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Vervielfacher mit getrenntem Vervielfacher-und Sammelraum.
Die Erfindung bezieht sich auf Verstärker und Schwingungserzeuger, die mit Sekundärelektronenauslösung arbeiten und betrifft ein System, in dem Vervielfachung und Sammlung der Elektronen getrennt erfolgen.
Der Elektronenvervielfacher arbeitet auf Grund des Energieaustausches zwischen einer schwingenden Elektronenwolke und einer Hochfrequenzspannung, u. zw. erfolgt der Vorgang zwischen einem Paar sich gegenüberstehender Kathoden, die einen Sekundäremissionsfaktor von mehr als 1 für die
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung, in der diese beiden Erscheinungen in getrennten, aber benachbarten Räumen erfolgen und die Elektronen, insbesondere durch eine gemeinsame Kathode, von dem einen zum andern Raum fliegen. Bei Feststellung der Bedingungen, unter denen die Energie von der zugeführten Wechselspannung auf die Elektronenwolke übertragen wird, wurde gefunden, dass, wenn die Schwingungszahl der schwingenden Elektronenwolke in unmittelbarer Nähe der Eigenfrequenz des die Kathoden verbindenden Stromkreises liegt, die Röhre als Elektronenvervielfaeher mit hohem Wirkungsgrad arbeitet bzw. selbst Schwingungen erzeugt, wenn Energie aus der Vervielfacheranordnung entnommen und wenigstens zum Teil als Rückkopplungsenergie dem Kathodenkreis zugeführt wird.
In diesem Falle wird die Energie einer Gleichstromquelle entnommen, die an der zwischen den beiden Kathoden angeordneten Anode liegt.
Wenn die Schwingungszahl der Elektronenwolke in unmittelbarer Nähe der Eigenfrequenz des die Kathoden verbindenden Kreises liegt, erzeugt die Röhre, wie experimentell gefunden wurde, Schwingungen, welche weitgehend durch die Eigenfrequenz des abgestimmten Kreises bestimmt werden.
Die zugeführte Hochfrequenz bewirkt durch den Vervielfachungsprozess, dass eine Elektronen- wolke der geeigneten Phase einen Teil der Schwingungsenergie aufnimmt. Diese Elektronenwolke würde von selbst in ungefähr derselben Frequenz schwingen, wie die des Stromkreises ist, wenn nicht die Hochfrequenz selbst die Wolke beschleunigte und die Zeit für den Weg durch die Röhre kleiner machte als es der Halbperiode des abgestimmten Kreises entspricht. Die alleinige Tatsache, dass die Elektronen beschleunigt werden, bewirkt, dass sie die Kathode treffen. Die zurückkehrende Elektronen-
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Ergebnis ist, dass die schnellsten Elektronen gegenüber der Spannung schnell aus der Phase fallen.
Die Elektronenverteilung in der Wolke stellt sich jedoch in jeder Halbperiode wieder her, da der Betrag der Vervielfachung gross ist, verglichen mit dem Betrag der Phasenverschiebung.
Der Vorgang läuft indessen darauf hinaus, dass die Elektronen aus der Vervielfachungsphase in die entgegengesetzte Phase gebracht werden, in der ein Elektron durch die Hochfrequenz eher abgebremst als beschleunigt wird. In dieser Phase treffen die Elektronen die Kathoden nicht mehr, sondern setzen die Schwingung zwischen diesen fort und liefern Energie in den äusseren Stromkreis, während sie durch die Hochfrequenz abgebremst werden.
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Wenn die Wahrscheinlichkeit dafür, dass ein Elektron die Anode trifft, hinreichend klein ist, entsteht ein Gleichgewichtsstrom unter der Voraussetzung, dass die Elektronen aus der Vervielfachungs- phase in die energieabgebende Phase gebracht werden, u. zw. in demselben Betrag, wie die Elektronen an der Auslöseelektrode vervielfacht werden. Die Elektronen der energieabgebenden Phase treffen erst dann die Auslöseelektrode, wenn sie fast alle Energie an den Sehwingungskreis abgegeben haben.
Es kann indessen, wie im gegenwärtigen Fall, erwünscht sein, die Energie nicht direkt von der Vervielfachungsanordnung abzunehmen, sondern einen Teil der schwingenden Elektronenwolke in eine unmittelbar benachbarte Anordnung zu bringen und die vervielfacht Energie aus dieser zweiten Anordnung zu entnehmen.
