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Einrichtung zur Erzeugung von elektrischen Schwingungen mit Wellenlängen von wenigen
Zentimetern
Die Erfindung bezieht sich auf Einrichtungen zur Erzeugung elektrischer Schwingungen mit einer Wellenlänge von wenigen Zentimetern mittels einer elektrischen Entladungsröhre, in welcher die von der Kathode ausgehenden Elek- tronen durch eine oder mehrere Öffnungen in der Anode auf eine sekundäremittierende Elektrode geworfen werden, wobei die Sekundäremissions- elektrode parallel zu der Anode angeordnet ist, sowie auf Entladungsröhren zur Benützung in solchen Einrichtungen.
Es ist bekannt, dass man mit Einrichtungen der oben erwähnten Art Schwingungen von sehr hoher Frequenz erzeugen kann. Bei den bekannten
Einrichtungen treffen die Primärelektronen im wesentlichen senkrecht auf die Sekundäremissionselektrode auf, welche die Rückwand eines Hohlraumresonators bildet. Die Anode bildet die vordere Wand des Hohlraumresonators.
Bei den bekannten Einrichtungen arbeitet die Röhre als Dynatron, d. h. die Schwingungen entstehen infolge des negativen inneren Widerstandes der Sekundäremissionselektrode ; die höchste Frequenz, bei welcher eine solche Dynatronröhre schwingen kann, ist gegeben einerseits durch die Weglänge, welche die Sekundärelektronen zwischen der Sekundäremissionselektrode und der Anode zurücklegen müssen, und anderseits durch die Potentialdifferenz zwischen diesen beiden Elektroden, wobei angenommen ist, dass die Elektronen keine Tanzschwingungen um die Anodenteile ausführen, sondern dass sie direkt aufgenommen werden. Bei einem solchen Dynatron muss die Übergangszeit der Sekundärelektronen klein sein, verglichen mit der Periode der zu erzeugenden Wechselspannung.
In der Praxis hat sich ergeben, dass die Frequenz bei den bekannten Einrichtungen nicht höher getrieben werden kann als ungefähr 2000 MHz (Wellenlänge 15 cm). Zur Erreichung dieser Werte darf der Abstand zwischen der Anode und der Sekundäremissionselektrode nicht grösser sein als l mm bei einer Spannungsdifferenz von 1000 Volt.
Durch Erhöhung der Spannung und Verkleinerung des Abstandes kann wohl die Grenzwelle noch ein wenig kleiner gemacht werden, aber in diesem Falle sind die technischen Schwierigkeiten (Durchschlag) so gross und der Wirkungs- grad so niedrig, dass in dem Wellenlängenbereich unter 10 cm keine befriedigenden Ergebnisse erzielt werden können. Überdies ist bei den Wellen- längen, bei welchen eine solche Röhre noch schwingt, der Wirkungsgrad bei technisch brauch- baren Entfernungen und Feldstärken bereits sehr gering (bei Versuchen hat sich bei einer Wellen- länge von 20 cm ein Wirkungsgrad von 5% er- geben), weil zum Zwecke der Erzielung eines hin- reichenden negativen inneren Widerstandes die
Spannung an der Sekundäremissionselektrode niedrig gewählt werden muss, während zum
Zwecke der Abkürzung der Übergangszeit die Anodenspannung hoch sein muss.
Infolgedessen ist die für die Sekundäremissionselektrode zur Verfügung stehende Spannungsamplitude verhältnismässig gering.
Bei den bekannten Röhren ist der negative innere Widerstand verursacht durch die Abhängigkeit des Sekundäremissionskoeffizienten von der Spannung an der Sekundäremissionselektrode. Bei einer Spannung von höchstens einigen hundert Volt ist diese Abhängigkeit noch ausreichend für die meistgebräuchlichen Materialien (der Gradient der Sekundäremission als Funktion der Spannung der Sekundäremissionselektrode ist am grössten bei einer Spannung von 0 Volt).
Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, die Schwierigkeiten der bekannten Einrichtungen zu vermeiden, vor allem die grosse Feldstärke zwischen der Anode und der Sekundäremissionselektrode und den niedrigen Wirkungsgrad. Bei der erfindungsgemässen Einrichtung zur Erzeugung elektrischer Schwingungen mit einer Wellenlänge von wenigen Zentimetern, bei welcher die von der Kathode ausgesendeten Elektronen durch eine oder mehrere Öffnungen in der Anode auf eine Sekundäremissionselektrode, die parallel zur Anode angeordnet ist, geschleudert werden, werden diese Elektronen in ein oder mehrere Bündel mit schmalem Öffnungswinkel zusammengefasst, deren Achsen einen Winkel von ungefähr 45 mit der Anodenebene einschliessen, wobei die Spannungen an der Anode und der Sekundäremissionselektrode und deren gegenseitige Entfernung so gewählt sind,
dass bei Abwesenheit von Wechselspannungen an den Elek-
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troden die Primärelektronen gerade noch die Sekundäremissionselektrode erreichen, und wobei die Übergangszeit der Sekundärelektronen zu der Anode ungefähr gleich ist einer vollen Periode der zu erzeugenden Schwingungen.
