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Wanderfeldröhre mit einer Verzögerungsleitung und einem senkrecht
zu gekreuzten elektrischen und magnetischen Feldern verlaufenden Elektronenstrahl
Es sind, beispielsweise aus den deutschen Patentschriften 878 813 und 878
986, Wanderfeldröhren bekannt, welche als Verstärker oder Frequenzvervielfacher
von Dezimeter- und Zentimeterwellen arbeiten und bei welchen die längs einer Verzögerungsleitung
laufende Welle durch Wechselwirkung mit einem Elektronenstrahl verstärkt wird, der
parallel zu dieser Verzögerungsleitung und senkrecht zu gekreuzten elektrischen
und magnetischen Gleichfeldern mit einer Geschwindigkeit verläuft, die dem Verhältnis
der elektrischen Feldstärke zur magnetischen Induktion dieser beiden Felder und
der Phasengeschwindigkeit der Welle gleich ist. Das elektrische Feld wird zwischen
der Verzögerungsleitung und einer zu ihr parallelen Elektrode erzeugt, die gegen
diese Verzögerungsleitung auf einem negativen Potential gehalten wird. Das magnetische
Feld kann z. B. durch einen permanenten Magneten erzeugt werden. In dem Raum zwischen
der Verzögerungsleitung und der negativen Elektrode pflanzt sich der Elektronenstrahl
fort und tritt mit dem Feld der längs der Verzögerungsleitung fortschreitenden Welle
in Wechselwirkung.
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Die Erfindung bezweckt, den Wirkungsgrad einer derartigen Röhre zu
verbessern. Erfindungsgemäß ist der Wechselwirkungsraum in zwei .Abschnitte unterteilt,
deren erster von einer Verzögerungsleitung
gebildet wird, welcher
einer Elektrode ohne Verzögerungseigenschaften gegenüberliegt, deren Potential höher
ist als dasjenige der Verzögerungsleitung. Der zweite Abschnitt des Wechselwirkungsraumes
wird dagegen in an sich bekannter Weise von einer Verzögerungsleitung gebildet,
welcher eine Elektrode ohne Verzögerungseigenschaften gegenüberliegt, deren Potential
niedriger ist als dasjenige der Verzögerungsleitung. Hierbei ist die Verzögerungsleitung
des zweiten Abschnitts in Fortsetzung der Elektrode ohne Verzögerungseigenschaften
des ersten Abschnitts und die Elektrode ohne Verzögerungseigenschaften des zweiten
Abschnitts in Fortsetzung der Verzögerungsleitung des ersten Abschnitts angeordnet.
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1Tach einer Abänderung der Erfindung ist im ersten Wechselwirkungsraum
die Elektrode mit höherem Potential als stark gedämpfte Verzögerungsleitung ausgebildet.
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Um die Überlegung zu erklären, welche zu den erfindungsgemäßen Anordnungen
geführt hat, wird zunächst der Elektronenmechanismus der aus den obigen Patentschriften
bekannten Röhren erläutert. Fig. i zeigt einen schematischen Schnitt einer solchen
bekannten Röhre, während die Fig. 2 a und 2 b die Kraftlinien bzw. Aquipotentiallinien
des elektrischen Feldes bei Anwesenheit einer Hochfrequenäwelle veranschaulichen.
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Wenn nach Fig. i ein von einer Kathode :2 ausgehender Elektronenstrahl
i in den Wechselwirkungsraum eintritt, welcher zwischen der auf ein positives Potential
gebrachten Verzögerungsleitung 3 (mit dem Eingang q. und dem Ausgang 5 für die Hochfrequenzwelle)
und der negativen Elektrode 6 liegt, unterliegen die Elektronen des Strahles zunächst
einer Phasenfokussierung und geben dann ihre potentielle Energie an das Hochfrequenzfeld
der fortschreitenden Welle ab, das hierdurch verstärkt wird.
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Im Laufe dieser Energieabgabe nähern sich die Elektronen der Leitung
3, während sie bei Abwesenheit des Hochfrequenzfeldes (Fig. i) von der Sammelelektrode
7 aufgenommen werden.
