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Anordnung zur Ausübung eines Verfahrens zum Betrieb von Laufzeitröhren
Die Erfindung betrifft phasenmodulierte Ultrakurzwelleneinrichtungen, insbesondere
Mischröhren, zum Betrieb bei Wellenlängen zwischen 5 m und 5 cm oder weniger.
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In dem Patent 908 7443 ist ausführlich dargelegt, daß ein Elektronenstrom
entweder in der Elektronengeschwindigkeit oder in der Ladungsdichte moduliert werden
kann. Bei der ersten Modulationsart werden systematische Unregelmäßigkeiten der
Elektronengeschwindigkeit von Punkt zu Punkt längs des Strahles erzeugt. Die zweite
Modulationsart betrifft die Erzeugung von Ladungsdichteänderungen, wobei diese Änderungen
aus systematischen Unregelmäßigkeiten in der Elektronengruppierung bestehen.
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In den üblichen elektrischen Entladungsgefäßen wird zwischen diesen
beiden Modulationsarten nicht unterschieden. Beim Arbeiten mit Ultrakurzwellen werden
jedoch weitaus bessere Ergebnisse erzielt, wenn Anordnungen verwendet werden, in
denen die Modulation der Geschwindigkeit und diejenige der Ladungsdichte getrennt
bewirkt
werden. Gegenstand des Hauptpatentes ist nun ein Verfahren
zum Betrieb von Ultrakurzwellenröhren mit Geschwindigkeitsmodulation, und zwar in
der Weise; daß ein Elektronenstrahl durch eine Steuereinrichtung derart in seiner
Geschwindigkeit moduliert wird, daß sich die Geschwindigkeitsmodulation erst außerhalb
des Wirkungsbereiches der Steuereinrichtung in eine Dichtemodulation umwandelt.
Des weiteren sind im Hauptpatent Ausführungsbeispiele für Vorrichtungen zur Ausübung
dieses Verfahrens beschrieben und Steuerelektrodenanordnungen angegeben, welche
zur Modulation der Geschwindigkeit eines Strahles dienen, ohne daß gleichzeitig
merkliche Ladungsdichteänderungen auftreten. Die Modulation der Geschwindigkeit
wird sodann in eine Modulation der Ladungsdichte von höherer Größenordnung umgeformt,
so daß Verstärkerwirkungen erzielt werden.
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Die Erfindung betrifft eine Weiterbildung des in dem Hauptpatent beschriebenen
Gegenstandes, und zwar insbesondere eine Weiterbildung eines Verstärkers, Empfängers
od. dgl. Es wurde nämlich gefunden, daß eine Verstärkung und Empfang in einer Anordnung
mit einem Verzögerungsfeld sehr erleichtert werden, wenn vermieden wird, daß die
bei der Umwandlung der Geschwindigkeitsmodulation in eine Ladungsdichtemodulation
umgekehrte Komponente des Elektronenstroms in die Gegend der Steuerelektrode zurückgelenkt
wird. Zu diesem Zweck werden Mittel vorgesehen, die die zurückgelenkten Elektronen
an einem Punkt auffangen, welcher in dem Gebiet zwischen der ursprünglichen Modulation
des Strahles und dem Gebiet nach seiner Umkehr liegt.
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In den Zeichnungen sind in zum Teil schematischer Weise Ausführungsbeispiele
nach der Erfindung dargestellt. In der Fig. i ist ein Entladungsgefäß io mit Glaswandung
dargestellt, welches einen Quetschfuß i i an der einen Seite besitzt. Das vorzugsweise
evakuierte Gefäß enthält ein Strahlerzeugungssystem, welches zum Erzeugen eines
konzentrierten Elektronenstrahles dient. Das Strahlerzeugungssystem besteht aus
einer Kathode mit einem Heizdraht 13 (punktiert dargestellt) und einem Emissionsteil
14. Die von der Kathode emittierten Elektroden werden mit Hilfe einer Beschleunigungselektrode,
die beispielsweise aus einer Blende 18 besteht, zu der gewünschten Geschwindigkeit
beschleunigt. Damit der Elektronenstrahl konzentriert wird, ist eine Zwischenelektrode
2o zwischen der Kathode und der Blende 18 vorgesehen. Diese Elektrode 20 liegt auf
Kathodenpotential oder auf einem einige Volt positiveren oder negativeren Potential,
um die gewünschte Linsenwirkung zu erzielen.
