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Verfahren zur Verstärkung hochfrequenter Schwingungen Die Erfindung
bezieht sich auf ein Verfahren zur Verstärkung hochfrequenter Schwingungen, bei
dem eine Steuerung der Elektronen hinsichtlich ihrer Geschwindigkeit vorgenommen
wird und bei dem in einem an den Steuerraum anschließenden feldfreien Raum eine
Gruppierung der Elektronen erfolgt. Gemäß der Erfindung werden Elekt.ronen mit verschiedener,
durch eine hochfrequente Eingangsspannung gesteuerter Geschwindigkeit in einen im
wesentlichen elektrisch feldfreien Raum geleitet, dessen Länge derart groß gegen
die von den schnellsten Elektronen während einer Periode der Hochfrequenz zurückgelegte
Strecke ist, daß die Elektronen sich in Gruppen ineinander-schieben. Mit Hilfe einer
Abnahmeelektrode, die an einer Stelle größter Elektronenverdichtung oder -verdünnung
angeordnet ist, werden verstärkte Schwingungen abgenommen..
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Es ist bereits bekannt, eine Geschwindigkeitssteuerung von Elektronen
vorzunehmen. Eine reine Geschwindigkeitssteuerung erzielt man auf die Weise, daß
man den Emissionsstrom einer Glühkathode und die Vorspannung einer gegenüber der
Glühkathode angeordneten Steuerelektrode so. einstellt, daß in dem Steuerraum Elektronensättigung
herrscht. Mit einer solchen Geschwindigkeitssteuerung konnten jedoch keine großen
Steuersteilheiten erhalten werden, da kein Mittel bekannt war, um
die
Geschwindigkeitsschwankungen- der an der Ausgangselektrode eintreffenden Elektronen
in Spannungsschwankungen umzuwandeln.
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Es ist ferner bekannt, eine kombinierte Geschwindigkeits- und Raumladungssteuerung
durchzuführen, indem man zunächst den Elektronenstrom durch zwei der Kathode nachgeordnete,
auf positivem Potential liegende Gitter beschleunigt und hierauf vor dem dritten,
als Steuerelektrode dienenden Gitter, das negativ gegenüber der vorhergehenden Elektrode
vorgespannt ist, eine Raumladung veränderlicher Dichte erzeugt. Die aus den Raumladegittern
heraustretenden Elektronen treten mit veränderlicher Geschwindigkeit in die Raumladungswolke
ein bzw. durch dieselbe hindurch.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine neua-rtigeGeschwindigkeitssteuerung
vorgenommen. Die aus der Steuerelektrode austretenden Elektronen verschiedener Geschwindigkeit
werden in einen feldfreien Rauara geleitet, in dem eine Gruppierung der Elektronen
erfolgt, derart, daß die langsamen Elektronen von den schnelleren eingeholt werden.
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden an Hand der Figuren besprochen.
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Die Zeichnung zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Fig. i stellt im Längsschnitt eine Röhre gemäß der Erfindung dar;
Fig. 2 zeigt einen. Querschnitt durch- die Röhre der Fig. i in der Ebene 2-2, Fig.
3 einen solchen in. der Ebene 3-3;
Fug. 4 zeigt eine einfache Schaltung zur
Verwendung der Röhre als Verstärker.
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Gleiche Ziffern bezeichnen in den verschiedenen Figuren dieselben
Elemente.
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Die Wirkungsweise der Röhre beruht darauf, daß die Geschwindigkeit
eines Elektronenstrahles entsprechend der Amplitude einer Empfangswelle von beispielsweise
konstanter Frequenz moduliert wird. Der von den Elektronen bis zur Auffangplatte
zurückgelegte Weg ist groß im Vergleich zu der- Strecke, die von den schnellsten
Elektronen während einer Periode der Hochfrequenz zurückgelegt wird. Die schnelleren
Elektronen werden da4er diese Platte viel schneller erreichen als die langsameren."so-
daß bei geeigneter Dimensionierung der Röhre und richtiger Wahl der für die Geschwindigkeitder
Elektronen maßgeblichen Anodenspannung eine Gruppierung der Elektronen längs ihres
Weges stattfinden wird, die etwa mit der Bildung stehender Wellen verglichen werden
könnte. Es werden sich dabei gewisse Verdichtungs- und Knotenpunkte einstellen,
und zwar um so klarer, je näher der Elektronenstrahl an die Auffangplatte heranrückt.