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Ein Teil 8 der Leitung 3 trägt eine Dämpfungsschicht, um die Selbsterregung
von Schwingungen zu vermeiden. Der Teil 9 der Leitung dient hauptsächlich der Phasenfokussierung
und der Teil io hauptsächlich der Verstärkung. Zwischen den Elektroden 3 und 6 wird
ein quer zu dem Strahl verlaufendes und in der Zeichenebene liegendes elektrisches
Gleichfeld Egl ausgebildet. Die Richtung dieses Feldes wird, mit der elektrischen
Kraft auf ein Elektron übereinstimmend, von der negativen Elektrode 6 zu der positiven
Elektrode 3 angenommen. Ferner wird senkrecht zu der Zeichenebene ein magnetisches
Gleichfeld mit der Induktion B erzeugt, welches mit dem elektrischen Feld E" und
der Elektronengeschwindigkeit v
(Leitbahngeschwindigkeit) durch die Bezeichnung
verknüpft ist.
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In Fig. 2a sind die elektrischen Kraftlinien des Hochfrequenzfeldes
dargestellt, welche sich im Wechselwirkungsraum mit der Phasengeschwindigkeit der
Welle verschieben. Die Pfeile der Kraftlinien weisen in die Kraftrichtung nach derselben
Übereinkunft, die für das Gleichfeld angenommen wurde. Das Hochfrequenzfeld ist
dem elektrischen Gleichfeld Egl überlagert. Fig. 2b zeigt die Äquipotentiallinien
des resultierenden Feldes.
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Aus Fig. 2 a ist ersichtlich, daß die Querkomponente des Hochfrequenzfeldes
sich von dem Gleichfeld Egl in den Gebieten A, C, E ... subtrahiert
und sich in den dazwischengelegenen Gebieten B, D ... zu ihm addiert,
so daß das resultierende Querfeld in den Gebieten A, B, C, D, E
... ab-
wechselnd schwächer und stärker als das Gleichfeld wird.
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Wenn bei nicht vorhandenem Hochfrequenzfeld die Elektronengeschwindigkeit
v gleich dem Verhältnis
ist, wird die elektrische Kraft, welche auf die -Elektronen einwirkt, durch die
Lorentzkraft ausgeglichen, welche auf der Geschwindigkeit der Elektronen und auf
dem magnetischen Feld beruht. Die hochfrequente Querkomponente des elektrischen
Feldes, die abwechselnd von der Glelchkomponente subtrahiert bzw. zu ihr addiert
wird, wirkt nämlich in Verbindung mit dem Magnetfeld derart, daß den Elektronen
eine zusätzliche Geschwindigkeit erteilt wird, welche sich der gleichförmigen Gesch-,vindigkeit
v (Leitbahngeschwindigkeit) überlagert, wobei der Zuwachs der elektrischen Kraft
durch den Zuwachs der Lorentzkraft ausgeglichen wird. Dies ergibt sich aus folgender
Betrachtung. Innerhalb des Wechselwirkungsraumes ist ein sich mit der Längsgeschwindigkeit
v parallel zur Verzögerungsleitung bewegendes Elektron zwei transversalen Kräften
unterworfen. Die elektrische Kraft ist gleich Egl - e und treibt es gegen
die positive Elektrode, während die Lorentzkraft die Größe B - e - v hat und das
Elektron auf die negative Elektrode hintreibt. Das Elektron behält seine Längsbewegung
bei, wenn diese beiden Kräfte sich äufheben, d. h. wenn die bekannte Bedingung
erfüllt ist.
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Wenn ein zusätzliches Transversalfeld d EHF durch die in der
Verzögerungsleitung fortschreitenden Hochfrequenzwellen erzeugt wird und sich zu
dem statischen Feld Egl addiert, erhält das Elektron die Geschwindigkeit
hieraus folgt B-e-dv=e'dEHF d. h. der Zuwachs der Lorentzkraft wird durch den Zuwachs
der elektrischen Kraft gerade ausgeglichen, so daß das Elektron seine Longitudinalbewegung
fortsetzt und keine transversale Komponente der Geschwindigkeit erhält.
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Die Elektronen. werden also, wie die Pfeile zwischen den Fig.2a und
2b angeben, je nach
ihrer Lage in bezug auf das fortschreitende
Hochfrequenzfeld verzögert oder beschleunigt. Diese Beschleunigungen und Verzögerungen
führen zur Gruppenbildung (Fokussierung) von Elektronen in den Bereichen, welche
in Fig.2b durch G symbolisch angedeutet sind; in diesen Bereichen ist die Querkomponente
des Hochfrequenzfeldes Null und die Längskomponente zu der Strahlrichtung entgegengerichtet.
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Aus Fig. 2 b ist ersichtlich, daß in diesen Bereichen G die Äquipotentiallinien
des resultierenden Feldes (in -Strahlrichtung gesehen) schräg zu der Verzögerungsleitung
gerichtet sind. Die angesammelten Elektronen werden infolge des vorhandenen Magnetfeldes
in Verbindung mit der Längskomponente der elektrischen Feldstärke einer Kraft unterworfen,
welche sie entlang den Äquipotentiallinien in Richtung auf die positive Elektrode
drückt, ohne dabei die gleichförmige Längsgeschwindigkeit v zu verändern. Sie verlieren
dadurch einen Teil ihrer potentiellen Energie, welcher an das Hochfrequenzfeld abgegeben
wird; hierdurch wird die Hochfrequenzwelle verstärkt.
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Der elektronische Wirkungsgrad einer derartigen Röhre ist um so höher,
je näher sich bei Abwesenheit eines Hochfrequenzfeldes die Elektronen am Kathodenpotential
befinden. Das Hochfrequenzfeld nimmt jedoch mit der Entfernung von der Verzögerungsleitung
rasch ab, und die Elektronen befinden sich daher während der Fokussierung in einem
schwachen Hochfrequenzfeld, was für die Verstärkung ungünstig ist. Bei der bekannten
Röhre sind somit die Bedingungen für einen guten Wirkungsgrad mit den Bedingungen
für eine gute Verstärkung nicht vereinbar.
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Zur überwindung dieser Schwierigkeit wurde in der französischen Patentschrift
i 000 853 bereits vorgeschlagen, mit der Kathode der Röhre -besondere elektronenoptische
Systeme zu verbinden oder die-Leitung in zwei Abschnitte zu zerlegen, von denen
der erste, welcher für die Fokussierung der Elektronen bestimmt ist, geringen Abstand
von der negativen Elektrode hat. Diese Systeme besitzen in konstruktiver und energetischer
Hinsicht verschiedene Mängel, welche sie in der Praxis unverwendbar machen.
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Die Erfindung sieht eine Lösung vor, welche diese Nachteile nicht
besitzt und darin besteht, daß der Wechselwirkungsraum in zwei'Abschnitte unterteilt
wird, wobei der Mechanismus des Energieaustausches im ersten Abschnitt zu dem an
Hand der Fig. 2 a und 2 b erläuterten Mechanismus umgekehrt ist.
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Dieser umgekehrte Mechanismus findet in einem Röhrenabschnitt statt,
wo die Richtung des elektrischen Gleichfeldes Egi umgekehrt wurde, d. h. wo die
Verzögerungsleitung auf das negative Potential gebracht wurde, während die positive
Elektrode eben ist.
