DE845223C - Elektronenentladungsvorrichtung zur Erzeugung von Hochfrequenz-schwingungen - Google Patents

Description

(WiGBl. S. 175)

AUSGEGEBEN AM 31. JULT 1952

p 28870 VIII c /21g D

ist als Erfinder genannt worden

schwingungen

Für die Erzeugung von Hochfrequenzschwingungen sind lx?reits Elektronenentladungsvorrichtungen in Vorschlag gebracht worden, welche aus einem rotationssymmetrischen Hohlraumresonator bestehen, der eine Elektronenquelle in solcher Anordnung und Ausbildung enthält, daß sie einen längs der Achse des Resonators verlaufenden Elektronenstrom erzeugt; in dem Hohlraumresonator sind quer zum Elektronenstrom zwei netzartige Gitterelektroden (Spaltelektroden) angeordnet, die mit dem Resonator verbunden sind, und außerdem ist auf der der Elektronenquelle abgewandten Seite eine Reflektorelektrode vorgesehen. Die Reflektorelektrode ist so angeordnet, daß die Elektronen nach dem Durchgang durch die Gitterelektrode auf diese reflektiert werden.

Die Erfindung bezieht sich auf Elektronenentladungsvorrichtungen der vorgenannten Art und besteht darin, daß die Gitterelektroden und die Reflektorelektrode tellerförmig gestaltet und so angeordnet sind, daß sie ihre konkaven Flächen der Elektronenquelle zuwenden und diie Gitterelektroden gleichförmigen Abstand voneinander haben, und daß die Gitterelektroden mit Bezug auf die Gestaltung der Reflektorelektrode solche Form haben, daß die Elekfronen nach ihrem ersten Durchgang durch die Gitter für die zweite Durchquerung der Gitter mit im wesentlichen gleichförmiger Laufzeit zwischen den

beiden Durdiquerungen reflektiert werden. Die erfindungsgemäße Anordnung zeichnet sich dadurch aus, daß eine gewisse Gegenwirkung gegen das Bestreben der Elektronen, nach auswärts, d. h. von der Achse des Elektronenstromes fortzuwandern, geschaffen ist. Dieses Bestreben der Auswärtswanderung scheint durch kleine Radialgeschwindigkeiten oder kleine Raumladungseffekte bedingt zu sein. Die erfindungsgemäße Anordnung behebt im übrigen ίο den bei flachen, an ihrem Rand eingespannten Gittern häufig auftretenden Mangel der Verwerfungen, welche ungleichmäßige Abstände der Gitterelektroden und ungleichmäßige Laufzeitwinkel zur Folge haben. Die konkave, tellerförmige Ausbildung der Gitterelektroden gibt denselben eine praktisch vollkommene Formbeständigkeit; insbesondere ist beobachtet worden, daß die durch das Auftreffen von Elektronen bedingte Dehnung stets geringer ist als im Fall einer flachen Ausbildung der Gitterelektrode; darüber hinaus wird sich eine tellerförmige Gitterelektrode stets in Richtung der Wölbung dehnen; eine regellose Dehnung, wie sie bei flachen, ebenen Gitterelektroden praktisch unvermeidlich ist, kann nicht auftreten.

In ihrer weiteren Ausbildung empfiehlt die Erfindung, die Elektronenquelle mit einer Beschleunigungselektrode auszustatten, welche gegenüber den Gitterelektroden einen netzartigen, tellerförmigen Teil aufweist, dessen Ausbuchtung entgegengesetzt zu denjenigen der Gitterelektroden gerichtet ist.

Die Erfindung soll zum besseren Verständnis im folgenden näher erläutert werden, und zwar in Verbindung mit der Zeichnung; in der Zeichnung zeigt Fig. ι eine Schnittdarstellung einer Elektronenentladungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2 eine Schnittdarstellung der bei der Vorrichtung nach Fig. 1 verwendeten Elektronenquelle, Fig. 3 die Schnittdarstellung einer Elektronenentladungsvorrichtung gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung.

