DE1299080B

DE1299080B - Verfahren zum Verstaerken von elektrischen Wellen nach dem parametrischen Prinzip mittels eines transversal modulierten Elektronenstrahls und Verstaerkungsvorrichtung zum Ausfuehren des Verfahrens

Info

Publication number: DE1299080B
Application number: DEZ7346A
Authority: DE
Inventors: Wade Glen; Adler Robert
Original assignee: Zenith Radio Corp
Current assignee: Zenith Electronics LLC
Priority date: 1958-05-28
Filing date: 1959-05-27
Publication date: 1969-07-10
Also published as: GB929016A; GB929015A; US3233182A; FR1228568A

Description

1 2

Es ist bisher bekannt, daß die Wechselwirkung dann wieder zurück auf den Strahl usw. Dies ist die zwischen Elektronenstrahlen und längs solcher Strah- Erscheinung einer stehenden Welle, die den stehenlen angeordneten Stromkreisen wenigstens zwei ver- den Wellen analog ist, die auf gekoppelten Überschiedene Formen annehmen kann. Zwei getrennte tragungsleitungen beobachtet werden. Jedoch ist der oder unterschiedliche Elektronenwellen können in 5 Energieaustauschmechanismus nicht auf die Vereinem Elektronenstrahl bei einer bestimmten Fre- Wendung von Ubertragungsleitungen begrenzt. Es ist quenz existieren, wie ausführlich in dem Artikel in der Technik bekannt, daß punktförmig verteilte »Transverse-Field Travelling-Wave Tubes with oder konzentrierte Konstruktionen vorgesehen wer-Periodic Electrostatic Focusing« von R. Adler u. a. den können, um mit dem Signal in einer äquivalenin »Proceedings of the IRE«, Bd. 44, Nr. 1, Januar ίο ten Weise in Wechselwirkung zu treten. 1956, S. 82 bis 89, beschrieben ist. Eine vereinfachte Ein interessanter Gesichtpunkt der Erscheinung

Deutung des Elektronenwellenvorgangs kann in der des Austausches von Stromkreis- und Strahlsignal-Weise entwickelt werden, daß der Elektronenstrahl energie ist die Existenz von Punkten längs des als einer Rückstellkraft unterworfen betrachtet wird, Strahls, wofür eine bestimmte Signalfrequenz die die auf dem Fokussierungsfeld in Querfeldröhren 15 gesamte dem Stromkreis aufgedrückte Signalenergie und der Raumladung in Längsfeldröhren geleitet auf den Strahl als Modulation des speziellen Charakwird. Diese Rückstellkraft ermöglicht, daß jedes ters der verwendeten Strahlwechselwirkung überElektron in dem Strahl um seine Ruhelage in dem tragen ist und umgekehrt eine in dem Strahl vor-Strahl mit einer Frequenz schwingt, die in Längs- handene Energie als Modulation desselben Charakfeldröhren häufig als die Plasmafrequenz und in ao ters auf den Stromkreis übertragen ist. Dieser Ener-Querfeldröhren als Querresonanzfrequenz der Elek- gieaustausch zwischen dem Strahl und dem Stromtronen oder Zyklotronfrequenz bezeichnet wird. kreis ist auf den besonderen Schwingungstyp der

Eine einmal angeregte Bewegung der Elektronen Elektronenbewegung begrenzt, der die schnellere der in dem Strahl bei dieser Elektronenresonanzfrequenz beiden möglichen Elektronenwellen bei der spezielbleibt bestehen, bis sie gestört wird. Zur Anregung 25 len Signalfrequenz bildet (Schnellwellenwechselwirdieser Resonanzbewegung mittels eines Wendel- kung).

kreises oder eines gleichwertigen Stromkreises muß Eine nützliche Anwendung der Erscheinung des

die Wellenausbreitungsgeschwindigkeit längs des Energieaustausches liegt in dem Austausch von Stromkreises derart sein, daß die mit unterschied- Rausch- und Signalenergie. Es ist bekannt, daß ein licher Geschwindigkeit wandernden Elektronen ein 30 von üblichen Quellen stammender Elektronenstrahl Signalfeld bei ihrer eigenen Resonanzfrequenz verschiedenartige Rauschkomponenten enthält, die »sehen«. als Modulation auf dem Strahl erscheinen. Bei der

Die entsprechende Stromkreiswelle kann schneller Schnellwellenwechselwirkung ist es möglich, ein ge- oder langsamer als der Strahl verlaufen. Die Phasen- wünschtes Signal auf den Strahl zu übertragen, wähgeschwindigkeit u dieser Welle ist eine Funktion der 35 rend die Rauschkomponenten aus diesem heraus-Elektronengeschwindigkeit u_e der Strahlelektronen, gezogen werden. Außerdem kann induziertes Rauder Signalfrequenz Z₁ und der Elektronenresonanz- sehen auf ein Minimum verringert werden. Ein solfrequenz/_e in der folgenden Form: ches Rauschen wird durch den Strahl in üblichen

Elektronenkopplern erzeugt und dadurch dem Strahl

1 40 erneut aufgedrückt. Großer Nutzen ist dabei da-

fe ' durch erzielbar, daß Signalenergie, ohne daß über-

¹ =b ~j^~ mäßiges Rauschen an den Verstärkungskanal über

tragen wird, verstärkt wird. Außerdem läßt sich eine

Die Wechselwirkung zwischen Elektronen und Verstärkungsanlage höchster Leistungsfähigkeit da-Signalfeldern führt in den beiden verschiedenen 45 durch schaffen, daß eine solche Anlage mit einer EinFällen zu verschiedenen Ergebnissen. Für eine Strom- richtung zum Entfernen von unerwünschtem Elekkreiswelle, die langsamer als der Strahl ist, sind die tronenstrahlrauschen kombiniert wird. Phasenbeziehungen derart, daß gleichphasige Signale Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein

auf den Strahl (Strahlwellen) und den Stromkreis Verfahren und eine Einrichtung zu schaffen, um (Stromkreiswellen) einander zu vergrößern und eine 50 Signalenergie zu verstärken und das Rauschen auf exponentielle Verstärkung zu erzeugen suchen. Dies ein Minimum zu verringern. Dabei wird von der ist der Mechanismus, der üblicherweise in Lauffeld- Schnellwellenwechselwirkung Gebrauch gemacht, röhren angewandt wird. Gleichzeitig suchen phasen- und es lassen sich Signale über einen breiten Freverschobene Signale auf dem Strahl und dem Strom- quenzbereich verstärken und gleichzeitig eine Rauschkreis einander zu unterdrücken und eine exponen- 55 verminderung auf ein Minimum erzielen, tielle Dämpfung hervorzurufen. Eine spezielle Aufgabe der Erfindung ist die

Wenn eine Stromkreiswelle schneller als die Schaffung einer Verstärkungsanlage mit Schnell-Strahlwelle ist, sind die Phasenbeziehungen derart, Wellenwechselwirkung des Typs, der wenigstens daß, wenn das Signal an dem Stromkreis die Bewe- durch eine sich rückwärts bewegende Elektronengung in dem Elektronenstrahl vergrößert, dieselbe 60 Wellenkomponente gekennzeichnet ist und eine verBewegung die Wirkung hat, das Signal auf dem besserte Kopplungsvorrichtung für die Energieüber-Stromkreis zu vermindern, und umgekehrt. tragung in bezug auf diese Elektronenwellenkompo-

AIs Folge dieser Wechselbeziehung verschwindet nente aufweist.

ein auf dem Stromkreis wanderndes Signal gegebenen- Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum

falls von dem Kreis und tritt voll im Strahl auf. Da- 65 Verstärken von elektrischen Wellen nach dem paranach erscheint das Signal wieder auf dem Stromkreis metrischen Prinzip mittels eines Elektronenstrahls, usw. Umgekehrt wird ein von dem Strahl ausgehen- bei dem das zu verstärkende Signal (Eingangssignal) des Signal voll auf den Stromkreis übertragen und in den Elektronenstrahl eingekoppelt, danach durch

_u — u ^e

3 4

Hineinpumpen von Energie (Pumpenenergie) in den Vorzugsweise weist der Pumpgenerator eine Fre-

Elektronenstrahl verstärkt und schließlich das ver- quenz auf, die nicht der doppelten Frequenz der stärkte Signal (Ausgangssignal) aus dem Elektronen- Elektronensignalschwingungen entspricht, und die strahl ausgekoppelt wird. Elektroden des Elektronenbahndehners sind so aus-

Die Lösung der Aufgabe ist im wesentlichen darin 5 gebildet, daß dieser bei einer endlichen Phasenzu sehen, daß der Elektronenstrahl durch das Ein- geschwindigkeit arbeitet, und die Pumpspannungsgangssignal quer zu seiner Ausbreitungsrichtung änderung in bezug auf die Relativbewegung der Elekmoduliert wird (transversale Modulation), daß der tronen in dem Strahl längs des Elektronenbahn-Verstärkungseffekt dadurch bewirkt wird, daß der dehners ist so groß, daß auf jedes Elektron ein Feld so vormodulierte Elektronenstrahl während der io wirkt, welches sich annähernd mit der doppelten Dauer von mehreren Schwingungsperioden einem Frequenz der Elektronensignalschwingung ändert, inhomogenen transversalen elektrischen Wechselfeld Gemäß einer besonderen Ausführungsform ist die

(Pumpfeld) ausgesetzt wird, durch welches die durch Einrichtung so getroffen, daß der Elektronenbahndie Modulation angeregten transversalen Elektronen- dehner mit einer Pumpfrequenz betrieben wird, die schwingungen (Elektronensignalschwingungen) ver- 15 in solcher Beziehung zur Frequenz der Eingangsgrößen werden, und daß das Ausgangssignal von signalquelle steht, daß die Elektronenleerwelle, die diesen vergrößerten Elektronenschwingungen abge- als Modulationsprodukt der Pumpfrequenz und der nommen wird. Eingangssignalfrequenzen erzeugt wird, eine lang-

Die Verstärkungsvorrichtung nach der Erfindung same Welle bildet, die in Richtung auf die Elekzum Durchführen dieses Verfahrens verwendet eine ao tronenstrahlquelle läuft, und daß die Verstärkungs-Elektronenstrahlquelle zum Erzeugen eines Elek- vorrichtung einen Abschwächer für die Frequenz tronenstrahls sowie einen Auffänger zum Aufnehmen der Elektronenleerwelle mit einer längs der Bahn desselben und zeichnet sich im wesentlichen aus zwischen der Elektronenstrahlquelle und dem Elekdurch einen Signaleinkoppler, der von der Eingangs- tronenbahndehner angeordneten Übertragungsleitung signalquelle gespeist wird und längs der Bahn ange- 25 aufweist, deren Übertragungsgeschwindigkeit im weordnet ist, um den Elektronenstrahl in Querrichtung sentlichen gleich der Phasengeschwindigkeit der in Abhängigkeit von dem Eingangssignal zu modu- Elektronenleerwelle ist.

Heren, so daß den Elektronen Querschwingungen Dabei kann das Verhältnis der Pumpfrequenz zu

aufgezwungen werden, durch einen Elektronenbahn- der Eingangssignalfrequenz vorzugsweise so bemesdehner (Expander), der mit einem Pumpgenerator 30 sen sein, daß eine rückwärts laufende Signalwelle in verbunden ist, um die inhomogene Feldkomponente dem Elektronenstrahl erzeugt wird und daß die zum Vergrößern der Modulation des Elektronen- Elektronenleerwelle, die ebenfalls in dem Elektronenstrahls zu erzeugen, und durch einen längs der Bahn strahl erzeugt wird, in Laufrichtung hinter dem Elekhinter dem Elektronenbahndehner angeordneten tronenbahndehner absorbiert wird.
Signalauskoppler (Ausgangskoppler) zum Abnehmen 35 In beiden Fällen kann der Elektronenbahndehner des verstärkten Eingangssignals aus dem Elektronen- so ausgebildet sein, daß er außer der radialen Verstrahl, um hieraus das Ausgangssignal zu bilden. größerung der Elektronenbahnen des Elektronen-

Mit dem Verfahren und der Vorrichtung nach der Strahls gleichzeitig eine schnelle Elektronenleerwelle Erfindung läßt sich Signalenergie ohne Zunahme der erzeugt, die das Modulationsprodukt der Pump-Rauschenergie verstärken. 40 frequenz und der Eingangssignalfrequenzen bildet,

Vorzugsweise sind die Elektronenstrahlquelle, der daß die Querresonanzfrequenz und die Pumpfrequenz Signaleinkoppler, der Elektronenbahndehner und der in solcher Beziehung zur Frequenz des Eingangs-Signalauskoppler der Reihe nach längs der Bahn signals stehen, daß die schnelle Elektronenwelle und angeordnet. die Elektronenleerwellen in entgegengesetzte Rich-

Das Querresonanzfeld kann in dem Bereich der 45 tungen des Elektronenstrahls verlaufen, jedoch mit Bahn, der von dem Signaleinkoppler, dem Elek- der gleichen Phasengeschwindigkeit, und daß die tronenbahndehner und dem Signalauskoppler einge- Übertragungsleitung eine elektrische Länge entsprenommen wird, eine unterschiedliche Stärke, ver- chend einem ungeraden ganzen Vielfachen einer Vierglichen mit der Feldstärke in einem anderen Bereich telwellenlänge der vorwärts laufenden Welle aufweist, der Bahn, haben. 50 Die Erfindung ist im folgenden an Hand schema-

Gemäß einer besonderen Ausführungsform weist tischer Zeichnungen an mehreren Ausführungsbeider Signaleinkoppler Ablenkplatten auf, mit einer spielen ergänzend beschrieben,
elektrisch wirksamen Länge entsprechend der Wellen- Fig. 1 ist ein Blockschaltbild einer Vorrichtung

länge der langsamen Elektronenwelle des Elek- nach der Erfindung;

tronenstrahls oder einem ganzen Vielfachen dieser 55 Fig. 2 zeigt eine besondere Ausführungsform Wellenlänge. einer Vorrichtung nach der Erfindung;

Es kann ferner eine zusätzliche Elektronenkopp- F i g. 3 zeigt in perspektivischer Ansicht die we-

lungsvorrichtung zwischen der Elektronenquelle und sentlichen Teile einer weiteren Ausführungsform dem Elektronenbahndehner angeordnet und so aus- einer Vorrichtung nach der Erfindung;
gebildet sein, daß sie den schnellen Wellen des Elek- 60 F i g. 4 ist ein Schaltbild eines Teils der Vorrichtronenstrahls Energie entziehen kann. Dabei kann tung nach Fig. 3;

die zusätzliche Elektronenkopplungsvorrichtung zwi- F i g. 5 zeigt in perspektivischer Ansicht einen Teil

sehen der Elektronenquelle und dem Signaleinkopp- einer anderen Ausführungsform einer Vorrichtung, ler angeordnet sein. nach der Erfindung;

Der Signaleinkoppler und/oder die zusätzliche 65 F i g. 6 ist eine perspektivische Darstellung eines Elektronenkopplungsvorrichtung können einen Über- Teils der Vorrichtung nach Fig. 5;
tragungsleitungskoppler umfassen, der längs des An- Fig. 7 ist ein Schaltbild einer weiteren Ausfüh-

fangsbereichs der Bahn angeordnet ist. rungsform der Erfindung;

F i g. 8 ist ein Querschnitt eines Teils einer weiteren Ausführungsform, wobei Feldlinien und Schaltungsverbindungen angegeben sind;

F i g. 9 und 10 sind Diagramme zur Erläuterung der Vorrichtung nach Fig. 8;

Fig. 11 zeigt eine vereinfachte Ausführungsform der Vorrichtung nach Fig. 8;

Fig. 12 und 13 sind perspektivische Ansichten abgeänderter Ausführungsformen der Vorrichtung nach F i g. 8.

Bei der Vorrichtung nach Fig. 1 wird ein Elektronenstrahl von einer Elektronenstrahlquelle 20 längs einer Bahn 21 (Bezugsbahn) in Richtung eines Elektronenstrahlauffängers 22 (im folgenden Auffänger genannt) geschleudert. Die Elektronenstrahlquelle 20 kann in üblicher Weise ausgebildet sein und enthält eine Kathode mit geeigneten Fokussierund Beschleunigungselektroden, um einen gut begrenzten Elektronenstrahl zu erzeugen. Der Auffänger 22 ist quer zu dem Strahl angeordnet und kann eine Anodenelektrode enthalten, die mit einem positiven Gleichpotential beaufschlagt ist.

In einem ersten Teil des Strahlweges (Bahn) 21 ist ein Signaleinkoppler (Eingangskoppler) 23 angeordnet, der an eine Eingangssignalquelle 24 gekoppelt ist. Der Signaleinkoppler 23 ist ein Elektronenkoppler, der dem Elektronenstrahl entsprechend der von der Eingangssignalquelle 24 gelieferten Signalnergie Energie zuführen kann. Der Signaleinkoppler 23 kann verschiedenartige Formen annehmen und wirkt auf den Elektronenstrahl, um in dem Strahl eine Querbewegung der Elektronen oder eine Kombination von einer Quer- und einer Längsbewegung zu erzeugen. Vorzugsweise benutzt der Signaleinkoppler 23 Mittel, wie ein magnetisches oder elektrostatisches Feld, zum Erzeugen einer gewünschten Elektronenresonanzfrequenz (Zyklotronfrequenz bei Benutzung eines magnetischen Feldes). Eine solche typische Anordnung für Elektronenquerbewegung enthält beispielsweise eine Magnetspule, die den Strahl umgibt, um magnetische Feldlinien parallel zu der Strahlachse und mit einer Stärke herzustellen, die die gewünschte Zyklotronfrequenz für die Elektronenbewegung erzeugt, wobei die Modulationssignale der Eingangssignalquelle 24 entnommen werden und eine Frequenz haben, die gleich der Zyklotronfrequenz ist, und die Elektronen in dem Strahl veranlassen, längs eines wachsenden Durchmessers eine kreisende Bewegung zu beschreiben. Die Stärke des Modulationssignals wird dabei durch die entsprechende Größe des Radius der Bahnbewegung dargestellt.

Jeder der bekannten Energieumsetzungsmechanismen, zu denen unter anderem längs des Elektronenstrahls angeordnete Übertragungsleitungen oder einander gegenüberliegende Ablenkplatten gehören, können verwendet werden, um den Strahl mit dem von der Eingangssignalquelle 24 gelief erten Eingangssignal zu modulieren. Eine typische Wendelkopplungseinrichtung für Quermodulation des Strahls ist in Fig. 1 des genannten Artikels in »Proceedings of The IRE«, Januar 1956, S. 82 ff., veranschaulicht und beschrieben.

