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Die Erfindung bezweckt die Verbesserung und weitere Ausbildung einer
Elektronenröhre nach Art eines Klystrons mit mindestens einem evakuierten und mechanisch
abstimmbaren Hohlraumresonator, der zwei in Richtung der Hohlraumresonatorachse
wenigstens annähernd symmetrisch nach innen einspringende rohrförmige Wandungsteile
aufweist, die mit ihren einander gegenüberliegenden freien Enden den Wechselwirkungsspalt
des Hohlraumresonators begrenzen, und bei der die im wesentlichen kapazitiv wirkende
Vorrichtung zum Abstimmen des Hohlraumresonators einen in den Hohlraumresonator
eintauchenden, senkrecht zur Hohlraumresonatorachse verschiebbaren, stabförmigen
metallischen Teil (Abstimmstab) aufweist, der nach Patent 1243 787 in Höhe des Wechselwirkungsspaltes
an dem Außenwandungsteil des Hohlraumresonators unter Zuhilfenahme eines biegsamen
metallischen Teils vakuumdicht befestigt ist und an seinem inneren, dem Wechselwirkungsspalt
benachbarten Ende mit einem großflächigen, parallel zur Hohlraumresonatorachse sich
erstreckenden metallischen Endteil versehen ist, der den Wechselwirkungsspalt in
axialer Richtung überdeckt.
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Bei der im wesentlichen kapazitiv wirkenden Vorrichtung zum Abstimmen
des Hohlraumresonators der beschriebenen Elektronenröhre treten trotz der besseren
Abstimmeigenschaften noch gewisse Schwierigkeiten auf, weil die Anforderungen hinsichtlich
einer maximalen Störung des elektrischen Feldes und einer minimalen Asymmetrie des
elektrischens Feldes einander entgegenstehen, so -daß ein Kompromiß geschlossen
werden muß.
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Wenn beispielsweise die Abstimmvorrichtung sehr nahe an den Wechselwirkungsspalt
herangebracht wird; dann entsteht eine starke azimutale Asymmetrie des elektrischen
Feldes, wodurch der Wirkungsgrad der Wechselwirkung mit dem Elektronenstrahl verringert
wird. Ferner kann eine zu starke Annäherung der Abstimmvorrichtung an den Laufraum
die Anregung unerwünschter Schwingungsformen des Hohlresonators und unerwünschter
Resonatorfrequenzen zur Folge haben.
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Ferner treten in einem Hohlraumresonator bei einer Elektronenröhre
nach Art eines Klystrons häufig zwei verschiedene Frequenzgruppen auf. Im Eingangsresonator
werden nämlich die Strahlelektronen mit der Grundfrequenz geschwindigkeitsmoduliert.
Diese Geschwindigkeitsmodulation hat eine Ballung der Elektronen zur Folge. Diese
Ballung erfolgt im Laufraum, wodurch der Strahl eine Dichtemodulation erhält, die
einen starken hochfrequenten Strom im Spalt des Ausgangsresonators zur Folge hat.
Der stark geballte Strahl weist viele Harmonische der zur Geschwindigkeitsmodulation
des Elektronenstrahls benutzten Grundfrequenz auf. Die zweite Frequenzgruppe tritt
im Hohlraumresonator in Form verschiedenartiger Schwingungsformen unbegrenzter Anzahl
auf.