In den Zeichnungen stellt Fig. 1 im Querschnitt ein Ausführungsbeispiel nach der Erfindung mit einer Schaltung zur Elektronenvervielfachung dar und Fig. 2 die gleiche Röhre als Schwingungerzeuger geschaltet. Fig. 3 zeigt teils im Querschnitt teils in Ansieht einen Vervielfaeher mit vier Elektroden, welche einen die innen liegende Anode umschliessenden Zylinder bilden. In Fig. 4 ist ein Querschnitt nach 4-4 der Fig. 3 mit dem dazugehörigen Stromkreis gezeigt.
Die Röhre 1 enthält die übliche Art eines Vervielfaehers, der aus einem Paar gegenübergestellter Auslöseelektroden besteht, von welchen die eine, insbesondere die Endelektrode der Röhre 1, die Form eines Bechers 2 hat, dessen Hohlseite dem übrigen Teil der Anordnung zugewandt ist.
Die becherförmige Auslöseelektrode 2 kann in irgendeiner beliebigen Weise befestigt sein, z. B. an einer Zuführungsleitung 3, welche durch den Glasfuss 4 der Röhre geht. Die gegenüberliegende Auslöseelektrode kann ungefähr in der Mitte der Röhre angeordnet sein und enthält ein Netz -5, das sich über den Querschnitt der Röhre erstreckt und zweckmässig innerhalb des Kathodenzylinders 6 angeordnet ist.
Zwischen den beiden Auslöseelektroden liegt eine Anode 7, zweckmässig in Form eines Zylinders, dessen Durchmesser dem der Becherelektrode 2 und des Zylinders 6 entspricht. Das Innere des Kathodenbechers 2 und die Oberfläche des Kathodenschirmes 5 sind entsprechend behandelt, bestehen z. B. aus Silber, welches oberflächlich oxydiert und mit einer Caesiumschicht bedeckt ist. Eine derartige Oberfläche besitzt einen grossen Sekundäremissionsfaktor von z. B. 6 bei passender Elektronengeschwindigkeit. Es kann jedoch auch eine unbehandelte Niekelelektrode verwendet werden, die einen Sekundäremissionsfaktor von mehr als 1 hat.
Auch eine derartige Elektrode, formiert oder unformiert kann genügen, obwohl natürlich die entsprechende Vervielfachung bei einem Stoff mit höherer Sekundäremission durch eine geringere Zahl von Zusammenstössen erreicht werden kann.
Auf dem entgegengesetzten Ende der Röhre 1 ist ein Sammelkathodenbecher 9 angeordnet, der in Form und Grösse mit der Auslöseelektrode 2 übereinstimmt. Zwischen der Sammelelektrode 9 und dem mittleren Kathodenzylinder 6 ist eine zweite Anode 10 vorgesehen, die der Anode 7 gleich ist.
Zweckmässig ist die Anordnung aller fünf Elektroden symmetrisch, so dass die Zwischenräume zwischen den Kathoden 2 und 5 denen zwischen den Kathoden 5 und 9 gleich sind.
Die Sammelkathode 9 ist an einer Zuführung 11 befestigt, welche durch eine Einschmelzung 12 in die Röhre hineinragt. Indessen unterscheidet sich die Sammelkathode 9 von der Vervielfacherkathode 2 dadurch, dass ihre innere Oberfläche entweder keine oder aber eine äusserst geringe Sekundäremission aufweist, z. B. aus karbonisiertem Nickel besteht.
Nach dem Zusammenbau der Elektroden wird die Röhre ausgeheizt, entgast, evakuiert und die Oberflächen der Kathoden 2 und 5 formiert.
Zum Zwecke der Vervielfachung wird die Röhre, wie in Fig. 1 dargestellt, geschaltet. Durch die Verbindungsleitung 14 wird über einen Bloekkondensator 15 Hochfrequenz auf die Kathode 2 durch die Zuleitung 3 gegeben. Die Kathode 2 ist durch einen abstimmbaren Schwingungskreis 16 mit der Schirmkathode 5 über geeignete Erdleitungen verbunden. Die Anoden 7 und 10 sind über getrennte, Hoehfrequenzdrosseln 17 miteinander und gemeinsam mit einer Gleichstromquelle 19 verbunden deren anderer Pol an Erde liegt.
