DE1096507B

DE1096507B - Rueckwaertswellenroehre zur Erzeugung oder Verstaerkung sehr kurzer elektrischer Wellen

Info

Publication number: DE1096507B
Application number: DEC14674A
Authority: DE
Inventors: Jean Paul Fernand
Original assignee: CSF Compagnie Generale de Telegraphie sans Fil SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1956-04-25
Filing date: 1957-04-13
Publication date: 1961-01-05
Also published as: GB816411A; FR1150045A; NL97685C; US2982879A

Description

INTERNATIONALE KL. PATENTAMT H 01 j; H 03b; f

C 14674 VIIIa/21g

AKMELDETAG: 1 3. AP R I L 19 5 7

BEKANNTMACHUNG
DER ANMELDUNG
UND AUSGABE DER
AÜSLEGESCHRIFT: 5. J A N U A R 1 9 6 1

Die Erfindung betrifft Rückwärtswellenröhren zur Erzeugung oder Verstärkung sehr kurzer elektrischer Wellen, bei denen der Elektronenstrahl längs einer Verzögerungsleitung mit periodischer Struktur geführt wird.

Es ist bekannt, daß die Erwärmung der Verzögerungsleitung von Rückwärtswellenröhren während des Betriebs Probleme aufwirft und daß sich die in der Verzögerungsleitung erzeugte Wärme auf die von der Röhre abgebbare Leistung begrenzend auswirkt. Dieser Erwärmungseffekt beruht bekanntlich auf einer Absorption von Elektronen durch die Verzögerungsleitung.

Besonders bei Rückwärtswellen-Oszillatorröhren (Carcinotrons) hat das Erwärmungsproblem schwerwiegende Bedeutung. Bei derartigen Röhren unterliegen diejenigen Elemente der Verzögerungsleitung, die sich nahe dem Strahlerzeuger befinden, einem maximalen Elektronenbeschuß, weil die das Höchstfrequenzfeld hervorbringende Energie in rückwärtiger Richtung, d. h. entgegengesetzt der Strahlbewegung, wandert und bei dieser Rückwärtsbewegung durch die Wechselwirkung mit dem Strahl ständig verstärkt wird. Dadurch erreicht das Höchstfrequenzfeld seine größten Amplituden nahe dem strahlerzeugungsseitigen Ende der Verzögerungsleitung, also in der Nähe der Kathode, wo sich gewöhnlich auch die Auskopplung befindet.

Bekannt ist, daß die Elektronengruppierung im Elektronenstrahl (als Folge der Wechselwirkung des Elektronenstrahls mit dem Höchstfrequenzfeld der Verzögerungsleitung) in günstigerer Weise bewirkt werden kann, wenn die für die Wechselwirkung aufgewandte Höchstfrequenzenergie im Anfangsbereich des Strahles, d. h. in der unmittelbaren Nachbarschaft des Strahlerzeugers, nicht zu groß ist.

Es ist schließlich auch bekannt, die Verzögerungsleitung so zu gestalten, daß der Kopplungswiderstand zwischen dem Strahl und der Leitung an dem der Strahlquelle benachbarten Ende der Leitung vergleichsweise geringer ist als im Mittelabschnitt der Leitung.

Ziel der Erfindung ist, die sich in Rückwärtswellenröhren ergebende Erwärmung herabzusetzen, wodurch bei gegebenen physikalischen Abmessungen größere Ausgangsleistungen erreichbar sind.

Demgemäß ist eine Rückwärtswellenröhre zur Erzeugung oder Verstärkung sehr kurzer elektrischer Wellen, bei der der Elektronenstrahl längs einer Verzögerungsleitung mit periodischer Struktur geführt wird, erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die die Verzögerungsleitung bildenden, untereinander gleichartigen Verzögerungselemente so ausgebildet und angeordnet sind, daß eine der Abmessungen, die den Querschnitt der Verzögerungselemente bestimmen, längs des ersten Abschnittes der Verzögerungsleitung — ausgehend von der Elektronenstrahlquelle — fortlaufend abnimmt und die Begrenzungen der Verzögerungselemente auf der dem Rückwärtswellenröhre zur Erzeugung

oder Verstärkung sehr kurzer

elektrischer Wellen

Anmelder:

