DE853031C

DE853031C - Elektronenroehre fuer ultrakurze elektromagnetische Schwingungen

Info

Publication number: DE853031C
Application number: DEP28968A
Authority: DE
Inventors: Fritz Dr Phil Luedi
Original assignee: Patelhold Patenverwertungs and Elektro-Holding AG
Current assignee: Patelhold Patenverwertungs and Elektro-Holding AG
Priority date: 1944-11-17
Filing date: 1949-01-01
Publication date: 1952-10-20
Also published as: GB604400A; BE461317A; FR917370A; US2597506A; CH254095A; NL67113C

Description

iWiGBl. S. 175)

AUSGEGEBEN AM 20. OKTOBER 1952

P 28968 VIIIc12ig D

ist als Erfinder genannt worden

Glarus (Schweiz)

Bei den bekannten Magnetfeldröhren werden von einer Kathode Elektronen emittiert, welche unter dem Einfluß der Anodenspannung und des angelegten Magnetfeldes auf Bahnen zwischen der Kathode und der Anode laufen. Diese Röhren dienen zur Erzeugung und Verstärkung elektrischer Schwingungen sehr kurzer Wellenlängen.

Fig. ι der Zeichnung zeigt ein Beispiel einer Magnetfeldröhre in perspektivischer Darstellung. Dabei bedeuten K die Kathode, S die Anodensegmente und H einen als Schwingkreis dienenden Hohlraumresonator. Das Magnetfeld ist nicht gezeichnet. Es ist axial gerichtet.

Bei solchen Magnetfeldröhren laufen die von der Kathode K emittierten Elektronen unter dem Einfluß der elektrischen und magnetischen Kraftlinien auf zykloidenähnlichen Bahnen zwischen der Kathode und der Anode um die Kathode. Durch die Wirkung des zwischen den Segmenten S vorhandenen hochfrequenten Wechselfeldes wird eine ao Dichtemodulation der sich auf den Zykloi den bahnen bewegenden Elektronen hervorgerufen; denn diese erfahren durch das Wechselfeld anfänglich eine Geschwindigkeitsmodulation, welche sich beim Weiterlaufen der Elektronen in eine Dichtemodu- as lation verwandelt. Die Elektronenpakete bedingen ihrerseits durch Influenzwirkung eine Verstärkung der durch den Schwingungsvorgang bedingten elektrischen Aufladung der Segmente und damit eine Verstärkung der hochfrequenten elektrischen Schwingungen.

Gegenstand der Erfindung ist nun eine Elek-

tronenröhre für ultrakurze elektromagnetische Schwingungen, welche mindestens eine Kathode, eine gegen diese positiv vorgespannte, aus mindestens acht Segmenten bestehende, zylinderförmige und koaxial zur Röhrenachse angeordnete Anode und ein parallel zur Röhrenac'hse gerichtetes Magnetfeld aufweist, bei welcher erfindungsgemäß der Anodenradius r_a und der Radius des konzentrisch zur Anode angeordneten Kathodenkörpers rj. in ίο bezug auf die Segmentpaarzahl p so gewählt sind, daß die Beziehung

erfüllt ist.

In Fig. 2, welche einen Schnitt senkrecht zur Achse einer erfindungsgemäßen Elektronenröhre darstellt, bedeuten 5 wieder die Anodensegmente, ao H den Hohlraumresonator, K die Glühkathode und L eine Leitelektrode. Glühkathode K und Leitelektrode L bilden zusammen einen konzentrisch zur Anode angeordneten Kathodenkörper. Statt des letzteren könnte auch eine flächenhaft emittierende Großflächenkathode oder eine Drahtspirale von mehreren Windungen vom Radius r_k vorgesehen sein, da der sich abspielende Elektronenmechanismus in beiden Fällen im wesentlichen gleich ist. Im allgemeinen besitzen die Elektroden L und K mindestens angenähert gleiches Potential. Die Bedeutung der in (1) auftretenden Größen r_a, r_k und p ist aus der Figur ohne weiteres ersichtlich.