Die Sammelkathode 9 ist über einen Ausgangsschwingungskreis 20 an Erde gelegt und die Ausgangsenergie kann dieser Kathode über einen Blockkondensator entnommen werden. Um die Röhre zum Schwingen anzuregen, ist es nur notwendig, die Anoden 7 und 10 zu erregen, da sieh in dem Raum zwischen den Kathoden 2 und 5 eine ausreichende Zahl freier Elektroden befindet, welche zu einer oder zu beiden Kathoden durch das Potential der Anode beschleunigt werden, dort auftreffen und Sekundärelektronen auslösen.
Wenn dann eine Hoohfrequenzspannung zwischen die Kathoden 2 und 5 gelegt, mit Hilfe des abstimmbaren Kreises 16 eingestellt und die Flugzeit der Elektronen zwischen den Kathoden 2 und 5 durch Anlegen eines geeigneten Potentials an die Anode 7 so gewählt wird, dass sie mit der Periode der Eingangsspannung übereinstimmt, treten Elektronenschwingul1gen zwischen beiden Kathoden auf und wiederholte Zusammenstösse mit den Kathoden, die bei jedem Stoss Sekundärelektronen aussenden.
Die Ausbildung des zwischen den dargestellten Kathoden auftretenden Feldes oder auch ein äusseres elektrisches Feld bewirkt, dass eine bestimmte Zahl von Pendelungen erfolgt, bevor die Sammlung durch die Anode 7 stattfindet und es wird ein bestimmter Vcrvielfachungsfaktor erreicht, bevor
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der Gleichgewichtsstrom in der Röhre eintritt. Auf diese Weise erfolgt die Elektronenvervielfachung und die Konstanten der beiden Kathoden und der Anode der Vervielfachereinrichtung werden so gewählt, dass ein maximaler Gleichgewichtsstrom auftritt.
Die beschriebene Anordnung unterscheidet sich von früheren Vervielfacheranordnungen dadurch, dass die mittlere Kathode 5 Öffnungen aufweist. Das bedeutet, dass zu jeder Zeit, wenn die Elektronen- wolke die Ebene der Kathode 5 erreicht, eine bestimmte Zahl von Elektronen auftrifft und
Sekundärelektronen erzeugt, die dazu dienen, den Prozess der Vervielfachung fortzusetzen, andere der Elektronen dagegen direkt durch die Öffnungen in der Kathode 5 in die zweite Anordnung treten, welche die Kathode 5, Anode 10 und Kathode 9 enthält.
In dieser Anordnung sind indessen andere Bedingungen vorhanden. Die Ausgangskathode 9 ist so behandelt, dass keine Sekundäremission an ihr auftritt, und wenn die Kathode 9 mit der Kathode 5 durch einen abgestimmten Kreis 20 verbunden ist, schwingen die Elektronen, die durch die mittlere
Kathode 5 treten, zwischen den Kathoden 9 und 5 hin und her und es wird von ihnen, da sie zwischen den Kathoden schwingen, Energie aufgenommen.
Der Vorteil, der durch diese Art der Energieentnahme von der Röhre gewonnen wird, ist, dass die Phasenverschiebung der schwingenden Elektronen in dem Ausgangskreis bedeutungslos ist. Mit andern Worten : Irgendwelche Elektronen im Ausgangskreis der Röhre, welche aus der Phase sind und infolgedessen in einer Lage, dass sie Energie der Schwingungen verbrauchen, treffen die Kathoden und werden von ihnen absorbiert und da das Potential der Anoden in jedem Teil der Röhre so eingestellt werden kann, dass die Frequenz der Elektronenschwingung mit der des abgestimmten Kreises und mit der zu verstärkenden Hochfrequenz übereinstimmt, arbeiten beide Anordrungen insgesamt in Phase.
Der Ausgangskreis erzeugt also in keinem Sinne eine Elektronenvervielfachung. Er stellt eine Anordnung dar, in der die Kathode 9 alle sie treffenden Elektronen absorbiert und in der keine Sekundärelektronen ausgelöst werden. Es werden also durch Anwendung einer symmetrischen Anordnung in Phase Vervielfachung und Entnahme getrennt. Die Schwingungen der Elektronenwolke und die Zuführung der Energie dazu erfolgt mit der Vervielfachung in einer Anordnung und die Entnahme der Energie vor der Elektronenwolke, ohne Vervielfachung in der andern Anordnung.
