Mit Geschwindigkeitsmodulation arbeitende Ultrakurzwellenröhre. Die Erfindung betrifft Ultrakurzwellen röhren, die mit Geschwindigkeitsmodulation arbeiten.
Es ist bereits vorgeschlagen worden, bei Ultrakurzwellenröhren mit Geschwindig keitsmodulation den konzentrierten Elektro nenstrahl durch eine Reihe von hintereinan der angeordneten rohrförmigen Elektroden zu führen. Die einzelnen Elektroden sind voneinander durch Zwischenräume getrennt. Durch geeignete Wahl der Dimensionen der Elektroden und der Betriebsbedingungen ist es möglich, Verstärker- und andere Energie umformungswirkungen zu erhalten, die sonst bei sehr hohen Frequenzen schwer zu er reichen sind.
Die Erfindung betrifft eine Verbesserung der Zusammenwirkung zwischen dem hoch frequenzführenden Elektrodensystem und dem durch die Elektroden geführten: Elek tronenstrahl. Erfindungsgemäss wird die relative Elektronendichte des Elektronen strahls an seinen seitlichen Grenzen, das heisst an den Teilen, welche in grösster Nähe an den Elektroden vorbeigeführt werden, er höht. Beispielsweise wird dies durch die Ver wendung einer Elektronenquelle erreicht, die einen Elektronenstrahl mit ringförmigem Querschnitt erzeugt.
In den Figuren sind in zum Teil schema tischer Weise Ausführungsbeispiele nach der Erfindung dargestellt. Die Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch eine Ultrakurzwellen röhre, während die bei der Anordnung nach Fig. 1 benutzte Kathode in der Fig. 2 ver grössert dargestellt ist. Der durch die ring förmige Kathode erzeugte Elektronenstrahl ist in der Fig. 3 schematisch angedeutet. Die Fig. 4 dient zur Erläuterung der Wirkungs weise.
In der Fig. 5 befindet sich eine gra phische Darstellung und die Fig. 6 und 7 enthalten andere Ausführungsformen des Strahlerzeugungs-Elektrodensystems.
In der Fig. 1 ist eine Ultrakurzwellen röhre dargestellt, welche zur Schwingungs- erzeugung dient. Das Entladungsgefäss be- steht aus einem Vakuumgefäss mit einem langen rohrförmigen Teil 10, welcher auf seiner ganzen Länge gleichen Durchmesser hat. Am obern Ende ist an den rohrförmigen Teil ein Teil 11 grösseren Durchmessers an geschlossen, in dem das zum Auffangen des Elektronenstromes dienende System angeord net ist.
Im untern Ende des Entladungs rohres 10 befindet sich das Strahlerzeugungs- system, welches mit einer direkt geheizten Kathode 14 (Fig. 2) versehen ist, die schlei- fenförmig ausgebildet und in einer Ebene senkrecht zur Achse des Gefässes liegt. Die schleifenförmige Kathode liegt in einem ringförmigen Raum zwischen den beiden koaxialen Zylindern 15 und 16, die zur Fokussierung der von der Kathode emittierten Elektronen zu einem ringförmigen Strahl dienen.
Die Elektroden 15 und 16 liegen an einem wenige Volt positiveren oder negati- veren Potential als die Kathode, um die ge wünschte Fokussierungswirkung zu erhalten. Diese Elektroden siiad entweder mit beson deren Spannungsquellen oder auch über den Leiter 19 mit der für alle Elekroden ge- meinsamen Spanniuigsquelle 27 verbunden.
Zur Beschleunigung der Elektronen wird eine Beschleunigungselektrode benutzt, die aus zwei koaxialen Zylindern 20 und 21 besteht. Diese Elektroden sind derart zuein ander angeordnet, dass eine ringförmige> Öff nung 23 für den Durchtritt des Elektronen strahls entsteht. Die Elektroden sind geineiii- sam an eine geeignete positive Spannung, bei spielsweise mehrere hundert Volt, gelegt. Nachdem der Elektronenstrahl aus der Off nung 23 herausgetreten ist, passiert er ein Gebiet festen Potentials, dessen Grenzen durch die leitenden Ringelektroden 26 ge bildet werden.
