetween Grid, characterized by the choice of such electrode voltages and electrode spacings, that during the braking AC voltage maximum through the one adjacent to the anode Lattice electrons emerge from this lattice, calculated according to a travel time angle of exactly or approximately 2.5, c reach the anode and these electrons between the cathode and this grid have a running time that is exactly or approximately half a time Period corresponds to, covering the direction of the alternating field in both Parts of the discharge path is the same.

2. Arrangement according to claim -r, characterized in that that the space between the cathode and the anode is wholly or partially parallel to the direction of discharge is penetrated by the displacement field of a cavity resonator.

3. Arrangement according to Claim r, characterized in that the line alternating current via d'ie cathode runs and the grid connections outside of the electrical displacement field are led out of the resonance cavity (Fig. r and 4). q ..

Arrangement according to claim r, characterized in that the conduction current is essentially that of the anode Adjacent grid runs and the Kathotde as well as another possibly existing one The grid is capacitively short-circuited with the grid adjacent to the anode (Dept. 2 and 3).

5. Arrangement .nach claim r, characterized in that the displacement field space has a long length in relation to its width.

6. Arrangement according to claim 5, id 'characterized in that the grid extends to the narrow side of the displacement space parallel wires exist.