DE2353555A1 - Laufzeitroehre - Google Patents
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Description
laufzeitröhre
Die Erfindung betrifft eine Laufzeitröhre mit mehreren unverschalteten
oder Zwischenresonatoren und kurzen Trjfträumen.
Der unverschaltete Resonator einer Laufzeitröhre ist als Resonator definiert, der zwischen dem Eingangsresonator und
dem Ausgangsresonator liegt und außerhalb der Röhre weder eine Energiequelle-noch eine Last hat, die die Ausgangsleistung des Resonators benutzt. Dadurch wird jedoch nicht
ausgeschlossen, daß ein Schaltungselement mit dem Resonator gekoppelt ist allein, um bestimmte Kennwerte des Resonators
zu beeinflussen. -
Im Zusammenhang mit einer Laufzeitröhre ist zu beachten, daß
der Wechselwirkungsspalt eines Resonators zu der Wechsel-
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Wirkung zwischen dem in der Röhre erzeugten Elektronenstiahl
und. dem elektromagnetischen Feld "beiträgt, das in dem Resonator induziert wird, und daß der Triftraum, der
zwischen zwei nebeneinanderliegenden We chselwirkungs spalten liegt, zu der Bündelung des gesehwindigkeitsmodulierten
Elektronenstrahls beiträgt. Die länge eines 2)riftraumes
wird im allgemeinen, durch die normierte länge in Einheiten des reduzierten Plasmawinkels ausgedrückt, der durch ω l/u
gegeben ist, wobei cü die reduzierte Plasmawinkelgeschwindigkeit,
u die Crleichspannungs-Strahlgeschwindigkeit und
1 den Abstand zwischen den Mittelpunkten der Wechselwirkungsspalten angibt, die an beiden Enden des iDriftraumes liegen.
Zur Abkürzung wird die Angabe "in Einheiten des reduzierten Plasmawinkels" in der folgenden Besehreibung wenn möglich
weggelassen. Ferner wird ein Triftraum, der unmittelbar stromab Ton dem einem Resonator zugeordneten We chselwirkungs spalt
liegt, lediglich als Trifträum unmittelbar stromab von dem
Resonator bezeichnet, wenn dies möglich ist. Die Worte "stromauf" und "stromab" beziehen sieh auf die makroskopi —
sehe Strömung des Elektronenstrahls.
Bei einer Laufzeitröhre mit mehreren Hohlräumen ist es üblich, verschiedene Frequenzen für die Grundschwingungsarten
der Resonanz der Resonatoren auszuwählen, um .die Yerstärkungsgrad-Frequenz-Kennlinien
der Röhre zu verbessern. Bisher ist es üblich, den Eingangsresonator auf die Mittenfrequenz
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des Arbeits-Durchlaßbereiches der Röhre oder auf eine etwas höhere frequenz abzustimmen, und einen unver schalt et en ■Vorresonator
(Vorbündelung), der unmittelbar, stromab von dem ·
Eingangsresonätor liegt", auf eine Frequenz niedriger als
die Mittenfrequenz abzustimmen, Folglich ist die Spannung, die über dem Spalt des unversehaiteten Torresonators in der
Nachbarschaft der Mittenfrequenz induziert wird, in ihrer Phase nahezu entgegengesetzt zu der Spannung, die über dem
Spalt des Eingangsresonators erzeugt wird, um den einmal gebündelten
Elektronenstrahl zu entbündeln. Vienn die Triftröhre,
die unmittelbar stromab von dem unverschalteten Vorresonator angeordnet; ist, kürzer als 60 ° ist, ist für den Sntbündelten
Elektronenstrahl kein Platz, um wieder gebündelt zu werden.
Dadurch werden die Elektronen an der erwünschten Bündelung an dem Spalt des Ausgangsresonators gehindert, so daß sich
der Mangel eines begrenzten Umsetzungswirkungsgrad es der
laufzeitröhre ergibt.
Um den Umsetzungswirkungsgrad solcher Laufzeitröhren zu verbessern,
wurde bereits angeregt (US-Patentanmeldung Nr.