Die Elektronenentladungsvorrichtung nach Fig. 1 besitzt ein evakuiertes Gehäuse 10, beispielsweise aus glasartigem Material, welches an den gegenüberliegenden Enden einwärts vorspringende, in gleicher Richtung verlaufende Stutzen 11 und 12 aufweist. Der Stutzen 11 trägt etine Elektronenquelle, die allgemein mit 13 bezeichnet ist und, wie Fig. 2 genauer zeigt, eine Kathode mit zylindrischer, metallischer Ummantelung besitzt, die an einem Ende einen runden, metallischen Teil 15 trägt, dessen äußere, dem Stutzen 11 abgewandte Fläche mit einem Material überzogen ist, das gute elektronische Emissionseigenschaften aufweist. Die Ummantelung 14 umschließt eine dicht gewickelte Heizwicklung 16, die beispielsweise aus Wolframdraht besteht, der mit einem Isoliermaterial überzogen ist. Die Kathode wird von einer Elektrode 17 umschlossen, die koaxial zur Kathode liegt und ein erweitertes Ende 18 aufweist, das sich an den Umfang des Kathodenteils 15 anschließt. Diese Elektrode 17 dient dazu, den Elektronenstrom zu einem Strahl mit kreisförmigem Querschnitt zu bündeln. Die Elektronenquelle enthält außerdem eine Beschleunigungselektrode, die koaxial zur Kathode und zu der den Elektronenstrom formenden Elektrode liegt und aus einem zylindrischen Teil 19 sowie einem sieb- oder gitterartigen Endteil 20 besteht; letzterer ist tellerförmig und so angeordnet, daß seine konkave Fläche dem Kathodenteil 15 zuweist. Die verschiedenen die Elektronenquelle bildenden Elektroden sind an einem metallischen Sockel 21 befestigt, der die Elektroden in ihrer koaxialen Lage hält. Der Sockel 21 hat zwei zylindrische Wandflächen 22 und 23; über die Fläche 22 ist der Teil 17 der den Elektronenstrom formenden Elektroden geschoben, und an der Fläche 23 sind starre dünne Drähte 24 befestigt, die an die Kathodenumhüllung 14 angeschlossen sind. Der zylindrische Teil 19 der Beschleunigungselektrode ist mit einem Flansch 25 versehen, der zwischen einem Paar Isolierscheiben 26 liegt; die Elektrode ist an dem Sockel 21 mittels einer ringförmigen, an dem Sockel 21 festgelegten Überwurfklemme befestigt.

Wie ersichtlich, bildet die Elektronenquelle ein einheitliches Ganzes, welches von dem Stutzen 11 vermittels mehrerer starrer Drähte 28 gehalten wird, die in den Stutzen eingebettet sind, und an welchem der Sockel 21 mittels starrer Verbindungsdrähte 29 befestigt ist.

Gegenüber der Elektronenquelle und koaxial dazu liegt ein Paar Elektroden, die allgemein mit 30 und 31 bezeichnet sind. Die Elektrode 30 l>esteht aus einem zylindrischen Teil 32, der mit einer ringförmigen, durch die Wandung des Gehäuses 10 hindurchgeführten und hermetisch damit verschmolzenen Scheibe 33 aus einem Stück besteht und weiterhin aus einem tellerförmigen, sieb-oder gitterartigen Endteil 34. Die andere Elektrode, 31, besteht aus einem mittleren zylindrischen Teil 35, der mit einem ringförmigen, durch die Wand des Gehäuses 10 hindurchgeführten und damit hermetisch verschmolzenen Teil 36 aus einem Stück besteht, und außerdem aus einem tellerförmigen, sieb- oder gitterartigen Endteil 37, der dem gitterförmigen Teil 34 der Elektrode 30 angepaßt ist und demselt>en unmittelbar gegenüberliegt.

Eine tellerförmige runde Reflektorelektrode 38 ist gegenüber der Elektrode 31 und koaxial dazu befestigt und wird in dem Stutzen 12 mittels des Zuführungsleiters 39 gehalten.