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So tritt in kreiszylindrischen Resonatoren die TMolö Schwingungsform
auf, deren Resonanzfrequenz gleich der den Elektronenstrahl geschwindigkeitsmodulierenden
Grundfrequenz gewählt ist. Die TMoiä Schwingungsform des Hohlraumresonators wird
deshalb der Grundfrequenz der Strahlmodulation angepaßt, weil diese Schwingungsform
ein starkes, axial verlaufendes elektrisches Feld aufweist, das über dem Spalt zwischen
den Laufrohren auftritt. Falls nun eine höher frequente Schwingungsform des Hohlraumresonators
mit einer Harmonischen der den Elektronenstrahl geschwindigkeitsmodulierenden Grundfrequenz
zusammenfällt, und wenn das elektrische Feld dieser Schwingungsform ebenfalls über
dem Spalt zwischen den Laufrollen auftritt, dann würde eine Anfachung dieser Schwingungsform
erfolgen, obwohl es sich um eine Harmonische handelt. Da die Impedanz des Wechselwirkungsspaltes
für harmonische Frequenzen normalerweise ziemlich niedrig ist, kann dann die Ausgangsleistung
am Ausgangsresonator 'eispielsweise 30 Dezibel unter der Ausgangsleistung der Grundfrequenz
liegen. Allerdings gibt der Zusammenfall von Frequenzen, also die Resonanz einer
Hohlraumschwingung höherer Frequenz mit einer Harmonischen der zur Geschwindigkeitsmodulation
des Elektronenstrahls benutzten Grundfrequenz Anlaß für eine erhöhte Impedanz des
Spalts bei den harmonischen Frequenzen, so daß starke elektrische Felder im Hohlraumresonator
erzeugt werden.
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Das Problem des Zusammenfalls mit harmonischen Frequenzen ist von
besonderer Bedeutung bei Klystrons mit sehr hoher Leistung, beispielsweise von mehr
als 1 Megawatt. Die Leistung ist bei diesen Klystrons so hoch, daß sie oder zumindest
Teile von ihnen durch die starken Felder einer durch eine Harmonische angeregten
Schwingungsform zerstört werden können. Bis heute haben Klystrons mit einstöckig
ausgebildeten Hohlraumresonatoren höhere Ausgangsleistungen als Klystrons mit Resonatoren,
die außerhalb der Vakuumhülle angeordnet sind. Gewöhnlich ist der Aufbau der Abstimmvorrichtung
solcher Hochleistungsklystrons störanfällig, insbesondere, wenn ein dünner metallischer
Faltenbalg verwendet wird, um eine Bewegung der Abstimmvorrichtung zu ermöglichen.
Die Frequenzen sämtlicher Schwingungsformen eines abstimmbaren Hohlraumresonators
werden durch die Bewegung der Abstimmvorrichtung beeinflußt, und zwar einige in
viel stärkerem Maße als andere. Die am stärksten durch die Abstimmvorrichtung gestörten
Schwingungsformen werden als Stempelschwingungsformen bezeichnet, wobei die Abstimmvorrichtung
und der Aufbau der Abstimmvorrichtung den Stempel darstellen.
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Um diese Schwierigkeiten zu beseitigen, ist die Elektronenröhre der
eingangs beschriebenen Art nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß der H-förmig
gestaltete, großflächige metallische Endteil so ausgebildet und angeordnet ist,
daß die Schenkel des H quer zu den einspringenden rohrförmigen Wandungsteilen verlaufen
und entsprechend diesen Wandungsteilen gekrümmt sind.
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Auf diese Weise wird vermieden, daß die Frequenzen der störenden.Stempelschwingungsform
mit einer Harmonischen der Grundfrequenz zusammenfallen, so daß ein Klystron mit
einer nach der Erfindung aufgebauten Abstimmvorrichtung einen sehr großen Abstimmbereich
auch bei besonders hohen Leistungen aufweist.
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Es sind zwar bereits Abstimmvorrichtungen mit einem in etwa H-förmig
gestalteten, großflächigen metallischen Endteil, bei dem die Schenkel des H parallel
zu den einspringenden rohrförmigen Wandungsteilen verlaufen, bekannt. Allerdings
dienen diese bekannten kapazitiven Abstimmvorrichtungen einem anderen Zweck, nämlich
die Abstimmlinearität zu verbessern.
Ferner wurde bereits eine Abstimmvorrichtung
mit einem H-förmig gestalteten, großflächigen metallischen Endteil vorgeschlagen,
bei dem die Schenkel des H ebenfalls parallel zu den einspringenden rohrförmigen
Wandungsteilen verlaufen. Diese vorgeschlagene kapazitive Abstimmvorrichtung dient
auch einem anderen als dem erfindungsgemäßen Zweck, nämlich in Verbindung mit einer
induktiven Abstimmvorrichtung eine möglichst große Frequenzänderung zu erzeugen.
