DE937300C

DE937300C - Laufzeitroehre mit geschwindigkeitsmoduliertem Elektronenstrahl

Info

Publication number: DE937300C
Application number: DEA11312D
Authority: DE
Inventors: William C Hahn
Original assignee: AEG AG
Current assignee: AEG AG
Priority date: 1937-07-14
Filing date: 1940-09-25
Publication date: 1956-01-05

Description

Erteilt auf Grund des Ersten Oberleitungsgesetzes vom 8. Juli 1949

(WiGBl. S. 175)

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

AUSGEGEBEN AM 5. JANUAE 1956

DEUTSCHES PATENTAMT

PATENTSCHRIFT

KLASSE 21g GRUPPE 13i7

A 11312 Villa j 21g

William C. Hahn, Scotia, N. Y. (V. St. A.) ist als Erfinder genannt worden

Allgemeine Elektricitäts-Gesellschaft, Berlin-Grunewald

Laufzeitröhre mit gesdiwindigkeitsmoduliertem Elektronenstrahl

Zusatz zum Patent 908 743

Patentiert im Gebiet der Bundesrepublik Deutschland vom 25. September 1940' an Der Zeitraum vom 8. Mai 1945 bis einschließlich 7. Mai 1950 wird auf die Patentdauer nicht angerechnet

(Ges. v. 15. 7. 1951)

Das Hauptpatent hat angefangen am 8. Juli 1938 Patentanmeldung bekanntgemacht am 26. Februar 1953 Patenterteilung bekanntgemacht am 8. Dezember 1955

Die Priorität der Anmeldung in den V. St. v. Amerika vom 27. September 1939 ist in Anspruch genommen

Die Erfindung betrifft eine Laufzeitröhre mit geschwindigkeitsmoduliertem Elektronenstrahl zur Ausübung eines Verfahrens nach dem Patent 908 743, gemäß dem eine Elektronenströmung derart durch eine Steuereinrichtung in ihrer Geschwindigkeit moduliert wird, daß sich die Geschwindigkeitsmodulation erst außerhalb des Wirkungsbereiches der Steuereinrichtung in eine Dichtemodulation umwandelt. Insbesondere hat die Erfindung ein Modulationssystem zum Gegenstand, bei dem die Trägerwelle in

der Größenordnung von 1 m bis 5 cm und darunter mit einem Signal einer größeren Wellenlänge moduliert wird. Es wird eine im wesentlichen lineare Modulation von ο bis 100 % erreicht.

Der Gegenstand der Erfindung ist im folgenden an Hand der Figuren näher erläutert. Während die Fig. 1 und 2 lediglich zur Erläuterung des Gegenstandes der Erfindung dienen, zeigt die Fig. 3 in schematischer Weise ein Entladungsgefäß mit zugehörigem Stromkreis nach der Erfindung. In der Fig. 4 ist eine

graphische Darstellung der Potentialverteilung läng des Elektrodensystems der Anordnung nach Fig. 3 dargestent. Die Fig. 5 betrifft ein Ersatzsystem, welches dem Elektrodensystem der Fig. 3 entspricht. Die Fig. 6, 7, 8, 9 enthalten graphische. Darstellungen, die zur Erläuterung des Erfindungsgedankens dienen, während Fig. 10 ein anderes Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der Erfindung zeigt. . \

Bevor auf die genaue Beschreibung des Gegenstandes der Erfindung eingegangen werden soll, wird im folgenden das Grundprinzip der Erfindung erläutert·. Es ist bekannt, daß ein gleichmäßiger Elektronenstrahl einer Geschwindigkeitsmodulation unterworfen wird, wenn er einen Bereich durchquert, in dem das Potential veränderlich ist. Es wird also ein Teil der Elektronen beschleunigt, während die übrigen Elektronen, die in diesem Bereich zu einem anderen. Zeitpunkt eintreten, verzögert werden. Der aus dem obengenannten Bereich heraustretende Elektronenstrahl wird also aus abwechselnden Komponenten mit hoher und geringer Geschwindigkeit bestehen. Dieser Zustand des geschwindigkeitsmodulierten Strahles ist in schematischer Weise in der Fig. 1 dargestellt, in der die dunklen Punkte α die schnelleren Elektronen und die hellen Punkte b die langsameren Elektronen darstellen. In dem Augenblick, wenn der Elektronenstrahl aus dem Modulationsraum heraustritt, wird die Ladungsdichte im allgemeinen gleichmäßig verteilt sein, wie es in der Fig. 1 dargestellt ist. Zu einem späteren Zeitpunkt wird eine Umgruppierung der Elektronen erfolgen, falls keine störenden Einflüsse auf den Strahl einwirken. Die schnellen Elektronen werden nämlich die vor ihnen verlaufenden langsamen Elektronen aufholen. In der Fig. 2 ist dieser Zustand dargestellt, nachdem der Strahl einen Laufraum von genügender Länge durchquert hat. Zur Umgruppierung ist also nur der Ablauf einer gewissen Zeit erforderlich. Der geschwindigkeitsmodulierte Elektronenstrahl ist dann in einen ladungsdichtemodulierten Strahl umgeformt. Die Elektronen sind also im Raum ungleichmäßig verteilt. Das im folgenden beschriebene Laufzeitgerät macht von dem obengenannten Prinzip der Umformung der Geschwindigkeitsmodulation in eine Ladungsdichtemodulation Gebrauch.

In der Fig. 3 ist das Laufzeitgerät und der zur Modulation dienende Kreis dargestellt. Im folgenden ist die in der Fig. 3 dargestellte Anordnung näher beschrieben, wobei zuerst das Elektrodensystem und seine Wirkung und zuletzt das Modulationssystem näher erläutert ist. Das für ultrakurze Wellen gebaute Entladungsgefäß besteht aus einem Vakuumgefäß, das einen langen Schaftteil 10 und einen breiten, die Anode enthaltenden Teil 11 besitzt. Das Gefäß besteht vorzugsweise aus Quarz oder aus einem Glas mit niedrigen Verlusten. Der Schaftteil 10 enthält das Strahlerzeugungssystem, welches aus einer fadenförmigen Kathode 14, die gestrichelt dargestellt ist, und einem Wehneltzylinder 15 besteht. Der Wehneltzylinder ist entweder direkt mit der Kathode verbunden oder liegt an einem einige Volt negativeren oder positiveren Potential. Zur Beschleunigung der Elektronen ist eine Beschleunigungselektrode 16 vorgesehen, welche in einem Abstand von der Kathode angeordnet ist und an einem geeigneten positiven Potential, beispiels- 6g weise mehrere 100 Volt, Hegt.

; In dem mittleren Teil des Entladungsgefäßes befinden sich Elektroden 12, welche beispielsweise aus leitenden Belagringen; wie kolloidalem Graphit, das auf die innere Wandung des Entladungsgefäßes aufgebracht ist, bestehen. Die Elektroden 12 sind mit Zuführungen 13 versehen. Um den Elektronenstrahl während des Passierens des schaftförmigen Teiles 10 fokussiert zu erhalten, sind eine Reihe von magnetischen Fokussierungsspulen, die nicht dargestellt sind, vorgesehen.

Nachdem der Elektronenstrahl das Gefäß durchquert hat, wird er von der Anode 18 aufgefangen, die. in dem Ausführungsbeispiel als flache Scheibe, beispielsweise aus Graphit, ausgebildet ist. Vor der Anode 18 ist eine zylinderförmige Elektrode 19 angeordnet. Das Bremsgitter 19 soll verhindern, daß von der Anode emittierte Sekundärelektronen in das Entladungsgefäß zurückkehren.

Beim Betrieb des Entladungsgefäßes liegt die Kathode 14 beispielsweise an Erde, die Zwischenelektroden 12 an einem Potential, welches 1000 oder mehrere 1000 Volt höher als Kathodenpotential ist. Ferner liegt die Anode 18 an einem hohen Potential, welches zwischen dem Kathoden- und dem Zwischenelektronenpotential liegt. Zur Speisung der Elek^ troden dient eine Spannungsquelle, welche in der Zeichnung als Batterie 20 dargestellt ist. Das Bremsgitter 19 Hegt an einem Potential, welches 50 oder mehrere 100 Volt negativer als Anodenpotential ist. Es ist mit einer Spannungsquelle 21 verbunden.

Das oben beschriebene Elektrodensystem dient zur Erzeugung eines gerichteten Elektronenstrables von im wesentlicher konstanter Intensität und Geschwindigkeit. Außerhalb des Gefäßes befindet sich ein weiteres Elektrodensystem, welches zur Modulation des Elektronenstrahles mit Radiofrequenzen dient. Das außerhalb des Gefäßes angeordnete System besteht aus einer Reihe von zylinderförmigen Elektroden 23 bis 27, welche in einem Abstand voneinander koaxial zur Wandung 10 angeordnet sind. Diese Elektroden bestehen aus' gut leitendem Werkstoff, beispielsweise Kupfer, und sind durch nicht dargestellte, aus Isolierstoff bestehende Stützen gegeneinander abgestützt. Die verschiedenen Zwischenräume zwischen den Elektroden 23 bis 27 sind wenigstens teilweise von Elektroden 28 bis 31 umgeben. Diese Elektroden 28 bis 31, die in irgendeiner Weise abgestützt sind, sind jedoch nicht mit den Elektroden 23 bis 27 verbunden. Das aus den Elektroden bis 31 bestehende System ist innerhalb einer diese Elektroden koaxial umgebenden Hülle 33 angeordnet, die einen wesentlichen Teil der gesamten Länge der Wandung 10 umgibt. Zur Verbindung der Elektroden 23 und 27 mit der Hülle 33 sind Metallringe 25 und 36 vorgesehen.

Das oben beschriebene Gerät muß in zwei Richtungen betrachtet werden. Erstens bildet es ein Elektrodensystem zur Beeinflussung des Elektronenstrahles, welcher das Gefäß 10 durchquert. Außerdem muß es zweitens als Schwingungskreis betrachtet

werden. Die Dimensionen und elektrischen Beziehungen der verschiedenen Teile zueinander müssen daher derart gewählt werden, daß beide Bedingungen erfüllt werden.

