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Elektronenstrahlröhrenanordnung zum Erzeugen, Verstärken oder Empfangen
von ultrahochfrequentenelektromagnetischen Schwingungen Die Erfindung betrifft Elektronenstrahlröhrenanordnungen
zum Erzeugen,, Verstärken oder Empfangen von ultrabochfrequentenelektromagnetischen
Schwingungen., vorzugsweise des Dezimeter- oder Zentimeterwellenlängengebietes.
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Eine wesentliche Steigerung -der Anfachintensität wird erfindungsgemäß
bei Elektronenstrahlröhrenanordnungen dadurch ermöglicht, daß dem Elektronenstrahl
in seinem Querschnitt (senkrecht zur Strahlrichtung) eine ausgeprägte lineare Ausdehnung
gegeben. wird. Eine derartige Ausbildung eines Elektronenstrahls hat gegenüber der
mit kreisförmigem Querschnitt den großen Vorteil, daß, ohne die durch die Raumladung
bedingte Begrenzung zu erreichen, sehr viel größere Elektronenströme erzielbar sind.
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Insbesondere kann dem Elektronenstrahl eine derartige Form gegeben
werden, daß er in einer Richtung senkrecht zur Strahlrichtung praktisch keine Ausdehnung
und in einer dazu senkrechten Richtung eine endliche Ausdehnung besitzt, so daß
sein Querschnitt ein Rechteck von unendlicher Länge und äußerst geringer Breite
darstellt.
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Zu der gewünschten Formung des Elektronenstrahls können an sich bekannte
elektronenoptische Mittel angewendet werden, beispielsweise Profilkathoden
oder
Kathoden, deren Oberfläche nur in bestimmten Bereichen Elektronen emittiert, ferner
als Wehnelt-Zylinder wirkende Elektroden, Blenden usw. Als Elektronenquelle können
normale oder mit hochemittierenden Stoffen angereicherte Glühkathoden, bevorzugt
Oxydkathoden, oder schließlich Elektroden, an deren Oberfläche ein Sekundärelektronenstrom
ausgelöst wird, Verwendung finden.
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Die Anfachung ultrahochfrequenter Schwingungen kann in der Weise erfolgen,
daß das elektromagnetische Wechselfeld eines Resonators (Anfachresonator) durch
Einwirkung des un.gesteuerten Elektronenstrahls erregt bzw. auf seinen Endwert aufgeschaukelt
wird oder .daß der Elektronenstrahl im Takt der anzufachenden ultrahochfrequenten
Schwingungen gesteuert wird und infolge der sich daraus ergebenden Intensitätsmodulation
die Anfachung von Schwingungen indem An.fachresonator bewirkt. Die erste Anfachungsart
ist mit der Wirkungsweise eines selbsterregten Generators, die zweite Anfachungsart
reit der Wirkungsweise eines zweistufigen, aus einer Steuerstufe und einer gesteuerten
Stufe bestehenden, fremderregten Generators vergleichbar.
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Es ist für die Erreichung einer hohen Aasfachintensität notwendig,
daß zwischen dem Elektronenstrahl und dem Anfachresonator und ebenso (im Fall der
Fremderregung) zwischen dem Elektronenstrahl und dem ihn im Takt der anzufachenden
ultrahochfrequenten Schwingungen beeinflussenden Steuermechanismus eine möglichst
enge Kopplung besteht. Nach einem weiteren; im übrigen auch selbständigen Vorschlag
der Erfindung soll deshalb der Elektronenstrahl dort, wo er auf einen Resonator
anfachend wirkt und auch dort, wo er etwa gesteuert wird, einen Knoten (Knotenpunkt
bzw. Knotenlinie) besitzen, welcher beispielsweise durch die Wirkung eines Systems
von elektrischen oder magnetischen Linsen oder auch einer Kombination von solchen
erhalten werden kann. Die Elektronenquelle wird gleichsam verkleinert, praktisch
punktförmig bzw. (vorzugsweise) linienförmig abgebildet. Infolge der sehr kleinen
Ausdehnung des Elektronenstrahls ,indem Bereich eines Knotens ist es möglich, -das
Wechselfeld in unmittelbarste Nähe des Elektronenstrahls heranzuführen.