Compagnie Generale
de Telegraphie sans FiI, Paris

Vertreter: Dr. W. Müller-Bore

und Dipl.-Ing. H. Gralfs, Patentanwälte,

Braunschweig, Am Bürgerpark 8

Beanspruchte Priorität:
Frankreich vom 25. April 1956

Jean Paul Fernand, Paris,
ist als Erfinder genannt worden

Elektronenstrahl zugewandten Seite längs der gesamten Verzögerungsleitung fluchtend hintereinanderliegen, so daß der Kopplungswiderstand zwischen der Verzögerungsleitung und dem Elektronenstrahl längs des genannten ersten Abschnitts der Verzögerungsleitung fortlaufend zunimmt.

Die Erfindung wird durch die Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen erläutert.

Die Zeichnungen zeigen, ausschließlich zum Zwecke der Erläuterung, zwei bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.

Fig. 1 zeigt den Querschnitt einer erfindungsgemäßen Röhre mit sich kreuzenden elektrischen und magnetischen Feldern. Der Schnitt verläuft längs der Linie 1-1 in Fig. 2;

Fig. 2 ist ein Schnitt durch die in Fig. 1 gezeigte Röhre längs der Linie 2-2 in Fig. 1 ;

Fig. 3 erläutert eine Ausführungsform einer erfindungsgemäß ausgebildeten Verzögerungsleitung mit kreiszylindrischen Verzögerungselementen.

Die Rückwärtswellenröhre nach der vorliegenden Erfindung enthält die in solchen Röhren üblichen Elemente, wie unter anderem z. B. eine Kathode, einen Heizer für die Kathode, eine Auffangelektrode, Fokus-

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sierungsmittel, eine Verzögerungsleitung und häufig eine nahe jenem Ende der Verzögerungsleitung befestigt, das

weitere, neben der Verzögerungsleitung verlaufende mit dem Dämpfungsmittel versehen ist.

Elektrode, die sogenannte Leitelektrode. Zwischen Ver- Wenn die Erfindung in der Weise verwirklicht wird,

zögerungsleitung und Leitelektrode wird eine elektrische wie aus der Zeichnung hervorgeht, nimmt die Tiefe der

Gleichspannung angelegt, um ein elektrisches Gleichfeld 5 einzelnen Finger der Verzögerungsleitung, d. h. die Ab-

zu schaffen, das sich von der Verzögerungsleitung nach messung der Finger in Richtung senkrecht zu der Hülle 1

der Leitelektrode erstreckt. (also in radialer Richtung) regelmäßig von einem Finger

Ferner ist dann ein magnetisches Gleichfeld vorge- zum nächsten ab, und zwar beginnt diese Abnahme schon

sehen, dessen Feldlinien im wesentlichen senkrecht zu den bei dem dem Finger 15 benachbarten Finger. Sie setzt

Feldlinien des elektrischen Gleichfeldes verlaufen und das io sich bis zu dem Finger 28 fort, der zu beiden Enden (15,

man in irgendeiner geeigneten bekannten Weise, z. B. 17) der Verzögerungsleitung gleichen Abstand hat. Die

mittels koaxial zur Röhrenachse angeordneter Polschuhe, Finger der Verzögerungsleitung, die zwischen dem Fin-

erhält. Der Abstand zwischen der Leitelektrode und den ger 28 und dem Finger 17 Hegen, zeigen gemäß der