Den Elektroden 30 und 31 sind ein Paar koaxiale zylindrische Leiter 40 und 41 zugeordnet, die an einem Ende vermittels eines ringförmigen, metallischen Abstandhalters 42 miteinander verbunden ¹¹S sind und in ihrem mittleren Teil in gleitfähiger Verbindung mit einem ringförmigen Leiter oder Kolben 43 stehen, dessen Lage mittels einer daran befestigten und in dem metallischen Abstandhalter 42 geführten Stellschraul>e 44 reguliert werden kann. Der innere koaxiale Leiter 40 steht mit dem ringförmigen Scheibenteil 36 der Elektrode 31 im Eingriff und kann an demselben befestigt sein. Der äußere koaxiale Leiter 41 ist mit dem ringförmigen Scheibenteil 33 der Elektrode 30 verbunden, z. B. mittels metallischer Ringe 45, die an dem Scheiben-

teil und gegen den Leiter 41 mittels der ineinander schraubbaren Klemmteile 46 und 47 festklemmbar sind.

Die Elektroden 30 und 31 begrenzen im Verein mit dem koaxialen Leiter 40 und 41 einen Hohlraumresonator, welcher auf die gewünschte Frequenz durch entsprechende Änderung der Lage des Kolbens 43 abgestimmt werden kann. Aus dem Hohlraumresonator kann Energie entnommen we γ ιο den, und zwar über den Leiter 48, dessen inneres Ende als Schleife ausgebildet ist, und welcher in dem von dem Klemmteil 47 getragenen zylindrischen Leiter 49 liegt.

Während des Betriebes der Vorrichtung wird die Beschleunigungselektrode 19 mit Bezug auf die Kathode auf einem positiven Potential gehalten, während die Reflektorelektrode 38 mit Bezug auf die Kathode ein negatives Potential hat. Die Elektroden

30 und 33 werden auf dem gleichen positiven Potential gegenüber der Kathode gehalten. Gemäß einer l>esonderen Ausführungsart, die sich für den io-cm-Wellenlängenbereich eignet, kann die Beschleunigungselektrode 19 mit etwa 330 Volt positiv, die Elektroden 30 und 31 bei etwa 250 Volt positiv und die Reflektorelektrode 38 zwischen 80 bis 100 Volt negativ oder zwischen 22 bis 32 Volt negativ l>etrieben werden, und zwar in jedem Fall mit Bezug auf die Kathode.

Die von der Kathode 14, 15 ausgehenden Elektronen werden in einem im wesentlichen parallelen Strom gehalten, und zwar durch die den Strom formende Elektrode 17, 18; die Elektronen werden in Richtung zu dem Spalt zwischen den gitterartigen Teilen 34 und 37 der Elektroden 30 bzw. 31 auf Grund des positiven Potentials derBeschleunigungselektrode 19 lieschleunigt. Beim Durchgang durch den Spalt zwischen den Gitterteilen 34 und 37 erfahren die Elektronen eine Geschwindigkeitsmodulation, und der Elektronenstrom gelangt danach in den Raum zwischen den Elektroden 31 und 38, in welchem eine Dichtemodulation des Elektronenstromes erfolgt. Die Geschwindigkeitsänderungen werden dal>ei in Dichteänderungen umgewandelt. Wegen des negativen Potentials an der Reflektorelektrode 38 werden die Elektronen in Richtung des Spaltes zwischen den Gitterteilen 34 und 37 der Elektroden 30 bzw. 31 zurückgeworfen und durchqueren auf ihrem Weg zur Kathode erneut den Spalt, wobei sie Energie an den Hohlraumresonator abgeben. Die Vorrichtung arbeitet dabei mit Selbsterregung, d. h. als Schwingungserzeuger, wobei die Schwingungen extrem geringe Wellenlänge, z. B. in der Größenordnung von wenigen Zentimetern. hal>eu, was von den elektrischen Parametern des Systems abhängt.

Die Elektrode 38 ist mit Bezug auf den Spalt in solchem Abstand gehalten und wird mit solchem Potential l>etriel>en, daß die Abtriftzeit, das ist die Gesamtzeit, für welche sich ein Elektron des Elektronenstromes in dem Raum zwischen den Elektroden

31 undßS l>efindet, und zwar unter Berücksichtigung sowohl der Bewegung von dem Spalt zur Reflektorelektrode als auch der umgekehrten Bewegung, im wesentlichen gleich ist (n — V₄) Schwingungen der Betriebsfrequenz, wobei η eine ganze Zähl ist, so daß die zurückkehrenden Elektronen den Spalt in der geeigneten Phase durchqueren, um Energie an den Hohlraumresonator zu liefern. In der Praxis wird der Hohlraumresonator auf die gewünschte Betriebsfrequenz dadurch abgestimmt, daß man die Lage des Kolbens 43 entsprechend einstellt; die Spannung an der Elektrode 38 wird danach geändert, bis die von der Ausgangsschleife 48 abgenommene Leistung ein Maximum ist.

