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Magnetfeldröhre zur Erzeugung ultrakurzer Schwingungen Es ist bekannt,
daß bei Magnetfeldröhren: Laufzeitschwingungen mit verschiedener Ordnungszahl ia
angeregt werden können, wobei n das Verhältnis von Dauer der Periode der angeregten
Schwingung zur Dauer eines Rollbahnumlaufs, ist. Das Ziel beim Bau von Röhren ist
die Erzeugung von Schwingungen mit möglichst kleinem ..-Wert bei gutem elektrischem
Wirkungsgrad, damit bei vorgegebener Wellenlänge und vorgegebenem Anodendurchmesser
das Magnetfeld und die Anodenspannung möglichst klein sind. Außerdem soll damit
erreicht werden, daß die bei cm-Wellen äußerst störend wirkende Rückheizungserscheinung
vermieden ist. Nun ist bekannt, daß man 4-Schlitz-Röhren bei 71 = 2, 6-Schlitz-Röhren
bei n = 2 oder n = 4/3, 2-Schlitz-Röhren bei n = z mit gutem Wirkungsgrad
anregen. kann. Außerdem ist einer bekannten Arbeit von K. Fritz und W. Engb:ert
in »Te1efunken-Mitteilungen«,:2 z. Jahrgang, Nrl 8q., September r9q.o, S. 41 bis
43, entnehmbar, welche Anregungen bei verschiedenen Schlitzschaltungen und verschiedenen
Schlitzzahlen grundsätzlich möglich sind. Dabei wird als Ergebnis für die technisch
am me@is,ten interessierenden 2-Phasen-Röhren (hochfrequente Drehfelder sind von
geringem Interesse) herausgestellt, daß die Schwingbereiche, gemessen im .-Maßstab:,
für die 2-, q.-, 6- und Mehrschlitzröhren stets im gleichen Gebiet liegen, da die
Pol-
Paarzahl bei allen Schlitzzahlen stets die gleiche ist. Wird
nach den in der Arbeit angegebenen Richtlinien ein »Schwingungsfahrplan« aufgestellt,
wobei alle möglichen Zahlen von Rollbahnbewegungen zwischen den zwei Segmenten und
alle ganzzahligen Perioden der Schwingung beim Durchlaufen. der Rollhahnbewegung
angenommen werden, so ergibt sich für n> i über n = i nach vu< i ein vollkommen
stetiger Schwingbereich:, z. B. bei i2 = 2/3, 4/3, 6/3, 8/3i i2
= 2/5, 4/5, 6/5, 8/5; ?ß = 2/7, 4/7, 6/7, 8/7, 16/7 usw. Dieser Schwingbereich
ist nach der angeführten Theorie bei allen Schlitzzahlen vorhanden. Bei einer experimentellen
Untersuchung wurde das errechnete Spektrum auch bei einer 2-Schlitz-Röhre beobachtet,
wobei im Gebiet n=1/2 eine energiereichere Stelle vorhanden ist, wie Abb. i zeigt.
Nach niederem: Ordungazahlen nimmt dann die Schwinganregung stetig ab. Der gleiche
Schwingbereich müßte auch bei Vier- und Mehrschlitzröhren vorhanden sein. Technisch
besteht demnach aber kein Grund, Mehrschlitzröhren zu bauen, da mit zunehmender
Schlitzzahl die Kreiskapazität zunimmt und der Wirkungsgrad infolge des schlechteren
Kreiswiderstandes abnimmt. Außerdem bereitet die Herstellung von Vielschlitzröhren
größere Schwierigkeiten als die von 2-Schlitz-Röhren.
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Bei einer experimentellen Untersuchung von Magnetfeldröhren mit. mehr
als zehn Schlitzen zeigte sich nun der überraschende Effekt entgegen der eben angeführten
Theorie, daß bei Ordnungszahlen wesentlich untern = i an ganz bestimmten Punkten
äußerst energiereiche Schwingungen auftreten.. Gemessen wurde mit einer i2-Schlitz-Röhre
eine Schwingungsanregung bei ia=o,5 mit einer 16-Schlitz-Röhre bei li= o,35 und
mit einer 24-SchIitz-Röhre bei i2 =o,25. Die Schwingungsanregung wurde dabei nur
in einem sehr kleinen n-Gebiet beobachtet. Zu beiden Seiten dieses Gebietes nahm
sie sofort wieder stark ab. Mit den angeführten Röhren wurden bei nachfolgenden
Wellenlängen folgende Leistungen gemessen: i. i2-Schlitz-Röhre H = i ioo G, #= 5
cm 27 = 5 °/o, NHF = i Watt 2. 16-Schlitz-Röhre H = i ioo G, A, = 3,2 cm
'7 = 4 %, NHF = 0,5 Watt 3. 24-Schlitz-Röhre H = 70o G, 2, = 4 cm 'I.= 2 %, NHF
= 0,2 Watt Die Röhren arbeiten sehr stabil und sind im Vergleich zu 4- und 6-Schlitz-Röhren
mit annähernd gleichen elektrischen Eigenschaften, rückheizungsfrei. Hingegen werden
bei 4- und 6-Schlitz-Röhren sogar bei Anwendung von Wolframkathoden nach wenigen
Minuten Betriebszeit die Kathoden zerstört. Außerdem ist bei den angeführten Röhrendaten
die Größe des Magnetfeldes auffällig klein. Während normalerweise bei einer iß =
i-Anregung bei A = 4 cm eine Feldstärke von 28oo G erforderlich ist, kann dagegen
bei der 24-Schlitz-Röhre mit einem Feld von 7oo G gearbeitet werden. Diese Feldverminderung
bedeutet eine Gewichtsersparnis von mindestens i ::2o bis 1 :30.
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Die beobachteten Schwingungsanregungen lassen sich theoretisch folgendermaßen
erklären: Wenn eine Magnetfeldröhre gemäß Abb. 2 mit mindestens zwölf Anodensegmenten
16 und dementsprechend mit ebenso vielen Schlitzen 17 ausgestattet ist, so läuft
jedes von der Kathode 18 ausgehende Elektron entlang einer einzigen Rollbahn i9
an mehreren Schlitzen vorbei. Ist in einem solchen Betriebsfall die Umfangsgeschwindigkeit
durch Einstellung der Anodenspannung und des Magnetfeldes so gewählt, daß die Laufzeit
von einem Schlitz bis zum nächsten gleich einer halben Periode wird, so bleibt ein
Elektron, das bei einem ersten Schlitz richtigphasig ist, auch beim nächsten Schlitz
noch richtigphasig, d. h., es liefert an mehreren Schlitzen Energie an das Wechselfeld
ab. Hierbei wird also die Geschwindigkeit des Elektrons in Richtung der Kraftlinien
des Wechselfeldes in den. Schlitzen zur Anregung der Schwingungen ausgenutzt. Bezogen
auf den Anodenzylinder ist es die in Richtung seines Umfanges verlaufende Geschwindigkeitskomponente,
die schließlich auch gegenüber dem Anadenkreis als Tangentialkomponente der Rollbahnbewegung
des Elektrons bezeichnet werden kann. Bei einer gegebenen Schlitzzahl und bei gegebenem
Anodenradius ist demnach also nur eine ganz bestimmte Anodenspannung möglich, mit
der eine Schwingungsanregung durchgeführt werden kann. Da die Laufzeit vom ersten
zum dritten Schlitz kleiner als die Umlaufzeit längs einer ganzen Rollbahn ist (n,=
i), muß die erzielte Schwingungsanregungmiteiner Ordnungszahlft< i erreicht sein.
Die Ordnungszahl ia wird also um so kleiner, je höher die Schlitzzahl ist. Die theoretische
Durchbrechung bei den ausgeführten Magnetfeldröhren gibt auch tatsächlich eine gute
Übereinstimmung einer solchen Rechnung mit den Meßwerten. Um eine Röhre möglichst
niedriger Ordnungszahl n zu betreiben, ist es zweckmäßig, sie mit recht vielen Schlitzen
auszurüsten. Mit zunehmender Schlitzzahl steigt aber die Kapazität, so daß dann
Nachteile in der Schwingkreisbemessung auftreten. Bei technisch durchzubildenden
Röhren sind daher je nach dem Betriebsfall Kompromisse zwischen aufzuwendendem Magnetfeld
und gewählter Schlitzzahl herbeizuführen. Außerdem besteht die Möglichkeit, die
Schwingkreiskapazität aller Segmente in bereits vorgeschlagener Weise auf mehrere
Kreise zu verteilen, die z. B. nur durch den Elektronenmechanismus miteinander gekoppelt
sind.