Auf den Eingangskoppler 23 folgt ein Elektronenbahndehner (Elektronenbahnexpander) 25, der längs eines zweiten Teils der Strahlbahn 21 jenseits des Signaleinkopplers 23 angeordnet ist. Nach dem Expander 25 ist ein Ausgangskoppler (Signalauskoppler) 26 längs eines dritten Teils der Strahlbahn 21 angeordnet und an eine geeignete Belastung 27 gekoppelt. Der Ausgangskoppler 26 kann zweckmäßig mit dem Eingangskoppler 23 identisch ausgebildet sein, obgleich auch andere geeignete Elektronenkoppler verwendet werden können. Die Arbeitsweise des Ausgangskopplers 26 ist zu der Arbeitsweise des Signaleinkopplers (Eingangskopplers) umgekehrt. Bewegungen der Elektronen in dem Strahl rufen an dem Ausgangskoppler 26 eine solche Wirkung hervor, daß Energie von dem Strahl an den Ausgangskoppler übertragen wird, von wo sie durch eine übliche Kopplungseinrichtung an die Belastung 27 geführt wird.

Wenn man vorübergehend die Funktion des Modulationsexpanders 25 außer Betracht läßt und annimmt, daß ein Ausgangskoppler mit dem Eingangskoppler identisch ausgebildet ist und beide geeignet an die Eingangssignalquelle 24 bzw. die Belastung 27 angepaßt sind, wird die von der Quelle 24 gelieferte Signalenergie in Elektronenbewegung in dem Strahl umgeformt. In dem Ausgangskoppler 26 wird die von dieser Elektronenbewegung dargestellte Energie dem Strahl entzogen und der Belastung 27 zugeführt, wobei der aus dem Ausgangskoppler 26 austretende Strahl dann den gleichen Charakter hat, wie er ihn bei seiner Annäherung an den Eingangskoppler 23 aufwies.

Das Nutzergebnis der soweit beschriebenen Einrichtung besteht, wenn man den Expander 25 unberücksichtigt läßt, darin, Signalenergie von der Eingangssignalquelle 24 an die Belastung 27 mittels des Elektronenstrahls zu übertragen. Der Nutzen einer solchen Anordnung leidet an dem Nachteil, daß ein übermäßiger Rauschanteil in das Ausgangssignal mit eingeführt wird. Dieses Rauschen wird von dem Elektronenstrahl getragen und erscheint in Form von Energiekomponenten, die zu den Signalkomponenten addiert werden. Typisch für das Elektronenstrahlrauschen ist, daß es in der Quelle 20 entsteht. Zusätzliche Strahlenergiekomponenten können auch in Form anderer Signalenergie vorhanden sein, die dem Elektronenstrahl vor seinem Durchgang durch den Eingangskoppler 23 zugeführt wird. In der vorliegenden Einrichtung wird beabsichtigt, solche störenden Energiekomponenten zu entfernen, und zwar wenigstens diejenigen Energiekomponenten, die dem von dem Eingangskoppler 23 bewirkten Modulationsmodus entsprechen und die in dem Strahl vorhanden sind, wenn der Strahl in den Eingangskoppler 23 eintritt. Zu diesem Zweck ist der Eingangskoppler 23 so ausgebildet, daß er mit der schnellen Elektronenwelle in der Weise reagiert, die in der Beschreibungseinleitung erläutert ist. Somit haben bei der betrachteten Quermodulation die Wechselwirkungselemente des Eingangskopplers 23 längs der Strahlbahn 21 eine solche effektive elektrische Länge, daß alle ursprünglich in dem Strahl vorhandenen Schnellwellenenergiekomponenten an den Eingangskopplerkreis 23 übertragen werden, während die Energie von der Signalquelle 24 an den Strahl übertragen wird. Infolgedessen enthält der Elektronenstrahl, der den Eingangskoppler 23 verläßt und in Richtung des Modulationsexpanders 25 wandert, im wesentlichen nur die Energie, die der von der Eingangssignalquelle 24 gelieferten Signalenergie entspricht, während er keine oder nur ein Minimum von anderen Schnellwellenenergiekomponenten enthält, z. B. solche Schnellwellenenergie-

7 8

komponenten, die in dem Strahl ursprünglich als Der Raum zwischen den Elektroden 37 und 38 wird Rauschen aufgetreten sind. ebenfalls einem Magnetfeld solcher Stärke unter-Der Modulationsexpander 25 enthält Mittel, um worfen, die ausreicht, um für die Strahlelektronen die Amplitude der dem Strahl von dem Eingangs- eine Zyklotronfrequenz herzustellen, die angenähert koppler 23 aufgedrückten Elektronenbewegung zu 5 gleich der Frequenz des Eingangssignals von der vergrößern. Wenn beispielsweise der Eingangskopp- Quelle 24 ist. Wie in dem Eingangskoppler 23 kann ler 23 die Elektronen in dem Strahl entsprechend dieses Feld von einer üblichen Magnetspule erzeugt den von der Eingangssignalquelle 24 gelieferten Ein- werden, welche die Elektroden 37 und 38 umschließt; gangssignalen zu spiralförmiger Bahnbewegung ver- in F i g. 2 ist dieses Feld mit dem Pfeil H₃ schemaanlaßt, bewirkt der Expander 25 eine Vergrößerung 10 tisch angegeben. In dem vorliegenden Fall ist es am der Radien der Elektronenbahnen während des zweckmäßigsten, die gesamte Röhre 30 α innerhalb Durchganges der Strahlelektronen durch den Expan- einer einzigen Magnetspule anzuordnen, die ein konder 25. stantes, homogenes Magnetfeld längs der gesamten F i g. 2 veranschaulicht schematisch eine realisierte Strahlbahn erzeugt. Jedoch können getrennte Ma-Ausführungsform einer Verstärkereinrichtung nach 15 gnetspulen erwünscht sein, wenn verschiedene FeIdder Erfindung, die der in Fig. 1 dargestellten und stärken verlangt werden, falls der Ausgangskoppler im Zusammenhang damit beschriebenen Anordnung 26 ein Koppler anderen Typs als der des Eingangsentspricht. In F i g. 2 stellt die Achse 21 die Bahn kopplers 23 ist. Die Belastung 27 wird an den Ausinnerhalb einer Röhre 30 a dar, längs der der Elek- gangskoppler 26 mittels einer Übertragungsleitung 45 tronenstrahl wandert, wobei die Elektronenstrahl- 20 in gleicher Weise angekoppelt, wie oben bezüglich quelle 20 und der Auffänger 22 zur Vereinfachung der Kopplung zwischen der Eingangssignalquelle 24 aus dieser Figur weggelassen worden sind. und dem Eingangskoppler 23 beschrieben worden ist. Längs des ersten Teils der Strahlbahn 21 befindet Wenn man vorübergehend von der Wirkung des sich der Eingangskoppler 23, der ein Paar Ablenk- Modulationsexpanders 25 a absieht, kann die Arbeitsplatten 31 und 32 aufweist, die sich jeweils auf 25 weise des Eingangskopplers und des Ausgangskoppgegenüberliegenden Seiten der Strahlbahn befinden. lers so erklärt werden: Beim Wandern durch den Femer befindet sich in Strahlrichtung neben den Ab- Eingangskoppler 23 schreitet der Elektronenstrahl lenkplatten 31 und 32 der Modulationsexpander 25 a, in einer Richtung fort, die parallel zu der Richtung der ein zweites Paar Ablenkplatten 34 und 35 auf- der Feldlinien des homogenen Magnetfeldes liegt, weist. Diese sind zu den Ablenkplatten 31 und 32 30 Die Stärke dieses Feldes wird eingestellt, um eine ausgerichtet und längs eines zweiten Teils der Rückstellkraft zu erzeugen, die so wirkt, daß die Strahlbahn 21 angeordnet. Die Elektroden 34 und Zyklotronfrequenz wenigstens annähernd gleich der 35 sind mit einer Induktivität 36 überbrückt. Noch angelegten Signalfrequenz ist. In dem vorliegenden weiter in Richtung der Strahlbahn 21 ist abgrenzend Beispiel bewirkt die von der Eingangssignalquelle 24 an einen dritten Teil der Bahn der Ausgangskoppler 35 gelieferte Energie, daß jedes Elektron in dem Strahl 26 vorhanden, der ebenfalls ein Paar plattenförmige eine spiralförmige Bahn mit zunehmendem Radius Elektroden 37 und 38 aufweist. Diese sind mit den beschreibt, wenn es durch den Eingangskoppler 23 Ablenkplatten des Eingangskopplers 23 und des Ex- wandert. In dem Eingangskoppler 23 erfolgt kein panders 25 a ausgerichtet. Austausch zwischen Quer- und Längselektronen-Zur Ankopplung der Eingangssignalquelle 24 an 40 bewegung. Auf die Signalquelle 24 wirkt der Elekden Eingangskoppler 23 ist eine Übertragungsleitung tronenstrom in dem Eingangskoppler 23 wie eine 40, von der das eine Ende 41 kurzgeschlossen ist, reine Widerstandsbelastung. Die gesamte an diese mit ihrem anderen Ende 42 an die Ablenkplatten 31 Belastung abgegebene Energie erscheint in Form von und 32 angekoppelt. Ein Übertragungsverbindungs- Querelektronenbewegung.

glied 43, das mit einem Ende an die Eingangssignal- 45 Der Eingangskoppler 23 steht in Wechselwirkung quelle 24 angekoppelt ist, greift die Übertragungs- mit der schnellen Elektronenwelle, kann jedoch auch leitung 40 an einer Stelle ab, die so gewählt ist, daß mit der langsamen Elektronenwelle des Strahls die Impedanz der Eingangssignalquelle 24 der von reagieren. Während konzentrierte Elemente als den Ablenkplatten 31 und 32 dargestellten Impedanz Elektroden 31 und 32 von Haus aus in unwirksamer angepaßt wird. Die Übertragungsleitung 40 ist effek- 50 Weise mit der langsamen Elektronenwelle in Wechtiv eine Viertelwellenlängenleitung bei der Signal- selwirkung treten, wird in F i g. 2 eine solche Wechfrequenz. Selbstverständlich kann die Leitung 40 selwirkung mit der langsamen Welle dadurch auf ein durch Hinzufügungen von jeweils einer halben WeI- Minimum und theoretisch auf Null gebracht, daß die lenlänge länger gemacht werden. effektive elektrische Länge der Elektroden 31 und 32 Zur Herstellung einer Elektronenresonanzfrequenz, 55 gleich einem ganzzahligen Vielfachen der Wellendie angenähert gleich der Frequenz des Eingangs- länge der langsamen Welle gemacht wird, signals von der Quelle 24 ist, wird der Raum zwi- Wenn der Eingangskoppler 23 durch einen gesehen den Elektroden 31 und 32 einem Magnetfeld eigneten Anpassungswiderstand richtig belastet ist, solcher Stärke unterworfen, die ausreicht, um für die entzieht er dem Strahl die Schnellwellenrauschkom-Strahlelektronen eine Zyklotronfrequenz herzustel- 60 ponenten. Diese Anpassung wird dadurch erhalten, len, die angenähert gleich der Frequenz des Ein- daß die Lage des Abgriffs 44 auf kleinste Rauschgangssignals ist. Zu diesem Zweck sind die Ablenk- übertragung an die Belastung 27 eingestellt wird, elektroden 31 und 32 innerhalb einer Magnetspule Wenn der Anpassungswiderstand richtig gewählt ist, angeordnet, deren Feld mit dem Pfeil H₁ schema- enthält die schnelle Elektronenwelle theoretisch keine tisch bezeichnet ist. 65 Rauschkomponenten mehr, nachdem sie den Ein-Die den Ausgangskoppler bildenden Elektroden gangskoppler 23 verlassen hat, mit Ausnahme der und 38 sind vorzugsweise wie die den Eingangs- Komponenten des in der Signalquelle 24 erzeugten koppler bildenden Elektroden 31 und 32 ausgebildet. Wärmerauschens. Somit bewirken die Ablenkelektro-

909 528/188

9 10

den 31 und 32 zusammen mit dem Magnetfeld H₁, Anoden an einen Resonanzkreis 60 gekoppelt, der daß die Signalenergie von der Eingangssignalquelle auf eine Frequenz mit einer Resonanzperiode abge-24 mit der Energie ausgetauscht wird, die Ursprung- stimmt ist, die im wesentlichen gleich der doppelten lieh in dem Strahl enthalten ist, und im besonderen Elektronendurchgangszeit ist, die die Elektronen des mit der Schnellwellenrauschenergie. 5 Strahls zum Durchqueren des Abstandes zwischen

Wenn man auch noch weiterhin die Wirkung des den Mitten der Ablenkelektroden und den Anoden Modulationsexpanders 25 a außer Betracht läßt, benötigen. Zu diesem Zweck sind die Anoden 56 und setzen die den Eingangskoppler 23 verlassenden 57 an eine mit offenen Enden versehene Übertra-Elektronen eine schraubenlinienförmige Bahn mit gungsleitung mit einer effektiven Länge elektrisch konstantem Radius fort, bis sie den Ausgangskopp- io angeschlossen, die größer als eine Viertelwellenlänge ler 26 erreichen. Wenn die Belastung 27, wie in und kleiner als eine halbe Wellenlänge bei der Be-Fig. 2 dargestellt, an der Ausgangsübertragungs- triebsfrequenzist.

leitung 45 abgegriffen und die Länge dieser Leitung Die Elektroden 34 und 35 des Expanders 25 a, die

so eingestellt wird, daß der Ausgangskoppler 26 auf auf die Signalfrequenz durch die Induktivität der rein ohmschem Widerstand arbeitet, induzieren die 15 Spule 36 abgestimmt sind, sind an die Übertragungskreisenden Elektronen ein Feld zwischen den Elek- leitung 60 durch eine Übertragungsleitung 62 gekoptroden 37 und 38 des Ausgangskopplers 26, das die pelt, deren effektive Länge eine Viertelwellenlänge Elektronen zwingt, eine spiralförmige Bewegung mit bei der Betriebsfrequenz beträgt. Wenn der Oszillator abnehmendem Durchmesser (nach innen gerichtete 50 erregt ist, wird der Widerstand, der zwischen den Spiralbewegung) auszuführen, wenn sie durch den 20 Enden der an die Leitung 60 abgriffsweise ange-Ausgangskoppler 26 laufen. schlossenen Leitung 62 auftritt, negativ und gehört

Für den vorliegenden Fall, bei dem der Eingangs- zum Parallel- oder Stromresonanztyp. Nach Umforkoppler und der Ausgangskoppler identisch sind und mung durch die Leitung 62 ist der zwischen den Elekbeide an die Eingangssignalquelle 24 bzw. die Be- troden34 und 35 auftretende negative Widerstand lastung 27 so angepaßt sind, daß dem Strahl der 25 ein Reihen- oder Spannungsresonanztyp. Das heißt, gleiche Widerstand dargeboten wird, sind die zum wenn der Strahlstrom in dem Oszillator 50 allmäh-Auffänger gelangenden Elektronen frei von Modu- lieh eingeschaltet wird, ist der Widerstand, der den lation. Die dem Strahl von dem Eingangskoppler 23 Strahl durch die Elektroden des Modulationsexpanaufmodulierte Energie wird dann dem Strahl durch ders25a belastet, anfänglich positiv, verläuft dann den Ausgangskoppler 26 vollständig entzogen. 30 durch Null und wird schließlich negativ. Die Größe

Zur Erzielung einer Verstärkung wird erfindungs- des negativen Widerstandes wird dadurch eingestellt, gemäß eine Dehnung der Modulation, die dem Strahl daß die Abgriffe der Leitung 62 längs der Leitung 60 in dem Eingangskoppler 23 aufgedrückt worden ist, verschoben werden.

vorgeschlagen. Zu diesem Zweck wird der Elektro- Andererseits schafft der Elektronenstrahl in der

nenstrahl einer negativen Widerstandsbelastung wäh- 35 Röhre 30 a eine positive Belastung zwischen den rend seines Durchgangs durch den Modulations- Elektroden 34 und 35, die an dem Abgriffspunkt der expander unterworfen. Bei der Ausführungsform Leitung 60 als positiver Widerstand auftritt, die den nach F i g. 2 wird der negative Widerstand mittels Oszillator belastet und ihn normalerweise daran hineines äußeren Oszillators 50 hergestellt. Bei der Ver- dert, in Schwingungen zu gelangen. Die Abgriffe t, Stärkereinrichtung der F i g. 2, in welcher der Ein- 40 welche die Ausgangsklemmen der äußeren Quelle gangskoppler 23 dem Strahl eine kreisende Bahn- bilden, werden vorzugsweise zu einem Punkt bewegt, bewegung entsprechend der Eingangssignalenergie an dem die Einstellung des Oszillators 50 derart ist, erteilt, wird die Modulationsdehnung dadurch er- daß sie gerade unterhalb eines Zustandes der eigenthalten, daß der Bahnradius der kreisenden Elektro- liehen Schwingung ist. Infolgedessen stellen die Abnen entsprechend vergrößert wird. 45 lenkelektroden 34 und 35 praktisch eine negative

Obgleich als Oszillator 50 jeder der bekannten Os- Widerstandsbelastung für den Elektronenstrahl der zillatoren verwendet werden kann, wird es zur Ver- Röhre 30 a dar. Die Bahnradien der Strahlelektronen einfachung der Einstellung bevorzugt, den Laufzeit- zwischen den Ablenkelektroden 34 und 35, die einem oszillator zu verwenden, der in der USA.-Patent- Magnetfeld H₂ von einer Stärke unterworfen werden, schrift 2 758 210 offenbart ist. In der hier gezeigten 50 die zur Herstellung einer der Signalfrequenz gleichen Anwendung wird dieser Oszillator gerade unterhalb Elektronenresonanzfrequenz (Zyklotronfrequenz) ausseines Schwingungseinsatzpunktes verwendet. Wie in reicht, werden dadurch gedehnt. Das Magnetfeld H₂ F i g. 2 gezeigt ist, besteht der Oszillator aus einem kann durch eine Magnetspule erzeugt werden, welche Elektronenstrahlerzeugungssystem, das eine Kathode die Ablenkelektroden 34 und 35 in der für die Felder 51, eine Fokussierungselektrode 52, eine Beschleuni- 55 H₁ oder H₃ beschriebenen Weise umgibt, gungselektrode 53, Ablenkelektroden 54 und 55 so- Mit nur. einem einzigen Modulationsexpander,

wie Anoden56 und 57 aufweist, die an die Ablenk- wie dies mit Bezug auf Fig. 2 beschrieben ist, wird elektroden gekoppelt sind. Eine Bremselektrode 58 die Elektronenbahn linear gedehnt. Eine solche Dehist zwischen den Anoden 56 und 57 zur Elektronen- nung kann in geometrischer Progression dadurch erstrahlbahn ausgerichtet angeordnet. 60 halten werden, daß eine Aufeinanderfolge von Ex-Über die Arbeitsweise dieser Vorrichtung genügt pandern vorgesehen wird. Im Abstand längs der es hier, folgendes zu sagen: Die Mitten der Ablenk- Strahlbahn hinausgehend über den Eingangskoppler elektroden 54 und 55 sind von den Anoden in einem 23 wäre dann zunächst ein erster Modulationsexpanvorbestimmten Abstand angeordnet, der einem Elek- der, der in gleicher Weise wie der zuvor beschriebene tronenlaufzeitwinkel (für die von dem Potentialniveau 65 ausgebildet und an den negativen Widerstandsgeneder Ablenkelektroden bestimmte Geschwindigkeit) rator50 gekoppelt ist. Zur Erzielung einer geomevon angenähert einer halben Periode bei der ge- irischen Progression der Dehnung wäre dann ein wünschten Frequenz entspricht. Im Betrieb sind die zweiter Modulationsexpander längs der Strahlbahn

zwischen dem ersten Expander und dem Ausgangskoppler26 im Abstand angeordnet. Der zweite Expander kann in allen Beziehungen mit dem ersten identisch ausgebildet sein und ist in gleicher Weise an einen negativen Widerstandsgenerator gekoppelt.

