DE948994C - Elektronenroehre fuer sehr kurze Wellen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Elektronenröhre für sehr kurze Wellen, bei der eine Elektronenströmung längs einer großen Laufstrecke mit hochfrequenten Feldern derart in Beziehung gebracht wird, daß ein Energieaustausch zwischen diesen und der Elektronenströmung stattfindet. Besondere Bedeutung hat die Erfindung für Wanderfeldröhren, bei denen mittels einer Verzögerungsleitung oder einer anderen wellenführenden Anordnung eine fortschreitende elektromagnetische Welle von so geringer Phasengeschwindigkeit erzeugt wird, daß ein Elektronenstrahl derselben zu folgen vermag und auf diese Weise ein Energieaustausch zwischen der Elektronenströmung und der fortschreitenden Welle stattfindet.

Bei Wanderfeldröhren hängt die Verstärkung weitgehend von der Länge der Verzögerungsleitung ab,

d. h., man muß beim Bau einer solchen Röhre dafür Sorge tragen, daß die Elektronenströmung über eine größere Wegstrecke parallel zur Verzögerungsleitung verläuft und daß innerhalb dieser Strecke möglichst ao wenig Elektronen die gewünschte Bahn verlassen. Außerdem ist für gute Verstärkung und hohe Leistungen ein möglichst großer Elektronenstrom bei nicht zu'hohen Spannungen erwünscht. Die Raumladung im Elektronenstrahl und an der Kathode beschränkt diesen Strom. Zum Zusammenhalten des Elektronenstrahles verwendet man für die üblichen Wanderfeldröhren mit wendeiförmiger Verzögerungsleitung von engem Querschnitt ein longitudinales Magnetfeld.

Zur Erzeugung des Magnetfeldes bedient man sich meist einer Spulenanordnung, die über die Wanderfeldröhre geschoben wird. In vielen Fällen wird eine

solche Anordnung aber als unerwünscht betrachtet. Es bedingen die Abmessungen der Magnetspule bestimmte Bauformen der Wanderfeldröhre und verlangen ein glattes Äußeres derselben. Man ist dadurch z. B. mit dem Herausführen von Zuleitungen an bestimmte Stellen gebunden, zumal die Magnetspulen so angebracht werden müssen, daß sie beim Auswechseln der Röhre leicht abgestreift werden können. Das Magnetfeld besitzt außer seinem unerwünschten ίο Leistungsverbrauch noch den Nachteil, daß besondere Mittel notwendig sind, um Schwankungen des Feldes zu vermeiden. Weiterhin müssen besondere Maßnahmen ergriffen werden, damit bei Ausfall des Magnetfeldes die Röhre nicht durch den plötzlich auseinandergehenden Elektronenstrahl gefährdet wird. Diese und weitere Nachteile zu beseitigen, ist Aufgabe der Erfindung.

Bei der Elektronenröhre nach der Erfindung wird zur Bündelung der Elektronenströmung von elektrostatischen Mitteln Gebrauch gemacht. An sich sind bereits Anordnungen bekanntgeworden, bei denen zur Bündelung der Elektronenströmung gekreuzte elektrische und magnetische Felder verwendet sind. Die Elektronen werden senkrecht zu beiden eingeschossen und bewegen sich längs einer Potentialfläche in einem Gleichgewichtszustand, den man durch eine Potentialmulde kennzeichnen kann. Wie sich durch rechnerische Überprüfung der dabei entstehenden Verhältnisse jedoch ergibt, wird diese Potentialmulde um so flacher, je näher bei der auf hohem positivem Potential hegenden Elektrode man die Elektronenbahn wählt. Diese Elektrode ist aber bei einer Wanderfeldröhre meist dasselbe'wie die Verzögerungsleitung, in deren Nähe der Elektronenstrahl gebracht werden muß, um eine möglichst gute Wechselwirkung mit dem Hochfrequenzfeld der Verzögerungsleitung zu erzielen. Dadurch war es bisher nur möglich, entweder den Elektronenstrahl in größerem Abstand von der Verzögerungsleitung gebündelt zu führen, was eine Einbüße an Verstärkung durch die schwache Kopplung zwischen Elektronen und Hochfrequenzfeld verursacht, oder der Elektronenstrahl wird ungenügend zusammengehalten, besonders wenn bei hoher Stromdichte die Raumladungsabstoßung beträchtlich wird, und ein großer Elektronenstrom fließt auf die als Anode wirksame Verzögerungsleitung, wodurch der Wirkungsgrad der Röhre erheblich herabgesetzt wird. Diese Nachteile werden durch die Erfindung beseitigt. Die Erfindung, die im übrigen keineswegs auf die Verwendung in Wanderfeldröhren beschränkt ist, sondern auch für Laufzeitröhren anderer Art Bedeutung besitzt, besteht in einer elektrostatisch wirkenden Anordnung, deren wesentliche Bestandteile außer dem Hochfrequenzleiter selbst zumindest eine parallel zur Elektronenströmung verlaufende Elektrode in Verbindung mit einer im wesentlichen parallel zu derselben sich erstreckenden, mit Durchbrechungen versehenen oder mehrteilig aufgebauten weiteren Elektrode enthalten, die sich zwischen ihr und der Elektronenströmung befindet. Die Spannung am Hochfrequenzleiter ist so bemessen, daß sie zwischen den Potentialen an den beiden anderen Elektroden (Gegenelektroden) liegt. Die Elektronenströmung verläuft dabei zwischen dem Hochfrequenzleiter einerseits und den Gegenelektroden andererseits.

