DE968277C - Verfahren zum Betrieb einer Elektronenroehre - Google Patents

Description

Die Erfindung befaßt sich mit der Erzeugung von Schwingungen durch Stromstöße. Es wird bezweckt, dieseAufgabe mit besseremWirkungsgrad oder besserer Ausnutzung der verwendeten Anordnung zu lösen als bisher.

Die bekannten Verfahren dieser Art lassen sich in zwei Gruppen scheiden. Bei der ersten Gruppe ist die Zeit zwischen zwei Stößen gleich der Periodendauer der anzuregenden Schwingung, während in der zweiten Gruppe die Zeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden Stößen ein Vielfaches der Periode der anzuregenden Schwingungen beträgt.

Zur ersten Gruppe gehört das bei der Erzeugung größerer Schwingleistungen in Senderöhren mit gutem Wirkungsgrad übliche Verfahren, bei welchen der Anodenstrom nur kurzzeitig, und zwar dann fließt, wenn die Anodenspannung ihren niedrigsten Wert erreicht hat. Es ist hierbei wesentlich, daß der gesamte Stromübergang während einer Schwingungsperiode in dem für den Wirkungsgrad günstigsten Augenblick zusammengedrängt ist. Der Nachteil einer solchen Betriebsweise besteht darin, daß die Emissionsfähigkeit der Kathode nur während der sehr kurzen Stromübergangszeit ausgenutzt wird. Dem guten Wirkungsgrad einer solchen Anordnung steht daher eine schlechte Ausnutzung desselben gegenüber.

Bei der zweiten Gruppe handelt es sich im Grunde genommen um die Erzeugung gedämpfter Schwin-

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gungen, wobei weniger die Phasenlage des Stromstoßes als vielmehr seine Form, Breite und Flankensteilheit für die Energieübertragung auf den an die Röhre angeschlossenen Schwingungskreis von wesentlicher Bedeutung ist. Aber auch in diesem Fall wird die Emissionsfähigkeit der Kathode nur während der kurzen Stromübergangszeit ausgenutzt.

Ein ebenfalls bekanntes Verfahren zur Erzeugung kurzer, ungedämpfter elektromagnetischer Wellen

ίο großer Intensität bedient sich der Auskopplung der Schwingungsenergie aus einem Elektronenstrahl, der aus einer Kathode austritt, durch eine auf konstantem positivem Potential gehaltene Elektrode beschleunigt wird, dann eine schwingende Elektrode, welche einen Faradayschen Käfig darstellt, durchsetzt und nach abermaliger Beschleunigung durch eine weitere positive Elektrode von einer Auffangelektrode aufgenommen wird. Die Schwingungsanfachung kommt bei diesem Verfahren dadurch zustande, daß bei geeignet gewählter Länge der Käfigelektrode während der positiven Halbperiode der an der Käfigelektrode wirksamen Wechselspannung mehr Elektronen aus dem Käfig ausströmen, als in ihn einströmen, und während der negativen Halbperiode der Elektronenzustrom in den Käfig überwiegt.

Es ist ferner ein Verfahren zur Verstärkung hochfrequenter Schwingungen vorgeschlagen worden, bei welchem die von einer Kathode ausgehenden Elektronen durch die zu verstärkende Spannung ihrer Geschwindigkeit nach gesteuert und mit den hierdurch erhaltenen Geschwindigkeitsänderungen in einen im wesentlichen elektrisch feldfreien Raum geleitet werden, dessen Länge derart groß ist gegen die von den schnellsten Elektronen während einer Periode der Steuerfrequenz zurückgelegten Strecke, daß die Elektronen verschiedener Geschwindigkeit sich zu Gruppen ineinanderschieben, und mit Hilfe einer Abnahmeelektrode, die an einer Stelle größter Elektronenverdichtung oder -Verdünnung angeordnet ist, verstärkte Schwingungen abgenommen werden.

