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Anordnung zur Erzeugung von kurzzeitigen, starken und zeitlich scharf
begrenzten elektrischen Stromstößen in hochfrequentem Rhythmus mittels einer Entladungsröhre
Die Erfindung befaßt sich mit der Erzeugung von Schwingungen durch Stromstöße unter
Verwendung von Elektronenröhren. Es wird bezweckt, diese Aufgabe mit besserem Wirkungsgrad
oder unter besserer Ausnutzung der verwendeten Anordnung zu lösen als bisher.
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Die bekannten Verfahren dieser Art lassen sich in zwei Gruppen scheiden.
Bei der ersten Gruppe ist die Zeit zwischen zwei Stromstößen gleich der Periodendauer
der anzuregenden Schwingung, während in der zweiten Gruppe die Zeit zwischen zwei
aufeinanderfolgenden Stromstößen ein Vielfaches der Periodendauer der anzuregenden
Schwingungen beträgt. Zur ersten Gruppe gehört das bei der Erzeugung größerer Schwingleistungen
in Senderöhren mit gutem Wirkungsgrad übliche Verfahren, bei welchem Anodenstrom
nur kurzzeitig, und zwar dann fließt, wenn die Anodenspannung ihren niedrigsten
Wert erreicht hat. Es ist hierbei wesentlich, daß der ganze Stromübergang während
einer Schwingungsperiode in dem für den Wirkungsgrad günstigsten Augenblick zusammengedrängt
ist. Der Nachteil einer solchen Betriebsweise besteht darin, daß die Emissionsfähigkeit
der Kathode nur während der sehr kurzen Stromübergangszeit ausgenutzt wird. Dem
guten Wirkungsgrad einer solchen Anordnung steht daher eine schlechte
Ausnutzung
derselben gegenüber. Bei der zweiten Gruppe handelt es sich im Grunde genommen um
die Erzeugung gedämpfter Schwingungen, wobei weniger die Phasenlage des Stromstoßes
als vielmehr seine Form, Breite oder Flankensteilheit für die Energieübertragung
auf den an die Röhre angeschlossenen Schwingungskreis von wesentlicher Bedeutung
ist. Aber auch in diesem Falle wird die Emissionsfähigkeit der Kathode nur während
der kurzen Stromübergangszeit ausgenutzt.
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Die Erfindung geht nun von der Überlegung aus, daß die Ausnutzung
der Anordnung, der sogenannte Leistungsfaktor, trotz einer kurzen Dauer des Stromstoßes
keineswegs klein zu sein braucht. Stromstoßdauer und Emissionszeit müssen nämlich
nicht, wie bisher angenommen, zwangsläufig gleich sein. Wenn es gelingt, die dauernd
von der Kathode emittierten Elektronen zunächst in irgendeinem Gleichgewichtszustand
als freie Elektronen zu versammeln und sie erst in einem bestimmten Zeitpunkt in
Form eines dichten Elektronenhaufens zur Anode übergehen zu lassen, wird erreicht,
daß die größte überhaupt von der Kathode zu liefernde Menge von Ladungsträgern,
nämlich die Summe fast aller zwischen zwei Stromstößen emittierten Elektronen in
der für die Erzielung einer Stoßwirkung erforderlichen kurzen Zeit an der Anode
eintreffen. Dies ist beim Gegenstand der Erfindung der Fall.
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Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Erzeugung von kurzzeitigen,
starken, zeitlich scharf begrenzten Stromstößen in hochfrequentem Rhythmus und dient
insbesondere zur Erzeugung ultrahochfrequenter elektrischer Schwingungen mittels
einer Elektronenröhre, in welcher eine Elektronenströmung von einer Kathode durch
mehrere Beeinflussungselektroden hindurch zu einer Anode übergeht. Der Grundgedanke
der Erfindung besteht darin, daß Elektroden der Röhre Spannungen von solcher Kurvenform
zugeführt werden, daß eine während eines längeren Zeitraumes aus der Kathode austretende
Elektronenmenge so zusammengefaßt wird, daß sie innerhalb eines gegen die gesamte
Austrittszeit aus der Kathode kurzen Zeitraumes in Form eines Haufens großer Ladungsdichte
an der Anode ankommt, welche z. B. mit einem Ausgangskreis verbunden sein kann.