Am obern Ende des Entladungsgefässes ist eine Anode 24 zum Auffangen des Elek tronenstrahls vorgesehen, nachdem dieser den Teil 10 des Entladungsgefässes durchquert hat. Vor der Anode befindet sich eine ring förmige Elektrode 25, welche als Bremsgitter wirkt, um zu verhindern, dass Sekundär elektronen, welche von der Anode emittiert werden, in den Entladungsraum zurück kehren. Beim Betrieb des Entladungsgefässes liegt die Anode an einem ein bis mehrere tausend Volt höheren Potential als die Ka thode, während das Bremsgitter 25 an einem 50 bis 100 Volt negativeren Potential als die Anode liegt. Die Elektroden sind mit der Batterie 27 verbunden. Zur Fokussierung sind ferner magnetische Fol.ussierungsspulen 28 vorgesehen.
Die bisher beschriebenen Elektroden dienen zur Erzeugung und zur Beeinflussung des Elektronenstrahls. Ausserhalb des Ent ladungsgefässes befindet sich ferner ein Elektrodensystem zur Erzeugung von ultra hochfrequenten Schwingungen durch Zusam inenwirkung mit dem Elektronenstrahl. Dieses Elektrodensystem besteht aus einer Reihe von hintereinander angeordneten Elektroden 80-34, welche von einem Metallrohr 36 koaxial umgeben sind. Das Rohr 36 ist, mit den Elektroden 30 bezw. 34 durch die metal lischen Ringe 37, 38 verbunden.
Bei dem oben beschriebenen Elektroden system entstehen stehende Schwingungen, wenn die Elektronenlaufzeit durch die Elek troden 30-3r4 in geeigneter Beziehung zu der Betriebsfrequenz steht und wenn die Kapazitäten an den verschiedenen Zwischen- räumen zwischen den Elektroden<B>30</B> und 34 in geeigneter Beziehung zli den Konstanten der Elektroden selbst und des umgebenden Rohres 36 stehen. Wenn die obengenannten Bedingungen erfüllt sind, wirkt das Elektro- densystem als Resonanzsystem.
Zur Aus kopplung von Leistung zu einem äussern Ver braucherkreis dient die Auskoppelelektrode 40, die kapazitiv mit dem Ende einer der Elektroden (32) gekoppelt ist und mit einer koaxialen Rohrleitung 41 in Verbindung stellt.
Die Wirkungsweise der Anordnung lässt sich wie folgt erklären: Es sei angenommen, dass das System in irgendeiner Weise erregt wird. Unter diesen Bedingungen entstehen periodisch veränderliche Spannungen an den Zwischenräumen 44-47, die die Elektroden 30-34 voneinander trennen. Folglich wer- den die Elektronen, die den ersten dieser Zwischenräume durchqueren, in verschie dener \'eise in ihrer Geschwindigkeit beein flusst, was von. der Phase abhängt, bei der sie den Zwischenraum erreichen. Es werden somit einige Elektronen verzögert, während andere Elektronen, die den Zwischenraum zu einem anderen Zeitpunkt durchqueren, be schleunigt werden. Folglich wird der Elek tronenstrahl nach dem Verlassen des Zwi schenraumes in seiner Geschwindigkeit moduliert sein.
Wenn ein in seiner Geschwindigkeit modulierter Elektronenstrahl einen verhält nismässig feldfreien Raum, welcher durch die Elektrode 3.1 begrenzt ist, durchquert, wer den bestimmte Änderungen eintreten. Es er folgt nämlich eine Gruppierung der Elektro nen, da die schnelleren Elektronen die lang sameren einholen. Folglich wird der den Zwi schenraum 45 erreichende Elektronenstrahl in seiner Ladungsdichte moduliert sein. Diese Ladungsdichteänderungen können von höhe rer Grössenordnung als die Geschwindigkeits änderungen sein, durch die die Ladungs- dichteänderungen hervorgerufen wurden.