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Bei der üblichen Schaltung sind benachbarte Segments in Gegenphase
und über @/4-Schwingkreise verbunden, mit denen sich hohe Resonanzwiderstände ergeben.
Damit mit einer einzigen Rollbahn. mindestens zwei Schlitze durchlaufen werden,
müssen insgesamt mindestens zwölf Schlitze vorhanden sein. Aus. der angeführten
Theorie
ergeben sich demnach bei den verschiedenen Schlitzzahlen folgende ii-Werte: i2-Schlitz-Röhre
n=o,5 bis 0,55
i6-Schlitz-Röhre n = 0,35
24-Schlitz-Röhre n = o,25 32-Schlitz-Röhre
n=o,i7usw. Der angeführte Mechanismus ist deswegen so gut (vgl. den, hohen Wirkungsgrad
q bei sehr kurzen Wellen), weil die richtigphasigen Elektronen an mehreren Schlitzen
ihre Energie abgeben können. Falschphasige Elektronen dagegen werden bereits nach
dem Durchlaufen durch den ersten Schlitz zusätzlich beschleunigt und landen an der
Anode: Sie können daher am Wechselfeld des. folgenden Schlitzes keine Energie entziehen.
Demnach tragen also richtigphasi.ge Elektronen mehrfach zur Schwingungsanregung
bei, während falschphasige Elektronen nur einmal Energie aufnehmen. Da die falschphasigen
Elektronen auf der Anode- landen und die richtigphasigen Elektronen stark abgearbeitet
in den Entladungsraum zurückkehren, ist eine Rückheizungserscheinung, d. h. also
einer Rufheizung der Kathode durch Aufprall rückläufiger Elektronen auf die Kathodenoberfläche
praktisch ausgeschlossen.
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Nach diesen Erkenntnissen ergibt sich also eine Magnetfeldröhre für
den Bereich von io-cm-Wellen bis herunter zu i-cm-Wellen, die technisch äußerst
wichtig ist und praktisch überhaupt erst die Mög-lichkeit gewährleistet,
Röhren mit gutem Wirkungsgrad und stabilen Betriebsverhältnissen sowie tragbaren
Magnetfeldern herzustellen. Erfindungsgemäß sind zwei gegenphasig schwingende Sems
mente nur an den Au:skoppelkreis angeschlossen und von den übrigen Anodensegmenten
jeweils zwei gegenphasig schwingende nur über einen Schwingkreis verbunden. .
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Gemäß einer bevorzugten Ausbildungsform liegen die Schwingkreise jeweils
zwischen benachbarten Segmenten. Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausführungsform
sind an die Auskoppel-bzw. Schwingkreise Gruppen von gleichphasig schwingenden Segmenten
angeschlossen. Zweckmäßig sind die Segmente jeder Gruppe auf einer der Stirnseiten
des Anodenzylinders miteinander verbunden.
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Die Schaltung der Röhren kann verschiedenartig ausgeführt sein, wie
die übrigen Abbildungen schematisch zeigen.
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Wie in Abb. 3 dargestellt ist, gehört jedes Anodensegment 38 bzw.
39 nur zu einem bügelförmigen V4-Schwingkreis 41. Die einzelnen Schwinggebilde sind
über den Elektronenmechanismus geloppelt. Mittels der Lecherleitung 42 wird die
erzeugte Hochfrequenzenergie an zwei gegenphasig schwingenden, von Schwingungskreisen
freien Segmenten ausgekoppelt.
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Die Abb. 4 zeigt eine andere Art der Kombinati.on der Anodensegmente
38 bzw. 39. Wiederum stehen jeweils zwei Anodensegmente 38 bzw. 39 mit einem Schwingbügel
von A/4 Schenkellänge, in Verbindung. Es ist nicht erforderlich, daß die Segmente
benachbart liegen, sondern mittels des Schwingbügels 43 können mehrere Segmente
umgangen werden. Wesentlich ist nur, daß die gruppenweise Zusammenfassung nicht
beeinträchtigt wird.
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Entsprechend Abb. 5 können auch mehrere Ano,dens:egmente 38 bzw. 39
durch Kurzschlußbüg-e144 und 45 zusammengefaßt sein. Die Art der Verbindung der
Segmente ist der Abbildung deutlich zu entnehmen; sie erfolgt wieder über Schwingbügel
der Größe @/4.