DE1065025B - Laufzeitroehrenanordnung mit einem abstimmbaren Hohlraumresonator - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung bezieht sich auf Verbesserungen von Laufzeitröhrenanordnungen, die eine mit einem Hohlraumresonator gekoppelte Resonanzwendel enthalten.

Röhren mit ebenen Elektroden mit scheibenförmigen Elektrodenanschlüssen und entsprechender Kolbenform sind hinsichtlich der oberen Grenzfrequenz wesentlich verbessert worden. Durch LaufzeitefTekte scheinen jedoch die äußersten Entwicklungsmöglichkeiten begrenzt zu sein, die von diesem Röhrentyp erwartet werden können. Andere Röhrentypen, die für wesentlich höhere Frequenzen als die Scheibenelektrodenröhren entwickelt wurden, haben gewisse unerwünschte Eigenschaften gezeigt. Bei einem Klystron üblicher Form findet z. B. die Wechselwirkung zwischen dem Elektronenstrahl und dem elektromagnetischen Feld der Resonatoranordnung an den Rändern eines Spaltes statt, der durch die nahe beieinander liegenden Wandteile des Resonators definiert ist, durch die der Strahl hindurchtritt. Der Wirkungsgrad einer solchen Röhre ist durch das Produkt ß² ■ R_s begrenzt, wobei β der Spaltkoeffizient und R_s der Querwiderstand oder Lastwiderstand des Spaltes ist. Der Spaltkoeffizient β hat einen Maximalwert von 1 bei einem Laufzeitwinkel der Elektronen im Spalt vom Betrag 0 und nimmt progressiv bei wachsendem Laufzeitwinkel ab. Bei hohen Frequenzen hat der Laufzeitwinkel einen nennenswerten Betrag, der allerdings durch Erhöhen der Strahlspannung und durch Verringern der Spaltlänge verkleinert werden kann. Es existiert jedoch eine praktische Grenze für die Strahlspannung; überdies verringert die Verkleinerung der Spaltbreite die Größe von R_s. Im praktischen Fall stellt daher der Maximalwert des Produktes ß² ■ R_s einen Kompromiß zwischen den Werten von β und R_s dar, wobei der Spaltkoeffizient β kleiner als 1 ist und oft in der Größe von 0,5 oder 0,6 liegt.

In Lauffeldröhren derjenigen Bauart, in denen eine Wendel oder ein anderes Gebilde mit verzögerter Wellenfortleitung verwendet wird, tritt der Strahl mit einer einfachen Folge elektromagnetischer Wechselfelder in Wechselwirkung, die in der Längsrichtung des Gebildes entsteht. Diese Röhren arbeiten bei hohen Frequenzen mit einem guten Wirkungsgrad; ihr Aufbau ist jedoch schwierig und kostspielig. Die Verwendung einer an sich bekannten Resonanzwendel, längs der eine stehende elektromagnetische Welle erzeugt wird, bietet den Vorteil eines starken elektrischen Feldes, verglichen mit dem Gebilde verzögerter Wellenfortleitung in Wanderwellenröhren; sie erlaubt daher die Verwendung einer viel kürzeren Wendel. Ferner vermeidet man damit manche der Begrenzungen der anderen obenerwähnten Röhrentypen.

Laufzeitröhrenanordnung mit einem
abstimmbaren Hohlraumresonator

Anmelder:
General Electric Company,
Schenectady, N.Y. (V.St.A.)

Vertreter: Dr.-Ing. W. Reichel, Patentanwalt,
Frankfurt/M. 1, Parkstr. 13

Beansprachte· Priorität: V. St. v. Amerika vom 28. Februar 1955

Joseph Anthony Rich, Schenectady, Ν. Y. {V. St. Α.),
ist als Erfinder genannt worden

Es sind auch Laufzeitröhrenanordnungen bekannt, bei denen eine Dichtesteuerung des aus der Kathode austretenden Elektronenstrahls mit Hilfe eines Gitters bewirkt wird, welches der Kathode benachbart ist und bei denen zwischen dem Steuerraum und der Auffangelektrode der Auskoppelspalt eines Ausgangs-Hohlraumresonators liegt, mit dessen Hilfe die erzeugten bzw. verstärkten Schwingungen abgenommen werden. Gemäß der Erfindung werden derartige Anordnungen dadurch verbessert, daß in den hohlen Innenleiter des aus zwei koaxialen Leitungsstücken bestehenden Hohlraumresonators eine Art Resonanzwendel zusätzlich eingefügt ist, die sich vom Steuerraum über den gesamten Auskoppelspalt in einen an sich sonst feldfreien Raum bis nahe vor die Auffangelektrode erstreckt.

Eine derartige Anordnung ermöglicht eine Abstimmung des gesamten Systems über einen verhältnismäßig weiten Frequenzbereich. Die Kopplung zwisehen dieser Resonanzwendel und dem Hohlraumresonator wird durch den Strahl sowie den Spalt in der Wandung des Resonators durchsetzende elektrische Felder der beiden Schwingungsgebilde erhalten. Der ankoppelnde Spalt ist kleiner als ein Viertel einer axialen Wellenlänge längs der Resonanzwendel und wird vorzugsweise in axialer Richtung nahe dem Maximalwert des elektrischen Feldes angebracht.

Bei einer besonderen Ausführungsform (Fig. 1) ist das eine Ende des Resonators zugleich ein hoch-

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frequenter Kurzschluß des benachbarten Endes der Wendel. In diesem Ausführungsbeispiel liegt der Spalt nahe dem Ende der Wendel, da die axiale Komponente dort ein Maximum hat, während die radiale Komponente Null ist. In einer anderen Ausführungsform (Fig. 2) werden öffnungen in den Abschlußplatten von etwa dem inneren Durchmesser der Wendel vorgesehen. In dieser Abänderungsform hat die stehende Spannungswelle längs der Resonanzwendel einen kleinen Wert bei einem Abstand einer Viertelwellenlänge von jedem Ende der Wendel. Der Spalt ist in dem umgebenden Resonator vorzugsweise in einer Entfernung zwischen einer Viertelwellenlänge und einer halben Wellenlänge von der Abschlußplatte angebracht. ¹S

Die Erfindung wird an Hand der weiteren Beschreibung verdeutlicht. Hierbei wird Bezug auf die Zeichnungen genommen. Von diesen zeigt

Fig. 1 eine Ansicht eines "Schnittes in Längsrichtung eines abstimmbaren Resonanzsystems gemäß der ao Erfindung,

Fig. 2 eine Seitenansicht des Systems der Fig. 1, wobei ein Teil weggebrochen ist, um Einblick in das Innere des Systems zu geben,

Fig. 3 einen Längsschnitt einer abgewandelten Form des erfindungsgemäßen Resonanzsystems,

Fig. 4 eine Schnittansicht des Systems der Fig. 2 und des zugehörigen Entladungsgefäßes,

Fig. 5 eine Darstellung der Änderung der Kopplung zwischen der Wendel und dem Resonator bei geänderter axialer Länge des Spaltes unter besonderer Bezugnahme auf das Beispiel der Fig. 1.

Im folgenden wird nun auf die Fig. 1 und 2 Bezug genommen. Hier wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung gezeigt, die einen zylindrischen Hohlraumresonator 10 in Form eines koaxialen Leitungsstückes enthält, dessen Innenleiter von einer Resonanzwendel 11 umgeben ist. Der Resonator besteht aus einer äußeren zylindrischen Wandung 12, einer inneren zylindrischen Wandung 13 und einer Stirnseiten-Abschlußwand 14. Die zylindrische Wandung 13 endet in einer bestimmten Entfernung von der Abschlußwand 14. Die zylindrische Wandung 13 kann auf ihrer ganzen Länge einen gleichförmigen Durchmesser besitzen. Vorzugsweise ist jedoch an ihr ein Endteil 15 vorgesehen, welcher sich nach innen in Richtung auf die äußere Oberfläche der Wendel erstreckt und so mit der Abschlußwand 14 einen ringförmigen sich in axialer Richtung erstreckenden Spalt 16 bildet. In der gezeigten Ausführungsform ist das Endteil 15 halbkugelförmig ausgebildet und mit einer öffnung versehen, die nur wenig größer als der äußere Durchmesser der Wendel 11 ist. Diese Gestalt des inneren Zylinders ermöglicht das Einhalten eines bestimmten Abstandes von der äußeren Oberfläche der Wendel 11 auf den größten Teil ihrer Länge. Gleichzeitig wird so der Kopplungsspalt 16 in großer Nähe der äußeren Oberfläche der Wendel an der Stelle gebildet, wo das elektrische Feld der Wendel verhältnismäßig stark ist. Die Wendel läuft an ihrem einen Ende in einen Kontakt mit der Platte 14 und an ihrem anderen Ende in einen Kontakt mit einer Platte 17 aus, die den Innenraum des Zylinders 13 in bezug auf hochfrequente elektrische Felder abschließt. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Platten 14 und 17 mit zentral angeordneten kreisförmigen öffnungen 18 von einem Durchmesser versehen, der für den Durchtritt eines zwecks Wechselwirkung axial die Wendel 11 durchsetzenden Strahls geeignet ist. Diese öffnungen 18 sind elektrisch gegenüber hoch-

frequenten Feldern mit Hilfe feiner Drähte oder Netze 19 verschlossen, die mit den Platten 14 und 17 fest verbunden sind.

Das Resonanzsystem ist abstimmbar ausgeführt. Dies wird mit Mitteln erreicht, durch die die Resonanzfrequenz des Hohlraumresonators geändert wird. In der gezeigten Ausführungsform ist die ringförmige Abschlußwand 20 in ihrer axialen Lage einstellbar und steht mit den zylindrischen Wänden 12 und 13 des Hohlraums mit Hilfe von Spreizfedern 21 in Verbindung. Ein Leiter 22 erstreckt sich durch die Abschlußwand 20 hindurch und endet in einer induktiven Schleife 23, über die hochfrequente Energie dem Resonanzsystem zu- oder von ihm abgeführt werden kann. Es ist klar, daß andere bekannte Mittel zur Abstimmung von Hohlraumresonatoren an Stelle des Kolbens 20 verwendet werden können.

Die in dem gezeigten Ausführungsbeispiel dargestellte Abschlußwand 17 steht in gleitendem Kontakt mit der Innenwand des Zylinders 13 über Kontaktfedern 24. Der Spalt 16 kann dadurch in seiner axialen Länge verändert werden, daß der Zylinder 13 gegenüber der Stirnwand 14 verschoben wird. Die Wandung 17 bewegt sich nicht mit dem Zylinder 13 zusammen, sondern behält ihre Lage bei, da sie mit dem Zylinder 13 über die Kontaktfedern 24 gleitend verbunden ist. Es sei jedoch bemerkt, daß diese Einstellmöglichkeit in besonderen Anwendungsfällen überflüssig sein kann.

Wie bereits erwähnt, ist es Gegenstand dieser Erfindung, von einem Resonanzsystem mit verzögerter Wellenausbreitung, beispielsweise einer Wendel, für die Wechselwirkung mit einem Elektronenstrahl Gebrauch zu machen und die Abstimmung dieses Gebildes verzögerter Wellenfortleitung durch Kopplung mit einem abstimmbaren Hohlraumresonator auf solche Weise zu erzielen, daß eine Abstimmung des Resonators eine Abstimmung des Systems als Ganzes bewirkt. Dieses Ergebnis wird unter der Voraussetzung erzielt, daß die Kopplung entsprechend bemessen ist. Bei der oben beschriebenen Anordnung wird dieses mit Hilfe des Spaltes 16 ermöglicht. Der Spalt ist nahe dem einen Ende der Wendel angebracht, wo das Feld hinreichend stark ist, und ist vorzugsweise so angeordnet, daß das Feld des Resonators dem Felde der Wendel in einem »axialen« Bereich der Wendel ausgesetzt ist, d. h. wo die axiale Komponente des elektrischen Feldes nahe bei einem Maximalwert liegt.

In Fig. 5 wird die Änderung der Koppelkonstante k bei geänderten Spaltbreiten, in cm gemessen, dargestellt. Die Kurven A und B werden von einem Gebilde entsprechend Fig. 1 mit halbkugelförmigem Abschlußteil der inneren Wandung des Resonators erhalten, die eine Wand eines Spaltes bildet. Bei einem Ausführungsbeispiel ist die Wendel mit etwa einer Windung pro cm (2¹/a Windungen pro Zoll) gewickelt und ist 8V2 cm (3³/s Zoll) lang. Der mittlere Wendeldurchmesser ist 3 cm (lVio Zoll) und der Durchmesser des Wendeldrahtes 0,313 cm (Vs Zoll). Die Durchmesser der äußeren Hohlraumwandung, der inneren Hohlraumwandung und der äußeren Wendel stehen im Verhältnis 4:2:1. Die Kurve A zeigt die Änderung von k bei einer Änderung der axialen Länge des Spaltes von V2 cm auf 3Vä cm, wobei die Wendel im Halbwellenlängenmodul arbeitet, d. h. wenn die physikalische Länge der Wendel in axialer Richtung gleich einer halben Wellenlänge einer stehenden Spannungswelle längs der Wendel ist. Die Koppelkonstante k ist ein Maß für die maximale Abweichung

der Systemfrequenz von der Resonanzfrequenz entweder des Resonators allein oder der Wendel allein; mit anderen Worten, die Konstante k ist ein direktes Maß für die Wirksamkeit des Kolbens 20 als gemeinsames Abstimmelement für den Hohlraum und die Resonanzwendel. Wie aus der Kurve A zu ersehen ist, erstreckt sich diese Wirksamkeit über einen beträchtlichen Variationsbereich der Spaltlänge; in Wellenlängen ausgedrückt, erstreckt sich dieser Bereich von etwa einem Zweiunddreißigstel einer Wellenlänge bis etwa drei Sechzehntel einer Wellenlänge. Die Kurve B zeigt die Änderung der Kopplung in Abhängigkeit von der Spaltlänge für den Fall, daß die axiale Länge der Wendel gleich einer Wellenlänge der stehenden Spannungswelle ist. In diesem Fall ist die Länge des Kopplungsspaltes kritischer, und die Verringerung von k auf einen niedrigeren Wert läßt auf eine geringere Wirksamkeit der Kolbenstellung auf die Abstimmung des Systems als Ganzes schließen. Die Kurve C zeigt die Variation der Kopplung für den Halbwellenmodul, jedoch mit einer abgewandelten Form des inneren Leiters 13, insofern als der innere Leiter auf seiner ganzen Länge einen gleichmäßigen Durchmesser besitzt. Bei dieser Konstruktion ist die Kopplung etwa 75% derjenigen bei halbkugelförmigem Abschluß des inneren Leiters; im übrigen ist jedoch die Änderung der Kopplung mit geänderter Spaltlänge die gleiche. In Verhältniszahlen der Arbeitsfrequenz des Systems ausgedrückt, wurde eine Frequenzänderung um etwa + 25^e/o> von einer Mittelfrequenz von 420 MHz durch eine Änderung der Kolbenstellung von 3 bis 13 cm von der Abschlußwand 14 (Fig. 1) bei einem Spaltabstand von 1 cm erhalten.

In Fig. 3 der Zeichnung wird eine Abwandlung der Erfindung gezeigt, die im wesentlichen der Fig. 1 ähnlich ist, wobei entsprechende Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind. Wo die Teile hinsichtlich Gestalt oder Lage verändert wurden, sind die Bezugszeichen mit einem Beistrich versehen. Aus Fig. 3 ist zu ersehen, daß die Öffnungen 18' an den Enden der Wendel gleichen Durchmesser wie das Innere der Wendel 11 aufweisen und im Gegensatz zu der Fig. 1 nicht mit Drähten oder einem Netz bedeckt sind. Bei dieser Anordnung hat die stehende Welle für einen Abstand von einer Viertelwellenlänge von jedem Ende der Wendel bis zum Spalt 16 eine sehr kleine Amplitude, und die Wendel muß daher mit einem höheren als Halbwellenmodul betrieben werden. In der gezeigten Anordnung ist der Kopplungsspalt 16' nahe der physikalischen Mitte der Wendel angebracht, was einem Spannungsmaximum der stehenden Welle entsprechen würde. Der Spalt ist nahe dem halbkugelförmigen Abschlußteil 15' auf dem inneren Leiter 13' und der Abschlußwand 14' des Hohlraumresonators angebracht. Die Platte 14", an welcher das eine Ende der Wendel befestigt ist, wird von der Abschlußwand 14' des Resonators mit Hilfe eines Zylinders 25 unterstützt, dessen Durchmesser gleich demjenigen des inneren Leiters 13' des Resonators ist.

Die Verwendung der öffnungen 18' ohne alle Gitter 19 hat den Vorteil, daß die mit einer Erwärmung der Gitterdrähte durch den Strahl sich ergebenden Probleme hinfällig werden. Der Spalt hat nach Fig. 3 einen Abstand von den Wendelenden. Es ist jedoch auch möglich, eine hinreichende Kopplung zu erhalten, wenn der Spalt wie in Fig. 1, nahe dem Ende der Wendel angebracht ist. In dem einen Fall, wenn nämlich der Spalt einen Abstand von der Wendel hat, kann die Kopplung durch die axialen Felder erreicht werden; in dem anderen Fall, wenn der Spalt am Ende der Wendel liegt, aber auch durch die radialen Felder zwischen Wendel und Resonator. In Fig. 4 wird ein Resonanzsystem gezeigt, das in einer Laufzeitröhrenkonstruktion alle zur Durchführung erforderlichen Einzelheiten enthält. Die Elektrodenanordnung ist im wesentlichen derjenigen der Scheibenröhren mit ebenen Elektroden ähnlich, ίο Wie gezeigt, enthält die Entladungsanordnung ein Kathoden- bzw. Heizsystem 27, das eine ebene emittierende Oberfläche 28 aufweist. Das Kathodensystem ist innerhalb und in isolierter Lage bezüglich eines Gitterzylinders 29 angebracht, das seinerseits von einem Bund 30 getragen wird, der einen Teil des ebenen GitteransehLusses 31 bildet. Ein Steuergitter 32 wird an dem oberen Rand des Gitterzylinders in geringem Abstand von der Kathode 28 gehalten. Die seitliche Wandung der Röhre wird durch die An-Schlüsse 33 und 34 ergänzt, die durch einen keramischen zylindrischen Isolator 35 auf Abstand gehalten werden. Ferner wird die seitliche Wandung durch einen zylindrischen Isolator 36 gebildet, der den Anschluß 31 von dem Anschluß 33 trennt. Das obere Ende der Röhrenhülle wird durch eine zylindrische Erhebung 37 des Anschlusses 34 geschlossen, der mit der Auffangelektrode 38 verbunden oder vereinigt ist, welche innen eine kegelförmig vertiefte Auffangfläche 38' besitzt. Der Anschluß 33 entspricht im wesentliehen der Abschlußwand 14 des Resonators in Fig. 1 und der Anschluß 34 der Abschlußwand 17. Letzterer unterstützt innerhalb der Röhre einen Teil des Resonanzsystems einschließlich der Resonanzwendel 39 und eines inneren zylindrischen Leiters 40, der in einen halbkugelförmigen Teil 41 ausläuft, welcher von dem Anschluß 33 in solchem Abstand angeordnet ist, daß ein Kopplungsspalt 42 zwischen dem Feld der Resonanzwendel und des Hohlraumresonators geschaffen wird, welcher zum Teil durch die Anschlüsse 33 und 34 und den Leiter 40 gebildet wird. Wie gezeigt, wird die Wendel in der Achse der Röhre zwischen den Anschlüssen 33 und 34 gehalten, die mit hintereinanderliegenden öffnungen versehen sind, so daß ein Durchlaß für den Elektronenstrahl gebildet wird. Diese Öffnungen 43 sind für die hohen Frequenzen durch angedeutete Drahtnetze 44 geschlossen. Es ist zu erkennen, daß die zylindrischen Leiter 45 und 46 in den zylindrischen Teil 37 der Anschlüsse 34 bzw. 33 eingreifen. Man erkennt, daß diese Zylinder den inneren und äußeren Zylindern des Hohlraumresonators in Fig. 1 entsprechen und daß das Leistung abgebende Resonanzsystem der Röhre durch Abstimmen dieses Resonators mit irgendeinem geeigneten Mittel, z. B. einem Kolben, eingestellt werden kann. Es ist einleuchtend, daß bei der Laufzeitröhrenanordnung nach Fig. 4 ein Elektronenstrahl die Strecke zwischen der Kathodenobernache 28 und der Sammelelektrode 38 durchläuft und daß dieser Strahl entsprechend einem an das Steuergitter 32 angelegten Signal moduliert werden kann. Der modulierte Strahl erregt beim Durchlaufen der Wendel den Innenteil des Resonanzsystems bei einer Frequenz entsprechend der Modulation. Die Frequenz, bei der die Röhre arbeiten soll, kann durch die Verschiebung eines Kolbens 20 zwischen den Hohlraumwänden 45 und 46 eingestellt werden. Eine Röhrenanordnung entsprechend der vorliegenden Erfindung ermöglicht eine höhere Ausbeute bei einer größeren Bandbreite, als bisher mit den bekannten Flachelektrodenröhren bzw. Scheibenröhren erhalten werden konnte.

Claims (4)

Patentansprüche.-

1. Laufzeitröhrenanordnung, bei der eine Dichtesteuerung des aus der Kathode austretenden Elektronenstrahls mit Hilfe eines Gitters bewirkt wird, welches der Kathode benachbart ist, und bei der zwischen dem Steuerraum und der Auffangelektrode der Auskoppelspalt eines Ausgangs-Hohlraumresonators liegt, mit dessen Hilfe die erzeugten bzw. verstärkten Schwingungen abgenommen werden, dadurch gekennzeichnet, daß in den hohlen Innenleiter des aus zwei koaxialen Leitungsstücken bestehenden Hohlraumresonators eine Art Resonanzwendel zusätzlich eingefügt ist, die sich vom Steuerraum (32, 44) über den gesamten Auskoppelspalt (16, 42) in einen an sich sonst feldfreien Raum bis nahe vor die Auffangelektrode erstreckt.

2. Laufzeitröhrenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenleiter des Hohlraumresonators auf der der Elektronenquelle zugekehrten Stirnseite in an sich bekannter Weise eine öffnung aufweist, welche die eine Spaltelektrode bildet, daß die Wendel durch diese öffnung

hindurch bis zur Stirnseite des Außenleiters führt, welche die andere Spaltelektrode bildet, und daß der Innenleiter am anderen Ende der Wendel eine Querwand aufweist, gegen die sich die Wendel abstützt, und daß diese Querwand ebenso wie die Stirnseite des Außenleiters eine öffnung für den Durchtritt des Elektronenstrahles besitzt.

3. Laufzeitröhrenanordnung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Auskoppelspalt in Längsrichtung der Resonanzwendel kleiner ist als ein Viertel einer axialen Wellenlänge.

4. Laufzeitröhrenanordnung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Auskoppelspalt in axialer Richtung in der Nähe des Maximalwertes des elektrischen Feldes bzw. in einer Entfernung zwischen einer Viertelwellenlänge und einer halben Wellenlänge von der Abschlußplatte angebracht ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 862 776, 889 466,
706;

französische Patentschrift Nr. 998 836.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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