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Elektronenstrahlschalter
Die Erfindung bezieht sich auf elektronische Entladungseinrichtungen und insbesondere auf elektronische Schalter und Verteiler.
Bei bestimmten Arten von Übertragungsanlagen für elektrische Signale, beispielsweise bei Anlagen für die Vielfachtelephonie und Vielfachtelegraphie, ist es erforderlich, mehrere
Schaltkreise, die einen Anschluss gemeinsam haben, nacheinander und wiederholt zu schliessen.
Zu den für diesen Zweck bisher verwendeten Geräten gehören elektronische Entladungseinrichtungen, bei denen ein Elektronenstrahl derart abgelenkt wird, dass er nacheinander auf mehrere Auffangelektroden auftrifft. Eine der prinzipiellen Beschränkungen, denen solche Einrichtungen unterliegen, besteht in der mässigen Stärke des über den Elektronenstrahl erzielbaren Stromes. Ferner sind bei solchen Einrichtungen verhältnismässig komplizierte Bauteile und Geräte erforderlich, um die Konzentration und die Fokusierung des Elektronenstrahles auf die Auffangelektroden zu gewährleisten. Schliesslich haben diese Einrichtungen grosse Abmessungen und komplizierten Aufbau.
Der Erfindung liegt die allgemeine Aufgabe zugrunde, die Steuerung einer Vielzahl von Schaltkreisen in Anlagen für die Signalübertragung zu erleichtern. Im besonderen befasst sich die Erfindung damit, die Leistungsfähigkeit von elektronischen Schaltern und Verteilern zu erhöhen, die Fokusierung des Elektronenstrahles in Entladungseinrichtungen mit Elektronenstrahlen zu erleichtern und zu verbessern, den Aufbau von elektronischen Schaltern und Verteilern zu vereinfachen, die verschiedenen Auffangelektroden oder Anoden in solchen Einrichtungen wirksam voneinander zu trennen und schliesslich eine sehr wirkungsvolle Modulation bei elektronischen Entladungseinrichtungen mit mehreren Auffangelektroden zu erzielen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden in einem elektronischen Verteiler oder Schalter eine langgestreckte Kathode und eine Mehrzahl von Auffangelektroden oder Anoden verwendet, die auf einer die Kathode umschliessenden und koaxial mit dieser verlaufenden zylindrischen Fläche liegen.
Nach einem Merkmal der Erfindung wird zwischen der Kathode und den Auffangelektroden oder Anoden ein sich bewegendes, insbesondere rotierendes magnetisches Feld erzeugt, dessen
Kraftlinien stets senkrecht zur Längsachse der
Kathode verlaufen. Dieses Feld sammelt die von der Kathode austretenden Elektronen in zwei Strahlen, die derart fokusiert werden, dass sie auf zwei in Richtung der magnetischen
Kraftlinien diametral gegenüberliegenden Auffangelektroden oder Anoden eine elektronische Abbildung der Kathode hervorrufen.
Wenn sich das Feld dreht, dann werden diese Abbildungen verschoben und die Elektronenstrahlen treffen also nacheinander auf die verschiedenen Anoden auf.
Nach einem weiteren Erfindungsgedanken werden zwischen den benachbarten Anoden Abschirmungen vorgesehen, die verhindern, dass
Sekundärelektronen, welche an einer Anode ausgelöst werden, zu den benachbarten Anoden übergehen. Diese Abschirmungen können gruppenweise miteinander verbunden und derart gespeist werden, dass sie ein synchron mit dem magnetischen Drehfeld rotierendes elektrostatisches Feld mit solcher Drehphase erzeugen, dass der elektrische Feldvektor stets parallel zu den magnetischen Kraftlinien liegt. Auf diese Weise wird einer der beiden radialen Elektronenstrahlen unterdrückt und es verbleibt nur noch ein einziger rotierender Strahl, der nacheinander auf die einzelnen Anoden auftrifft.
Die Ströme über die Anoden können mit Hilfe eines der Kathode benachbarten und diese umschliessenden Gitters moduliert werden.
Ein solches Gitter bewirkt eine Modulation durch einen echten Raumladungseffekt über die gesamte aktive Kathodenfläche und ermöglicht es daher, eine hohe Wirksamkeit zu erzielen.
Die Erfindung soll nun mit den erwähnten und noch weiteren Merkmalen zum besseren Verständnis an Hand der Zeichnung näher erläutert werden. Fig. 1 ist eine perspektivische Darstellung einer erfindungsgemässen Ausführungsform einer elektronischen Entladungseinrichtung mit dem eigentlichen Entladungsgefäss und mit Spulen zur Erzeugung eines
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magnetischen Feldes ; ein Teil der Hülle des Entladungsgefässes ist weggelassen, um dessen inneren Aufbau erkennen zu lassen. Fig. 2 ist eine vorwiegend im Schnitt dargestellte
Seitenansicht der elektronischen Entladungseinrichtung nach Fig. 1. Fig. 3 ist ein Schnittbild in der Ebene 3-3 der Fig. 2. Fig. 4 ist ein der Fig. 3 ähnlicher Schnitt durch eine Modifikation der in den Fig. 1, 2 und 3 dargestellten Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 5 ist eine perspektivische Darstellung einer Kathode und einer zugeordneten Anode, in der verschiedene Achsen angegeben sind, die zur Erläuterung der Wirkung des magnetischen Feldes auf die von der Kathode austretenden Elektronen dienen.
Fig. 6 ist eine teilweise im Schnitt dargestellte Draufsicht und Fig. 7 eine Seitenansicht eines zweiphasigen Felderregersystems, das sich für die Erzeugung eines magnetischen Drehfeldes bei der in Fig. 1 dargestellten elektronischen Entladungseinrichtung eignet. Fig. 8 ist eine teilweise im Schnitt dargestellte Draufsicht auf ein magnetisches Felderregersystem mit mehrphasiger Erregung. Fig. 9 ist eine schematische Darstellung, welche die elektrische Zuordnung der Abschirmungen oder Trennwände in der Einrichtung nach Fig. 1 für die Erzeugung eines
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Quetschfuss 12 vorgesehenen Einführungs- drähte 21 erfolgen.
Selbstverständlich können auch andere Kathodenarten, beispielsweise direkt geheizte Kathoden, Anwendung finden.