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Eine zweckmäßige Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes besteht
darin, daß der Abstand zwischen den einander zugewandten Schenkelstirnseiten des
H erheblich kleiner als die Breite des Wechselwirkungsspaltes ist. Ferner sind die
Schenkel des H vorzugsweise halbkreisförmig gebogen.
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Weiterhin ist die Elektronenröhre nach der Erfindung zweckmäßigerweise
dadurch gekennzeichnet, daß der Abstimmstab von einem falschen Balg koaxial umgeben
ist, dessen eines Ende vakuumdicht an dem vom Abstimmstab durchsetzten Außenwandungsteil
des Hohlraumresonators und dessen anderes Ende vakuumdicht am Abstimmstab befestigt
ist.
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An Hand der Zeichnung soll die Erfindung näher erläutert werden. Es
zeigt F i g. 1 eine schematische Darstellung einer TMolö Schwingungsform in einem
Resonator, die zur Erläuterung des ungefähren Feldverlaufs dient, F i g. 2 einen
Längsschnitt durch einen abstimmbaren Hohlraumresonator bekannter Art für Klystrons
mit sehr hoher Leistung, F i g. 3 eine schematische Darstellung eines abstimmbaren
Hohlraumresonators bekannter Art, der in der TMolö Schwingungsform schwingt.
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F i g. 4 die Ansicht einer Abstimmvorrichtung nach der Erfindung,
F i g. 5 die Ansicht eines anderen Ausführungsbeispiels der Erfindung und F i g.
6 eine schematische Darstellung eines abstimmbaren Hohlraumresonators, der in der
TMolö Schwingungsform schwingt und eine Abstimmvorrichtung nach der Erfindung aufweist.
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F i g.1 zeigt einen zu einer Mittellinie 12 symmetrischen Hohlraumresonator
11. Der Resonator weist Querwände 13 und 14 mit nach innen einspringenden rohrförmigen
Wandungsteilen 15 und 16 auf. Wenn der Resonator 11 in der TMolö Schwingungsform
schwingt, treten die durch Pfeile E gekennzeichneten elektrischen Feldlinien auf,
die zwischen den Teilen 15 und 16 konzentriert sind. Die in die Papierebene eintretenden
magnetischen Feldlinien sind durch Punkte (-) gekennzeichnet. Die Kreuze (-i-) zeigen
die aus der Papierebene austretenden magnetischen Feldlinien an. Die magnetischen
Feldlinien umschließen die Mittellinie 12. Die elektrischen Feldlinien E sind symmetrisch
zur Mittellinie 12 und zwischen und nahe den nach innen einspringenden Teilen 15
und 16 konzentriert. Jede Linie E und die Punkte (-) und Kreuze (-I-) stellen im
wesentlichen den relativen Wert und Ort der Felder in dem Hohlraumresonator dar.
Die Darstellungen der Felder wurden weitgehend der Deutlichkeit halber vereinfacht.
Der Feldverlauf kann jedoch in bekannter Weise zur tatsächlichen TMolö Schwingungsformergänztwerden.
Wenn die Elektronen durch den Hohlraumresonator von dem Teil 15 zum Teil 16 laufen,
tritt eine maximale Wechselwirkung zwischen den Elektronen und dem elektrischen
Feld E auf. In F i g. 2 ist ein Teil eines Leistungsklystrons dargestellt, der einen
in F i g. 1 dargestellten Hohlraumresonator enthält. Der Resonator 11 besteht aus
einem rohrförmigen Körper 17, dessen flanschartige Enden an die flanschartigen Enden
zweier angrenzender rohrförmiger Körper 18 und 19 angeschweißt sind. Die mit Öffnungen
versehenen Platten 21 und 22, die in den Körpern 18 und 19 quer angeordnet
sind, bilden die quer verlaufenden Endwände des Resonators. Die einspringenden Teile
sind durch die Rohrabschnitte 23 und 24 der Laufrohre gebildet, die durch die Öffnungen
in den Platten 21 bzw. 22 hindurchragen. Zwischen den Enden der Rohrabschnitte
23 und 24 der Laufrohre befindet sich ein Wechselwirkungsspalt 25,
in dem die elektrischen Feldlinien der TMolö Schwingungsform konzentriert sind.