Dies geschieht gemäß der Erfindung dadurch, daß anodenseitig von der Elektronenäusgangsstelle
eine Beschleunigungselektrode angeordnet ist, die eine gegen die niedrigste Vorspannung,
bei welcher der die Elektronenausgangsstelle verlassende Entladungsstrom als Funktion
der Spannung derBeschleunigungselektrode seinen größten Wert (Sättigung oder Pseudosättigung)
gerade erreicht, große positive Vorspannung erhält, und daß anodenseitig von dieser
eine Steuerelektrode mit negativer Vorspannung angeordnet ist, so daß die aus der
Elektronenausgangsstelle austretenden Elektronen während eines großen Teiles der
Stoßwiederholungsperiode um die Beschleunigungselektrode pendeln, und däß der Steuerelektrode
eine Wechselspannung von der Frequenz der Stoßwiederholungsperiode und solcher Kurvenform
überlagert wird, daß die Steuerelektrode nur während einer gegenüber der Stoßwiederholungsperiode
kurzen Zeit positiv wird und die um die Beschleunigungselektrod( pendelnden Elektronen
in Form eines Haufens große Ladungsdichte zur Anode übergehen.
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Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist eine Kathode K von
drei zylindrischen Elektroden; nämlich zwei Gittern G1 und G2 und einer Anode A
umgeben. Das erste Gitter G1 hat ein positives Potential, das Potential des zweiten
Gitters ist im Mitte negativ, während die Anode über den anzufachenden Schwingungskreis
an einem Punkt mit positiver Spannung liegt. Solange das am zweiten Gitter wirksame
Potential, das sich aus der diesem Gitter zugeführten negativen Spannung und aus
dem Durchgriff der positiven Anodenspannung zusammensetzt, negativ ist, findet kein
Übertritt von Elektronen zur Anode statt. Die Elektronen pendeln in dem Raum zwischen
Kathode und zweitem Gitter. Sofern die positive Spannung des ersten Gitters von
vornherein so hoch über der statisch gemessenen Sättigungsspannung V" der Kathodenemission
1's liegt oder aber während des Vorganges entsprechend wächst, tritt eine Behinderung
des dauernden Zustromes neuer Elektronen aus der Kathode in den Pendelraum durch
Raumladungserscheinungen nicht ein, so daß der Pendelraum sich ununterbrochen füllt.
Um eine Absorption der pendelnden Elektronen weitgehend zu verhindern, sollen die
Kathode und auch das positive Gitter möglichst dünndrahtig ausgebildet sein. Das
positive Gitter soll ferner für die Pendelfrequenz möglichst gut geerdet werden.
Der Pendelraum zwischen Kathode und negativem Gitter wird nun in dem für die Stoßerregung
des an die Anode angeschlossenen Schwingungskreises im günstigsten Augenblick geöffnet
und zur Anode hin dadurch entleert, daß das Potential des zweiten, im Mittel negativen
Gitters periodisch kurzzeitig positiv gemacht wird. Die Öffnungszeit 'CG2 sei etwa
von der Größenordnung der Pendelzeit üa, um eine vollständige Entleerung des Pendelraumes
zu ermöglichen. Beide Zeiten sind dem Wesen der Sache nach klein gegen die Füllzeit
z$. Wichtig ist, daß während der kurzen Zeit *c" die gesamte während der langen
Zeit tg von der Kathode emittierte Ladungsmenge in den eigentlichen Entladungsraum
übertritt.
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Der Unterschied gegenüber dem üblichen Stoßverfahren, sei es mit einer
Eingitterröhre oder reit einer Raumladegitterröhre ausgeführt, besteht also darin,
daß im bekannten Falle während der Öffnungszeit des Steuergitters -tGz nur die von
der Kathode oder der virtuellen Kathode gerade gelieferten Elektronen für die Stoßladung
zur Verfügung stehen, während nach der Erfindung ein Sammelraum entleert wird, dessen
Inhalt ein Vielfaches dieser kleinen Menge betragen kann. Ausschlaggebend ist es
offenbar, daß die Raumladegitterspannung von vornherein gegen den statischen Wert
erhöht wird oder während der Füllzeit v$ des Pendelraumes ansteigt, Unter der Annahme,
daß die Füllung proportional der Zeit ist und der statische Wert von
der Füllung während einer halben Pendelperiode z9a entspricht, läßt sich der Endwert
der notwendigen Raumlädegitterspannung
V s etwa berechnen in der
Gleichung
Abb. z zeigt den Verlauf der Spannungen am ersten Gitter, zweiten Gitter und Anode
im Falle einer Schwingung pro Stoß. Die Kathode liefert dabei Anteile für die Stoßladung
möglichst während der ganzen Zeit zwischen zwei Stößen, also unter Umständen ununterbrochen.