Zwischen den isolierenden Gliedern 16 und 17 sind auf einer zylindrischen, koaxial mit der
Kathode 19 verlaufenden Fläche mehrere einander ähnliche Auffangelektroden oder Anoden aus gekrümmtem Metallblech angeordnet. Diese
Anoden 22 können. an den isolierenden Gliedern anliegen und durch kurze Drähte oder Stifte 35, die mit den Anodenblechen beispielsweise durch
Schweissung verbunden sind und mit ihren Enden in Öffnungen der isolierenden Glieder 16 und 17 passen, in gleichen gegenseitigen Abständen gehalten werden. Die einzelnen elektrischen Verbindungen mit den Anoden können mittels der Drähte 24 hergestellt werden, welche an die im Flansch 13 vorgesehenen Einführungsdrähte 25 angeschlossen sind.
Zwischen den benachbarten Anoden 22 sind in radialer Richtung metallische Abschirmungen oder Trennwände 26 angeordnet, die in radiale Schlitze der isolierenden Glieder 16 und 17 passen. Diese Abschirmungen 26 können über Sammeldrähte 27 insgesamt oder gruppenweise zusammengeschaltet sein, wobei einer dieser Drähte an einen im Quetschfuss 12 gelagerten Einführungsdraht 28 angeschlossen ist. Bei der besonderen dargestellten Ausführungsform sind alle Abschirmungen miteinander verbunden, doch kann diese Verbindung, wie bereits erwähnt wurde und später noch genauer erläutert werden soll, auch in einzelnen Gruppen erfolgen.
Beim Betrieb der Einrichtung wird an die Anoden 22 eine mässig hohe, gegenüber der Kathode 19 positive Spannung gelegt, beispielsweise in der Grösse von 135 Volt ; an die Anoden werden die einzelnen Ausgangskreise angeschlossen. Die Abschirmungen 26 können an einer in bezug auf die Kathode positiven Spannung von 75 Volt liegen ; es kann aber an diese Abschirmungen, wie noch beschrieben werden soll, auch eine Wechselspannung gelegt werden. Ferner sind Mittel vorgesehen, um zwischen der Kathode 19 und den Anoden 23 ein homogenes magnetisches Feld zu erzeugen, dessen Kraftlinien senkrecht zur Längsachse der Kathode verlaufen.
Bei dem in Fig. 1 dargestellten einfachen Ausführungsbeispiel besteht das Felderregersystem aus einem Paar seriengeschalteter
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Der Einfluss des magnetischen Feldes wird aus den folgenden Überlegungen verständlich :
Im allgemeinen wird ein Elektron, das sich in einem magnetischen Feld bewegt, einer Krafteinwirkung durch das Feld unterworfen, die senkrecht zur Bewegungsrichtung des Elektrons und zur Feldrichtung verläuft. Die Grösse dieser Kraft wird durch das Produkt H. e. v. angegeben, wobei H die Stärke des homogenen Magnetfeldes, e die Ladung des Elektrons und v die Geschwindigkeit desselben in Richtung senkrecht
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zum Magnetfeld ist. Die resultierende Bahn des Elektrons ist gekrümmt.
Wenn das Elektron eine Geschwindigkeitskomponente in Richtung des Magnetfeldes hat, dann beschreibt es eine spiralförmige Bahn um die Kraftlinien des Feldes.
Bei der in Fig. 5 schematisch dargestellten Einrichtung, die aus einer zylindrischen Kathode K
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koaxial mit der Kathode angeordnet ist, werden verschiedenartige Elektronenbahnen erhalten, wenn die Anode ein positives Potential V hat, um ein radiales elektrostatisches Feld zu bilden, während parallel zur X-Achse ein homogenes Magnetfeld erzeugt wird. Ein Elektron, das von der Kathode in einem Punkt des Schnittes mit der Ebene Y = 0 in radialer Richtung austritt, wandert auf einer geraden Linie parallel zur X-Achse zur Anode, da seine Geschwindigkeitskomponente senkrecht zum Feld H Null ist.
Für alle Elektronen, die im rechten Winkel zu dieser Richtung austreten, also in der Ebene X = 0, ist bei allen über einem kritischen Wert liegenden Feldstärken die Krümmung der Elektronenbahn so stark, dass die Elektronen nicht auf die Anode auftreffen, sondern in die Nähe der Kathode zurückkehren.
Elektronen, die in irgendeinem anderen Punkt aus der Kathode K austreten, beschreiben infolge des Magnetfeldes spiralförmige Bahnen in der
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gelangen zu der Anode. Die Spiralen sind an den beiden von der X-Ebene durchsetzten Seiten der Kathode gegensinnig.
Auf diese Weise werden zwei diametral entgegengesetzte, radial und parallel zu den magnetischen Kraftlinien verlaufende Elektronenstrahlen erhalten. Unter gewissen Bedingungen können diese Elektronenstrahlen auf die Anode fokusiert werden, so dass auf der Anode zwei elektronische Abbildungen der Kathode entstehen. Eine allgemeine Bedingung für eine solche Fokusierung besteht darin, dass der Krümmungsradius einer jeden Elekronenbahn klein im Vergleich zum Radius der Kathode sein muss. Eine speziellere Bedingung besagt, dass jedes Elektron während seiner Laufzeit zur Anode gerade eine oder mehrere Halbwindungen um die magnetischen Kraftlinien vollenden muss.
Es hat sich gezeigt, dass im letzteren Fall verhältnismässig schwache Magnetfelder angewendet werden können, um eine für die meisten praktischen Zwecke hinreichende Fokusierung zu erhalten, wobei der Radius der Elektronenbahn im wesentlichen ebenso gross wie oder grösser als der Radius der Kathode ist. Die zur Erzielung einer solchen Fokusierung erforderlichen Parameter können aus folgenden Überlegungen bestimmt werden :
Die Krümmung einer Elektronenbahn wird so verlaufen, dass die auf das Elektron wirkende Zentrifugalkraft gerade durch die vom Magnetfeld bewirkte Zentripetalkraft ins Gleichgewicht gesetzt wird. Dieses Kräftegleichgewicht wird unter der Bedingung
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erhalten, wobei m die Elektronenmasse und r der Krümmungsradius ist, während die übrigen Grössen die bereits erläuterte Bedeutung haben.
