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Elektronenentladevorrichtung Die Erfindung bezieht sich auf Elektronenentladevorrichtungen
und insbesondere auf solche Vorrichtun-en; welche zwischen Kathode und Anode eine,oder
mehrere Gitterelektroden aufweisen und besonders geeignet sind für den Betrieb .bei
ultrahohen Frequenzen, z. B. Frequenzen von der Größenordnung von 3000 Megahertz.
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Die Verwirklichung von Vorrichtungen der vorgenannten Art ist abhängig
einerseits von den Parametern der die Zwischenelektrodenbereiche begrenzenden Elemente
und der Elemente der Koppelungs- oder Übertragungssysteme zwischen den Zwischenelektrodenbereichen
und andererseits von dem der Vorrichtung zugeordneten äußeren Kreis. Genauer gesagt,
sind die Betriebscharakteristiken, wie Verstärkung, Bandbreite, Störverhältnis und
die obere Begrenzung des Betriebsfrequenzbereichs, in weitem Umfange abhängig von
der Größe und Gleichförmigkeit des Abstandes zwischen Kathode und Gitter und des
Abstandes zwischen Gitter und Anode, von der Feinheit und Regelmäßigkeit des Gitters
und von der Größe der durch Temperatureinwirkungen bedingten Veränderungen in der
gegenseitigen Stellung der Elektroden, die während des Betriebes des Gerätes auftreten.
Vom Standpunkt hoher Verstärkung, großer Bandbreite, günstigen Störverhältnisses
und hoher Begrenzung des Frequenzbereiches sind für die Zwischenelektrodenbereiche
kleine, genaue und gleichförmige Elektrodenabstände und die genaue Beibehaltung
dieser Abstände während des Betriebes der Vorrichtung erwünscht.
Das
Koppelungs- oder Übertragungssystem zwischen den Zwischenelektrodenbereichen und
den Klemmen der Vorrichtung, d. h. den äußeren Teilen der zur Kathode, dem Gitter
und zur Anode führenden Leiter, an welche die äußeren Kreise angeschlossen sind,
ist für die Vervollkommnung des Gerätes bedeutungsvoll insofern, als dieses System
in weitestem Umfang die Bedingungen an den Klemmen bestimmt zwecks Verwirklichung
irgendwelcher besonderen Bedingungen in den Elektrodenbereichen. Das bedeutet, daß
das System tatsächlich dafür maßgebend ist, bis zu welchem Ausmaß die erwünschten
elektronischen Bedingungen in den Elektrodenbereichen innerhalb der Vorrichtung
an den Klemmen verfügbar oder ausnutzbar sind.
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Dieses Koppelungs- oder Übertragungssystem sollte daher so ausgeführt
sein, daß die darin auftretenden Verluste und der Einfluß auf die Bandbreite klein
sind und daß außerdem zwischen den Elektrodenbereichen und den äußeren Klemmen gute
Impedanzumformung vorgesehen ist.
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Ein allgemeines Ziel der Erfindung besteht darin, verbesserteBetriebscharakteristiken
fürElektronenentladevorrichtungen und insbesondere für Ultrahochfrequenzvorrichtungen;
welche Steuergitter zwischen einer Kathode und einer Anode aufweisen, zu verwirklichen.
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Im einzelnen zielt die Erfmdug auf folgendes ab: Verwirklichung hoher
Verstärkung, großer Bandbreite und günstiger Störverhältnisse in Ultrahochfrequenzelektronenentladevorrichtungen;
Erzielung extrem kleiner, äußerst genauer und sehr gleichförmiger Abstände zwischen
den Elektroden, insbesondere zwischen der Kathode und Gitter und zwischen Gitter
und Anode, ibei Vorrichtungen der genannten Art; Herabsetzung der Temperatureintlüsse
auf die vorgenannten Abstände auf ein Minimum; Erleichterung der Fertigung von Elektronenentladevorrichtungen
mit in engem Abstand angeordneten Elektroden; Ermöglichung im wesentlichen unbeschränkter
Auswertung der erwünschten, in den Zwischenelektrodenbereichen des Gerätes bestehenden
elektronischen Charakteristik an den äußeren Klemmen einer Elektronenentladevorrichtung;
weitestgehende Herabsetzung der Verluste und entgegengerichteter Übertragungseinflüsse
eines Koppelungssystems zwischen dem Elektronenstrom einer Elektronenentladevorrichtung
und einem äußeren, dem Gerät zugeordneten Kreis.