Auf diese Weise ist die Notwendigkeit vermieden, in der Vervielfacheranordnung eine wesentliche Phasenverschiebung zu erzeugen, die zur Entnahme von Energie aus der Elektronenwolke erforderlich ist. Es ist also, wie oben ausgeführt, vor Entnahme der Energie aus einem gewöhnlichen Vervielfacher notwendig, die Energie einer Komponente der Elektronenwolke zu entziehen, welche mit der vervielfachenden Elektronenwolke nicht in Phase ist. Nur in diesem Falle wird genug Energie entnommen, um die Vervielfachung aufrechtzuerhalten.
In Fig. 2 ist ein Stromkreis gezeigt, bei dem die Ausgangskathode 9 mit der Eingangskathode : 2 durch einen abgestimmten Kreis 22 verbunden ist und eine Anzapfung 24 an der Induktivität des abgestimmten Kreises liegt, die mit der mittleren Kathode 5 verbunden ist. Eine derartige Schaltung bewirkt, dass in der Vervielfacheranordnung, die aus den Kathoden 2 und 5 und der Anode 7 besteht, Schwingungen entstehen, wobei zusätzliche Energie von der Ausgangsanordnung entnommen wird, welche die Kathoden 5 und 9 zusammen mit der Anode 10 enthält. Die Energie wird auf den Eingangskreis rückgekoppelt und so die elektromotorische Kraft verstärkt, so dass die Anordnung als Schwingungserzeuger wirkt.
Ein anderes Ausführungsbeispiel nach der Erfindung ist in den Fig. 3 und 4 dargestellt. In dieser Röhre stehen sich die beiden Vervielfaeherkathoden 25 und 26 gegenüber und sind über einen abstimmbaren Schwingungskreis 16 miteinander verbunden. Die Kathoden 25 und 26 sind, genau wie die Kathoden 2 und 5, zum Zwecke der Sekundäremission aktiviert. Als Anode dient eine in der Mitte angeordnete Spirale 27.
Die Ausgangskathoden 28 und 29 sind ebenfalls gegenübergestellt und alle vier Kathoden 25, 26, 28 und 29 bilden zusammen einen Zylinder, wobei jede Elektrode elektrisch isoliert ist und die Ausgangskathoden 28 und 29 ebenfalls durch einen abstimmbaren Schwingungskreis 20 verbunden sind. Die Ausgangskathoden sind nicht sekundäremittierend und können aus karbonisiertem Nickel bestehen, wie das oben für die Ausgangskathode 9 auseinandergesetzt wurde. Die Anode 27 wird an die positive Klemme der Anodenbatterie 19 gelegt.
Ausserdem ist z. B. mit Hilfe einer Fokussierspule 30, die von der Stromquelle 31 über der einstellbare Widerstand 32 gespeist wird, ein schwaches Magnetfeld in der Röhre, u. zw. in axialer Richtung vorgesehen, so dass ein Fortschreiten der Elektronensehwingungswege in der Richtung von den Vervielfacherkathoden zu den Ausgangskathoden stattfindet. Wird z. B. an die Vervielfacherkathoden 25 und 26 eine Hochfrequenzspannung gelegt, entweder durch einen Schwingungserzeuger oder dadurch, dass man die beiden Vervielfacherkathoden zu Eigenschwingungen anregt, so schwingen die Elektronen mit der für die Vervielfachung geeigneten Phase, so dass sie entlang der Mittellinie, welche die Vervielfacherkathoden verbindet, laufen und die Elektronen, die in der zur Abgabe ihrer Energie an den Ausgangskreis geeigneten Phase schwingen, pendeln rechtwinklig zu den Vervielfacherkathoden.
Die Anwendung des Magnetfeldes verhindert, dass die Ausgangselektronen einer Bahn
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folgen, in der sie Energie verbrauchen. Infolge dieses Feldes ist eine kontinuier] if-he Bewegung von Vervielfacherelektronen auf die Ausgangskathoden 28 und 29 zu vorhanden, wo sie nach Abgabe ihrer Energie an den Ausgangskreis gesammelt werden.
Der Hauptvorteil dieser Röhrenart gegenüber dem zuerst beschriebenen besteht darin, dass der ganze Strom, der durch die Vervielfachung entsteht, letzten Endes zur Erzeugung der Schwingungen dient und so ein sehr hoher Wirkungsgrad erreicht wird.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Dynamischer Vervielfacher mit einander gegenüberliegenden Ausloseelektroden, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil der schwingenden Elektronen abgezweigt und einer besonderen Sammelelektrode zugeführt wird.