28 792 vom 15. April 1970) einen länglichen Triftraum mit.,
einer normierten Länge zwischen 90 ° und 150 , vorzugs- \<\reise von 120 °j zwischen dem unverschalteten Vorresonator
und einem unverschalteten Endresonator zu verwenden, der von dem Vorresonator aus gesehen als nächstes stromab angeordnet
ist. Die Röhre ist jedoch aufgrund ihrer außergewöhn-
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lichen Länge schwer zu handhaben und macht einen UHF -Fernsehsender
unhandlich groß, lerner ist der benutzbare Frequenzbereich der Röhre schmal und beschränkt, weil τοη der
Raumladungskraft bei der zweiten Harmonischen Gebrauch gemacht wird und weil der lange Triftraum bei der Arbeitsfrequenz
ungefähr 120 ° lang sein muß.
Bs wurde auch eine Laufzeitröhre mit Trifträumen der normierten Länge von 90 oder weniger vorgeschlagen (deutsche Patentanmeldung
P 23 17 487.0), bei der der Triftraum unmittelbar stromab von dem unverschalteten Vorresonator langer
als die anderen Trifträume, jedoch nicht länger als 90 ° istö Diese Röhre hat den Vorteil, daß der Arbeitsfrequenzbereich
-verhältnismäßig breit ist, weil von der Raumladungskraft der zweiten Harmonischen kein Gebrauch gemacht wird.
Es ist jedoch zu beachten, daß der reduzierte Plasmawinkel lang wird, um die normierte Triftlänge des in Frage stehenden
Triftraumes· kurzer als 60 ° zu machen, wenn eine Röhre,
die für die höherfrequenten Kanäle eines UHF-Fernsehsenders
entworfen ist, für niedrigerfrequente Kanäle verwendet wird, wobei die Resonanzfrequenzen der Resonatoren lediglich herabgesetzt
werden. Dadurch wird es unmöglich, den entbündelten Elektronenstrahl in dem Triftstrahl neu zu bündeln, und
der Umsetzungswirkungsgrad wird reduziert.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Laufzeitröhre
mit mehreren Hohlräumen zu schaffen, die einen ausgezeichneten Umsetzungswirkungsgrad hat, und die insbesondere
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in einem weiten Bereich von Arbeitsfrequenzen betrieben werden kann. - . .
Dazu ist eine Laufzeitröhre mit mehreren Hohlräumen, die
in einem vorbestimmten Arbeits-Durchlaßfrequenzbereich verwendbar ist und bei der ein erster und ein zweiter Resonatorkreis
oder ein unversehalteter Vorresonator (Vorbündelung) und ein
unversehalteter Endresonator (endgültige Bündelung), die zwischen
einem-Eingangs- und einem Ausgangsresonatorkreis angeordnet sind, und mehrere Trifträume für einen in der Röhre
erzeugten Elektronenstrahl vorgesehen sind,v wobei der zweite
Resonatorkreis bezüglich des Elektronenstrahles stromab von dem ersten Resonatorkreis angeordnet ist und eine Grundschwingung
der Resonanz bei einer Frequenz hat, die höher als die höchste frequenz des Durchlaßbereiches ist, wobei ferner
die Res-onatorkreise Wechselwirkungsspalteinriehtunge'n aufweisen,
die in Wirkverbindung mit dem Elektronenstrahl angeordnet sind und zu der Wechselwirkung zwischen dem Elektronenstrahl
und dem in dem zugehörigen Resonatorkreis erzeugten,/ elektromagnetischen Feld beitragen, und wobei schließlich jeder
der 'Trifträume sich zwischen den Wechselwirkungsspalteinrichtungen
von zwei nebeneinanderliegenden Resonatorkreisen erstrecken, dadurch gekennzeichnet, daß der EingangsresOnatorkreis
und der erste Resonatorkreis G-rundsehwingungen der Resonanz bei Frequenzen haben, die respektive nahe
bei der tiefsten und der höchsten frequenz des Durchlaßbereiches
liegen, und daß der Eingangsresonatorkreis einen
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— D —
Q-Wert hat, der wenigstens gleich dem Q-Wert des ersten Re- .
sonatorkreises ist.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun anhand der beiliegenden
Zeichnungen /beschrieben. Es zeigen:
Fig.. 1 einen schematischen Längsschnitt einer Laufzeitröhre
mit mehreren Hohlräumen gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Pig. 2 eine graphische Darstellung der Verstärkung der in Fig. 1 gezeigten Röhre gegenüber der Frequenz, und
die Frequenzen, bei denen die Hohlräume Grundschwingungen
der Resonanz haben;
Fig. 3 die Impedanz der Hohlräume, gesehen you ihren zugeordneten
Wechselwirkungsspalten gegenüber der Frequenz;
Fig. 4 die Phasen der jeweiligen Hohlraumimpedahzen;
Fig. 5 die normierten, Grundschwindungskomponenten des dichtemodulierten Strahlstromes der in Fig. 1 gezeigten Röhre
und einer herkömmlichen Laufzeitröhre gegen den Abstand entlang der Strahlachse;
Fig. 6 die Umsetzungswirkungsgrade der in Fig. 1 gezeigten Röhre
und einer herkömmlichen Röhre; und
Fig. 7 einen schematischen Längsschnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
Eine Laufzeitröhre nach einem ersten Ausführungsbeispiel der
Erfindung (Fig. 1) weist eine Elektronenstrahlquelle 11, die
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nahe "bei einem Ende einer Röhrenhülle (nicht gezeigt) zur
Erzeugung eines Elektronenstrahles 12 angeordnet Lsi, und
eine Sammelelektrode 13auf, die nahe "bei dem anderen Ende
der Röhrenhülle zum Aufsammeln des_Elektronenstrahls 12 angeordnet ist» Der Eingangsresonatorkreis 16» der ein durch
einen Stempel belasteter Resonator ist, ist neben dem stromauf liegenden Ende des Elektronenstrahles 12 angeordnet und"
kann durch eine hochfrequente, elektromagnetische Energie
durch eiiie Eingangs-Kupplungsschleife 17 erregt und auf eine
Frequenz nahe bei der tiefsten Frequenz des Arbeits-Dürchlaßbereiches
der Röhre durch Einstellung einer Resohanzfrequenz-Abstiimneinrichtung,
beispielsweise einen Abstimmstempel 18, eingestellt werden. Der Eingangsresönator 16 weist einen
.Wechselwirkungsspalt 19 auf, der' zwischen den freien Enden
des mehrfach zusammenhängenden Hohlraums gebildet wird. Die
Hochfrequenzspannung über dein Spalt 19 wirkt auf dem Elektronenstrahl
12 ein, um diesen bezüglich seiner Geschwindigkeit zu modulieren. Eine erste Triftröhre 20 ist um den Elektronenstrahl
12 herum in dem von dem Eingangshohlraum 16 stromab
liegenden Bereich angeordnet> um einen ersten Triftraum zu bilden,
der frei von einem elektromagnetischen Höchfrequenzfeld
ist und in dem der Elektronenstrahl 12 zum Zwecke der Bündelung
mit einer Geschwindigkeit getriftet wird, die durch die
Geschwindigkeitsmodulation bestimmt ist, die auf ihn bei dem
Spalt 19 des Eingangshöhlräumes aufgeprägt wurde. Ein Vorresonator
21 (Vorbündelung) mit einem Weehselwirkungsspalt 22 an dem stromab liegenden Ende des ersten Triftraumes ist
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einstellbar auf eine Frequenz "bei der höchsten Frequenz des
Durchlaßbereiches durch, einen,Abstimmstempel 23 eingestellt..
Der Vorresonator 21 kann mit einer Kopplungseinrichtung, beispielsweise
einer Schleife 24, versehen sein, um ihn mit einem Widerstand oder dgl. (nicht gezeigt) zur Einstellung
des Q-Wertes des Vorresonators 21 zu verbinden. Der Elektronenstrahl
12, der durch den Spalt 22 des Vorresonators hindurchtritt, erhält eine dichtemodulierte Stromkomponente in
der G-rundschwingungsart, deren Phase nahezu 90 ° hinter der
Spannung nacheilt, die über dem Eingangsresonatorspalt 19 induziert wird. Daher erregt der dichtemodulierte Elektronenstrahl
den Torresonator 21 an dem Spalt 22 in der Weise, daß ein elektrischer Strom entlang der_Innenwand desselben nahezu
in Phase mit der diclrtemodulierten Stromkomponenten in der
Grundschwingung induziert wird. Andererseits ist die Impedanz des Vorresonators 21 gesehen von dem Spalt 22 in der Nachbarschaft
der Mittenfrequenz des Durchlaßbereiches induktiv. Daher induziert der induzierte Strom seinerseits eine Spannung
mit einer Phase, die der Phase des induzierten Stromes voreilt.
Es ist ersichtlich, daß die Geschwindigkeitsmodulation, die auf den Elektronenstrahl 12 an dem-Vorresonatorspalt 22
aufgeprägt wird, in dem Sinne wirkt, daß der Bündelungseffekt in dem ersten Triftraum verstärkt wird. Der Elektronenstrahl
12 wird daher in der zweiten Triftröhre 25 weiter gebündelt, die unmittelbar stromab von dem Vorresonator 21 liegt.
Gemäß Figo 1 ist ein erster Endresonator 26 (endgültige
Bündelung) vorgesehen, der einen Wechselwirkungsspalt 27
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— y —
aufweist und einstellbar durch einen Abstimmstempel 28 auf eine höhere Frequenz als die höchste Frequenz des Durehlaßbereiches
abgestimmt \e?den kann. Die Impedanz des ersten
Endresonators 26 gesehen von dem Spalt 27 in der Nachbarschaft der Mittenfrequenz.des Durchlaßbereiches ist daher
genügend induktiv, um die Über dem Spalt 27 durch den Elektronenstrahl
12 induzierte Spannung im wesentlichen in Phase mit den Spannungen zu bringen, die über dem Eingangsresonatorspalt
19 und dem Torresonatorspalt 22 induziert sind. Die Geschwindigkeitsmodulation,
die in dem ersten Endresonatorspalt 27 auf den Elektronenstrahl 12 ausgeübt wird, erfolgt daher
in der Richtung, daß die bereits vorhandene Bündelung weiter verstärkt, wird. Der Elektronenstrahl 12 wird in einer dritten
Triftröhre 29 weiter gebündelt, die als nächstes stromab von
dem ersten Endresonator 26 angeordnet ist. Ein zweiter Endresonator 31 mit einem Wechselwirkungsspalt 32 kann durch einen
Abstimmstempel 33 auf eine Frequenz höher als die höchste Frequenz des Durchlaßbereiches abgestimmt werden, um auf
ähnliche Weise die Bündelung in einer vierten Triftröiire
34 zu verstärken, die mit diesem Endresonator 31 verbunden .
ist. Ein Aixsgaiigsresonatorkreis 36 mit einem Wechselwirkungsspalt
37 und einer Ausgangs-Kopplungsschleife 38 können einstellbar
im wesentlichen auf die Mittenfrequenz des Durchlaßbereiches durch einen Abstimmstempel 39 abgestimmt werden.
Im allgemeinen haben die Hohlraumimpedanzen der entsprechenden
Hohlraumresonatoren,' die in einer Laufzeitröhre mit mehreren
Hohlräumen verwendet werden, Auswirkungen auf den Um- -
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Setzungswirkungsgrad und die Verstärkungs-Frequenz-Kennli nien
der Röhre. Die Beziehung zwischen dem Q-Wert τοπ jedem
der Hohiraumresonatoren und dem Absolutwert j Z | der Hohlraumimpedanz
gesehen von dem zugehörigen Wechselwirkungsspalt ist gegeben durch:
wobei fQ und.f.. die Resonanzfrequenz des Resonators und
die Arbeitsfrequenz der Röhre, und R den gesamten Parallel-Verlustwiderstand
des Resonators bedeuten. Andererseits ist die Beziehung zwischen dem Q-Wert und der Phase θ der
Hohlraumimpedanz gegeben durch:
θ = Arc tan Q U0/^ - V^'
Eine Ausführung der Laufzeitröhre nach einem ersten Ausführungsbeispiel
ist so ausgelegt, daß es die-Verstärkungs-Frequenz-Kennlinie 41 (Pig. 2) hat. Die Mittenfrequenz ist
500 MHz. Die Durchlaßbereichbreite ¥ zwischen dem Punkt, der 1 dB niedriger liegt und dem Punkt maximaler Verstärkerung ist
etwa 7 MHz. Nach dieser Ausgestaltung sind die Hohlraumresonatoren 16, 21, 26, 31 und 36 auf Frequenzen abgestimmt, die
durch die entsprechenden, eingekreisten Bezugszahlen angedeutet sind. Ferner hat der Eingangsresonator 16 einen Q-Wert
von 195 aufgrund der Eingangskopplungsschleife 17. Der unverschaltete
Vorresonator 21 ist auf einen Q-Wert von 145 dadurch eingestellt, daß ein Widerstand mit- 50 Ohm an die Schleife
angeschlossen ist. Jeder der unversehalteten Endresonatoren
26 und 31 hat einen Q-Wert von 650. Der Ausgangsresonatorkreis 36 mit der Ausgangskopplungsschleife 38 hat einen Q-Wert
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von"55*
In Fig. 3 sind die Absolutwerte der entsprechenden Hohlraumimpedanzen,
die unter Verwendung der Gleichung (1.) errechnet worden sind, gegen die Frequenz aufgetragen. Aus der Figur
ist ersichtlich, daß die Endresonatoren 26 und 31 hohe Impedanzen "bei der höchsten Frequenz des Durchlaßbereiches W ""haben,
und daß der Q-Wert des Eingangsresonatorkreises 16 größer
als der Q-Wert des Vorresonators 21 sein sollte, um die Verstärkungs-Frequenz-Kennlinie
flach zu machen.
Die Phasen der entsprechenden" Hohlraumimpedanzen, errechnet gemäß Gleichung (2), variieren mit der Frequenz, wie in Fig.
gezeigt ist. Aus der Figur ist ersichtlich, daß die Auswahl der Resonanzfrequenzen der Hohlraumresonator en in der erfindungsgemäßen
¥eise verhindert, daß eine Enth und elung auftritt, während der Elektronenstrahl 12 durch die länge des
Strahlweges hindurchtritt, weil die Impedanzen des Vorresonators 21 und der Endresonatoren 26 und 31* gesehen von ihren entsprechenden
Wechselwirkungsspalten 22, 27 und 37» eine vor- -yerschobene Phase in dem Durchlaßbereich haben.
Eine Kurve 42 in Fig. 5 zeigt die Amplitude der dichtemodulierteil
Stronskoiuponenten in Grundsehwingungsform in dem Elektronenstrahl 12 der Laufzeitröhre nach dem ersten Ausführungsbeispiel
der Erfindung in Abhängigkeit von dem Abstand gemessen von der Mitte des Eingangsresonatorspaltes 19 entlang
dem Strahlweg,. Die Positionen der Spaltmitten der anderen Reso-
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natorkreise 21, 26, 31 und 36 sind entlang der Abszisse gezeigt,
wobei die Bezugszahlen die entsprechenden Wechselwirkungsspalte
bezeichnen. Die Ordinate ist durch den G-leichspannungs-Strahlstrom
nurmiert. Eine andere Kurve 43 zeigt die entsprechende Amplitude für eine herkömmliche Laufzeitröhre
mit einem ähnlichen Aufbau und derselben Gesamtlänge, wobei selbst die Raumladungskräfte der zweiten Harmonischen
nicht berücksichtigt sind. Yon der Figur ist ersichtlich, daß die Entbündelung, die in der Kurve 43 zwischen den Spaltmitten
22 und 27 selbst bei der Mittenfrequenz des Durchlaßbereiches nicht bei der Kurve 42 auftritt und daß ein stärker
dichtemodulierter Strom an dem Ausgangsresonatorspalt 37 erzielt wird.
Eine Kurve 44 (Fig. 6) zeigt den Umsetzungswirkungsgrad einer
Laufzeitröhre gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung für einen Frequenzbereich von 470 - 660 MHz, d. h.
für das UHP-Pemsehband. Eine andere Kurve 45 zeigt den Um—
Setzungswirkungsgrad einer ähnlichen, herkömmlichen Laufzeitröhre. Aus der Figur ist ersichtlich, daß durch die Erfindung
der Umsetzungswirkungsgrad bei 473 MHz um 5,5 7° verbessert
wird, und daß ein Umsetzungswirkungsgrad von etwa 60 f>
über dem ganzen UHP-Fernsehband sichergestellt wird.
In Fig. 7 ist eine Laufzeitröhre nach einem zweiten Ausführungsbeispiel
der Erfindung gezeigt. Diese Laufzeitröhre ist im wesentlichen gleich ausgebildet wie die Laufzeitröhre
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nacli dem. ersten Ausführungsbeispiel" mit der Ausnahme, dai3
nur ein unversehalteter Endresonator 26 verwendet wird.
Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele
beschränkt. Beispielsweise können räumlich aufgeteilte Wechselwirkungseinrichtungen, die aus einer Vielzahl
von untereinander gekoppelten Hohlraumresonatoren % zusammengesetzt sind, statt konzentrierten Wechselwirkungseinrichtungen, wie ein mehrfach zusammenhängender Hohlraum
mit einem einzigen Wechselwirkungsspalt, verwendet werden. Die- Abstimmstempel können durch eine andere Äbstimm-Kurzschlußeinrichtung
ersetzt werden.
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Claims (1)
- PATS UTA M SPRÜCHE' 1.J Laufzeitröhre, die in einem vorbestimmten Arbeits-Burchlaßfrequenzbereich verwendbar ist und "bei der ein erster und ein zweiter Resonatorkreis zwischen einem Eingangs— und einem Ausgangsresonatorkreis und eine Vielzahl Trifträume für einen in der Röhre erzeugten Elektronenstrahl vorgesehen sind,in
wo"bei der zweite Resonatorkreis/Bezug auf den Elektronenstrahl stromab von dem ersten Resonatorkreis angeordnet ist und eine Grundschwingungsart der Resonanz bei einer Frequenz hat, die höher als die höchste frequenz des Durehlaßbereiches ist, wobei ferner jeder Resonatorkreis eine Weehselwirkungsspalteinrichtung hat, die in Wirkverbindung mit dem Elektronenstrahl angeordnet ist und zu der Wechselwirkung zwischen dem Elektronenstrahl und dem in dem zugehörigen Resonatorkreis induzierten, elektromagnetischen Feld beiträgt, und wobei schließlich die Trifträume sich zwischen den Wechselwirkungsspalteinrichtungen erstrecken, die zwei nebeneinander liegenden Resonatorkreisen zugeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingangs— resonatorkreis (16) und der erste Resonatorkreis (21) Grunds chwingungsformen der Resonanz bei Frequenzen in der Nähe der tiefsten und höchsten Frequenz des Durchlaßbereiches respektive haben, und daß der Eingangsresonatorkreis (16) einen Q-Wert wenigstens gleich dem Q-Wert des ersten Resonatorkreises (21). hat.409822/07262. Röhre nach. Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Resonatorkreis (21) eine Einrichtung (24) zur 3instellung seines Q-Wertes hat.3. Röhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß alle Re'sonatorkreise (16,21,26,31,36) Einrichtungen (18,23, 28,33,39) zur Einstellung der entsprechenden Frequenzen, der Grundschwingungsformen der Resonanz aufweisen.4. Röhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daßje ein erster (21) und ein zweiter (26) Resonatorkreis vorgesehen ist. - .5. Röhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Resonatorkreis (21) und zwei zweite Resonatorkreise (26,31) vorgesehen ist bzw. sindc4098 2.2/07 26
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