Die Gegenelektroden können sich im Innern eines schlauchförmigen Elektronenstrahles befinden, der eine Verzögerungsleitung oder einen anderen Hochfrequenzleiter in geeigneter Weise durchsetzt. Umgekehrt ist es aber auch möglich, den Hochfrequenzleiter im Innern vorzusehen, während die Gegenelektroden sich außerhalb der Elektronenströmung befinden.

An Hand der Zeichnung soll die Erfindung näher erläutert werden; in

Fig. ι ist ein Ausführungsbeispiel in seinen für die Erfindung wesentlichen Teilen stark vereinfacht rein schematisch dargestellt;

Fig. 2 zeigt den Feldverlauf bei einer beispielhaften Wahl eines Elektrodenaufbaues und von daran angelegten Spannungen, während in

Fig. 3 ein entsprechendes Potentialgebirge versinnbildlicht ist.

In Fig. ι ist mit 1 eine Verzögerungsleitung, z. B. eine Wendel, bezeichnet, die gegebenenfalls einen wesentlich größeren Durchmesser besitzt, als dies bei Wanderfeldröhren sonst üblich ist. In der Achse der Röhre befindet sich eine stabförmige Elektrode 2, die zusammen mit der gitterförmigen Elektrode 3 einen wesentlichen Bestandteil der elektrostatisch wirkenden Bündelungsanordnung darstellt. Das Gitter 3 kann als Wendel um die stabförmige Elektrode 2 herumgelegt sein. Der Elektronenstrahl, der mit 4 bezeichnet ist, hat schlauchförmige Gestalt und tritt aus einer ringförmigen Öffnung der Anode 5 in Richtung der Pfeile 6 heraus.

Die Spannungen an der Verzögerungsleitung 1, der stabförmigen Elektrode 2 und der gitterförmigen Elektrode 3 sind so gewählt, daß sich eine Potentialmulde, die sich hier unmittelbar in elektrischem Potential ausdrückt, nach Art der Fig. 2 und 3 ausbildet. Dort sind die Spannungen beispielsweise folgendermaßen bemessen: V₁ = + 400 V, F₂ = — 200 V und V₃- + 800 V. Auf diese Weise ist die Feldstärke zwischen dem Hochfrequenzleiter 1 und

der Elektrode 3 E_{1 3} =

Die Feldstärke zwi-

\ 3
sehen den beiden Elektroden 2 und 3 hat folgenden

Wert -.E₂₃ = -=;—. Hierbei bedeutet D den jeweiligen

JJ₂ j

Elektrodenabstand.

Bei der Darstellung in den Fig. 2 und 3 sind die Spannungen mit zunehmender Größe nach unten hin aufgetragen. Bei dieser Darstellung kann man sich die Elektronenbewegung in Gestalt rollender Kugeln vorstellen, welche unter dem Einfluß der Schwerkraft durch die jeweils auftretenden Spannungsgefälle beeinflußt werden. In Fig. 2 ist das Spannungsgefälle, wie es für die Elektronenbewegung wirksam ist, im Raum zwischen dem Hochfrequenzleiter und den iao Gegenelektroden veranschaulicht. Auf der linken Seite befindet sich der beispielsweise auf einem Potential von 400 V befindliche Hochfrequenzleiter 1, während rechts außerhalb der Darstellung der auf negativem Potential von 200 V liegende bedeckte Leiter 2 zu denken ist, der hinter der durchbrochenen

Elektrode 3, welche eine positive Spannung von 800 V führt, angeordnet ist. Die Dickenabmessungen der Gitterdrähte der Elektrode 3 sind in Fig. 2 gleichfalls berücksichtigt. Es ergeben sich dann Feldlinien, deren Form unterschiedlich ist, j e nachdem, ob sie sich gerade an einem Gitterelement der Elektrode 3 oder in den Zwischenräumen zwischen zwei solcher Elemente befinden. An der erstgenannten Stelle bildet sich eine Feldlinie mit dem Verlauf α aus. In zunehmendem Abstand von derselben folgen die Feldlinien b, c und d, während die Linie e eine Stelle versinnbildlicht, die in der Mitte zwischen zwei Gitterdrähten liegt, wo also der Durchgriff der dahinterliegenden Elektrode 2 am stärksten ist. Diese Verhältnisse sind in Fig. 3 näher veranschaulicht, wo in einer perspektivischen Darstellung der stetig wechselnde Feldverlauf gezeigt ist.