Wenn die Modulationsdehnung durch die Verwendung einer äußeren aktiven Vorrichtung wie in F i g. 2 erreicht wird, wird auch Rauschenergie von dieser Vorrichtung in den Elektronenstrahl gekoppelt, während die in der Belastung auftretende gesamte Rauschenergie infolge des Austausches zwischen Rauschenergiegehalt und Signalgehalt in dem Eingangskoppler 23 wesentlich vermindert werden kann. Es wird deshalb weiterhin erfindungsgemäß vorgeschlagen, die Modulation zu dehnen, ohne dazu eine äußere Quelle negativen Widerstandes zu benutzen. Zu diesem Zweck entwickelt der Expander einen negativen Widerstand in direkter Weise. Eine einfache Anordnung ist in F i g. 3 veranschaulicht.

In Fig. 3 enthält die Röhre 30c einen Eingangskoppler23, der hinsichtlich seiner Ausbildung identisch mit dem oben mit Bezug auf F i g. 2 beschriebenen Eingangskoppler sein kann und von einer Eingangssignalquelle 24 über eine Übertragungsleitung mit Signalenergie gespeist wird. Auch kann der Ausgangskoppler 26 so ausgebildet sein, wie zuvor mit Bezug auf F i g. 2 beschrieben wurde; dieser ist an eine Belastung über eine Leitung angekoppelt. Der Eingangskoppler 23 und der Ausgangskoppler 26 sind beide innerhalb eines Magnetfeldes angeordnet, das, wie zuvor beschrieben wurde, durch eine kontinuierliche Magnetspule, die die gesamte Röhre umgibt, oder durch eine Anzahl Magnetspulen, die einzeln um jeden Eingangskoppler angeordnet sind, erzeugt wird, wie durch die Pfeile H₁ und H₃ in F i g. 3 angegeben ist. Die Stärke des Feldes wird in diesem Fall so eingestellt, daß eine Zyklotronfrequenz der Elektronenbewegung entsteht, die gleich der Signalfrequenz ist. Bei Verwendung von getrennten Magnetspulen kann es zweckmäßig sein, verschiedene Feldstärken in dem Eingangskoppler 23 und dem Ausgangskoppler 26 zu verwenden, wenn für diese unterschiedliche Konstruktionen benutzt werden, wie im folgenden erläutert ist.

Zwischen dem Eingangskoppler 23 und dem Ausgangskoppler 26 erzeugt der Modulationsexpander 25 c eine effektive Rückstellkraft in direkter Weise an den Elektronen des Strahls. Um Verstärkung in dem Modulationsexpander zu erhalten, ist es naturgemäß erforderlich, in irgendeiner Form Energie zuzuliefern. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird diese Energie in einer Form zugeführt, welche die Übertragung von in der zugehörigen äußeren Energiequelle vorhandenen Rauschkomponenten auf den Strahl wenigstens für den Modulationsmodus, auf den der Ausgangskoppler 26 anspricht, auf ein Minimum verringert. Zu diesem Zweck wird die Elektronenverteilung bzw. das Rückstellkraftfeld innerhalb des Expanders periodisch in Phase mit der Elektronenbewegung geändert, um den Elektronen Energie zuzuführen. Dies wird dadurch erreicht, daß der Elektronenstrahl einem zeitlich veränderlichen, inhomogenen elektrischen Feld während seines Durchgangs durch den Modulationsexpander 25 c unterworfen wird.

Das inhomogene Feld kann in verschiedenartiger Weise hergestellt werden. In F i g. 3 wird ein inhomogenes Feld von einem Paar ungleich großer, konzentrisch angeordneter teilzylindrischer Elektroden 97 und 98 erzeugt, die auf gegenüberliegenden Seiten der Strahlbahn 21 angeordnet sind, wobei die Elektrode 97 bezüglich des Strahls konkav und die Elektrode 98 bezüglich des Strahls konvex gekrümmt ist. Die Elektrode 98 ist kleiner als die Elektrode 97, so daß ein zwischen den beiden Elektroden angelegtes Potential ein inhomogenes elektrisches Feld entwickelt, durch das die Strahlbahn verläuft. Vorzugs- weise wird die Länge (in Strahllänge gesehen) der Elektroden so gewählt, daß die Laufzeit der Elektronen durch den Expander 25 c gleich einem ganzzahligen Vielfachen von Perioden der Signalfrequenz ist. Zweckmäßigerweise ist die Länge gleich der Länge der Ablenkelektroden 31, 32 des Eingangskopplers 23.

Innerhalb des Expanders 25 c sind die Strahlelektronen einem Feld unterworfen, dessen Stärke ausreicht, um eine Rückstellkraft für die gewählte Elek-

ao tronenresonanzfrequenz (f_c) herzustellen. Das magnetische Rückstellfeld H₂ kann von einer das Rohr umgebenden Magnetspule geliefert werden. Für die veranschaulichte Ausführungsform ist es am zweckmäßigsten, eine einzelne Magnetspule zu verwenden, welche die gesamte Röhre umschließt, um auch die bereits erwähnten Elektronenresonanzfelder für den Eingangskoppler und den Ausgangskoppler zu bilden.

Die Energie, die für den Verstärkungsvorgang benötigt wird, wird von einem Pumpgenerator 99 geliefert, der ein Pumpsignal erzeugt, das eine von der Signalfrequenz unterschiedliche Frequenz hat. Die Pumpsignalenergie wird vom Pumpgenerator an die Elektroden 97 und 98 über ein Kopplungsnetzwerk 100 α gekoppelt. Die Elektrode 97 ist an die Übertragungsleitung 105 über eine Spule 106 und einen kleinen Kopplungskondensator 107 angeschlossen. Die Elektrode 98 ist in gleicher Weise mit der Übertragungsleitung 105 über eine Spule 108 und einen kleinen Kopplungskondensator 109 verbunden. Eine Spule 110 liegt zwischen Mittelabgriffen der Spulen 106 und 108, während ein Kondensator 111 zwischen die Enden der Spulen 106 und 108 geschaltet ist, die von den Elektroden 97 und 98 abgewandt sind.

Die Leitung 105 ist an den Pumpgenerator über einen Transformator 113 gekoppelt. Im Betrieb wird der längs der Bahn 21 laufende Elektronenstrahl zunächst in dem Eingangskoppler 23 mit dem zu verstärkenden Eingangssignal moduliert, wie zuvor beschrieben wurde, wodurch die Bahnen der Strahlelektronen aufspiralen. Die Elektronen treten dann in den Expander ein. Innerhalb des Expanders werden die Strahlelektronen dann einem elektrischen Wechselfeld unterworfen, dessen Frequenz oberhalb der Elektronenresonanzfrequenz (Zyklotronfrequenz) (/_e) liegt. Infolgedessen schwingt jedes Elektron um seine Durchschnittslage in einer solchen Phase, daß es sich zum Zeitpunkt maximaler Abweichung am nächsten jener felderzeugenden Elektrode 97 bzw. 98 befindet, die zu diesem Zeitpunkt negativ ist. In der Ausführungsform nach F i g. 3, bei der das Elektron im Expander einer spiralförmigen Bahn folgt (aufspiralende kleine Spulen) und die Frequenz des elektrischen Wechselfeldes oberhalb der durch das Rückstellkraftfeld H₂ erzeugten Zyklotronfrequenz liegt, befindet sich das Elektron zu einem Zeitpunkt, zu dem die Elektrode 98 am stärksten negativ und die Elektrode 97 am stärksten positiv

13 14

ist, am nächsten der Elektrode 98. Wenn das elek- Einer der Resonanzmodi des Netzwerks 100 a wird

trische Wechselfeld zwischen den Elektroden 97 und von der Spule 110 zusammen mit dem Kondensator 98 homogen wäre, würden die auf das Elektron wir- 111 und der Durchschnittskapazität der Elektroden kenden Kräfte sich auf einen Durchschnittswert für 97 und 98 bestimmt. Diese Elemente bilden einen jede volle Periode ausgleichen. Jedoch sind in dem 5 Parallelresonanzkreis bei der Differenzfrequenz /₂. erfindungsgemäß verwendeten inhomogenen elektri- Gleichzeitig bilden die Induktivitätsspulen 106 und sehen Wechselfeld die auf das Elektron wirkenden 108 zusammen mit der Durchschnittskapazität der Kräfte bei einer extremen Abweichung stärker als Elektroden und dem Kondensator 111 vorzugsweise bei den anderen Abweichungen. Infolgedessen ist einen Reihenresonanzkreis bei der Pumpsignaldie auf jedes Elektron über eine volle Periode hin- io frequenz/₃. Das Eingangssignal von der Quelle 24 weg wirkende Durchschnittskraft ungleich Null. Die hat eine als Z₁ bezeichnete Frequenz, die in dem vorrücktreibende Kraft der Elektrode 98, die während liegenden Fall auch die von dem Magnetfeld H₂ erder Zeit ausgeübt wird, während der sich das Elek- zeugte Zyklotronfrequenz ist. tron näher an dieser Elektrode befindet, überwiegt Die zwischen den Expanderelektroden 97 und 98

die schwächere von der Elektrode 97 ausgeübte 15 auftretende Spannung besteht somit in der Hauptrücktreibende Kraft. Als Folge davon entsteht eine sache aus zwei Komponenten, nämlich einer Komeinseitige Kraft, die das Elektron in Richtung der ponente der Pumpfrequenz f₃ und einer Komponente Elektrode 97 treibt. der Differenzfrequenz f₂ = /₃ — f_v Wenn das Ein-

Da sich die Elektronen nahe der negativen Elek- gangssignal Z₁ schwach gegen das Pumpsignal /₃ ist, trode immer dann befinden, wenn das dadurch ent- 20 ist auch die Komponente der Differenzfrequenz wickelte Feld einen Scheitelwert hat, besteht der f₂ = f₃ — J₁ schwach gegen die Pumpfrequenzkom-Summierungseffekt einer großen Anzahl von in dem ponente, so daß es zulässig ist, die beiden Konfpo-FeId schwingenden Elektronen darin, die Aufladung nenten als ein Pumpfrequenzsignal darzustellen, das der Elektroden 97 und 98 aus der äußeren Wechsel- mit der Signalfrequenz f_t sowohl amplitudenmoduliert Spannungsquelle, den Pumpgenerator 99, zu behin- 25 als auch phasenmoduliert ist.

dem. Dies ist einer Verminderung der Kapazität zwi- Eine Zergliederung der in dem Expander auftre-

schen den Elektroden 97 und 98 gleichwertig. Bei tenden Phasenbeziehungen zeigt, daß die Pumpeinem homogenen Feld würde eine solche Kapazi- frequenzkomponente und die Differenzfrequenzkomtätsverminderung von der Strahlposition unabhängig ponente additive Phasenbeziehung während der Zeil sein. Bei einem inhomogenen Feld nach der Erfin- 30 haben, während der sich die Elektronen in dem dung wird jedoch die Kapazitätsverminderung um Strahl von der Elektrode 98 zu der Elektrode 97 so größer, je näher sich die durchschnittliche Strahl- bewegen. In gleicher Weise befinden sich die Pumpposition der Elektrode 98 befindet. Dies erfolgt, weil und Differenzfrequenzkomponenten in subtraktiver das an diese Elektrode angrenzende stärkere Feld Phasenbeziehung, wenn sich die Elektronen in dem den Strahl fester an diese Elektrode und an das mit 35 Strahl in der entgegengesetzten Richtung bewegen, dieser Elektrode verbundene Kopplungsnetzwerk Als Folge davon ist die einseitige Kraft von der Elekkoppelt. trode 98, die die Strahlelektronen zurücktreibt, stär-

Die Existenz des inhomogenen elektrischen ker, wenn sich die Strahlelektronen von dieser Elek-Wechselfeldes, durch welches sich der Elektronen- trode wegbewegen, als wenn sie sich zu dieser Elekstrahl bewegt und dessen Frequenz oberhalb der 40 trode hinbewegen. Infolgedessen wird die Drehbewe-Zyklotronfrequenz liegt, bedingt so eine einseitig auf gung der Strahlelektronen bei der Signalfrequenz verden Strahl wirkende transversale Kraft, wobei irgend- größert; die zusätzliche Amplitude der Elektroneneine Querbewegung der Strahlelektronen eine Kapa- bewegung, die von dem Demodulator angezeigt wird, zitätsänderung zwischen den Elektroden 97 und 98 stellt den verstärkten Signalanteil dar. bewirkt. 45 Um die erhaltenen Grundsätze noch besser ver-

Entsprechend dem Eingangssignal von der Quelle ständlich zu machen, ist es nützlich, die Arbeitsweise 24 dreht sich der in den Expander 25 c eintretende noch von einem etwas anderen Gesichtspunkt aus Strahl mit der Signalfrequenz und einer bestimmten zu untersuchen. Unter dem Einfluß des von den Amplitude. Wie erklärt wurde, ändert diese Strahl- Elektroden 97 und 98 entwickelten Pumpfrequenzbewegung die Kapazität zwischen den Expander- 50 feldes werden Elektronen in dem Strahl gezwungen, elektroden mit einer Geschwindigkeit, die der Signal- bei der Pumpfrequenz mit einer zu dem Pumpfeld frequenz entspricht. Die entstehende periodische An- proportionalen Amplitude zu schwingen. Das heißt, derung der kapazitiven Reaktanz verursacht eine die Strahlelektronen, die sich bereits längs einer Phasenmodulation des Pumpsignalstroms, der den Bahn mit einer die Eingangssignalmodulation dar-Expanderelektroden über das Netzwerk 100« züge- 55 stellenden Bewegung bewegen, werden veranlaßt, um führt wird. In bekannter Weise kann der phasen- diese Bahn zu schwingen. Da das Pumpfeld inhomomodulierte Pumpsignalstrom so dargestellt werden, gen und daher nahe der Elektrode 98 starter ist, als ob er aus der ursprünglichen unmodulierten haben die Schwingungen der Strahlelektronen der Pumpsignalkomponente und zwei Seitenbandkompo- Pumpfrequenz größere Amplitude, wenn sich der nenten bei der Summen- und der Differenzfrequenz 60 Strahl näher an der Elektrode 98 befindet, als wenn der Eingangssignal- und der Pumpsignalfrequenz be- er näher an der Elektrode 97 verläuft. In dem vorsteht. In dem vorliegenden Beispiel wird eine der liegenden Beispiel, bei dem der Strahl in den Expan-Resonanzfrequenzen des Netzwerks 100 a so abge- der mit einer Querbewegung entsprechend der Signalstimmt, daß sie mit dieser Differenzfrequenz zusam- frequenz eintritt, bringt diese Bewegung die Elekmenfällt. Infolgedessen wird die Differenzfrequenz- 65 tronen abwechselnd näher an die Elektrode 98 und komponente wesentlich verstärkt, während die Sum- dann an die Elektrode 97. Infolge des stärkeren menfrequenzkomponente auf ein Minimum verringert Pumpfeldes in der Nähe der Elektrode 98 werden wird und vernachlässigt werden kann. die quasi mit der Pumpfrequenz erfolgenden Schwin-

15 16

gungen der Strahlelektronen mit der Signalfrequenz sens, die sich mit Perioden exponentiellen Abnehamplitudenmoduliert. mens abwechseln. Der zeitliche Durchschnitt der

Ein sich in Querrichtung bewegender Elektronen- Bahnradien, nach dem Durchlaufen des Expanders, strahl kann so betrachtet werden, als wenn er einen ist dann aber immer größer als der Radius beim quer zu dem Expander fließenden Strom darstellt, 5 Eintritt in den Expander, da das exponentiell An- und zwar in diesem Beispiel einen Strom zwischen wachsen das exponentiell Abnehmen überwiegt,
den Elektroden 97 und 98. Dieser Strom enthält alle In dem speziellen erwähnten Fall, bei dem sich

Komponenten der Elektronenbewegung. Da die mit die Pumpfrequenz der doppelten Signalfrequenz ander Pumpfrequenz erfolgende Elektronenbewegung nähert, ist eine Resonanz des Netzwerks 100 a bei mit der Signalfrequenz amplitudenmoduliert ist, ent- io der Differenzfrequenz nicht erforderlich, da diese hält diese Bewegung Seitenbänder bei der Summen- Funktion von dem Elektronenstrahl selbst übernom- und der Differenzfrequenz. Die Elektronenbewe- men wird, der dann Resonanzbewegung in dem gungskomponente bei der Differenzfrequenz induziert Rückstellkraftfeld ausführen kann. Verstärkung kann eine Spannung in dem Netzwerk 100 a, das bei dieser also in dem Expander durch Speisung der Elektro-Differenzfrequenz in Resonanz ist. 15 den 97 und 98 bei beliebiger Frequenz erhalten wer-

Wie oben schon erwähnt wurde, ergibt das Auf- den. Nur wenn die Pumpfrequenz zu weit von der treten dieser Spannung eine Amplitudenmodulation doppelten Signalfrequenz abweicht, so daß die Elekder Pumpfrequenzspannung und bewirkt eine Kraft, tronenresonanz des Strahls sich nicht mehr als Basis welche die Querbewegung der Strahlelektronen bei der Differenzfrequenz verwenden läßt, muß ein der Signalfrequenz vergrößert. Es ist im besonderen 20 äußerer abgestimmter Stromkreis, wie beispielsweise zu bemerken, daß die der Differenzfrequenz/₂ ent- das Kopplungsnetzwerk 100 a, vorgesehen werden, sprechende Komponente der Elektronenbewegung das bei der Differenzfrequenz in Resonanz gelangt, auch dann existiert, wenn das Netzwerk 100 α nicht Bei einer Pumpfrequenz, die angenähert doppelt

auf diese Frequenz abgestimmt ist. Dieser Faktor so groß wie die Signalfrequenz ist, kann das Kopphat spezielle Bedeutung in einer besonderen Anwen- 25 lungsnetzwerk vereinfacht werden. Beispielsweise dungsform der Erfindung, bei der die Pumpfrequenz kann dann in Fig. 3 das Netzwerk 100α durch das gleich der doppelten Signalfrequenz ist. Kopplungsnetzwerk 100 b gemäß F i g. 4 ersetzt wer-