Es wurde festgestellt, daß diese Reflektionswirkung und die doppelte Richtungsumkehr der Elektronen verstärkt wird durch die Tellerform der Gitterelektroden 34 und 37 und der Elektrode 38, wobei die konkave Fläche der Elektronenquelle zuweist, und daß durch diese Gestaltung der Elektroden der Strom verringert werden kann, der von der Kathode ausgehen muß, um eine bestimmte Ausgangsleistung zu erzielen. Die Tellerform der Elektroden hat darüber hinaus zur Folge, daß die Durchgangszeit der Elektronen im Bereich zwischen den Elektroden 31 und 38 gleichmäßig ausfällt.

Es ist ersichtlich, daß die Vorrichtung einen einfachen Betrieb ermöglicht, zumal nur eine Abstimmoperation lind eine Potentialeinstellung, nämlich diejenige der Elektrode 38, erforderlich ist, um die Betriebsfrequenz über einen ziemlich weiten Bereich zu ändern; z. B. konnten mit der erläuterten Ausführung Schwingungen über den Bereich von 8 bis 13,4 cm erzielt werden; 'bei Betrieb mit einer zweiten Wellenart in dem Hohlraum sind Schwingungen von 6 cm Wellenlänge erzielt worden. Durch Abstimmung des Hohlraumresonators auf eine bestimmte Frequenz läßt sich die Oszillatorfrequenz um 20 bis 30 Megahertz verändern, indem das Potential der Elektrode 38 verändert wird.

Da Änderungen der Schwingungsfrequenz nur geringe Änderungen der erzielbaren Leistung zur Folge haben, so eignet sich die Vorrichtung zur Verwendung für solche Zwecke, wo es auf Frequenzmodulation ankommt. Wenn z. B. die Vorrichtung zur Frequenzmodulation Anwendung finden soll, würde ein Element in die Verbindung zwischen der Elektrode 38 und der zugehörigen Spannungsquelle angeordnet werden, um das Potential der Elektrode 38 entsprechend dem zu modulierenden Signal zu ändern. Dieses Element könnte z. B. als Sekundärwicklung eines Ausgangstransformators ausgeführt sein, dessen Primärwicklung im Stromkreis des Übertragers oder Mikrofons liegt.

Da die Schwingungsfrequenz vermittels des Potentials der Elektrode 38 kontrollierbar'ist, eignet sich die Vorrichtung insbesondere zur Verwendung als Überlagerer mit automatischer Abstimmung; in diesem Falle würde die Elektrode 38 in geeigneter Weise mit einem automatischen Abstimmkreis ausgestattet, der in solcher Weise wirkt, daß das Potential der Elektrode 38 auf dem Wert gehalten wird, der für die Erzeugung von Schwingungen von der gewünschten Frequenz erforderlich ist, um dadurch die ordnungsgemäße Beziehung zwischen der Überlagerer- und der Signalfrequenz aufrechtzuerhalten.

Bei der in Fig. 3 gezeigten Elektronenentladungsvorrichtung besteht das umschließende Gehäuse aus einem Metallzylinder 50 mit innerem ringförmigem Absatz 51 und metallischen, ringförmigen Endteilen 52 und 53, an denen Isolierglieder 54 bzw. 55 dicht befestigt sind. In dem Gehäuse sind eine Elektronenquelle 13 und Elektroden 30, 31 und 38 angeordnet, (lie von der gleichen allgemeinen Ausführung sein können wie die entsprechenden Teile bei der Vorrichtung nach Fig. 1. Der ringförmige Scheibenteil 33 der Elektrode 30 liegt an einem Ende des inneren ringförmigen Teils 51 des Gehäuses an und dient einem zylindrischen, metallischen Abstandhalter 56 als Anlage, an welchem wiederum die ringförmige Scheibe 36 der Elektrode 31 anliegt. Die Elektroden 30 und 31 und der Abstandhalter 56 sind verschiebbar in dem Zylinder 50 eingepaßt und können mittels einer zylindrischen Hülse 57, die in dem Metallzylinder 50 passend sitzt, in ihrer Lage festgelegt werden.