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Gemäß der Erfindung umfaßt eine Elektronenentladevorrichtung folgende
Teile: ein erstes Trägerglied mit einer ebenen Sitzfläche, eine Kathode, die von
dem Trägerglied gehalten wird und deren Fläche koplanar mit der Fläche des Trägergliedes
ist, ein zweites Trägerglied mit ebener Sitzfläche, eine Anode, die von dem zweiten
Trägerglied gehalten wird und deren Fläche koplanar mit der Sitzfläche des zweiten
Trägergliedes ist, ein ebenes Gitter und Mittel, die den Abstand zwischen Kathodenfläche,
Anodenfläche und Gitter in paralleler Ausrichtung sicherstellen und aus Abstandhaltern
zwischen dem Gitter und den Sitzflächen zwischen dem ersten und zweiten Trägerglied
bestehen. Die Abstandhalter können aus einem ebenen Rahmen bestehen, der das Gitter
trägt und an der Sitzfläche des zweiten Trägergliedes anliegt, und außerdem aus
einem ebenen Abstandglied, das zwischen einer Fläche des Rahmens und der Sitzfläche
des ersten Trägergliedes liegt und mit diesen Flächen in Berührung steht.
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Es empfiehlt sich, die Anode, das Gitter und die Kathode als Konstruktionseinheiten
auszuführen und innerhalb des Gehäuses mittels Niete aus Isoliermaterial in der
richtigen Lage zu halten, welche durch die Trägerglieder hindurchreichen um die
verschiedenen Teile fest miteinander zu verbinden.
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Bei Elektronenentladevorrichtungen der genannten Art sind die Elektroden
so ausgeführt und angeordnet, daß in den Zwischenelektrodenbereichen elektronische
Bedingungen bestehen die im Sinne hoher Verstärkung, wesentlicher Bandbreite und
günstiger Störverhältnisse äußerst förderlich sind, und daß die Elemente des Koppelungs-
oder übertragungssystems zum Anschluß der Elektroden an äußere Kreise in solche
Wechselbeziehung zu den äußeren Klemmen der Vorrichtung gebracht sind, daß die Übertragung
ohne wesentliche Beeinträchtigung der genannten Bedingungen vor sich geht.
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Die wirksamen Elektrodenflächen sind so ausgeführt und angeordnet,
daß nur äußerst kleine und gleichmäßige Abstände bestehen, welche während des Betriebes
der Vorrichtung mit höchster Genauigkeit beibehalten werden; und das Koppelungssystem
ist so ausgeführt, daß ein allmählicher, geometrischer und elektrischer Cbergang
von den Elektrodenbereichen zu den äußeren Kreisen besteht. In einer besonderen
Ausführung ist dieses System so gestaltet, daß es eine doppelte koaxiale Leitung
begrenzt, die mit einem Ende in den Elektrodenflächenendigt und sich durch geringeVerlust-und
Störkapazitäten, minimale, entgegengerichtete Übertragungseinflüsse und einen sehr
hohen Wellenwiderstand des Gitteranodenbereiches auszeichnet.
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Die Erfindung wird aus der folgenden, ins einzelne gehenden Beschreibung
verständlicher, und zwar in Verbindung mit der Zeichnung; in der Zeichnung zeigt
Fig. i eine vorv, iegeticl im Schnitt gehaltene Anbicht einer Elektronenentladevorrichtung
nach einer Ausführungsform der Erfindung, Fig. 2 eine perspektivische Ansicht von
Teilen der bei der Vorrichtung nach Fig. i verwendeten Kathodeneinheit, Fig.3 eine
perspektivische Ansicht mit Darstellung der Konstruktionen und einer Herstellungsart
der Gitterelektrode, Fig.4 eine perspektivishe Ansicht mit Darstellung des zwischen
Kathode und Gitter liegenden Abstandhalters, Fig.5 eine perspektivische Ansicht
mit Darstellung des Stützringes und des zugehörigen federnden Gliedes, die einen
Teil der Elektrodeneinheit bilden, verwendet bei der Vorrichtung nach Fig. 1, Fig.6
eine vergrößerte teilweise Schnittdarstellang,
welche Einzelheiten
des bei der Vorrichtung nach Fig. i verwendeten Überströmkondensators zeigt, Fig.7
ein Teilschnittbild einer anderen Ausführung der Anodeneinheit.