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Eine Steuerung des Elektronenstrahls kann auf elektrischem und/oder
magnetischem Wege mit Hilfe an sich bekannter Mittel, beispielsweise Elektroden,
Ablenkplatten usw., vorgenommen werden. Sie können .auch vorteilhaft für eine zusätzliche
Steuerung des Elektronenstrahls, beispielsweise im Takt einer Nieder- oder Tonfrequenzsignalgebung
oder auch einer modulierten oder konstanten Zwischenfrequenz, verwendet werden.
Zweckmäßig dient dagegen. zur ultrahochfrequenten Steuerung des Elektronenstrahls
unmittelbar das Wechselfeld eines weiteren Resonators (Steuerresonator).
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Bei einer gewöhnlichen Ausführungsform der Elektronenstrahlröhrenanordnung
sind die Resonatorräume mit in den Vakuumraum einbezogen. Die Einrichtung kann jedoch
auch derart getroffen ' werden, daß zwischen dem Resonatorraum und den Entladungsraum
geeignete vakuumdichte Wand teile vorgesehen werden, welche den Entladungs. räum
gegen die Resonatorräume vollständig ab. schlie,kn. Eine Evakuierung der Resonatoren.
ist dann nicht mehr notwendig. Sie liegen außerhall des Vakuums der Röhre. Die Röhre
kann patronenartig eingeführt werden.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform det Erfindung ist ein, oder
sind beide Resonatoren leicht lösbar mit dem Vakuumgefäß zu einet baulichen ,Einheit
vereinigt. Insbesondere können die beiden Resonatoren miteinander starr verbunden
sein und eine von dem Vakuumgefäß leicht trennbare Einheit, einen Resonatorsatz,
bilden, so daß entweder das Vakuumgefäß mit den -irr seinem Innern vorgesehenen
Elektroden ausgewechselt oder aber der Resonatorsatz gegen einen anderen der gleichen
oder verschiedener Sollfrequenz vertauscht werden kann. Es können zusätzliche Elektroden
vorgesehen sein, beispielsweise Raumla-dungsgitter, Beschleunigungsgitter, Elektroden
für eine n@ichtultrahochfrequente Modulation des Elektronenstrahls.
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Die Erfindung sei im einzelnen an Hand .der in den Abb. i bis 7 dargestellten
Ausführungsbeispiele erläutert.
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Die Abb. i zeigt ein Ausführungsbeispiel im grundsätzlichen Aufbau.
Der von einer senkrecht zur Zeichenebene sich erstreckenden bändchenförm.igen Kathode
i ausgehende Elektronenstrom besitzt unter Wirkung der magnetischen Linse a einen
Knoten 3, in welchem die Kathode .abgebildet wird. Die zur Strahlbildung erforderliche
Geschwindigkeit wird den Elektronen durch eine lochscheibenförmige Anode q. erteilt,
deren Öffnung zweckmäßig dem Querschnitt des Elektronenstrahls angepaßt wird. Zum
Richten der Elektronen auf die Anodenöffnung können sich parallel zur Kathode erstreckende,
als Wehnelt-Zylinder wirkende Hilfselektroden 5 oder ähnlich wirkende elektronenoptische
Einrichtungen dienen. Der Knoten 3 des Elektronenstrahls E befindet sich in einer
Durchbrechung eines Hohlraumresonators 6, welcher aus zwei Platten 7, die im wesentlichen
eine Kapazität darstellen. und dem torusförmigen Gebilde 8 für das ultrahochfrequente
magnetische Feld (Selbstinduktion.) besteht. Der Hohlraumresonator stellt vorzugsweise
einen Rotationskörper dar, dessen Achse mit der des Elektronenstrahls zusammenfällt.
Die Durchbrechung 7a des Hohlraumresonators in den Platten 7 ist je nach
dem Querschnitt des Elektronenstrahls in dem Bereiche seines Knotens kreisförmig
oder länglich (strichförmig) ausgebildet, wie es die Abb. i a bzw. i b zeigen. Besteht
-in dem Resonator 6 und also auch zwischen den Platten 7 ein ultrahochfrequentes
Wechselfeld, so erfahren die Elektronen des Durchtrittselektronenstrahls E eine
zusätzliche Beschleunigung bzw. Verzögerung, .d. h. eine ultrahochfrequente Geschwindigkeitsmodulation.