Bei dieser Ausführung ist der Hohlraumresonator ganz in das geschlossene Gehäuse verlegt, wobei er durch die Elektroden 30 und 31, den Abstandhalter 56 und die zwis'chen den Scheiben 33 und 36 liegenden Teile des Zylinders 50 begrenzt wird. Aus dem Hohlraum kann Energie durch den Leiter 59 entnommen werden, welcher durch einen am Zylinder 50 befestigten Stutzen 58 geführt und in dem Stutzen mittels einer Füllung aus Glas oder anderem Isoliermaterial hermetisch abgediclitet ist. Der Hohlraum kann durch die koaxiale Leitung 60 abgestimmt werden, deren effektive, parallel zu dem Hohlraum verlaufende Länge einstellbar ist; der innere Leiter der koaxialen Leitung ist an die Scheibe 33 angeschlossen, der äußere Leiter der koaxialen Leitung ist mit dlem Metallzylinder 50 fest verbunden.

Die in Fig. 3 gezeigte Vorrichtung kann in der gleichen Weise wie die in Fig. 1 und 2 gezeigte und vorbeschriebene Vorrichtung betrieben werden.

Ein besonderes Merkmal besteht darin, daß der Hohlraum keinerlei Verbindungsstellen enthält, so daß Leistungsverluste infolge Kontaktwiderstandes und sonstige Verluste weitgehend vermieden sind.

Darüber hinaus ist der Hohlraum frei von Isoliermaterial, so daß keine durch die Isolierung bedingten Verluste auftreten können. Im übrigen ist bei dieser Konstruktion sehr genaue Ausrichtung und Abstandhaltung zwischen den Elektroden ermöglicht, so daß die Herstellung von Vorrichtungen für den Betrieb bei sehr hohen Frequenzen, bei welchen genaue Ausrichtung und Abstandeinstellung der Elektroden sehr bedeutungsvoll ist, erleichtert wird.

Claims (2)

1. Patentansprüche:

   i. Elektronenentladungsvorrichtung zur Erzeugung von Hochfrequenzschwingungen, bestehend aus einem rotationssymmetrischen Hohlraumresonator, in dem eine Elektronenquelle (Kathode) so angeordnet und ausgebildet ist, daß sie einen längs der Achse des Resonators verlaufenden Elektronenstrom erzeugt, und in dem quer zum Elektronenstrom zwei netzartige Gitterelektroden (Spaltelektroden) angeordnet sind, die mit dem Resonator verbunden sind, und in dem auf der der Elektronenquelle abgewandten Seite eine Reflektorelektrode vorgesehen und so angeordnet ist, daß die Elektronen nach dem Durchgang durch die Gitterelektrode auf diese reflektiert werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Gitterelektroden und die Reflektorelektrode tellerförmig gestaltet und so angeordnet sind, daß sie ihre konkaven Flächen der Elektronenquelle zuwenden und die Gitterelektroden gleichförmigen Abstand voneinander haben und daß die Gitterelektroden mit Bezug auf die Gestaltung der Reflektorelektrode solche Form haben, daß die Elektronen nach ihrem ersten Durchgang durch die Gitter für die zweite Durchquerung der Gitter mit im wesentlichen gleichförmiger Laufzeit zwischen den beiden Durchquerungen reflektiert werden.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektronenquelle mit einer Beschleunigungselektrode ausgestattet ist, welche gegenüber den Gitterelektroden einen netzartigen, tellerförmigen Teil aufweist, dessen Ausbuchtung entgegengesetzt zu denjenigen der Gitterelektroden gerichtet ist.

   Angezogene Druckschriften: USA.-Patentschriften Nr. 2 190 511, 2220841.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

   5267 7.