In diesem speziellen Fall ergibt die Amplituden- den. Das Netzwerk 100 b enthält eine Spule 114, die modulation des Pumpsignals durch das Eingangs- zwischen die Elektroden 97 und 98 geschaltet ist. signal eine Differenzfrequenz, die gleich der Signal- 30 Der Pumpgenerator 99, der in diesem Fall ein Signal frequenz ist. Wie gerade erklärt wurde, existiert die einer Frequenz liefert, die angenähert doppelt so Differenzfrequenz tatsächlich als eine Komponente groß wie die Frequenz des Eingangssignals ist, ist der Elektronenbewegung. Da das Rückstellkraftfeld an die Spule 114 mittels einer Übertragungsleitung H.> effektiv eine Resonanzverteilung bei der Signal- 115 angeschlossen, die von dem Zwischenteil der frequenz liefert, tritt dann also auch Elektronen- 35 Induktionsspule abgeht, um die Impedanz des resonanz für die Elektronenbewegungskomponente Pumpgenerators 99 an die von den Expanderelektrobei der Differenzfrequenz auf. Wenn diese beiden den 97, 98 gebildete Impedanz anzupassen. Die Spule Frequenzen gleich sind, können diese beiden Bewe- 114 hat eine solche Induktivität, daß sie mit der gungen nicht unterschieden werden. Durchschnittskapazität der Elektroden 97 und 98

Abhängig von der Phasenbeziehung zwischen der 40 einen Parallelresonanzkreis bildet, der auf die Pumpfrequenzkomponente und der Signalfrequenz- Pumpfrequenz abgestimmt ist.

komponente kann die Differenzfrequenzkomponente Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung

gleichphasig (in Phase) oder phasenverschoben ist in F i g. 5 dargestellt. Wie in F i g. 3 sind nur (außer Phase) zu der Signalfrequenzkomponente sein. der Eingangskoppler und der Ausgangskoppler sowie Wenn die Differenzfrequenzkomponente zur Signal- 45 der Expander der Röhre 30 d dargestellt. In diesem frequenzkornponente in Phase ist, wird die Signal- Beispiel sind der Eingangskoppler 23 und der Ausfrequenzkomponente der Bewegung der Strahl- gangskoppler 26 der Röhre 30 d im wesentlichen so elektronen vergrößert. Wenn sie außer Phase ist, ausgebildet, wie der Eingangskoppler und der Auswird die Signalfrequenzkomponente der Bewegung gangskoppler in Fig. 3. Um die Anpassung zu erder Strahlelektronen verkleinert. Eine ausführliche 50 leichtern, werden Spulen 96 α und 96 b zwischen die mathematische Zergliederung der entstehenden Elek- Ablenkplatten des Eingangskopplers 23 bzw. Austronenbewegungen zeigt, daß eine exponentiell Zu- gangskopplers 26 wie in F i g. 2 a und 2 b geschaltet, nähme oder Abnahme des Bahnradius in den beiden Die Spulen 96 α und 96 b haben daher einen Induk-Fällen auftritt. tivitätswert, der zusammen mit der zwischen den

Obgleich es den Anschein haben kann, als ob es 55 Ablenkelektroden vorhandenen Kapazität die resulzur Erzielung einer Verstärkung notwendig sein tierenden Parallelresonanzkreise auf die Signalwürde, daß die Pumpfrequenz genau gleich der dop- frequenz abstimmt.

pelten Signalfrequenz und von gleicher Phase sein In der Einrichtung nach F i g. 5 wird das inhomo-

müßte, ist gefunden worden, daß auch dann eine gene elektrische Feld in dem Expander 25 d durch Verstärkung erhalten werden kann, wenn beträcht- 60 das abwechselnde Anlegen entgegengesetzter Potenliche Abweichung von diesen Bedingungen vorliegt. tiale an Leiter 103, die parallel zu dem Strahl und Dies wird durch die Feststellung verständlich, daß in einer Ebene längs einer Seite des Strahls angedie Pumpfrequenz, wenn sie nicht genau gleich der ordnet sind, erzeugt. Auf der Seite des Strahls, die doppelten Signalfrequenz ist, abwechselnd gut in den Leitern 103 gegenüberliegt, befindet sich eine Phase und etwas außer Phase mit der Signalfrequenz- 65 Plattenelektrode 104. Die axiale Länge der Leiter komponente der Bewegung der Strahlelektronen ist. 103 und der Elektrode 104 ist derart, daß während Infolgedessen verläuft der Bahnradius des Elektro- des Durchgangs eines bestimmten Elektrons mehrere nenstrahls durch Perioden exponentiellen Anwach- Perioden der Strahlmodulation zwischen diesen auf-

909 528/188

treten. Vorzugsweise, ist die Länge so ausgewählt, daß die Laufzeit der Elektronen durch den Expander einem ganzzahligen Vielfachen der Periodendauer der Signalfrequenz entspricht. Länge und Breite der Leiterschar 103 und der Elektrode 104 können mit den Abmessungen der Ablenkelektroden des Eingangskopplers 23 bzw. des Ausgangskopplers 26 identisch sein. Der Raum zwischen den Leitern 103 und der Elektrode 104, durch den der Elektronenstrahl verläuft, ist einem Magnetfeld unterworfen, das mit dem Pfeil H₂ bezeichnet ist und eine Stärke hat, welche die gewünschte Elektronenresonanzfrequenz f_c herstellt.

Wie in der Einrichtung nach Fig. 3 wird die Pumpsignalenergie dem Expander von einem Pumpgenerator 99 α zugeführt. In diesem Beispiel ist ein Netzwerk 100 c zwischen die Leiter 103 gekoppelt. Die Elemente, welche das Netzwerk 100 c bilden, sind in der für das Netzwerk 100 a beschriebenen Weise angeschlossen und in F i g. 5 durch entsprechende Bezugszeichen mit dem Zusatz »α« bezeichnet. Somit bildet die Spule 110 a zusammen mit dem Kondensator lila und der Zwischenleiterkapazität einen Resonanzkreis mit der Differenzfrequenz /₂. Die Spulen 106 a und 108 a bilden zusammen mit der Zwischenleiterkapazität und dem Kondensator lila einen Reihenresonanzkreis bei der Pumpfrequenz/₃.

Die Arbeitsweise der in F i g. 5 dargestellten Einrichtung folgt der oben für die F i g. 3 gegebenen Erklärung. In diesem Beispiel wird das inhomogene Feld zwischen den gegenphasig erregten Leitern 103 erzeugt, wobei das Feld sich quer zu der Strahlbahn 21 erstreckt. Zusätzlich zu der schon erwähnten Wirkung bewirkt das durch die Leiter 103 erzeugte Feld auch noch eine resultierende rücktreibende Kraft auf den Elektronenstrahl. Um diesem Vorgang entgegenzuwirken und den Strahl zwischen den Leitern 103 und der Elektrode 104 zentriert zu halten, kann ein in entgegengesetzter Richtung wirkendes Gleichpotential von einer nicht dargestellten Quelle an die Elektrode 104 angelegt werden.

In der zuvor erläuterten Weise erzeugt die Komponente der Elektronenbewegung bei der Differenzfrequenz eine Spannung in dem Netzwerk 100 c, wobei die Spannungsamplitude die Steuer- oder Antriebsspannung mit dem Ergebnis moduliert, daß eine Kraft entsteht, welche die Querbewegung des Strahls bei der Signalfrequenz vergrößert. Mit Eingangsmodulatorelementen der veranschaulichten Bauart wird die dem Elektronenstrahl gegebene Bahnbewegung auf diese Weise in dem Expander einer Vergrößerung des Bahnradius unterworfen. Es wird bemerkt, daß das Arbeitsprinzip der Einrichtung nach F i g. 5 vollständig dem Arbeitsprinzip der Einrichtung nach Fig. 3 entspricht. Der einzige wesentliehe Unterschied ist die Art und Weise, in der das inhomogene elektrische Feld erzeugt wird, d. h., der Unterschied liegt im wesentlichen nur in der angewandten speziellen Expanderelektrodenkonstruktion.

Wie zuvor, ist es auch hier nicht erforderlich, daß das Netzwerk 100 c bei der Differenzfrequenz in Resonanz gelangt, da diese Funktion von dem Elektronenstrahl selbst ausgeübt werden kann. Infolgedessen kann das Kopplungsnetzwerk 100c in Fig. 5 durch das Kopplungsnetzwerk 100& der Fig. 4 ersetzt werden.

Es können auch andere Strahlwechselwirkungsvorrichtungen für den Eingangskoppler und den Ausgangskoppler sowie für den Expander verwendet werden. Es können auch Konstruktionsänderungen vorgenommen werden, die sich auf die Beziehungen zwischen Signalfrequenz, Elektronenresonanzfrequenz und Phasengeschwindigkeit stützen, wie ausführlich in dem vorgenannten Artikel erläutert ist. Die Arbeitsbedingung, bei der die Elektronenresonanzfrequenz gleich der Eingangssignalfrequenz ist, ist durch unendliche Phasengeschwindigkeit der schnellen Welle gekennzeichnet. Jedoch ist, wenn die Signalfrequenz höher als die Elektronenresonanzfrequenz ist, die schnelle Elektronenwelle vorwärts gerichtet und wandert mit endlicher Geschwindigkeit, wenn auch schneller als der Strahl. Andererseits wandert die schnelle Elektronenwelle mit endlicher Geschwindigkeit rückwärts, wenn die Elektronenresonanzfrequenz höher als die Signalfrequenz ist. Punktförmig verteilte oder konzentrierte Konstruktionen, wie beispielsweise die oben beschriebenen Ablenk- und Aufnahmeelektroden, legen ein Signal gleichzeitig über eine endliche Länge an und sind infolgedessen für die Bedingung unendlicher Phasengeschwindigkeit am besten geeignet. Übertragungsleitungskonstruktionen können andererseits für jede endliche Phasengeschwindigkeit, vorwärts oder rückwärts, entwickelt werden. Energieaustausch zwischen Signal und Rauschen tritt zwischen der Welle der Übertragungsleitung und der schnellen Elektronenwelle auf, wie in der Einleitung beschrieben wurde. Nach einer bestimmten Lauflänge längs der Übertragungsleitung ist der Austausch beendet. Ein Übertragungsleitungskoppler, wie er in F i g. 6 veranschaulicht ist, ist daher zur Verwendung in dem Eingangskoppler oder Ausgangskoppler unter Bedingungen geeignet, bei denen die Signalfrequenz und die Elektronenresonanzfrequenz ungleich sind. Die in Fig. 6 dargestellte Konstruktion eines Eingangskopplers 23' enthält wendeiförmige Leiter, die auf gegenüberliegenden Seiten der Strahlbahn angeordnet sind. Zwei Isolierstoffplatten 117 sind auf gegenüberliegenden Seiten der Strahlbahn angeordnet, wobei jede Platte 117 eine Wendelwicklung 118 trägt.

Im Betrieb kann die Eingangssignalquelle 24 bzw. die Belastung 27 (vgl. Fi g. 1) an die beiden Wicklungen 118 am einen Ende der Konstruktion angeschlossen werden. An dem anderen Ende können die Wicklungen elektrisch durch einen Widerstand abgeschlossen werden, der gleich dem Wellenwiderstand des Kopplers 118 ist. Jedoch ist gefunden worden, daß dieser Abschluß nicht kritisch ist.

Unter einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung, der sich auf die schnelle Elektronenwellenbedingung des Betriebes bezieht, werden die Eigenschaften des Systems zur Beseitigung des Rauschens noch weiter gesteigert. Wenn das Verhältnis der Elektronenresonanzfrequenz zu der Signalfrequenz kleiner als Eins ist, ist die schnelle Welle eine sich vorwärts bewegende Welle. Wenn dieses Verhältnis größer als Eins ist, ergibt sich eine sich rückwärts bewegende Elektronenwelle. »Vorwärts« bezieht sich auf die Richtung der Elektronenbewegung längs der Strahlbahn (Strahlrichtung).

Wenn die Pumpfrequenz des Modulationsexpanders eine solche Beziehung zu der angelegten Signalfrequenz hat, daß sich die im Expander auftretende Differenzwelle rückwärts bewegt, ist ein zusätzlicher Koppler, der als Dämpfungselement zur Unterdrückung der Differenzwelle dient, längs der Strahl-

bahn angeordnet. Dieses Dämpfungselement ist in Form einer Übertragungsleitung ausgebildet, die sich zwischen dem Strahlerzeugungssystem und dem Expander vorzugsweise auf der Strahlerzeugungsseite des Eingangskopplers befindet. Dieses Dämpfungselement hat eine Ausbreitungsgeschwindigkeit, die gleich der Phasengeschwindigkeit der Differenzwelle ist, und muß nur ausreichende Länge haben, um diese Welle in dem gewünschten Ausmaß zu dämpfen.

In einer anderen Anordnung, bei der die Resonanzfrequenz des Strahls die Frequenz des zu verstärkenden Signals überschreitet, ist die Signalwelle, die in dem Strahl infolge Wechselwirkung des angelegten Signals mit dem Strahl entsteht, eine sich rückwärts bewegende schnelle Elektronenwelle. In diesem Fall wird die Modulation des Strahls mittels eines Kopplers erreicht, der wiederum in Form einer längs der Strahlbahn angeordneten Übertragungsleitung ausgebildet ist, eine Ausbreitungsgeschwindigkeit hat, die im wesentlichen gleich der Phasengeschwindigkeit der ao schnellen Elektronenwelle ist, und eine Länge aufweist, die so gewählt ist, daß der gewünschte Energieübertragungsgrad von dem Eingangskoppler an den Strahl erzielt wird. Vorzugsweise ist das näher an der Elektronenstrahlquelle liegende Ende der Übertragungsleitung mit ihrem Wellenwiderstand abgeschlossen und das entgegengesetzte Ende der Übertragungsleitung mit der Eingangssignalquelle verbunden.

Gemäß einem weiteren Merkmal stehen die Elektronenresonanzfrequenz und die Pumpfrequenz, die für den Modulationsexpander kennzeichnend sind, in solcher Beziehung zu der Eingangssignalfrequenz, daß die der Signalfrequenz und der Differenzfrequenz entsprechenden Elektronenwellen des Strahls sich in entgegengesetzter Richtung, jedoch mit der gleichen Phasengeschwindigkeit bewegen. Unter diesen Umständen kann der Eingangskoppler wiederum die Form einer Übertragungsleitung annehmen, die längs der Strahlbahn angeordnet ist und eine Ausbreitungsgeschwindigkeit hat, die gleich der Phasengeschwin- digkeit der schnellen Elektronenwelle ist. Sie ist an einem Ende mit ihrem Wellenwiderstand abgeschlossen und an ihrem entgegengesetzten Ende an die Eingangssignalquelle angekoppelt. Außerdem ist sie so ausgebildet, daß sie eine elektrische Länge hat, die einem ungeraden ganzzahligen Vielfachen von Viertelwellenlängen der sich vorwärts bewegenden schnellen Elektronenwellen entspricht. Diese Konstruktion ermöglicht zwei Arten von Signal- und Rauschenergieaustausch mit dem Elektronenstrahl. Der Austausch mit Bezug auf die sich vorwärts bewegende schnelle Elektronenwelle ist für optimalen Betrieb von einer vorbestimmten Länge des Kopplers als Funktion der Wechselwirkungswellenlänge abhängig, jedoch mit Bezug auf die sich rückwärts bewegende schnelle Elektronenwelle von der Wechselwirkungswellenlänge unabhängig.

Die vorgenannten Eingangskoppler können die Form irgendeiner der verschiedenen bekannten Übertragungskonstruktionen annehmen. Beispielsweise kann eine geeignete symmetrische Übertragungsleitung verwendet werden, wie sie in F i g. 6 dargestellt ist, wobei die Übertragungsleitung in diesem Beispiel eine Ausbreitungskonstante hat, die in der oben erörterten Weise zugeteilt ist.

In manchen Fällen ist es (im besonderen mit Bezug auf die Verwendung eines zusätzlichen Kopplers) zum Entziehen von unerwünschten, rückwärts laufenden, schnellen Elektronenwellenkomponenten zweckmäßig, die Übertragungsleitung so auszubilden, daß sie mäßige Verluste hat, damit die Toleranzen ihrer Kennwerte vermindert werden können. Dies wird durch geeignete Auswahl des dielektrischen Stoffs erreicht, aus dem die Tragteile hergestellt werden, durch die Verwendung von Draht dünnen Durchmessers für die Wicklungen und durch getrennte Widerstandsoder Konduktanzmittel.

Es wird bemerkt, daß die Eingangskoppler dazu benutzt werden können, irgendeine im Strahl enthaltene unerwünschte Signalkomponente herauszusieben oder zu unterdrücken, und zwar auch solche Komponenten, die in Form von vorwärts laufenden schnellen Elektronenwellen vorhanden sind, ausgenommen, wenn in diesem Fall die Übertragungsleitung im allgemeinen dämpfend wirken muß. Naturgemäß drücken die Dämpfungseigenschaften einer solchen Übertragungsleitung, obgleich sie das Strahlrauschen absorbieren, dem Strahl gleichzeitig irgendein Rauschen der Leistung auf. Dieses muß daher durch den Eingangssignalkoppler entfernt werden, nachdem es das Rauschdämpfungselement verlassen hat. Jedoch erfolgt jeder solche Rauschbeitrag von der Übertragungsleitung bei Raumtemperatur und ist somit viel geringer als das Elektronenstrahlrauschen, das im allgemeinen einer viel höheren Rauschtemperatur entspricht.

Zur Vermeidung von Unklarheiten wird bemerkt, daß sich der Hinweis auf vorwärts und rückwärts laufende schnelle Elektronenwellen auf die Elektronenwellenbewegung im Strahl bezieht.