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Die bisher beschriebenen Elektroden sind mit Zuleitungen 21 versehen,
welche durch den Quetschfuß i i hindurchgeführt sind. Mit Hilfe dieser Zuleitungen
ist der Kathodenheizkörper 13 mit einer niedrigeren Spannungsquelle, beispielsweise
einer Batterie 23, verbunden, während die Blende 18 durch Verbindung mit einer zweiten
Batterie 25 auf das gewünschte Potential gebracht ist. Diese letztere Batterie liefert
eine Gesamtspannung in der Größenordnung von einem bis zu mehreren hundert Volt
und dient zur Lieferung der Spannung für die Beschleunigungselektrode 18, um mit
Hilfe des hohen Potentials zur Kathode eine beträchtliche Beschleunigung der emittierten
Elektronen zu erzielen. Fall es erforderlich ist, können zusätzliche magnetische
oder elektrostatische Fokussierungsmittel bei der Anordnung vorgesehen werden, um
eine übermäßige Streuung des Elektronenstrahles zu vermeiden.
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Zur Modulation des Elektronenstrahles mit einer Modulationsspannung,
beispielsweise eines Eingangssignals, sind entsprechende Modulationsmittel vorgesehen.
Wie bereits oben erwähnt wurde, wird bei hohen Frequenzen ein besonders günstiger
Betrieb erzielt, wenn die Geschwindigkeitsmodulation verhältnismäßig groß ist, während
die Ladungsdichtemodulation kaum merklich ist. Dieses läßt sich durch die Anordnung
einer Modulationskammer erreichen, die von der Elektronenquelle oder Kathode derart
abgeschirmt ist, daß die an die Modulationskammer gelegten Spannungen zur Erzeugung
der Geschwindigkeitsmodulation in keiner Weise auf die Kathode zurückwirken, so
daß Ladungsdichteänderungen vermieden werden. Eine derartige Modulationskammer wird
gebildet durch die beiden Blenden 24 und 25, die mit Offnungen 26 und 27 versehen
sind, damit der Elektronenstrahl durch die Modulationskammer hindurchtreten kann.
Die Blenden liegen vorzugsweise auf dem gleichen Potential, indem sie beispielsweise
mit Hilfe eines leitenden Körpers 28 verbunden werden. Das Potential der Modulationskammer
als Ganzes kann ebenso hoch sein wie dasjenige der Beschleunigungselektrode 18.
Zu diesem Zweck ist die letztere mechanisch und elektrisch mit der Blende 24 durch
einen leitenden Zylinder 29 verbunden.
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Innerhalb der Modulationskammer befindet sich eine Steuerelektrode,
die die Form eines hohlen, rohrförmigen Körpers 34 besitzt, durch den der Elektronenstrahl
hindurchfließt, ohne daß derselbe abgefangen wird. Wenn die Spannung an dieser Steuerelektrode
periodisch erhöht und erniedrigt wird in Bezug zu den Spannungen an den Blenden
24, 25, wird eine Geschwindigkeitsmodulation des Strahles bewirkt. Die Wirkung ist
am größten, wenn die Länge der Elektrode 24 in Richtung der Strahlachse so gewählt
ist, daß die Laufzeit der Elektronen durch diese Elektrode einer halben Periode
oder einer ungeraden Anzahl von Halbperioden der Steuerspannung entspricht. Unter
diesen Bedingungen wird ein Elektron, welches in den Modulationsraum eintritt, wenn
die Spannung an der Elektrode 34 ihr Maximum erreicht hat, zweimal beschleunigt:
zunächst, wenn das Elektron die Elektrode erreicht, und noch einmal, wenn es die
Elektrode verläßt. In ähnlicher Weise wird ein Elektron, welches eine Halbwelle
später in die Modulationskammer eintritt, zweimal verzögert, wenn es diese Kammer
durchquert. Folglich wird der Elektronenstrahl, wenn er aus dem Modulationsraum
austritt,
in seiner Geschwindigkeit moduliert sein.