Schließlich sei noch erwähnt, daß eine Bremsfeldröhre zum Erzeugen, Verstärken und Empfangen ultrahochfrequenter Schwingungen mit einer Kathode, einem Steuergitter, einem Beschleunigungsgitter und einer Bremselektrode bekannt ist, bei welcher der zwischen dem Steuergitter und dem Beschleunigungsgitter befindliche Beschleunigungsraum von Wechselfeldern freigehalten wird.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Elektronenröhre, in welcher den aus einer Kathode austretenden Elektronen durch ein hochfrequentes steuerndes Längsfeld zeitlich nacheinander verschiedene Geschwindigkeiten erteilt werden und die Elektronen nach dem Durchlaufen eines hochfrequenzfeldfreien Raumes eine Auskoppelelektrode erreichen, bei einer solchen Wahl der Betriebsbedingungen, daß die innerhalb einer Steuerspannungsperiode die Kathode später verlassenden Elektronen die früher gestarteten Elektronen am Ende des hochfrequenzfeldfreien Raumes einholen und dieElektronenströmung sich in einzelne Ladungshaufen auflöst, welche bei ihrem Auftreffen auf eine positiv vorgespannte· Ausgangselektrode einen Ausgangskreis erregen, und ist dadurch gekennzeichnet, daß die Durchgangszeit dieser zwischen zwei Gittern, denen die gleiche Steuerspannung aufgedrückt wird und die einen hochfrequenzf eidfreien Raum begrenzen, sich bildenden Ladungshaufen durch eine außerhalb des hochfrequenzfeldfreien Raumes liegende Querschnittsfläche der Entladungsbahn kurz gegen die Steuerspannungsperiode ist und deren Elektronen die mit einem Ausgangskreis verbundene, die höchste positive Durchschnittsspannung führende Auskoppelelektrode annähernd gleichzeitig mit hoher Geschwindigkeit erreichen.

Die Erfindung bedient sich zwar an sich bekannter oder schon früher vorgeschlagener Elemente, gestattet aber durch die gekennzeichnete Betriebsweise eine Steigerung sowohl der Schwingungsleistung als auch des Wirkungsgrades.

An Hand eines Ausführungsbeispiels wird die Erfindung nachstehend näher erläutert, vor allem wie es gelingt, die dauernd von der Kathode emittierten Elektronen zunächst in irgendeinem Gleichgewichtszustand als freie Elektronen zu versammeln und sie erst zu gegebener Zeit in Form eines dichten »Elektronenpakets « zur Anode übergehen zu lassen und so die größte überhaupt von der Kathode zu liefernde Ladungsmenge, nämlich die Summe fast aller zwischen zwei Stoßen emittierten Elektronen, in der für den Stoßeffekt notwendig kurzen Zeit an der Anode eintreffen zu lassen.

Die Abb. 1 zeigt den Verlauf der Spannungen am ersten Gitter, zweiten Gitter und Anode im Falle einer Schwingung pro Stoß, und zwar bei üblicher Stoßerregung.

Bei dem Ausführungsbeispiel der Erfindung besteht die Anordnung aus vier ebenen und parallelen Elektroden: Kathode Z, Gitter G₁, Gitter G₂ und Vollanode A. Die beiden Gitter erhalten die gleiche Spannung, deren zeitlicher Verlauf etwa wie der der Abb. 2 sein soll, also eine periodische Funktion mit einem von V_s (der Sättigungsspannung) aus stark ansteigenden und einem scharf abfallenden Ast. Solange die Spannung am ersten Gitter verhältnismäßig klein ist, werden die die Kathode verlassenden Elektronen in dem zwischen Kathode und erstem Gitter liegenden Raum nur wenig beschleunigt. Sie durchlaufen dann den benachbarten, zwischen den Gittern liegenden feldfreien Raum mit einer konstanten kleinen Geschwin- uo digkeit. Je später die Elektronen starten, um so stärker ist die Feldkraft und Beschleunigung an der Kathode und um so größer die konstante Geschwindigkeit im Raum zwischen den Gittern. Die Dimensionierung der Räume K—G₁ und G₁—G₂ kann im Verhältnis zum 1x5 zeitlichen Verlauf der Spannungen so gewählt werden, daß alle Elektronen zur gleichen Zeit das zweite Gitter und, falls die Übergangszeit vom zweiten Gitter zur Anode hinreichend klein ist, auch die Anode gemeinsam erreichen. Abb. 3 zeigt ein Zeit-Weg-Diagramm für die einzelnen Elektronenläufe, aus dem ersichtlich ist, wie die Entladung sich zusammendrängt und paketweise vom Gitter G₂ zur Anode übergeht. Die in Abb. 2 gezeichnete Gitterspannung und die Anodenspannung sind als Zeitmarke mit angegeben. Die im Stoß enthaltene Elektronenmenge soll — wie bereits anderweit