Mit Bezug auf den Expander arbeiten die dargestellten Ausführungsformen der äußeren abgestimmten Kreise (Netzwerk) am besten unter der Bedingung unendlicher Phasengeschwindigkeit. Obgleich der Expander zwecks Wechselwirkung bei endlichen Phasengeschwindigkeiten entwickelt werden kann, ist eine solche Konstruktion etwas komplizierter. Aus diesem Grunde wird auch vorgeschlagen, erforderlichenfalls verschiedene Magnetfelder für den Eingangskoppler, Ausgangskoppler und Expander zu verwenden, wodurch die Anwendung von Kombinationen von Wechselwirkungsvorrichtungen mit endlicher und unendlicher Phasengeschwindigkeit ermöglicht wird. Beispielsweise kann die Signalfrequenz in einem Expander mit unendlicher Phasengeschwindigkeit gleich der Zyklotronfrequenz gemacht werden, jedoch nicht in einem Eingangskoppler oder Ausgangskoppler, mit endlicher Phasengeschwindigkeit. Ein Expander der einfacheren Ausführungsform, bei dem die Pumpfrequenz angenähert die doppelte Elektronenresonanzfrequenz ist und bei dem kein zusätzlicher abgestimmter Kreis verwendet wird, verlangt nicht den Zustand unendlicher Phasengeschwindigkeit, da bei diesem Expandertyp jedes Elektron behandelt wird, so daß die Phasengeschwindigkeit keine Rolle spielt. Infolgedessen umfaßt eine sehr nützliche Kombination der verschiedenen oben beschriebenen Einrichtungen einen Eingangskoppler und einen Ausgangskoppler, die beide mit endlicher Phasengeschwindigkeit arbeiten, zusammen mit einem Expander in der einfachen Ablenkelektrodenbauart. Es wird daher vorgeschlagen, den Expander 25 c nach F i g. 3 mit einem Wendelkoppler nach F i g. 6 zu verwenden, der als Eingangskoppler dient, zusammen mit einem gleichartigen Wendelkoppler, der als Ausgangskoppler dient. Das Magnetfeld für diese

21 22

Anordnung ist für alle drei Abschnitte gleich groß, der Erfindung dieses Feld periodisch mit einer Ge- und das Pumpsignal hat angenähert die doppelte schwindigkeit geändert wird, die mit der Signal-Zyklotronfrequenz. In dieser Verstärkervorrichtung bewegung der Elektronen in Wechselbeziehung kann die Zyklotronfrequenz entweder wesentlich steht, um der Signalbewegung zusätzliche Energie kleiner oder wesentlich größer sein als die Signal- 5 zuzuführen. In den beschriebenen Beispielen ist dies frequenz. Die beiden Fälle stellen die Verwendbar- dadurch erreicht worden, daß der signalmodulierte keit bei hohen bzw. niedrigen Frequenzen dar. Strahl durch eine Konstruktion läuft, die ein inhomo-

Wenn der Expander für endliche Phasengeschwin- genes Feld herstellt. Eine Untersuchung der Wirkung digkeit entwickelt ist, ist die optimale Pumpfrequenz eines solchen Feldes dient dazu, vielleicht deutlicher nicht mehr gleich der doppelten Elektronenresonanz/ io die Natur des in den erörterten Vorrichtungen auf-Zyklotronfrequenz. Eine andere Pumpfrequenz ist tretenden Vorgangs sowie auch die große Verschievorhanden, bei der die sich bewegenden Elektronen denartigkeit anderer Konstruktionen zu veranschauein Pumpsignalfeld bei der doppelten Elektronen- liehen, die angewandt werden können, um die Signalresonanzfreqenz »sehen«. Um die an den mit energie gemäß den Grundsätzen der Erfindung zu endlicher Phasengeschwindigkeit arbeitenden Ex- 15 verstärken.

pander anzulegende geeignete Frequenz zu be- Wenn ein Potential zwischen die Elektroden 97

stimmen, wird der von der Relativbewegung der und 98 in F i g. 3 gebracht wird, wird ein fächer-Elektronen und der längs des Expanders fortschrei- förmiges elektrisches Feld zwischen den beiden Elektenden Welle verursachte Dopplereffekt in Betracht troden erzeugt. In denjenigen Ausführungsformen gezogen, so daß die Anzahl von inhomogenen Feld- ao der Erfindung, in denen statt eines auf die Differenzumkehrungen, die ein Elektron erfährt, angenähert frequenz /₂ abgestimmten äußeren Kreises das Netzvier während einer Elektronenresonanzperiode be- werk 100 b nach F i g. 4 benutzt wird, betrifft das trägt. Verfahren der parametrischen Verstärkung haupt-

Es kann auch bemerkt werden, daß in den Fällen, sächlich die Entwicklung von Kräften mit geeigneter in denen die Beseitigung des Rauschens keine Be- 25 Phase auf einzelne Elektronen des Strahls, im Gegendeutung hat, einfache Spalte, wie punktförmig ver- satz zu einem Vorgang, der als eine auf den Strahl teilte oder konzentrierte Ablenkelektroden mit sehr als Ganzes gerichtete Maßnahme betrachtet werden kurzer Abmessung in Richtung der Elektronenbahn, kann. Natürlich sind alle Elektronen in dem Strahl für den Eingangskoppler und Ausgangskoppler ver- bestimmten der beschriebenen Effekte unterworfen, wendet werden können. Andererseits ist es bekannt, 30 Jedoch zeigt die Rechnung, daß solche Effekte, die zwischen der langsamen und der schnellen Elek- geeignete Phase haben, um vergrößerte Signalbewetronenwelle dadurch zu unterscheiden, daß Paare gung aufzudrücken, exponentielle Verstärkung hersolcher Spalte verwendet werden, die hinsichtlich vorrufen, während solche Effekte mit einer Phase, Anbringungsort in Abstand und mit Bezug auf die welche die Signalbewegung vermindet, exponentielle Elektronenbewegung derart angeordnet sind, daß die 35 Dämpfung erzeugen. Das Nutzresultat bei Anwenunerwünschte Welle aufgehoben wird. Eingangskopp- dung auf alle Elektronen in dem Strahl ergibt verier und Ausgangskoppler, die solche Spaltkombi- größerte Bewegung und somit Verstärkung. Da somit nationen umfassen, können benutzt werden, um die die Wirkungen auf ein eine geeignete Phase aufweivollen Vorteile der Erfindung zu erreichen. Anderer- sendes einzelnes Elektron von größtem Interesse sind, seits ist zu bemerken, daß die Expander nicht auf 40 wird die Existenz eines einzelnen Elektrons in zendie Verwendung mit Eingangskoppler und/oder Aus- traler Lage zwischen den Elektroden 97, 98 angegangskoppler begrenzt sind, die besonders niedrige nommen.

Rauschkennwerte haben. Im Gegenteil finden die Die Kräfte, die auf das Elektron durch das inbevorzugten Expander mannigfache vorteilhafte An- homogene Feld ausgeübt werden, können zweckwendung, unabhängig von den Ausführungsformen 45 mäßigerweise dadurch dargestellt werden, daß das der verwendeten Eingangskoppler und Ausgangs- Feld als Summe eines homogenen Feldes und eines koppler, und Verstärkung der Elektronenbewegung inhomogenen Feldes angesehen wird. Als Bezugsist in dem Expander sowohl bei Wechselwirkung punkt diene in diesem Beispiel die statische Anfangsmit der schnellen als auch bei Wechselwirkung mit stellung eines angenommenen Elektrons. Zur Verder langsamen Elektronenwelle erzielbar. Alle diese 5° deutlichung wird eine Linie, die horizontal zwischen bevorzugten Expander sind parametrische Verstärker- den Mitten der Elektroden gezogen ist, als die vorrichtungen. In jedem Fall wird mindestens ein Z-Achse bezeichnet, und die zuerst betrachteten Parameter periodisch geändert, und bei abschließen- Wirkungen sind die der Vorwärts- und Rückwärtsder Analyse ist der Parameter, der geändert wird, bewegung des Elektrons längs dieser Achse quer zu eine solche veränderliche Größe, die direkt auf den 55 einer senkrechten F-Achse durch den Bezugspunkt. Strahl wirkt, um eine Rückstellkraft zu erzeugen, Das Feld am Bezugspunkt stellt ein homogenes

obgleich andere Parameter, wie z. B. eine Kapazität, Feld einer bestimmten Stärke dar. Das Feld zu beigleichzeitig geändert werden können, um die Arbeits- den Seiten des Bezugspunktes längs der X-Achse weise der Vorrichtung zu realisieren. Die größten besteht aus der Summe dieses homogenen Feldes und Vorteile werden gewöhnlich durch die Anwendung 60 eines Feldes, welches die Differenz zwischen dem der Schnellwellenwechselwirkung in jedem Abschnitt homogenen Feld und dem tatsächlichen, zwischen der erfindungsgemäßen Verstärkervorrichtung erhal- den Elektroden entwickelten Feld ist. ten, der so ausgebildet ist, daß die Rauschbeseiti- Hinsichtlich der inhomogenen Komponente des

gungseigenschaft des Erfindungsprinzips optimal aus- tatsächlichen Feldes und unter der Annahme einer genutzt wird. 65 positiven Polarität an der Elektrode 97 und einer

Es ist erwähnt worden, daß Elektronen in dem negativen Polarität an der Elektrode 98 ist an dem Strahl einem Rückstellkraftfeld unterworfen werden Elektron, wenn es sich zu der Elektrode 98 bewegt, und daß gemäß der bevorzugten Ausführungsform eine inhomogene Feldkomponente wirksam, die als

ι z

uöu

das Umschalten der Polarität der inhomogenen A'-Achsenfeldkomponente am Ort der Bezugsposition keine Energie zurück, da diese Komponente dann Null ist. Somit wird eine Verstärkung der Bewegungs-5 energie erzielt.

Es wird !-^iierkt, daß hinsichtlich des einzelnen Elektrons die Umsteuerung der Polaritäten an den Elektroden die doppelte Frequenz der anfänglichen Elektronenbewegung haben muß, um die inhomoge-

die in Richtung der Elektrode 98 und entgegengesetzt zu der allgemeinen Richtung des tatsächlichen Feldes wirkt. Außerdem wird diese inhomogene Feldkomponente größer, wenn sich das Elektron wieder weiter aus der Bezugsposition wegbewegt.

Man erkennt nun, daß die inhomogene Komponente des tatsächlichen Feldes, wenn ein Elektron in dieses Feld zwischen den Elektroden 97, 98 mit Vorwärtsund Rückwärtsbewegung längs der .Y-Achse

die Differenz zwischen der homogenen Feldkomponente und einem zunehmend konzentrierten tatsächlichen Feld eine Kraft zunehmender Größe in der der Elektronenbewegung entgegengesetzten Richtung entwickelt. Somit erfährt das Elektron, wenn es sich aus der Bezugsposition in Richtung der Elektrode 98 bewegt, eine seiner Bewegung entgegengerichtete Kraft, deren Stärke mit zunehmender Entfernung von der Bezugsposition größer wird.

Andererseits wird, wenn sich das Elektron in der io nen Feldkomponentenkräfte in geeigneter Weise so entgegengesetzten Richtung aus der Bezugsposition zu steuern, daß sie die Elektronenbewegung während zu der Elektrode 97 bewegt, das eigentliche Feld der gesamten Bewegung »ausdehnen«. Die Anzahl schwächer als die homogene Komponente dieses FeI- von inhomogenen Feldumkehrungen, die ein Elekdes, so daß die inhomogene Komponente, welche die tron erfährt, beträgt daher vier während einer Elek-Differenz zwischen diesen darstellt, eine Kraft bildet, 15 tronenresonanzperiode. Während somit die Umkehr

der Elektrodenpolarität in der beschriebenen Weise bei der zweiten Oberwelle der anfänglichen Einzelelektronenbewegung erfolgt, ist es nicht erforderlich, daß die Umkehr zeitlich so gesteuert wird, so daß ao sie genau bei der doppelten Signalfrequenz auftritt, die in der Strahlmodulation repräsentiert ist. Die Elektronen mit derart geeignet in Phase liegender Signalbewegung, daß sie zur Vergrößerung der Signalbewegung zusätzliche Energie aufnehmen, fol-

"(oder der Mittelstellung, um die sich das Elektron «5 gen dabei einem exponentiellen Wachstumsgesetz, hin- und herbewegt) eintritt, Kräfte entwickelt, die während die Elektronen, die einer Dämpfung ihrer der Elektronenbewegung entgegenwirken, wenn sich Signalbewegung deshalb unterworfen sind, weil sie das Elektron nach außen bewegt, und seine Bewe- gegen die Änderung phasenverschoben sind, eine gung unterstützen, wenn es sich nach innen bewegt. Verminderung der Sigoalbewegung bedingen, die Nun soll angenommen werden, daß die Polaritäten 30 ebenfalls einer exponentiellen Beziehung folgt. Da an den Elektroden umgekehrt sind, so daß die Elek- das Nutzergebnis dieses exponentiellen Wachsens trode 98 nun gegen die Elektrode 97 positiv ist. Unter und Abnehmens so lange eine Verstärkung ist, wie diesen Bedingungen vergrößert sich, wenn sich das ein ausreichender Teil der Strahlelektronen geeignet Elektron zu der Elektrode 98 bewegt, die Stärke der in Phase ist, ergibt ein einem Wechselfeld in der inhomogenen Feldkomponente des tatsächlichen FeI- 35 beschriebenen Weise ausgesetzter Elektronenstrahl des wiederum, Wenn sich das Elektron von der eine Verstärkung für Sttahlmodulationen, die einen Bezugsposition entfernt, wobei jedoch die Richtung breiten Frequenzbereich haben,
der Kraft der inhomogenen Feldkomponente nun Bisher ist dieser Teil der Erklärung auf die Be-

auf die Elektrode 98 zielt. In gleicher Weise ver- trachtung der Elektronenbewegung nur längs der großem sich, wenn sich das Elektron zu der Elek- 40 .Y-Achse beschränkt worden, während die zuvor austrode 97 bewegt, die Kräfte der inhomogenen Feld- führlich beschriebenen speziellen Ausführungskomponente und sind von der BezHgsposition formen der Erfindung alle mit einer Modulation weggerichtet. Durch richtiges Umschalten der Polari- des Elektronenstrahls in einer solchen Weise arbeitäten zwischen den beiden soeben erwähnten Zu- ten, daß die Elektronen in dem Strahl spiralförmige ständen kann die Bewegung des Elektrons ver- 45 Bahnen beschreiben, wenn sie aus dem Modulator größen werden. Wenn sich das Elektron von der austreten. Eine kreisförmige Elektronenbewegung ist Bezugsposition nach außen bewegt, sind die Polari- nun keineswegs eine begrenzende Eigenschaft für die täten der Elektroden 140 und 141 so, wie zuletzt Arten der Elektronenbewegung, auf welche die angenommen wurde. Wenn sich das Elektron zurück Grundsätze der Erfindung anwendbar sind. Beispielszu dem Nullpunkt bewegt, werden die Polaritäten 50 weise ist in F i g. 7 eine periodische elektrostatische an den Elektroden umgekehrt, so daß eine nach Fokussierungseinrichtung schematisch veranschauinnen gerichtete Kraft auf das Elektron ausgeübt licht, in der ein signalmodulierter Elektronenstrahl wird. Wenn sich das Elektron dann durch die Bezugs- allgemein längs einer Bezugsbahn 160 ausgesandt position auf die andere Seite bewegt, werden die wird. Längs dieser Bahn befindet sich eine erste Polaritäten wieder umgesteuert. Wenn die Elek- 55.Gruppe von Elektrodenpaaren 161, zwischen denen tronenschwingung wiederum ihren Scheitelwert er- eine zweite Gruppe von Elektrodenpaaren 162 angereicht hat, werden die Polaritäten erneut umgeschal- ordnet ist. Die beiden Gruppen von Elektrodentet. Auf diese Weise unterwirft das periodische paaren sind, wie aus der F i g. 7 ersichtlich, mit den Umschalten der Potentiale an den Elektroden 97 und Leitern einer Übertragungsleitung 163 gekoppelt. Die 98 das Elektron in allen Phasen seiner Bewegung 60 übertragungsleitung 163 wird von einer Pumpsignaleiner inhomogenen Feldkomponentenkraft, welche quelle 164 gespeist, die in Reihe mit einer ersten die Bewegung zu unterstützen und somit seine Ge- Gleichspannungsquelle 165 geschaltet ist. Eine Seite schwindigkeit zu erhöhen sucht. Mit Bezug auf die der Übertragungsleitung 163 ist an den positiven Pol Kräfte längs der .Y-Achse wird bezüglich der Elek- einer zweiten Glcichspannungsquelle 166 angeschlostronenbewegung Energie bei den weitesten Ab- 65 sen, deren negativer Pol geerdet ist.

weichungen geliefert, da Arbeit erforderlich ist, um die endliche inhomogene Komponentenfeldstärke bei diesen Stellungen umzuschalten. Jedoch gelangt durch

Die an die Elektroden 161,162 von der ersten Gleichspannungsquelle 165 angelegte Gleichspannung erzeugt ein periodisches Rückst eil kraftfeld. das den

909 528/188

inhomogene Kraftkomponente in der aus der Bezugsposition weggewandten Richtung.

In gleicher Weise werden die dem entgegengesetzten Feld mit umgekehrten Polaritäten ausgesetzten 5 Elektronen einer inhomogenen Komponente in der F-Richtung zunehmender Größe unterworfen, wenn sie sich von der Bezugsposition wegbewegen. Jedoch verläuft in diesem Fall die Richtung der Kraft auf die Bezugsposition zu.

Dann können die kombinierten Kräfte betrachtet werden. Ein Elektron, das in das tatsächliche Feld zwischen den Elektroden 97 und 98 mit einer Kreisbewegung eintritt, beschreibt eine Kreisbahn in einer angenommenen Uhrzeigerrichtung. Zu einem Zeit-

Elektronenstrahl fokussiert und eine Querresonanz
der Elektronen erzeugt (Querresonanzfrequenz f_e).
Der Fokussiergleichspannung von der ersten Gleichspannungsquelle 165 ist eine Wechselspannung von
der Pumpsignalquelle 164 mit einer Frequenz /₃ überlagert. Im allgemeinen ändert die überlagerte
Wechselspannung die Quasielastizität des Fokussierungsgleichspannungsfeldes, wobei die Änderung bei
der Frequenz f_a auftritt. Diese Rückstellkraft oder
vielleicht genauer ihr Verhältnis zu der transversalen io
Elektronenabweichung, welche die transversale Elektronensteifheit oder -festigkeit ist, ist der Parameter,
der durch die Pumpenergie geändert wird.

Für den einfacheren Fall, bei dem die Pumpfrequenz /₃ die doppelte Querresonanzfrequenz f_c ist, 15 punkt wirken die nach außen gerichteten Kräfte längs nimmt die Querbewegung des Strahls zu oder ab, der F-Achse zusammen mit den nach innen gerichabh'ängig von der Phase dieser Bewegung beim Ein- teten Kräften der X-Achse, um eine Nutzkraft in tritt in das System. Wenn das Pumpsignal nicht einer zu der Elektronenbahn angenähert tangential synchron mit der Querresonanzfrequenz/₍, ist, wird liegenden Richtung und mit einer solchen Polarität die Elektronenbewegung in einer Weise verstärkt, ao zu erzeugen, daß die Elektronenbewegung beschleudie der mit Bezug auf die Elektroden 140 und 141 nigt wird. Nach einem Viertel der Kreisbahnperiode erklärten Art entspricht. hat sich die Richtung des inhomogenen Pumpsignal-Wenn sich die Pumpsignalfrequenz wesentlich von feldes und somit die Richtung der Kräfte längs der der Querresonanzfrequenz unterscheidet, phasen- beiden Achsen umgekehrt, so daß das Elektron wiemoduliert das Pumpsignal die Querelektronen- 35 derum einer Beschleunigungskraft unterworfen wird, bewegung, so daß die Bewegung eine Komponente Anders ausgedrückt, kann die Bahnbewegung auf die bei der Differenzfrequenz f., — /., — f_e enthält. Diese beiden Achsen X und Y projiziert werden. Längs Komponente tritt mit Phasenverschiebung an den , jeder Achse entspricht sie einer einfachen periodibeiden Seiten des Strahls auf. Falls ein äußerer Kreis, sehen Bewegung, wobei die beiden Komponenten der in gleicher Weise wie das Netzwerk 100a 30 natürlich um 90° phasenverschoben sind. Jede dieser (F i g. 3) auf diese Differenzfrequenz abgestimmt periodischen Bewegungskomponenten wird durch ein ist, zwischen die Pumpsignalquelle 164 und die Elek- geeignet phaseneingestelltes, zeitlich veränderliches troden 161, 162 eingefügt wird, weiche die erste Rückstellkraftfeld unterstützt. Da die erforderliche Gleichspannungsquelle 165 getrennt koppelt, werden Geschwindigkeit der zeitlichen Änderung der doppel-Differenzfrequehzspannungen in den Elektroden mit 35 ten Geschwindigkeit der periodischen Elektronenbeentgegengesetzter Phase auf den beiden Seiten des wegung entspricht, müssen die beiden Komponenten Strahls erzeugt. Diese Spannungen kombinieren sich des Rückstellkraftfeldes eine Phasenverschiebung von mit der gleichphasigen Pumpsignalspannung bei f₃, 180° zueinander und nicht von 90° haben. Diese um zwei phasenverschobene modulierte Spannungen Phasenverschiebungsänderung der beiden Kompo-ZU erzeugen. Die in der Konstruktion auf jeder Seite 40 nenten wird durch die Grundeigenschaften eines indes Strahls erzeugten, rücktreibenden Kräfte sind homogenen Feldes selbsttätig hergestellt, infolgedessen nicht mehr gleich, sondern enthalten Verstärkung ist somit entweder mit Elektronen, die eine Komponente bei der Signalfrequenz /_p die in eine Bewegung nur in einer Richtung, wie längs der diesem Fall gleich der Querresonanzfrequenz/_t. ist. X-Achse, haben, oder mit Elektronen, die eine kreis-E <s kann bemerkt werden, daß in dieser Vorrichtung 45 förmige Bahn beschreiben, erzielbar. Die Wirkung keine homogene Feldkomponente bei der Pump- von Kräften, die längs der F-Achse gerichtet sind, frequenz vorhanden ist. Diese Beschreibung ist in besteht darin, die Nutzenergie in der Elektronengewisser Weise vereinfacht, zei«t aber die wesent- bewegung für die beschriebenen spiralförmigen Eleklichen Punkte. Sie dient dazu, den Vorrichtungstyp tronenbahnen zu vergrößern, wobei sich die Kraftzii veranschaulichen, bei dem elektrostatische Felder 50 vektoren in der F-Richtung periodisch ändern, um verwendet werden und bei dem die Elektronenbewegung nur längs einer Bezugsachse (im Gegensatz zu
der Kreisbewegung bei den anderen Ausführungs

formen) erfolgt.

die Bewegung der in geeigneter Phase befindlichen
Elektronen in der gleichen Weise zu vergrößern wie
in der X-Richtung.

Da jedes inhomogene tatsächliche Feld mit Bezug

Elektronenstrahlen, bei denen die einzelnen Elek- 55 auf seine Komponenten in einen homogenen und tronen kreisförmige Bahnen beschreiben, sind in vie- einen inhomogenen Teil analysiert werden kann, das len Beziehungen von besonderem Interesse. Es ist aus einem willkürlichen Bezugspunkt, wie beispielsdaliur zweckmäßig, die Kräfte zu betrachten, die auf weise dem Mittelpunkt der F.lektronenbewegung, gedas Elektron in anderen Richtungen als in Richtung nonimen wird, sind die gleichen Grundsätze auf alle der X-Achse wirken. Da der Winkel, welchen die 60 Ausfiihrungsformen anwendbar, bei denen die Steif-Kraftlinien zwischen den Elektroden 97, 98 (F i g. 3) lieh durch zeitgesteuerte Änderung des inhomogenen mit der Bezugsachse X bilden, sich mit wachsender Feldes periodisch geändert wird. Entfernung von dem Nullpunkt längs der F-Achse Es ist gezeigt worden, daß der zur periodischen

vergrößert, folgt notwendigerweise, daß eine Kraft- Änderung der Rückstellkraft verwendete Mechaniskomponente längs der Y-Richtung auftritt, die zu- 65 mus verschiedene Formen annehmen kann. Aus der nimmt, wenn sich das Elektron weiter aus der Bc- vorstehend gegebenen Erklärung ist zu entnehmen, zugsposition wegbewegt. Wenn die Elektrode 97 mit daß das Pumpsignal, welches an die Expanderelek-Bezug auf die Elektrode 98 positiv ist, verläuft die troden zur Entwicklung des periodischen inhomo-

genen Feldes angelegt wird, direkt von einem Pumpgenerator kommen kann. In anderer Weise kann die periodische Steifheitsänderung in etwas indirekterer Weise dadurch erzeugt werden, daß Kopplungsnetzwerke 100 α oder 100 c verwendet werden, bei denen die Kopplungsschaltung bei einer Leerlauf- oder Differenzfrequenz f., in Resonanz gelangt, welche die Frequenz einer Seitenbandkomponente ist, die durch die Modulation des Pumpsignals mit dem Eingangssignal erzeugt wird. Diese Annäherung ergibt größere Vielseitigkeit bei der Auswahl der Pumpsignalfrequenz mit Bezug auf die Signalfrequenz. In diesem Beispiel, bei dem ein Parameter der Schaltung geändert wird, ist eine resultierende Änderung in der Steifheit der Elektronenverteilung vorhanden. Auf diese Weise ist wesentlicher Parameter, der in allen Fällen geändert wird, die Steifheit der Elektronenverteilung, obgleich auch andere Parameter bei der Durchführung des Verfahrens geändert werden können.

In den bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung ist eine periodische veränderliche inhomogene Feldkomponente zusammen mit einem Feld vorgesehen, das Elektronenresonanz herstellt. In den Ausführungsformen, deren Konstruktion zuvor ausführlich erläutert wurde, wurde ein homogenes Magnetfeld H., innerhalb des Expanderabschnitts angewandt. Die periodisch veränderliche inhomogene Feldkomponente kann zum Teil auch elektrostatisch wie in Fig. 7 sein. Die zur Zeit praktischste Anordnung für erfindungsgemäße Verstärker vorrichtungen scheint die zu sein, die ein homogenes Magnetfeld einer solchen Stärke verwendet, daß die Elektronenresonanz gleich der Signalfrequenz zusammen mit einem elektrischen Feld mit einer inhomogenen Komponente ist, die zu dem homogenen Feld mit geeigneten Phasen relativ zu der Strahlbewegung addiert oder von dieser subtrahiert werden kann. Naturgemäß beschränkt die Anwendung eines Magnetfeldes die Funktion von Querelektronenbewegungsvorrichtungen auf solche Vorrichtungen, die einen Strahl mit einer im allgemeinen kreisförmigen Elektronenbewegungsbahn anwenden, da die von einem Magnetfeld hergestellte Elektronenresonanz die der Zyklotronfrequenz ist.

In einer anderen Ausfülmingsform der Erfindung hat das zeitlich veränderliche inhomogene elektrische Feld, das erfindungsgemäß hergestellt wird, einen solchen Charakter, daß maximale Verstärkung mit kleinsten Nebeneflekten erzielbar ist, die, wenn sie nicht beseitigt werden, zu einem verminderten Signal-Rausch-Verhältnis beitragen. Die Erfindung schlägt in dieser Hinsicht vor, eine solche optimale Realisierung dadurch zu erhalten, daß das Verstärkung erzeugende Feld innerhalb des Expanders so gestaltet wird, daß es ein inhomogenes Feld enthält, das einen Bereich mit kleiner und vorzugsweise vefnachlässigbare Feldstärke, verglichen mit der Stärke des Feldes in allen Richtungen außerhalb des umschlossenen Bereichs, umgibt. Vorzugsweise verläuft die Bezugsbahn 21, um die die den Eingangskoppler 23 verlassenden Elektronen kreisen (und die daher als eine Bezugsachse für die Bahnbewegung betrachtet werden kann), durch die Mitte dieses vernachlässigbaren Feldbereichs, wobei an diesem Punkt die Feldstärke theoretisch Null ist.

Obgleich verschiedene Elektrodenanordnungen in dem Expander verwendet werden können, um ein zeitlich veränderliches inhomogenes elektrisches Feld mit einer Gestalt herzustellen, welches die Gedankengänge der Erfindung realisiert, ist eine theoretisch optimale Elektrodenkonstruktion in Fig. 8 veranschaulicht. Vier Elektroden 170 bis 173 sind am Umfang der Bezugsbahn 21 symmetrisch angeordnet. Jede Elektrode 170 bis 173 hat die Form einer gleichseitigen Hyperbel, und die Elektroden sind einzeln so angeordnet, daß ihre Zwischenteile der

ίο Strahlbahn zugewandt sind und ihre Endteile davon nach außen vortreten, wobei jeder Endteil in Abstand im allgemeinen parallel zu dem benachbarten Endteil der nächsten Elektrode angeordnet ist. Gegenüberliegend angeordnete Elektroden 170 und 172 sind an eine Eingangsklemme 175 angeschlossen, und das andere Paar von sich gegenüberliegenden Elektroden 171 und 173 ist mit einer zweiten Klemme verbunden.

Unter der Annahme, daß eine Momentanspannung

so zwischen die Klemmen 175 und 176 angelegt ist, so daß die Elektroden 170 und 172 positiv und die Elektroden 171 und 173 negativ sind, wird ein symmetrisches Quadrupolfeld innerhalb des von den Elektroden eingeschlossenen Raumes entwickelt. Die

as Form dieses Feldes ist mit den Äquipotentiallimen 178 angegeben. Die von dem Feld an irgendeiner Stelle ausgeübte Kraft wird durch die Kraftlinien 179 markiert, die senkrecht zu den Äquipotentiallinien liegen, wobei die Pfeilköpfe an den Kraftlinien 179 die Richtung der Kraft bei den zugrunde gelegten Polaritäten angeben. Zur Unterstützung der folgenden Erklärung sind orthogonale Bezugsachsen dargestellt, die durch die beiden Elektrodenpaare 170, 172 bzw. 171, 173 verlaufen. Die durch die positiv polarisierten Elektroden hindurchgehende .Y-Achse ist mit einem Minuszeichen und die K-Achse ist entsprechend mit einem Pluszeichen bezeichnet. Der Nullpunkt dieser beiden Achsen fällt vorzugsweise mit einer Bezugsbahn zusammen, die rechtwinklig zu der Zeichenebene der F i g. 8 liegt.

Wie durch die Äquipotentiallinien 178 angegeben ist, ist das von den Elektroden erzeugte Feld überall inhomogen, und das Feld umschließt einen Bereich von abnehmender Stärke. Bei einem vollständig symmetrischen Quadrupol, dessen Elektroden genau als gleichseitige Hyperbeln ausgebildet sind, ist die Inhomogenität konstant, und ein feldfreier Bereich befindet sich in dem genauen Mittelpunkt, wo symmetrische Aufhebung erfolgt. Im Querschnitt betrachtet ist der feldfreie Bereich ein Punkt. Das Feld hat gleichmäßige Stärke in der zu der Strahlbahn 21 parallelen Richtung, wobei der feldfreie Bereich eine Linie ist, die vorzugsweise mit der Strahlbahn 21 zusammenfällt. Das heißt, das Feld hat wesentliche Komponenten rechtwinklig zu der Bahn, und die Stärke und Richtung der Komponenten sind längs einer zu der Bahn parallelen Linie im wesentlichen konstant. Die Stärke nimmt proportional zu dem radialen Abstand von dem abnehmenden Feldbereich zu, der vorzugsweise mit der Bahn zusammenfällt.

Im Betrieb werden die Klemmen 175 und 176 an eine Pumpsignalquelle angeschlossen, die Energie bei einer Frequenz /_;! liefert. Infolgedessen werden die Polaritäten an den beiden Elektrodenpaaren 170, 172 und 171, 173 entsprechend der Pumpfrequenz periodisch umgekehrt. Die spiralförmig kreisenden Elektronen, die aus dem Eingangskoppler 23 austreten, werden dann durch das sich periodisch ändernde in-

X £-t\J\J \J

homogene Feld innerhalb des Expanders geschleudert.

Wie in den früheren Ausführungsformen werden die durch den Expander laufenden Elektronen auch einem homogenen Magnetfeld mit einer Stärke unterworfen, die Elektronenresonanz für die zu verstärkende Signalbewegung herstellt. Das heißt, die Stärke des Magnetfeldes wird so ausgewählt, daß die Zyklotronfrequenz effektiv eine Resonanzverteilung für die modulierten Elektronen herstellt. In der 'vorliegenden Ausführungsform hat dieses Feld zweckmäßig die gleiche Stärke wie die Magnetfelder in dem Eingangskoppler bzw. Ausgangskoppler. Infolgedessen können die Magnetfelder für die gesamte Vorrichtung aus einer einzelnen Magnetspule abgeleitet werden, die alle drei Abschnitte der Bezugsbahn 21 umgibt.

Wenn das Magnetfeld innerhalb der Elektroden 170 bis 173 so ausgewählt wird, daß die Zyklotronfrequenz gleich der Signalfrequenz ist, wirken die nach innen gerichteten, von dem Magnetfeld abgeleiteten Kräfte auf die kreisenden Elektronen in der Weise, daß die nach außen gerichteten Zentrifugalkräfte der Elektronenbewegung ausgeglichen wefden, so daß die in dem Eingangskoppler 23 gewonnene anfängliche Elektronenbewegung sich durch den Expander mit der gleichen Geschwindigkeit und Amplitude fortzusetzen sucht, die beim Verlassen des Eingangskopplers vorhanden sind. Die Elektronen werden auf diese Weise in dem Expander einem Rückstellkraftfeld unterworfen, das die anfängliche Elektronenbewegung aufrechtzuerhalten sucht. Jedoch wird durch geeignete Phaseneinstellung der in dem Expander erzeugten inhomogenen Feldkomponentenkräfte eine periodische, zeitlich veränderliche Rückstellkraftfeldkomponente addiert und der Elektronenbewegung Energie zugeführt.

Zum Verständnis des Mechanismus, mit welchem den Elektroden innerhalb dieses Expanders zusätzliche Energie erteilt wird, ist es nützlich, die Kennwerte des von den Elektroden 170 bis 173 erzeugten Feldes sowie die Beziehung dieses Feldes zu de_#n darin kreisenden Elektronen zu untersuchen. Für die in Fig. 8 veranschaulichte Konstruktion, bei der die Elektroden als gleichseitige Hyperbeln ausgebildet sind, folgt das Potential V an jedem Punkt innerhalb des Feldes der Beziehung:

wobei k eine Konstante ist und y und jc der Abstand längs der Plus-Achse bzw. Minus-Achse sind. Wie weiter unten erörtert wird, hat das Feld nahe der Mitte jeder Quadrupolkonstruktion diese allgemeine Form, jedoch hat es zwischen den hyperbolischen Elektroden durchgängig diese Form.

Die Änderung des Feldes mit der Entfernung der Inhomogenität des Feldes wird durch die zweiten partiellen Differentialquotienten des Potentials gegeben, die vom Ort unabhängig sind:

= 2A-,

= -2k.

In Polarkoordinaten um den Nullpunkt der Koordinatenachsen ausgedrückt, ist die Feldstärke gleich 2 R K, wobei R der Radiusvektor ist.

Wenn das Pumpsignal zwischen die Klemmen 175 und 176 gelegt ist und eine Frequenz hat, die das Doppelte der Signalfrequenz beträgt, hat die Pumpfrequenz/₃ infolgedessen die doppelte Geschwindigkeit der periodischen Elektronenbewegung, und infolgedessen wird auch die doppelte Zyklotronfrequenz von dem Magnetfeld hergestellt. Das wechselnde Feldbild innerhalb des Quadrupols kann in zweckmäßiger Weise durch zwei entgegengesetzt rotierende

Feldverläufe hergestellt werden, von denen jeder die halbe Amplitude des tatsächlichen Feldbildes hat. Da nur eine 90°-Drehung von einem dieser angenommenen, sich entgegengesetzt drehenden Feldverläufe erforderlich ist, um Phasenumkehr zu erzeugen, und

eine 180°-Drehung (beispielsweise von der Elektrode 170 zu der Elektrode 172) einer vollen Periode entspricht, sind die Winkelgeschwindigkeiten der beiden sich entgegengesetzt drehenden Feldverläufe gleich der Zyklotronfrequenz, bei der die in den Expander

ao eingeführten Elektronen kreisen. Der Radiusvektor R beschreibt dann den geometrischen Ort des Elektronenbahflzentrums mit Bezug auf den Quadrupolmittelpunkt, der als Nullpunkt gewählt ist. Dies ist in Fig. 9 veranschaulicht, in dem die Achsen von

S₅ dem Feldbild zur Verdeutlichung der Darstellung getrennt sind. Die Signalamplitude ist durch den Radius r der Elektronenbahn dargestellt.

Einer der beiden entgegengesetzt rotierenden Feldverläufe dreht sich in "derselben Richtung wie die in dem Feld kreisenden Elektronen. Vom rechnerischen Standpunkt aus ist diese sich drehende Komponente für die folgende Diskussion interessant. Der dabei eingenommene Standpunkt ist der eines Beobachters am Nullpunkt, der sich mit dem einen Feldbild dreht, das in derselben Richtung wie das Elektron rotiert.

Zuerst wird ein Elektron angenommen, das um den Nullpunkt mit dem Radius r kreist, so daß der Radiusvektor R gleich Null ist. Von dem sich drehenden Bezugssystem aus steht dieses Elektron still. Auf das Elektron wirkt nur ein Feld mit der Stärke Ar ein, das in irgendeiner Ricntung in der Drehebene vorhanden sein kann. Wenn das Elektron 45° oder halbwegs zwischen den beiden Achsen des sich drehenden Feldbildes liegt, ist das Feld rein tangential und erzeugt eine zyklotronartige Vergrößerung der Bahngeschwindigkeit. Der Radius r nimmt proportional zu, und da das Feld zu dem Radius proportional ist, ist der Vorgang der Geschwindigkeitsverstärkung exponentiell.

Nun wird angenommen, daß das Elektron mit demselben Radius r um einen Punkt kreist, der sich von dem Nullpunkt um den Radiusvektor R entfernt befindet. Wie aus dem sich drehenden Bezugssystem ersichtlich ist, beschreibt die Mitte der Bahn einen Kreis (Fig. 10) mit dem RadiusR und bewegt sich in einer Richtung, die zu der Richtung des sich drehenden Bezugssystems entgegengesetzt ist. Falls sich das Elektron in der Bahnmitte im Ruhezustand befinden würde, würde ein Feld mit der Stärke kR darauf wirken, das sich von dem umlaufenden Bezugssystem aus auch dreht und sich über eine volle Periode im Durchschnitt nach Null ausgleicht. Jedoch tritt ein Elektron, das um das Bahnzentrum mit einem Radius r kreist, von dem Bezugspunkt aus verschoben gegen die Bahnmilte in einer sich nicht verändernden Richtung um den Abstand r auf. Dieses Elektron beschreibt noch einen Kreis mit dem Radius R. Jedoch ist die Mitte dieses Kreises von dem

eingestellt ist, daß seine Bewegung maximaler Dämpfung ausgesetzt ist, in einem instabilen Zustand. Die Geschwindigkeit der Phasenkorrektur ist ein Maximum halbwegs zwischen den beiden Grenzzuständen 5 und wird Null, wenn das Verstärkungsmaximum erreicht ist. Es wird bemerkt, daß die Annäherung an die Phasenbedingung für maximale Verstärkung gedämpft und nicht in Schwingung versetzt wird.
Wegen des Phasenfokussierungsmechanismus ist

i d

Nullpunkt um einen Abstand r in einer Richtung verschoben, die von der Phase der Elektronenbahnstellung mit Bezug auf die Drehung des Koordinatensystems abhängt.