Aus dieser Darstellung ist zu ersehen, daß die Kurven, die den Verlauf des elektrostatischen Feldes zwischen dem Hochfrequenzleiter und der durchbrochenen Elektrode veranschaulichen, in dem Bereich zwischen den Gitterdrähten immer wieder Sättel bilden. Diese Sattelreihe hat ihren Sattelpunkt jeweils längs einer der Kurven e. Das »Durchhängen« der Kurve e und ihrer Nachbarkurven bedeutet, wie sich aus Fig. 3 erkennen läßt, die Ausbildung von Potentialmulden. Wenn auch für die Kurve a die Ausbildung einer solchen Mulde nicht mehr zustande kommt, so bildet sich doch, wie die Darstellung zeigt, längs der Wegstrecke der Elektronenbewegung im ganzen gesehen, im Mittel eine Potentialmulde zwischen dem Hochfrequenzleiter und der gitterförmigen Elektrode aus. Das ist dann die Gleichgewichtslage für einen Elektronenstrahl mit einer Energie von mehr als 400 V. Macht man die Spannung zwischen den beiden Elektroden 2 und 3 sehr viel stärker, so rückt die Potentialmulde sehr nahe an die Verzögerungsleitung heran, wobei der Anstieg des Potentials unmittelbar an der Verzögerungsleitung hin praktisch unverändert bleibt. Das bedeutet aber eine für j ede Lage im Raum zwischen der Verzögerungsleitung ι und der Elektrode 3 gleichbleibende, die Elektronen zurücktreibende Kraft im Gegensatz zu dem bekannten Fall des gekreuzten elektrischen und magnetischen Feldes.

Man kann rechnerisch nachweisen, daß bei gleicher elektrischer Feldstärke zwischen Leiter 1 und Elektrode 3 der statische Fall in jedem Teil dieses Bereiches dem kombinierten elektrischen und magnetischen Feld überlegen ist. Man hat es also durch die Wahl der Spannungen in der Hand, die Potentialmulde beliebig tief zu machen und sie beliebig nahe an die Verzögerungsleitung heranzubringen. Man kann damit eine besonders gute Kopplung mit der Hochfrequenzleitung erreichen.

Es ist im übrigen nicht unbedingt notwendig, daß der Elektronenstrahl einen kreis- oder ringförmigen Querschnitt besitzt. Der Laufraum der Elektronen kann auch beispielsweise eine Ebene zwischen zwei Platten sein oder in anderer Weise ausgebildet werden.

In jedem Falle bietet die Erfindung die Vorteile, die mit dem Wegfall des Magnetfeldes mit seinen umständlichen Einrichtungen zur Erzeugung desselben verbunden sind. Schließlich ermöglicht es die Erfindung, auch den Elektronenstrom zu vergrößern, da die Querschnittsfläche des Elektronenschlauches größer ist als die kleine Kreisfläche bei den üblichen Wanderfeldröhren, bei denen ein zylindrischer Strahl eine Wendel durchsetzt. Schließlich ist es noch besonders vorteilhaft, daß das elektrostatische Führungsfeld starr mit den geometrischen Abmessungen der Systemteile der Röhre verbunden ist, so daß irgendwelche Schwierigkeiten und Justierungen beim Auswechseln der Röhre in Wegfall kommen.

Claims (5)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Elektronenröhre für sehr kurze Wellen, bei der eine Elektronenströmung längs einer größeren Laufstrecke mit hochfrequenten Feldern derart in Beziehung gebracht wird, daß ein Energieaustausch zwischen diesen und der Elektronenströmung stattfindet, insbesondere nach Art einer Wanderfeldröhre, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bündelung der Elektronenströmung ganz oder vorwiegend eine elektrostatisch wirkende Anordnung vorgesehen ist, deren wesentliche Bestandteile außer dem Hochfrequenzleiter selbst zumindest eine parallel zur Elektronenströmung verlaufende Elektrode in Verbindung mit einer im wesentlichen parallel zu derselben sich erstreckenden, mit Durch- go brechungen versehenen oder mehrteilig aufgebauten weiteren Elektrode enthalten, die sich zwischen ihr und der Elektronenströmung befindet, wobei die Spannung am Hochfrequenzleiter so bemessen ist, daß sie zwischen den Potentialen an den beiden anderen Elektroden (Gegenelektroden) liegt und die Elektrqnenströmung zwischen dem Hochfrequenzleiter einerseits und den Gegenelektroden andererseits verläuft.

2. Elektronenröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Elektroden sich im Innern eines schlauchförmigen Elektronenstrahles befinden.

3. Elektronenröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochfrequenzleiter sich im Innern, die beiden Elektroden aber sich außerhalb der Elektronenströmung befinden.

4. Elektronenröhre nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die an der durchbrochenen Elektrode liegende Spannung höher als die am Hochfrequenzleiter gewählt ist.

5. Elektronenröhre nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die an der von der durchbrochenen Elektrode bedeckten Elektrode liegende Spannung niedriger als die Spannung an dem Hochfrequenzleiter, insbesondere negativ gewählt ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 814 490.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen