DE853031C - Electron tubes for ultra-short electromagnetic oscillations - Google Patents
Electron tubes for ultra-short electromagnetic oscillationsInfo
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Description
iWiGBl. S. 175)iWiGBl. P. 175)
AUSGEGEBEN AM 20. OKTOBER 1952ISSUED OCTOBER 20, 1952
P 28968 VIIIc12ig DP 28968 VIIIc12ig D
ist als Erfinder genannt wordenhas been named as the inventor
Glarus (Schweiz)Glarus (Switzerland)
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.In the known magnetrons, electrons are emitted from a cathode, which under the influence of the anode voltage and the applied magnetic field on paths between the The cathode and the anode are running. These tubes are used to generate and amplify electrical power Vibrations of very short wavelengths.
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.Fig. Ι the drawing shows an example of a magnetron in a perspective view. Here, K denotes the cathode, S denotes the anode segments and H denotes a cavity resonator serving as an oscillating circuit. The magnetic field is not drawn. It is directed axially.
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.In such magnetrons, the electrons emitted by the cathode K run under the influence of the electric and magnetic lines of force on cycloid-like paths between the cathode and the anode around the cathode. The effect of the high-frequency alternating field between the segments S causes ao density modulation of the electrons moving on the cycloi orbits; because they experience a speed modulation initially due to the alternating field, which changes into a density modulation as the electrons move on. The electron bunches, for their part, cause an increase in the electrical charge of the segments caused by the oscillation process and thus an increase in the high-frequency electrical oscillations.
Gegenstand der Erfindung ist nun eine Elek-The subject of the invention is now an elec-
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 ra und der Radius des konzentrisch zur Anode angeordneten Kathodenkörpers rj. in ίο bezug auf die Segmentpaarzahl p so gewählt sind, daß die BeziehungTron tube for ultrashort electromagnetic oscillations, which has at least one cathode, a cylinder-shaped anode, which is positively biased against it, consists of at least eight segments and is arranged coaxially to the tube axis, and a magnetic field directed parallel to the tube axis, in which, according to the invention, the anode radius r a and the Radius of the cathode body arranged concentrically to the anode rj. are chosen in ίο with respect to the segment pair number p that the relationship
erfüllt ist.is satisfied.
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 rk 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 ra, rk und p ist aus der Figur ohne weiteres ersichtlich.In FIG. 2, which shows a section perpendicular to the axis of an electron tube according to the invention, 5 again denotes the anode segments, ao H the cavity resonator, K the hot cathode and L a guide electrode. Hot cathode K and lead electrode L together form a cathode body arranged concentrically to the anode. Instead of the latter, an areally emitting large-area cathode or a wire spiral with several turns of radius r k could be provided, since the electron mechanism that takes place is essentially the same in both cases. In general, the electrodes L and K have at least approximately the same potential. The meaning of the variables r a , r k and p occurring in (1) can be readily seen from the figure.
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 rk" = 0,6. Diese beiden extremen Radien sind in Fig. 3 a strichpunktiert eingezeichnet. Die Anode vom Radius ra 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 ra = 1 vorausgesetzt ist. Die beiden Grenzradien sind hier rk' = 0,9 und rk" = 0,8. Sie sind ebenfalls strichpunktiert eingezeichnet.The electron tube according to the invention has the advantage over the known tubes, above all, of a very good degree of efficiency with technically customary magnetic fields and anode voltages. In certain cases this approximates the theoretically possible value. In order to provide a clear picture of the region which is given by inequality (i), the limits of the two exemplary tubes shown in FIG. 3 have been drawn in. In the tube of FIG. 3a, the number of segment pairs was assumed to be p = 10 and the anode radius to be r = 1; in this case, there are the limits for the cathode radius at r = 0.8 and r £ k "= 0.6. These two extreme radii are shown in Fig. 3 a dot-dash line. The anode of radius r a is simply referred to as In the case of a tube with ten pairs of segments and an anode radius of 10 mm ', the high efficiency range according to the invention is therefore within the values r *' = 8 mm and r * "= 6 mm. Fig. 3b shows the limits of a tube for which p = 20 and r a = 1 is assumed. The two limit radii are here r k ' = 0.9 and r k "= 0.8. They are also shown in dash-dotted lines.
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.The invention is based on the knowledge that in the technically common magnetic fields and anode voltages the efficiency as a function of the tube dimensions over a certain Area is significantly larger than the rest of the area, this area being within the limits given by relation (i) above.
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.The physical cause of the existence of this area of high efficiency is explained in the essentially as follows: As already mentioned, the electrons emitted by the cathode run in planes perpendicular to the tube axis on cycloid tracks in the space between the anode and the Cathode body and experience a packaging. Now meet the mechanical dimensions the relation (1) then holds for each to an electron packet belonging electron that it is at least approximated in the same positions on its cycloid orbits is exposed to the same conditions with regard to the high-frequency alternating field, d. H. The cycloids are approximately similar with regard to the anode segments, which are thought to be polarized, and In addition, the same phase positions of the electrons on the cycloids correspond to the same phase positions the high frequency voltage.
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 It has also been found theoretically and experimentally that the efficiency is within the mentioned optimal range (1) has pronounced maxima depending on the tube dimensions. In a particularly advantageous tube, the dimensions are therefore chosen so that 'the Efficiency of the tube has a maximum. This is especially the case when the expression
P i'^±r^P i '^ ± r ^
{ra +rk)* J{r a + r k ) * J
ι —ι -
wenigstens angenähert gleich 2 oder 3 ist.is at least approximately 2 or 3.