Folglich wird durch die beschriebene Anord nung ein System geliefert, mit dem Energie von dem Elektronenstrom zu dem Schwin gungssystem an den verschiedenen Zwischen räumen 45, 46, 47 übertragen werden kann. Dies rührt von der Fähigkeit des in seiner Ladungsdichte modulierten Strahls her, beim Durchqueren der Elektrodenzwischenräume Hochfrequenzströme in den Elektroden zu induzieren. Bei einer geeigneten Anordnung und entsprechenden Dimensionierung der ver schiedenen Teile kann mit Hilfe des Koppel elementes 40 eine beträchtliche Leistung aus gekoppelt werden, ohne dass das System in störender Weise gedämpft wird.
Der Betrieb des oben beschriebenen Sy stems erfordert, dass die Elektronen in den verschiedenen Gebieten der Wechselfelder nur sehr kurz in bezug auf eine volle Periode der Potentialänderung verweilen. Bei der Anordnung nach Fig. 1 wird dies dadurch erreicht, dass der Elektronenstrom in der Nähe der Elektroden fliesst, da an dieser Stelle das elektrische Feld durch die Elek troden begrenzt ist. Dagegen dehnt sich das Feld in der Achse des Elektronenstrahls weiter aus, wie aus der Fig. 4 zu entnehmen ist, in der die Äquipotentiallinien a zwischen den beiden Elektroden 30 und 31 eingezeich net sind.
Das Feld dehnt sieh also in der Achse des Elektrodensystems verhältnis mässig weit aus, so dass die Elektronenlauf zeit einen beträchtlichen Teil einer vollen Periode der Potentialänderung einnimmt. Wenn also die Elektronen längs der Achse des Elektrodensystems fortschreiten, wird die Zusammenwirkung mit dem Elektroden system beträchtlich herabgesetzt. Die Gründe für diese Tatsache werden im folgenden an einem Spezialfall erläutert, bei dem ange nommen ist, dass die Elektronenlaufzeit zwi schen den Punkten c und d (Fix. 4) genau einer vollen Periode der Betriebsfrequenz entspricht.
Unter diesen Bedingungen wird die einem axial sich bewegenden Elektron erteilte Beschleunigung während des Durch laufens des beständig sich ändernden Feldes weitgehend durch die Verzögerung neutra lisiert, welche dasselbe Elektron während des Durchlaufens erleidet. Folglich wird die Elektronengeschwindigkeit nur verhältnis mässig wenig verändert. Es ergibt sich somit ein Zustand, welcher nicht erwünscht ist, um einen wirksamen Energieaustausch zwi schen den Elektronen und dem Elektroden system zu ermöglichen. Anderseits wird ein Elektron, dessen Weg in der Nähe des Zwi schenraumes 44 liegt, einer verhältnismässig starken Geschwindigkeitsänderung unter worfen.
Die Geschwindigkeitsmodulation kann aus der folgenden Formel abgeleitet werden:
EMI0003.0015
In dieser Formel ist e. die Ladung eines Elek- trons, 7n die Masse eines Elektrons, v die Strahlgeschwindigkeit, Y die Signalspan- nung an einem Zwischenraum, dv die Geschwindigkeitsmodulationsamplitude von Elektronen mit der radialen Entfernung x von der Achse des Rohres, L die der Signal frequenz entsprechende Wellenlänge,
13 das Verhältnis der Strahlgeschwindigkcit zur Lichtgeschwindigkeit und a der innere Ra dius der den Laufweg umgebenden Metall elektrode. a-x ist. alo die dichteste Entfer nung der Elektronen von dem Zwischenraum. 1o (a0 ist eine Funktion, deren. Verlauf in der Fig. 5 dargestellt ist.