Da die Kopplung zwischen Elektronenstrahl und Resonator in einem Knoten des ersteren
erfolgt, kann die
Durchbrechung in den Platten 7 außerordentlich
klein gehalten und auch die Platten weitgehend aneinander angenähert werden. Der
Resonator weist also lediglich eine Verlustdämpfung durch Streustrahlung auf, welche
wegen ihrer Kleinheit der Durchbrechung vernachlässigt werden kann.
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Der aus -dem Hohlraumresonator austretende Elektronenstrahl wird mittels
einer weiteren magnetischen Linse 9 in, einem zweiten Knoten io konzentriert, welcher
eine Abbildung des ersteren Knotens, in. welchem die Geschwindigkeitsmodulation
des Elektronenstrahls erfolgt, darstellt. Der zweite Knoten io befindet sich zu
einem weiteren Hohlraumresonator i i, welcher zweckmäßig die gleiche Form aufweist
wie der Resonator 6, d. h. aus zwei im wesentlichen eine Kapazität bildenden Platten
12 und einem sich daran anschließenden torusförmi.gen Gebilde 13 besteht, in ähnlicher
Lage wie der Knoten 3 zu dem Resonator 6. Zwischen den Knoten 3 und io wandelt sich
die im Knoten 3 erzeugte ultrahochfrequente Geschwindigkeitsmodulation des Elektronenstrahls
in eine Intensitätsmodulation um. Die letztere bewirkt dann, wenn der Elektronenstrahl
den Resonator i i durchquert, eine Anfachung desselben zu ultrahochfrequenten Schwingungen
einer Frequenz, welche der Frequenz des modulierenden Wechselfeldes in dem Resonator
6 entspricht. Getrennt von dem Hohlraumresonator i i dient eine besondere (positive)
Auffangelektrode 13 zur Aufnahme des Elektronenstrahls und der mit seinem Auftreffen
verbundenen Wärmeleistung.
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Bei einer Anordnung, wie sie die Abb. i zeigt, ist es in vielen Fällen
vorteilhaft, den gegenseitigen Abstand, der Platten: i2 des Anfachresonators relativ
zu der Geschwindigkeit des Elektronenstrahls derart klein zu halten, daß -die Laufzeit
der Elektronen im ultrahochfrequenten Wechselfeld zwischen den Platten 12 als klein
gegenüber der Dauer einer Periode der anzufachenden Schwingungen anzusehen. ist.
Unter dieser Voraussetzung ist eine Ausnutzung des intensitätsmodulierten Strahls
mit besonders gutem Wirkungsgrad möglich. Eine derartige Bemessung des Plattenabstandes
ist ohne weiteres erzielbar, eben weil der Querschnitt des Elektronenstrahls im
Bereich eines Knotens äußerst gering ist.
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Anstatt beide Platten 12 des Anfachresonators i i zu .durchbrechen
und hinter ihnen eine besondere Auffangelektrode vorzusehen, besteht auch die Möglichkeit,
nur die der Kathode zugekehrte Platte zu unterbrechen und die andere Platte direkt
als Auffangelektrode zu benutzen (Abb.2). Der Knoten io des Elektronenstrahls liegt
dann zweckmäßig in der Ebene der durchbrochenen Platte.
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Die Maßnahme, das Elektronenstrghlbündel an der Anfachstelle zu einem
Knoten zu vereinigen, wie es in der Abb. i für den Knoten 1o zutrifft, ist auch
dann von Bedeutung, wenn die Dauer der Wechselwirkung der Elektronen mit dem ultrahochfrequenten
Wechselfeld gegenüber der Periodendauer nicht mehr als klein anzusehen und insbesondere
mit dieser vergleichbar ist: In einem derartigen Fall können abweichend von dem
Ausführungsbeispiel der A,bb. i den Platten des Anfachresonators voneinander verschiedene
Vorspannungen (Gleichspannungen) gegeben werden, so daß sie als Elektroden eines
in dem Resonator enthaltenen Anfachsystems wirken,. Die Abb.3 zeigt ein Ausführungsbeispiel
für den Anfachresonator einer derartig arbeitenden Anordnung, die in der Abb. 3
mnit 14. und 15 bezeichneten Platten des Anfachresonators i i sind gleichstrommäßig
voneinander getrennt, nur die Platte 14 ist mit dem torusförmigen Teil des Hohlraumresonators
galvanisch verbunden, während die Platte 15 mit diesem lediglich hochfrequenzmäßig
über die Kurzschlußkapazität 16 gekoppelt ist, die durch die Randteile der Platte
15 und eine flanschartige Umbiegung der Wandung des Anfachresonators j .i gebildet
wird. Die Abmessungen der Kapazität 16 sind derart gewählt, daß Verluststr.ahlung
durch den zwischen ihnen gebildeten Spalt praktisch nicht austreten kann. Die Platte
14 erhält beispielsweise eine hohe positive Vorspannung, die Platte 15 eine leicht
positive bis negative Vorspannung. Beide bilden, dann ein Bremsfeldsystem, dessen
Bremselektrode die Platte 15 ist. Der Knoten io des Elektronenstrahls liegt wieder
zweckmäßig in. der Ebene der durchbrochenen Platte 1q.. Die in den Raum zwischen
beiden Platten (Anfachraum) eindringenden Elektronen kehren vor der Platte 15 um
und treffen auf die Innenseite der Platte 14 auf, welche also in diesem Ausführungsbeispiel
als Auffangerektrode dient. Die Laufzeit der Elektronen von ihrem Eintritt in den
Anfachresonator bis zum Auftreffen auf die Platte 14 ist maßgebend für die Dauer
der angefachten Schwingung. Wird sie durch entsprechende Bemessung der Vorspannungen
für die Platten 14 und 15 geeignet gewählt, so erfolgt eine optimale Anfachung des
Resonators. An Stelle der Platte 14 kann selbstverständlich auch die Platte 15 mit
dem torusförmigen Teil des Resonators galvanisch verbunden und die Platte 14 gleichstrommäßig
getrennt sein, oder beide Platten können nur hochfrequenzmäßig mit dem t us förmigen
Teil des Anfachresonators verbun@Clen werden.
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Während bei den eben beschriebenen Ausführungsbeispielen. eine ultrahochfrequente
Geschwindigkeitsmodulation in Richtung der Elektronenstrahlachse (Längsmodulation.)
angewendet wird ist auch eine ultrahochfrequente eodulation des Elektronenstrahls
senkrecht zu seiner Achse (Quermodulation) möglich. Eine derartige Anordnung zeigt
beispielsweise die Abb. q.. Aus der senkrecht zurZeichenebene sich erstreckenden
bändchenförmigen Kathode, insbesondere Oxydkathode 17, werden die Elektronen mittels
einer gitterförmigen Anode 18 nahezu parallel herausgezogen. Zum Richten der Elektronen
auf die Anode 18 können ähnlich wie bei der Anordnung nach Abb. i leitende Flächen
19 mit geeigneter Vorspannung dienen. Das durch diie Anode 18 hindurchtretende
Elektronenstrahlbündel
wird mittels einer magnetischen Linse 2o in einem Knoten 21 vereinigt. Zwischen
der Anode i8 und dem Knoten 21 befindet sich ein quer zur Strahlrichtung wirksames
ultrahochfrequentes elektromagnetisches Feld, beispielsweise erzeugt zwischen zwei
Platten 22, welche eine ultrahochfrequente Wechselspannung erhalten und zu diesem
Zweck beispielsweise einem Hohlraumresonator angehören. Durch dieses steuernde Wechselfeld
erfährt der Elektronenstrahl und damit der Knoten 21 seitliche Ablenkungen. An der
Stelle .des Knotens 21 können geeignet ausgebildete Masken 22 angeordnet werden,
welche unter Einwirkung der mit der Ablenkung des Elektronenstrahls durch das ultrahochfrequente
Querfeld einen mit der Steuerspannung veränderlichen Teil des Elektronenstrahls
abfangen, so daß also eine Intensitätsmodulation des Elektronenstrahls hinter der
Maske auftritt. Der intensitätsmodulierte Elektronenstrahl kann dann, wie in den
vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen zur Schwingungsanfachung, insbesondere
zur Anfachung eines Hohlraumresonators, verwendet werden. Das Anfachsystem ist in
der Abb. 4 der übersichtlichkeit halber nicht dargestellt worden.
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Die im Weg des Elektronenstrahls vorgesehene Maske kann, wie es -die
Abb. 5 für eine gerade Strecke als Knotenlinie bei Blickrichtung in der Elektronenstrahlachse
zeigt, aus einem einseitig angeordneten, geradlinig begrenzten Schirm 22 bestehen,
der eine scharfe Kante 23 besitzt. Quer zu dieser Kante verschiebt sich der Ouerschn.itt
2.I des Elektronenstrahls. Mit einer derartigen: Steuerung lassen sich sehr hohe
Steilheiten erzielen, da es ja möglich ist, relativ hohe Stromdichten im Elektronenstrahl
zu erzeugen und die Ausdehnung der Knotenlinie senkrecht zur Kante 23 auf minimale
Beträge herabzudrücken. In der Abb. 6 ist eine andere mögliche Form der Maske dargestellt,
welche zwischen zwei Schirmteilen 23 nur einen schmalen Schlitz 26 frei läßt, über
den sich die Knotenlinie 24 des Elektronenstrahls senkrecht zu der Längsausdehnung
des Schlitzes bewegt.
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Bei derartigen Anordnungen kann bei genügend großer Amplitude des
Elektronenstrahls eine sogenannte Impulssteuerung bewirkt werden, bei welcher während
einer Periode zur Periodendauer verhältnismäßig kurzzeitig Elektronenpakete den
Spalt der Maske passieren. Werden mehrere solcher Spalte in der Maske nebeneinanderliegend
vorgesehen, so daß sie von dem quer abgelenkten Elektronenstrahl nacheinander überstrichen
werden, so kann man während einer Periode mehrere Elektronenpakete die Maske passieren
lassen. Man erhält dann eine Intensitätsmodulation des Elektronenstrahls hinter
der Maske mit einer gegenüber der Steuerfrequenz um die Zahl der Spalte vervielfachten
Frequenz.
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Wie schon gesagt, zeichnet sich die in der Abb.4 dargestellte Steuerung
des Elektronenstrahls durch eine sehr große Steilheit aus. Wird eine geringere Steilheit
verlangt, so kann, wie es beispielsweise die Abb.7 zeigt, an Stelle einer Maske
mit geradliniger Kante eine solche mit als Sägezahnkurve ausgebildeter Kante 27
(Zackenblende) verwendet werden, welche je nach der Auslenkung, die der Knoten 24
des Elektronenstrahls erfährt, einen größeren oder kleineren Anteil der Elektronen
hindurchläßt. Wird für die Kante der Maske nicht eine geradlinige oder aus geradlinigen:
Teilen zusammengesetzte Begrenzungslinie gewählt, sondern die kurvenförmige Begrenzungslinie,
kann man bei geeigneter Ausbildung der letzteren der Intensitätssteuerung des Elektronenstrahls
jeden gewünschten Verlauf geben, beispielsweise etwa einen sinusförmigen Verlauf.
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Die bisher beschriebenen Ausführungsbeispiele arbeiten mit Fremdsteuerung,
d. h. das Steuerfeld ist unabhängig von dem Feld undAnfachresonator. Führt man diesem
letzteren einen Teil der angefachten ttltrahochfrequenten Energie nach Art einer
Rückkopplung mit einem Steuersystem verbundenen Steuerresonator zu, so arbeitet
die Elektronenstrahlröhrenanordnung in ihrer Gesamtheit entweder als entdämpfter
Verstärker oder als erregter Generator, je nach der Größe des dem Steuersystem zugeführten
Energieanteiles.
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Die Erfindung ist nicht auf die in den Abbildungen dargestellten bzw.
beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern die Elektronenstrahlröhrenanordnung
als Gesamtes bzw. einzelne ihrer Elemente können jede im Rahmen der Erfindung mögliche
Abwandlung erfahren.