Die Elektronen, die durch die Rohrabschnitte 23 und 24 laufen, durchqueren den Spalt
25 und treten in Wechselwirkung mit dem dazwischen verlaufenden elektrischen Wechselfeld.
Aus dem Hohlraum 11 oder in diesen hinein wird durch eine Irisöffnung
26 in der Platte 22 Hochfrequenzenergie gekoppelt. Der Resonator 11
weist eine Abstimmvorrichtung 27 auf, die -aus einem halbzylindrischen Abstimmkörper
28 besteht, dessen Achse parallel zur Achse der Laufrohrabschnitte
23 und 24 verläuft. Der Abstimmkörper 28 ist auf einem Stempel 29
angeordnet, der sich durch eine Öffnung 31 in den rohrförmigen Körper 17 erstreckt,
so daß der Abstimmkörper auf den Spalt 25 zu oder von ihm weg bewegt werden kann.
Ein metallischer Faltenbalg 32, dessen Ende an dem Stempel 29 bzw. den Öffnungen
31 abgedichtet befestigt ist, gewährleistet die notwendige Flexibilität der Vakuumwand,
um auf den Abstimmkörper eine Bewegung zu übertragen. Der Abstimmkörper 28 stimmt
den Resonator 11 auf Grund bekannter physikalischer Prinzipien ab. Wenn der Abstimmkörper
an den Laufraum angenähert wird, wird das elektrische Feld, das hauptsächlich über
und nahe dem Wechselwirkungsspält konzentriert ist, gestört, so daß die gesamte
Kapazität des Resonators wächst und die Resonanzfrequenz erniedrigt wird. Der Abstimmkörper
ist halbzylindrisch so ausgebildet, daß er länger als der Spalt 25 ist, so daß eine
maximale Kapazität erzielt wird, wenn sich der Abstimmkörper in der Nähe der Laufrohrenden
befindet, um einen größeren Abstimmbereich ohne eine beträchtliche Störung der Symmetrie
des elektrischen Feldes zu ermöglichen.
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Dieser Abstimmeffekt ist in F i g. 3 dargestellt. Dabei sind gleiche
Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen. Der Abstimmkörper bekannter Ausführungsform
ist durch eine Linie 28' dargestellt. Wenn sich der Abstimmkörper nahe den
Laufrohren befindet, verlaufen die elektrischen Feldlinien E vom Teil
15 zum Abstimmkörper und vom Abstimmkörper zum Teil 16. Diese Feldlinien
E werden gestört und erstrecken sich im wesentlichen radial von den Laufrohrenden.
Hinter dem Abstimmkörper verlaufen praktisch keine Feldlinien E. Es muß darauf geachtet
werden, daß der Abstimmkörper 28' nicht zu nahe an die Laufrohre herangebracht wird,
da das elektrische Feld um den Spalt sonst asymmetrisch würde. Der Abstimmkörper
28 ist so ausgebildet, daß er einen Bogen von nicht mehr als 180° bildet, so daß
sich eine zweckmäßige Abstimmvorrichtung ergibt, die einen minimalen Einfluß auf
die Symmetrie des elektrischen Feldes ausübt. Da der Abstimmkörper
28'
leitend ist, fließt ein Strom in der axialen Richtung (von links nach rechts in
der Zeichnung). Dieser Strom erzeugt ein magnetisches Feld, das das magnetische
Feld zwischen dem Abstimmkörper 28' und der Achse 12 verstärkt und das Feld auf
der anderen Seite des Abstimmkörpers 28' schwächt. Dies führt dazu, daß einige der
magnetischen Feldlinien die im Bereich des Abstimmkörpers liegen, gestört werden,
und zwar derart, daß einige von ihnen näher zum Zentrum des Hohlraumresonators verschoben
werden. Dadurch wird die Induktivität des Hohlraumresonators erniedrigt. Da der
Resonator nur schematisch dargestellt ist, ist der Stempel 29 mit gestrichelten
Linien 29' angedeutet.