Aus Gleichung (1) ergibt sich, dass die maximale Geschwindigkeitsmodulation dv", folgenden Wert besitzt:
EMI0004.0012
Die Wirksamkeit des Zwischenraumes in der Erzeugung der Geschwindigkeitsmodulation berechnet sich also zu:
EMI0004.0014
Für ein Elektron, welches die umhüllende Elektrode streift<I>(x = a),</I> ist die Elektro- denwirksamkeit am grössten, das heisst es wird durch die Elektrode eine maximale Ge schwindigkeitsmodulation bewirkt. Bei einem Elektron, welches mehr zur Achse hin ver läuft, ist die Wirksamkeit des Zwischen raumes entsprechend geringer.
Bei einem Ausführungsbeispiel mit, einem hohlen ringförmigen Elektronenstrahl ist an genommen, dass eine 15 cm Welle (L) be nutzt wird, wobei die Strahlspannung 10 000 Volt beträgt (B <I>= 1/5).</I> a habe den Wert 1 cm. Dann ergibt sich
EMI0004.0023
Wenn dieser Wert in die Gleichung (3) ein gesetzt wird, ergibt sich für ein axial ver laufendes Elektron (x = o) eine Wirksam- keit des Elektrodenzwischenraumes von 0,42. Dagegen beträgt die Wirksamkeit 0,69 für ein Elektron, welches von der Achse um <I>0,7 a (x = 0,7)</I> entfernt ist.
Das Verhältnis zwischen diesen Grössen
EMI0004.0028
zeigt den Unterschied der Wirksamkeit des Elektrodensystems auf die beiden radial von einander entfernten Elektronen an. Die Ge samtwirksamkeit des Energieumforinungs- systems ergibt sich dadurch, dass dieser Faktor quadriert wird, da berücksichtigt werden muss, dass sowohl Eingangs- als auch Ausgangszwischenräume vorhanden sind. Folglich beträgt die Beeinflussung des axial verlaufenden Elektrons nur'/, derjenigen des Elektrons, welches von der Achse um 0,7 a entfernt; ist.
Der Einfluss der elektrischen Felder ist also praktisch umgekehrt propor tional der Entfernung der Elektronen von der Grenze des Strahls bezw. von den innern Oberflächen der Elektroden.
Man könnte denken, dass die aus den obigen Ausführungen sich ergebenden Nach teile dadurch herabgesetzt werden können, dass der Gesamtstrom in dem Strahl erhöht wird. Dieses ist jedoch nicht wünschenswert, da dann nielir Energie aufgewandt werden nmiss, um den stärkeren Elektronenstrom zu erzeiigen. Es wird daher eine bessere Zusam menwirkung zwischen dem Elektronenstrom und den Elektroden erhalten, wenn die Elek tronendichte in dem Strom an den, äussern Grenzen wesentlich grösser als in der Achse ist.
Zur Erreichung dieses Ziels wird ein besonderes Strahlerzeugungssystem benutzt, welches einen Elektronenstrahl mit ringför- rnigem Querschnitt liefert. Es handelt sich also darum, einen möglichst grossen Teil des Stromes in die Nähe der Elektroden zu brin gen, durch die die Modulation hervorgerufen wird.
In der Fig. 6 ist ein Ausführungsbeispiel einer Kathode dargestellt, die für diesen Zweck besonders geeignet ist. Die Kathode besteht aus einer leitenden Scheibe 50, wel- ehe an der der Anode zugewandten Seite mit einer ringförmigen Emissionsschicht 51, die beispielsweise aus Erdalkalioxyd oder der gleichen besteht, versehen ist. Die Scheibe wird durch einen Heizdraht 52 erhitzt, wel cher zweckmässig ebenfalls ringförmig ausge bildet ist. Die von der Kathode emittierten Elektronen werden durch die ringförmige Elektrode 53 und die Scheibe 54 fokussiert. Die Elektroden 53 und 54 liegen an dem gleichen Potential wie die emittierende Ober fläche und verhindern daher eine Streuung des Elektronenstromes.