Setzt man
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dann kann man den Krümmungsradius auch durch
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ausdrücken, oder in praktischen Einheiten durch
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hiebei ist r in cm, V in Volt und H in Gauss einzusetzen.
Die Winkelgeschwindigkeit m des Elektrons um die Kraftlinien des magnetischen Feldes kann durch
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dargestellt werden. Soweit H konstant ist, bewegen sich also alle Elektronen um die Kraftlinien mit gleicher Winkelgeschwindigkeit.
Die Geschwindigkeitskomponente der Elektronen in der Z-Richtung bestimmt sich nach der Gleichung
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worin t die Zeit und Yo der Ordinatenwert Y desjenigen Punktes auf der Kathode ist, in dem das Elektron austritt. Aus dieser Gleichung erkennt man, dass die Geschwindigkeitskomponente in der Z-Richtung für den Fall Y-Yo den Wert Null hat. Wenn das Elektron die Yo-Ebene kreuzt, dann ist die elektrostatische Kraft in der Y-Richtung fast Null und das Elektron bewegt sich daher, ungeachtet der X-Komponente, in einem im wesentlichen feldfreien Raum. Der Wert von 00 kann dann in diesem Punkt durch Vergleich der Richtung des Elektrons in diesem Punkt mit seiner ursprünglichen Richtung ermittelt werden.
Auf diese Weise erkennt man, dass jedes Elektron die Y-Ebene durchsetzt, wenn wu = nr : ist, wobei n eine ganze Zahl ist. Mit anderen Worten durchsetzen alle Elektronen, wenn man Laufzeitunterschiede infolge der Krümmung der Kathodenoberfläche vernachlässigt, die YO-Ebene nach gleichen Zeitintervallen und man erreicht
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wendig ist, dann wird der Elektronenstrahl auf die Anode fokusiert und die resultierende
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elektronische Abbildung ist aufrechtstehend und hat gleiche Grösse wie der Elektronen emittierende Teil der Kathode.
Es lässt sich zeigen, dass unter Voraussetzung eines kleinen Verhältnisses von
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die Laufzeit ? i oder T2 für die von der Kathode zur Anode wandernden Elektronen aus den Beziehungen
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bei Vernachlässigung der Raumladung bzw.
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unter Berücksichtigung der Raumladung bestimmt werden kann. Kl und K2 sind Variable, die in Abhängigkeit vom Verhältnis der Elektroden-
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<tb>
<tb> R2 <SEP> K1 <SEP> K2
<tb> R.
<tb>
R,
<tb> 5 <SEP> 0-61 <SEP> 0-88
<tb> 10 <SEP> 0-65 <SEP> 0-88
<tb> 20 <SEP> 0-63 <SEP> 0-87
<tb> 40 <SEP> 0-61 <SEP> 0-84
<tb> 60 <SEP> 0. <SEP> 60 <SEP> 0. <SEP> 82
<tb> 100 <SEP> 0#58 <SEP> 0#79
<tb>
Wenn man für die Laufzeit den Wert einsetzt, der für eine Umdrehung erforderlich ist, dann erhält man folgende Beziehung für die Fokusierungsbedingungen
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einzusetzen ; K ist aus der obenstehenden Tabelle zu entnehmen und hat für raumladungsfreie Bedingung den Wert K1, bei Vorhandensein einer Raumladung den Wert K2.
Man erkennt, dass in Gleichung (7) die ursprünglichen Elektronengeschwindigkeiten und die Einflüsse des Magnetfeldes auf die Raumladung vernachlässigt sind. Der Einfluss der ursprünglichen Elektronengeschwindigkeiten ist ziemlich gering. Das magnetische Feld erhöht die Raumladung etwas und vergrössert dadurch die Laufzeit. Berücksichtigt man jedoch die Tatsache, dass die Elektronen spiralförmige Bahnen beschreiben, dann erkennt man, dass das Magnetfeld die Grössenordnung der Stärke des Fokusierungsfeldes nach Gleichung (7) nicht stark beeinflusst. Man erkennt ferner aus Glei- chung (7), dass der Einfluss der Krümmung der
Kathode vernachlässigt ist und die Gleichung daher nur für Regionen gilt, innerhalb deren der Winkel zwischen der Normalen auf die
Kathodenfläche und der Richtung des Magnet- feldes nicht gross ist.
Für praktische Zwecke gibt jedoch die Gleichung (7) mit hinreichender
Näherung die magnetische Feldstärke an, die zur Fokusierung des Strahles auf die Anode erforderlich ist. In manchen Fällen kann die für eine gute Fokusierung erforderliche Feld- stärke allerdings beträchtlich grösser, beispiels- weise um den Faktor 1'5-3 grösser als der aus Gleichung (7) gerechnete Wert sein.
Die Lage der elektronischen Abbildungen wird ausschliesslich durch die Richtung des magnetischen Feldes bestimmt. Es ist daher bei einer Anordnung der in Fig. 1 dargestellten
Art möglich, durch Änderung der Feldrichtung den Elektronenstrahl von einer Anode zur anderen zu bewegen. Wenn das Feld kontinuierlich rotiert, dann drehen sich auch die Elektronenstrahlen in gleicher Weise und treffen nacheinander auf die verschiedenen Anoden auf, wobei die Kreise, die zwischen jeder Anode und der Kathode angeschlossen sind, aufeinanderfolgend geschlossen und geöffnet werden.
In den Fig. 6,7 und 8 sind zwei Ausführungsformen von Felderregersystemen zur Erzeugung eines magnetischen Drehfeldes dargestellt. Bei der in den Fig. 6 und 7 dargestellten Anordnung befindet sich das elektronische Entladungsgefäss 10 innerhalb eines magnetischen Kernes 30, der beispielsweise aus Eisen besteht und vier gleichmässig gegeneinander versetzte Pole 31 aufweist, von denen jeder eine Spule 32 trägt. Die Höhe des Kernes 30 kann im wesentlichen mit der Bauhöhe des Elektrodensystems übereinstimmen. Die diametral gegenüberliegenden Spulen 32 sind paarweise derart miteinander verbunden, dass die gegenüberliegenden Pole 31 entgegengesetzte Polarität haben. Wie Fig. 6 zeigt, können die Spulen zur Erregung mit Zweiphasenstrom beispielsweise an einen Zweiphasengenerator 50 angeschlossen werden.