Die erfindungsgemäße Elektronenröhre besitzt gegenüber den bekannten Röhren vor allem den Vorteil eines sehr guten Wirkungsgrades bei technisch gebräuchlichen Magnetfeldern und Anodenspannungen. Dieser erreicht in gewissen Fällen angenähert den theoretisch überhaupt möglichen Wert. Um ein anschauliches Bild von dem Bereich zu vermitteln, welcher durch die Ungleichung (i) gegeben ist, wurden bei den zwei in Fig. 3 dargestellten beispielsweisen Röhren die Grenzen desselben eingezeichnet. Bei der Röhre der Fig. 3 a wurde die Segmentpaarzahl zu p = 10 und der Anodenradius zu r„ = 1 angenommen; in diesem Fall befinden sich die Grenzwerte für den Kathodenradius bei r£ = 0,8 und r_k" = 0,6. Diese beiden extremen Radien sind in Fig. 3 a strichpunktiert eingezeichnet. Die Anode vom Radius r_a wurde der Einfachheit halber als Kreis gezeichnet. Bei einer Röhre mit zehn Segmentpaaren und einem Anodenradius von 10 mm' befindet sich also der erfindungsgemäße Bereich hohen Wirkungsgrades innerhalb der Werte r*' = 8 mm und r*" = 6 mm. Fig. 3 b zeigt die Grenzen einer Röhre, für welche p = 20 und r_a = 1 vorausgesetzt ist. Die beiden Grenzradien sind hier r_k' = 0,9 und r_k" = 0,8. Sie sind ebenfalls strichpunktiert eingezeichnet.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß bei den technisch gebräuchlichen Magnetfeldern und Anodenspannungen der Wirkungsgrad als Funktion der Röhreradimensionen über einen bestimmten Bereich bedeutend größer ist als im übrigen Gebiet, wobei dieser Bereich innerhalb der durch obige Beziehung (i) gegebenen Grenzen liegt.

Die physikalische Ursache der Existenz dieses Bereiches großen Wirkungsgrades erklärt sich im wesentlichen folgendermaßen: Wie bereits erwähnt, laufen die von der Kathode emittierten Elektronen in Ebenen senkrecht zur Röhrenachse auf Zykloidenbahnen im Raum zwischen der Anode und dem Kathodenkörper und erfahren dabei eine Paketierung. Erfüllen nun die mechanischen Dimensionen die Beziehung (1), so gilt für jedes zu einem Elektronenpaket gehörende Elektron, daß es in gleichen Lagen auf seinen Zykloidenbahnen mindestens angenähert den gleichen Verhältnissen in bezug auf das hochfrequente Wechselfeld ausgesetzt ist, d. h. angenähert liegen die Zykloiden in bezug auf die polarisiert gedachten Anodensegmente ähnlich, und es entsprechen zudem gleichen Phasenlagen der Elektronen auf den Zykloiden gleiche Phasenlagen der Hochfrequenzspannung.

Es wurde ferner theoretisch und experimentell festgestellt, daß der Wirkungsgrad innerhalb des erwähnten optimalen Bereiches (1) in Abhängigkeit der Röhrendimensionen ausgeprägte Maxima besitzt. Bei einer speziell vorteilhaften Röhre sind deshalb die Dimensionen so gewählt, daß' der Wirkungsgrad der Röhre ein Maximum besitzt. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn der Ausdruck

P i'^±r^

{r_a +r_k)* J

ι —

wenigstens angenähert gleich 2 oder 3 ist.

Fig. 4 zeigt den Verlauf des Wirkungsgrades η zweier beispielsweiser Röhren in Funktion ihres Kathodenradius r_k. Beide Kurven besitzen einen ausgeprägten Bereich großer Werte von η, wobei die eine ein Maximum, die andere deren zwei besitzt.