Verzögerungselementen bleibt vorzugsweise überall kon- Zeichnung wieder regelmäßig zunehmende Fingertiefe,

stant. 15 Tatsächlich sind die Finger der Verzögerungsleitung 14

Nunmehr wird, mehr ins einzelne gehend, auf die so zugeschnitten, daß sie in einem Raum liegen, welcher Zeichnungen Bezug genommen, in denen für gleiche Teile von zwei parallelachsigen Zylindern abgesteckt wird, gleiche Bezugszahlen verwendet werden. In den Fig. 1 deren Achsen mit 26 und 27 bezeichnet sind. Die einander und 2 der Zeichnungen bezeichnet 1 die metallische Hülle gegenüberstehenden Oberflächen der Leitelektrode einereiner Rückwärtswellenröhre. Die Röhre selbst ist eine 20 seits und der Verzögerungsleitung andererseits verlaufen Rückwärtswellen-Oszillatorröhre. . parallel zueinander. Die der Verzögerungsleitung gegen-

Die zylindrische, metallische Hülle 1 wird von zwei überliegende Oberfläche der Leitelektrode 21 wird von

Deckteilen 2 und 3 abgeschlossen. Innerhalb der Röhre der äußeren Oberfläche eines Zylinders mit der Achse 26

sind eine durch einen Heizfaden 11 geheizte Kathode 10 gebildet, während die innere Oberfläche des Mantels, der

sowie elektronenoptische Fokussierungsmittel geeigneter 25 die Hülle 1 der Röhre bildet, einem Zylinder mit der

Konstruktion angeordnet. Die elektronenoptischen Fo- Achse 27 angehört.

kussierungsmittel können beispielsweise eine sogenannte ' In der in den Fig. 1 und 2 erläuterten Ausführungsform

Wehnelt-Elektrode 12 und eine Hilfsanode 13 enthalten, ist der Abstand der Verzögerungselemente von der durch

welche der Kathode 10 gegenübersteht. Öffnungen 4 und die innere Oberfläche der zylindrischen Hülle 1 gebildeten

5 sind in dem Zylinder 1 vorgesehen und gestatten den 30 Deckwand von einem Ende der Leitung bis zum anderen

Durchtritt eines Ausgangsleiters 7, der in der Lage ist, durchgehend der gleiche. Dies ist jedoch nicht unbedingt

die in der Röhre erzeugte Höchstfrequenzenergie abzu- notwendig; die innere Oberfläche der Hülle 1 kann ebenso

führen, bzw. den Durchtritt einer Reihe von Zuführungs- einem Zylinder mit der Achse 26 angehören. In solch

drähten, die den Zweck haben, an die verschiedenen einem Fall würde der Abstand der Verzögerungselemente

Elektroden der Röhre von geeigneten üblichen Spannungs- 35 von der durch die innere Oberfläche der Hülle 1 gebildeten

quellen her (nicht gezeigt) die richtigen Potentiale anzu- Deckwand an der Stelle des Fingers 28 größer sein als an

legen. Zwei dieser Zuführungsdrähte sind in Fig. 1 durch " den Stellen der Finger 15 und 17.

die Bezugszahlen 8 und 9 bezeichnet. __ Ein geeigneter Permanentmagnet oder Elektromagnet,

Eine Verzögerungsleitung 14 mit ineinandergreifenden, dessen Polschuhe in Fig. 2 durch die Bezugszahlen 29 fingerförmigen Elementen (Interdigitalleitung), welche 40 und 30 bezeichnet sind, erzeugt ein magnetisches Gleicheine konstante Ganghöhe, d. h. einen konstanten Ab- feld, dessen Feldlinien zumindest im wesentlichen parallel stand zwischen den einzelnen Fingern, aufweist und aus zu den Achsen 26 und 27 verlaufen. Das radiale elektrische zwei kammförmigen ineinandergreifenden Stücken 19 und Gleichfeld in dem Wechselwirkungsraum zwischen der 20 aufgebaut ist, ist mit der Innenwand der zylindrischen Verzögerungsleitung 14 und der Leitelektrode 21 erhält Hülle 1 leitend verbunden, wie in Fig. 2 gezeigt ist. Die 45 man durch eine Potentialdifferenz zwischen diesen beiden Innenwand der Hülle 1 spielt die Rolle einer Deckwand Elektroden. Die dazu erforderlichen Zuführungsleiter sind für die Verzögerungsleitung. Das Endelement 15 der in der Zeichnung aus Gründen größerer Einfachheit und Verzögerungsleitung, das sich der Kathode 10 am nach- Klarheit nicht dargestellt.