In ähnlicher Weise kann man für die Erregung auch mehrphasige Ströme anwenden.
In Fig. 8 ist beispielsweise ein Kern mit den Spulanschlüssen für die Erregung mit Dreiphasenstrom wiedergegeben, wobei die Spulen wie in Fig. 6 wieder derart gepolt sind, dass diametral gegenüberliegende Pole 31 entgegengesetzte Polarität haben.
Unter Umständen, beispielsweise wenn mehrphasiger Strom nicht vorhanden ist, kann das rotierende Magnetfeld unter Anwendung eines Kernes 30 mit vier Polen 31 und vier Spulen 32 gemäss Fig. 6 auch von einem Einphasenstrom abgeleitet werden. Die Schaltungsweise für einphasigen Erregerstrom ist in Fig. 10 wiedergegeben, in der jede Spule 32 zwei diametral gegenüberliegende Spulen der Anordnung nach Fig. 6 bedeutet. Wie Fig. 10 zeigt, ist im Kreis einer jeden Spule 32 ein Kondensator 40 vor-
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gesehen ; die Impedanzen der Spulen und Kondensatoren sind so gewählt, dass die Ströme durch die Spulen 32 (in Fig. 10) gegeneinander um 90 phasenverschoben sind.
Es ist zu erkennen, dass es durch die Erfindung möglich ist, fokusierte Elektronenstrahlen in einfacher Weise und mit einfachem Aufbau zu erzielen. Ferner ist zu erkennen, dass man auf diese Weise verhältnismässig starke Entladungsströme erzielen kann, da es die magnetische Fokusierung ermöglicht, Elektronen zu fokusieren, welche die Kathode in einem weiten Richtungsbereich verlassen, so dass elektronische Schalter und Verteiler mit hoher Leistungsfähigkeit erhalten werden. Darüber hinaus sammelt die magnetische Fokusierung die Elektronen nur im tatsächlichen Brennpunkt, so dass die zerstreuende Wirkung der Raumladung der Elektronen weitgehend herabgesetzt wird.
Das rotierende homogene Feld erzeugt, wie dargelegt wurde, Elektronenstrahlen in zwei diametral entgegengesetzten Richtungen. Bei einigen Anwendungen ist jedoch nur ein einziger rotierender Strahl erwünscht. Nach einem weiteren Erfindungsgedanken lässt sich eine solche Einrichtung erhalten, indem man ein elektrostatisches Feld anwendet, das sich mit dem Azimut um die Längsachse des Elektrodenaufbaues ändert. Bei einer besonderen Ausführungsform dieses Erfindungsgedankens werden in der Nähe der die Elektronen aufnehmenden Oberfläche der Anoden 22 Mittel zur Erzeugung eines Potentiales vorgesehen, das synchron mit dem magnetischen Drehfeld rotiert und um die Längsachse des Elektrodenaufbaues sinusförmig verläuft.
Demnach soll sich also das Potential Ve in einem beliebigen Punkt der zylindrischen Fläche, auf der sich die Anoden befinden, nach der Beziehung
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ändern, wobei ci, den Drehwinkel einer senkrecht zur Richtung des magnetischen Feldes orientierten Achse bedeutet.
Bei einer solchen Potentialverteilung ist der elektrische Vektor in der elektronischen Entladungseinrichtung stets parallel zum magnetischen Feld und das elektrische Feld stimmt mit demjenigen Feld überein, das von Parallelebenen erzeugt werden würde, in deren physikalischer und elektrischer Mitte die Kathode liegt. Das elektrische Feld hat konstante Stärke und gleichförmige Drehgeschwindigkeit. In einem beliebigen Zeitpunkt ist das elektrische Feld auf der einen Seite der Kathode positiv und es bildet sich daher in dieser Richtung ein Elektronenstrahl ES aus. Auf der diametral entgegengesetzten Seite der Kathode ist das elektrische Feld hingegen negativ und verhindert daher die Ausbildung eines Elektronenstrahles in der diametral entgegengesetzten Richtung.
Das elektrische Feld beeinflusst natürlich die Laufzeit der Elektronen und es ist daher erforderlich, für die Fokusierung des Strahles auf die Anoden eine andere magnetische Feldstärke als sonst anzuwenden. Die Stärke des erforderlichen magnetischen Feldes kann unter Vernachlässigung der Krümmung der Kathode und der Einflüsse des magnetischen Feldes auf die Raumladung näherungsweise durch die Beziehung
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bei Vernachlässigung der Raumladung oder durch die Beziehung
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unter Berücksichtigung der Raumladung angegeben werden.
Eine Möglichkeit zur Erzeugung des gewünschten elektrischen Feldes ist in Fig. 9 dargestellt, wo die Abschirmungen oder Trennwände 26 in vier Gruppen zusammengefasst sind und von einem Zweiphasengenerator, ähnlich dem Generator 50 in Fig. 6, derart gespeist werden, dass diametral gegenüberliegende Gruppen jeweils gegensinnige Polung haben. In dieser Figur sind die Trennwände in solcher räumlichen Beziehung zusammengefasst, dass sie in Verbindung mit einem Felderregersystem der in Fig. 6 dargestellten Art für-das Entladungsgefäss 10 verwendet werden können, wobei die Achse X-X die angedeutete Richtung hat.
Es ist ohne weiteres einzusehen, dass zur Speisung der Trennwände auch eine Stromquelle mit mehr als zwei Phasen verwendet werden kann. Beispielsweise kann man für diesen Zweck eine dreiphasige Stromquelle benutzen, wobei dann die Abschirmungen oder Trennwände in sechs Gruppen zusammengefasst werden müssen. Die Anzahl der Gruppen bei einer mehrphasigen Speisung ist immer doppelt so gross wie die Phasenzahl.
Selbstverständlich können die Spulen 32 und die Abschirmungen oder Trennwände 26 von der gleichen Wechselstromquelle gespeist werden.