Die auf diese Weise erhöhte Ladungsmenge vervielfacht die energetische Wirkung des
Stromstoßes.
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Die Begriffe der Emissionszeit der Kathode und der Absorptionszeit
der Anode stimmen nicht überein mit den Begriffen der Entladezeit der Kathode bzw.
Ladezeit der Anode. Unter Emissionszeit bzw. Absorptionszeit sollen diejenigen Zeiten
verstanden werden, während welcher die im Stromstoß enthaltene Elektronenmenge die
Kathode verläßt bzw. von der Anode aufgenommen wird. Diese Zeiten sind verschieden
von der Entladezeit der Kathode bzw. Ladezeit der Anode für den aus Konvektionsstrom
und Verschiebungsstrom zusammengesetzten Gesamtstrom. Diese Unterscheidungen sind
ziemlich bedeutungslos, wenn die Übergangszeit des Elektronenhaufens von dem Ausgangspunkt
der Entladung zur Anode kurz ist gegen die Periodendauer der anzuregenden Schwingung.
Wenn aber die Laufzeit in diesem Raum die Größenordnung der Schwingungsdauer der
anzuregenden Schwingung erreicht, verflacht der Verschiebungsstrom den ansteigenden
Teil des Stoßes. Die Wirksamkeit dieses Stoßes beruht dann ausschließlich auf dem
scharfen zeitlichen Abfall, der durch die kurze Absorptionszeit der Anode bedingt
ist und den Oberwellengehalt des Stoßes bestimmt. Gerade in solchen Fällen kann
eine durchbrochene Anode wirksam sein; der Verschiebungsstrom der durchgehenden
Entladung ist im Mittel Null und trägt nicht zur Anodenbelastung bei.
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Unter Anode ist dabei diejenige Elektrode des Entladungsraumes zu
verstehen, die mit dem anzuregenden Kreis verbunden ist und die höchste positive
Durchschnittsspannung hat. Die Anode braucht nicht die äußere Elektrode zu sein;
sie kann auch gitterförmige Gestalt haben. In diesem Falle ist unter Absorptionszeit
die Durchgangszeit des Elektronenhaufens durch die Anode zu verstehen.
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Der üblichste Fall zur Ausübung des Verfahrens ist der der periodischen
Wiederholung der Stöße. Allerdings kann auch die Wiederholung der Stöße mit veränderlicher
Frequenz im Bereich der technischen Notwendigkeiten liegen, z. B. Modulation der
Stoßfrequenz.
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Die zu einem Ladungsstoß anzusammelnden Elektronen werden bis zum
Augenblick des Überganges der gesamten Menge zur Anode in einem indifferenten Zustand
in Bereitschaft gehalten. Das kann beispielsweise in Form einer Pendelbewegung erfolgen.
Die Elektronen könnten auch irgendwelche ungeordneten Bewegungen ausführen, wenn
nur Vorsorge getroffen wird, daß während der Vorratsbildung eine Absorption der
Elektronen an Leitern vermieden wird und die Entleerung des Sammelraumes kurzzeitig
erfolgen kann.
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Abb. 2 zeigt das für den Fall einer Pendelbewegung in Frage kommende
Zeit-Weg-Diagramm. Man sieht daraus, daß das früher emittierte Elektron einen sehr
viel längeren Pendelweg innerhalb des Raumes K-G2 zurücklegt als ein späteres Elektron.
Bei Öffnung des Pendelraumes stehen die Elektronen annähernd gleichzeitig der Entladung
zur Verfügung. Anodenwechselspannung Va und Öffnungsspannung Va, am zweiten Gitter
sind als Zeitmarke mit aufgetragen. Die angegebene Art der Steuerung eines Elektronenstromes
ist unabhängig davon, ob in der Sättigung oder im steuerbaren Teil der Charakteristik
der Kathode gearbeitet wird. Als Kathode kommt in erster Linie eine Glühkathode
in Frage; aber auch andere Emissionsquellen, wie Photokathoden und ionisierte Gase,
können als Kathode im Sinne der Erfindung angesehen werden..