Um den ringförmigen Charakter des Elektronenstromes zu erhalten, sind um das Entladungsgefäss herum Ma gnetspulen 28, wie sie in der Fig. 1 darge stellt sind, angebracht.
Ein weiteres System zur Erzeugung eines ringförmigen Strahls ist in der Fig. 7 darge stellt. Das zur Erzeugung eines ringförmigen Elektronenstrahls benutzte Elektrodensystem besteht aus einer in der Achse des Ent ladungsgefässes angeordneten Kathode 55, welche von einem Hohlspiegel 60, der vor zugsweise auf Kathodenpotential liegt, um geben ist. Vor dem Hohlspiegel befindet sich die elektronendurchlässige Anode 63, welche bei dem Ausführungsbeispiel netzförmig aus gebildet ist. Ferner sind geeignet geformte Schirmblenden 58 und 59 vorgesehen, um eine gute Bündelung der Elektronen zu er halten. An der der Anode zugewandten Stirnseite der Kathode ist eine auf Kathoden potential liegende Platte 61 angebracht.
Durch das Zusammenwirken der Felder zwi schen Spiegel 60, Platte 61 und Anode 63 erhält der Elektronenstrahl einen kreisring förmigen Querschnitt. Die dargestellte An ordnung bietet besondere Vorteile bei An ordnungen, bei denen ein übliches Steuer gitter vorhanden ist und zwischen Kathode und Steuergitter die steuernde Ultrakurz wellenspannung liegt. Zur Erzielung eines äusserst hochohmigen Einganges muss man zur Vermeidung von Elektronenlaufzeit- effekten das Gitter möglichst nahe an die Kathode heranbringen. Dies ist in sehr ein facher Weise bei der dargestellten Anord- nung möglich, bei der die zylinderförmige Kathode 55 von einem Steuergitter 56 umge ben ist.
Ferner ist zweckmässig ein positives Schirmgitter 57 angebracht. Bei der darge stellten Anordnung werden also die Elektro nen aus der zylinderförmigen Kathode her ausbeschleunigt, nachdem sie durch das Steuergitter moduliert sind.
Bei der Verwendung eines Systems zur Erzeugung eines im Querschnitt ringförmi gen Elektronenstrahls kann man noch einen Schritt weitergehen, wenn man die Rück kopplung bei Benutzung der Röhre als Schwingungserzeuger durch einen Elektro nenstrahl erfolgen lässt. Es ist bei Ultrakurz wellenröhren mit Geschwindigkeitsmodula tion bereits bekannt, den Modulator mit dem Auskoppler zur Erzielung einer Rückkopp lung durch eine koaxiale Rohrleitung zu ver binden. Diese Anordnung hat den Nachteil, dass der Modulator und der Auskoppler genau abgestimmt werden müssen.
Ferner beeinflusst die Rückkoppelleitung die Güte der Resonatoren ungünstig. Durch die Ver wendung eines rückkoppelnden Elektronen strahls wird eine besondere Rückkoppelleitung vermieden. Der rückkoppelnde Strahl kann bei der Verwendung eines Systems zur Er zeugung eines ringförmigen Elektronen strahls innerhalb des Arbeitsstrahls verlau fen.
Zu diesem Zweck ist vor dem Strahl erzeugungssystem eine Auffangelektrode vorgesehen, welche mit dem Steuergitter ver bunden ist, so dass der rückläufige, durch den angeregten Resonator modulierte Strahl eine Spannung von der Frequenz des Hohlraumes auf den Eingang rückkoppelt. Bei der An ordnung nach Fig. 7 ist zu diesem Zweck eine Auffangelektrode 62 vorgesehen, welche mit dem Steuergitter 56 leitend verbunden ist. Das Steuergitter steht über einen hohen Widerstand mit der Kathode in Verbindung