So werden beispielsweise im Falle eines Zweiphasennetzes bei einer elektronischen Entladungseinrichtung, bei der die Trennwände gemäss Fig. 9 zusammengefasst und bezüglich des Kernes 30 in Fig. 6 in der durch die Bezugsachse X-X angedeuteten Weise angeordnet sind, übereinstimmend bezeichnete Leitungen (PH1 bzw. PH2) miteinander verbunden.
Die Abschirmungen oder Trennwände 26 setzen sich, wie an Fig. 3 deutlich zu erkennen ist, über die die Elektronen aufnehmenden Anodenflächen nach innen fort und verhindern dadurch, dass Sekundärelektronen, die an einer beliebigen Anode 22 ausgelöst werden, zu den benachbarten Anoden übergehen.
Bei einigen Anwendungen ist es erwünscht, den Elektronenstrahl bzw. die Elektronenstrahlen in Abhängigkeit von einem einfachen oder zusammengesetzten Signal zu modulieren. Das kann mit Hilfe des in Fig. 4 wiedergegebenen zylindrischen Gitters 33 erreicht werden, das in
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der Nähe der Kathode liegt, gleiche Ausdehnung wie diese hat und sie koaxial umgibt. Das
Gitter 33 ist zweckmässig freitragend und als geflochtene Korb mit groben Maschen aus dünnem Draht aufgebaut, um eine Verminderung des Stromes zu den Anoden durch Auffangen der Elektronen seitens der Gitterdrähte zu vermeiden.
Man erkennt, dass die magnetische Fokusierung vom Standpunkt der Modulation einen bemerkenswerten Vorteil ergibt, da hiebei die Modulation durch eine echte Raumladungswirkung über die gesamte aktive Kathodenfläche erreicht wird, während bei Einrichtungen mit elektrostatischer Fokusierung die Modulation auf einer Änderung der Kathodenfläche beruht, von der die Elektronen austreten.
Ein typisches Schaltbild, das eine Anwendung eines elektronischen Schalters oder Verteilers gemäss der Erfindung zeigt, ist in Fig. 11 schematisch wiedergegeben. Die Anoden 22 werden in bezug auf die Kathode 19 durch eine Spannungsquelle, etwa eine Batterie 34, auf positivem Potential gehalten. Jeder Anoden-KathodenKreis enthält ein Ausgangselement, wie etwa die Primärwicklung eines Übertragers 35. Das Steüergitter 33 kann in bezug auf die Kathode, beispielsweise durch eine Batterie 36, vorgespannt und über einen Eingangsübertrager 37 mit einer einfachen oder zusammengesetzten Signalspannung beaufschlagt werden.
Die Abschirmungen oder Trennwände 26 können an eine positive Anzapfung der Batterie 34 angeschlossen sein, wenn ein zweistrahliger Betrieb gewünscht ist, oder aber mit Wechselspannungen gespeist werden, um in der an Hand der Fig. 9 beschriebenen Weise einen einzigen rotierenden Elektronenstrahl ES zu erzeugen.
Elektronische Entladungseinrichtungen der erfindungsgemässen Bauart können beispielsweise gemäss Fig. 12 in Anlagen für die Vielfachtelephonie oder Vielfachtelegraphie benutzt werden. Die in dieser Figur dargestellten elektronischen Entladungseinrichtungen haben im allgemeinen ähnlichen Aufbau wie die früher beschriebenen. Jede Entladungseinrichtung ist jedoch an Stelle der Trennwände 26 mit einer Beschleunigungselektrode 41 ausgerüstet, die eine Vielzahl von Schlitzen 42 aufweist, von denen jeder einer der Anoden zugeordnet ist.
Der links in Fig. 12 dargestellte sendeseitige Verteiler enthält ferner eine Mehrzahl von Platten 23, die je einer Anode 22 gegenüberliegen und eine Öffnung 44 aufweisen, welche gleiche Grösse wie die projizierte Fläche des emittierenden Kathodenteiles 19 hat und in gleicher radialer Richtung wie die entsprechende Öffnung in der Beschleunigungselektrode 41 liegt. Der rechts in Fig. 12 dargestellte empfangsseitige Verteiler enthält ein Gitter 33.
In den Verteilern werden in der beschriebenen
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sendeseitigen Verteiler werden die Elektronenströme zu den einzelnen Anoden durch Spannungen moduliert, die den Platten 43 über die Eingangsübertrager 37 aufgedrückt werden. Die Anoden 22 sind miteinander beispielsweise über den Leiter 45 verbunden und werden in bezug auf Kathode auf positivem Potential, etwa in der Grössenordnung von 100 Volt, gehalten.
Die Beschleunigungselektrode 41 kann beispielsweise etwa 75 Volt bezüglich der Kathode positiv sein und die Platten 33 werden etwa 45 Volt in bezug auf die Kathode negativ vorgespannt.
Es ist zu erkennen, dass der im Ausgangswiderstand 46 fliessende Strom aus den zusammengesetzten Strömen der verschiedenen Anoden besteht. Über einen entsprechenden Übertragungskanal 48 werden dem Eingangswiderstand 47 des empfangsseitigen Verteilers Spannungen aufgedrückt, die diesem zusammengesetzten Strom entsprechen. Dadurch werden die Elektronenströme zu den Anoden 22 des empfangsseitigen Verteilers moduliert und sofern die Strahlen Z, i und L2 synchron rotieren, entspricht der im Ausgangskreis einer jeden Anode des empfangsseitigen Verteilers fliessende Strom dem Strom im Eingang des zugeordneten Plattensystems 43 beim sendeseitigen Verteiler.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Elektronenstrahlschalter mit einem Gefäss, das eine Kathode und eine Mehrzahl von Anoden umschliesst, welche auf einer zylindrischen, die Kathode umgebenden Fläche angeordnet sind, gekennzeichnet durch ein magnetisches Erreger- system (29) zur Erzeugung eines homogenen magnetischen Drehfeldes, dessen Kraftlinien senkrecht zur Längsachse der Kathode (19) verlaufen, so dass die von der Kathode emittierten Elektronen in wenigstens einem rotierenden Strahl gesammelt werden, der nacheinander auf die Anoden (22) auftrifft.
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Electron beam switch
The invention relates to electronic discharge devices and, more particularly, to electronic switches and distributors.
In certain types of transmission systems for electrical signals, for example systems for multiple telephony and multiple telegraphy, it is necessary to have several
To close circuits that have a connection in common one after the other and repeatedly.
The devices previously used for this purpose include electronic discharge devices in which an electron beam is deflected in such a way that it hits several collecting electrodes one after the other. One of the basic limitations to which such devices are subject is the moderate strength of the current that can be achieved via the electron beam. Furthermore, relatively complex components and devices are required in such devices to ensure the concentration and focusing of the electron beam on the collecting electrodes. Finally, these devices are large in size and complicated in structure.
The invention is based on the general object of facilitating the control of a large number of circuits in systems for signal transmission. In particular, the invention is concerned with increasing the efficiency of electronic switches and distributors, facilitating and improving the focusing of the electron beam in discharge devices with electron beams, simplifying the construction of electronic switches and distributors, the various collecting electrodes or anodes in such devices to effectively separate them from one another and finally to achieve a very effective modulation in electronic discharge devices with multiple collecting electrodes.
In a preferred embodiment of the invention, an elongated cathode and a plurality of collecting electrodes or anodes are used in an electronic distributor or switch, which lie on a cylindrical surface which surrounds the cathode and runs coaxially therewith.
According to one feature of the invention, a moving, in particular rotating, magnetic field is generated between the cathode and the collecting electrodes or anodes
Lines of force always perpendicular to the longitudinal axis of the
Cathode run. This field collects the electrons emerging from the cathode in two beams that are focused in such a way that they focus on two in the direction of the magnetic one
Lines of force on diametrically opposed collecting electrodes or anodes produce an electronic image of the cathode.
When the field rotates, these images are shifted and the electron beams hit the various anodes one after the other.
According to a further concept of the invention, shields are provided between the adjacent anodes, which prevent
Secondary electrons that are triggered at one anode are transferred to the neighboring anodes. These shields can be connected to one another in groups and fed in such a way that they generate an electrostatic field rotating synchronously with the rotating magnetic field with such a rotational phase that the electric field vector is always parallel to the magnetic lines of force. In this way, one of the two radial electron beams is suppressed and only a single rotating beam remains, which hits the individual anodes one after the other.
The currents through the anodes can be modulated with the aid of a grid that is adjacent to and enclosing the cathode.
Such a grid effects a modulation through a real space charge effect over the entire active cathode surface and therefore makes it possible to achieve a high level of effectiveness.
The invention will now be explained in more detail with the aid of the drawing, with the features mentioned and further features for better understanding. 1 is a perspective illustration of an embodiment according to the invention of an electronic discharge device with the actual discharge vessel and with coils for generating a
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magnetic field; part of the envelope of the discharge vessel has been omitted in order to reveal its internal structure. Fig. 2 is a predominantly sectioned one
Side view of the electronic discharge device according to FIG. 1. FIG. 3 is a sectional view in the plane 3-3 of FIG. 2. FIG. 4 is a section similar to FIG. 3 through a modification of that in FIGS. 1, 2 and 3 illustrated embodiment of the invention.
FIG. 5 is a perspective view of a cathode and an associated anode, in which various axes are indicated which serve to explain the effect of the magnetic field on the electrons emerging from the cathode.
FIG. 6 is a top view and FIG. 7 is a side view of a two-phase field excitation system which is suitable for generating a rotating magnetic field in the electronic discharge device shown in FIG. Fig. 8 is a partially sectioned plan view of a magnetic field excitation system with multi-phase excitation. Fig. 9 is a schematic diagram showing the electrical assignment of the shields or partitions in the device of FIG. 1 for the creation of a
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Pinch foot 12 provided insertion wires 21 take place.
Of course, other types of cathodes, for example directly heated cathodes, can also be used.
Between the insulating members 16 and 17 are on a cylindrical, coaxial with the
Cathode 19 extending surface arranged several similar collecting electrodes or anodes made of curved sheet metal. This
Anodes 22 can. abut against the insulating members and by short wires or pins 35, which with the anode sheets for example through
Weld are connected and fit with their ends in openings of the insulating members 16 and 17, are kept at equal mutual distances. The individual electrical connections to the anodes can be established by means of the wires 24 which are connected to the insertion wires 25 provided in the flange 13.
Metallic shields or partition walls 26 are arranged in the radial direction between the adjacent anodes 22 and fit into radial slots in the insulating members 16 and 17. These shields 26 can be interconnected as a whole or in groups via bus wires 27, one of these wires being connected to an insertion wire 28 stored in the pinch foot 12. In the particular embodiment shown, all shields are connected to one another, but, as has already been mentioned and will be explained in more detail later, this connection can also be made in individual groups.
When the device is in operation, a moderately high voltage, positive with respect to the cathode 19, is applied to the anodes 22, for example of the order of 135 volts; The individual output circuits are connected to the anodes. The shields 26 may be at a positive voltage with respect to the cathode of 75 volts; however, as will be described below, an alternating voltage can also be applied to these shields. Means are also provided to generate a homogeneous magnetic field between the cathode 19 and the anodes 23, the lines of force of which run perpendicular to the longitudinal axis of the cathode.
In the simple embodiment shown in Fig. 1, the field exciter system consists of a pair of series-connected
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The influence of the magnetic field can be understood from the following considerations:
In general, an electron moving in a magnetic field is subjected to an action by the field which is perpendicular to the direction of movement of the electron and to the direction of the field. The magnitude of this force is given by the product H. e. v. given, where H is the strength of the homogeneous magnetic field, e is the charge of the electron and v is the velocity of the same in the perpendicular direction
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to the magnetic field is. The resulting orbit of the electron is curved.
If the electron has a velocity component in the direction of the magnetic field, then it describes a spiral-shaped path around the lines of force of the field.
In the device shown schematically in FIG. 5, which consists of a cylindrical cathode K
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is arranged coaxially with the cathode, various electron trajectories are obtained when the anode has a positive potential V in order to form a radial electrostatic field, while a homogeneous magnetic field is generated parallel to the X-axis. An electron that emerges from the cathode at a point of the section with the plane Y = 0 in the radial direction travels on a straight line parallel to the X-axis to the anode, since its velocity component perpendicular to the field H is zero.
For all electrons that emerge at right angles to this direction, i.e. in the plane X = 0, at all field strengths above a critical value, the curvature of the electron orbit is so strong that the electrons do not hit the anode, but close by return to the cathode.
Electrons which emerge from the cathode K at any other point describe spiral paths in the due to the magnetic field
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get to the anode. The spirals are in opposite directions on the two sides of the cathode through which the X plane passes.
In this way two diametrically opposite electron beams extending radially and parallel to the magnetic lines of force are obtained. Under certain conditions, these electron beams can be focused on the anode, so that two electronic images of the cathode are created on the anode. A general condition for such a focusing is that the radius of curvature of each electron path must be small compared to the radius of the cathode. A more special condition says that each electron has to complete one or more half turns around the magnetic lines of force during its transit time to the anode.
It has been shown that in the latter case, relatively weak magnetic fields can be used in order to obtain sufficient focusing for most practical purposes, the radius of the electron path being essentially as large as or larger than the radius of the cathode. The parameters required to achieve such a focus can be determined from the following considerations:
The curvature of an electron orbit will be such that the centrifugal force acting on the electron is brought into equilibrium by the centripetal force caused by the magnetic field. This equilibrium of forces is under the condition
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obtained, where m is the electron mass and r is the radius of curvature, while the other quantities have the meaning already explained.
If you set
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then you can also use the radius of curvature
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express, or in practical units
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insert r in cm, V in volts and H in gauss.
The angular velocity m of the electron around the lines of force of the magnetic field can by
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being represented. As long as H is constant, all electrons move around the lines of force with the same angular velocity.
The speed component of the electrons in the Z-direction is determined by the equation
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where t is the time and Yo is the ordinate value Y of that point on the cathode at which the electron emerges. From this equation it can be seen that the speed component in the Z direction for the Y-Yo case has the value zero. If the electron crosses the Yo plane, then the electrostatic force in the Y direction is almost zero and the electron therefore moves in a substantially field-free space, regardless of the X component. The value of 00 can then be determined at this point by comparing the direction of the electron at this point with its original direction.
In this way one can see that each electron passes through the Y-plane if wu = nr: where n is an integer. In other words, if one neglects the transit time differences due to the curvature of the cathode surface, all electrons penetrate the YO plane after equal time intervals and one reaches
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is agile, then the electron beam is focused on the anode and the resulting
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The electronic image is upright and has the same size as the electron-emitting part of the cathode.
It can be shown that assuming a small ratio of
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the period ? i or T2 for the electrons migrating from the cathode to the anode from the relationships
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neglecting the space charge or
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can be determined taking into account the space charge. Kl and K2 are variables that depend on the ratio of the electrode
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<tb>
<tb> R2 <SEP> K1 <SEP> K2
<tb> R.
<tb>
R,
<tb> 5 <SEP> 0-61 <SEP> 0-88
<tb> 10 <SEP> 0-65 <SEP> 0-88
<tb> 20 <SEP> 0-63 <SEP> 0-87
<tb> 40 <SEP> 0-61 <SEP> 0-84
<tb> 60 <SEP> 0. <SEP> 60 <SEP> 0. <SEP> 82
<tb> 100 <SEP> 0 # 58 <SEP> 0 # 79
<tb>
If the value that is required for one revolution is used for the running time, the following relationship is obtained for the focusing conditions
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to use; K can be taken from the table above and has the value K1 for a space charge-free condition, and the value K2 for the presence of a space charge.
It can be seen that in equation (7) the original electron velocities and the influences of the magnetic field on the space charge are neglected. The influence of the original electron velocities is quite small. The magnetic field increases the space charge somewhat and thereby increases the running time. However, if one takes into account the fact that the electrons describe spiral paths, then one recognizes that the magnetic field does not have a strong influence on the magnitude of the strength of the focusing field according to equation (7). It can also be seen from equation (7) that the influence of the curvature of the
Cathode is neglected and the equation is therefore only valid for regions within which the angle between the normal to the
Cathode area and the direction of the magnetic field is not large.
For practical purposes, however, equation (7) is more adequate
Approximation of the magnetic field strength that is required to focus the beam on the anode. In some cases, however, the field strength required for good focusing can be considerably greater, for example by a factor of 1'5-3 greater than the value calculated from equation (7).
The position of the electronic images is determined exclusively by the direction of the magnetic field. It is therefore in an arrangement that shown in FIG
Kind of possible to move the electron beam from one anode to the other by changing the field direction. When the field rotates continuously, the electron beams also rotate in the same way and strike the different anodes one after the other, the circuits connected between each anode and the cathode being closed and opened in sequence.
6, 7 and 8 show two embodiments of field excitation systems for generating a rotating magnetic field. In the arrangement shown in FIGS. 6 and 7, the electronic discharge vessel 10 is located within a magnetic core 30, which consists, for example, of iron and has four poles 31 that are uniformly offset from one another and each of which carries a coil 32. The height of the core 30 can essentially correspond to the overall height of the electrode system. The diametrically opposite coils 32 are connected to one another in pairs in such a way that the opposite poles 31 have opposite polarity. As FIG. 6 shows, the coils for excitation with two-phase current can be connected to a two-phase generator 50, for example.
In a similar way, multiphase currents can also be used for the excitation.
In FIG. 8, for example, a core with the coil connections for excitation with three-phase current is shown, the coils again being polarized as in FIG. 6 in such a way that diametrically opposite poles 31 have opposite polarity.
Under certain circumstances, for example if there is no multiphase current, the rotating magnetic field can also be derived from a single-phase current using a core 30 with four poles 31 and four coils 32 according to FIG. The circuit for single-phase excitation current is shown in FIG. 10, in which each coil 32 means two diametrically opposed coils of the arrangement according to FIG. As FIG. 10 shows, a capacitor 40 is provided in the circuit of each coil 32.
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seen ; the impedances of the coils and capacitors are selected such that the currents through the coils 32 (in FIG. 10) are phase-shifted by 90 with respect to one another.
It can be seen that the invention makes it possible to obtain focused electron beams in a simple manner and with a simple structure. It can also be seen that relatively strong discharge currents can be achieved in this way, since magnetic focusing makes it possible to focus electrons which leave the cathode in a wide directional range, so that electronic switches and distributors with high performance are obtained. In addition, the magnetic focus collects the electrons only in the actual focal point, so that the scattering effect of the space charge of the electrons is largely reduced.
The rotating homogeneous field produces, as has been shown, electron beams in two diametrically opposite directions. However, in some applications only a single rotating jet is desirable. According to a further idea of the invention, such a device can be obtained by applying an electrostatic field which changes with the azimuth about the longitudinal axis of the electrode structure. In a special embodiment of this inventive concept, means for generating a potential are provided in the vicinity of the electron-receiving surface of the anodes 22 which rotates synchronously with the rotating magnetic field and runs sinusoidally around the longitudinal axis of the electrode structure.
Accordingly, the potential Ve should be at any point on the cylindrical surface on which the anodes are located, according to the relationship
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change, where ci means the angle of rotation of an axis oriented perpendicular to the direction of the magnetic field.
With such a potential distribution, the electrical vector in the electronic discharge device is always parallel to the magnetic field and the electrical field corresponds to the field that would be generated by parallel planes in whose physical and electrical center the cathode lies. The electric field has constant strength and uniform speed of rotation. At any given point in time, the electric field on one side of the cathode is positive and an electron beam ES is therefore formed in this direction. On the diametrically opposite side of the cathode, however, the electric field is negative and therefore prevents the formation of an electron beam in the diametrically opposite direction.
The electric field naturally influences the transit time of the electrons and it is therefore necessary to use a different magnetic field strength than usual to focus the beam on the anodes. The strength of the required magnetic field can be approximated by neglecting the curvature of the cathode and the influences of the magnetic field on the space charge by the relationship
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by neglecting the space charge or by the relationship
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can be specified taking into account the space charge.
One possibility for generating the desired electric field is shown in FIG. 9, where the shields or partition walls 26 are combined in four groups and are fed by a two-phase generator, similar to the generator 50 in FIG. 6, in such a way that diametrically opposite groups are each in opposite directions Have polarity. In this figure, the partition walls are combined in such a spatial relationship that they can be used in conjunction with a field exciter system of the type shown in FIG. 6 for the discharge vessel 10, the axis X-X having the direction indicated.
It is readily apparent that a power source with more than two phases can also be used to feed the partition walls. For example, a three-phase power source can be used for this purpose, in which case the shields or partitions must be combined into six groups. The number of groups with a multi-phase supply is always twice as large as the number of phases.
Of course, the coils 32 and the shields or partitions 26 can be fed from the same AC power source.
For example, in the case of a two-phase network in an electronic discharge device in which the partition walls are combined according to FIG. 9 and arranged with respect to the core 30 in FIG. 6 in the manner indicated by the reference axis XX, correspondingly designated lines (PH1 and PH2) connected with each other.
The shields or partition walls 26 continue, as can be clearly seen in FIG. 3, over the anode surfaces that accept the electrons and thereby prevent secondary electrons that are triggered at any anode 22 from passing to the adjacent anodes.
In some applications it is desirable to modulate the electron beam (s) in response to a simple or composite signal. This can be achieved with the aid of the cylindrical grid 33 shown in FIG. 4, which is shown in FIG
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is close to the cathode, has the same extent as this and surrounds it coaxially. The
Grid 33 is expediently self-supporting and constructed as a braided basket with coarse meshes made of thin wire, in order to avoid a reduction in the current to the anodes due to the trapping of the electrons by the grid wires.
It can be seen that magnetic focusing has a remarkable advantage from the point of view of modulation, since the modulation is achieved by a real space charge effect over the entire active cathode area, while in devices with electrostatic focusing the modulation is based on a change in the cathode area from which the Electrons leak.
A typical circuit diagram showing an application of an electronic switch or distributor according to the invention is shown schematically in FIG. The anodes 22 are kept at positive potential with respect to the cathode 19 by a voltage source, such as a battery 34. Each anode-cathode circuit contains an output element, such as the primary winding of a transformer 35. The control grid 33 can be biased with respect to the cathode, for example by a battery 36, and a simple or composite signal voltage can be applied to it via an input transformer 37.
The shields or partition walls 26 can be connected to a positive tap of the battery 34, if two-beam operation is desired, or they can be fed with alternating voltages in order to generate a single rotating electron beam ES in the manner described with reference to FIG.
Electronic discharge devices of the type according to the invention can be used, for example, according to FIG. 12 in systems for multiple telephony or multiple telegraphy. The electronic discharge devices shown in this figure are generally similar in structure to those previously described. However, instead of the partition walls 26, each discharge device is equipped with an acceleration electrode 41 which has a plurality of slots 42, each of which is assigned to one of the anodes.
The transmitter-side distributor shown on the left in FIG. 12 also contains a plurality of plates 23, each facing an anode 22 and having an opening 44 which is the same size as the projected area of the emitting cathode part 19 and in the same radial direction as the corresponding opening lies in the acceleration electrode 41. The receiving-side distributor shown on the right in FIG. 12 contains a grid 33.
In the distributors are described in the
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At the distributor on the transmission side, the electron streams to the individual anodes are modulated by voltages that are pressed onto the plates 43 via the input transformer 37. The anodes 22 are connected to one another, for example via the conductor 45, and are held at a positive potential with respect to the cathode, approximately in the order of magnitude of 100 volts.
For example, the accelerating electrode 41 can be about 75 volts positive with respect to the cathode and the plates 33 are biased about 45 volts negative with respect to the cathode.
It can be seen that the current flowing in the output resistor 46 consists of the combined currents of the various anodes. Via a corresponding transmission channel 48, the input resistor 47 of the receiving-side distributor is impressed with voltages which correspond to this composite current. This modulates the electron currents to the anodes 22 of the receiving-side distributor and if the beams Z, i and L2 rotate synchronously, the current flowing in the output circuit of each anode of the receiving-side distributor corresponds to the current in the input of the associated plate system 43 at the sending-side distributor.
PATENT CLAIMS:
1. Electron beam switch with a vessel that encloses a cathode and a plurality of anodes which are arranged on a cylindrical surface surrounding the cathode, characterized by a magnetic excitation system (29) for generating a homogeneous rotating magnetic field, the lines of force perpendicular to The longitudinal axis of the cathode (19) run so that the electrons emitted by the cathode are collected in at least one rotating beam which hits the anodes (22) one after the other.
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