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Anordnung zur Erzeugung oder zum Empfang kurzer elektrischer Wellen
Zur Erzeugung sehr kurzer elektrischer Wellen bis herab zu einigen Zentimetern Wellenlänge
werden mit Vorteil sogen.annte Laufzeitgeneratoren verwendet (Fig. r). Das zugrundeliegende
Prinzip besteht darin, daß ein Elektronenstrahl, der durch eine Gleichspannung vorbeschleuni,gt
wurde, durch einen Steuermechanismus, z. B. in Form zweier benachbarter, aus paraallelen
Netzen: bestehender Gitter (Mod,ulatoren M), an welchen eine Steuerspannung ic 'herrscht,
zunächst in eei.ner Geschwindigkeit moduliert wird. Die Geschwindigkeitsmodulation
setzt sich in einenLaufraum L in eineDich.temodulation um; ,der ursprünglich homogene
Elektronenstrahl wird in seiner Fortschreitungsrichtung paketisiert (Phasenfolzussierung).
Hinter dem Laufraum durchläuft der Strahl den Auskoppler A, der einen Bestandteil
eines Schwingungskreises bildet. Als Schwingkreise verwendet man bei der Kürze der
zu erzeugenden Wellen nut Vorteil Hohlraumresonatoren. Sorgt man dafür, daß die
Elektroden immer dann in größerer Dichte in den Auskoppler eintreten, wenn das dort
auf sie einwirkende elektrische Feld so :gerichtet ist, :daß es eine bremsende Wirkung
awsübt, so geben diese Elektronen. Wechselstromenergie an den Schwingkreis ab. Durch
Rückkopplung auf den Steuermechanismus M kann die Anordnung als Generator ausgebildet
werden. Der Verwendung solcher Anordnungen zur Erzeugung beliebig kurzer Wellen
steht jedoch neben anderem der Umstand entgegen, @d.aß die Laufzeit der Elektronen;
im Auskoppler einen bestimmten. Wert nicht überschreiten darf. Wie man leicht erlcennt,
muß größenordnungsmäßig diie Laufzeit T s TIa sein, wenn T die Periode des
erzeugten Wechselstromes ist. Dies liefert für den Laufzeitwinkel die Bedingung
coz <_ 7t. Je kürzer
die erzeugte Wellenlänge sein soll, desto
höher wird co und desto kleiner muß daher r werden. Eine Verringerung von i ist
durch Erhöhung der Elektronenigeschwindi,gkeit, d. h. der Beschtl'eurnigurngssp:annu.ng,
und durch kleinere Abstände im Auskoppler möglich. Der Erhöhung der Elektronengeschwindigkeit
ist !aus.betriebs,tchnis.chen Gründen eine Schranke gesetzt; eine Verringerung ;der
Abstände im Auskoppler zieht eine zunehmende kapazitive Belastung der Schwingkreise
und eine Verschlechterung der Schwingkreisgüte nach eich. Aus diesen Gründen lassen
sich nur sehr schwer Wellen: längen unterhalb etwa ro cm mit solchen: Anordnungen
mit einem befriedigenden Wirkungsgrad erzeugen. Eine Anordnung, die auf dem gleichen
Prinzip, jedoch in anderer Anordnung beruht, stellt das bekannte Mehrschlitzmagnetron
dar.- Es wurde bereits gezeigt, daß die Wirkungsweise des Mehrschlitzmagnetrons
sich auf das Prinzip des Laufzeitgenerators mit Phasenfokussierung zurückführen
läßt. Das System besitzt Zylindersymmetrie, die Elektronenemission findet in der
Achse des Systems statt. Durch Zusammenwirken eines radialen Gleichfeldes und eines
axialen Magnetfeldes entsteht eine zirkulare Elektronenströmung. Die Segmente sind
derart abwechslungsweise angebracht, daß zwischen benachbarten Segmenten eine Wechsefspannung
auftritt. Das Wechselfeld in den Schlitzen erwirkt mit dem konstanten Magnetfeld
je nach der Startphase eine Beschleunigung oder Verzögerung der Elektronen in tangentialer
Richtung; dadurch entsteht die Paketierung, in der anfänglich homogenen Zirkularströmung
entstehen Verdichtungen und Verdünnungen. Diese Elektronenpakete geben ihre aus
dem elektrischen Gleichfeld aufgenommene Energie stufenweise an das Wechselfeld
zwischen den Segmenten ab. Die Segmente übernehmen hier gleichzeitig die Rolle des
Steuerorgans und des Auskopplers. Die Anordnung bietet eine ganze Anzahl von Vorteilen
gegenüber den oben beschriebenen Laufzeitgeneratoren.
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Die Anodensegmente sind nun noch in geeigneter Weise zu Bestandteilen
eines Schwingkreises zu machen. Bekannt ist dafür ein Hohlraumresonator, wie in
Fig.2 angegeben. Der Hohlraum schwingt in der elektrischen Grundschwingung, das
elektrische Feld verläuft parallel zu ;den Anodensegmenten im Innern der Dose. Der
Hohlraum ist durch die Segmente kapazitiv belastet; mit dieser Anordnung wurden
Wellenlängen in der Gegend von ro cm erreicht.
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Eine weitere Verringerung der Wellenlänge ist durch die Verwendung
des: angegebenen Ha'h raumes mit wachsenden Schwierigkeiten verknüpft, da die kapazitive
Belastung durch .die Segment sich ungünstig auswirkt.
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Zur Erzeugung kürzester elektrischer Wellen wird erfindungsgemäß eine
Anordnung angegeben, die dem Mechanismus der Schwingumgserzeufgung in besonders
voirteilhafter Weise an@gep.aßt ist.
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Wie die theoretische Behandlung der Schwingungszustände eines kreiszylindrischen
metallischen Hohlraumes zeigt, existiert ein magnetischer Schwingungstyp, dessen
elektrische Kraftlinien stets in einer Ebene senkrecht zur Zylinderachse verlaufen.
Fi;g. 3 zeigt den Verlauf der elektrischen Kraftlinien der Grundschwingung und esniger
Oberschwinigungen dieses Schwingungszustandes. Man erkennt, daß dieser Verlauf ähnlich
dem Kraftlinienbilid zwischen, den Anodensegmenten. des oben beschriebenen Mehrschl.itzmugnetrons
ist. Unter Verwendung eines solchen Schwingungstyps kann man s;i.ch die Anodensegmente
stetig zu einem Vollzylinder verschmolzen denken, wobei nun das Zylinderinnere gleichzeitig
den Hohlraumresonator abgibt. Die Abmessungen des Zylinders sind so zu wählen.,
daß er bei der zu erzeugenden Wellenlänge genade in seiner Eigenwelle erregt ist.
Die Eigenwellenlänge A, hängt dabei von der Zylinderlänge l und dem Zylinderdurchmesser
D in .der Form
ab; a und b sind Konstante, die von der Ordnung ,des betreffenden
Schwingungstyps abhängen.
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Die Anordnung ist äußeräich daher ähnlich. ,dem urigeschlitzten Magnetroh,
wobei jedoch die Abmes.sungen des Anodenzylinders in ganz bestimmter Weise ;durch
die erzeugte Wellenlänge vorgegeben sind. Anodenspannung und Stärke des Magnetfeldes
sind weiterhin so zu wählen, daß die Umlaufsfrequenz der Elektronen in richtigem
Ver'h.ältnis zur Schwingungsfrequenz steht.. Der besondere Vorteil dieser Anordnung
zur Erzeugung kürzester Wellen besteht darin, daß der Hohlraumresonator keinerlei
kapazitive Belastungen mehr enthält und der verwendete Schwingungstyp in zweckmäßiger
Weise dem Mechanismus deT Schwingungserzeugung anigep.aßt ist.
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Es ist bereits eine Anordnung bekannt, bei- der die Anode als konzentrisch
die Kathode umschließender Körper ausgebildet ist und ebenfalls nicht unterteilt
ist. Bei dieser Anordnung bildet die Anode im Grundriß eine geschlossene Wellenlinie,
die im Gegensatz zu der Anordnung nach der Er= findung Unterbrechungen der krei,s.zylindrischen
Innenfläche darstellt. Die bekannte Anordnung besitzt den Nachteil, daß die Anode
ein kompliziertes Gebilde ;darstellt, da sie aus einer geraden Anzahl untereinander
gleicher, in tangentiialer Richtung fortlaufend aneinandergereihter achsparalleler
Segment zusammengesetzt ist, wobei diese eine besonders gekrümmte bzw. gebogeneFoTm
aufweisen.
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Weiterhin ist auch bereits eine MagnetronTöhre bekannt, bei der die
Anode die Form eines glatten zylindrischen Bleches aufweist. Hier äst aber die Anode
mit einer Unterbrechung versehen,, indem nämlich ein. axialer Schlitz angebracht
ist, -an dessen beiden Kanten nach außen führend Zuleitungen.angeschfos.sen sind.
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Diesen bekanntenAnordnungen gegenüber sieht die Erfindung einten als-Anode
dienenden zyl,indirischen Hohlraum vor, der keinerlei Unterbrechungen seiner Innenfläche
aufweist. Auf diese Weise ergibt
sich ein außerordentlich einfacher
Aufbau, der mit außerordentlicher Präzision leicht herstellbar ist.
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Die Anodenspannung und das Magnetfeld ist so zu wählen, .daß die umlaufenden
Elektronen jeweils etwa in einer Halbperiode von einem fiktiven Anodensegment in
das benachbarte übertreten. Wie die Rechnung zeigt, sind dazu sehr erhebliche Spannungen
erforderlich. Um diese Werte herabzusetzen, wird erfindungsgemäß folgender Weg angegeben.
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DieTheorie derelektromagnetischen Schwingungszustände in Hohlräumen
ergibt, d.aß in einem Hohlraum zu einem vorgegebenen Schwingungstyp mit bestimmter
Eigenwellenlänge stets zugeordnete Hohlräume angegeben werden können, welche in
derselben EigenwelIenil,änge schwingen und die dadurch erhalten werden, ,d;aß man
.die metallische Berandung dieser Hohlräume als orthogonale Trajektorien zu den
elektrischen Kraftliinien ausbildet. Alle Hohlräume, deren Begrenzungsfläche von
solchen Trajektorien gebildet werden, besitzen zwischen den Begrenzungen das nämliche
elektrische Feldbild und die nämliche Eigenwelle wie der ursprüngliche Hohlraum.
In Fig. d. und q.a sind eine Anzahl solcher möglicher Hohlräume zu ersehen; sie
besitzen: in; der Nähe der Achse dies nämliche Feldbild wie der ursprüngliche Kreiszyliinder,
aus dem sie abgeleitet sind; ihre Eigenwellenlänige ist jedoch durch den Umfang
des Ursprunigszytinders bestimmt und: somit streng vorausberechenbar. Durch Verwendung
solcher Hohlräume kann daher bei vorgegebener Eigen.welile der Elektronenlaufr.au.m
ents,prechenid klein gehalten und damit Magnetfeldstärke und Anodenspannung herabgesetzt
werden.