sten befindet, ist mit dem Ausgangsleiter 7 gekoppelt. Das Prinzip der Rückwärtswellen-Oszillatorröhre ist

Alle Elemente des Verzögerungsleitungsabschnittes, der 50 dem Fachmann geläufig. Es beruht auf der Wechsel-

von den Elementen 16 und 17 begrenzt wird, skid mit wirkung, die in dem Wechselwirkungsraum zwischen

irgendeinem geeigneten Dämpfungsmittel bedeckt. Natur- Leitelektrode 21 und Verzögerungsleitung 14 zwischen

lieh kann die Dämpfung für diese Elemente der Ver- dem von der Kathode 10 emittierten Elektronenstrahl

zögerungsleitung auch auf irgendeine andere bekannte und einer rückwärts laufenden räumlich Harmonischen

Weise erhalten werden. 55 (Hartree-Harmonischen) der in der Verzögerungsleitung

Eine Elektrode 21, die gewöhnlich als Leitelektrode angefachten und sich längs derselben in Richtung auf den bezeichnet wird und deren charakteristische Form aus Ausgangsleiter 7 zu ausbreitenden Welle zustande kommt. Fig. 2 hervorgeht, ist mit drei Isoliermuffen 22, 23 und Für eine Röhre dieser Art, versehen mit einer Verzöge-24 aus keramischem Material fest verbunden und wird rungsleitung mit ineinandergreifenden fingerförmigen von diesen getragen. Die Isoliermuffen sind ihrerseits in 60 Elementen (Interdigitalleitung), haben von dem Erfinder irgendeiner geeigneten Weise, beispielsweise durch Lötung angestellte Berechnungen gezeigt, daß der Kopplungsoder Hartlötung, an dem Deckteil 2 der Röhre befestigt. widerstand zwischen der Verzögerungsleitung und dem Eine Auffangelektrode 25 ist an der zylindrischen Hülle 1 Elektronenstrahl durch die folgende Gleichung gegeben ist:

sin²

_κ 2 sinAM^o)

Tp V sin h* (Γα) 4 sin*

² '

ah + ψψ— f^coth (^rd) + ^coth

Hierin ist K eine Konstante, die von d^r Wahl der Maßeinheiten abhängt, Γ die Ausbreitungskonstante der in Wechselwirkung stehenden Welle, α der mittlere Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Fingern, p die Ganghöhe der Leitung, d der Abstand zwischsn der Leitelektrode und den Verzögerungselementen, h die Fingertiefe, D der Abstand zwischen den Verzögerungselementen und der von der inneren Oberfläche der zylindrischen Hülle gebildeten Deckwand, x₀ der Abstand zwischen der Leitelektrode und dem Strahl.

Für normale Werte dieser Größen ist der Kopplungswiderstand R₀ annähernd umgekehrt proportional der Fingertiefe h; er ist also am strahlerzeugungsseitigen Ende der Verzögerungsleitung erheblich kleiner als im mittleren Bereich der Verzögerungsleitung.