Fig. 4 zeigt den Verlauf des Wirkungsgrades η zweier beispielsweiser Röhren in Funktion ihres Kathodenradius rk. Beide Kurven besitzen einen ausgeprägten Bereich großer Werte von η, wobei die eine ein Maximum, die andere deren zwei besitzt.4 shows the course of the efficiency η of two tubes, for example, as a function of their cathode radius r k . Both curves have a pronounced range of large values of η, with one having a maximum, the other having two.
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.A completely precise prediction of all values of a tube is practically hardly possible carry out. However, it is now easily possible for the person skilled in the art, by mere variation at least one of the relevant dimension sizes within the specified range to determine the desired value of the best working method. It turns out that very little Changes, for example the diameter of the cathode body, are sufficient to achieve the desired To get result.
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.The conditions for such maxima are fulfilled if not only the electrons are equal Layers on the cycloids are in phase with the alternating field, but also the cycloid orbits the electrons revert to the original ones after a whole-number revolution in the tube Cycloidal trajectories coincide.
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 AnodenspannungenIn a further advantageous embodiment of the invention, the distance between the centers of adjacent segments in the circumferential direction, the so-called segment division (Xl 2 in FIG. 2), is less than mm. This leads to excessive anode voltages
vermieden, und zwar erklärt sich das folgender maßen:avoided, which can be explained as follows:
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 = (ra — ) 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 According to theoretical considerations, the degree of efficiency is determined by the size of the magnetic field, ie a high degree of efficiency requires a large magnetic field, and vice versa. On the other hand, the efficiency η with regard to λ and y is only dependent on their ratio ylX, where y = (r a -) and λ is twice the segment division. The significance of these variables can also be seen from FIG. If the efficiency η is fixed by a certain magnetic field, then a tube has a small segment division, ie with a small ). because of this dependency, there is also a small anode-cathode distance y and thus only a small anode voltage; because from the formulaic relationship between the anode voltage V and the quantity y
V=k (yV = 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.in which H is the strength of the magnetic field and k is a constant, it can be seen that (at constant H) a decrease in y results in a decrease in V. The situation is such that a segment pitch which is greater than 2 mm generally leads to high anode voltages which are disadvantageous in practice.
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 The relationship (1) according to the invention requires that the number of segments is not given arbitrarily but has a lower limit. Their number must be at least 8. The expression
ra r a
4'*4 '*
= a = a
besitzt nämlich sein Maximum für r^—*~ ο und wird in diesem Fall gleich V2, so daß dann die maximale Segmentpaarzahl p durch die Ungleichungnamely has its maximum for r ^ - * ~ ο and in this case equals V2, so that then the maximum number of segment pairs p is determined by the inequality
gegeben ist. Es muß daher pmin > 3,6 und somit die Zahl der Segmente im Minimum gleich 8 sein.given is. It must therefore be p min > 3.6 and thus the number of segments must be at least 8.
Die Zahl der Segmente kann natürlich sehr stark variieren. Es sind ohne weiteres Röhren möglich, welche über 100 Segmente aufweisen.The number of segments can of course vary greatly. It is possible without further tubes which have over 100 segments.
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-The electron tube according to the invention also has advantageous properties in particular when a cavity resonator is used as the oscillating circuit for the high-frequency currents. Such an embodiment is shown, for example, in FIG. 2. In this embodiment, the cavity resonator H is designed as a ring together with the anode segments 6 ″, the anode segments S being connected to it in such a way that adjacent ones are always attached to different side walls of the cavity resonator. In this way the segments essentially form the capacitive part of the cavity
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.60- resonators. The wavelength of the generated vibrations is given by the cross section of the annular hollow body H and by the mutual capacitance of the anode segments per unit length along the circumference. As a consequence of this, the spatial expansion of the tube does not assume unfavorable values even at very small wavelengths. In particular, the structure does not become unfavorably small even with the smallest wavelengths. The length of the anode segments does not become unfavorably long even at larger wavelengths, so that no difficulties arise in the production of a homogeneous magnetic field. In addition, when using a cavity resonator, the electrical losses are 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.The tube is also ideally suited for very high outputs, especially in connection with large area cathodes. In certain cases it is also advisable, instead of a large-area cathode, to provide a guide electrode in connection with at least one hot cathode which is at least approximately constant distance from the anode over at least its largest part of the electrons. Such a guide electrode L with a hot cathode K is shown in FIG. The electron mechanism in such tubes is the same as in tubes with a large-area cathode, apart from the differences that arise because with the combination of "lead electrode with at least one cathode" the electrons are only emitted at discrete points on a cylinder surface instead of uniformly over the entire surface. However, these differences are only of a secondary nature.
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.With certain tubes, maximum efficiency is not the main condition, but z. B. a predetermined value of the magnetic field, so that it is advantageous in such tubes, the working conditions not in the area of maximum efficiency, but in some other area To choose area within the scope of the invention.
Speziell vorteilhafte Eigenschaften zeigte eine Röhre mit sieben Segmentpaaren bei einer Magnetfeldstärke von etwa 600 Gauß und einer Anodenspannung von etwa 1200 Volt.A tube with seven pairs of segments at a magnetic field strength showed particularly advantageous properties of about 600 Gauss and an anode voltage of about 1200 volts.
Claims (7)
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