DE836053C - Verstaerker fuer kurze elektrische Wellen unter Verwendung eines mehrere Wellenlaengen langen Entladungsraumes - Google Patents

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein Elektronenröhrenverstärker, der dazu dient, elektrische Schwingungen zu verstärken, sei es für den Zweck der Erzeugung elektrischer Schwingungen oder der der Verstärkung vorhandener Schwingungen. In erster Linie ist die Erfindung für das Gebiet der Mikrowellen anwendbar. Sie ist jedoch nicht darauf beschränkt, sondern kann auch für längere Wellen benutzt werden.

Eines der wesentlichsten Merkmale der Erfindung ist es, eine Verstärkung in einer Elektronenentladungsröhre dadurch zu erzielen, daß Elektronen, die diese Röhre mit verschiedenen Geschwindigkeiten durchwandern, sich wechselseitig beeinflussen.

Eine andere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Raumladungswelle mit negativer Dämpfung zu erzeugen. Mit anderen Worten ausgedrückt bedeutet dieses, Raumladungswellen zu erzeugen, deren Amplitude beim Durchwandern des Entladungsraumes mit der zurückgelegten Strecke zunimmt.

Wesentlich ist weiterhin, daß es nach der Erfindung möglich ist, in einer Elektronenströmung eine Verstärkung zu erzielen, ohne daß eine Wechselwirkung zwischen einem Elektronenstrom und einem Leiter oder einem anderen stromführenden Element notwendig ist.

Ein weiteres Merkmal besteht darin, daß eine Verstärkung durch wechselseitige Beeinflussung zwischen benachbarten Elektronenströmen verschiedener Geschwindigkeit bzw. zwischen verschieden schnellen Komponenten eines Elektronenstromes erzielt wird.

Ausführungsformen des Erfindungsgedankens verwirklichen das neue Verfahren und die neuen Mittel zur Verstärkung durch Verwendung mehrerer, l>eispielsweise zweier Elektronenströme oder Komponenten von Elektronenströmen, die sich in ihrer Geschwindigkeit unterscheiden, als Ergebnis der Wechselwirkungen, die zwischen den Strömen oder Stromkomponenten während ihres Wanderns durch einen evakuierten Raum auftreten.

ίο Andere Merkmale der Erfindung sind: erhöhte Verstärkung über breiteBänder, verbesserte Arbeitsweise von Kurzwellenverstärkern und-schwingungserzeugern, Vereinfachung der Geräte und wirksame Verstärkung von Schwingungen im Zentimeter- und Millimeterbereich.

Wenngleich die Erfindung von manchen Ausführungsformen und Teilen Gebrauch macht, die bei geschwindigkeitsmodulierten Geräten und bei Röhren mit wandernden Feldern benutzt werden, so bringt sie doch einen grundsätzlich neuen Gedanken der Arbeitsweise, der auf der Entdeckung einer Raumladungswelle beruht, und zwar tritt diese negative Dämpfung dann auf, wenn zwei Elektronenströme von genügender Stromdichte und etwas verschiedenen Geschwindigkeiten nebeneinander in einem evakuierten Entladungsraum fließen. Unter einer Raumladungswelle mit negativer Dämpfung wird hierbei eine solche verstanden, bei der die Amplitude mit der Strecke zunimmt, die die Welle durchwandert.

In Verstärkern, die mit Geschwindigkeitsmodulation arbeiten, um die Lagebeziehungen von Elektronen in Längsrichtung des Stromes zu wandeln, und die eine Laufstrecke besitzen, in der eine sogenannte Laufzeitkompression stattfinden kann, wird die Verstärkung dadurch erzielt, daß man einen abgestimmten Kreis, z. B. einen Resonanzhohlraum, an einem solchen Punkte im Zuge des Elektronenstromes anordnet, daß die gebündelten Elektronen durch das Feld dieses Kreises in Gegenphase zu der elektromagnetischen Welle innerhalb dieses Kreises hindurchlaufen. Die gegenseitige Beeinflussung zwischen der in dem Kreis fließenden Welle und den gebündelten Elektronen verlangsamt die Vorwärtsbewegung der letzteren und absorbiert auf diese Weise einen Teil ihrer Energie. Dadurch wird die Amplitude der Welle in dem Kreis vergrößert.

In gewöhnlichen Röhren mit wandernden Feldern findet eine ununterbrochene Wechselwirkung zwischen einem Elektronenstrom und dem Feld eines Stromes statt, der in einem parallel zum Elektronenstrom verlaufenden Leiter fließt. Die Phasenbeziehungen zwischen dem Elektronenstrom und dem Strom, der in dem benachbarten Leiter fließt, sind hierbei so, daß von dem Elektronenstrom auf den Leiterstrom Energie übertragen wird, und zwar gleichmäßig längs des Weges. Auch hierbei wird die Vorwärtsbewegung der Elektronen verlangsamt.

Hei diesen beiden Verstärkerformen findet eine Umwandlung der Bewegungsenergie des Elektronenstromes in elektromagnetische Energie eines in einem Resonator, Leiter od. dgl. fließenden Stromes statt. Diese Arbeitsweise hat etwas von der Xatur eines mechanischen wie auch eines elektromagnetischen Vorganges an sich. Ob nun ein Elektron des Elektronenstromes das an einem Spalt des Kreises herrschende Feld erhöht oder die Größe der Bewegung von Ladungen längs eines Leiters wachsen läßt, d. h. den Strom verstärkt, so findet in jedem Falle eine Rückwirkung auf die gespeicherte elektrische Energie (Kapazität) und die gespeicherte magnetische Energie (Induktivität) des Kreises statt. In solchen Systemen sind die gespeicherte elektrische Energie und die gespeicherte magnetische Energie einander gleich.

Im Gegensatz zu allen solchen Arten der Ver-Stärkung, die eine Zusammenfassung mechanischer und elektromagnetischer Wirkung darstellen, erzielt die vorliegende Erfindung eine Verstärkung auf einem Wege, der als elektromechanisch bezeichnet werden könnte. Es ist anzunehmen, daß durch diese Erfindung zum ersten Male eine elektromechanische oder Raumladungswelle erzeugt worden ist, die in Längsrichtung durch einen evakuierten Räum vorangetrieben wird, und zwar mit einer Amplitude, die mit dem zurückgelegten Wege zunimmt. Es werden zwei Elektronenströme oder Stromkomponenten verschiedener Geschwindigkeit benutzt. Die Verstärkung der Welle erfolgt in den Elektronenströmen selbst, und zwar auf Grund der gegenseitigen Beeinflussung, die zwischen den Elektronen in den Strömen stattfindet, während bisher eine Verstärkung noch niemals anders erzielt worden ist als durch Zusammenwirken mit einem Stromleiter od. dgl. Da bei der Verstärkung nur eine elektromechanische Wirkung vor sich geht, ist die Aufgabe der Induktivität oder der magnetisch gespeicherten Energie, die bei den vorstehend behandelten Verstärkern mit Geschwindigkeitsmodulation und wandernden Feldern so wichtig ist, durch die Masse der Elektronen ersetzt. Auch hier gibt es magnetische Felder, aber die magnetisch gespeicherte Energie ist sehr viel kleiner als die elektrisch gespeicherte Energie und spielt keineswegs eine wesentliche Rolle.

Von dem letzten Gesichtspunkte ausgehend kann man sagen, daß die Erfindung ein Paar elektrischer Ströme zur Voraussetzung hat, von gleicher oder verschiedener Geschwindigkeit, die beide durch das gleiche Zeichen moduliert werden, und zwar in bezug auf die Elektronengeschwindigkeit, oder beides, sei es, daß beide Ströme gesondert moduliert werden oder der eine durch die Einwirkung des anderen. Beide Ströme sind elektrisch miteinander gekoppelt, beispielsweise auf Grund ihres benachbarten Verlaufes ,oder auf andere Weise, und zwar in zahlreichen Punkten, so daß also die Laufzeit der Elektronen in dem einen Strom zwischen zwei Kopplungspunkten verschieden ist von der Laufzeit der Elektronen des anderen Stromes zwischen den entsprechenden Kopplungspunkten. Unter diesen Voraussetzungen ergibt sich folgendes: Wenn ein Zeichen einem oder beiden Strömen aufgedrückt wird, sind die Elektronenkonvektionsströme der beiden Ströme nicht miteinander in Phase, sondern weisen eine Phasendifferenz gegeneinander auf. Diese Phasendifferenz hat zur Folge, daß von dem einen Elektronenstrom kinetische Energie auf den anderen

übertragen wird und daß die Amplitude der Wechselkomponente des Konvektionsstroms beider Bündel zunimmt.