Die Erfahrung hat gezeigt, daß die Ausgangsleistung der Röhre beträchtlich ansteigt, wenn die Fingertiefe vermindert, R_c also vergrößert wird. Daher ist es erstrebenswert, die Fingertiefe herabzusetzen; dabei wird aber gleichzeitig das Wärmeableitungsvermögen vermindert.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird nun durch Vergrößerung der Fingertiefe der ersten Finger der Verzögerungsleitung einerseits der Kopplungswiderstand (und damit auch die Amplitude des mit dem Elektronenstrahl in Wechselwirkung tretenden Höchstf requenzf eldes) am strahlerzeugungsseitigen Ende des Wechselwirkungsraumes herabgesetzt, während andererseits das Wärmeableitungsvermögen dieser Finger vergrößert wird. Die Verringerung des Hochfrequenzfeldes hat zur Folge, daß dann die von der Verzögerungsleitung absorbierten Strahlelektronen über eine größere Oberfläche verteilt sind, wodurch die maximale Verlustleistung weiter gesteigert wird. Darüber hinaus setzt die Wechselwirkung am Beginn des Wechselwirkungsraumes nicht unmittelbar mit ihrer maximalen Intensität ein, sondern nach und nach, wodurch der Mechanismus der Elektronengruppierung verbessert wird. Des weiteren ergibt sich hieraus, daß die maximale Verlustleistung sehr beträchtlich vergrößert werden kann, ohne daß die Ausgangsleistung nennenswert abnimmt; denn die Betriebsbedingungen werden durch die genannte Maßnahme gleichmäßiger gestaltet. Der Erfinder hat experimentell festgestellt, daß die von der Röhre gemäß Fig. 1 und 2 aufgebrachte Leistung um wenigstens 50% größer ist als bei einer Röhre mit ähnlichen Kenndaten, aber mit einer klassischen Verzögerungsleitung, d. h. mit einer Verzögerungsleitung mit konstantem Querschnitt der Verzögerungselemente.

Die Verzögerungsleitung gemäß den Fig. 1 und 2 ist besonders einfach zu verwirklichen. Jedes der Kammstücke erhält man durch Fräsen eines hohlen Metall-Zylinders, dessen äußere und innere Oberflächen parallelachsige, aber nicht koaxiale Zylinderflächen sind, so daß diese Zylinderflächen zueinander exzentrisch liegen.

Fig. 3 zeigt eine andere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Verzögerungsleitung. Diese Ausführungsform betrifft Verzögerungsleitungen, die mit kreiszylindrischen Verzögerungselementen (»Stäben«) ausgerüstet sind, also z. B. eine leiterartige Verzögerungsleitung, eine kammartige Verzögerungsleitung oder irgendeine andere geeignete Art von Verzögerungsleitung. Die Verzögerungsleitung ist in Fig. 3 im Querschnitt in einer Ebene senkrecht zu den Stäben dargestellt.

In Fig. 3 ist 80 die Leitelektrode einer langgestreckten Röhre. Die Deckwand der Verzögerungsleitung ist durch die Bezugszahl 81, einige der aufeinanderfolgenden Stäbe durch die Bezugszahlen 82 bis 87 bezeichnet. Es hängt vom Einzelfall ab, ob die Stäbe der Verzögerungsleitung an einem Ende oder an beiden Enden gehaltert sind, und zwar an seitlichen metallischen Wänden (nicht gezeigt), welche an der Deckwand 81 starr befestigt sind. Erfindunpgen'i3 nimmt der Durchmesser der Stäbe regelmäßig vom Stab 82 bis zum Stab 87 hin ab. In einer Oszillatorröhre, die solch eine Verzögerungsleitung benutzt, würde der Auskupplungsleiter (Ausgangsleiter) mit dem Stab 82 verbunden sein. Der Stab 87 kann dem Element28 in Fig. 1 entsprechen.

Wenn eine erfindungsgemäße Röhre, welche eine solche Verzögerungsleitung mit kreiszylindrischen Stäben verwendet, verwirklicht werden soll, müssen folgende Regeln beachtet werden:

1. Längs der gesamten Verzögerungsleitung ist das Verhältnis der Kapazitäten zwischen einem der Stäbe und der Deckwand einerseits und zwischen diesem Stab und dem folgenden Stab andererseits im wesentlichen konstant.

2. Die dem Elektronenstrahl zugewandte Oberfläche der Leitelektrode verläuft parallel zu der gedachten Fläche, welche (parallel zur Deckwand verlaufend) die Stäbe auf der dem Elektronenstrahl zugewandten Seite tangential berührt.

Es versteht sich von selbst, daß die vorliegende Erfindung auf die hier erläuterten und beschriebenen Ausführungsformen, welche lediglich als erläuternde Beispiele herangezogen wurden, nicht beschränkt ist.