Dieses wird erreicht, wenn das Gerät in einen derartigen Betriebszustand gebracht wird, wie er in der Fig. 4 graphisch dargestellt ist. Die Kurve A zeigt die Änderung des Potentials der Elektroden 23 bis 27 in bezug zur Hülle 33, wenn man in Richtung des Elektronenstrahles fortschreitet. Wenn der in der Fig. 4 dargestellte Zustand in dem Entladungsgefäß herrscht, wirkt das gesamte System als Schwingungskreis, wie er in der Fig. 5 dargestellt ist. Bei der Anordnung nach Fig. 5 besteht der Schwingungskreis aus abwechselnden Induktivitäten 42 bis 46 und Kapazitäten 48 bis 51, wobei diese Elemente entsprechend abgestimmt sind. Die Induktivitäten entsprechen den Elektroden 23 bis 27, und die Kapazitäten entsprechen den kapazitiven Kopplungen zwischen aneinandergrenzenden Elektroden. Wenn der Resonanzzustand erreicht ist, wild sowohl bei dem Elektrodensystem nach Fig. 3 als auch bei dem Schwingungskreis nach Fig. 5 ein abwechselndes Steigen und Abfallen des Potentials eintreten, wenn man in Richtung des Systems fortschreitet. Bei beiden Anordnungen wird der in Fig. 4 dargestellte Potentialverlauf bestehen. Die in der Fig. 5 dargestellte Anordnung entspricht nur näherungsweise der Anordnung nach Fig. 3, da die Elektroden 23 bis 27 keinen reinen induktiven Charakter besitzen. Sie bilden vielmehr kurze Abschnitte einer Übertragungsleitung. Wenn man jedoch einen besonderen Resonanzzustand, welcher im folgenden angenommen wird, voraussetzt, wird das Potential längs des Elektrodensystems in bezug zur Hülle 33 die in der Fig. 4 dargestellte Verteilung aufweisen. Es wird also das Potential kontinuierlich steigen, bis ein Zwischenraum erreicht ist, wenn man längs des Elektrodensystems von dem Teil 35 aus fortschreitet. An dem Zwischenraum fällt das Potential plötzlich ab. Dieser Verlauf wiederholt sich an sämtlichen Elektroden bzw. Zwischenräumen. Die entsprechende Stromverteilung längs des Elektrodensystems ist durch die Kurve B der Fig. 6 angedeutet. Wenn man die in der Fig. 4 dargestellte Potentialverteilung zugrunde legt, werden die Gradienten an den Zwischenräumen, die durch die Kurve C der Fig. 7 wiedergegebenen Werte besitzen. Der Gradient steigt an dem Ende jeder Elektrode stark an und fällt an dem Anfang der nächsten Elektrode plötzlich ab. Die Gradienten besitzen zum gleichen Zeitpunkt in den verschiedenen Zwischenräumen die gleiche Richtung.

Wenn ein Elektron den Zwischenraum zu einem Zeitpunkt durchquert, wenn ein Potentialgradient vorhanden ist, wird es in seiner Geschwindigkeit beeinflußt. Bei der vorliegenden Anordnung wird jedes Elektron in ähnlicher Weise an jedem Zwischenraum beeinflußt, so daß die einzelnen Einwirkungen der Zwischenräume auf das Elektron sich addieren. Es wird also ein Elektron, welches in dem ersten Zwischenraum beschleunigt wird, in ähnlicher Weise auch in den übrigen Zwischenräumen beschleunigt werden. In entsprechender Weise wird ein verzögertes Elektron stets wieder verzögert werden. Diese Bedingung ist erfüllt, wenn die Laufzeit eines Elektrons durch eine einzige Elektrode annähernd einer vollen Periode der Potentialänderung entspricht. Damit diese Bedingung erfüllt ist, muß eine geeignete Beziehung zwischen den Dimensionen und den elektrischen Daten der verschiedenen Teile bestehen. Zunächst muß eine geeignete Länge für die verschiedenen Elektroden 24, 25, 26 gewählt werden, wobei diese doppelt so lang als die Elektroden 23 und 27 sein müssen. Die Länge dieser Elektroden sei mit dem Winkel Θ_α bezeichnet, wobei der Winkel in solchen Einheiten gemessen wird, daß eine volle Wellenlänge der gewünschten Betriebsfrequenz einem Winkel Θ_α von 360⁰ entspricht. Θ_α läßt sich aus der folgenden Gleichung, die aus elementaren Beziehungen zwischen Strahlgeschwindigkeit und Fortpflanzungsgeschwindigkeit einer elektromagnetischen Welle berechnet ist, ableiten:

(ι)

505

In dieser Gleichung ist mit V die Gleichspannung des Elektronenstrahls und mit 6>₆ der Teil einer vollen Periode der Betriebsfrequenz bezeichnet, .welcher bei einer derartigen Spannung für die Laufzeit eines Elektrons durch eine einzige Elektrode erforderlich ist. Wie bereits oben erwähnt wurde, ist es erwünscht, daß (9₆ die Größe von 360⁰ oder einem ganzen Vielfachen davon besitzt. Die Länge Θ_σ wird auf diese Weise versuchsweise festgelegt und dann die Elektrodenkapazitäten, die für einen Resonanzbetrieb des Systems erforderlich sind, ermittelt. Aus der Fig. 4 läßt sich ableiten, daß der kapazitive Abfall an einem Zwischenraum gleich der doppelten Spannung sein muß, die zwischen jedem der angrenzenden Elektrodenenden und der Hülle 33 besteht.