Bei der erfindungsgemässen Einrichtung wird der negative Widerstand der Sekundäremissionselektrode hervorgerufen durch die Abhängigkeit des Primärstromes zur Sekundäremissionselektrode von der Spannung an der letzteren, während wenigstens so lange der Primärstrom keine exzessiv hohen Werte annimmt, die Abhängigkeit des Sekundäremissionskoeffizienten von der Spannung praktisch keinen Einfluss hat. Bei den bekannten Einrichtungen, bei welchen die Elektronen im wesentlichen senkrecht auf die Sekundäremissionselektrode auftreffen, hat die Spannung der letzteren praktisch keinen Einfluss auf den Primärstrom. Bei der erfindungsgemässen Einrichtung ist der Wert des negativen inneren Widerstandes auch abhängig von dem Öffnungswinkel der Elektronenstrahlen.
Bei einem Öffnungswinkel
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Anodenebene einschliesst) beträgt der Spannungsbereich der Sekundäremissionselektrode, inner- halb dessen der gesamte Primärstrom von der Anode übernommen wird, ungefähr der Spannungsdifferenz zwischen der Anode und der Sekundäremissionselektrode. Zum Zwecke, eine hohe Stromstärke zwischen der Anode und der Sekundäremissionselektrode zu erzielen, kann die Spannung der letzteren so gewählt werden, dass der Sekundäremissionskoeffizient wenigstens annähernd seinen maximalen Wert bekommt.
Wenn man die Abhängigkeit des Wirkungsgrades von der Grösse des zulässigen Spannungsintervalls der Sekundäremissionselektrode und daher als Funktion des Öffnungswinkels des Strahles betrachtet, so findet man, dass bei zunehmendem Öffnungswinkel anfangs der Wirkungsgrad zunimmt ; bei einem allzu grossen Öffnungswinkel bekommt aber der negative innere Widerstand infolge der Verluste der Kreiswiderstände solche Werte, dass der Wirkungsgrad wiederum abnimmt. Das Verhältnis zwischen der Spannung an der Sekundäremissionselektrode und der Spannung an der Anode wird zweckmässigerweise so gewählt, dass es gleich ist dem Quadrat des Sinus jenes Winkels, den der Elektronenstrahl mit der Anodenebene einschliesst, während der Abstand zwischen diesen beiden Elektroden durch die gewünschte Übergangszeit bestimmt wird.
Wie oben ausgeführt, soll die Achse des Elektronenstrahls unter einem Winkel von 45 0 zur Anodenebene verlaufen. Die genaue Einhaltung
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findung keineswegs wesentlich ; man kann ohne Schwierigkeit mit Winkeln zwischen 20 und 70 arbeiten. Der Öffnungswinkel des Elektronenstrahls ist durch die Gestalt der Kathode und die Entfernung von der Anode sowie durch den Ablenkungseffekt im Raum zwischen der Anode und der Sekundäremissionselektrode gegeben. Ein Wert von 15 bis 20 ^ am Scheitel des konischen, gegen die Anode gerichteten Strahls ergibt ausgezeichnete Resultate. Die Übergangszeit der
Sekundärelektronen kann im allgemeinen zwischen 1/2 und 3/2 der Schwingungsdauer der zu erzeugenden Schwingungen betragen.
Es ist daher möglich, über einen grossen Wellenbereich abzustimmen, ohne die Spannung zu ändern. Die einfachste Ausführungsform einer erfindungsgemässen Röhre ist dann gegeben, wenn nur ein Primärelektronenstrahl benützt wird. In diesem Falle können die Anode und die Sekundäremissionselektrode die Form von mehr oder weniger ebenen, parallelen Scheiben haben, welche unmittelbar in die Glaswand einer Röhre eingeschmolzen sind und derart einen Hohlraumresonator bilden. Eine besonders vorteilhafte Form der Erfindung ergibt sich bei Anwendung von zwei Kathoden, welche auf den beiden Seiten der Röhrenachse angeordnet sind. Hiebei ist die Sekundäremissionselektrode in zwei Hälften geteilt, von welchen jede mit einem der zwei Elektronenstrahlen zusammenarbeitet.