Infolgedessen werden die Elektronen in Form einzelner Gruppen und nicht mehr in
Form eines gleichmäßigen Stromes auftreffen.
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An die Auffangplatte wird eine Spannung gelegt, so daß durch eine
Ausgangsimpedanz, ein Strom von .gleicher Frequenz wie das Eingangssignal, jedoch
wesentlich größerer Amplitude, fließt.
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Fig. i zeigt schematisch eine Röhre i, die an den Enden 2 und 4 durch
Glas oder anderes Isoliermaterial abgeschlossen ist und deren Länge groß gegenüber
dem Durchmesser ist. Ein Strahlerzeugungssystem 5, 6 ist am Ende 2 der Röhre angeordnet.
Es besteht aus einer Kathode 5 und einer Beschleunigungselektrode 6, deren Öffnung
groß ist gegenüber dem Durchmesser eines Elektrons, so daß eine große Zahl von Elektronen
hindurchtreten kann. Ein Durchmesser von z. B. 3 mm erwies sich als zweckmäßig.
Die Elektroden des Strahlerzeugungssystems sind mit Durchführungen 7 und 9 versehen.
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An anderen Ende 4 der Röhre befindet sich die Auffangplatte io. Ein-Abstand
von 2o cm bis zum Strahlerzeugungssystem hat sich als geeignet erwiesen. Die Auffangplatte
ist mittels eines Drahtes i i herausgeführt. Innerhalb der Röhre ist ferner ein
konzentrischer elektrostatischer Schirm 12 vorgesehen, der sich vom Strahlerzeugungssystem
bis zur Auffangplatte erstreckt und mit der Beschleuni@gungs,el.ektrode @6 -leitend
verbunden ist, so daß der ganze Raum zwischen der B.eschleunigungselektröde 6 und
der Platte io auf gleichem elektrischem Potential liegt.
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Eine magnetische Sammelspule 14 umgibt die Röhre zwischen dem Strahlerzeugungssystem
und der Auffangplatte. Die Stromstärke in der Spule ist so gewählt, daß die Elektronen
zu einem engen Bündel 15 verdichtet werden.
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Aus der Fig. 2 geht hervor, wie die Sammelspule 14 die Röhre i umgibt
und wie innerhalb dieser die Abschirmung. i2 angeordnet ist. Die Beschleunigungselektrode
6 des Strahlerzeugungssystems ist hier in der Ansicht zu sehen.
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Fig. 3 zeigt ebenfalls die Spule 14 und den Schirm i2 und außerdem
die Auffangplatte zö, die symmetrisch zur Röhrenhülle angeordnet ist.
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Fig. 4 stellt eine geeignete Schaltung zum Betrieb der Röhre als Verstärker
dar. Die Kathode wird dabei durch ein Heizelement 16 erhitzt, welches mittels der
Zuf'ü'hrungen 8 und 17 an eine Gleichstromquelle; z. B. eine Batterie i9,
angeschlossen ist, und zwar unter Zwischenschaltung von Hochfrequenzdros-seln 2o,
21, die durch einen Kondensator 22 überbrückt sind. An die Beschleunigungselektrode
wird eine positive Vorspannung von etwa 15 Volt gelegt, welche einer Spannungsquelle
24 entnommen ist.