vorgeschlagen — aus einer gegen die Absorptionszeit der Anode sehr langen Emissionszeit der Kathode stammen. Möglichst während der gesamten Zeit zwischen zwei Stoßen liefert die Kathode Anteile für die Stoßladung, also unter Umständen ununterbrochen. Die so erhöhte Ladungsmenge vervielfacht die energetische Wirkung des Stoßes. Die Begriffe der Emissionszeit der Kathode und der Absorptionszeit der Anode stimmen nicht überein mit den Begriffen der Entladungszeit der Kathode bzw. Ladezeit der Anode. Unter Emissionszeit bzw. Absorptionszeit sollen diejenigen Zeiten verstanden werden, während welcher die im Stromstoß enthaltene Elektronenmenge die Kathode verläßt bzw. von der Anode aufgenommen wird. Diese Zeiten sind verschieden von der Entladezeit der Kathode bzw. Ladezeit der Anode für den aus Konvektionsstrom und Verschiebungsstrom zusammengesetzten Gesamtstrom. Diese Unterscheidungen sind ziemlich bedeutungslos, solange die Übergangszeit des Elektronenhaufens von dem Ausgangspunkt der Entladung (z. B. das zweite Gitter im Ausführungsbeispiel) zur Anode kurz ist gegen die Periodendauer der anzuregenden Schwingung. Sobald jedoch die Laufzeit in diesem Raum die Größenordnung der Schwingungsdauer der anzuregenden Schwingung erreicht, verflacht der Verschiebungsstrom den ansteigenden Teil des Stoßes. Die Wirksamkeit dieses Stoßes beruht dann ausschließlich auf dem scharfen zeitlichen Abfall, der durch die kurze Absorptionszeit der Anode bedingt ist und den Oberwellengehalt des Stoßes bestimmt. Gerade in solchen Fällen wird eine durchbrochene Anode wirksam sein; der Verschiebungsstrom der durchgehenden Entladung ist im Mittel Null und trägt in an sich bekannter Weise nicht zurAnodenbelastung bei.

Unter Anode ist dabei diejenige Elektrode des Entladungsraumes zu verstehen, die mitdem anzuregenden Kreis verbunden ist und die höchste positive Durchschnittsspannung hat. Die Anode braucht nicht die äußere Elektrode zu sein, sie kann auch gitterförmige Gestalt haben. In diesem Fall ist unter Absorptionszeit die Durchgangszeit des Elektronenhaufens durch die Anode zu verstehen.
Die allgemeine Lösung des Problems besteht — wie bereits anderweit vorgeschlagen — darin, Mittel vorzusehen, welche die Laufzeiten Kathode—Anode der früher startenden Elektronen langer als die der späteren machen, damit alle Elektronen einen gemeinsamen Ort annähernd zur gleichen Zeit erreichen.

Auf diese Weise entstehen an dem gemeinsamen Ort Stromstöße, die im allgemeinen periodisch wiederholt werden. Es kann aber auch eine Wiederholung der Stromstöße mit veränderlicher Frequenz im Bereich der technischen Notwendigkeiten liegen, z. B. eine Modulation der Stoßfrequenz.

Die Verschiedenartigkeit der Laufzeiten für die einzelnen Elektronen läßt sich durch verschieden lange Bahnen erreichen. Die Elektronen können auch irgend welche ungeordneten Bewegungen ausführen, wenn nur Vorsorge getroffen wird, daß während der Vorratsbildung eine Absorption der Elektronen an Leitern vermieden wird und die Entleerung des Sammelraumes kurzzeitig erfolgen kann.

Am vorteilhaftesten erfolgt jedoch die Laufzeitenregelung — wie bereits anderweit vorgeschlagen — dadurch, daß den früheren Elektronen geringere Beschleunigungen erteilt werden als den späteren. Allen Elektronen ist dabei die gleiche Bahnlänge gemeinsam. Die späteren Elektronen sollen die früher gestarteten in einem, allen gemeinsamen Punkte einholen. Das ist nur dann möglich, wenn der Raum zwischen Kathode und Ausgangspunkt der Entladung feldmäßig inhomogen ist. Herrschte an allen Stellen die gleiche, wenn auch zeitlich veränderliche Feldkraft, so eilten stets die früher gestarteten Elektronen den später gestarteten fort. Aus mathematischen Überlegungen ergibt sich für den Spezialfall des örtlich linearen Potentialverlaufes des Beschleunigungsraumes, daß eine Funktion ähnlich

ο o.

(#₀ = Zeit zwischen zwei Stoßen) dieser Potentialverteilung zugeordnet ist. Das Erfordernis des kurzzeitigen Abklingens ist durch die Überlegung gegeben, daß der abfallende Teil der Funktion zu der Sammelwirkung nicht beiträgt, vielmehr eine zerstreuende Wirkung ausübt und daher als störend, zeitlich möglichst begrenzt sein soll.

Geringer Abstand des ersten Gitters ermöglicht Ver-Wendung relativ kleiner Spannung an diesem Gitter, auch wird die Flugzeit im ersten Raum kleiner und damit der Verlust der Stoßladung durch Elektronen, die bei dem notwendigen Wechsel der Entladungsfunktion vom ansteigenden auf den abfallenden Teil nicht vollständig gesteuert werden, gering. Die Tiefe des feldfreien Raumes ist in erster Näherung von der Tiefe des Beschleunigungsraumes unabhängig und etwa gleich dem Produkt:

F,.