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Die in Fig. t gezeigte Elektronenentladevorrichtung besitzt ein hoch
evakuiertes Gehäuse mit einem Sockel io, durch welchen eine Anzahl von Zuführungsleitern
i i hindurchgeführt ist; die Leiter sind in dein Sockel mittels gläserner Kugelfüllungen
12 hermetisch abgedichtet. Das Gehäuse weist einen rnit Flansch versehenen metallischen
Zylinderteil 13 auf, dessen Flansch mit dem Sockel io, z. B. durch Schweißung oder
Lötung, dicht verbunden ist und dessen anderes Ende teilweise mittels eines Dielektrikums
abgeschlossen ist, z. B. einer aus Glas oder Keramik bestehenden Scheibe 14, die
gegenüber dem Zylinder 13 entlang der Anlagefläche 15 durch metallisches oder glasartiges
Bindemittel abgedichtet ist.
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In dem Gehäuse ist eine zusammenhängende Elektrodenanordnung angebracht,
die aus einem mit Flansch versehenen zylindrischen Metallglied 16 besteht, an welcher
ein ringförmiges, konzentrisch gewähltes Metalldiaphragma 17 befestigt ist. Das
Diaphragma besteht zweckmäßig aus einem Material, z. B. Invar, welches einen sehr
niedrigen thermischen Expansions- und Leitungskoeffizienten hat. Das zylindrische
Glied 16 trägt außen eine dünne Glasur oder keramische Schicht 18, und auf der Schicht
befindet sich ein metallischer Überzug 19, der beispielsweise aus Silber besteht.
Der äußere Durchmesser des Überzuges i9 ist so bemessen, daß der Überzug eng an
der Innenwand des zylindrischen Teils 13 des Gehäuses anliegt. Das zylindrische
Glied 16, der Belag 18 und der Teil 13 bilden zusammen einen zylindrischen Kondensator,
dessen Funktion noch später erläutert werden soll.
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An dem Diaphragma 17 liegt eine Isolierscheibe 20, zweckmäßig aus
Keramik, an, welche eine Kathodenanordnung trägt. Diese Anordnung besteht, wie Fig.
2 deutlich erkennen läßt, aus einer z. B., aus Platin bestehenden Metalischeibe
21, einem z. B. aus Molybdän bestehenden Stempel 22, der in geeigneter Weise an
der Scheibe 21 befestigt ist und einen verbreiterten Kopfteil 23 trägt, und
einer Scheibe 24, die beispielsweise aus Nickel besteht und mit dem Kopfteil
23 durch Schweißung verbunden ist. Bei der Fertigung der Kathodenzusammenstellung
wird die Scheibe 21 in die Scheibe 20 eingegossen; die Oberflächen 25 und 26 der
Isolierscheibe 20 bzw. der Kathode 24 werden gemeinsam mit Hilfe eines geeigneten
Schleifmittels, z.. B. Siliciumkarbid, poliert, so daß sie im wesentlichen in einem
Toleranzbereich von o,oo5 mm koplanar sind; danach wird auf die geschliffene Fläche
26 ein elektronisches Material aufgetragen, welches eine Schicht von vorgeschriebener
und gleichförmiger Dicke, z. 13. in der Größenordnung von o,oi bis 0,02 mm, bildet.
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Die Kathodenzusammenstellung enthält außerdem eine als metallischer
Wärmeschirm dienende zylindrische Einheit 27, welche mit der Scheibe 21 und einem
zylindrischen Metallteil 28 verbunden ist, der an dem Diaphragma 17 hängt. Der Kathodenstempel
22 ist von einem schraubenförmigen Heizfaden 29 eng umschlossen, der z. B. aus Wolfram
besteht und mit einem Isoliermaterial beschichtet ist; die Enden der Heizwicklung
sind an Leite` 30 angeschlossen, die ihrerseits mit bestimmten Zuführungsleitern
i i verbunden sind. Die Leiter 30 tragen einen metallischen wärmereflektierenden
Schirm 31, der übergroß bemessene Öffnungen aufweist, durch welche diese Leiter
hindurchgeführt sind. Der Schirm 31 stützt sich unter Vermittlung eines Trägers
32 auf dem Sockel io ab.
