DE976631C - Schaltungsanordnung zum Betrieb eines Klystrons zur Erzeugung aeusserst hochfrequenter Schwingungen - Google Patents

Description

(WiGBl. S. 175)

AUSGEGEBENAM 30. JANUAR 1964

S 14898 IXd 121g

ist als Erfinder genannt worden

(Ges. v. 15. 7.1951)

Zur Erzeugung kürzester elektrischer Wellen mittels Röhren stehen grundsätzlich zwei Wege zur Verfügung. Der eine besteht darin, daß man von den üblichen Röhren mit Dichtesteuerung ausgeht und die Elektrodenabstände so lange verkleinert, bis die Elektronenlaufzeit zwischen den maßgebenden Elektroden verhältnismäßig klein gegenüber der Periodendauer ist. Dieses Verfahren hat seine Grenze in der praktischen Ausführbarkeit der Röhren mit sehr kleinen Elektrodenabständen, seine Anwendung ist demnach beschränkt. Der zweite Weg für die Erzeugung kürzester elektrischer Wellen (Zentimeterwellen) mittels Röhren besteht darin, die endliche Laufzeit der Elektronen auszunutzen und zwischen zwei Elektroden, an welche ein Schwingungskreis, in der Regel ein Hohlraumresonator, angekoppelt ist, durch passende Wahl der Laufzeiten einen negativen Widerstand zu erzeugen, so daß der Schwingkreis entdämpft und ihm Leistung zugeführt wird. Von diesem Grundgedanken macht man bei den Röhren mit der sogenannten Geschwindigkeitssteuerung Gebrauch, deren wesentlichster Vertreter das Klystron ist. Bei diesem wird ein Elektronenstrahl mit

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einer verhältnismäßig großen Anfangsgeschwindigkeit hintereinander durch zwei Elektroden hindurchgeschossen, zwischen denen im Betriebe die hochfrequente Wechselspannung liegt. Die Elektronen werden in ihrer Geschwindigkeit gesteuert, die ihnen erteilte Geschwindigkeitsmodulation wird in einem anschließenden Laufraum in eine Dichtemodulation umgewandelt, ein Vorgang, den man als Phasenfokussierung bezeichnet. Der in seiner ίο Dichte modulierte Elektronenstrahl tritt durch zwei weitere, mit einem Schwingkreis verbundene Elektroden, die Auskoppelelektroden, hindurch. An dieser Stelle soll die Dichtemodulation des Strahles ihren Höhepunkt erreicht haben.

Versucht man bei diesen Röhren die Leistung zu steigern, oder beispielsweise durch kurzzeitiges Anlegen sehr hoher Spannungen hohe Ströme aus der Kathode zu ziehen, so muß man erkennen, daß die Leistungssteigerung in dem gewünschten Maße ao nicht ohne weiteres gelingt. Es treten dabei offenbar Effekte auf, welche die Wirkungsweise der Röhre beeinträchtigen.

Die Erfindung betrifft nun Maßnahmen, welche diese Schwierigkeiten beseitigen, um die mit den erwähnten Röhren erreichbare Leistung wesentlich zu erhöhen. Die Erfindung beruht auf der folgenden Erkenntnis:

Der mit einer Röhre zur Erzeugung von Schwingungen erreichbare negative Widerstand ist allgemein sowohl von Raumladungseffekten als auch von Laufzeiteffekten abhängig. Bei den Laufzeitröhren sind die Wirkungen der Elektronengeschwindigkeit vorherrschend, doch spielen auch R aumladungsWirkungen eine Rolle, welche den Geschwindigkeitseffekten entgegenarbeiten. Diese Gegenwirkung der Raumladungen, die sich in Potentialsprüngen an den Elektroden äußert, wird um so größer, je höher die Stromdichte ist, bei der die Röhre arbeitet. Besonders im Impulsbetrieb, in welchem sehr hohe Ströme kurzzeitig auftreten, ist die Raumladungswirkung so stark, daß sie eine vollkommene Defokussierung bringt und damit die Schwingungserzeugung unterbindet. Diesen Nachteil beseitigt die Erfindung dadurch, daß zwischen alle aufeinanderfolgenden Elektroden Spannungen von der Größe gelegt werden, daß die infolge der Raumladung auftretenden Gleichfeldstärkesprünge an den Elektroden wenigstens teilweise kompensiert, vorzugsweise sogar überkompensiert werden. Es hat sich herausgestellt, daß man durch dieses Verfahren die Leistung einer Röhre mit Geschwindigkeitssteuerung wesentlich erhöhen kann und daß der Defokussierungseffekt, welcher durch Raumladungswirkungen bedingt ist, auf diese Weise vermieden werden kann. Man ist sogar imstande, noch eine zusätzliche Vergrößerung der Röhrenleistung zu erzielen.