Da sich die Feldstärke linear von einem Punkt zu einem anderen um einen vom Ort unabhängigen Betrag ändert, ist es zulässig, Kräfte in linearer Weise hinzuzufügen. Somit enthält die Gesamtkraft, die

von dem Elektron, das sich von dem Nullpunkt hin- g g
sichtlich seines Bahnmittelpunktes wegbewegt, aus- io es erwünscht, daß die effektive elektrische Länge der geübt wird, den großen sich drehenden Teil kR, der Quadrupolelektroden 170 bis 173 wenigstens mehresich nach Null im Durchschnitt ausgleicht, sowie den ren Perioden der Elektronenbahnbewegung entkleineren Teiler, der konstante Richtung hat. Es spricht, so daß auch die Elektronen, die anfänglich wird bemerkt, daß diese konstante Kraft gleich der in den Quadrupolbereich mit einer der maximalen Kraft ist, die in dem Fall eines Elektrons entwickelt 15 Verlustbedingungen entsprechenden Phase eintreten, wird, das um den Koordinatenmittelpunkt kreist. so phasenverschoben werden, daß sie einer tangen-Daraus folgt, daß der gleiche Effekt für alle Elek- tialen Vorwärtskraft unterworfen werden, die den tronen in dem Strahl beobachtet wird. Elektronen erhöhte Bewegungsenergie erteilt.

Vergrößerte Energie wird der Bewegung eines Die zeitliche Änderung des Signalvektors r kann

Elektrons durch jene elektrischen Feldkräfte erteilt, so leicht errechnet werden. Für den Fall eines rein

die tangential auf das Elektron in der Richtung seinei tangentialen Feldes erhält man die übliche Zyklo-

Bewegung wirken. Maximale Verstärkung wird er- tronbeziehung. Bei einem rein radialen Feld wird die

halten, wenn das Elektron einer rein tangentialen Zyklotronfrequenz proportional zu dem Verhältnis

Vorwärtskraft unterworfen wird. Andererseits wird der an dem Elektron erzeugten Kraft zu der von dem

die Elektronenbewegung gedämpft, wenn das Elek- 35 Magnetfeld ausgeübten Zentripetalkraft geändert. Die

tron einer tangentialen Rückwärtskraft ausgesetzt ist. Zuwachsänderung des Signalvektors r ist unabhängig

fh d F d l id

g g

von der Feldrichtung gleich. In dem einen Fall wird der Vektor vergrößert, und in dem anderen Fall wird er gedreht. Der Signalvektor r kann dargestellt wer-

wobei r₀ der anfängliche Bahnradius, e die Zahl 2,718 und t die Zeit bedeuten. Die als Wuchskon-

«■>

g g

Mit Bezug auf den gesamten Strahl, der anfänglich aus vielen Elektronen besteht, die alle verschiedene Phasenbeziehungen zu der Drehfeldkomponente g

haben, solange eine ausreichende Anzahl der ein- 30 den als zelnen Elektronen eine solche Phasenbeziehung mit Bezug auf das inhomogene Feld hat, daß sie einer tangentialen Vorwärtskraftkomponente ausgesetzt werden, wird eine Verstärkung in der Signalbewe-

gungsenergie realisiert, da die Verstärkung und die 35 stante bezeichnete Größe α findet sich zu
Dämpfung beide Exponentialgesetzen des Anwachsens bzw. des Absinkens folgen, gemäß denen eine _ J<_
Verstärkung erzielt wird. Außerdem erfolgt ein ~~ B '
Phasenfokussierungsvorgang, der die Tendenz hat,

zu bewirken, daß die Elektronen mit einer Zwischen- 40 wobei k aus der Gleichung (1) bestimmt ist und B Phasenbeziehung in eine solche Phasenbeziehung be- die magnetische Feldstärke ist. Die Gleichung (5) schleunigt oder gebremst werden, daß sie Kräften kann weiter verallgemeinert werden, um die Dämpunterworfen werden, die maximale Verstärkung er- fung und Phasenfokussierung zu erfassen, indem anzeugen. genommen wird, daß die Konstante k ein Vektor ist,

Der Phasenfokussierungsmechanismus kann ver- 45 der reell und positiv ist, wenn sich das Elektron in standen werden, indem zuerst die Situation, in der dem maximalen Verstärkungszustand befindet, und ein Elektron einem rein radialen Feld unterworfen der für andere Phasenbedingungen geeignet gedreht wird, so betrachtet wird, als wenn sich das Elektron wird.

auf der Minus-Achse zu dem Zeitpunkt befindet, Mit Bezug auf Fig. 10 verläuft während der

wenn die Quadrupolelektroden 170,172 negativ sind. 50 Zeit, in der ein auf maximale Verstärkungsphase Ein solches Elektron wird von dem Feld nach innen eingestelltes Elektron eine e-fache Amplitudenvergestoßen. Diese radiale Kraft addiert sich zu der von größerung erfährt, ein um 90° phasenverschobenes dem Magnetfeld ausgeübten Zentripetalkraft, so daß Elektron durch einen vollständigen Radianten. Indie Zyklotronfrequenz erhöht wird und das Elektron folgedessen muß die Phasenfokussierung in einem in der Phase voreilt. Dies setzt sich fort, bis die 55 Verstärker mit hoher Verstärkung ziemlich vollstänradiale Feldkomponente Null wird, wobei die Pha- dig sein.

senbeziehung mit Bezug auf das Feld das Elektron Weiteren Einblick in die mathematischen Bezie-

einer maximale Verstärkung erzeugenden Kraft hungen kann man dadurch erhalten, daß man aus der unterwirft. Gleichung (5) einen Ausdruck für die Verstärkung,

Andererseits wird ein anfänglich auf der Plus- 60 ausgedrückt in Verstärkung pro Längeneinheit längs Achse befindliches Elektron einer nach außen ge- der Elektronenbahn, ableitet. Diese Beziehung kann richteten Kraft ausgesetzt, welche die Zentrifugal- i d

kraft vergrößert. Die Wirkung auf die Elektronenbewegung ist der Schwächung des Magnetfeldes äquivalent, und das Elektron eilt in der Phase nach, so 65 daß es in einen Bereich gelangt, in dem es auch einer tangentialen Vorwärtskraft unterworfen wird.

Somit befindet sich ein Elektron, dessen Phase so

folgendermaßen formuliert werden:

v_z

B v_z

wobei v_z die Längsstrahlgeschwindigkeit ist. Für den veranschaulichten Quadrupol ist k gleich der Hälfte

909528/188

33 34

der Scheitelspannung F₀ zwischen benachbarten die Bezugsbahn 21 herum zentriert. Um Betriebs-Elektroden geteilt durch das Quadrat des halben Ab- funktion des Quadrupols in dem π-Schwingungstyp Standes »α« zwischen gegenüberliegenden Elektroden. zu verursachen, werden sich gegenüberliegende Elek-Es wird bemerkt, daß der Abstand zwischen den trodenl80, 182 und 181, 183 vorzugsweise mitein-Elektroden ohne Änderung der Ergebnisse dadurch 5 ander durch Leitungen 190 bzw. 191 elektrisch ververdoppelt werden kann, daß die angelegte Span- bunden. Mit dem yr-Schwingungstyp ist eine solche nung vervierfacht wird, da für den veranschaulichten Arbeitsweise gemeint, daß sich gegenüberliegende Fall Elektroden in gleicher Phase befinden, während be-

γ nachbarte Elektroden in Gegenphase sind.

k = - ίο In einem einwandfrei arbeitenden Verstärker ent-

hielt das Strahlerzeugungssystem eine Kathode, die

ist. Elektronen bei einer Stromdichte von etwa 100 mA/

Soweit ist eine theoretisch ideale Elektrodengestalt cm² emittierte, von denen vielleicht 99% von einem beschrieben worden. Jedoch kann gezeigt werden, ersten Stromsteuerelement aufgefangen wurden. Mit daß das Feld nahe der Mitte jedes Quadrupols die *5 Öffnungen versehene Scheiben, die hintereinander im allgemeine Form nach F i g. 8 hat. Infolgedessen Abstand von der Kathode angeordnet waren, wurden kann die Arbeitsweise gemäß den gerade offenbarten mit entsprechenden Potentialen von etwa plus 9, 150, Grundsätzen mit einfacheren und leichter herstell- 15 und 7 Volt gegen die Kathode gespeist. Durch baren Elektrodenformen und wenigstens nahezu geringfügiges Ändern der relativen Potentiale konnte vollkommenen Resultaten dadurch erzielt werden, ao ein Strahl mit Eigenschaften erhalten werden, die daß die Elektronensignalabweichungen auf den mitt- dem Brillouin-Fluß ähnlich waren, leren Teil des Feldbereichs beschränkt werden. Es ist Die Ablenk- bzw. Aufnahmeelektroden in dem

auch unnötig, die Zahl der Elektroden in dem Ex- Eingangskoppler und dem Ausgangskoppler hatten pander auf vier zu beschränken. Beispielsweise kann einen Abstand von 0,762 mm, und die dem Strahl eine größere Anzahl Elektroden verwendet und in «5 zugewandten Teile der Expanderelektroden bildeten einer Mehrphasenanordnung angetrieben werden, um ein Quadrat mit 2,032 mm Seitenlänge. Damit der ein inhomogenes Feld zu erzeugen, das sich peri- Expander auf wenigstens vier Signalbewegungsodisch ändert oder in geeigneter Beziehung zu der bahnen wirkt, um wesentliche Verstärkung zu erzie-Phase der periodischen Signalbewegung dreht, so len, war die Länge seiner Elektrode gemäß daß die Elektronen den vorwärts gerichteten tangen- 30 PA-B 63684/60 = 10,16 mm, was der Länge der tialen Kraftkomponenten unterworfen werden. Eingangs-und Ausgangskopplerelektroden entspricht. Fig. 11 veranschaulicht eine vereinfachte Quadra- Die gesamte Konstruktion wurde in einem evakuierpolform mit plattenartigen Elektroden 180 bis 183, ten Gehäuse oder Kolben von 25,4 mm Durchmesser die auf dem Umfang rings um die Strahlbahn 21 an- abgedichtet oder eingeschmolzen, geordnet sind. Induktivitäten 185 sind einzeln zwi- 35 Im Betrieb wurden die Eingangs- und Ausgangsschen benachbarten Enden jedes Paares der Elek- koppler auf 560 MHz durch zwischengeschaltete troden 180 bis 183 geschaltet. Jede Induktivität 185 Spulen von jeweils etwa neun Windungen abgehat einen solchen Induktivitätswert, daß Parallel- stimmt. Die effektive Kapazität dieser Resonatoren resonanz mit der zwischen den Anschlußpunkten in dem Eingangs- und Ausgangskoppler wurde mit vorhandenen Kapazität bei der Pumpfrequenz f_s vor- 40 weniger als 1 μμΡ ermittelt und ihr unbelasteter handen ist. Die Pumpsignalquelle ist an den Qua- Q-Wert betrug etwa 250. Zur Zuführung von Energie drupol mittels einer Übertragungsleitung 186 an- wurden Übertragungsleitungen von 300 Ohm an die geschlossen, die mittels eines Verbindungsgliedes an Koppler angepaßt, die eine Impedanz von etwa eine der Induktivitäten 185 gekoppelt ist. Um die 8000 Ohm bei 40 μΑ Strahlstrom darstellten. Bei Gleichspannung an dem Expander mit Bezug auf 45 dieser Belastung betrug der effektive Q-Wert 20. Die den Eingangskoppler und den Ausgangskoppler in Spulen 185 stimmten den Quadrupol auf 1120 MHz Wechselbeziehung zu setzen und geeignete Gesamt- ab.

fokussierung an dem Strahl zu ermöglichen, wenn er Die Röhre wurde in einem homogenen Magnet-

längs der verschiedenen Bahnabschnitte wandert, ist feld angeordnet, das einstellbar war, um eine Ändeeine Gleichspannungsquelle B-\- an den Mittelpunkt 50 rung der Stärke von angenähert 200 Gauß nach oben einer anderen Induktivität 185 angeschlossen. Wie und unten zu ermöglichen. Im Betrieb hat sich gein Fig. 4 bzw. 5 dargestellt ist, sind die Ausgangs- zeigt, daß die Gleichspannung, die an dem Koppler klemmen des Pumpgenerators 99 an die Übertra- des Eingangs- und des Ausgangskopplers lag, keinen gungsleitung 186 mittels eines Transformators 114 kritischen Einfluß auf die Arbeitsweise hatte. Diese oder eines Kopplungsnetzwerkes 100 α angepaßt. Das 55 Gleichspannung betrug angenähert 6VoIt. Die an Magnetfeld, dem die Elektronen auch im Expander den Quadrupol angelegte Gleichspannung erwies sich unterworfen sind, wird parallel zur Achse der in als etwas kritischer und hatte im allgemeinen einen Fig. 11 dargestellten Konstruktion errichtet. Wert zwischen 4 und 7VoIt. Die Auffängerspan-

Wenn der Expander nach Fig. 11 mit einem nung war mit 200 Volt bemessen, und alle genannten Pumpsignal der Frequenz /₃ erregt wird, welche dop- 60 Spannungen waren positiv gegen die Kathode, pelt so groß wie die von dem Magnetfeld H₃ her- Wie zuvor schon erwähnt wurde, wird auch vorgestellte Zyklotronfrequenz ist, werden Elektronen, geschlagen, den Expander so auszubilden, daß er bei die einer spiralförmigen Bahn folgen, welche die einer endlichen Phasengeschwindigkeit in Wechsel-Signalbewegung bei der Frequenz Z₁ darstellt, einer wirkung arbeitet, so daß die optimale Pumpfrequenz Vergrößerung dieser Bewegung in der gleichen Weise 55 nicht mehr gleich der doppelten Elektronenresonanzunterworfen, wie zuvor mit Bezug auf Fig. 8 erklärt frequenz ist. Eine Ausführungsform dieser Abändewurde. Der Bahnradiusr ist vorzugsweise auf den rung der Erfindung ist in Fig, 12 dargestellt, die mittleren Teil des Feldraumes beschränkt und ist um eine Expanderkonstruktion dieses Typs zeigt. In

35 36

dieser abgeänderten Konstruktion sind vier Wendeln Anbringung zwischen den Halteplatten 196 eine

193 einzeln parallel zu und am Umfang der Bezugs- dieser Platten mit Bezug auf die andere um die

bahn 21 angeordnet. An ihren entgegengesetzten Achse 21 gedreht worden ist.

Enden werden die Wendeln 193 zwischen Unterlag- Die Arbeitsweise der Vorrichtung, welche den Exscheiben 194 getragen, die zwischen dem Eingangs- 5 pander nach F i g. 13 verwendet, ist im wesentlichen

koppler festgehalten werden. Die Pumpsignale wer- dieselbe, wie zuvor beschrieben wurde, mit der Aus-

den zwischen zwei gegenüberliegenden Paaren von nähme, daß der verwundene Verlauf der Elektroden

Übertragungsleitungen 193 angelegt. ermöglicht, optimale Beziehungen mit einem Pump-

Die Wendeln 193, die als symmetrischer Quadru- signal zu erhalten, das nicht die doppelte Zyklotronpol angeordnet sind, erzeugen ein inhomogenes Feld io frequenz hat. Die Wirkung des verwundenen Verinnerhalb des Expanders mit einer Form, die der in laufs der Elektroden ist derart, daß bewirkt wird, F i g. 8 dargestellten ähnlich, jedoch naturgemäß daß das Quadrupolfeld effektiv allmählich gedreht nicht mit dieser identisch ist. Obgleich das tatsäch- wird, bezogen auf die sich durch den Expander beliche von den Wendeln 193 erzeugte inhomogene wegenden Elektronen. Das inhomogene Feld hat Feld in eine Form gebracht werden kann, die der 15 Komponenten von im wesentlichen konstanter Stärke Form des Feldes der hyperbolisch gestalteten Elek- in zu der Bahn paralleler Richtung, wobei aber die troden weitgehend ähnlich ist, kann zufriedenstel- Richtung in diesem Fall nicht konstant ist. Infolgelende Arbeitsweise ohne eine solche Komplizierung dessen sind die Elektroden 195, falls die Pumperreicht werden, da das Feld in der Nähe der Mitte frequenz niedriger als die Pumpfrequenz sein soll, irgendeiner Quadrupols sich der Form annähert, die 20 die man sonst mit geraden Elektroden erhalten durch die Gleichung (1) definiert ist, und die Elek- würde, in der Richtung der Bahnbewegung vertronenbewegung kann auf diesen zentralen Bereich wunden, so daß der Betrag kompensiert wird, um beschränkt werden. den die Pumpsignalfeldänderung tatsächlich der ent-

Bei Wechselwirkung mit endlichen Phasen- sprechenden Geschwindigkeit der periodischen Elekgeschwindigkeiten in dem Expander nach F i g. 12 35 tronenbewegung nacheilt. Andererseits kann durch können verschiedene Magnetfelder in dem Eingangs- verwundenen Lauf der Expanderelektroden in einer koppler, Ausgangskoppler und Expander verwendet zu der Richtung der periodischen Elektronenbewewerden, wobei die Anwendung verschiedener Korn- gung entgegengesetzten Richtung die Pumpfrequenz binationen von Wechselwirkungsvorrichtungen mit höher sein, als sonst für die Entwicklung einer periendlicher und unendlicher Phasengeschwindigkeit in 30 odischen Feldänderung bei der doppelten Elenden drei Abschnitten ermöglicht wird. In diesem Fall tronenresonanzfrequenz notwendig ist.
können getrennte Magnetspulen um die drei Ab- Die parametrischen Verstärker nach der Erfindung schnitte der Vorrichtung verwendet werden, um die sind in vielen Beziehungen Frequenzkonvertern ähn-Schaffung getrennter Felder zuzulassen. lieh. Das Pumpsignal bei der Frequenz /₃ kann als