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Gegenüber der beschichteten Kathodenfläche 24 und parallel hierzu
ist ein Gitter 33 aus im wesentlichen parallelen koplanaren Drähten angeordnet.
Die z. B. aus Molybdän bestehenden Drähte sind an einem Rahmen 34 befestigt und
erstrecken sich über eine zentrale, runde Öffnung 35 derselben. Wie an Fig. 3 veranschaulicht,
wird das Gitter 33 dadurch hergestellt, daß man einen dünnen Draht aus z. B. o,oo8
mm starkem Wolfram mit 394 Windungen je Zentimeter auf zwei Rahmen 34 von beispielsweise
o,13 bis o,26 mm Dicke aufwickelt, die mittels eines geeigneten Abstandhalters 36
voneinander getrennt sind. Nach Fertigstellung der Wicklung werden die Drähte mittels
Goldlot in einer Wasserstoffatmosphäre entlang den Kanten 37 auf dem Rahmen befestigt
und danach gegenüber diesen Kanten aufgeschnitten, so daß zwei Gitterrahmen entstehen.
Während der Bewicklung des Gitters wird der Draht unter konstanter Spannung gehalten,
wodurch die Verwirklichung einer ,gleichförmigen Teilung und solcher Bedingungen
erleichtert wird, die für die nochmalige Sicherung , der Drähte während des
Lötvorganges wichtig sind. Nach dem Löten werden in dem Rahmen bogenförmige Einprägungen,
die in Fig. i mit 8o bezeichnet sind, gepreßt, um den Gitterdraht bis zu etwa 2o
bis 300/u seiner Belastbarkeit zu spannen. Auf diese Weise erhält man eine gleichmäßige
Spannung der verschiedenen Gitterdrähte und außerdem eine konstante und kontrollierte
Spannung. Nach dem Zusammenbau der Vorrichtung stehen die Gitterdrähte dauernd unter
Spannung, und die gewünschte parallele, koplanare Anordnung derselben bleibt trotz
der Temperaturschwankungen in den Drähten während des Betriebes der Vorrichtung,
in welcher das Gitter eingesetzt ist, erhalten.
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Der Rahmen 34 ruht auf einem ringförmigen, metallischen Abstandhalter
38, dessen Öffnung 35 mit der Kathodenscheibe 24 koaxial ausgerichtet ist; die Fläche
des Rahmens, auf welcher dieGitterdrähte aufliegen, weist der Kathodenscheibe 24
zu, wodurch der Abstand zwischen Kathode und Gitter bestimmt ist durch die Differenz
zwischen derDicke des Abstandhalters 38 und der Höhe der elektronischen Beschichtung
auf der geschliffenen Fläche des Kathodenträgers 20. ,Der Abstandhalter 38 ist mit
einer ringförmigen Wellung versehen, in welcher ein kanalartiger Metallring 39 festgelegt
ist, und zwar beispielsweise mittels eines Ringes 4o aus 1Jit- bzw. Hartlötmaterial,
wobei die Innenfläche
des Ringes 39 verzinnt ist; zu einem Zweck,
der noch erläutert werden wird. Der Abstandhalter 38 ist außerdem mit mehreren nach
unten weisenden Stutzen 4i versehen, die in Öffnungen 42 der keramischen Scheibe
2o hineinragen; es ist nur eine dieser Öffnungen in der Zeichnung gezeigt. Die Stutzen
41 haben die Aufgabe, ein Entweichen von Hochfrequenzenergie durch die Öffnungen
in dem Gitterrahmen von dem Ausgangsbereich in den Eingangsbereich zu verhindern.
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Auf dem Gitterrahmen 34 ruht eine napfförmige Anodenstütze 43 aus
Isoliermaterial, z. B. Keramik, in welcher die Anode 44, zweckmäßig aus nichtrostendem
Stahl oder Kupfer, festgelegt ist. Die in Fig. i untenliegende Fläche der Anode
und die Randfläche der Stütze 43 werden gemeinsam mittels eines geeigneten Schleifmittels,
z. B.. Siliciumkarbid, geschliffen, damit sie im wesentlichen koplanar sind, wodurch,
wie ersichtlich, der Abstand zwischen Anode und Gitter festgelegt ist durch die
Dicke des Gitterrahmens 34. Die Anode ist mit einer Verlängerung 45 versehen, welche
in einer Ausnehmung in dem geschlitzten inneren Ende eines Zuführungsleiters 46
passend sitzt. Der Leiter 46 ist innen verzinnt. wie bei 52 angegeben ist. Der Leiter
46 ist in einem Isolierteil 47, der aus Keramik oder Glas ibestehen kann, entlang
der Berührungsfläche 48 gedichtet, und der Teil 47 ist seinerseits längs der Stoßflächen
49 gegenüber einem zylindrischen Zuführungsleiter 5o abgedichtet, der koaxial zu
dem Leiter 46 liegt und mit der Glas- oder Keramikscheibe 14 entlang der Flächen
5i dicht verbunden ist.
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Die 1,#athode, die Anode und das Gitter bilden eine zusammenhängende
Einheit, zu der auch ein Körper 53 aus Isoliermaterial, z. B. Keramik, gehört; die
Teile werden in gestapelter, koaxialer Anordnung mittels mehrerer, z. B. drei keramischer
Bolzen 54, zusammen verspannt, die an ihren Enden aufgeschmolzene Glaskugeln 55
tragen und durch die einzelnen Teile hindurchgreifen. Die Glaskugeln an einem Ende
der Einheit liegen auf der Anodenstütze 43 auf; die am anderen Ende vorgesehenen
Glaskörper 55 sind in die Stutzen 56 des Stützringes 57 eingeschmolzen. Wie Fig.
5 deutlich veranschaulicht, liegt der Stützring an einer tellerförmigen Metallfeder
58 an, die sich ihrerseits gegen den Körper 53 legt.
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Bei der Fertigung des Gerätes werden der Zylinder 13, die Leiter 46
und 50 und die Glas- oder Keramikscheiben 14 und 47 als zusammenhängender
Konstruktionsteil hergestellt. Die zusammenhängende, weiter oben erläuterte Elektrodenzusammenstellung
einschließlich des Zylinders 16 mit Beschichtung 18 und Belag i9 wird in den Zylinder
13 so eingesetzt, daß der Leiter 5o in den kanalförmigen Ring 39 eingreift
und die Anodenverlängerung 45 in den Leiter 46 eingeführt wird. Durch geeignete
Erhitzung wird der Leiter 5o im Kanalring 39, dessen Innenfläche, wie bereits gesagt,
verzinnt ist, festgelötet; in entsprechender Weise wird die Anodenverlängerung 45
mit dem Leiter 46 durch Lötung verbunden. Eine dritte Konstruktionseinheit, die
aus dem Sockel io, dem Wärinereflektorschirm 31 und der Heizwicklung 29 besteht,
wird danach in den Zvlinder 13 eingebaut, wonach der am Zylinder 13 vorgesehene
Flansch mit dem Sockel io durch Lötung oder Schweißung verbunden wird.
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Das Gehäuse läßt sich mittels eines vom Sockel io ausgehenden Absaugrohres
59 evakuieren. Ein von einem Draht 6o, der zwischen zwei Zuführungsleitern ii eingeschaltet
ist, gehaltenes Gitter ist ,°orgesehen und kann während der Evakuierung der Vorrichtung
ibetätigt werden. Um die Entgasung der inneren Teile der Elektrodeneinheit zu ermöglichen,
sind radial verlaufende Rillen 70, 74 und 75 in dem Kathodenträger 20, dem Anodenträger
43 und in dem Sockelisolator 53 vorgesehen; außerdem weisen die Scheibe 21 und der
Anodenträger 43 Öffnungen 71 bzw. 72 auf. Schließlich sind Offnungen 73 in
dein Gitterleiter 5o vorgesehen.
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In elektrischer Hinsicht bilden die Anode und das Gitter parallele,
ebene Elektrodenflächen an den Enden der koaxialen Leitung, die aus den Leitern
46 und 5o besteht. Die wirksame Kathodenfläche verläuft parallel zu der Anode und
zum Gitter und ist leitend mit dein Zylinder 16 verbunden, der seinerseits an einen
der "Zuführungsleiter i i angeschlossen ist, und zwar unter Vermittlung eines Verbindungsdrahtes
61. Für Wechselstrom ist die Kathode an den "Zylinder 13 angeschlossen, welche koaxial
zu den Leitern 46 und 5o liegt; der Anschluß erfolgt über den Kondensator, der von
den Zylindern 13 und 6o und der dielektrischen Schicht i8 gebildet wird. Auf diese
Weise entstehen koaxiale Eingangs- und Ausgangssysteme, die in parallelen und ebenen
Elektrodenflächen endigen. Aus der Konstruktion und der Zueinanderordnung der Elektroden
ist nach der gegebenen Erläuterung verständlich, daß die wirksamen Elektrodenflächen
außero'r'dentlich genau parallel zueinander und eben verlaufen und daß sie in dieser
Lage während des Betriebes der Vorrichtung gehalten werden. Außerdem bestehen außergewöhnlich
kleine Elektrodenabstände, die für den Abstand zwischen Kathode und Gitter in der
Größenordnung von o,oi bis o,o2 mm und für den Abstand zwischen Gitter und Anode
in der Größenordnung von o,13 bis 0,26 mm betragen, wodurch. die Elektronendurchgangszeiten
auf ein Minimum verkürzt werden und hohe Überleitfähigkeit, günstiges Störverhältnis
und große Bandbreite erzielt werden.
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Wie bereits angegeben wurde, ist die Koppelung zwischen dem Elektronenstrom
und dem äußeren Kreis von erhöhter Bedeutung für die Vervollkommnung des Gerätes.
Bei dem dargestellten Gerät sind die Parameter der Elemente, die diese Koppelung
:bilden, in solche Wechselbeziehungen gebracht, daß .eine optimale Leistungsfähigkeit
über den Arbeitsbereich geschaffen ist, insbesondere bei Frequenzen im Bereich der
Mikrowellen. Es sei bemerkt, daß wegen der koaxialen Anordnung des Zylinders 13
und der Leiter 46 und 5o, der parallelen Zueinanderordnung der Elektrodenflächen
und der Form und Anpassung der Verbindungen
zwischen den Elektroden
und den Leitern ein geometrisch sanfter Übergang zwischen den Zwischenelektrodenräumen
und einer äußeren doppelkoaxialen Leitung erzielt ist, die an die koaxialen Leiter
13, 16 und 5o angeschlossen ist. Da außerdem der Durchmesser des Leiters
46, der der Anode zugeordnet ist, klein ist zum Verhältnis des Leiters ;o der zum
Gitter gehört, ist der Wellenwiderstand des Gitteranodenbereiches sehr hoch. Außerdem
sind wegen der Form und im wesentlichen Gleichheit des Durchmessers der Elektroden
und ihrer Träger die Störkapazitäten extrem klein.. Dazu kommt, daß die Teile 14
und 47 im wesentlichen an Schwingungsbäuchen.in dem Kathoden-Gitter- und Gitter-Anoden-System
angeordnet werden können, wodurch Verluste und entgegengerichtete Übertragungseffekte
in bestimmten festliegenden Wellenbereichen auf ein Minimum zurückgeführt werden.
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Eine andere Anodenanordnung, die sich für die Verwendung bei einem
Gerät nach Fig. i eignet, ist in Fig.7 veranschauljcht und besteht aus einem keramischen
Trage; 62, in welchem eine Scheibe63, z. 13. durch Eingießen, eingebettet ist. Die
Scheibe trägt einen Stutzen 6:;, an welchem eine Anodenscheil)e 65, die beispielsweise
aus Zirkon besteht, befestigt ist. Die Flächen 66 und 67 der Anodenscheibe 65 und
des Trägers 62 sind geschliffen, um dieselben genau koplanar zu machen.
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Obwohl eine besondere Ausführungsform der Erfindung dargestellt und
beschrieben wurde, so ist es doch verständlich, daß dies nur zur Erläuterung geschah
und daß verschiedene Abweichungen vorgenommen werden können, ohne daß von dem Wesen
und dem Geist der Erfindung abgewichen wird.