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Der Abstimmkörper 28 erhöht die gesamte Kapazität des Resonators und
vermindert aber auch die Induktivität, wenn er an die Laufrohre 23 und 24 angenähert
wird. Ein Abstimmkörper dieser Art stimmt den Hohlraumresonator nur deswegen ab,
weil der Änderungsbetrag der Kapazität größer als der Änderungsbetrag der Induktivität
ist. Wenn demnach der Abstimmkörper 28 so ausgebildet werden könnte, daß
er den Änderungsbetrag der Induktivität erniedrigt und trotzdem denselben Änderungsbetrag
der Kapazität bewirkt, könnte der Resonator innerhalb einer größeren Bandbreite
abgestimmt werden.
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Da sich die elektrischen Feldlinien E in dem Bereich des Abstimmkörpers
radial zu und von den Enden des Abstimmkörpers erstrecken, trägt der mittlere Teil
des Abstimmkörpers 28' wenig dazu bei, die Kapazität des Resonators zu beeinflussen.
Der in F i g. 6 dargestellte Abstimmkörper besteht aus zwei ausgerichteten, voneinander
getrennten Linien 33 und 34, die den Abstimmkörper 28' in F i g. 3 darstellen, wobei
jedoch der Mittelteil entfernt ist. Wie in F i g. 3 bezeichnen gleiche Bezugszeichen
gleiche Teile. Die Feldlinien E im Bereich des Abstimmkörpers sind in derselben
Weise wie in F i g. 3 gestört, obwohl der Abstimmkörper gespalten ist. Jedoch werden
jetzt die magnetischen Feldlinien nicht wesentlich beeinflußt, weil in axialer Richtung
kein Strom fließen kann. Der geschlitzte Abstimmkörper, der durch die Linien 33
und 34 dargestellt ist, wird von einer leitenden Halterung 36 getragen, die am Stempel
29' befestigt ist. Die Halterung und der Stempel sind schematisch dargestellt. Die
leitende Halterung 36 hat einen gewissen Einftuß auf das magnetische Feld, aber
dieser Einfluß ist bedeutend geringer als der Einfiuß des Abstimmkörpers 28 auf
das magnetische Feld, da die azimutale Strecke, um die die Halterung sich um die
Achse 12 erstreckt, viel kleiner als die azimutale Strecke ist, um die sich der
Abstimmkörper 28 erstreckt.
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Die F i g. 4 und 5 zeigen zwei typische Ausführungsformen von Abstimmkörpern
gemäß der Erfindung, die entsprechend den in F i g. 6 dargestellten Prinzipien ausgebildet
sind und die einen geringeren Einfluß auf die Störung des magnetischen Feldes ausüben
als der Abstimmkörper 28 bekannter Art. Der in F i g. 4 dargestellte halbzylindrische
Abstimmkörper 37 ist H-förmig ausgebildet und weist zwei ähnliche halbzylindrische
Platten 38 und 39 auf, die durch einen Bügel 41 getrennt sind. Diese Ausführungsform
unterscheidet sich von einem Abstimmkörper 28 bekannter Art dadurch, daß am zentralen
Teil Material entfernt ist. Die magnetischen Feldlinien in dem Bereich, aus dem
Material auf beiden Seiten des Bügels 41 entfernt ist, werden nicht so sehr gestört
wie die magnetischen Feldlinien am Bügel 41, da der erstere Teil des Abstimmkörpers
eine Feldverteilung mit dem in F i g. 6 dargestellten Querschnitt aufweist und der
letztere Teil des Absiimmkörpers eine Feldverteilung entsprechend dem in F i g.