In der in Fig. 12 veranschaulichten Ausführungs- 35 die örtliche Oszillator- oder Überlagererfrequenz aufform ist die optimale Pumpfrequenz nicht mehr gefaßt werden. In diesen Verstärkern tritt ein Eingleich der doppelten Elektronenresonanzfrequenz. Es gangssignal bei der Frequenz Z₁ in dem Ausgang ist eine andere Pumpfrequenz vorhanden, bei der die nicht nur bei ihrer eigenen Frequenz, sondern auch Elektronen ein Pumpsignalfeld bei der doppelten bei der Differenzfrequenz /₂ auf. Gleichzeitig er-Elektronenresonanzfrequenz »sehen«. Die geeignete 40 scheint es auch, falls ein Eingangssignal bei der Dif-Frequenz, die an den Expander mit endlicher ferenzfrequenz /₂ vorhanden ist, in dem Ausgang bei Phasengeschwindigkeit angelegt werden soll, wird der Signalfrequenz. Tatsächlich kann jede Möglichdadurch bestimmt, daß der Dopplereffekt berück- keit fehlen, an dem Ausgang festzustellen, ob das sichtigt wird, der durch die Relativbewegung der ursprüngliche Eingangssignal die Frequenz J₁ oder /₂ Elektronen und der Welle längs des Expanders ver- 45 hatte.

ursacht wird, so daß die Anzahl der von einem Elek- Wenn das gewünschte Signal die Frequenz Z₁ hat

tron angeführten Feldumkehrungen angenähert vier und das Ausgangssignal bei dieser Frequenz beob-

während einer Elektronenresonanzperiode beträgt. achtet wird, wird das Elektronenstrahlrauschen bei

Die Erfindung schlägt auch andere Abänderungen der Differenzfrequenz /₂ auf die Frequenz J₁ umgevor, die immer dann von Nutzen sind, wenn es un- 50 setzt und erscheint in dem Ausgang bei dieser Frezweckmäßig oder unerwünscht ist, eine Pump- quenz. Vorzugsweise ist die Pumpfrequenz angefrequenz zu verwenden, die genau doppelt so groß nähert doppelt so groß wie die Eingangssignalfrewie die Zyklotronfrequenz ist, während es noch er- quenz, so daß diese und die Differenzfrequenz dicht wünscht ist, optimale Signalmodulationsdehnung zu beieinander liegen, wodurch eine einzige Vorrichtung erhalten. Beispielsweise kann jede der oben beschrie- 55 für Schnellwellenwechselwirkung dazu dient, das benen Expanderelektrodenanordnungen, welche die Rauschen aus dem Strahl sowohl bei der gewünsch-Wendeln nach Fig. 12 enthalten, in einer Richtung ten Frequenz als auch bei der Differenzfrequenz zu rings um die Strahlbahn verwunden angeordnet entfernen. In anderen Anordnungen, bei denen sich werden. Dies ist in Fig. 13 veranschaulicht, gemäß die Pumpfrequenz wesentlich von der doppelten der die vier Quadrupolelektroden aus vier langge- 60 Größe der Signalfrequenz unterscheidet, so daß die streckten streifenartigen Elektroden 195 zusammen- Differenzfrequenz wesentlich von der Signalfrequenz gesetzt sind, die an ihren entgegengesetzten Enden abweicht, kann, solange die Differenzfrequenz der zwischen Isolierplatten 196 befestigt sind, so daß die schnellen Elektronenwellenmodulation auf dem Strahl Anordnung zwischen dem Eingangskoppler 23 und entspricht, der Rauschgehalt daraus durch einen gedem Ausgangskoppler 26 die zuvor erörterten Vor- 65 eigneten Koppler entfernt werden. Ein solcher Kopprichtungen ersetzen kann. In diesem Beispiel sind ler für die Differenzfrequenz kann entweder von dem alle Elektroden 195 in derselben Richtung verwun- Eingangssignalkoppler vollständig getrennt sein, oder den, so daß es den Anschein hat, als ob nach ihrer dieser kann in anderer Weise mit einer zusätzlichen

Masche ausgerüstet sein, so daß der Eingangskoppler auch bei der Differenzfrequenz in Resonanz gelangt.

Die Rechnung zeigt, daß die Differenzfrequenz immer der Schnellelektronenwellenmodulation entspricht, wenn die Pumpfrequenz oberhalb der Eingangssignalfrequenz liegt. Wenn die Pumpfrequenz niedriger als die Eingangssignalfrequenz ist, entspricht die Differenzfrequenz einer langsamen Elektronenwelle, und es wird keine Rauschabsorption erreicht. Wenn jedoch äußerst geringes Rauschen nicht erforderlich ist, findet das Verfahren der parametrischen Verstärkung Anwendung in einem Verstärker, bei dem die Frequenz des zu verstärkenden Signals wesentlich größer als die der verfügbaren Pumpsignale ist. Beispielsweise ermöglicht ein üblicher Oszillator von 1000 MHz bei Verwendung als Pumpsignalquelle parametrische Verstärkung eines Eingangssignals, das eine Frequenz von 2000MHz oder eine noch höhere Frequenz hat.

Ein interessanter Gesichtspunkt dieses parametrischen Frequenzumsetzungsvorgangs besteht darin, daß die Pegel der Signal- oder Rauschenergie proportional zu der Frequenz geändert werden, wenn von der Differenz- auf die Signalfrequenz oder umgekehrt umgesetzt wird. Somit wird, wenn die Pumpfrequenz so ausreichend hoch ist, daß die Differenzfrequenz wesentlich höher als die Signalfrequenz ist, Rauschen bei der Differenzfrequenz so ausreichend durch den Umsetzungsvorgang gedämpft, daß es in manchen Fällen vernachlässigt werden kann. Andererseits wird das Differenzfrequenzrauschen, wenn die Pumpfrequenz nur etwas höher als die Signalfrequenz ist, bei seiner Umsetzung auf die Signalfrequenz wirksam verstärkt. Infolgedessen wird ein verhältnismäßig niederfrequentes Signal, das in diesem Fall an einen Eingangskoppler gelegt wird, der zwecks Wechselwirkung bei der Differenzfrequenz entwickelt ist, wesentlich verstärkt. Diese Verstärkung tritt zusätzlich zu der parametrischen Verstärkung von Signalen sowohl bei Differenzfrequenz als auch bei der Signalfrequenz auf.

Es sind mehrere Ausführungsformen von praktisch erzielbaren Einrichtungen offenbart worden, die lohnende Verstärkung erzeugen können und erzeugt haben. Solche Vorrichtungen haben sich besonders nützlich bei Ultrahochfrequenzen und noch höheren Frequenzen erwiesen. In bestimmten Ausführungsformen liefert eine äußere aktive Vorrichtung Leistung an eine Elektronenstrahlröhre bei der Signalfrequenz, um Verstärkung eines auf einen Elektronenstrahl aufgedrückten Signals zu entwickeln. Diese Ausführungsformen können, obgleich sie der Entstehung zusätzlicher Rauschenergie unterliegen, die von der äußeren aktiven Vorrichtung abgeleitet wird, so ausgebildet sein, daß die in dem Strahl enthaltene Rauschenergie vor der Signalverstärkung beseitigt wird. Andere Ausführungsformen der Einrichtung nach der Erfindung sind besonders vorteilhaft wegen des wesentlichen Fehlens von Rauschen, das aus der äußeren Energiequelle herrührt, aus der Verstärkung abgeleitet und in dem Strahl bei Frequenzen gekoppelt wird, auf welche die Einrichtung anspricht. Infolgedessen können verstärkte Signale erzeugt werden, die ein Minimum an Rauschenergie enthalten.

In allen Fällen wird Verstärkung durch die Erzeugung eines negativen Widerstandes entwickelt, dem der Strahl unterworfen wird. In den zuerst beschriebenen Ausführungsformen wird dieser negative Widerstand durch eine äußere Vorrichtung entwickelt und dem Strahl aufgedrückt. In den bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung wird der negative Widerstand von dem Strahl selbst auf diesem entwickelt.

Ein wichtiges Merkmal der Einrichtung liegt in ihrer Eigenschaft großer Bandbreite. In bestimmten Ausführungsformen der Einrichtung, und zwar solchen, die mit punktförmig verteilten oder konzentrierten Elektroden in dem Eingangskoppler und Ausgangskoppler beschrieben sind, bestehen die grundsätzlichen Begrenzungen der Bandbreite, obgleich nicht in strengem Umfang, in den Eingangs- und Ausgangskopplerkonstruktionen. In anderen Ausführungsformen, und zwar in denen, die Ubertragungsleitungskoppler in den Eingangs- und Ausgangskopplerabschnitten verwenden, kann die Bandbreite wesentlich vergrößert werden. Die verschiedenen Ausführungsformen des Modulationsexpanders, die erörtert wurden, sind zu einem Betrieb mit außerordentlich breitem Frequenzbereich in der Lage.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Verstärken von elektrischen Wellen nach dem parametrischen Prinzip mittels eines Elektronenstrahls, bei dem das zu verstärkende Signal (Eingangssignal) in den Elektronenstrahl eingekoppelt, danach durch Hineinpumpen von Energie (Pumpenergie) in den Elektronenstrahl verstärkt und schließlich das verstärkte Signal (Ausgangssignal) aus dem Elektronenstrahl ausgekoppelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektronenstrahl durch das Eingangssignal quer zu seiner Ausbreitungsrichtung moduliert wird (transversale Modulation), daß der Verstärkungseffekt dadurch bewirkt wird, daß der so vormodulierte Elektronenstrahl während der Dauer von mehreren Schwingungsperioden einem inhomogenen transversalen elektrischen Wechselfeld (Pumpfeld) ausgesetzt wird, durch welches die durch die Modulation angeregten transversalen Elektronenschwingungen (Elektronensignalschwingungen) vergrößert werden, und daß das Ausgangssignal von diesen vergrößerten Elektronenschwingungen abgenommen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die inhomogene Feldkomponente zeitlich variabel ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Feld zum Vergrößern der Elektronenschwingung ein longitudinales Magnetfeld ist und daß die Querschwingungen durch ein quergerichtetes elektrisches Feld erzeugt werden, so daß die Elektronenschwingung in Form einer Schraubenbewegung der Elektronen um eine parallel zur Strahlrichtung liegenden Achse vor sich geht.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung des Verstärkungseffekts die schnelle Elektronenwelle benutzt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Eintreten des Elektronenstrahls in den die Verstärkung bewirkenden Röhrenabschnitt (Expander) die schnellen

Rauschelektronenwellenkomponenten aus dem Elektronenstrahl entfernt werden.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß dem Elektronenstrahl am gleichen Ort Nutzenergie zugeführt und zugleich Rauschenergie entzogen wird.

7. Verfahren nach Anspruch 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die inhomogene Feldkomponente lediglich die Geschwindigkeit der schnellen Elektronenwellenbewegung erhöht.

8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das inhomogene transversale elektrische Wechselfeld mit solcher Geschwindigkeit umgekehrt wird, daß ein Elektron vier Feldumkehrungen während einer Elektronensignalschwingungsperiode antrifft.

9. Verfahren nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpfrequenz (f_p) wenigstens annähernd das Zweifache der Querresonanzfrequenz der Elektronen (f_c, f_e) beträgt.

10. Verfahren nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das inhomogene transversale elektrische Wechselfeld ein Quadrupolfeld ist.

11. Verfahren nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das inhomogene transversale elektrische Wechselfeld einem elektrostatischen Feld überlagert ist.

12. Verfahren nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Feld zum Vergrößern ein homogenes Magnetfeld darstellt.

13. Verfahren nach Anspruch 1, 2 und 4 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektronenstrahl sich in einem elektrostatischen Feld bewegt.

14. Verfahren nach Anspruch 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz des Eingangssignals wenigstens annähernd gleich der Elektronen ist.

15. Verfahren nach Anspruch 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz des Eingangssignals wesentlich größer oder kleiner als die Querresonanzfrequenz der Elektronen ist.

16. Verfahren nach Anspruch 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß beim Auftreten einer Differenzwelle (/p—/_s), deren Frequenz sich von der Frequenz des Eingangssignals unterscheidet, die der Differenzfrequenz entsprechenden Rauschenergiekomponenten dem Elektronenstrahl entzogen werden.

17. Verstärkungsvorrichtung zum Ausführen des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 16, mit einer Elektronenstrahlquelle zum Erzeugen eines Elektronenstrahls und mit einem Elektronenstrahlauffänger zum Aufnehmen desselben, gekennzeichnet durch einen Signaleinkoppler (23), der von der Eingangssignalquelle (24) gespeist wird und längs der Bahn (21) angeordnet ist, um den Elektronenstrahl in Querrichtung in Abhängigkeit von dem Eingangssignal zu modulieren, so daß den Elektronen Querschwingungen aufgezwungen werden, durch einen Elektronenbahnexpander (25), der mit einem Pumpgenerator (99) verbunden ist, um die inhomogene Feldkomponente zum Vergrößern der Modulation des Elektronenstrahls zu erzeugen, und durch einen längs der Bahn (21) hinter dem Elektronenbahnexpander angeordneten Signalauskoppler (26) zum Abnehmen des verstärkten Eingangssignals aus dem Elektronenstrahl, um hieraus das Ausgangssignal zu bilden.

18. Verstärkungsvorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektronenstrahlquelle (20), der Signaleinkoppler (23), der Elektronenbahnexpander (25) und der Signalauskoppler (26) der Reihe nach längs der Bahn (21) angeordnet sind.

19. Verstärkungsvorrichtung nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Querresonanzfeld in dem Bereich der Bahn (21), der von dem Signaleinkoppler (23), dem Elektronenbahnexpander (25) und dem Signalauskoppler (26) eingenommen wird, eine unterschiedliche Stärke, verglichen mit der Feldstärke in einem anderen Bereich der Bahn, hat.

20. Verstärkungsvorrichtung nach Anspruch 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Signaleinkoppler Ablenkplatten (31, 32) umfaßt mit einer elektrisch wirksamen Länge entsprechend der Wellenlänge der langsamen Elektronenwelle des Elektronenstrahls oder einem ganzen Vielfachen dieser Wellenlänge.

21. Verstärkungsvorrichtung nach Anspruch 17 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß eine zusätzliche Elektronenkopplungsvorrichtung zwischen der Elektronenquelle (20) und dem Elektronenbahnexpander (25) angeordnet und so ausgebildet ist, daß sie den schnellen Wellen des Elektronenstrahls Energie entziehen kann.

22. Verstärkungsvorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Elektronenkopplungsvorrichtung zwischen der Elektronenquelle (20) und dem Signaleinkoppler (23) angeordnet ist.

23. Verstärkungsvorrichtung nach Anspruch 17 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß der Signaleinkoppler (23) und/oder die zusätzliche Elektronenkopplungsvorrichtung einen Übertragungsleitungskoppler (23') umfaßt, der längs des Anfangsbereichs der Bahn (21) angeordnet ist.

24. Verstärkungsvorrichtung nach Anspruch 17 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß der Pumpgenerator (99) eine Frequenz aufweist, die nicht der doppelten Frequenz der Elektronensignalschwingungen entspricht, daß die Elektroden des Elektrodenbahnexpanders (25) so ausgebildet sind, daß dieser bei einer endlichen Phasengeschwindigkeit arbeitet, und daß die Pumpspannungsänderung in bezug auf die Relativbewegung der Elektronen in dem Strahl längs des Elektronenbahnexpanders (25) so groß ist, daß auf jedes Elektron ein Feld wirkt, welches sich annähernd mit der doppelten Frequenz der Elektronensignalschwingung ändert.

25. Verstärkungsvorrichtung nach Anspruch 17 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektronenbahnexpander eine Anzahl Elektroden (98, 99) aufweist, die an gegenüberliegenden Seiten der Bahn (21) angeordnet sind.

26. Verstärkungsvorrichtung nach Anspruch 17 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektronenbahnexpander wenigstens vier einzelne Elektroden (170 bis 173) umfaßt, die symmetrisch in Umfangsrichtung im Abstand voneinander um die Bahn (21) angeordnet sind.

27. Verstärkungsvorrichtung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (170

909 528/188

bis 173) eine allgemein hyperbolische Form haben.

28. Verstärkungsvorrichtung nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden als Übertragungsleitungen (193) ausgebildet sind, die längs der Bahn (21) und in Umfangsrichtung im Abstand voneinander um diese angeordnet sind.

29. Verstärkungsvorrichtung nach Anspruch 26 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (195) schraubenartig gewunden um die Bahn (21) angeordnet sind.

30. Verstärkungsvorrichtung nach Anspruch 27 bis 29, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektronenexpander eine Anzahl Elektroden (170 bis 173) umfaßt, die ein inhomogenes Feld erzeugen, welches einen Bereich verschwindender Feldstärke umfaßt, der im wesentlichen zentrisch zur Bahn (21) liegt.

31. Verstärkungsvorrichtung nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß das inhomogene Feld eine im wesentlichen konstante Inhomogenität aufweist.

32. Verstärkungsvorrichtung nach Anspruch 30 oder 31, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des Feldes in Richtung der Bahn (21) größer ist als der vier Querresonanzperioden der Elektronen entsprechende Weg.

33. Verstärkungsvorrichtung nach Anspruch 17 bis 32, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektronenbahnexpander (25) mit einer Pumpfrequenz betrieben wird, die in solcher Beziehung zur Frequenz der Eingangssignalquelle (24) steht, daß die Elektronenleerwelle, die als Modulationsprodukt der Pumpfrequenz und der Eingangssignalfrequenzen erzeugt wird, eine langsame Welle bildet, die in Richtung auf die Elektronenstrahlquelle (20) läuft, und daß die Verstärkungsvorrichtung einen Abschwächer für die Frequenz der Elektronenleerwelle mit einer längs der Bahn (21) zwischen der Elektronenstrahlquelle (20) und dem Elektronenbahnexpander(25) angeordneten Übertragungsleitung aufweist, deren Übertragungsgeschwindigkeit im wesentlichen gleich der Phasengeschwindigkeit der Elektronenleerwelle ist.

34. Verstärkungsvorrichtung nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Pumpfrequenz zu der Eingangssignalfrequenz so bemessen ist, daß eine rückwärts laufende Signalwelle in dem Elektronenstrahl erzeugt wird, und daß die Elektronenleerwelle, die ebenfalls in dem Elektronenstrahl erzeugt wird, in Laufrichtung hinter dem Elektronenbahnexpander (25) absorbiert wird.

35. Verstärkungsvorrichtung nach Anspruch 33 oder 34, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektronenbahnexpander (25) so ausgebildet ist, daß er außer der radialen Vergrößerung der Elek- -tronenbahnen des Elektronenstrahls gleichzeitig eine schnelle Elektronenleerwelle erzeugt, die das Modulationsprodukt der Pumpfrequenz und der Eingangssignalfrequenzen bildet, daß die Querresonanzfrequenz und die Pumpfrequenz in solcher Beziehung zur Frequenz des Eingangssignals stehen, daß die schnelle Elektronenwelle und die Elektronenleerwellen in entgegengesetzte Richtungen des Elektronenstrahls verlaufen, jedoch mit der gleichen Phasengeschwindigkeit, und daß die Übertragungsleitung eine elektrische Länge entsprechend einem ungeraden ganzen Vielfachen einer Viertelwellenlänge der vorwärts laufenden Welle aufweist.

36. Verstärkungsvorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Pumpgenerator (99) derart mit Elektroden (97,98) des Elektronenbahnexpanders gekoppelt ist, daß diese einen negativen Widerstand für die Elektronen in dem Elektronenstrahl bilden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen