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Elektronenröhre für sehr kurze Wellen. Die Erfindung bezieht sieh auf eine Elektronenröhre für sehr kurze Wellen, in der die Verstärkung auf der Wechselwirkung der Felder zweier Elektronenstrahlen unterschiedlicher Elektronengeschwindigkeit beruht. Die Elektronenröhre nach der Erfindung arbeitet also nach dem bekannten Prinzip der sog. Zweistrahlröhre, zeichnet sich jedoch von den bisher bekannten Zweistrahlröhren vornehmlich durch die Eigenschaft eines erheblich geringeren Rauschens aus.
Die bekannten Zweistrahlröhren sind meist folgendermassen gebaut: Man erzeugt zwei Elektronenstrahlen mit Hilfe von zwei getrennten Kathoden oder Elektronenkanonen, die in bezug auf eine gemeinsame Beschleunigungselektrode auf unterschiedlichem Potential liegen. Hinter der Beschleunigungselektrode befindet sich ein Steuerorgan, z. B. eine Wendel oder auch ein Hohlraumkreis, dem die Eingangsspannung zugeführt wird und der eine Modulation von Dichte oder Geschwindigkeit der Elektronen mindestens eines der beiden Strahlen erzeugt.
Hinter dem Steuerorgan bewegen sich die beiden Strahlen gemeinsam in einem von elektrostatischen Feldern freien Raum, und bei geeignet gewählter Geschwindigkeitsdifferenz tritt hier infolge der Wechselwirkung zwischen den Raumladungsfeldern der Strahlen längs des Strahlenweges eine Verstärkung des Signals auf. Dies bedeutet, dass in den Strahlen längs ihres Weges ein Anwachsen der Wechsel- stromdichte der Elektronen erfolgt, so dass nach einer gewissen endlichen Strahlenlänge die Strahlen intensiv in ihrer Dichte moduliert sind, also eine hohe Wechselstromkomponente des Konvektionsstromes enthalten.
Am Ausgang der Röhre treten diese Strahlen und damit der in ihnen erzeugte Konvektionswechselstrom in den Ausgangskreis ein und geben an diesen durch Abbremsung der Elektronen Wechselstromleistung der Fre- quenzdes Eingangssignals ab. Der Ausgangskreis kann wiederum eine Wendel oder auch ein Hohlraumkreis sein. Infolge des beschriebenen Mechanismus der Wechselwirkung zwischen .den beiden Strahlen ist der Konvek- tionswechselstrom im Ausgangskreis gross, das heisst die Ausgangsleistung grösser als die zur Modulation im Eingangskreis aufgewendete. Die Röhre wirkt demnach als Verstär- kerröhre.
Es hat sich gezeigt, dass solche Zweistrahlröhren ein ausserordentlich starkes Rauschen besitzen, das im allgemeinen so hoch ist, dass sich die Röhre als Anfangsstufenröhre nur sehr schlecht eignet. Dieses starke Rauschen ist. in folgendem begründet: Der Mechanismus der Wechselwirkung zwischen den beiden Strahlen, der zur Verstärkung des Signals führt, tritt nicht allein in dem Raum zwischen Ein- und Ausgangskreis auf, sondern bereits in dem Raum zwischen Kathode und Eingangskreis. Schon hier besteht eine @Vech-
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selwirkung zwischen den Raumladungsfeldern der beiden Strahlen, und diese Wechselwirkung hat zur Folge, dass anfängliche Störungen bereits auf dem Wege zwischen Kathode und Eingangskreis verstärkt. werden.
Als solehe Anfangsstörungen treten bekanntlich bei jeder Glühkathode die statistischen Schwankungen von Dichte und Geschwindigkeit der Elektronen bei ihrem Austritt aus den Kathoden auf. Dies ist die bekannte Erscheinung des Schroteffektes. Infolge des endlichen Weges der Strahlen vor dem Eintritt in den Eingangskreis und entsprechend dem genannten Mechanismus der Verstärkung infolge Wechselwirkung zweier Strahlen werden also beiden bisher bekannten Röhren die Schwankungen bereits vor dem Eintritt der Strahlen in den Steuerkreis verstärkt. Dies bedeutet, dass bereits am Eingang der üblichen Zweistrahlröhren der Gleichstrom eine starke Rauschkomponente enthält.
Die Erfindung beseitigt diesen uner- wünschten Effekt durch eine neue Bauart der Röhre. Dadurch lässt sich die Röhre auch in Anfangsstufen zur Verstärkung sehr schwacher Signale verwenden. Die Erfindung besteht darin, dass das Strahlerzeugungssystem für den zweiten Elektronenstrahl sich hinter dem Hochfrequenzeingangskreis befindet. Dies bedeutet unter anderem, dass der erste Elektronenstrahl von einem vor dem Eingangskreis liegenden Strahlerzeugungssystem ausgeht, während das Erzeugungssystem für den zweiten Elektronenstrahl zwischen Ein- und Ausgangskreis liegt.
In an sieh bekannter Weise kann die Kopplung der beiden Elektronenstrahlen dadurch erreicht werden, dass der zweite Elektronenstrahl den ersten Elektronenstrahl schlauchartig umgibt. Es ist aber auch möglich, umgekehrt den zweiten Elektronenstrahl innerhalb des ersten Elektronenstrahles verlaufen zu lassen. Der Eingangs- bzw. der Ausgangskreis kann durch einen oder mehrere Hohlraumresonatoren gebildet sein. Es können aber auch hier Verzögerungsleitungen, insbesondere Wendelstücke, verwendet werden. Im folgenden ist an Hand der Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in den wesentlichen Teilen in vereinfachter schematischer Darstellung näher erläutert.
Vor dem Eingangssystem liegt hier lediglich eine einzige Kathode 1 mit einer Fokussie- rungselektrode 2 und einer Beschleunigungselektrode 3 und gegebenenfalls weiteren der Einfachheit der Darstellung halber nicht näher veranschaulichten Elektroden. Der Eingangskreis ist mit 4 bezeichnet und als Verzögerungsleitung in Form einer Wendel ausgebildet, der das Eingangssignal von einem Generator ä aus, z. B. einer Antenne, zugeführt wird. Hinter diesem Eingangskreis befindet sich erst das Elekt.ronenstrahlerzeu- gungssystem für den zweiten Elektronenstrahl 6, der den ersten Elektronenstrahl 7 schlauchförmig umgibt. Die Kathode für den zweiten Elektronenstrahl ist. ringförmig ausgebildet und mit 8 bezeichnet.
Von Bündelungselektroden sind der Einfachheit der Darstellung halber ausser einer Fokussie- rungselektrode 9 keine weiteren gezeichnet, lediglich eine zusätzliche Beschleunigungs- elektrode 10 ist veranschaulicht.
Der Elektronenstrahl 7 besitzt einen verhältnismässig kleinen Durchmesser, und die Elektronen bewegen sieh in der Umgebung der Achse der Röhre und in Richtung dieser Achse. Beim Durchtritt durch den Eingangs- kreis 4 wird den Elektronen des Elektronenstrahles 7 eine Modulation der Dichte -und Geschwindigkeit im Takte der Frequenz des Eingangssignals aufgedrückt.
Der durch das zweite Elektronenstrahlerzeugungssystem gebildete sehlauehförmige Elektronenstrahl 6 unLsehliesst den Strahl 7 eng, so dass die Raumladungsfelder beider Strahlen in inniger "##@'eeliselivirkung stehen. Die Kathode 8 befindet sieh auf einem etwas andern Potential als die Kathode 1, so dass dementsprechend die Elektronen in den beiden Strahlen 6 und 7 eine geringfügige Differenz ihrer axialen Geschwindigkeitskomponente haben, eine Bedingung, die für die Entstehung entdämpfter Raumladungs-
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wellen und damit für die Erzielung einer Verstärkung notwendige Voraussetzung ist.
Im Raum zwischen Beschleunigungselektrode 10 und Ausgangskreis 11 vollzieht sich dann der Verstärkungsmechanismus durch die Wechselwirkung zwischen den beiden Strahlen in gleicher Weise wie bei den bisher bekannten Zweistrahlröhren. Die verstärkte Hochfrequenzleistung wird durch Abbremsung des Konvektionsstromes an den Ausgangskreis 11 und damit an den Verbraucher 12 abgegeben. Die beiden Strahlen werden schliesslich von der Auffangelektrode 13 aufgefangen. Der Ausgangskreis ist wiederum als Wendel ausgebildet.
Durch die Anordnung der zweiten Kathode hinter dem Eingangskreis werden gegenüber den bekannten Zweistrahlröhren Vorteile erzielt. Da auf dem Wege zwischen der ersten Kathode 1 und der zweiten Kathode S allein ein einziger Elektronenstrahl von Natur aus einheitlicher Elektronengeschwindigkeit fliesst, tritt längs dieses Weges keine Verstärkung der Anfangsschwankungen des Elektronenstrahles auf. Im Gegensatz zu den bisher bekannten Systemen enthält also der Strahl beim Eintritt in den Raum zwischen Eingangs- und Ausgangskreis keine verstärkte Rauschkomponente, sondern lediglich die Rauschkomponente entsprechend den Schwankungen der Kathodenemission.
Die Wechselwirkung zwischen den Elektronenstrahlen und damit die Verstärkung des Eingangskreises tritt erst hinter dem Eingangskreis auf, das heisst an einem Ort, wo auch bereits das Signal verstärkt wird. Es gelingt also auf diese Weise, die in den bekannten Zweistrahlröhren auf dem Wege der Elektronen von der Kathode zum Eingangskreis auftretenden Verstärkungen des Rauschens zu beseitigen. Die Folge davon ist, dass die im Strahl enthaltene und am Ausgang auftretende Rauschkomponente wesentlich kleiner ist, so dass die Röhre bei ihrer praktischen Anwendung als Verstärkerröhre eine bedeutend kleinere Rauschziffer besitzt als die bisher bekannten Zweistrahlröhren. Die Kathoden können auch andere Formen als die gezeigten besitzen.
Eingangs- und Ausgangskreis brauchen nicht Wendeln zu sein, es können an ihrer Stelle vielmehr beliebige Kreise oder Verzögerungsleitungen treten, die eine Geschwindigkeits- oder Dichtemodulation eines der beiden Strahlen im Eingangskreis ermöglichen bzw. im Ausgangskreis eine Ab- br emsung der Elektronen des Konvektions- wechselstromes und damit eine Umwandlung von kinetischer Energie der Elektronen in elektromagnetische Feldenergie bewirken.
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Electron tube for very short waves. The invention relates to an electron tube for very short waves in which the amplification is based on the interaction of the fields of two electron beams with different electron speeds. The electron tube according to the invention thus works according to the known principle of the so-called two-beam tube, but is distinguished from the previously known two-beam tubes primarily by the property of considerably lower noise.
The known twin-beam tubes are usually constructed as follows: Two electron beams are generated with the aid of two separate cathodes or electron guns which are at different potentials with respect to a common acceleration electrode. Behind the acceleration electrode there is a control element, e.g. B. a helix or a cavity circle to which the input voltage is supplied and which generates a modulation of the density or speed of the electrons of at least one of the two beams.
Behind the control element, the two beams move together in a space free of electrostatic fields, and if the speed difference is suitably selected, an amplification of the signal occurs here due to the interaction between the space charge fields of the beams along the beam path. This means that the alternating current density of the electrons increases along their path, so that after a certain finite beam length the beams are intensely modulated in their density, ie contain a high alternating current component of the convection current.
At the exit of the tube, these rays, and thus the convection alternating current generated in them, enter the output circuit and, by braking the electrons, emit alternating current power at the frequency of the input signal. The output circle can in turn be a helix or a cavity circle. As a result of the described mechanism of interaction between the two beams, the alternating convection current in the output circuit is large, that is to say the output power is greater than that used for modulation in the input circuit. The tube therefore acts as an amplifier tube.
It has been shown that such two-beam tubes have an extremely high level of noise, which is generally so high that the tube is only very poorly suited as an initial stage tube. This is strong noise. Based on the following: The mechanism of the interaction between the two beams, which leads to the amplification of the signal, does not only occur in the space between the input and output circuit, but already in the space between the cathode and the input circuit. There is already a @ Vech-
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interaction between the space charge fields of the two beams, and this interaction has the consequence that initial disturbances are already amplified on the path between the cathode and the input circuit. will.
As is well known, such initial disturbances are the statistical fluctuations in the density and speed of the electrons when they exit the cathode for every hot cathode. This is the well-known phenomenon of the shot effect. As a result of the finite path of the rays before entering the input circuit and in accordance with the aforementioned mechanism of amplification due to the interaction of two rays, the fluctuations in the two previously known tubes are already amplified before the rays enter the control circuit. This means that the direct current already contains a strong noise component at the entrance of the usual two-beam tubes.
The invention eliminates this undesirable effect by means of a new type of tube. This means that the tube can also be used in the initial stages to amplify very weak signals. The invention consists in that the beam generating system for the second electron beam is located behind the high-frequency input circuit. This means, among other things, that the first electron beam emanates from a beam generation system located in front of the input circle, while the generation system for the second electron beam lies between the input and output circle.
In a manner known per se, the coupling of the two electron beams can be achieved in that the second electron beam surrounds the first electron beam like a hose. However, it is also possible, conversely, to allow the second electron beam to run within the first electron beam. The input or output circuit can be formed by one or more cavity resonators. However, delay lines, in particular helical pieces, can also be used here. In the following, an exemplary embodiment of the invention is explained in more detail in the essential parts in a simplified schematic representation with reference to the drawing.
In front of the input system there is only a single cathode 1 with a focusing electrode 2 and an acceleration electrode 3 and, if necessary, further electrodes, which are not shown in detail for the sake of simplicity of the illustration. The input circuit is denoted by 4 and is designed as a delay line in the form of a helix, which receives the input signal from a generator, e.g. B. an antenna is supplied. The electron beam generation system for the second electron beam 6, which surrounds the first electron beam 7 in the form of a hose, is located behind this input circuit. The cathode for the second electron beam is. ring-shaped and denoted by 8.
For the sake of simplicity of illustration, no other bundling electrodes are shown apart from a focusing electrode 9; only an additional acceleration electrode 10 is illustrated.
The electron beam 7 has a comparatively small diameter, and the electrons move around the axis of the tube and in the direction of this axis. When passing through the input circuit 4, the electrons of the electron beam 7 are subjected to a modulation of density and speed in the cycle of the frequency of the input signal.
The wave-shaped electron beam 6 formed by the second electron beam generating system unLsehl closes the beam 7 so that the space charge fields of both beams are in an intimate "## @ 'eliselivirkung. The cathode 8 is at a slightly different potential than the cathode 1, so that accordingly the Electrons in the two beams 6 and 7 have a slight difference in their axial velocity component, a condition that is necessary for the creation of undamped space charge
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waves and is therefore a necessary prerequisite for achieving a gain.
In the space between the acceleration electrode 10 and the output circle 11, the amplification mechanism then takes place through the interaction between the two beams in the same way as in the previously known two-beam tubes. The amplified high-frequency power is delivered to output circuit 11 and thus to consumer 12 by braking the convection current. The two beams are finally collected by the collecting electrode 13. The output circle is again designed as a helix.
The arrangement of the second cathode behind the input circuit results in advantages over the known twin-beam tubes. Since on the path between the first cathode 1 and the second cathode S only a single electron beam naturally flows with a uniform electron speed, there is no increase in the initial fluctuations of the electron beam along this path. In contrast to the previously known systems, the beam when entering the space between the input and output circuit does not contain an amplified noise component, but only the noise component corresponding to the fluctuations in the cathode emission.
The interaction between the electron beams and thus the amplification of the input circuit only occurs after the input circuit, i.e. at a place where the signal is already amplified. It is thus possible in this way to eliminate the increases in the noise occurring in the known twin-beam tubes on the way of the electrons from the cathode to the input circuit. The consequence of this is that the noise component contained in the beam and occurring at the exit is much smaller, so that the tube, when used in practice as an amplifier tube, has a significantly lower noise figure than the previously known two-beam tubes. The cathodes can also have other shapes than those shown.
The input and output circles do not need to be coils; instead, arbitrary circles or delay lines can be used that enable the speed or density modulation of one of the two beams in the input circle or a deceleration of the electrons of the convection alternating current in the output circle and thus cause a conversion of the kinetic energy of the electrons into electromagnetic field energy.