Nachdem die Verstärkung in den Bündeln selbst stattgefunden hat, ist ein Schaltelement erforderlich, um die Energie abzunehmen und sie in einen Kreis oder ein System überzuleiten, wo sie verwertet werden soll. Für diesen Zweck kann beispielsweise ein Resonator benutzt werden. Ein solches Schaltelement, beispielsweise also ein Resonator, dient jedoch nur dazu, eine Wellenform, nämlich die elektromechanische im Elektronenstrom, in eine andere, nämlich die elektromagnetische im Ausgangskreis, umzuwandeln und ist keineswegs als Element anzusehen, das für die Erzeugung der Verstärkung wesentlich wäre. Dieses ergibt sich aus folgender Tatsache: Wenn der Verstärker nach vorliegender Erfindung benutzt wird, um ungedämpfte Schwingungen zu erzeugen, so schwingt die Anordnung ohne Rücksicht darauf, wie niedrig der Scheinwiderstand des Resonators oder der Resonatoren ist, die dazu dienen, die Schwingungen abzunehmen oder die Ströme zu modulieren.

Die nach der Erfindung erzeugte Verstärkung kann daher im wesentlichen als solche ohne elektrischen Kreis bezeichnet werden, da die Verstärkung in den Wellen der Elektronenbündel erfolgt, und zwar ohne die Notwendigkeit des Zusammenwirkens eines solchen Elektronenbündels mit Resonatoren, Übertragungslinien od. dgl.

Tn Anordnungen, die mit einem einzelnen Elektronenstrom arbeiten, wie bei dem Verstärker mit Geschwindigkeitsmodulation, spielt eine Raumladuugswelle, d. h. eine elektromechanische Welle, eine Rolle, die längs des Bündels wandert. Ein Nutzeffektwird dabei nicht erzielt. Analytisch betrachtet handelt es sich da1)ei um zwei Wellen, die ursprünglich hinsichtlich des Konvektionsstromes außer Phase und der Geschwindigkeitsmodulation in Phase sind. Während sie das Elektronenbündel entlangwandern, überholt die eine die andere, und sie werden gleichphasig in bezug auf den Konvektionsstrom und phasenungleich hinsichtlich der Geschwindigkeitsmodulation. Keine der beiden Wellen aber wird mit der zurückgelegten Entfernung größer. Um einen Nutzeffekt zu erzielen, sind Resonatoren von hohem Scheinwiderstand erforderlich, die mit dem Elektronenbündel zusammenarbeiten.

Die Doppelbündelverstärkerröhre nach der Erfiudung möge beispielsweise einen Resonator oder eine kurze Spule in der Nähe der Kathode besitzen, um das Elektronenbündel geschwindigkeitsmäßig zu modulieren, und einen anderen Resonator oder eine kurze Spule nahe dem anderen Ende der Röhre, um die Energie abzunehmen. Hiermit kann ein Nutzeffekt erzielt werden, unabhängig davon, wie niedrig der Scheinwiderstand dieser Resonatoren oder der Spulen auch sei, wie es auch schon für den Fall des Schwingungserzeugers ausgeführt wurde. Es ist nur notwendig, den Abstand zwischen den Eingangsund den Ausgangsresonatoren bzw. den entsprechenden Kopplungselementen groß genug zu machen, da die Verstärkung in den Wellen des Elektronenstromes erfolgt. Es trifft zu, daß ein höherer Scheinwiderstand der Resonatoren oder entsprechenden Kopplungsmittel zu besseren Ergebnissen führen kann und daher praktisch zu benutzen ist. Aber ein Nutzeffekt kann in jedem Falle unabhängig von ihrem Scheinwiderstand erzielt werden. Jedes der Elektronenbündel wirkt mit dem anderen Bündel zusammen, um die Verstärkung zu erzeugen, und nicht mit einer elektromagnetischen Schwingung in einem elektrischen Kreis.

Eine Eigenheit allerdings beim Gebrauch von zwei Bündeln zur Erzielung eines Nutzeffekts ist zu erwähnen: Sie besteht darin, daß eine Verstärkung nicht erzielt wird, wenn nicht die Stromdichte in den Bündeln einen bestimmten Mindestwert überschreitet. Der Grund hierfür ist im Augenblick noch nicht völlig klargestellt. Es ist diese Tatsache aber ein deutliches Zeichen für den grundsätzlichen Unterschied zwischen der elektromechanischen Wechselwirkung, von der die Erfindung Gebrauch macht, und der Wechselwirkung zwischen einem Elektronenbündel und einem elektrischen Leiterstrom, wie sie bei den bekannten Geräten zur Verstärkung benutzt wird, beispielsweise in mit wandernden Feldern arbeitenden Röhren od. dgl. Die Raurnladungswelle bei dem Doppelbündelverstärker nach der Erfindung wächst bei niedrigen Pegeln mit dem in Längsrichtung der Bündel zurückgelegten Wege nach einer Exponentialfunktion.

Bisher hal>en sich immer Schwierigkeiten bei den Bemühungen zur Verstärkung sehr kurzer Wellen insofern ergeben, als es sich darum handelte, einen Kreis mit niedrigen Verlusten zu schaffen und das Elektronenbündel nahe genug an diesen Kreis heranzubringen, um eine angemessene Kopplung zu erzielen, ohne dabei aber Elektronen dadurch zu verlieren, daß sie auf diesen Kreis auf treffen.

Diese Schwierigkeiten sind bei der Anordnung nach der Erfindung überwunden, da praktisch ein Bündel als Kreis für das andere wirkt. Auf diese Weise sind Widerstandsverluste vermieden, und eine enge Kopplung ohne Zusammenprallen kann einfach dadurch erreicht werden, daß die Bündel verschiedener Geschwindigkeiten sich miteinander vermischen.

In der nachfolgenden genauen Beschreibung wird gezeigt werden, wie man vorgehen muß, um die Abmessungen von Verstärkern nach dieser Erfindung zu berechnen, wobei man von den grundsätzlichen Gedanken ausgeht, die vorstehend zunächst allgemein erörtert sind. Es werden auch anschauliche Beispiele von Röhren und Ausführungsformen gegeben, die den Erfindungsgedanken verwirklichen. Es ist anzunehmen, daß der Grundgedanke der Erfindung zur Verwirklichung und zum Gebrauch in einer großen Vielzahl von Ausführungsformen geeignet ist. Die hier gezeigten besonderen Ausführungs formen sollen daher nicht als Beschränkung auf diese Formen angesehen werden, sondern nur als Beispiele. In den Zeichnungen ist folgendes dargestellt:

Fig. ι zeigt im Längsschnitt eine Ausführungs- 1*5 form eines Verstärkers nach der Erfindung;

Fig. 2 stellt einen Querschnitt durch die Anordnung nach Fig. ι längs der Linie 2-2 dar;

Fig. 3 zeigt im Längsschnitt eine andere Ausführungsform eines Verstärkers nach der Erfindung; Fig. 4 und 4 A stellen ähnliche Ansichten von wieder anderen Ausführungsformen der Erfindung dar; F"ig. 4 B zeigt eine Einzelheit der abgeschirmten Kathode nach Fig. 4 und 4 A;

Fig. 5 bis 7 bringen weitere Beispiele für den Bau von Kathoden nach der Erfindung;

F'ig. 8 bis 12 bringen verschiedene Ausführungsformen, wie sie benutzt werden können, um das schnellere Elektronenbündel von dem langsameren zu trennen, bevor die Ausgangsschwingungen abgenommen werden;

Fig. 13 zeigt eine andere Form der Ankopplung des Ausgangs, die an die Stelle derjenigen nach Fig. 3 gesetzt werden kann, und zwar rechts von der Linie X-X;

Fig. 14 bis 16 schließlich bringen graphische Darstellungen, auf die l>ei der Beschreibung der Wirkungsweise Bezug genommen wird.

In den Fig. 1 und 2 ist ein langgestrecktes, zylindrisches Gehäuse 10 dargestellt. Dieses ist evakuiert und an seinem linken Ende mit einer zentral angeordneten Kathode 11 sowie einer ringförmigen Kathode 12 versehen, die die Kathode 11 umschließt. Die Kathode 11 wird durch die Stirnfläche eines Metallrohres 13 gebildet, in dessen Innerem sich eine Heizspule 14 befindet. Kathode 12 hingegen wird durch die Stirnkante eines Ringes 15 gebildet. Dieser Ring 15 hat einen rückwärtigen Flansch 16, der außen einen Hohlraum zur Aufnahme der Heizspule 17 bildet. Die emittierenden Oberflächen können in der Weise hergestellt werden, daß die dazu dienenden Teile mit einem entsprechenden Überzug versehen werden. Eine gemeinsame Zuleitung für die Kathode 12 und eine Klemme der Heizspule 17 wird durch eine Glasperle 19 nach außen zu dem positiven Pol einer Batterie 18 geführt. Zwischen der Perle 19, der Röhre 10 und dem Leitungsdraht wird eine vakuumdichte Verschmelzung angebracht. Die anderen Leitungsdrähte, die durch die Bodenfläche nach außen führen, werden in gleicher Weise durch Glaseinschmelzungen gehalten. Die andere Klemme der Heizspule 17 ist mit dem anderen Pol der Batterie 18 verbunden. Eine Klemme der Heizspule 14 ist mit einem Pol der Batterie 21 verbunden, während die gemeinsame Zuleitung für die andere Klemme der Spule 14 und der Kathode 11 mit dem anderen Pol der Batterie 21 verbunden ist. Eine positiv vorgespannte zylindrische Elektrode 22 ist konzentrisch zu den Kathoden 11 und 12, und zwar zwischen diesen, angeordnet. Sie dient dazu, die Elektronen l>eider Kathoden zu l>eschleunigen, und ist an einen Punkt 23 der unterteilten Batterie angeschlossen, der eine höhere positive Spannung besitzt als alle beiden Kathoden. IIierl>ei ist die Kathode 11 stärker positiv als die Kathode 12, und zwar um denjenigen Teil der Batterie 30, der zwischen den Anschlußpunkten 24 und 18 liegt.

Die aus Metall, beispielsweise Kupfer, bestehende Hülle 10 ist mit einem Punkt der Batterie 30 verbunden, der ein noch höheres positives Potential besitzt als die Kathoden. Eine Spule 27, die aus einer nicht dargestellten Batterie oder ähnlichen Stromquelle mit Gleichstrom gespeist wird, bewirkt eine magnetische Bündelung der beiden von den Kathoden ausgehenden Elektronenbündel. Eine Anode 28 am rechten Ende ist mit dem am stärksten positiven Punkt der Batterie 30 verbunden.

Die aufgezählten Teile dienen dazu, in Längsrichtung des Rohres 10 zwei konzentrische Elektronenbündel auszusenden, die unterschiedliche Geschwindigkeiten besitzen. Das in der Mitte verlaufende Elektronenbündel hat eine geringere Geschwindigkeit, da das Potential seiner Kathode 11 stärker positiv ist als das der Kathode 12, die das äußere Bündel erzeugt. Die beschleunigende Gleichspannung ist daher für das äußereElektronen' bündel größer als für das innere. Dieses hat zur Folge, daß eine Raumladungswelle erzeugt wird, die in Richtung von links nach rechts wandert und in ihrer Amplitude zunimmt, vorausgesetzt, daß bestimmte Werte geeignete Größen aufweisen, und zwar handelt es sich bei diesen Werten grundsätzlich einmal um die Differenz der Geschwindigkeit zwischen den beiden Elektronenbündeln und zweitens um die Stromdichte in den Bündeln. Auch ist es wichtig, daß die Strecke, die die Bündel durchwandern können, mehrere Wellenlängen beträgt, bezogen auf die Frequenz der Raumladungswellen, denn je größer diese Strecke ist, um so größer ist die Amplitude, die zum Schluß von dieser Welle erreicht wird, und zwar hinauf bis zu einem asymptotischen Grenzwert.

Um die Raumladungswelle zur Verstärkung ankommender Wellen zu benutzen, müssen geeignete Mittel vorgesehen werden, um eines oder beide Bündel in der Nähe ihres Ursprunges durch die zu verstärkende Welle zu modulieren, sowie auch Mittel, um die verstärkte Wellenenergie von einem oder beiden Bündeln in der Nähe ihres Endpunktes abzunehmen. Diese Mittel können von verschiedener Art sein. Einige davon sind in den einzelnen Figuren dargestellt und werden an Hand dieser beschrieben.

Die in Fig. 1 veranschaulichte Anordnung zum Modulieren stellt eine Drahtspule 32 dar, die von keramischen Stäbchen 33 getragen wird oder auch auf der inneren Fläche eines keramischen Zylinders befestigt sein kann. Diese Spule umgibt beide Bündel für eine gewisse Strecke im Anfang ihres Weges. Der Zuleitungsdraht 34 wird von einem geeigneten Punkt der Spule über einen Kopplungskondensator 36 und einen gleichachsigen Leiter 37 nach außen geführt. Der Anzapfungspunkt auf der Spule und die Bemessung des Kondensators 36 werden so gewählt, daß sich eine Anpassung des Scheinwiderstandes zwischen dem äußeren Eingangskreis und der Spule ergibt. Eine richtige Anpassung des Ausgangs wird am entgegengesetzten Ende der Spule dadurch erzielt, daß Verlustmaterial 35, beispielsweise feine Metallteilchen oder Kohle, an die keramischen Stäbchen 33 oder an ihrer

Oberfläche in der Nähe dieses Endes eingeschlossen wird.

Wenn die Spule kurz ist und die Ausbreitungsgeschwindigkeit längs der Spule in Richtung der Mündel den Bündelgesehwindigkeiten na'hekommt, beispielsweise den Mittelwert davon bildet, so werden beide Bündel durch die zugeführten Wellen in ihrer Geschwindigkeit moduliert. Wenn die Spule länger ist und wenn die Fortpflanzungsgeschwindigkeit längs der Sj)LiIe die gleiche ist wie die bei einem der beiden Handel, so wird die Geschwindigkeit dieses Bündels moduliert, die Geschwindigkeit des andern Bündels dagegen nicht.

I )as in I'ig. ι gezeigte Mittel zum Abnehmen der verstärkten Welle ist gleichfalls eine Spule 39, die die Klektronenbündel in der Nähe des lindes ihrer Bahn umschließt. Auch diese Spule ist nach außen, in diesem Falle mit dem Ausgangskreis 44, von einer Anzapfung der Spule ül>er einen Kopplungskondensator 40 und einen gleichachsigen Leiter 41 verbunden. Auch hier ist durch Verlustmaterial 42 dafür gesorgt, daß der Widerstand am entgegengesetzten Ende der Spule angepaßt ist.

Es kann in manchen Fällen erwünscht sein, die Ausgangsspule 39 nur mit dem äußeren Bündel zu koppeln. Dies kann erreicht werden, indem man die Anode 28 als axialen Stab ausbildet, der durch die Spule so hindurchragt, daß er das mittlere Bündel auffängt, bevor es in die Spule eintritt. An dieser Elektrode 28 ist dann eine Schulterplatte 43 vorgesehen, die dazu dient, das äußere Bündel aufzufangen, nachdem es durch die Spule hindurchgelaufeu ist.

In Eig. 1 wie auch in den weiterhin folgenden Figuren sind in erster Linie die elektrischen Gesichtspunkte l>etont worden und weniger die mechanischen der Anordnung. Es ist nicht versucht worden, im einzelnen auszuführen, wie die verschiedenen Bauelemente in ihrer gegenseitigen Lage gehaltert werden und wie ihre Zusammenfassung bewirkt wird; denn es wird angenommen, daß alle diese Einzelheiten sich in bekannter Weise aus dem mechanischen Teil der Vakuumröhrentechnik ergeben. Es wird hier nur darauf hingewiesen, daß bei der praktischen Ausführung geeignete Träger notwendig sind, um die einzelnen Teile in genauem Abstand voneinander zu halten und dadurch die Möglichkeit zur Anwendung der notwendigen elektrischen Spannungen zu geben. Die Metallhülle 10 kann in gewöhnlicher Weise ausgepumpt werden sowie auch zugeschmolzen mit Hilfe eines nicht dargestellten Glasrohres, das an diese Hülle angeschweißt wird, oder aber auch sonst auf irgendeine Weise, wie sie bei der Herstellung von Vakuumröhren mit Metallkörpern benutzt wird.

Bei der Arbeitsweise der in Fig. 1 beschriebenen Anordnung kann der gesamte Elektronenstrom, der aus zwei von den Kathoden 11 und 12 ausgehenden Bündeln verschiedener Geschwindigkeit gebildet wird, dazu benutzt werden, eine Raumladungswelle zu unterhalten, die in der Richtung wandert, in der die Elektronen-ausgesandt werden. Diese Raumladungswelle kann eine starke negative Dämpfung ! haben, die auf dem Wege der Welle mit jeder Wellenlänge bis zu mehreren Decibel . ansteigen kann, sofern bestimmte Bedingungen bezüglich der Stromdichte und der Geschwindigkeitstrennung erfüllt sind. Unter Geschwindigkeitstrennung ist hierbei die Differenz der Geschwindigkeiten der beiden Elektronenstrahlen zu verstehen. Die Richtlinien hierfür werden später bei der Erläuterung eines Verfahrensbeispiels gegeben werden. Wenn unter solchen Voraussetzungen in der Nähe des Kathodenendes der Röhre eine Geschwindigkeitsmodulation erzeugt wird, so wird eine wachsende Welle von Strom, Feld und Geschwindigkeit das Rohr entlangwandern. Diese Modulation wird nach Fig. 1 dadurch erzielt, daß das Zeichen oder die sonstigen Eingangswellen über den Draht 34 auf die Spule 32 ge-J leitet werden, wobei sich die Wirkung ergibt, daß : die Geschwindigkeit des von der Kathode 12 ausgehenden äußeren Bündels moduliert wird. Diese Modulation nimmt in ihrer Amplitude längs der mehrere Wellenlängen betragenden Bahn durch das Rohr 10 zu und erzeugt in der Abnahmespule 39 ein verstärktes Zeichen, das durch die Ausgangsverbindung 44 abgenommen wird.

■I·"^r'S· 3 erläutert eine andere Ausführungsform des Verstärkers nach der Erfindung. In diesem Falle wird das Zeichen oder die sonstige Modulation dem inneren von zwei konzentrischen Bündeln aufgedrückt. Die Kathode für das zentrale Bündel ist mit

11 bezeichnet und die ringförmige Kathode für das äußere Bündel mit 12. Eine Heizspule 14 ist der Kathode 11 zugeordnet und erhält ihren Strom aus einer Batterie 18. Ebenso wird die zweite Kathode durch eine Heizspule 17 beheizt, die ihren Heizstrom aus einer Batterie 21 erhält. Ein Teil der unterteilten Batterie 30 liegt zwischen den Anschlußleitungen der beiden Kathoden, und zwar sind diese Verbindungen so an die eine Klemme des zugeordneten Heizkreises angelegt, daß durch diesen dazwischenliegenden Teil der Batterie die Kathode

12 gegenüber der Kathode 11 positiv ist. Das innere der beiden Bündel hat daher die höhere Geschwindigkeit. Wie bei dem Beispiel nach Fig. 1 ist auch hier eine bündelnde Wicklung 27 vorgesehen.

Ein Beschleunigungsgitter 53, das gegenüber der Kathode 11 positiv vorgespannt ist, dient dazu, das innere Bündel zu beschleunigen. Ein zweites Beschleunigungsgitter 54, das im Ende des langgestreckten zylindrischen Metallrohrs 50 gebildet ist, dient dazu, beide Bündel zu beschleunigen. Dieses Rohr 50 besitzt ein hohes positives Potential, da es mit dem positiven Pol der Batterie 30 verbunden ist. Infolgedessen werden die beiden konzentrischen Bündel in Längsrichtung des Rohres durch das Innere des Zylinders 50 mit zwei verschiedenen Geschwindigkeiten vorwärts getrieben.

Bei dieser Ausführungsform werden das Zeichen iao oder die sonstigen Eingangsschwankungen dem inneren Bündel mit Hilfe des Steuergitters 52 aufgedrückt. Dieses Gitter ist in der einen Wand des Resonanzhohlraumes 45 angeordnet. Das modulierende Eingangszeichen wird dem Resonanzhohl- i»a raum durch die koaxialen Leiter 34 bis 37 züge-

führt. Der Hohlraum 45 ist auf die Frequenz der einfallenden Wellen abgestimmt.

Am entgegengesetzten Ende des Rohres wird die Energie durch einen zweiten Resonanzhohlraum 46 abgenommen. Dieser besitzt einen schmalen Spalt zwischen dem Gitter 55, das in die eine Wand des Hohlraumes eingebaut ist, und der Stirnfläche des vorspringenden zylindrischen Teiles 56.

Wie aus der Darstellung ersichtlich, geht die Glashülle 51 durch die beiden Resonanzhohlräume 45 und 46 hindurch. Beim Aufbau der Anordnung können die Metallteile 47 mit Hilfe von Glasmetallkitt in die Röhre eingebaut werden, wobei die Scheidewände ein wenig über dieHülle hinausragen. Alsdann können die ringförmigen Kanäle 48 über die Enden des Rohres hinübergeschoben und mit den Scheidewänden 47 so in Verbindung gebracht werden, daß sie'dieResonanzkammern 45 und 46 bilden. Die Arbeitsweise der Anordnung nach Fig. 3 ist im großen und ganzen ähnlich derjenigen, die vorstehend an Hand von Fig. 1 beschrieben wurde. Das F.ingangszeichen auf dem Leiter 34 wird dem Eingangsresonator 45 zugeführt und erzeugt Spannungsunterschiede zwischen der inneren Kathode 11 und dem Steuergitter 52, wobei sowohl die Geschwindigkeit als auch der Elektronenkonvektionsstrom des inneren Bündels moduliert werden. FJn äußeres Bündel, das von der Kathode 12 ausgeht, kommt hinzu, und die beiden Bündel werden mit verschiedenen Geschwindigkeiten in Längsrichtung des Rohres ausgesandt. Eines oder beide Bündel treten durch den Spalt 55, 56 hindurch und erzeugen in dem Ausgangsresonator 46 verstärkte Ausgangswellen, die über die koaxiale Leitung 41 bis 44 abgeleitet werden. Die Bahn der beiden Wellen ist mehrere Wellenlängen lang, und die Stromdichte und die Geschwindigkeitstrennung zwischen den beiden Bündeln sind ausreichend, um in dem zylindrischen Rohr 50 eine Raumladungswelle entstehen zu lassen, die mit dem auf ihrer Bahn zurückgelegten Wege in ihrer Amplitude größer wird, was im Endergebnis eine Verstärkung der Eingangswelle bedeutet.

In Fig. 4 ist der Aufbau im wesentlichen dem nach Fig. 3 ähnlich. Ein Unterschied besteht jedoch darin, daß hier nicht ein inneres Bündel von einem äußeren umgeben wird, sondern daß beide Bündel zusammenfließen, wobei also die Elektronen des einen Bündels sich mit denen des anderen Bündels

vermengen.

Das von der Kathode 11 ausgehende schnellere Bündel wird in seiner Geschwindigkeit durch die beiden Gitter 58 und 59 moduliert, die in den entgegengesetzten Wandungen der Eingangsresonanzkammer 45 angeordnet sind. Das zweite Bündel geht von einer fadenförmigen Kathode 61 aus, und zwar ist diese auf einem Schirm 62 befestigt, der in der Mitte eine öffnung hat. Der Faden 61 kann schleifenförmig über diese öffnung gelegt sein, etwa so, wie es Fig. 4B zeigt. Der Schirm 62 wird gegenüber der Kathode 11 und dem Resonanzhohlraum 45 auf positiver Spannung gehalten. Der Schirm 62 wirkt daher als Beschleuniger für die von der Kathode 11 ausgehenden Elektronen. Das von der Kathode 11 ausgehende Bündel geht durch die öffnung in dem Schirm 62 hindurch. Da die Kathode 61, von der das zweite langsamere Bündel ausgeht, in das erste Bündel eingetaucht ist, so tritt dieses zweite Bündel zu dem ersten Bündel hinzu. Beide Bündel werden durch das Gitter 54 beschleunigt.

Der Aufbau am Ausgangsende der Röhre ist im wesentlichen ähnlich dem in Fig. 3 gezeigten und besteht aus einem Ausgangsresonanzhohlraum 46 mit einem vorspringenden Teil 56, der einen schmalen Spalt 55, 56 schafft. Hier wird die Energie der verstärkten Schwingungen abgenommen, da die Elektronen beider Bündel durch diesen Spalt hindurchgehen.

Bei der Arbeit der Anordnung müssen wie bei den vorangehenden Darstellungen die Stromdichte und die Trennung der Geschwindigkeiten genügend groß gemacht werden sowie auch der Weg genügend lang, um eine Verstärkung der Eiugangswellen dadurch herbeizuführen, daß sich in der Richtung der Elektronenbahnen eine Raumladungswelle negativer Dämpfung entwickelt.

Fig. 4 A veranschaulicht eine Abwandlung der Fig. 4, und zwar eine Ausführungsform, bei der der Resonanzhohlraum 45 so angeordnet ist, daß er die Geschwindigkeit beider Bündel moduliert. Es ist hier ein Beschleunigungsgitter 58 zwischen Kathode 11 und Kathode 61 angeordnet und mit dem Schirm 62 verbunden. Infolgedessen steht es unter einer positiven Spannung, die wesentlich höher ist als die der Kathode 11. Der Resonanzhohlraum wird zum Teil durch das Gitter 58 und ein Gitter 59 gebildet, das im Ende des Metallrohres 50 angeordnet ist, ebenso wie Gitter 54 in Fig. 4. Wie gezeigt, besitzt der Hohlraum die gleiche Spannung wie die Anode 56. Im übrigen stimmt diese Ausführungsform im wesentlichen mit der nach Fig. 4 überein.

Während die Ausführungsform nach Fig. 3 mehr Wert auf die Modulation des Konvektionsstroms legt als auf die der Geschwindigkeit, hat die Erfindung besonders die Verwendung der Modulation des Konvektionsstroms allein, ohne jede Geschwindigkeitsmodulation, im Auge. Wenn bei der Ausführungsform nach Fig. 4 der Spalt zwischen den Gittern 58 und 59 eine solche Länge erhält, daß der Durchtrittswinkel der Elektronen durch den Spalt ein ganzzahliges Vielfaches der Schwingungszahl ist, so wird das Bündel einer Modulation des Konvektionsstroms unterworfen ohne Modulation der Geschwindigkeit.

Die verschiedenen vollständigen Ausführungsformen der Röhre, die beschrieben worden sind, dienen der Veranschaulichung von typischen bzw. möglichen Ausführungsformen der Grundgedanken der Erfindung. Es sind aber viele Abwandlungen des Röhrenaufbaues möglich, von denen nur einige wenige in Verbindung mit den Fig. 5 bis 13 erläutert werden sollen. Auch diese Figuren stellen nur Veranschaulichungen für die verschiedenen Richtungen dar, die man einschlagen kann, und sollen keineswegs als Einschränkungen aufgefaßt werden. Fig. 5 bis 7 sind angefügt, um verschiedene Geschwindig-

keiten zu veranschaulichen; Fig. 8 bis 12 zeigen verschiedene Wege, auf denen die beiden Bündel voneinander getrennt werden können, bevor die Energie abgenommen wird, und Fig. 13 zeigt eine andere Ausführungsform eines Ausgangsresonators.

In den Fig. 5 bis n ist die Kathode, von der das schnelle Flektronenhündel ausgeht, mit C₁ bezeichnet und die Kathode, von der das langsame ausgeht, mit C\,.

In Fig. 5 und 5 A wird die Kathode C₉ durch Elektronenbeschuß geheizt, und zwar von Elektronen, die von der Kathode C₁ ausgehen. Ausführungsmöglichkeiten für die Kathode C₀ sind in Fig. 5 Λ gezeigt. So kann die Kathode beispielsweise aus einer Scheibe mit mehreren Durchbrechungen bestehen oder einer solchen mit einer einzigen großen öffnung, oder sie kann auch aus mehreren, in gewissem Abstand parallel angeordneten Leitern bestehen. Die von C₁ ausgehenden Elektronen werden durch das (.jitter 66 beschleunigt, und ein Teil von ihnen stößtauf die Kathode C₂, während andere durch deren Öffnungen hindurchfliegen und so das erste Bündel bilden. Durch diesen Elektronenbeschuß wird die Kathode C₂ erhitzt und sendet ebenfalls Elektronen aus. Sie stellt also die Kathode dar, die das zweite Bündel erzeugt. Beide Bündel werden durch das Gitter 67 beschleunigt. Beide Bündel mischen sich miteinander, wenn sie in das Rohr hineingelangen.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 6 ist die Kathode C, durch einen Überzug auf der inneren Wandung eines Hohlzylinders 68 gebildet, wodurch diese innere Fläche veranlaßt wird, Elektronen auszusenden, wenn sie durch eine um die Außenseite des Zylinders 68 gewickelte Heizwindung 69 erhitzt wird. Diese Windung wird aus einem Abschnitt der Batterie 30 mit Heizstrom gespeist. Der Zylinder 68 besitzt ein höheres positives Potential als C₁. Die von C₁ ausgesandten Elektronen mischen sich mit den von C₂ ausgehenden, und beide Bündel werden durch die positiven Gitter 58 und 59 beschleunigt, die auch dazu dienen, die Geschwindigkeit beider Bündel zu modulieren, da sie in die gegenüberliegenden Wände des Eingangsresonators 45 eingeschlossen sind.

In Fig. 7 dient das Gitter 70 als Beschleuniger für Elektronen, die von C₁ ausgesandt werden, und gleichzeitig auch als zweite Kathode C₂, da es durch den von C₁ ausgehenden Elektronenbeschuß erhitzt wird, (jitter 71 ist ein Beschleunigungsgitter für beide Bündel. In Fig. 5 und 7 können die Glieder 12 und 70 mit geeigneten Stoffen überzogen sein, um die Emission von Elektronen zu steigern. In allen drei Figuren können außer den gezeigten Beschleunigungsgittern auch noch weitere benutzt werden. Die in den Fig. 5 bis 7 gezeigten Ausführungsformen können in Anordnungen benutzt werden, die im übrigen ähnlich denen nach Fig. 1 bis 4 A sein mögen.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 8 ist in der Nähe des Rohrausganges ein Gitter "2 vorgesehen, das positiv vorgespannt ist, und zwar so, daß es stärker positiv ist als die Kathode C₁, aber weniger positiv als die Kathode C₂. Wenn die beiden Bündel von den beiden Kathoden in das Rohr 50 hineingeschössen werden, sei es vermischt, sei es in zwei getrennten Bündeln, so werden die langsameren Elektronen der Kathode C₂ durch die relativ zu ihr negative Spannung des Gitters 72 abgestoßen und zurückgeworfen, während die schnelleren Elektronen der Kathode C₁ durch das Gitter 72 hindurchfliegen. Die letzteren gehen also weiter bis zu dem die Energie abnehmenden Element, das in diesem Falle als Spule 39 dargestellt ist.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 9 wird ein Paar Ablenkungsplatten benutzt, ähnlich denen, wie sie bei Kathodenstrahlenröhren bekannt sind. Sie dienen dazu, die langsameren Elektronen des langsamen Bündels nach einer Seite abzulenken, während die schnelleren Elektronen in den Sammler 46 für die Ausgangsenergie eintreten können. An die Platten 75 und 76 muß zu diesem Zweck eine passende Gleichspannung gelegt werden. Bei der Ausführungsform nach Fig. 10 werden ebenfalls die Ablenkungsplatten 75 und 76 benutzt, aber sie werden in ihrer Wirkung durch ein magnetisches Feld unterstützt, das senkrecht zur Zeichenebene verläuft. Der eine Pol Jj dieses Magneten ist in der Zeichnung angedeutet. Die elektrischen und magnetischen Felder sind so aufeinander abgestimmt, daß sie für das eine Bündel gleich große, aber entgegengesetzt gerichtete ablenkende Wirkungen hervorrufen. Diese Wirkungen sind daher für ein Bündel von anderer Geschwindigkeit nicht gleich. Infolgedessen wird das eine Bündel nach einer Seite abgelenkt, während das andere seinen Weg zu dem Ausgangssammler fortsetzt. Da bei der Ausführungsform nach Fig. 9 beide Elektronenbündel abgelenkt werden, so sei darauf hingewiesen, daß eine unterschiedliche Ablenkung genügt, um eine Trennung der beiden Bündel zu bewirken.

Bei den Ausführungsformen nach Fig. 11 und 12 ist der Grad der Bündelung benutzt, um die beiden Bündel voneinander zu trennen. Der als Kreis dargestellte Sammler 81, der praktisch das Gitter 55 nach Fig. 3 und 4 sein möge, hat in geeignetem Abstand vor sich einen Schirm 80 stehen, der eine zentrale Öffnung besitzt. In Fig. 11 sind elektrostatische Bündelungsmittel oder Linsen 78 und 79 gezeigt. Diesen müssen genau die richtigen Spannungen zugeführt werden, und zwar so, daß sie das schnellere Elektronenbündel scharf auf die öffnung 80 sammeln und es ihm dadurch ermöglichen, durch diese öffnung zu dem Ausgangssammler 81 hindurchzutreten. Diese Spannungen an der Linse haben dann aber nicht die Größe, die notwendig ist, um auch die langsameren Elektronen bei 80 zu einem scharfen Brennpunkt zu vereinigen. Diese Elektronen werden daher zum überwiegenden Teil zerstreut und von dem Ausgangssammler 81 abge- iao lenkt. Fig. 12 ähnelt der Fig. 11 mit dem Unterschied, daß hier eine magnetische Linse 82 dargestellt ist. Diese besteht aus einer Drahtspule, die um einen Hohlzylinder gewunden ist und aus einer Batterie 83 gespeist wird. Die Stärke des magne- 1*5 tischen Feldes ist so bemessen, daß die schnelleren

Elektronen auf der öffnung bei 80 gesammelt werden und somit den Sammler 81 erreichen, während die langsameren Elektronen von diesem Sammler 81 abgelenkt werden. Jedes dieser zum Trennen der Bündel dienenden Mittel, die soeben beschrieben worden sind, kann an die Stelle der in Fig. 1 gezeigten trennenden Mittel eingesetzt werden, wie es auch möglich ist, es bei anderen geeigneten Ausführungsformen zu verwenden. Die Theorie zeigt folgendes: Wenn die Stromdichte in der wachsenden "Raumladungswelle sehr hoch ist, so erhalten die Konvektionsströme in dem schnellen und in dem langsamen Bündel eine Phasenverschiebung von fast i8o°. Diese Konvektionsströme sind verschieden stark. Es handelt sich um reine Elektronenkonvektionsströme. Unter diesen Umständen ist der Konvektionsstrom in jedem Bündel größer als der resultierende Konvektionsstrom, und dieses ist der Grund, warum es manchmal wünschenswert sein kann, die beiden Elektronenbündel zu trennen, bevor die Energie abgenommen wird.

Die Energie kann am Ausgang der Anordnung auf verschiedene Weise abgenommen werden. Ein Abnahmekreis für eine Ausführungsform mit wandernder Welle ist in Fig. 1 in Form der Spule 39 gezeigt, während Resonatoren in den Fig. 3 und 4 dargestellt sind. An Stelle eines einzelnen Resonators können das Bündel bzw. die Bündel aber auch durch mehrere aufeinanderfolgende Resonatoren 46 und 46' hindurchgeführt werden, wie in Fig. 9 gezeigt. Es können auch verschiedene Formen für mit wandernden Wellen arbeitende Anordnungen benutzt werden, von denen eine in Fig. 13 dargestellt ist. Diese kann beispielsweise bei der Anordnung nach Fig. 3 an die Stelle des Teiles rechts von der strichpunktierten Linie X-X gesetzt werden.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 13 ist eine Wellenführung gezeigt, die aus mehreren hintereinanderliegenden Resonanzkammern 86 besteht. Diese Kammern sind durch Wände 87 getrennt, in denen geeignete öffnungen 89 zum Koppeln der benachbarten Kammern angebracht sind. Der Aufbau ist in Übereinstimmung mit der Theorie der Übertragung von Wellen gewählt, um die Charakteristik eines Bandfilters zu schaffen. Die Wände 87 besitzen zentrale öffnungen mit rohrförmigen Wänden 88, durch die das Elektronenbündel bzw. die Bündel zu dem Sammler oder der Anode 90 hindurchtreten können. Diese Anode 90 wird auf einer passenden positiven Spannung gehalten. Die Ausgangsenergie wird durch einen Wellenleiter 91 abgenommen, der an die Endkammer 86 des Wellenleiters angeschlossen ist.

Es soll nun gezeigt werden, wie das Muster einer Röhre der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform berechnet werden muß. Hier sind zwei Bündel miteinander vermengt und füllen gemeinsam einen stabförmigen Raum, dessen Abmessungen so festgelegt

So sein mögen, daß er einen Durchmesser 2^a und eine vollständige Länge 1 (vgl. Fig. 4) besitzt.

Die Bündel haben Gleichstromdichten von /₀₁ und /₀₂ sowie Elektronengeschwindigkeiten,' die den Spannungen F₀₁ und F₀₂ entsprechen. Die Berechnungen des Beispiels werden vereinfacht, wenn

UV₀₁^ = IJV₀^- (ι)

gesetzt wird. Es kann gezeigt werden, daß für eine vorgegebene Spannungstrennung und einen vorgegebenen Gesamtstrom diese Bedingung etwa die günstigsten Werte unter dem Gesichtspunkt der Verstärkung ergibt.

Die Elektronengeschwindigkeiten in bezug auf die Spannungen F₀₁ und F₀₂ sind M₀₁ und M₀₂. Das Verhältnis der Geschwindigkeitstrennung sei b. Dann ist

b = 2 (M₀₁ — U₀₂)Ku₀J + M₀₂)

= 2 (V v7, - Vv^)Z(Vv_n + Vv₀₂) (2)

Der Nutzeffekt je Wellenlänge hängt ab von der Geschwindigkeitstrennung, der Stromdichte des Raumladungsgleichstroms, der Frequenz und dem Durchmesser des Bündels. Für einen gegebenen Bündeldurchmesser und eine gegebene Geschwindigkeitstrennung gibt es da einen Mindestwert der Raumladungsdichte, unterhalb dessen ein Nutzeffekt nicht erzielbar ist. Da die Raumladungsdichte jenseits des kritischen Kleinstwertes zunimmt, nimmt der Nutzeffekt zunächst sehr schnell zu, und dann nähert er sich asymptotisch einem oberen Grenzwert. Dieser obere Grenzwert hängt ausschließlich von der Geschwindigkeitstrennung ab:

Größte Verstärkung

= 27,3 b Decibel /Wellenlänge (3)

Nachdem so die Geschwindigkeitstrennung angegeben ist, einmal nach den Spannungen und einmal nach den beiden Stromdichten, so kann man dann eine mittlere Stromdichte I₀ und eine mittlere Spannung F₀ festlegen, und zwar:

W* = ΌΛ"* = IJV₀₃^ (4)

Daraus ergibt sich

V₀₁ = V₀I(I-b/2)* ^V₀(I+ b) ^02 = V₀I(I+ HzY κ F₀(I-O) Z₀₁ =/0/(1-6/2) W₀ (1 + 36/2) I₀₂ = I₀I(I+V₂)³^I₀ (i ~₃bl2)

(5) (6)

Die Näherungswerte sind genau bis zu der Größenordnung von b.

Die Wellenlänge X_g, die zu der Spannung F₀ gehört, ist gegeben durch:

A, =1,98.10 -³A₀ VV₀, (9)

wobei λ₀ die Wellenlänge im freien Raum darstellt, und zwar bei der Arbeitsfrequenz / und der Kreisfrequenz ω = 2 π f. Hierbei ist also ?._o = 3 · io*/f, wobei die Frequenz f in Megahertz gemessen wird. Ein dimensionsloser Parameter W sei folgendermaßen definiert:

we₀

8,52 - ίο« I₀

wobei COf₀ die Elektronenkreisfrequenz ist, die der mittleren Raumladungsdichte entspricht. Die Konstante in der Gleichung (10) ist so gewählt, daß I₀

in Ampere je Quadratzentimeter, V₀ in Volt und die Arbeitsfrequenz / in Megahertz eingesetzt werden. Der Strom I₀ ist gegeben durch:

I₀ = ^a²I₀ (H)

Der Mindestwert von W₀, der als W_M bezeichnet werden soll, unterhalb dessen ein Nutzeffekt nicht erzielbar ist, ist eine Funktion der Geschwindigkeitstrennung und des Bündelhalbmessers in bezug auf die Wellenlänge X_x des Bündels. Eine zeichnerische Darstellung von (W _m Ib)² als Funktion von (alkg) ist in Fig. 14 gezeigt.

Die Änderung des Nutzeffektes in dem Bereiche Jf⁷M < W₀ <;ou ist in Fig. 15 gezeigt, in der die Größe »Decibel-Verstärkung/Wellenlänge/Einheit b« als Funktion von (W₀IW_M)² dargestellt ist.

Bei einem Bündel der hier betrachteten Art wandern die Elektronen im Innern des Bündels langsamer als diejenigen an der Oberfläche. Dieses ist darauf zurückzuführen, daß das Potential nach dem Innern des Bündels hin abnimmt, weil die umgelKMiden Elektronen eine abschirmende Wirkung auf die Raumladung ausül>en. Es ist daher augenscheinlich, daß die Potentialdifferenz zwischen dem Inneren und der Oberfläche des Bündels kleiner sein muß als die Potentialdifferenz zwischen den beiden Bündeln, sofern die als Beispiel durchgeführte Berechnung von Nutzen sein soll. Wenn also A V die Potentialdifferenz zwischen dem Innern und der Ol>erfläche des Bündels bezeichnet, so gilt

(AVIF₀) = 2 ab,

(12)

wol>ei α kleiner als 1 sein muß. Um welchen Betrag α kleiner sein muß als 1, bleibt durch Versuch zu liestimmen.

Die nach Gleichung (12) gegebene Beschränkung setzt dem Wert des Parameters

der l>cnutzt werden soll, eine obere Grenze. Diese Beschränkung kann analytisch in Werten der schon definierten Variablen ausgedrückt werden:

b"-V₁ ,V») = 0,066 (a/6)

(12a)

Darin wird J₀ in Milliampere und V₀ in Volt eingesetzt.

Der Gebrauch der Kurven sei nun durch Bestimmung einiger praktischer Werte erläutert sowie durch Ausarbeiten eines Beispiels für einen Verstärker, der bei 200 Megahertz arbeiten soll, und bei dem die zu verstärkende Welle eine Verstärkung von 40 Decibel bei ausreichender Bandbreite haben soll. Die Gesamtverstärkung der Röhre von der Eingangszuleitung 34 bis zu der Ausgangsleitung44 nach Fig. 1 beispielsweise setzt sich zunächst einmal zusammen aus der Verstärkung der wachsenden Welle in Decibel, so wie es hier errechnet wird. Hinzu kommt dann ein weiterer Betrag in Decibel. Dieser stellt den Gewinn oder Verlust dar, der dabei auftritt, wenn durch das auf die Leitung 34 gegebene Signal die zu verstärkende Welle erzeugt wird, sowie anderseits, wenn die wachsende Welle mit Hilfe der Ausgangsspule 39 mit der Ausgangsleitung 44 gekoppelt wird.

Der erste Schritt besteht darin, eine mittlere-Spannung zu wählen sowie einen Wert für die Geschwindigkeitstrennung. Es ist vorteilhaft, einen niedrigen Wert für die Spannung zu nehmen, denn je niedriger die Spannung ist, um so höher ist die Verstärkung je Wellenlänge. Auch wird das Rohr, gemessen in Wellenlängen, langer. Ein großer Wert von b bedeutet eine große Verstärkung je Wellenlänge. Nach vorherigen versuchsweisen Berechnungen seien die nachstehenden Werte angenommen: V₀ = 50 Volt, b = 0,2. Der nächste Schritt l>esteht darin, über den Wert α eine Entscheidung zu treffen. Er muß kleiner als 1 sein. Die Genauigkeit der als Muster gezeigten Kurven ist um so größer, je kleiner α ist. So wird wieder nach versuchsweisen Vorberechnungen ein Wert gewählt, und zwar a = 0,394. Dann ergibt sich aus Gleichung (12a): IJb² V₀ ³I² = 0,13, I₀ = 1,84 mA und aus Gleichungen (5) bis (8): Z₀₁ = 2,39 mA, Z₀₂= 1,29 mA, F₀₁ = 60 Volt, V₀₂ = 40 Volt, F₀ = 50 Volt. Es ist nun auch noch notwendig, einen Wert für den Halbmesser α des Bündels zu wählen. In diesem Falle wird α so gewählt, daß a/k_g = 0,5 bei / = 200 Megahertz. Dies erfordert einen Bündelhalbmesser von a = 10,59 ^mrn· Die Länge des Bündels war zu 285,75 ^mm gewählt.

Der nächste Schritt ist, ^F₀ ² aus Gleichung (10) für eine Anzahl von Frequenzen zu berechnen. Für diese gleichen Frequenzen errechnet man k_g aus Gleichung (9) und erhält dann (W_MIb)² aus Fig. 14. Da b bereits gewählt ist, kann man auf diese Weise W_M ² für diese Frequenzen erhalten und daraus (WmIW₀)². Nachdem man somit (W_M/W₀)² hat, erhält man die Verstärkung, und zwar in »Decibel-Verstärkung / Wellenlänge / Einheit b« bei diesen Frequenzen aus Fig. 15. Daraus ergibt sich die Gesamtverstärkung der wachsenden Welle für jede Frequenz nach folgender Berechnung: Gesamtverstärkung = (Decibel-Verstärkung / Wellenlänge / Einheit 6) (b) (ilk_g) Decibel.

Unter Verwendung der vorstehenden Angaben und nach dem dargelegten Verfahren ist die Verstärkung bei verschiedenen Frequenzen errechnet worden und wird in der nachstehenden Tabelle gezeigt:

	a/Xg	Decibel-	Decibel-	Nr. der	Gesamt
		Ver-	Ver-	Wellen	ver
Frequenz		stärkung	stärkung je	längen	stärkung
in		je Wellen	Wellen		in
Megahertz	0,25	länge und	länge		Decibel
	0,375	Je		6,75
	0,438	Einheit 6	4,22	10,1	28,5
IOO	o,5	21,1	3,6o	11,8	36,4
150	0,563	18,0	3,28	13,5	38,7
175	O>Ö25	16,4	2,96	15.2	40,0
2OO	0,75	14,8	2,6o	16,9	39.5
225	13.Ο	2,24	20,2	37-8
250	11,2	I,5O		30,3
300	7,5

Eine graphische Darstellung der Verstärkung in Abhängigkeit von der Frequenz für diesen Satz von angenommenen Werten wird in Fig. 16 gegeben. Diese Kurve zeigt eine Bandbreite von etwa loo Megahertz, wobei die Mitte des Bandes etwa bei 2OO Megahertz liegt. Als Band wird hierbei der Bereich zwischen zwei Grenzwerten angenommen, in denen die Verstärkung um 3 Decibel niedriger liegt als im Scheitelpunkt der Kurve. Dieses ist to der Fall bei etwa 158 Megahertz und 258 Megahertz.

Um die Abhängigkeit der Röhrencharakteristik von dem für α/λ_ζ gewählten Wert in großen Zügen zu veranschaulichen, sei festgestellt, daß bei Annähme dieser Größe zu nur 0,2, wobei die Berechnung sonst, abgesehen nur von dieser Ausnahme, in der gleichen Weise wie vorher durchgeführt wird, die Bandbreite etwa 175 Megahertz ergibt, wobei die Mitte dieses Bandes bei etwa 520 Megahertz liegt. Die Verstärkung würde in der Bandmitte 67 Decibel betragen und die Länge des Elektronenbündels wäre 19 cm.

Aus der vorstehenden Tabelle und aus Fig. 16 geht hervor, daß die Verstärkung ihren Höchstwert bei etwa 200 Megahertz hat. Dies ist kein Zufall. Denn auf Grund der vorhergehenden versuchsweisen , Berechnungen waren a/X_g, b und 3 so gewählt worden, daß dieses Ergebnis erzielt werden mußte. Wenn die größte Verstärkung bei einer anderen als der gewünschten Frequenz stattfindet, so gibt es zwei Möglichkeiten, um Abhilfe zu schaffen. Man kann andere Werte von all_g, b oder α versuchen, bis die maximale Verstärkung bei der gewünschten Frequenz eintritt, oder aber man kann ein maßstäbliches Gesetz anwenden, das folgendes besagt: Wenn J₀, V₀ und b konstant gehalten werden, und wenn alle Dimensionen mit einem Faktor K multipliziert werden, so wird die Frequenz für die maximale Verstärkung mit dem Faktor l/K multipliziert, bzw. die Wellenlänge für die maximale Verstärkung wird mit dem Faktor K multipliziert. Dies ist somit ein leichtes Verfahren, um die Frequenz, bei der die größte Verstärkung stattfinden soll, richtig zu erhalten.

Das durch die Kurve in Fig. 16 dargestellte Beispiel beruhte auf einem angenommenen Wert von a = 0,394. Wäre ein niedrigerer Wert gewählt worden, l>eispiels\veise α = ο,ΐ, während die übrigen angenommenen Werte die gleichen geblieben wären, so hätte sich eine Charakteristik ergeben mit einer Bandbreite von 110 Megahertz, der Bandmitte bei 210 Megahertz und einer Gesamtverstärkung von 40 Decibel in der Bandmitte. Für die Ströme, hätten sich dann aber folgende Werte ergeben: J₀ = 0,455 mA, Z₀₁ = 0,590 mA, Z₀₂ = 0,320 mA. Der Durchmesser des Bündels würde in diesem Falle 8,38 mm betragen und seine Länge 32,06 mm.

Die vorstehend zur Erläuterung gemachten Angaben beziehen sich auf das Bündel, setzen jedoch nicht die Frequenzcharakteristiken der Ankopplungsmittel im Eingang und im Ausgang in Rechnung, da diese für sich allein in bekannter Weise berechnet werden können, je nach den besonderen Bauformen, die bei dem zu untersuchenden Gerät vorliegen.

Die vorangehenden Beispiele setzen voraus, daß die elektrischen Bündel vollständig miteinander vermischt sind und daß das magnetische Feld, das zur Bündelung in Längsrichtung dient, unendlich groß ist. Diesen Voraussetzungen kann man sich praktisch natürlich nur in einem gewissen Grade nähern. Wenn die Ströme nicht vollständig miteinander vermischt sind, so muß ein größerer Wert von J₀, J₀₁ und Z₀₂ benutzt werden, um eine größere Raumladungsdichte und damit die gleiche Verstärkung zu erzielen. Ebenso muß eine größere Raumladungsdichte auch deshalb benutzt werden, um einen Ausgleich dafür zu schaffen, daß das bündelnde Feld nicht unendlich groß ist.

Die Genauigkeit der vorstehend zur Erläuterung gegebenen Formeln ist um so größer, je kleiner b und α sind.

Claims (13)

Patentansprüche:

1. Verstärker für kurze elektrische Wellen unter Verwendung eines mehrere Wellenlängen langen Entladungsraumes mit' Mitteln zur Bündelung und Steuerung der ausgesandten Elektronen und Mitteln zur Auskopplung der verstärkten Schwingungen, dadurch gekennzeichnet, daß an einem Ende des Entladungsraumes' zwei Elektronenquellen angeordnet sind, welche zur Aussendung benachbarter, in gleicher Riehtiing verlaufender Elektronenströme von unterschiedlicher Geschwindigkeit befähigt sind, daß eine Vorrichtung für die Steuerung wenigstens eines der Ströme in Übereinstimmung mit den zu verstärkenden Schwingungen vorgesehen ist, und daß Maßnahmen getroffen sind, daß die beiden Elektronenströme bei geeigneter Stromdichte durch ihr Zusammenwirken eine Ladungsträgerwelle erzeugen, deren Amplitude mit dem Strömungsweg durch den Entladungsraum zunimmt, und daß eine am anderen Ende des Entladungsraumes liegende, an den Ausgangskreis angeschlossene Vorrichtung zur Auskopplung der verstärkten Schwingungen vorgesehen ist.

2. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch ge- no kennzeichnet, daß die beiden Elektronenquellen von koaxial angeordneten Kathoden gebildet werden, von denen die äußere Ringform hat, und welche in solchem radialen Abstand gehalten sind, daß die Elektronenströme voneinander getrennt und konzentrisch in den eigentlichen Entladungsraum eintreten.

3. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die eine der Elektronenquellen in der Längsrichtung von der anderen Elektronenquelle Abstand hat und in radialer Richtung teilweise über dieselbe reicht, so daß beide Elektronenströme sich ohne gegenseitige Behinderung ausbilden können und erst nach Eintritt in den eigentlichen Entladungsraum ineinander übergehen.

4. Verstärker nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Elektronenquellen aus einer Kathode mit Heizkörper besteht und die andere Elektronenquelle von einer Elektrode gebildet wird, welche mit einem Teil der von der geheizten Kathode ausgehenden Elektronen bombardiert wird.

5. Verstärker nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Elektronenquellen derart gegenüber der gemeinsamen Beschleunigungselektrode vorgespannt sind, daß die Geschwindigkeitsdifferenz der von ihnen ausgehenden Elektronen die Größenordnung von angenähert einem Fünftel ihrer mittelereil Geschwindigkeit hat.

6. Verstärker nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerungsvorrichtung aus einer leitenden Wendel besteht, tlie beide Elektronenströme auf dem Anfange ihrer Wegstrecke umgibt.

7. Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerungsvorrichtung zwei parallele Gitterflächen aufweist, welche in gegenüberliegenden Wänden eines Hohlraumresonators liegen, dem die Steuerschwingungen zugeführt werden, und daß die Gitterflächen senkrecht zu den Elektronenströmen ausgerichtet sind.

S. Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerungsvorrichtung ein in einer Wand eines auf die zu verstärkenden Schwingungen abgestimmten Hohlraumresonators liegendes Gitter aufweist, daß die zu äußerst liegende Elektronenquelle in dem Hohlraumresonator angeordnet ist und daß die zweite Elektronenquelle zwischen dem Hohlraumresonator und dem eigentlichen Entladungsraum angeordnet ist.

9. Verstärker nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Entladungsraum aus einem Metallrohr besteht, welches gegenüber jeder der Elektronenquellen stark positiv vorgespannt ist, und daß um das Rohr Mittel zur Bündelung der Elektronenströme vorgesehen sind.

10. Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Entladungsraum von einem nichtmetallischen, ζ. Β. aus Glas bestehenden Rohr gebildet wird und ein Metallrohr enthält, dessen Innendurchmesser größer ist als der Außendurchmesser der gebündelten Elektronenströme und welches die Elektronenströme umschließt und gegenüber jeder der Elektronenquellen stark positiv vorgespannt ist, und daß um das Rohr Mittel zur Bündelung der Elektronenströme vorgesehen sind.

11. Verstärker nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung für die Auskopplung der verstärkten Schwingungen aus einem den Endbereich der Elektronenstrombahn umschließenden wendeiförmigen Leiter besteht.

12. Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung für die Auskopplung der verstärkten Schwingungen aus einem Wellenleiterabschnitt besteht.

13. Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung für die Auskopplung der verstärkten Schwingungen aus einem Hohlraumresonator besteht, welcher in der den Elektronenquellen zugewandten Fläche eine Öffnung aufweist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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