Da ferner der an dem Ende jeder Elektrode beobachtete Strom notwendig identisch mit dem Strom in dem Zwischenraum ist, so folgt daraus, daß die Zwischenraumkapazität zweimal so groß als die Impedanz von Elektrode zu Hülle an der Grenze des Zwischenraumes sein muß. Zur Berechnung der Impedanz zwischen Elektrode und Hülle 33 geht man zweckmäßig von folgender Formel aus. Die Impedanz an irgendeinem Punkt berechnet sich

Z = Z₀ tang (* + *©).

(2)

In dieser Formel ist Z₀ die charakteristische Impedanz der betrachteten Leitung, α ist eine Konstante und Θ ist der elektrische Winkel, von einem Strommaximum aus gemessen. Im vorliegenden Fall liegen die Strommaxima aus symmetrischen Gründen jeweils in der Mitte der verschiedenen Elektroden, wie es in der Fig. 6 dargestellt ist. Damit die Impedanz an dem Ende jeder Elektrode bestimmt wird, muß der Winkel Θ gleich der Länge einer halben Elektrode,

also —-, gesetzt werden. Da die Konstante a· vernachlässigt werden kann, kann man die Gleichung (2) auch in der folgenden Form schreiben:

Θ Θ

Z = Z₀ tang i—S-=i Z₀ tang —i- ■ (3)

Hieraus ergibt sich die Gleichung

iZ₀ tang —f-

(4)

in der λ₀ die gewünschte Betriebswellenlänge, C₀ die Zwischenraumkapazität und c die Lichtgeschwindigkeit ist. Bei einem praktischen Ausführungsbeispiel betrug der Durchmesser des Entladungsgefäßes 1,9 cm, derjenige der Elektroden 23, 24 2,5 cm und derjenige der Hülle 5 cm. Z₀ besitzt den Wert 41,6 Ohm. Bei Lösung der Gleichung (4) unter Berücksichtigung des oben bereits berechneten Wertes für Θ_α läßt sich C₀ errechnen. In der Praxis werden dann die ringförmigen Elektroden 28 bis 31 geeignet ausgebildet und in geeigneter Weise angeordnet.

Die bisherige . Diskussion berücksichtigte hauptsächlich nur die Anordnung nach Fig. 3 als Stromkreis, ohne Rücksicht auf die Art der Erregung desselben. Im folgenden wird nun auch die Zusammenwirkung zwischen den Elektroden und dem Elektronenstrahl berücksichtigt. Es sei angenommen, daß eine Radiofrequenzspannung V₀ in irgendeiner Weise an dem Zwischenraum zwischen den Elektroden 23 und 24 liegt. Die durch diese Spannung bewirkte Geschwindigkeitsmodulation ist dann VgB₁] wobei mit B₁ ein Faktor bezeichnet ist, der von der geometrischen Ausbildung des Zwischenraumes der Betriebswellenlänge und der Durchschnittsgeschwindigkeit des Strahles abhängt.

Gemäß der schematischen Darstellung in den Fig. 1 und 2 wird die bewirkte Geschwindigkeitsmodulation wenigstens teilweise in eine Ladungsdichtemodulation umgeformt sein, wenn der Elektronenstrahl aus dem Laufraum, der durch die Elektrode 24 bestimmt ist, heraustritt. Der Betrag des radiofrequenten, auf diese

-i J₀V₀BlO,

Diese Gleichung kann vereinfacht werden, wenn man mit G_m bezeichnet. Die Gleichung erhält also

27

die folgende Form:

A = —iG„

(9)

Die obigen Rechnungen betreffen hauptsächlich die Wechselwirkung zwischen Elektronenstrahl und Elektrodensystem, wenn lediglich zwei Zwischenräume ■ vorhanden sind. Selbstverständlich muß jedoch im allgemeinen Fall mit η Zwischenräumen gerechnet werden, welche um &°_b voneinander entfernt sind. In jedem Zwischenraum wirkt eine radiofrequente Spannung auf den Elektronenstrahl. Ferner befinden sich zwischen je zwei Zwischenräumen die durch eine Elektrode gebildeten Laufräume. Die gesamte Wirkung des Elektronenstrahles auf das Elektrodensystem kann .nun wie folgt berechnet werden:

Weise erzeugten Leitungsstromes / ist eine Funktion der Geschwindigkeitsmodulation V₀B₁, des gesamten Strahlstromes J₀, der Gleichspannung V des Strahles und der Elektrodenlänge 0_t. In einer Formel beschrieben, berechnet sich /zu:

'β*

(5)

Da der modulierte Strahl den zweiten Zwischenraum zwischen den Elektroden 24 und 25 durchquert, wird er in dem Elektrodensystem einen radiofrequenten Strom induzieren, welcher dem Leitungsstrom/ entspricht, jedoch entgegengesetztes Vorzeichen besitzt. Der induzierte Strom kann also geschrieben werden als

= -JB.

(6)

In dieser Gleichung ist B ein Faktor, der von dem Elektrodenzwischenraum abhängt. Dieser Faktor B kann gleich dem Faktor B₁ aus Gründen, die nicht näher zu erläutern sind, gesetzt werden. Folglich berechnet sich der in dem Elektrodensystem erzeugte . Leitungsstrom zu

Jx —

2V

/Θ,

(7)

Es sei ferner angenommen, daß der Zwischenraum zwischen den Elektroden 24 und 25 durch eine radiofrequente Spannung V₀ beeinflußt wird, deren Amplitude und Phase der Spannung des Zwischenraumes zwischen den Elektroden 23 und 24 entspricht. Unter diesen Bedingungen berechnet sich die scheinbare Admittanz zu

2V

'Θ,

(8)

Der erste Zwischenraum bewirkt eine Geschwindigkeitsmodulation V₀ B₁, welche wiederum eine scheinbare Admittanz dem zweiten Zwischenraum von i°5 —i C_m /0_b bewirkt. Dieses ist die Voraussetzung dafür, daß der Gradient in dem zweiten Zwischenraum die gleiche Richtung wie in dem ersten Zwischenraum besitzt. Die Admittanz des dritten Zwischenraumes ist —J2G_m/20_t, während die Admittanz für den vierten Zwischenraum i 3 G_n

beträgt. Im

folgenden wird nun die Wirkung der Spannung an dem zweiten Zwischenraum berücksichtigt. Die Admittanz des- dritten Zwischenraumes, die von der Modulation, die durch diese Spannung bewirkt wird, abhängt, ist — i G_m /@_t . Wenn man die Admittanz für alle Zwischenräume summiert, erhält man die gesamte Admittanz

...— i (n — 1) G_m/(n — τ)

Von. dieser Admittanz ist die Konduktanzkomponente (10)

G_t =

— i) ^sin ®r> +; 2 (n — 2) sin 2 0_b + 3 (n — 3) sin <9₆ ... + (n — 1) sin (n — 1) <9₆}. (n)

Die Veränderlichkeit der Konduktanz G_t mit dem Winkel Θ_ύ ist in der Fig. 8 graphisch dargestellt. Aus dieser Figur ersieht man, daß die Konduktanz zwischen den Punkten X und Y einen negativen Wert hat, was auf einer Energieentzündung durch das Elektrodensystem beruht. Innerhalb wenigstens eines gewissen Teiles dieses Gebietes können in dem System Hochfrequenzschwingungen herrschen, so daß in verschiedenen Zwischenräumen eine gewisse Spannung liegt, ίο obgleich eine verhältnismäßig große Energie aus dem System entnommen und einem Verbraucherkreis zugeführt wird. Zur Energieauskopplung dient bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ein Leiter 39, welcher an seinem Ende mit der Elektrode 25 an einem Punkt eines Spannungsmaximums gekoppelt ist. Der Leiter 39 bildet mit dem rohrförmigen Leiter 40 eine koaxiale Rohrleitung. Diese beiden Leiter führen zu irgendeinem Verbraucherkreis.

Innerhalb des Gebietes X bis Z nimmt die Konduktanz G_t positive Werte an, d. h., das Elektrodensystem gibt an den Elektronenstrahl Energie ab, oder in anderen Worten, der Elektronenstrom übt eine dämpfende Wirkung auf das Elektrodensystem aus. Da die Größe 0_b, d.h. die Elektronenlaufzeit durch eine Elektrode, eine Funktion der Elektronengeschwindigkeit ist, werden die Elektronen, welche das Elektrodensystem mit geringer Geschwindigkeit passieren (entsprechend dem Gebiet Y-Z), eine dämpfende Wirkung auf das System ausüben, während die Elektronen hoher Geschwindigkeit (innerhalb des Gebietes X-Y) die Amplitude der Schwingung steigern werden.

Wenn das Potential an der Auffangelektrode 18 stetig herabgesetzt wird, wird ein Punkt erreicht werden, an dem die langsamsten Elektronen gerade noch aufgefangen werden. Bei einem niedrigeren Potential werden diese Elektronen nicht mehr aufgefangen, sondern reflektiert. Sie kehren also in den Laufraum zurück.

Die Wirkung eines Elektrons auf das Elektrodensystem 23 bis 27 ist also, wie bereits oben erwähnt, durch die Geschwindigkeit der Elektronen bestimmt. Elektronen hoher Geschwindigkeit werden das Elektrodensystem anregen, während die Elektronen niedriger Geschwindigkeit eine dämpfende Wirkung ausüben werden, so daß die Amplitude der radiofrequenten Spannung vermindert wird.

Wenn der die Auffangelektrode erreichende Elektronenstrahl geschwindigkeitsmoduliert ist, was notwendig der Fall ist, wenn das Elektrodensystem zu Schwingungen erregt ist, hängt die Durchschnittsgeschwindigkeit der reflektierten Elektronen nicht nur von dem Potential der Auffangelektrode, sondern auch von der Größe der Geschwindigkeitsmodulation ab. Wenn an der Auffangelektrode eine derartige Spannung liegt, daß gerade noch die langsamsten Elektronen des Strahles aufgefangen werden, wenn der Strahl keiner Modulation unterworfen ist, dann werden gewisse Elektronen reflektiert werden, wenn eine Geschwindigkeitsmodulation entsteht. Wenn die Größe der Modulation konstant bleibt, wird auch die Durchschnittsgeschwindigkeit der reflektierten Elektronen einen konstanten Wert beibehalten.