3 dargestellten Querschnitt erzeugt. Wenn ein Absiimmkörper so ausgebildet ist,
daß er eine Feldverteilung entsprechend dem in F i g. 6 dargestellten Querschnitt
für 180° um die Mittellinie 12 erzeugt, kann der Resonator 11 auf niedrigere
Frequenzen abgestimmt werden.
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F i g. 5 zeigt eine andere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Abstimmvorrichtung.
Der Bügel ist weiter von der Achse der halbzylindrischen Platten 38' und 39' entfernt.
Ein Bügel 41' ist auf radial nach außen vorspringenden Armen 42 angebracht, so daß
sich im Ergebnis ein U-förmiger Bügel ergibt, der aus den Teilen 42 und 41' besteht.
Dieser Abstimmkörper beeinflußt das magnetische Feld noch weniger als der in F i
g. 4 dargestellte Abstimmkörper.
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Die Abstimmvorrichtung gemäß der Erfindung stimmt die TMolö Schwingungsform
des Hohlraumresonators in gewisser Hinsicht genauso gut und andererseits besser
als bekannte Abstimmvorrichtungen ab. Ein Vorteil gegenüber bekannten Vorrichtungen
besteht darin, daß der Abstimmbereich größer ist. Ein anderer Vorteil besteht darin,
daß die Stempelschwingungsformen höherer Ordnung durch die neue Abstimmvorrichtung
stark beeinflußt werden und daß die Wirksamkeit der neuen Abstimmvorrichtung auf
diese Schwingungsformen höherer Ordnung geändert werden kann, indem die axiale Länge
des Abstands zwischen den halbzylindrischen Platten 38 und 39 und die Breite des
Bügels 41 geändert werden. Ein typisches Anwendungsbeispiel eines bekannten Hohlraumresonators
der beschriebenen Art ist durch folgende Angaben gekennzeichnet: Hauptdurchmesser
desHohlraumresonators 31,5 cm, Höhe des Hohlraumresonators 21,6 cm, Außendurchmesser
der Laufrohre 8,9 cm, Spaltlänge 7,6 cm, Höhe des Abstimmkörpers 12,7 cm, Abstimmbereich
von etwa 400 bis 450 Megahertz. Der Balg im Hohlraumresonator des Klystron wurde
durchschlagen, als dieses in einem Frequenzbereich zwischen 440 und 445 Megahertz
betrieben wurde. Eine Untersuchung dieses Hohlraumresonators im kalten Zustand ließ
erkennen, daß eine Stempelschwingungsform mit der ersten Harmonischen der Grundfrequenz
zusammenfiel, als der Ausfall auftrat.
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Derselbe Abstimmkörper wurde dann gemäß der Lehre der Erfindung ausgestaltet,
wobei der Abstand zwischen den Platten 38 und 39 5,08 cm betrug und die azimutale
Länge des Spaltes 3,81 cm, gemessen von dem Ende der Platte 38 bis zum Bügel 41
entsprechend F i g. 4. Ein Hohlraumresonator mit diesem Abstimmkörper konnte anstandslos
betrieben werden. Bei einer Prüfung des Hohlraumresonators im kalten Zustand ergab
sich; daß die Stempelschwingungsform, die in Wechselwirkung mit der Harmonischen
der Grundfrequenz des Resonators trat, zu einer höheren Frequenz verschoben wurde.
Bei einer Konstruktion der Frequenzkurven der verschiedenen Schwingungsformen im
Hinblick auf die Lage der Abstimmvorrichtung ergab sich, daß die Kurven eine Überlagerung
zwischen Stempelschwingungsformen höherer Frequenz und den Haxmonischen
der
Grundfrequenz zeigten, wenn der Hohlraum auf 470 Megahertz abgestimmt wurde. Dies
ist eine höhere Frequenz als diejenige, bei der der betreffende Hohlraum schwingen
könnte.