Die Erfindung sei an Hand der Figur näher erläutert. In dieser ist schematisch das Elektroden-So system einer Klystronröhre dargestellt. Diese besteht aus einer Kathode I, aus den zwei zur Steuerung des Elektronenstromes dienenden Gittern II und III, den beiden Auskoppelelektroden IV und V sowie einer Auffangelektrode. Zwischen den Gittern III und IV ist ein feldfreier Raum vorhanden. Die Elektrode II liegt gegenüber der Kathode auf einem hochpositiven Potential, so daß ein die Röhre durchsetzender Elektronenstrahl erzeugt wird, dessen Elektronen mit einer bestimmten hohen Geschwindigkeit durch die Elektroden hindurchfliegen. Wenn die Laufzeit der Elektronen zwischen den einzelnen Elektroden richtig gewählt ist, dann tritt Phasenfokussierung ein, und das System ist imstande, Energie an einen mit den Auskoppelelektroden verbundenen Schwingkreis abzugeben, der durch eine Rückkopplung einen Teil dieser Energie auf einen mit den zur Steuerung dienenden Gittern verbundenen Schwingkreis überträgt. Solange die Elektronenströme verhältnismäßig klein sind, ist die Geschwindigkeitsmodulation der Elektronen das hauptsächlich Wirksame, das die Vorgänge in den Röhren bestimmt. In dem Augenblick aber, in welchem erhebliche Ströme die Röhre durchfließen, bleibt nicht die Geschwindigkeit allein das Maßgebende, sondern es beginnt auch die Raumladung bzw. die Feldstärke eine Rolle zu spielen. An sämtlichen Gitterebenen entstehen Gleichfeldstärkesprünge. Die Feldstärkewirkungen arbeiten der Geschwindigkeitsmodulation der Elektronen entgegen und können so groß werden, daß go die Röhre überhaupt nicht schwingen kann. Um diesem Übelstand abzuhelfen, wird nun gemäß der Erfindung jedes Gitter auf eine höhere positive Spannung als das vorhergehende gebracht. Die von außen aufgedrückten Saugfelder müssen hierbei so gewählt sein, daß die Feldstärkesprünge an den Elektrodenebenen zumindest gerade kompensiert werden. Man kann dann auch noch weiter gehen und noch höhere Spannungen anlegen, welche eine Überkompensation der Sprünge der Feldstärke an den Gitterebenen (Elektrodenebenen) bewirken. Auf diese Weise gelingt es, nicht nur die schädliche Einwirkung der Feldstärkesprünge an diesen Stellen auszugleichen, sondern eine Wirkung zu erzielen, welche die Phasenfokussierung, die durch die. Geschwindigkeitsverteilung der Elektronen zustande kommt, unterstützt.

In der Figur sind die der Erfindung zugrunde liegenden Zusammenhänge in einem Diagramm veranschaulicht, welches die in der Elektronenstrecke herrschende Feldstärke im Gleichstromzu stände in Abhängigkeit von dem Lauf winkel der Elektronen darstellt. Es ist zunächst angenommen, daß sämtliche Gitter an demselben Gleichpotential liegen. Es ergibt sich in diesem Falle bei der betrachteten Röhre ein Feldstärkeverlauf, der durch die ausgezogenen Linien dargestellt ist. Wird nun die Stromdichte erhöht, etwa dadurch, daß man mit der Kathode sich dem ersten Gitter bis zur Stellung I' nähert, oder auch dadurch, daß man durch ein Strahlfokussierungssystem für eine stärkere Bündelung des Elektronenstromes sorgt, dann erhält man eine Feldverteilung) welche durch die gestrichelten Linien dargestellt ist. Man erkennt, daß in diesem Falle in den Elektrodenebenen erhebliche Feldstärkesprünge auftreten. Diese Feld-

Stärkesprünge zu beseitigen und noch zusätzliche Vorteile zu erzielen, ist der Zweck der Erfindung. Bei Anwendung der erwähnten Überkompensation ergibt sich eine Feldstärkeverteilung gemäß der strichpunktiert dargestellten Linie. Es empfiehlt .sich, die Spannungsquellen für die Gitter regelbar zu machen, so daß man jederzeit die Saugspannung in ihrer Größe verändern und auf diese Weise die optimale Leistungsabgabe erzielen kann.

Claims (1)

1. PATENTANSPRUCH:

   Schaltungsanordnung zum Betrieb eines Klystrons mit hohem Strahlstrom zur Erzeugung äußerst hochfrequenter Schwingungen, bei dem die Elektronen nach der Geschwindigkeitsmodulation im Steuerraum im darauffolgenden Laufraum phasenfokussiert werden, danach im Auskoppelraum ihre Energie abgeben und dann von einer weiteren Elektrode aufgefangen werden, gekennzeichnet durch in Längsrichtung auf den Elektronenstrahl wirkende Beschleunigungsspannungen solcher Größe, daß längs des Weges des Elektronenstrahls Sprünge der Gleichfeldstärke an allen aufeinanderfolgenden Elektroden vermieden werden oder diesen Sprüngen eine solche Richtung gegeben wird, daß sie die Phasenfokussierung durch Beseitigung der Raumladungen unterstützen.

   In Betracht gezogene Druckschriften: Schweizerische Patentschriften Nr. 216058,

   220604; französische Patentschriften Nr. 885 804,

   890 389; »Die Telefunkenröhre«, März 1941, S. 120.

   In Betracht gezogene ältere Patente: Deutsches Patent Nr. 748907.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

   © 303 805/14 1,64