Insbesondere kann die Verzögerungsleitung der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Art auch in einer langgestreckten Röhre, insbesondere einer langgestreckten Oszillatorröhre, verwendet werden, und die in Fig. 3 erläuterte Art der Verzögerungsleitung läßt sich auch bei einer zylindrischen Röhre, insbesondere einer zylindrischen Oszillatorröhre, anwenden. Darüber hinaus ist die vorliegende Erfindung auch bei Rückwärtswellen-Verstärkerröhren mit geeigneten Eingangs- und Ausgangskopplungsmitteln anwendbar, wobei die Dämpfungsmittel weitgehend weggelassen werden können. Außerdem kann die Deckwand der Verzögerungsleitung von einem gesonderten leitenden Element gebildet werden, das nicht gleichzeitig die Röhrenhülle ist, und es können irgendwelche geeigneten Dämpfungsmittel im Zusammenhang mit den jeweiligen Elementen der Verzögerungsleitung angewendet werden. Es ist also offensichtlich, daß der Grundgedanke der vorliegenden Erfindung zahlreiche Abwandlungen und Abänderungen zuläßt.

Claims

Patentansprüche:

1. Rückwärtswellenröhre zur Erzeugung oder Verstärkung sehr kurzer elektrischer Wellen, bei der der Elektronenstrahl längs einer Verzögerungsleitung mit periodischer Struktur geführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die die Verzögerungsleitung bildenden, untereinander gleichartigen Verzögerungselemente so ausgebildet und angeordnet sind, daß eine der Abmessungen, die den Querschnitt der Verzögerungselemente bestimmen, längs des ersten Abschnitts der Verzögerungsleitung — ausgehend von der Elektronenstrahlquelle — fortlaufend abnimmt und die Begrenzungen der Verzögerungselemente auf der dem Elektronenstrahl zugewandten Seite längs der gesamten Verzögerungsleitung fluchtend hintereinanderliegen, so daß der Kopplungswiderstand zwischen der Verzögerungsleitung und dem Elektronenstrahl längs des genannten ersten Abschnitts der Verzögerungsleitung fortlaufend zunimmt.

2. Röhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erwähnte Querschnittsabmessung jenseits des Endes des ersten Abschnitts der Verzögerungsleitung wieder fortlaufend zunimmt.

3. Röhre nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Verzögerungselemente die Finger einer Interdigitalleitung

sind, dadurch gekennzeichnet, daß die sich ändernde Querschnittsabmessung die Fingertiefe ist.

4. Röhre nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Verzögerungselemente kreisförmigen Querschnitt besitzen, dadurch gekennzeichnet, daß die sich ändernde Querschnittsabmessung der Durchmesser des kreisförmigen Querschnitts ist.

5. Röhre nach einem der Ansprüche 1 bis 4, welche des weiteren eine neben der Verzögerungsleitung verlaufende Leitelektrode enthält, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den Verzögerungselementen und der Leitelektrode längs der gesamten Verzögerungsleitung konstant ist.

6. Röhre nach Anspruch 4 und 5, welche auf der der Leitelektrode abgewandten Seite der Verzögerungsleitung eine weitere, parallel zur Leitelektrode verlaufende metallische Wand (Deckwand) enthält, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der Verzögerungselemente sich von einem Verzögerungselement zum nächsten in der Weise ändert, daß längs der gesamten Verzögerungsleitung das Verhältnis der

Kapazitäten zwischen einem der Verzögerungselemente und der Deckwand einerseits und zwischen diesem Verzögerungselement und dem darauffolgenden Verzögerungselement andererseits im wesentlichen konstant ist.

7. Röhre nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerungsleitung kreisförmig gebogen ist und die einander in radialer Richtung gegenüberliegenden Begrenzungen der Verzögerungselemente auf Zylinderflächen liegen, die zwei Zylindern angehören, deren Achsen zueinander parallel, aber nicht koaxial verlaufen.

8. Röhre nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfungsmittel in dem Abschnitt der Verzögerungsleitung vorgesehen sind, wo die Querschnittsabmessung wieder zunimmt.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Französische Patentschrift Nr. 998 819;
britische Pateptschrift Nr. 734 479.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen