DE1189207B - Lauffeldroehre mit einem Elektronenhohlstrahl - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

HOIj

H03b;f

Deutsche Kl.: 21g-13/17

Nummer: 1189 207

Aktenzeichen: S 57647IX d/21 g

Anmeldetag: 31. März 1958

Auslegetag: 18. März 1965

Die Erfindung betrifft eine Lauffeldröhre zur Erzeugung/Verstärkung sehr kurzer elektrischer Wellen mit einem von einem magnetfeldfreien Elektronenstrahlerzeugungssystem erzeugten Elektronenhohlstrahl, der vor seinem Eintritt in den Wechselwirkungsabschnitt der Röhre durch ein zwischen dem Strahlerzeugungssystem und dem Wechselwirkungsabschnitt vorgesehenes radiales Magnetfeld zu seiner axialen Geschwindigkeitskomponente noch eine azimutale Geschwindigkeitskomponente solcher Art erhält, daß sich der Elektronenhohlstrahl in axialer Richtung schraubenartig fortbewegt (Elektronenhohlstrahl mit Drall), und bei der die weitere gebündelte Strahlführung rein elektrostatisch durch zwei konzentrisch zueinander und zum Elektronenhohlstrahl angeordnete zylindrische Elektroden erfolgt, von denen die innerhalb des Elektronenhohlstrahls liegende Elektrode auf einem höheren Gleichpotential liegt als die außerhalb des Elektronenhohlstrahls liegende Elektrode.

Eine Anordnung, mit der ein Elektronenhohlstrahl in der Art wie bei der vorstehend geschilderten Lauffeldröhre erzeugt und gebündelt geführt wird, ist bereits bekannt. Eine solche Anordnung ist auch schon in Verbindung mit Lauffeldröhren bekannt. Die äußere Elektrode ist bei diesen bekannten Lauffeldröhren als übliche Verzögerungsleitung, insbesondere als Wendel, ausgebildet.

Es ist weiterhin bereits eine Lauffeldröhre mit einem Hohlleiter zur Erzeugung/Verstärkung sehr kurzer elektrischer Wellen vorgeschlagen worden, bei der im Innern des Hohlleiters längs demselben ein Elektronenstrahl verläuft. Dieser Elektronenstrahl weist in Laufrichtung eine solche räumlich feststehende periodische Form und eine solche Geschwindigkeit auf, daß eine im Hohlleiter laufende Welle (Vorwärtswelle mit positivem Energietransport) mit einer Rückwärtswelle mit negativem Energietransport des Elektronenstrahls oder mit einer Vorwärtswelle mit negativem Energietransport des Elektronenstrahls in Wechselwirkung tritt.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird bei einer Lauffeldröhre der eingangs beschriebenen Art vorgeschlagen, daß in einer der beiden zylindrischen Elektroden ein parallel zur Elektrodenachse sich erstreckender Hohlraum vorgesehen ist, der Teil eines Hohlleiters ist, in dem die mit dem Elektronenhohlstrahl in Wechselwirkung stehenden elektromagnetischen Wellen unverzögert oder nur mehr oder weniger schwach verzögert fortschreiten und dessen dem Elektronenhohlstrahl benachbarter Wandungsteil mit einem Kapazitätsfiächen bildenden Längs-Lauffeldröhre mit einem Elektronenhohlstrahl

Anmelder:

Siemens & Halske Aktiengesellschaft,
Berlin und München,
München 2, Witteisbacherplatz 2

Als Erfinder benannt:

Dipl.-Ing. Dr. Rudolf Müller, Straßlach

schlitz parallel zur Elektrodenachse versehen ist, so daß im Wechselwirkungsbereich die mit dem Elektronenhohlstrahl in Wechselwirkung tretenden hochfrequenten elektrischen Felder der im Hohlleiter fortschreitenden elektromagnetischen Wellen im wesentlichen parallel zu den Bahnen der umlaufenden Strahlelektronen verlaufen, und daß die Geschwindigkeitskomponenten des Elektronenhohlstrahls so gewählt sind, daß in an sich bekannter Weise die im Hohlleiter fortschreitenden elektromagnetischen Wellen (Vorwärtswellen mit positivem Energietransport) mit Rückwärtswellen mit negativem Energietransport des Elektronenhohlstrahls oder mit Vorwärtswellen mit negativem Energietransport des Elektronenhohlstrahls in Wechselwirkung treten.

Anstatt in einer der beiden zylindrischen Elektroden einen parallel zur Elektrodenachse sich erstreckenden Hohlraum vorzusehen, können erfindungsgemäß in den zylindrischen Elektroden zwei einander in radialer Richtung gegenüberliegende, parallel zur Elektrodenachse sich erstreckende Hohlräume vorgesehen sein, die Teile eines Steghohlleiters sind, in dem die mit dem Elektronenhohlstrahl in Wechselwirkung stehenden elektromagnetischen Wellen unverzögert oder nur mehr oder weniger schwach verzögert fortschreiten und dessen zwischen den zylindrischen Elektroden in radialer Richtung sich erstreckender, die Kapazitätsflächen des Steghohlleiters bildender Stegteil, der im Durchtrittsbereich der umlaufenden Strahlelektronen parallel zur Elektrodenachse längsgeschlitzt ist, so ausgebildet ist, daß im Wechselwirkungsbereich die mit dem Elektronenhohlstrahl in Wechselwirkung tretenden hochfrequenten elektrischen Felder der im Steghohlleiter fort-

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schreitenden elektromagnetischen Wellen im wesent- wohl für die Stabilität des Elektronenhohlstrahls als

liehen parallel zu den Bahnen der umlaufenden auch für den Wechselwirkungsvorgang vorteilhaft.
Strahlelektronen verlaufen. In der Fig. 2 ist nur die perspektivische Ansicht

Der wesentliche Vorteil der erfindungsgemäßen der in F i g. 1 rechts von dem Topfmagneten 2 sche-Lauffeldröhre besteht darin, daß die zu erzeugenden 5 matisch gezeigten Anordnung näher dargestellt. bzw. zu verstärkenden elektromagnetischen Wellen Parallel zu einer Mantellinie des Elektronenhohlnicht mehr oder weniger stark verzögert zu werden Strahls 6 ist ein aus den Hohlräumen 13 und 14 bebrauchen und somit die darauf basierenden Nachteile stehender Hohlleiter angebracht, der mit dem Elekder bisher bei Lauffeldröhren üblichen Verzögerungs- tronenstrahl 6 in Wechselwirkung steht. Der Hohlleitungen und deren Ein- und Auskoppelvorrichtun- io leiter der F i g. 2 ist als modifizierter Steghohlleiter gen wegfallen. ausgebildet, d. h., daß die Breite des für den Durch-

Zur besseren Ausnutzung der Teilwellen höherer tritt des Elektronenhohlstrahls im üblichen Steghohl-

Ordnungszahlen ist es vorteilhaft, daß der Wechsel- leiter vorgesehenen Längsschlitzes gleich dem lichten

Wirkungsspalt des Hohlleiters in Umfangsrichtung Abstand ist, den die beiden zylindrischen Elektroden

des Elektronenhohlstrahls um ein Vielfaches kleiner 15 in radialer Richtung voneinander haben. Es fehlen

ist als der Umfang des Elektronenhohlstrahls. Die damit also die ansonsten in radialer Richtung sich

Wechselwirkungszeit kann dadurch relativ leicht er- erstreckenden Kapazitätsflächen des Steghohlleiters,

heblich kleiner als die Periodendauer der im Hohl- so daß die beiden einen im wesentlichen rechteckför-

leiter fortschreitenden elektromagnetischen Wellen migen Querschnitt aufweisenden Hohlräume 13 und

gemacht werden. 20 14 im Wechselwirkungsbereich nicht miteinander in

An Hand der Zeichnungen soll die Erfindung Verbindung stehen. Der Hohlraum 14 ist im Innennäher erläutert werden. zylinder 8 und der Hohlraum 13 im Außenzylinder 7

Die Fig. 1 und 2 zeigen ein Ausführungsbeispiel untergebracht. Zur Bildung des »Steges« besitzen in vereinfachter, zum Teil schematischer Darstellung. die Hohlräume 13 und 14 Längsschlitze mit der Alle Teile, die nicht unbedingt zum Verständnis der 25 Öffnungsbreite d, an denen die mit dem Elektronen-Erfindung notwendig sind, wie z. B. das Entladungs- hohlstrahl 6 in Wechselwirkung tretenden hochfregefäß, zusätzliche Fokussierungsmittel, die Auffang- quenten elektrischen Feldlinien auftreten und eine elektrode, Ein- und Auskoppelanordnungen usw., Verzögerung oder Beschleunigung der umlaufenden sind weggelassen. Strahlelektronen bewirken. Läuft im Hohlleiter 13,

Die F i g. 3 und 4 dienen zur Erläuterung der vor- 30 14 eine elektromagnetische Welle z. B. von links teilhaftesten Betriebszustände. nach rechts (Vorwärtswelle mit positivem Energiein der Fig. 1 ist die an sich auch schon in Ver- transport), so wird sie dann verstärkt, wenn eine bindung mit Lauffeldröhren bekannte Anordnung zur räumliche Teilwelle des Elektronenstrahls mit nega-Erzeugung und gebündelten Führung des sich in tivem Energietransport mit ihr synchron läuft. Die Ausbreitungsrichtung schraubenartig fortbewegenden 35 Bahn eines Elektrons des Elektronenhohlstrahls 6 ist Elektronenhohlstrahls 6 dargestellt. Ein ringförmiges schraubenlinienförmig, wie in Fig. 2 gezeigt ist (11, Elektronenstrahlerzeugungssystem 1 ist in dem ma- 12). In derselben Richtung breiten sich die Raumgnetisch feldfreien Innenraum 3 des topfförmigen ladungswellen des Elektronenhohlstrahls 6 aus, und Magneten 2 angeordnet. Der topfförmige Magnet 2 zwar für verschiedene Schraubenlinien 11 und 12 besitzt einen kreiszylindrischen Innenbutzen 4, den 40 nahezu unabhängig voneinander. Die Periodizität des das ringförmige Elektronenstrahlerzeugungssystem 1 Strahls 6 ist durch den Grad der Steigung der Schrausymmetrisch umgibt. In der rechten Stirnwand des benlinien 11 und 12 gegeben. Die Phasengeschwin-Topfmagneten 2 ist ein ringförmiger Schlitz 5 vorge- digkeit v„ der η-ten räumlichen Teilwelle ist durch sehen, in dem sich ein radiales Magnetfeld B aus- folgende Beziehung gegeben:
bildet. Der Elektronenhohlstrahl 6 erhält so beim 45
Durchtritt durch das radiale Magnetfeld B zusätzlich cc/ η I \

zu seiner Geschwindigkeitskomponente in axialer — = —11 + -= · B · πλΛ.

Richtung einen Drall. Die Drehbewegung der Elek- " ^{v nC r} '

tronen hat eine Zentrifugalkraft^ zur Folge, der

durch eine elektrostatische Kraft e · E das Gleich- 50 In dieser Gleichung haben die übrigen Größengewicht gehalten wird. Die elektrische Feldstärke E Symbole folgende Bedeutung:
wird dadurch erzeugt, daß der innerhalb des Strah- _c — Lichtgeschwindigkeit·
les 6 sich befindliche Metallzylinder 8 auf einem . . , ^ , · ,. , '.. , . ,
höheren Gleichpotential liegt als der außerhalb des ^z = ^S^SSSSSS^⁰^^
Strahles 6 Hegende Metallzylinder 7. Die Elektronen- 55 meKtronennomstranis,
bahnen in einem solchen Hohlstrahl mit Drall sind V^eIm= spezifische Ladung des Elektrons;
stabil, d. h., die Auslenkung eines Elektrons aus der I = Länge des radialen Magnetfeldes
Gleichgewichtsbahn hat eine Rückstellkraft zur Folge, (s· F i g. 1);
die das Elektron wieder in die Gleichgewichtsbahn r = mittlerer Strahlradius (s. Fig. 1);
zurückdrängt. Die Rückstellkraft entsteht im wesent- 60 _B= magnetische Induktion des radialen
liehen durch die Änderung der Zentrifugalkraft F₂. Magnetfeldes (s F i g IV

Die Stabilität der Elektronenbahnen und damit des „ ₌ Ordnungszahl der räumlichen Teilwelle;

Elektronenstrahls ist um so großer, je starker die ., ,. ,..

Drehbewegung der Elektronen ist, wobei zu beachten ^λο ⁼ Vakuumwellenlange.

ist, daß für den Wechselwirkungsmechanismus bei 65 Bei der Aufzeichnung des Verzögerungsmaßes

der erfindungsgemäßen Lauffeldröhre die Umfangs- c . »,,.. · , ·. , _ΛΤ ι uv , -^

geschwindigkeit des Elektronenstrahls maßgebend ist. ~V_n ^m Abhängigkeit der Vakuumwellenlange A₀ ergibt

Eine möglichst hohe Umfangsgeschwindigkeit ist so- sich für verschiedene Werte von n das in Fig. 3 ge-

zeichnete Diagramm, dem eine Anordnung mit einer magnetischen Induktion B = 4500 Gauß, einem Ver-

hältnis - = 0,6 und einem Verzögerungsmaß — — 20

zugrunde liegt. Im Diagramm der F i g. 3 sind auch noch die Dispersionskurven der Hohlleiterwelle eingezeichnet (Kurven I und II). Die Kurve II gilt, wenn die Hohlleiterwelle (und damit auch deren Energie) und der Elektronenstrahl in der gleichen Richtung laufen, die Kurve I, wenn die Hohlleiterwelle und der Elektronenstrahl entgegengesetzt zueinander kufen. Im Punkt P₁ kann die Röhre als Rückwärtswellenröhre arbeiten. Im Punkt P₁₁ kann Vorwärtswellenverstärkung erzielt werden. In beiden Fällen sind die Röhren elektronisch durchstimmbar, d. h. durch Änderung der Axialgeschwindigkeit ζ (Änderung des Verzögerungsmaßes 4-) kann die Feinabstimmung

und durch Änderung des radialen Magnetfeldes B die Grobabstimmung vorgenommen werden. Weiterhin ist in F i g. 3 noch eine Dispersionskurve III eingezeichnet, die mittels eines periodisch mehr oder weniger schwach belasteten Hohlleiters erzielbar ist und günstig ist für eine breitbandige Verstärkung. Diese breitbandige Verstärkung kann mit der erfindungsgemäßen Lauffeldröhre in dem eingezeichneten Bereich b_m erfolgen. Wegen der Steilheit dieser Dispersionskurve in dem Bereich b_m ist auch der Koppelwiderstand groß.

Die Amplituden der räumlichen Teilwellen nehmen mit zunehmender Ordnungszahl η ab. Diese Abnahme macht sich aber erst dann sehr stark bemerkbar, wenn die Wechselwirkungszeit τ in die Größenordnung der Periodendauer _T (f = Frequenz) der im

J

Hohlleiter fortschreitenden elektromagnetischen Wellen kommt. Die Wechselwirkung zwischen einem Elektron und dem Hohlleiterwellenfeld erfolgt bei der erfindungsgemäßen Lauffeldröhre nur dann, wenn das Elektron den Wechselwirkungsspalt passiert. Diese Zeitdauer τ ist sehr kurz im Vergleich zu der Umlaufzeit Γ eines Elektrons des Elektronenhohlstrahls (F i g. 4). Aus diesem Grunde kann man bei der erfindungsgemäßen Lauffeldröhre ohne wesentliche Verminderung der Wechselwirkungsintensität mit räumlichen Teilwellen höherer Ordnungszahlen arbeiten. In der Fig. 3 wurde als Beispiel die Teilwelle η = — 4 verwendet. In Fig. 4 ist die Wechselwirkung W in Abhängigkeit von der Zeit t aufgetragen.

Die Erfindung bezieht sich nicht allein auf das in den F i g. 1 und 2 gezeigte Ausführungsbeispiel. So ist es z. B. möglich, bei dem in Fig. 2 gezeigten modifizierten Steghohlleiter an dessen Spalten δ die »Stegteile« der Hohlräume 13 und 14 zur Erhöhung der Wechselwirkung zwischen den im Hohlleiter fortschreitenden elektromagnetischen Wellen und dem Elektronenstrahl 6 mit zusätzlichen gitterförmigen Elementen zu versehen.

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Claims (4)

Patentansprüche:

1. Lauffeldröhre zur Erzeugung/Verstärkung sehr kurzer elektrischer Wellen mit einem von einem magnetfeldfreien Elektronenstrahlerzeugungssystem erzeugten Elektronenhohlstrahl, der vor seinem Eintritt in den Wechselwirkungsabschnitt der Röhre durch ein zwischen dem Strahlerzeugungssystem und dem Wechselwirkungsabschnitt vorgesehenes radiales Magnetfeld zu seiner axialen Geschwindigkeitskomponente noch eine azimutale Geschwindigkeitskomponente solcher Art erhält, daß sich der Elektronenhohlstrahl in axialer Richtung schraubenartig fortbewegt (Elektronenhohlstrahl mit Drall), und bei der die weitere gebündelte Strahlführung rein elektrostatisch durch zwei konzentrisch zueinander und zum Elektronenhohlstrahl angeordnete zylindrische Elektroden erfolgt, von denen die innerhalb des Elektronenhohlstrahls liegende Elektrode auf einem höheren Gleichpotential liegt als die außerhalb des Elektronenhohlstrahls liegende Elektrode, dadurch gekennzeichnet, daß in einer der beiden zylindrischen Elektroden ein parallel zur Elektrodenachse sich erstreckender Hohlraum vorgesehen ist, der Teil eines Hohlleiters ist, in dem die mit dem Elektronenhohlstrahl in Wechselwirkung stehenden elektromagnetischen Wellen unverzögert oder nur mehr oder weniger schwach verzögert fortschreiten und dessen dem Elektronenhohlstrahl benachbarter Wandungsteil mit einem Kapazitätsflächen bildenden Längsschlitz parallel zur Elektrodenachse versehen ist, so daß im Wechselwirkungsbereich die mit dem Elektronenhohlstrahl in Wechselwirkung tretenden hochfrequenten elektrischen Felder der im Hohlleiter fortschreitenden elektromagnetischen Wellen im wesentlichen parallel zu den Bahnen der umlaufenden Strahlelektronen verlaufen, und daß die Geschwindigkeitskomponenten des Elektronenhohlstrahls so gewählt sind, daß in an sich bekannter Weise die im Hohlleiter fortschreitenden elektromagnetischen Wellen (Vorwärtswellen mit positivem Energietransport) mit Rückwärtswellen mit negativem Energietransport des Elektronenhohlstrahls oder mit Vorwärtswellen mit negativem Energietransport des Elektronenhohlstrahls in Wechselwirkung treten.

2. Lauffeldröhre zur Erzeugung/Verstärkung sehr kurzer elektrischer Wellen mit einem von einem magnetfeldfreien Elektronenstrahlerzeugungssystem erzeugten Elektronenhohlstrahl, der vor seinem Eintritt in den Wechselwirkungsabschnitt der Röhre durch ein zwischen dem Strahlerzeugungssystem und dem Wechselwirkungsabschnitt vorgesehenes radiales Magnetfeld zu seiner axialen Geschwindigkeitskomponente noch eine azimutale Geschwindigkeitskomponente solcher Art erhält, daß sich der Elektronenhohlstrahl in axialer Richtung schraubenartig fortbewegt (Elektronenhohlstrahl mit Drall), und bei der die weitere gebündelte Strahlführung rein elektrostatisch durch zwei konzentrisch zueinander und zum Elektronenhohlstrahl angeordnete zylindrische Elektroden erfolgt, von denen die innerhalb des Elektronenhohlstrahls liegende Elektrode auf einem höheren Gleichpotential liegt als die außerhalb des Elektronenhohlstrahls liegende Elektrode, dadurch gekennzeichnet, daß in den zylindrischen Elektroden zwei einander in radialer Richtung gegenüberliegende, parallel zur Elektrodenachse sich erstrekkende Hohlräume vorgesehen sind, die Teile eines Steghohlleiters sind, in dem die mit dem

Elektronenhohlstrahl in Wechselwirkung stehenden elektromagnetischen Wellen unverzögert oder nur mehr oder weniger schwach verzögert fortschreiten und dessen zwischen den zylindrischen Elektroden in radialer Richtung sich erstreckender, die Kapazitätsflächen des Steghohlleiters bildender Stegteil, der im Durchtrittsbereich der umlaufenden Strahlelektronen parallel zur Elektrodenachse längsgeschlitzt ist, so ausgebildet ist, daß im Wechselwirkungsbereich die mit dem Elektronenhohlstrahl in Wechselwirkung tretenden hochfrequenten elektrischen Felder der im Steghohlleiter fortschreitenden elektromagnetischen Wellen im wesentlichen parallel zu den Bahnen der umlaufenden Strahlelektronen verlaufen, und daß die Geschwindigkeitskomponenten des Elektronenhohlstrahls so gewählt sind, daß in an sich bekannter Weise die im Steghohlleiter fortschreitenden elektromagnetischen Wellen (Vorwärtswellen mit negativem Energietransport des Elektronenhohlstrahls oder mit Vorwärtswellen mit negativem Energietransport des Elektronenhohlstrahls in Wechselwirkung treten.

3. Lauffeldröhre nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite des Längsschlitzes des Steghohlleiters gleich dem lichten Abstand ist, den die beiden zylindrischen Elektroden in radialer Richtung voneinander haben, die ansonsten in radialer Richtung sich erstreckenden Kapazitätsflächen des Steghohlleiters also vollständig fehlen (modifizierter Steghohlleiter).

4. Lauffeldröhre nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Wechselwirkungsspalt des Hohlleiters in Umfangsrichtung des Elektronenhohlstrahls um ein Vielfaches kleiner ist als der Umfang des Elektronenhohlstrahls.

In Betracht gezogene Druckschriften:

USA.-Patentschrift Nr. 2 791 711;

»Archiv für elektrische Übertragung (AEÜ)«, Dezember 1956, S. 505ff.;

»IRE Transactions on Electron Devices«, Januar 1956, S. 62 ff.

In Betracht gezogene ältere Patente:
Deutsches Patent Nr. 1 126 522 .

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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