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Der Elektrode 34 wird beispielsweise von einer Antenne 40 ein moduliertes
Signal zugeführt. Die Antenne ist mit der Elektrode durch einen abgestimmten Kreis,
welcher aus einer Selbstinduktion 41 und einem Kondensator 42 besteht, gekoppelt.
Eine Batterie 43 dient zur Erhaltung der Durchschnittsspannung an der Elektrode
34 in einer gewünschten Beziehung zu derjenigen der Blenden 24 und 25. Obgleich
eine derartige Beziehung nicht erforderlich ist, ist es dennoch zweckmäßig, daß
die Elektrode und die Blenden an nahezu dieselbe Durchschnittsspannung gelegt. werden.
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Beim normalen Betrieb der Anordnung wird der aus der Öffnung 27 heraustretende
Elektronenstrahl in seiner Geschwindigkeit moduliert sein, d. h. er wird durch aufeinanderfolgende
Änderungen der Elektronengeschwindigkeit von Punkt zu Punkt längs des Strahles charakterisiert
sein. Der Grad der Geschwindigkeitsmodulation wird verhältnismäßig gering sein,
wenn nur kleine Steuerspannungen zur Verfügung stehen, jedoch kann durch die im
folgenden beschriebene Anordnung eine Geschwindigkeitsmodulation in eine Ladungsdichtemodulation
von weitaus höherer Größenordnung umgeformt werden.
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Zu diesem Zweck ist, wie in dem Hauptpatent ausführlich erläutert
ist, eine Elektrode 48 vorgesehen, die hinter der Öffnung 27 angeordnet ist, so
daß wenigstens die Komponenten geringer Geschwindigkeit des Elektronenstrahles reflektiert
werden. Diese Elektrode, welche von der Modulationskammer durch die Blende 25 abgeschirmt
ist, liegt an einer Spannung, die ungefähr gleich oder einige Volt höher als die
Kathodenspannung ist. Unter diesen Bedingungen wird nur ein Teil des Elektronenstrahles
aufgefangen, während der andere Teil in Richtung der Strahlachse reflektiert wird.
Wenn der Strahl in seiner Geschwindigkeit moduliert ist, werden die schnellen Elektronen
die Elektrode 48 treffen, während die langsameren reflektiert werden. Da die schnellen
und langsamen Elektronen sich in verschiedenen voneinander entfernten Gruppen längs
der Strahlachse befinden, wird sowohl der aufgefangene Strom als auch der reflektierte
Strom in seiner Ladungsdichte moduliert sein.
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Zur Erläuterung des Verfahrens zur Trennung der schnellen und langsamen
Elektronen dienen die schematischen Darstellungen in den Fig.2 bis 4. In der Fig.
2 ist beispielsweise ein Elektronenstrahl dargestellt, welcher in seiner Geschwindigkeit
moduliert ist, so daß er aus schnellen Elektronen a und langsamen Elektronen b besteht.
Die schnellen Elektronen sind durch dunkle Punkte und die langsamen durch helle
Punkte dargestellt. Die Elektrode 48 ist in ihrer Lage zu dem modulierten Strahl
geneigt. Die Fig. 3 und 4 zeigen die Komponenten des Elektronenstrahles, welche
von der Elektrode 48 aufgefangen bzw. reflektiert werden. Jede dieser Komponenten
besteht aus aufeinanderfolgenden Änderungen der Ladungsdichte. Durch die Trennung
der Komponenten wird also eine Ladungsdichtemodulation des Elektronenstrahles bewirkt.