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Fig. 3 a und 3 b zeigen für diesen Fall den Verlauf der Kraftlinien
und Äquipotentiallinien entsprechend den Fig.2a untl 2b. Wie ersichtlich, tritt
in diesem Falle ebenfalls die Phasenfokussierung an den Punkten ein, wo die elektrische
Querkomponente des Hochfrequenzfeldes Null ist. Im Gegensatz zu den Fig. 2 a und
.2b ist jedoch die elektrische Längskomponente des Hochfrequenzfeldes in diesen
Punkten in gleicher Richtung wie der Strahl ausgerichtet. Die Äquipotentiallinien
des resultierenden Feldes verlaufen (in Strahlrichtung gesehen) schräg zu der Verzögerungsleitung
hin, so daß die Elektronen zu dieser negativen Elektrode gedrückt werden. Während
dieser Bewegung nehmen sie an potentieller Energie zu, die ihnen vom Hochfrequenzfeld
geliefert wird. Die energetische Wirkung ist daher umgekehrt, wie sie an Hand der
Fig. 2 a und 2 b beschrieben wurde; die Hochfrequenzwelle wird nicht verstärkt,
sondern gedämpft.
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Die Darstellungen der Fig. 3 a und 3 b sind jedoch nur zutreffend,
wenn die die Fokussierung bewirkende Verzögerungsleitung ziemlich kurz ist. Der
fokussierte Strahl erregt nämlich seinerseits in der Verzögerungsleitung eine Welle,
deren Hochfrequenzfeld die Elektronen (aus energetischen Gründen) zu bremsen sucht.
Dieses Feld ist daher zu dem Feld der gedämpft fortschreitenden fokussierenden.
Welle entgegengesetzt gerichtet. Wenn die Leitung zu lang ist, wird das Feld der
erregten Welle in bezug auf das Feld der fokussierenden Welle vorherrschend, und
das resultierende Hochfrequenzfeld ist umgekehrt wie in Fig. 3 a und 3 b gerichtet,
d. h. daß sich die Feldbilder nach Fig. 3 c und 3d ergeben. Wie ersichtlich, werden
hier die Elektronen erneut zu der positiven Elektrode gedrückt, d. h. daß sie zugunsten
der Hochfrequenzenergie potentielle Energie verlieren, daß sich jedoch die Elektronengruppen
(Fig: 3 a und 3 b) entfokussieren, d. h. daß keine günstigen Arbeitsbedingungen
vorliegen.
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Die Erfindung sieht daher die Aufteilung der Verzögerungsleitung in
zwei Abschnitte vor, von denen der erste, in Verlängerung der negativen Elektrode
gelegene verhältnismäßig kurz ist. Der erzielte Effekt entspricht dann den Fig.
3 a und 3 b .und nicht den Fig. 3 c und 3d. Die Elektronen werden dort also
stark fokussiert, wobei sie sich näher am Kathodenpotential befinden, so daß sich
für den elektronischen Wirkungsgrad während der normalen Verstärkung in den Wechselwirkungsraum
des zweiten' Abschnittes sehr günstige Auswirkungen ergeben. Die Dämpfung der am
Eingang des ersten Abschnittes zugeführten Welle wird wieder aufgeholt und sogar
durch die Verstärkung in' dem zweiten Abschnitt übertroffen, so daß man schließlich
einen verbesserten Wirkungsgrad erzielt, ohne gegenüber der bekannten Röhre nach
Fig. r an Verstärkung zu verlieren.
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Fig. q. zeigt schematisch ein einfaches Ausführungsbeispiel des Erfindungsgedankens.
Die Bezugszeichen entsprechen denjenigen der Fig. z, von welcher die Fig. q. nur
darin abweicht, daß der erste Abschnitt 9 in Fortsetzung der negativen Elektrode
6 angeordnet und auf dasselbe Potential gebracht ist, während der ihm gegenüberstehende
Abschnitt der positiven. Elektrode keine Verzögerungseigenschaften
aufweist.
Der Abschnitt 9 ist zweckmäßig mit einer Dämpfungsschicht versehen. Die elektromagnetische
Welle tritt bei 4 ein und bewirkt, wie dies erläutert wurde, eine starke Fokussierung
der Elektronen des Strahles i. Die fokussierten Elektronen treten in den Wechselwirkungsraum
zwischen Elektrode f und Abschnitt io der Verzögerungsleitung ein und erregen in
io eine fortschreitende Welle, welche in Wechselwirkung mit dem Strahl tritt, wie
bei der bekannten Röhre der Fig. i, d. h. daß das Hochfrequenzfeld der erregten
Welle im Leitungsabschnitt io weiterhin die Elektronen fokussiert, wodurch sie fortlaufend
einen Teil ihrer potentiellen Energie an das Feld der Welle abgeben und sich dabei
in Zykloidenbahnen der Leitung nähern.
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Die Vorteile dieser Arbeitsweise sind die folgenden: i. Der elektronische
Wirkungsgrad ist im Vergleich zur Röhre nach Fig. i sehr hoch, weil bei einem Teil
der Elektronen -durch die Wechselwirkung mit der Längskomponente des Hochfrequenzfeldes
im Fokussierungsteil der Röhre die potentielle Energie zunimmt, welche durch das
Hochfrequenzfeld der fokussierenden Welle geliefert wird. Diese Energie wird in
dem der Verstärkung dienenden Teil der Röhre in Hochfrequenzenergie zurückverwandelt.
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z. Im Abschnitt 9 tritt keine Selbsterregung von Schwingungen auf,
selbst wenn dieser Abschnitt nicht gedämpft ist.
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3. Die Röhre ist verhältnismäßig kurz.
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Um zu vermeiden, daß die Elektronen während der Fokussierung von dem
fokussierenden Leitungsabschnitt 9 aufgefangen werden, wird die Kathode vorzugsweise
auf ein Potential gebracht, welches etwas, positiver ist als das Potential der Verzögerungsleitung
des Abschnitts 9.
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Die Röhre der Fig.4 kann auch als Frequenzvervieliache@r arbeiten,
wenn .sie so bemessen ist, daß die Frequenz der in dem Abschnitt io erregten Welle
ein Vielfaches derjenigen der Welle in dem Abschnitt 9 beträgt, wobei die Phasengeschwindigkeiten
in den beiden Abschnitten, welche der Strahlgeschwindigkeit gleich sind, der Grundwelle
bzw. der Oberwelle entsprechen.
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Die erfindungsgemäße Anordnung kann zweckmäßig besonders bei Röhren
mit Verzögerungsleitungen benutzt werden, bei welchen sich die Energie umgekehrt
zur Strahlrichtung ausbreitet, eine Eigenschaft, welche beispielsweise für symmetrische
Leitungen mit ineinandergreifenden Zwischenstegen oder für mäanderförmig gewickelte
Leitungen kennzeichnend ist. Auf diesen Leitungen können bei den bekannten Anordnungen
selbsterregte Schwingungen auftreten, während diese Gefahr bei dem erfindungsgemäßen
System, wenn solche Verzögerungsleitungen in dem fokussierenden Abschnitt 9 verwendet
werden, nicht mehr besteht, ohne daß eine künstliche Dämpfung erforderlich wäre.
Verwendet man andererseits solche Verzögerungsleitungen, wie in Fig. 5 gezeigt,
in dem verstärkenden Abschnitt io mit Anordnung des Dämpfungsabschnitts 8 am Sammelelektrodenende
und des Ausganges 5 an dem der Kathode benachbarten Ende, so kann man ein durch
die bei 4 eingeführte Welle gesteuertes selbstschwingendes System herstellen (Rückwärtswellenbetrieb).
Bei diesem kann die selbsterregte Schwingung gegebenenfalls mit einer Frequenzvervielfachung
einhergehen, wenn die Phasengeschwindigkeiten. der Wellen auf den beiden Abschnitten,
der Strahlgeschwindigkeit entsprechend .angepaßt sind.
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Gemäß einer Abänderung der Erfindung ist nach Fig. 6 der gedämpfte
Abschnitt 8 so angeordnet, daß er die positive Elektrode für die fokussierende Leitung
bildet, also gegenüber derselben angeordnet ist. Hierdurch werden die fokussierenden
und verstärkenden Abschnitte der Röhre noch besser voneinander getrennt. Zugleich
hat die Anordnung den Vorteil, die Röhre zu verkürzen, da der gedämpfte Teil 8 für
den Abschnitt io mit der positiven Elektrode des Abschnitts 9 vereinigt ist.