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Eine Empfangsanordnung 25, die z. B. aus einer Antenne besteht, ist
über ihre Induktivität mit einem abgestimmten Kreis 26 gekoppelt, welcher einerseits
mit der Kathode des Strahlerzeugungssystems und andererseits über Erde mit der Beschleunigungselektrode
leitend verbunden ist, so daß die daran entstehende Wechselspannung zwischen der
Kathode.5 und der Beschleunigungselektrode 6 wirksam wird.
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Es wurden bisher verschiedene Methoden zur Hochfrequenzverstärkung
benutzt, welche mehr oder minder Verzerrungen und die Entstehung abweichender und
unerwünschter Frequenzen als Begleiterscheinung haben. Bei einem Verstärker z. B.
für Fernsehzwecke aber ruß eine völlige Verzerrungsfreiheit verlangt werden. Diese
wird gemäß
der Erfindung durch eine spezielle Steuerung der Geschwindigkeit
eines starken Elektronenstromes erreicht, und die so bewirkte Verstärkung ist derart,
daß keine weiteren Schwingungskreise außer dem Eingangs- und Ausgangskreis benötigt
werden. Die Anordnung ist frei von den Verzerrungen und Oberschwingungen, die bei
den sonst gebräuchlichen Verstärkern auftreten. Darüber hinaus ist die Konstruktion
der Verstärkerröhre einfacher und billiger als die der normalen Röhren.
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Die von der Kathode 5 in Fig. q. erzeugten Elektronen werden durch
die Zugspannung an der Beschleunigungselektrode 6 auf eine geringe Geschwindigkeit
gebracht, so d.aß sie sich in Richtung auf die Auffangplatte io bewegen. Äußere
Streufelder werden durch den Schirm 12, der an Anodenpotential liegt, ferngehalten.
Das durch die Sammelspule 1q. erzeugte Magnetfeld verhindert die Elektronen an ihrer
zeitlichen Diffusion, so daß praktisch sämtliche aus dem Strahlerzeugungssystem
kommenden Elektronen die Platte io treffen. Mit der angegebenen Konstruktion wurde
ein Strom von 15 Milliampere erhalten.
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Die Elektronen erreichen ihre Höchstgeschwindigkeit bereits, nachdem
sie das Strahlerzeugungssystem verlassen haben, da keine weiteren Beschleunigungsfelder
auf sie einwirken. Jedes Elektron würde also mit einer konstanten, ihm eigenen Geschwindigkeit
auf die Platte io zulaufen. Die Empfangsschwingungen bewirken nun Spannungsschwankungen
zwischen der Kathode 5 und der Hochspannungselektrode 6, so daß die Geschwindigkeiten
aufeinanderfolgender Elektronen entsprechend dieser Steuerspannung schwanken werden.
Der Weg des Strahles 15 ist groß gegenüber der von den schnellsten Elektronen während
einer Periode der Hochfrequenz zurückgelegten Strecke. Infolgedessen werden die
schnellen Elektronen sehr bald die vor ihnen fliegenden langsameren einholen bzw.
überholen. Bei geeigneter Bemessung der Spannung 2q. und der Röhre im Hinblick auf
die Empfangsfrequenz tritt eine Verteilung von schnellen und langsamen Elektronen
ein, so daß längs des Strahles eine Dichteverteilung entsteht, die den Amplitudenschwankungen
der Empfangsspannung entspricht. Der so gebildete Strahl trifft dann in Form von
Elektronengruppen auf die Platte io, so daß ein Strom von gleicher Frequenz und
proportional verstärkter Amplitude wie die Eingangsspannung durch die Ausgangsimpedanz
29 fließt. Natürlich kann die Kathode durch irgendeine andere zur Erzeugung von
Ladungsträgern geeignete Anordnung ersetzt werden. Auch das Strahl= erzeugungssystem
kann natürlich in weiten Grenzen abgeändert werden. Die Verwendung eines Sammelfeldes
ist zweckmäßig. Es kann jedoch auch durch andere äquivalente Mittel ersetzt werden.