Die beiden Hälften der Sekundäremissionselektrode können in diesem Falle aus den umgebogenen
Enden einer Lecher-Leitung bestehen, welche die Röhrenwandung in der Form von zwei flachen
Streifen durchsetzt. Die Röhre arbeitet in diesem
Falle nach dem Push-Pull-Prinzip, wobei der Wirkungsgrad sehr hoch ist.
Im folgenden ist die Erfindung an Hand der Zeichnungen näher beschrieben, worin Fig. l eine Röhre mit einem einzigen Elektronenbündel und Fig. 2 eine Röhre mit zwei Elektronenbündeln und einer geteilten Sekundäremissionselektrode darstellt. In Fig. 1 ist mit 1 die Glaswand der Röhre bezeichnet, mit 2 die Anode, welche aus einer Kupferscheibe besteht, mit 4 die Sekundäremissionselektrode, deren gebogene Metallteile 5 sich in einer Entfernung von 1112 mm von der Anode 2 befinden, u. zw. gegenüber der Öffnung 3, welche in letzterer vorgesehen ist. Die hohle Kathode 6 ist so ausgebildet, dass der von ihr ausgehende Strahl unter einem Winkel von ungefähr 45"zu der Anodenfläche verläuft.
Der Strahl durchsetzt eine Öffnung in der Anode und trifft sodann den Teil 5 der Sekundäremissionselektrode.
Zwischen Kathode und Anode sind Konzentrationsmittel 7 und 8 vorgesehen, um den Kathoden- strahl elektronenoptischzubündeln. Der Elektrode 7 kann eine getrennte Spannung zugeführt werden. In den Boden der Röhre ist eine Anzahl von Zuführungsdrähten 9 eingeschmolzen, während auf die Sekundäremissionselektrode eine zweite Glaswand 10 aufgeschmolzen ist, zum Zwecke, die Sekundäremissionselektrode durch eine eingefüllte Flüssigkeit kühlen zu können.
Ein weiterer Vorteil des schiefen Einfallens des Primärstrahls besteht darin, dass der Weg der Sekundärelektronen zwischen den beiden ebenen Platten verläuft, so dass die Streuung der Übergangszeit eine sehr geringe ist.
In Fig. 2 ist die Glaswand der Röhre mit 11 bezeichnet, die Anode mit 12, die Öffnungen in der Anode mit 19. Zwei Kathoden 13 und 14
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sind rechts und links von der Symmetrieebene der Röhre angeordnet, u. zw. derart, dass die Verbindungslinie zwischen dem Mittelpunkt der Anodenöffnung 19 und den Mittelpunkten der Kathoden einen Winkel von 45 mit der Anodenebene einschliesst. Vor den Kathoden sind Konzentrationselemente 15 und 16 und vor der Anodenöffnung zwei weitere Konzentrationselemente 17 und 18in Formmassiver Umdrehungskörper angeordnet. In die Röhrenwandung sind zwei Metallstreifen 20 und 21 eingeschmolzen, deren Enden umgebogen sind und parallel zur Anode verlaufen. Die erwähnten Enden der Metallstreifen sind mit Zäsiumoxyd präpariert.
Die Elektronen, welche von der Kathode 13 ausgehen, treffen auf den Teil 21 der Sekundäremissionselektrode und diejenigen, welche von der Kathode 14 ausgehen, auf den Teil 20 der Sekundäremissionselektrode. Wenn die Anodenspannung 1400 Volt beträgt und die der Sekundäremissionselektrode 800 Volt, können Schwingungen mit einem Wirkungsgrad von annähernd 20% bei einer Wellenlänge von 5 cm erregt werden. Die Dimensionen der Röhre können dem Massstab entnommen werden, der an der Seite der Zeichnung angebracht ist. Die angeschriebenen Ziffern bedeuten Millimeter.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Einrichtung zur Erzeugung elektrischer Schwingungen mit einer Wellenlänge von wenigen
Zentimetern mit einer Elektronenröhre, in der die von der Kathode ausgehenden Elektronen durch eine oder mehrere Öffnungen in der Anode auf eine Sekundäremissionselektrode, die parallel zur Anode verläuft, geworfen werden, dadurch gekennzeichnet, dass diese Elektronen in ein oder mehrere Bündel mit schmalen Öffnungswinkeln zusammengefasst sind, deren Achsen mit der
Ebene der Anode einen Winkel von ungefähr 45 einschliessen, wobei die Spannungen der Anode und der Sekundäremissionselektrode und ihr gegenseitiger Abstand so gewählt sind, dass ohne
Wechselspannungen an den Elektroden die
Primärelektronen gerade die Sekundäremissions- elektrode erreichen,
und wobei die Laufzeit der
Sekundärelektronen auf ihrem Wege zur Anode ungefähr gleich ist der vollen Periodendauer der zu erzeugenden Schwingungen.