Im folgenden sei nun der Fall angenommen, daß der Elektronenstrahl in einem gewissen Grad moduliert ist und daß das Potential der Auffangelektrode einen solchen Wert besitzt, daß gerade die langsamsten Elektronen noch aufgefangen werden. Unter diesen Umständen werden konstante Betriebsbedingungen herrschen. Wenn nun jedoch das Potential der Auffangelektrode etwas herabgesetzt wird, wird ein gewisser Teil der langsameren Strahlkomponenten selektiv reflektiert und mit verhältnismäßig geringer Geschwindigkeit in die Nähe des Elektrodensystems gelangen. Diese Elektronen üben auf das System eine Dämpfung aus, so daß die Geschwindigkeitsmodulation im Elektronenstrahl vermindert wird. Als Folge dieser Wirkung wird die Anzahl der Elektronen, deren Geschwindigkeit so niedrig ist, daß sie von der Auffangelektrode reflektiert werden, herabgesetzt, und die Dämpfung des Elektrodensystems wird geringer. Folglich wird ein neuer Betriebszustand entstehen, bei dem die Anzahl der reflektierten Elektronen gerade so groß ist, daß das Elektrodensystem so weit einer Dämpfung unterworfen wird, daß ein stabiler Betrieb erzielt wird. Durch Änderung des Potentials der Auffangelektrode mit einer Signalspannung ist es möglich, diesen stabilen Betriebszustand derart zu beeinflussen, daß eine Signalmodulation der an den Leitungen 39, 40 abgenomme- nen Hochfrequenzleistung bewirkt wird.

Wenn das Potential der Auffangelektrode weiter herabgesetzt wird, wird ein Punkt erreicht, bei dem die reflektierten Elektronen eine genügend hohe Geschwindigkeit besitzen, daß keine dämpfende Wirkung von ihnen ausgeübt wird. Vielmehr liefern sie dem Elektrodensystem Energie. Wenn dieser Zustand erreicht ist, kann eine weitere Vergrößerung der Modulationsspannung auf dem oben beschriebenen Wege keine Vergrößerung der prozentualen Modulation bewirken. Jedoch kann eine vollständige Modulation auf einem anderen Wege erhalten werden. Der die Auffangelektrode 18 erreichende Elektronenstrom ist nicht nur geschwindigkeitsmoduliert, ondern auch ladungsdichtemoduliert, d. h. die Elektronen treffen in aufeinanderfolgenden Gruppen auf die Auffangelektrode auf. Unter diesen Bedingungen wird auch der reflektierte Anteil des Elektronenstrahls in seiner Ladungsdichte moduliert sein, d. h. aus voneinander entfernten Elektronengruppen bestehen.

Aus den obigen theoretischen Erörterungen über den Betrieb des als Schwingungskreis dienenden Elektrodensystems geht hervor, daß die Wirkung lines ladungsdichtemodulierten Strahles auf das Elektrodensystem von der zeitlichen Beziehung ,wischen den Augenblicken, in denen das Elektronendichte-Maximum die Zwischenräume zwischen den Elektroden durchquert, und den periodischen Änderungen der Steuerspannung abhängt. Durch entsprechende Wahl der Elektronenlaufzeit zwischen Auffangelektrode und Elektrodensystem, beispielsweise durch Wahl der Entfernung, kann erreicht werden, daß die reflektierten Elektronengruppen eine dämpfende Wirkung auf das System ausüben, und zwar in einem größeren Maße, wenn das Potential der Auffangelektrode stark erniedrigt wird. Diese

Wirkung tritt auf, bis der Zustand einer vollständigen Dämpfung erreicht ist.

Während es aller Wahrscheinlichkeit nach zusätzliche Faktoren sind, durch die der Betrieb des Resonanzelektrodensystems entsprechend den Potentialänderungen der Auffangelektrode i8 beeinflußt wird, scheinen diese oben beschriebenen Wirkungen jedoch vorherrschend zu sein. Es wurde beispielsweise wiederholt beobachtet, daß bei geeigneter Wahl der ίο Dimensionen der Röhre und des zugehörigen Speisekreises es möglich ist, eine hundertprozentige Modulation der Ausgangsleistung des Resonanzelektrodensysteros durch Verändern der Spannung an der Auffangelektrode zu erhalten. Es wurde femer festgestellt, daß die so bewirkte Modulation im wesentlichen linear über den ganzen Modulationsbereich verläuft. Dieses ist in der Fig. 9 dargestellt, in der durch die Kurve E die beobachtete Beziehung zwischen Spannung an der Auffangelektrode und der Hochfrequenzausgangsspannung bei einer Anordnung nach Fig. 3 dargestellt ist.