Eine vollkommen genaue Vorausbestimmung aller Werte einer Röhre läßt sich praktisch kaum durchführen. Jedoch ist es für den Fachmann nun ohne weiteres möglich, durch bloße Variation mindestens einer der betreffenden Dimensionsgrößen innerhalb des angegebenen Bereiches den gewünschten Wert bester Arbeitsweise zu ermitteln. Es zeigt sich dabei, daß schon ganz geringe Änderungen, beispielsweise des Durchmessers des Kathodenkörpers, genügen, um zum gewünschten Resultat zu gelangen.

Die Bedingungen für solche Maxima sind dann erfüllt, wenn nicht nur die Elektronen in gleichen Lagen auf den Zykloiden in Phase sind mit dem Wechselfeld, sondern zudem die Zykoidenbahnen der Elektronen nach einem ganzzahligen Umlauf in der Röhre wiederum mit den ursprünglichen Zykloidenbahnen zusammenfallen.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der Abstand der Mitten benachbarter Segmente in der Umfangsrichtung, die sog. Segmentteilung (Xl 2 in Fig. 2), kleiner als mm. Dadurch werden zu hohe Anodenspannungen

vermieden, und zwar erklärt sich das folgender maßen:

Gemäß theoretischen Überlegungen ist der Wir küngsgrad durch die Größe des Magnetfeldes bestimmt, d. h. ein großer Wirkungsgrad bedingt ein großes Magnetfeld, und umgekehrt. Anderseits ist der Wirkungsgrad η hinsichtlich λ und y nur abhängig von deren Verhältnis ylX, wobei y = (r_a — ) und λ die doppelte Segmentteilung ist. Die Bedeutung dieser Größen ist ebenfalls aus Fig. 2 ersichtlich. Ist nun durch ein bestimmtes Magnetfeld der Wirkungsgrad η fest vorgegeben, so besitzt eine Röhre mit kleiner Segmentteilung, d. h. mit kleinem ). wegen dieser Abhängigkeit auch einen kleinen Anoden-Kathoden-Abstandy und somit auch nur eine kleine Anodenspannung; denn aus der formelmäßigen Beziehung zwischen der Anodenspannung V und der Größe y

V=k (y

in welcher H die Stärke des Magnetfeldes und k eine Konstante bedeutet, ist ersichtlich, daß (bei konstantem H) eine Verkleinerung von y eine Verkleinerung von V nach sich zieht. Die Verhältnisse liegen nun so, daß eine Segmentteilung, welche größer als 2 mm ist, zu im allgemeinen für die Praxis unvorteilhaft hohen Anodenspannungen führt.

Die Beziehung (1) gemäß der Erfindung bedingt, daß die Segmentzahl nicht beliebig vorgegeben werden kann, sondern eine untere Grenze besitzt. Ihre Zahl muß mindestens 8 betragen. Der Ausdruck

r_a

4'*

= a

besitzt nämlich sein Maximum für r^—*~ ο und wird in diesem Fall gleich V2, so daß dann die maximale Segmentpaarzahl p durch die Ungleichung

gegeben ist. Es muß daher p_min > 3,6 und somit die Zahl der Segmente im Minimum gleich 8 sein.

Die Zahl der Segmente kann natürlich sehr stark variieren. Es sind ohne weiteres Röhren möglich, welche über 100 Segmente aufweisen.

Die erfindungsgemäße Elektronenröhre l>esitzt insbesondere auch dann vorteilhafte Eigenschaften, wenn als Schwingkreis für die hochfrequenten Ströme ein Hohlraumresonator dient. Eine solche Ausführungsform stellt beispielsweise Fig. 2 dar. Bei dieser ist der Hohlraumresonator H zusammen mit den Anodensegmenten 6" als Ring ausgebildet, wobei die Anodensegmente S so mit demselben verbunden sind, daß benachbarte stets an verschiedenen Seitenwänden des Hohlraumresonators befestigt sind. Auf diese Weise bilden die Segmente im wesentlichen den kapazitiven Teil des Hohlraum-