Formen des Gitterspannungsverlaufes, wie sie für die Durchführung der vorbeschriebenen Verfahren i°5 zweckmäßig sind, lassen sich auf die verschiedenste Weise, z. B. durch oberwellenreiche harmonische Schwingungen oder Kippschwingungen, herstellen. Auch die Anwendung einer Hysteresiskurve, wie sie etwa in einem Dynatron oder bei der Bildung virtueller n° Kathoden entsteht, ist möglich. Abb. 4c zeigt den aus der sinusförmigen Primärspannung in Abb. 4a über die Hysteresiskurve in Abb. 4b entstandenen Spannungsverlauf, der noch durch Zwischenschaltung von var. μ-Röhren geeigneter Charakteristik umgeformt werden kann. Wesentlich ist dabei, daß die Hysteresiskurve in einer Anordnung erzeugt wird, deren Trägheitserscheinungen noch nicht nennenswert die Schärfe der Unstetigkeitsstellen beeinträchtigen.

Zur Durchführung des Erfindungsgedankens besteht auch die Möglichkeit einer Vereinigung der vorerwähnten Mittel, wie der Verschiedenartigkeit derBahnlänge der Elektronen und der ihnen erteilten Beschleunigungen.

Die angegebene Art der Steuerung eines Elektronenstromes ist unabhängig davon, ob in der Sättigung oder

im steuerbaren Teil der Charakteristik der Kathode gearbeitet wird.

Als Kathode kommt in erster Linie eine Glühkathode in Frage, aber auch andere Emissionsquellen, wiePhotokathoden und ionisierte Gase, können als Kathode im Sinne der Erfindung angesehen werden.

Claims (7)

1. Patentansprüche:

   ίο i. Verfahren zum Betrieb einer Elektronenröhre,

   in welcher den aus einer Kathode austretenden Elektronen durch ein hochfrequentes steuerndes Längsfeld zeitlich nacheinander verschiedene Geschwindigkeiten erteilt werden und die Elektronen nach dem Durchlaufen eines hochfrequenzfeldfreien Raumes eine Auskoppelelektrode erreichen, bei einer solchen Wahl der Betriebsbedingungen, daß die innerhalb einer Steuerspannungsperiode die Kathode später verlassenden Elektronen die früher gestarteten Elektronen am Ende des hochfrequenzfeldfreien Raumes einholen und die Elektronenströmung sich in einzelne Ladungshaufen auflöst, welche bei ihrem Auftreffen auf eine positiv vorgespannte Ausgangselektrode einen Ausgangskreis erregen, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchgangszeit dieser zwischen zwei Gittern, denen die gleiche Steuerspannung aufgedrückt wird und die einen hochfrequenzfeldfreien Raum begrenzen, sich bildenden Ladungshaufen durch eine außerhalb des hochfrequenzfeldfreien Raumes liegende Querschnittsfläche der Entladungsbahn kurz gegen die Steuerspannungsperiode ist und deren Elektronen die mit einem Ausgangskreis verbundene, die höchste positive Durchschnittsspannung führende Auskoppelelektrode annähernd gleichzeitig mit hoher Geschwindigkeit erreichen.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf die aus einer Kathode austretenden Elektronen eine von der Sättigungsspannung stark ansteigende und dann scharf abfallende periodische Beschleunigungsspannung einwirkt.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschleunigungsspannung mit der Zeit (t) etwa proportional

   ansteigt und dann sehr kurzzeitig ab Hingt, wobei #„ die Zeit zwischen zwei solchen Spannungsstößen bedeutet.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschleunigungsspannung in einem Organ mit hysteresisartiger Charakteristik aus einer im wesentlichen sinusförmigen Spannung erzeugt wird.
5. 5. Verfahren nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschiedenartigkeit der Laufzeit der einzelnen Elektronen durch unterschiedliche Länge der von den Elektronen zurückgelegten Bahnen oder durch unterschiedliche Bahnlänge und außerdem unterschiedliche Beschleunigungen erreicht wird.
6. 6. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verwendung einer Röhre, an welcher der Abstand zwischen den beiden Gittern, welche den feldfreien Raum begrenzen, größer ist als der Abstand des ersten Gitters von der Kathode.
7. 7. Verfahren nach Anspruch 1 und folgenden, gekennzeichnet durch Verwendung einer Elektronenröhre mit einer durchbrochenen Anode, hinter der sich mindestens eine weitere Elektrode befindet.

   In Betracht gezogene Druckschriften: Britische Patentschrift Nr. 442326; Zeitschrift für Physik, 1935, S. 752 bis 762.

   Entgegengehaltene ältere Rechte: Deutsche Patente Nr. 727 235, 938 553.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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