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Wanderfeldröhrenanordnung mit gekreuzten elektrischen-und magnetischen
Feldern, wobei das Magnetfeld von einem in einem axialen Leiter fließenden Strom
erzeugt wird Es sind bereits Verstärkerröhren für sehr kurze Wellen (Mikrowellen)
bekannt, deren WirkungsWeise auf der Wechselwirkung zwischen einer fortschreitenden
Welle und einem Elektronenstrahl beruht, wobei die Welle sich längs einer Verzögerungsleitung
aus zwei auf unterschiedlichem Gleichpotenfial befindlichen koaxialen Leitern ausbreitet,
während der Elektronenstrahl sich in dem von den genannten Leitern begrenzten Raum
(Wrchselwirkungsraurn) fortpflanzt, und zwar senkrecht zu dem radialen, von der
genannten Gleichpotentialdifferenz erzeugten elektrischen Feld sowie zu einem magnetischen
Feld, das mit dem elektrischen gekreuzt ist. Diese Röhren besitzen die Eigenart,
daß die Verzögerungsleituii aus . 9
einem axialen Leiter sowie einer hierzu
köaxialen Elektrode besteht, wobei der Wechselwirkungsraum entweder zylindrischer
(französisches Patent 985 536)
oder kegelförmiger Art sein kani!. Ferner ist
das in diesem Wechselwirkungsraum herrschende magnetische Feld von kreisförmiger
Gestalt und wird von einem starken durch den axialen Leiter fließenden Strom erzeugt.
Bei einer Röhre für Dauerbetrieb ist dies ein Gleichstrom, wohingegen es bei einer
Röhre für Impulsbetrieb ein Wechselstrom oder ein impulsförmiger Strom sein, kann.
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In allen diesen Röhren besitzt sowohl die elektrische als auch die
magnetische Feldstärke an einem beliebigen Punkt des Wechselwirkungsraumes einen
dem
Abstande r zwischen diesem Punkt und der Systemachse _umgekehrt
proportionalen Wert, so daß dw Verhältnis beider Feldstärken für jeden Punkt dieses
Raumes konstant bleibt.
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Die Erfindung bezieht sich auf die Yoringebung des Elektronenauffangraumes,
wie er für diese Art --von -Röhren besonders geeignet ist. Unter Elektronenauffangraum
-wird jener Raum verstanden', welcher von der Elektronenströmung im letzten Abschnitt
der Bahn des Strahles durchlaufen wird, d. h. der Raum, in welchen die Elektronen
nach Durchlaufen de# Wechselwirkungsraumes eintreten und an dessen Ende sie von
der AuffangeIektrode aufgefangen wer"
den.
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Nach der Erfindung wird das Verhältnis von elektrischer zu magnetischer
Feldstärke im Elektronenauffangraum größer gemacht als im Wechselwirkungsraum und
nimmt vorzugsweise in Richtung der Elektro enbewegung allmählich zu. Diese Veränderung
wird erreicht, indem man der Auffangelektrode und/ oder dem Endteil des axiaIen
Leiters der Röhre eine passende Form gibt und/oder indem man die Auffangelektrode
auf ein geeignet gewähltes Potentiallegt. Damit wird,irn letzten Teil der Bahn des
Elektronenstrahls em* erektronenoptisches System gebildet, -vermöge dessen sämtliche
Elektronen schließlich auf die Auffangelektrode auftreffen, während die Hochfrequenzenergie
weiterfließen kann.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Fig.
i bis 5, die einige Ausführungsbeispiele für den Aufbau des Elektronenauffangraumes
darstellen. Fig., 6 zeigt eine Ausführurigsforin einer Wanderfeldröhre, die
eine Auffangelektrode benutzt, welche den Gegenstand der Erfindung ausmacht und
die Hochfrequenzenergie durchläßt.
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Fig. i zeigt denWechselwirkungsraum einer mit einer erfindungsgemäßen
Auffangelektrode ausgestatteten Röhre im Längsschnitt. Diese Röhre enthält einen
auf dem Potential Null angenommenen axialen Leiter i ' mit dem Radius
Y., der von einer Anode 2 umgeben ist, die so ausgebildet ist, daß sie zumindest
an den beiderseitigen Grenzen des Wechselwirkurigsraurnes 3 die Eigenschaften
einer Verzögprungsleitung aufweist, was durch den. gestrichelten Linienzug schematisch
dargestellt werden soll. Die Anode 2 mit dein Radius r, liegt auf dem von der Spannungsquelle
4 gelieferteh Potential Vl, so daß im Wechselwirkungsraum ein' stationäres elektrisches
Feld
herrscht, wohn r den variablen Abstand eines beliebigen Punktes des Wechselwirkungsraumes#
von der Achse bezeichnet.
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Läßt man. einen passenden Strom 1 (erzeugt von einer Stromquelle
5) durch den axialen-Leiter fließen, so erhält man im Wechselwirkungsrauin
ein zylindersymmetrisches magnetisches Feld mit der magnetischen Induktion
worin p, die Permeabilitätskonstante des Vakuums und H die magnetische Feldstärke
bedeutet.
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Ausgehend von den Bewegungsgleichungen eines der Wirkung der elektrischen
Feldstärke E und der magnetischen # Induktion B ausgesetzten ElektroDs mit
der Masse m und der Ladung e,- ist es möglich, die Zyldbidenbahnert 9 durchzurechnen,
die die von einem Punkt der Oberfläche des axialen Leiters z ausgehenden Elektronen
durchlaufen. - Für den maximalen Abstand zwischen den Scheiteln der Zykloiden
und der Achse des Leiters i ergibt sich, der Ausdruck:
worin (3)
ist. Der Abstand r, ",., ist di e größte Entfernung von der Systemachse und damit
vom axialen Leiter:i, ,Welche ein Elektron erreichen kann, wenn es 'entlang seines
Weges keine Energie in Form von Hochfrequenzenergie abgibt.
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je nach der Art, auf welche man die Elektronen in den Wechselwirkungsrauni
hineinschießt, erhält man einen geradlinigen, einen zykloidenförnügen oder einen
Strahl, dessen Bahnkurve zw ischen- diesen - beiden Formen liegt. Auf jeden
Fall stellt das nach Ausdruck (3) berechnete den maximalen Abstand dar, den
die Elektronen erreichen können. Um demnach zu. vermeiden, daß unter, den ungünstigsten
Umständen die Elektronen zur Anode gelangen, muß man r, im Wechselwirkungsraum.
größer als r ", machen.
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im Gegensatz dazu strebt man danach, im Elektronenauffangraum6 die
Gesamtheit der Elektronen des Strahles aufzufangen.- Zu diesem Zweck gibt man dem
Raum 6 eine derartige Form und führt der Auffangelektrode gegebenenfalls
eine solche Spannung zu, daß das Verhältnis der elektrischen zur magnetischen Feldstärke
(Induktion) im Raum 6 größer wird als im Raum 3. Dieses Ziel kann
man auf verschiedene Art erreichen, indem man über die verschiedenen Parameter,
der Gleichung (3)- verfügt; es sei bemerkt daß Gleichung (3) auch
noch#anwendbar ist, wenn dervon den koaxialen Elektroden begrenzte Raum nicht zylindrisch,
sondern kegelförnüg ist. In jedem Fall bringt eine Erhöhung des Feldstärken-Verhältnisses
eine Vergrößerung des Abstands im Vergleich zu seinem Wert -im Raum 3 mit
sich. Dieser Abstand kann auf verschiedene Weise durch Ändern der Parameter vergrößert
werden, sei- es daß man r, auf r,' erniedrigt oder r. auf r,' vergrößert
oder 'das Verhältnis L' verringert oder V, auf V,' erhöht, oder . ro.
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man erniedrigt V" jedoch unter gleichzeitig noch stärkerer Verringerung
des Verhältnisses
Diese verschiedenen- Möglichkeite n sind in den #ig. i bis 5
wiedergegg'6en.
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In Fig. i ist r,' im Vergleich - zu r, verkleinert, während r,
= r,' und V, = Vi' bleiben. Der Anodendurchmesser
r,' wird
allmählich verringert, so daß das Feldstärkenverhältnis in Richtung der Elektronenausbreitung
zunimmt.
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Im Beispiel der Fig. g hält man r, # r,' und
5 Vi = V,' fest und vergrößert dagegen r,'.
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Im Fall der Fig. 3 werden r,' und r,' im Vergleich zu
r, und r, gleichzeitig vergrößert, jedoch V, = Vl' belassen. Das Verhältnis
ist kleiner als
(Es wurde, ohne Einschränkung
der Allgemeinheit., der Fall gewählt, in welchem (r,'- YJ konstant gehalten wird.)
In Fig. 4 ist der als Auffangelektrode wirksame Anodenteil 7 von der eigentlichen
Anode 2 getrennt. Die abgetrennte zylindrische Elektrode 7 hat den gleichen
Innendurchmesser wie die Anode 2, ist aber (mittels der Spannungsquelle
8) an das gegenüber dem Potential V, höhere Potential Vl' gelegt,. während
r, = r,' und r, = r,' sind.
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In Fig. 5 nimmt der Abstand zwischen der Auffangelektrode
7 und dem axialen Leiter - i allmählich ab, und man legt an die Elektrode
7 eine gegenüber V, niedrigere Spannung l71'. Das r,' hat den gleichen Wert
wie rl, aber der Logarithmus des Quotienten
wird im Vergleich zum Logarithmus des Quotienten
stärker verringert als die Spannung VI' im Vergleich zu 171, so daß die Feldstärke
E' schließlich gegenüber E vergrößert wird.
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Die an den Auffangelektroden der in Frage stehenden koaxialen Röhren
vorgenommenen Maßnahmen zeigen für die Auskopplung von' Hochfrequenzenergie aus
diesen Röhren sehr interessante Eigenschaften. Auf Grund der Tatsache, daß die die
Elektronen aufnehmenden Teile koaxial sind, ist es möglich, den Elektronenauffangraum
zum Durchtritt von Hochfrequenzenergie zu benutzen und diese Energie z. B. mittels
eines Hohlleiters in an sich bekannter Weise abzuführen.
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Alle in den Fig. i bis 5 gezeigten Arten von Auffangelektroden
können zu diesem Zweck verwendet werden. Die Anordnung für die Auskopplung der Hochfrequenzenergie
kann auf verschiedene, dem Fachmann bekannte Arten erfolgen. Die aus dem Wechselwirkungsraum
3 heraustretende Hochfrequenzwelle breitet sich im Elektronenauffangraum
6 weiter aus, indem sie sich dort z. B. in Verlängerung der Verzögerungsleitung
fortpflanzt. Im Falle einer Verzögerungsleitung in Form einer Wendel steigert man
am Ende des Raumes 3 allmählich die Ganghöhe, damit der Übergang von der
Verzögerungsleitung auf die von dem axialen Leiter i und der Auffangelektrode 2
oder 7 gebildete Koaxialleitung allmählich und reflexionsfrei erfolgt.
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Fig. 6 zeigt ein Beispiel einer Wanderfeldverstärkerröhre.
Die Röhre enthält beispielsweise die im wesentlichen in Fig. 3 wiedergegebene
Auffangelektrode. Die eigentliche Verzögerungsleitung 2 besteht z. B. aus einer
Wendel, deren Ganghöhe in Richtung zur Auffangelektrode allmählich anwächst. Der
Elektronenauffangraum ist in Form eines koaxialen Horns ausgebildet, in dem sich
die Hochfrequenzwelle ausbreitet und von wo sie in einen Hohlleiter ig von recht
eckigem Querschnitt gelangt, der an dem axialei Leiter i angeschweißt ist.
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Um den Hochfrequenzkreis zwischen der Wand i( des HohReiters und der
Auffangelektrode der Röhri (zwischen diesen tritt die gesamte zwischen dem axialei
Leiter und der Verzögerungsle ' itung angelegte Hoch spannung auf) zu schließen,
ist bei ii eine Wellenfall( in Form eines Viertelwellenlängenzylinders angebracht
Die Hochfrequenzenergie tritt durch den gläsemer Röhrenabschluß i2 aus. Der Rechteckhohlleiter
isi auf der einen Seite durch einen Anpassungsschieber i:# abgeschlossen, der von
dem axialen Leiter beispielsweise einen Abstand von 1-/, der BetriebswellenlängE
besitzt, so daß die Hochfrequenzenergie in die dieseir Schieber abgewandte Richtung
strömt.
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Die Eingangsseite der im Beispiel wiedergegebeneii Röhre ist ähnlich
der Ausgangsseite ausgesta.Itet, indem das elektronenoptische System zur Erzeugune
des Elektronenstrahles 14 gleichfalls koaxial ist. Diese Elektronenoptik enthält
eine von der Stromquelle 16 geheizte zylindrische Kathode 15. Ein mit einem Anpassungsschieber
18 versehener Rechteckhohlleiier 17 führt die ankommende Hochfrequenzenergie
in das Innere der von den Elektroden der Optik gebildeten koaxialen Leitung ein.
Der Übergang der Energie von der Koaxialleitung auf die Wendelleitung vollzieht
sich ähnlich'wie auf der Ausgangsseite; nur muß zur Erzielung eines reflexionsfreien
Energieflusses in Richtung der Ausgangsseite die Ganghöhe der Wendel in dem Übergangsteil
kleiner gemacht werden.
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Die beschriebenen Anordnungen zum Auffangen des Elektronenstrahles
sowie zur Ein- und Auskopplung der Hochfrequenzenergie eignen sich für alle Röhren
der in Frage stehenden Art mit zylindrischem oder kegelförnügem Wechselwirkungsraum,
sei es als Wanderfeldröhren-Verstärker oder -Oszillatoren für Dauer- oder Impulsbetrieb.