60- resonators. Die Wellenlänge der erzeugten Schwingungen ist durch den Querschnitt des ringförmigen Hohlkörpers H und durch die gegenseitige Kapazität der Anodensegmente je Längeneinheit längs des Umfangs gegeben. Als Folge davon nimmt die ' räumliche Ausdehnung der Röhre auch bei sehr kleinen Wellenlängen nicht unvorteilhafte Werte an. Insbesondere wird der Aufbau auch bei kleinsten Wellenlängen nicht ungünstig klein. Die Länge der Anodensegmente wird auch bei größeren Wellenlängen nicht unvorteilhaft lang, so daß keine Schwierigkeiten entstehen bei der Herstellung eines homogenen Magnetfeldes. Außerdem sind bei Verwendung eines Hohlraumresonators die elektrischen Verluste minimal.

Die Röhre eignet sich ebenfalls hervorragend für sehr große Leistungen, insbesondere in Verbindung mit Großflächenkathoden. In gewissen Fällen empfiehlt es sich auch, an Stelle einer Großflächenkathode eine in wenigstens angenähert konstantem Abstand zur Anode über mindestens ihren größten Teil von den Elektronen nicht durchstoßene Leitelektrode in Verbindung mit mindestens einer Glühkathode vorzusehen. In Fig. 2 ist eine solche Leitelektrode L mit einer Glühkathode K dargestellt. Der Elektronenmechanismus ist bei solchen Röhren gleich wie bei Röhren mit einer Großflächenkathode, abgesehen von den Unterschieden, welche entstehen, weil bei der Kombination »Leitelektrode mit mindestens einer Kathode« die Elektronen nur an diskreten Stellen einer Zylinderoberfläche emittiert werden statt gleichmäßig auf der ganzen Oberfläche. Jedoch sind diese Differenzen nur sekundärer Natur.

Bei gewissen Röhren ist nicht vor allem ein maximaler Wirkungsgrad die Hauptl>edingung, sondern z. B. ein vorgegebener Wert des Magnetfeldes, so daß es bei solchen Röhren vorteilhaft ist, die Arbeitsbedingungen nicht im Gebiet maximalen Wirkungsgrades, sondern in irgendeinem anderen Gebiet innerhalb des erfindungsgemäßen Bereiches zu wählen.

Speziell vorteilhafte Eigenschaften zeigte eine Röhre mit sieben Segmentpaaren bei einer Magnetfeldstärke von etwa 600 Gauß und einer Anodenspannung von etwa 1200 Volt.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

i. Elektronenröhre für ultrakurze elektromagnetische Schwingungen, welche mindestens no eine Kathode, eine gegen diese positiv vorgespannte, aus mindestens acht Segmenten bestehende, zylinderförmige und koaxial zur Röhrenachse angeordnete Anode und ein parallel zur Röhrenachse gerichtetes Magnetfeld aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Anodenradius r_a und der Radius des konzentrisch zur Anode angeordneten Kathodenkörpers r_k in bezug auf die Segmentpaarzahl p so gewählt sind, daß die Beziehung

1,8 <-

(r_a

< 3,4

erfüllt ist.
2. Elektronenröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dimensionen so ge-

wählt sind, daß der Wirkungsgrad der Röhre ein Maximum ist.
3. Elektronenröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Segmentteilung kleiner als 2 mm ist.
4. Elektronenröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausdruck P (r_tt+r_k

P (r_tt+r_k \ /

M 2 ) \ (r

wenigstens angenähert ganzzahlig ist.
5. Elektronenröhre nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch sieben Segmentpaare.
6. Elektronenröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in wenigstens angenähert konstantem Abstand zur Anode eine mindestens über ihren größten Teil von den Elektronen nicht durchstoßene Leitelektrode angeordnet ist.
7. Elektronenröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anodensegmente den wesentlichen Teil der Kapazität eines ringförmigen Hohlraumresonators bilden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

I 5423 10.