Um die durch die Röhre 10 erzeugte Hochfrequenzträgerwelle mit einer Signalspannung zu modulieren, ist es selbstverständlich, einen geeigneten Modulationskreis zu schaffen. Dieser Modulationskreis besteht bei der Anordnung nach Fig. 3 aus einem mit der Auffangelektrode 18 geeignet verbundenen Kreis. Es wurde festgestellt, daß in einigen Fällen und in gewissen Teilen des Betriebsbereiches Röhren nach der Art, wie sie in Fig. 3 dargestellt sind, dazu neigen, negative Widerstandscharakteristiken in dem mit der Auffangelektrode verbundenen Kreis zu erzeugen. Um nicht einwandfreie Schwingungserzeugungen zu vermeiden, ist es vorteilhaft, irgendwelche Stabilisierungsmittel zu benutzen. Zur Stabilisierung eignet sich beispielsweise ein Vakuumröhrenverstärker 43. Die Anode 44 der Verstärkerröhre ist direkt mit dem positiven Kontakt der Hochspannungsquelle 20 verbunden, während die Kathode 45 in Reihe mit der Auffangelektrode 18 geschaltet ist. Das Verstärkergitter 46 liegt an Erde oder ist mit einem negativen Pol der Spannungsquelle 20 über einen Kondensator 47 und mit der Kathode über einen Gitterableitwiderstand 48 von geeignet hoher Größe verbunden. In der Zuleitung zur Kathode 45 liegt ferner der Widerstand 49.. ·

: Beim Betrieb des oben beschriebenen Kreises liegen beispielsweise 2000 Volt zwischen Kathode und Auffangelektrode der Hochfrequenzröhre 10. Es besteht ferner ein ähnliches Potential zwischen den Hauptanschlüssen des Verstärkers 43. Durch den ■Kondensator 47 und den Gitterableitwiderstand 48 bedingt, wird das Gitter 46 unter diesen Umständen an einem Potential in der Größenordnung von 2000 Volt hegen.

Wenn nun das Potential an der Auffangelektrode sich infolge irgendwelcher Bedingungen innerhalb der Hochfrequenzröhre ändert, wird sich auch das Potential der Verstärkerkathode 45 notwendigerweise in gleicher Art ändern, da eine direkte Verbindung zwischen Kathode und Auffangelektrode 18 besteht. Durch den Kondensator 47 und den hohen Wert des damit verbundenen Gitterableitwiderstandes 48 wird eine augenblickliche Änderung des Gitterpotentials 46 verhindert. Folglich tritt eine Änderung in den Potentialbeziehungen zwischen Gitter und Kathode 45 ein, so daß durch den Einfluß des Verstärkungsfaktors des Verstärkers 43 der Kreis als Ganzes einen positiven Widerstand besitzt, welcher niedrig genug ■ ist, um sporadische Schwingungen zu vermeiden.

Der Verstärker 43 hat als Element des Modulationskreises im wesentlichen die Wirkung einer gewöhnlichen Modulationsspule. Bei der dargestellten Anordnung wird die Modulations- oder Signalspannung, welche von der Quelle 42 stammt, zu dem Gitterkreis des Verstärkers 43 über einen Transformator 42 geleitet. Das Gitterpotential wird sich also mit der Signalfrequenz in bezug zu dem verhältnismäßig konstanten Potential der Anode 44 ändern. Da der Verstärkungsfaktor des Verstärkers verhältnismäßig groß ist, wird die gleiche Potentialänderung zwischen Anode 44 und Kathode 45 auftreten, so daß die Signalspannung der Auffangelektrode 18 aufgedrückt wird. Das Endergebnis ist also die Erzeugung einer signalfrequenten Modulation der radiofrequenten Spannung an. der Auskoppelleitung 39, 40.

In der Fig. 10 ist ein anderes Ausführungsbeispiel nach der Erfindung dargestellt. Bei dieser Anordnung entsprechen die einzelnen Elektroden im wesentlichen der Anordnung nach Fig. 3. Lediglich das Auskoppel- go system unterscheidet sich in einem gewissen Grad von demjenigen, welches in der Fig. 3 dargestellt ist. Bei der in der Fig. 10 dargestellten Anordnung erfolgt die Auskopplung statt elektrostatisch magnetisch. Die Kopplungsanordnung besteht aus einer einfachen Induktionsschleife 50, deren einer Anschluß mit dem Leiter 51 und deren anderer Anschluß mit dem Hohlleiter 52, welcher koaxial den Leiter 51 umgibt, verbunden ist. Der Leiter 52 ist verhältnismäßig lose in einen Körper 53 derart eingefügt, daß die Leiter 51 und 52 mit der Koppelschleife 50 gedreht werden können. Eine Längsbewegung der Leiter ist durch einen ringförmigen Anschlag 54 verhindert, welcher auf das Ende des Körpers 53 aufgesetzt ist.

Durch die oben beschriebene Anordnung kann der Kopplungsgrad zwischen Ausgangssystem und Elektrodensystem in gewünschter Weise eingestellt werden, Wenn die Koppelschleife 50 sich in der dargestellten Lage befindet, tritt eine maximale Kopplung mit dem in der angrenzenden Elektrode 25 erzeugten Hochfrequenzstrom auf. Andererseits ist keine Kopplung vorhanden, wenn die Schleife um 90⁰ gedreht wird. Entsprechende Zwischenwerte der Kopplung können durch andere Einstellungen der Kopplungsschleife erreicht werden. "^

Bei der Anordnung nach Fig. 10 ist die Auffangelektrode 18' direkt mit einem positiven Pol der Spannungsquelle 20' verbunden, so daß die Spannung an der Auffangelektrode im wesentlichen unveränderlich zur Spannung der Kathode 14 ist. Anstatt die Spannung an der Auffangelektrode mit dem Modulationspotential zu ändern, wird das Modulationspotential an die zylindrische Elektrode 19' gelegt.