Es ist bereits vorgeschlagen worden, eine Umformung der Geschwindigkeitsmodulation
in eine Ladungsmodulation zu bewirken, indem der ganze Elektronenstrahl reflektiert
wird. Dieses kann beispielsweise bei der Anordnung nach Fig. i dadurch geschehen,
daß die Elektrode 48 an eine verhältnismäßig niedrige Spannung, beispielsweise Null
oder einige Volt negativer, gelegt wird, so daß sämtliche Elektronen des ankommenden
Strahles reflektiert werden.
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Aus den obigen Betrachtungen ergibt sich, daß sogar der geringste
Grad der Geschwindigkeitsmodulation des Elektronenstrahles in eine hundertprozentige
Ladungsdichtemodulation umgeformt werden kann, und zwar sowohl die Modulation des
aufgefangenen als auch des reflektierten Strahlanteils. Daß dieses nicht immer der
Fall ist, beruht auf Raumladungswirkungen und zum Teil auch auf Beeinflussung der
Geschwindigkeit der Randstrahlen. Da solche Änderungen nicht vermieden werden können,
wird eine Idealgruppierung der schnellen und langsamen Elektronen, wie es in der
Fig. 2 dargestellt ist, nicht erfolgen, sondern einige langsame Elektronen werden
mit den Gruppen der schnellen Elektronen gemischt werden, und umgekehrt. Es werden
daher einige schnelle Randelektronen von den langsamen Elektronengruppen aufgefangen,
während einige langsame Randelektronen von den schnellen Gruppen reflektiert werden.
Aus diesem Grund wird die aus der Geschwindigkeitsmodulation hervorgegangene Raumladungsdichtemodulation
etwas geringer sein als hundertprozentig.
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Die Abhängigkeit zwischen Geschwindigkeitsmodulation und Raumladungsdichtemodulation
ist bestimmt durch die Steigung der e,-ip Kurve der Elektrode 48, wie sie in der
Fig. 4 dargestellt ist. Diese Steigung, welche für eine Röhre durch die Geschwindigkeitsänderungen
der Randelektronen im Elektronenstrahl bestimmt wird, kann an und für sich sehr
steil sein. Folglich wird also, wenn eine derartige Spannung an die Elektrode 48
gelegt ist, daß an dem Punkt x gearbeitet wird, im wesentlichen eine Verstärkung
erzielt. Andererseits wird, wenn an dem Punkt y der Kurve gearbeitet wird, eine
Detektorwirkung erreicht.
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Bei der Anordnung nach Fig. i werden die Hochfrequenzänderungen, die
in dem Elektronenstrahl nach Einwirkung des Verzögerungsfeldes bestehen, einem Detektorkreis
zugeführt. Dieser Kreis enthält einen Widerstand 49, der mit dem Ausgangskreis der
Elektrode 48 verbunden ist. Die an dem Widerstand abgegriffene gleichgerichtete
Spannung wird den Ausgangsanschlüssen 51 über einen Siebkondensator 50 zugeführt.
In entsprechender Weise kann durch Abänderung der Anordnung (unter anderem geeignete
Abstimmung der Spannung an der Elektrode 48) mit derselben Anordnung eine Verstärkung
erzielt werden.
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Es wurde nun gefunden, daß der Wirkungsgrad derartiger Röhren erhöht
werden kann, wenn verhindert
wird, daß die reflektierte Komponente
des Elektronenstrahles in die Modulationskammer zurückkehrt. Dieses kann beispielsweise
dadurch erreicht werden, daß in dem strahlreflektierenden Feld eine Komponente erzeugt
wird; die senkrecht zu der normalen Strahlenachse liegt. Durch diese Anordnung wird
erreicht, daß die reflektierte Komponente des Elektronenstrahles von dem ursprünglichen
Elektronenstrahl abgelenkt wird und auf einen festen Teil der Blende 25 auftrifft.
Zur Herstellung eines derartigen Bremsfeldes braucht die Auffangelektrode48 nur
so weit geneigt zu werden, daß ihre Hauptebene nicht genau senkrecht zu der normalen
Strahlachse liegt. Durch diese Anordnung wird erreicht, daß die reflektierte Komponente
des Elektronenstrahles von dem unsprünglichen Elektronenstrahl abgelenkt wird und
auf einen festen Teil der Blende 25 auftrifft. Zur Herstellung eines -derartigen
Bremsfeldes braucht die Auffangelektrode 48 nur so weit geneigt zu sein, daß ihre
Hauptebene nicht genau senkrecht zu der normalen Strahlachsie liegt. Das Verzerrungsfeld
zwischen dieser Elektrode und der Blende 25 wird eine schräge Ablenkung der reflektierten
Komponenten des Strahles bewirken, so daß sie in der Richtung d fortschreiten werden.
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Das benötigte elektrostatische Feld kann noch weiter verbessert werden,
wenn ein hervorstehender Rand 53 vorgesehen wird, der teilweise die Öffnung 27 umfaßt,
wie es in der Fig. i a dargestellt ist. Der Rand 53 bewirkt eine Verzerrung des
elektrostatischen Feldes, so daß Ouerablenkung derjenigen Elektronen erfolgt, welche
von der Elektrode 48 gespiegelt werden, nachdem sie durch die Öffnung 27 hindurchgetreten
sind.
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Durch die oben beschriebene Anordnung wird eine weitgehende Verbesserung
beim Detektor- oder Verstärkerbetrieb gegenüber den Anordnungen erzielt, bei denen
der gespiegelte Anteil des Elektronenstrahles in den Modulationsraum zurückkehrt.
In diesem Modulationsrauin wird nämlich bei Rückkehr der gespiegelten Elektronen
in die Steuerelektrode eine Kopplung zwischen dem Eingangs- und Ausgangskreis der
Anordnung stattfinden. Dieses bedingt eine bestimmte Begrenzung des Wirkungsgrades
der gesamten Anordnung. Dieser Nachteil wird durch die Anordnung nach der Erfindung
vermieden.
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Die Erfindung ist nicht auf das oben beschriebene Ausführungsbeispiel
begrenzt. Beispielsweise kann auch die in Fig. 6 dargestellte Anordnung angewendet
werden. In dieser Figur sind nur ein Teil der Modulationskammer (Blende 55) und
die Modulationselektrode 56, die der Elektrode 34 der Fig. z entspricht, dargestellt.
Die Spiegelung des Elektronenstrahles wird durch eine halbkugelförmige Bremselektrode
57 bewirkt. Ferner gehört zu dieser Elektrode eine schräg angeordnete Blende 58,
die an der Blende 55 befestigt ist, so daß: beide Blenden auf dem gleichen Potential
liegen. Unter diesen Umständen ist die Feldverteilung zwischen Elektrode 57 und
Blende 58 derart, daß eine schräge Spiegelung derjenigen Komponenten des Elektronenstrahles
bewirkt wird, die nicht von der Elektrode aufgefangen werden. Die gespiegelten Elektronen
werden daher entweder auf die Blende 58 oder auf einen Teil der Blende 55 aufauftreffen.
In jedem Fall wird vermieden, daß die reflektierten Elektronen in die Modulationskammer
zurückkehren.
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Die Erfindung ist im vorliegenden bei einer Anordnung, welche einen
Elektronenstrahl verwendet, beschrieben. Selbstverständlich kann die Lehre nach
der Erfindung auch bei anderen Anordnungen Anwendung finden, beispielsweise bei
Anordnungen, die mit positiven Ionen arbeiten.