Als Modulationskreis dient ein Nebenschluß zur Hochfrequenzröhre 10, der aus einem Widerstand 60

von genügend hoher Größe und einer Vakuumröhre 6i besteht. Diese Röhre 6i besitzt eine Kathode 62, eine Anode 63, ein Steuergitter 64 und ein Schirmgitter 65. Sie ist mit dem Widerstand 60 in Reihe geschaltet, so daß nur ein bestimmter Teil der Spannung der Batterie 20' an ihren Kontakten liegt. Die Größe der Spannung kann durch die Modulationsspannung geändert werden, welche von einer geeigneten Spannungsquelle 67 stammt, und an das

ίο Gitter 64 der Röhre gelegt ist.

Im Betrieb liegt das Steuergitter 64 beispielsweise an der halben Spannung der Batterie 20, die an der Röhre 61 erscheint. Die übrige Spannung liegt an dem Widerstand 60. Da die Elektrode 19' direkt mit der Anode der Röhre 61 verbunden ist, wird das normale Potential unter einem Wert hegen, welcher der Durchschnittsgeschwindigkeit des Elektronenstromes in der Röhre 10 entspricht, wobei die Geschwindigkeit durch das Potential an den Elektroden 12 bestimmt ist. Unter diesen Umständen wird die Elektrode 19' wenigstens die Elektronen geringerer Geschwindigkeit reflektieren. Ferner wird die Durchschnittsgeschwindigkeit der reflektierten Elektronen von der Modulations- oder Signalspannung, welche an der Röhre 61 liegt, abhängen. Die Gesamtwirkung auf die Hochfrequenzausgangsspannung wird also bei der Röhre 10 im wesentlichen gleich derjenigen bei der Anordnung nach Fig. 3 sein. Die Modulation der Ausgangsspannung wird den Änderungen der Signalspannung entsprechen.

Da die massiven Teile der Elektrode ig' außerhalb des Elektronenweges liegen, wird die Elektrode selbst kaum Elektronen abfangen. Folglich wird bei der Anordnung nach Fig. 10 durch die Einfügung einer hohen Impedanz, nämlich der Röhre 61, die Wahrscheinlichkeit von unerwünschten Schwingungen herabgesetzt. Der Modulationskreis wird also in sich stabil sein.
Es sei noch darauf hingewiesen, daß sowohl bei der Anordnung nach Fig. 3 als auch bei der Anordnung nach Fig. 10 die Erzeugung von Hochfrequenzleistung in dem Resonanzelektrodensystem und die Überführung der Energie zu dem Ausgangskreis nicht von der Reflektion des Elektronenstrahles abhängt. Die Auskopplung von Energie aus dem Elektronenstrahl und die Umformung dieser Energie in Hochfrequenzleistung erfolgt bereits bei dem Passieren des Elektrodensystems durch den Elektronenstrahl. Durch die Änderung der Anzahl der reflektierten Elektronen wird lediglich die Amplitude der Hochfrequenzspannung am Ausgangskreis geändert.

Bei der Anordnung nach der Erfindung ist ferner von Bedeutung, daß keine oder kaum eine Änderung des von der Auffangelektrode 18 aufgefangenen Stromes auftritt, wenn das Potential der Modulationselemente geändert wird. Dieses rührt daher, daß der Strahlstrom hauptsächlich durch die Spannungsbeziehungen zwischen den Elektroden des Strahlerzeugungssystems an dem Kathodenende der Röhre bestimmt ist und daß diese Bedingungen durch irgendwelche Änderungen in der Nachbarschaft der Auffangelektrode nicht beeinflußt werden. Wenn auch ein Teil des Elektronenstromes reflektiert wird, so wird aber auch der reflektierte Anteil in die Nachbarschaft der Auffangelektrode zurückkehren und dort aufgefangen werden, so daß der an der Auffangelektrode aufgefangene Strom konstant bleibt.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

1. Laufzeitröhre mit geschwindigkeitsmoduliertem Elektronenstrahl zur Ausübung eines Verfahrens nach Patent 908 743, gemäß dem der Elektronenstrahl durch eine Steuereinrichtung derart in seiner Geschwindigkeit moduliert wird, daß sich die Geschwindigkeitsmodulation erst außerhalb des Wirkungsbereiches der Steuereinrichtung in eine Dichtemodulation umwandelt, dadurch gekennzeichnet, daß in Richtung des Elektronenstrahles hinter dem zur Modulation und Energieauskopplung dienenden Elektrodensystem eine zur Spiegelung von Elektronen geringer Geschwindigkeit dienende Elektrode angeordnet ist, an die eine zur Modulation dienende Signalfrequenz gelegt ist.

2. Elektronenröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zur Modulation und Auskopplung dienende Elektrodensystem aus einer Reihe von in Richtung des Elektronenstrahls in einem Abstand hintereinander angeordneten zylinderförmigen Elektroden besteht, die Teile eines go Schwingungskreises bilden.

3. Elektronenröhre nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Auffangelektrode (Anode) als Spiegel dient.

4. Elektronenröhre nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Spiegel eine vor der Auffangelektrode angeordnete elektronendurchlässige Elektrode dient.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen