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Anordnung zur Erzeugung negativer Widerstände Die Erfindung betrifft
Anordnungen zur Erzeugung negativer Widerstände durch Ausnutzung von Sekundäremissionserscheinungen.
Ein negativer Widerstand äußert sich darin, daß der zu einer Elektrode fließende
Strom bei einer Zunahme der an dieselbe Elektrode angelegten Spannung sinkt. -Negative
Widerstände haben insbesondere in der Hochfrequenztechnik zum Zwecke der Verstärkung,
Entdämpfung oder Schwingungserregung große Bedeutung und Verwendungsmöglichkeiten.
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Eine Anordnung, in der ein negativer Widerstand auftritt, der durch
Sekundäremission hervorgerufen wird, ist das bekannte Dynatron. Man unterscheidet
verschiedene Arten des Dynatrons, nämlich das Anodendynatron und das Gitterdynatron,
je nachdem die fallende Stromspannungsbeziehung im Anoden- oder im Gitterkreis auftritt.
In allen Fällen kommt der negative Widerstand jedoch im Stromkreis jener Elektrode
zustande, von 'der die Sekundärelektronen ausgehen, und diese Elektrode besitzt
stets das niedrigere positive Potential als die Hilfselektrode, welche die Sekundärelektronen
aufnimmt. Zur Klarstellung dieser Zusammenhänge soll auf die Abb. z Bezug genommen
werden, die den Verlauf des Anodenstromes i,1 in Abhängigkeit von der Anodenspannung
a, in einer Schirmgitterröhre, deren Schirmgitter die feste positive Spannung u"
führt, zeigt. Wie "man aus der Kennlinie sieht, tritt im Anodenkreis ,ein negativer
Widerstand nun in einem Sp.annungsbefeich auf, der unterhalb der Schirmgitterspannung
ta" liegt. Da die Anode in diesem Arbeitsgebiet Sekundärelektronen abgibt, fließt
im Anodenstromkreis dann nur ein verhältnismäßig schwacher Strom, und infolgedessen
ist auch die Steilheit des Anodenstromes, bezogen auf die Spannung eines zwischen
der Kathode und dem Schirmgitter liegenden Steuergitters, verhältnismäßig klein.
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Die Praxis fordert jedoch eine möglichst große Steilheit, und aus
diesem Grunde erscheint es wünschenswert, daß diejenige Elektrode, in deren Stromkreis
der negative Widerstand auftritt, einen verhältnismäßig großen Strom führt. Dies
ist der Fall, wenn der negative Widerstand an der Elektrode entsteht, welche die
Sekundärelektronen aufnimmt. Erfindungsgemäß wird der negative Widerstand durch
Spannungsbeeinflussung der Verteilung des Primärelektronenstromies zwischen
lern
2 durchgelassenen Primärelektronenstromes zwischen den Elektroden 3 und .l, und
zwar derart, daß bei einer Erhöhung der an der Elektrode 3 liegenden Spannung der
zu dieser Elektrode fließende Primärelektronenstrom zunimmt und der zur Elektrode
q. übergehendePriniärelektronenstrom fällt. Dadurch werden aber an 4 weniger Sekundäre'.ektronen
erzeugt, und deshalb nimmt auch der nach 3 fließende Sekundärelektronenstrom ab.
Die Einbuße an Sekundärelektronen ist an der Elektrode 3 .größer als der Gewinn
an Primärelektronen, ini Beispielsfalle doppelt so groß. Da aber der ztt resultierende
Strom i.3, der zur Elektrode ; fließt, trotz steigender Spannung ir;; dieser Elektrode
kleiner geworden ist, ist an dieser Elektrode ein negativer Widerstand vorhanden.
Das Stromspannungsdiagramm i; = f (rr,) nimmt dann die in Abb. 3 dargestellte
Form an. Hierbei wurden für die Spannungen der übrigen Elektroden, insbesondere
der Hilfselektrode 4, feste Werte vorausgesetzt. Wie man unmittelbar ablesen und
auch ohne weiteres einsehen- kann, tritt der negative Widerstand in einem Spannungsbereich
von tr.; auf, der oberhalb von ui, der Spannung der Elektrode a, liegt. In diesem
Gebiet führt aber die Elektrode 3 einen verliältnismäl:)ig großen Strom, da sie
außer den ihr zukommenden Primärelektronen auch noch sämtliche Sekundärelektronen
der Elektrode 4 aufnimmt. Infolgedessen ist die Steilheit des Stromes i3, bezogen
auf die Spannung eines kathodenseitig von der Elektrode 3 gelegenen Steuergitters
2, ziemlich groß und wesentlich größer als bei der eine Kernlinie nach Abb. t liefernden
Dynatronröhre.
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Die beschriebene Anordnung ist in ihrem Aufbau natürlich nur als Ausführungsbeispiel
zu bewerten. Bei der Erklärung der Wirkungsweise wurde vorausgesetzt, daß bei einer
Erhöhung der Spannung tt" der Zuwachs des zur Elektrode _3 fließenden . Primärstromes
gleich groß ist wie die Abnahme des zur Elektrode q gelangenden Primärstromes. Um
dies sicherzustellen, ist eine Rückwirkung der Spannung u;, auf die Größe des Gesamtprimärstromes
möglichst zu verringern, beispielsweise durch Verwendung einer Glühkathode mit Sättigungseigenschaften,
durch Anordnung eines auf Kathodenpotential gehaltnen oder positiv vorgespannten
Raumladungsgitters in unmittelbarer Nähe der Kathode oder durch ein die Rückwirkung
herabsetzendes Schirmgitter vor der Elektrode 3. Wenn man einen möglichst niedrigen
negativen Widerstand an der Elektrode 3 erhalten will, muß der an der Hilfselektrode
4. ausgelöste Sekundärelektronenstrom möglichst weitgehend gesättigt sein. Dieser
Forderung kann man Rechnung tragen durch Anlegung einer verzwei Elektroden oder
Elektrodengruppen, unc zwar an der Elektrode oder Elektrodengrupp< erzeugt, von
der keine Sekundärelektronen foi-tgezogeti werden.
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Ein Ausführungsbeispiel ist in Abb.2 dar gestellt, die einen Querschnitt
durch ein Elek trodensystem in schematischer Darstelluuf zeigt. In dieser bedeutet
t eine Glühkathode üblicher- Art, die von einer oder mehreren gitterförmigen Steuer-
bzw. Hilfselektroden umschlossen wird. Der negative Widerstanc soll an der Elektrode
3, die aus einem adei mehreren zur Kathode parallelen Stäben bestehen möge und auf
einem gegen die Kathode positiven Potential gehalten wird, auftreten, Die Hilfselektrode
:1 soll die Sekundärelektronen abgeben und enthält ein zwar gegen die Kathode positives,
aber gegen die Elektrode 3 negatives Potential; diese Elektrode ,l besitzt einen
Sekundäremissionskoeffizienten, der größer als i ist, d.li. es werden mehr Sekundärelektronen
erzeugt, als Primärelektronen auftretien. Dieses \,erhalten kann durch Verwendung
z. B. C, Aluminiums, eines geeigne:en Elektroden-11 durch einen Cberzug mit Alkali-
oder Erdalkaiimetallen usw. in an sich bekannter Weise besonders gefördert werden.
Es wurden praktisch schon Sekundäremissionskoefizienten von ungefähr io erreicht.
Im Beispielsfalle bestehen die Elektroden 4. aus zylindersegmentförmigen Blechen,
die den durch die Hilfselektroden 3 bestimmten Zentriwinkel umfassen. Natürlich
könnte man auch so viele Hilfselektroden 3 vorsehen, daf,) sie über die ganze Zylindermantelfläche
verteilt sind, oder di- Hilfselektrode 3 einfach als zylindrisches Gitter ausbilden
und dementsprechend auch der Elektrode 4. eine zylindrische Form geben. Die von
der Elektrode 4 abgegebenen Sekundärclektronen wandern zur Hilfselektrode 3. In
umgekehrter Richtung kann kein Sekundärelektronenfluß zustande kommen, =selbst wenn
die Elektrode 3 an sich sekundäremissionsfähig wäre, weil die Sekundärelektranen
wegen ihrer verschwindend geringen Anfangsgeschwindigkeit nicht gegen das verzögernde
Feld der Elektrode .l. anlaufen können.
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Es soll nun erläutert werden, wieso an der Elektrode 3, von der also
keine Sekundärelektronen fortgezogen werden, ein negativer Widerstand auftritt.
Um diese t'berlegung zu erleichtern, soll ein Zahlenbeispiel herangezogen und der
Elektrode .l der Sekundäreniissioiiskoeffizient 2 zugedacht werden, d. h. jedes
auf die Elektrode ,4 auftreffende Primärelektron löst dort zwei Sekundärelektronen
aus, die zur Elektrode 3 hingezogen werden. Eine :Uderung der an die Elektrode 3
angelegten Spannung beeinflußt die Verteilung des von der Kathode ausgehenden bzw.
von den Githältnismäßig
großen Potentialdifferenz zwischen den
Elektroden 3 und q., die größer ist als die für die Sekundärkathode gesättigte Sättigungsspannung,
bzw. durch eine derartige Formgebung dieser beiden Elektroden, daß unmittelbar vor
der Elektrode q. eine sehr große Feldstärke herrscht.
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In Abb. 4. ist ein Schaltungsbeispiel dargestellt, das eine zur Schwingungserzeugung
dienende Anordnung zeigt. h ist eine Röhre mit den Elektroden i bis ¢ wie in Abb.
2. Das Hilfsgitter 2 ist unmittelbar mit der Kathode i verbunden und verbessert
somit die Sättigungseigenschaften der Glühkathode. Die Frequenz der erzeugten Schwingungen
wird durch einen in den Stromkreis der Elektrode 3- mit dem negativen Widerstand
eingeschalteten Schwingungskreis LC bestimmt, von dem die Schwingungen abgenommen
werden. Der Hilfselektrode 2 oder einem weiteren Hilfsgitter können.- die Modulationsspannttngen
aufgedrückt werden. Ferner läßt sich mittels der Spannung einer solchen Hilfselektrode
die Stärke des Gesamtprimärelektronenstromes einstellen. Die Größe des negativen
Widerstandes kann ferner nich durch .Einstellung der an die Elektroden 3 und q.
gelegten positiven Spannungen auf einen vorgegebenen Wert gebracht werden. Im Falle
eines Verstärkers kann die zu verstärkende Spannung dem Steuergitter 2 zugeführt
werden, während der negative Widerstand so bemessen ist, daß der Anodenkreis gerade
entdämpft wird. Außerdem können alle vom Dynatron her bekannten Schaltungen sinngemäß
angewendet werden: In gleicher Weise wie beim Anoden- bzw. Gitterdynatron kann die
Funktion der beiden Elektroden 3 und q. auch vertauscht werden, indem man nämlich
der Elektrode 3 eine niedrigere positive Spannung als der Elektrode g. gibt, sie
aber sekundäremissionsfähig macht. Der negative Widerstand tritt dann aus den gleichen
Gründen wie vorhin an der äußeren Elektrode q. auf, in deren Stromkreis demzufolge
auch der Schwingungskreis einzuschalten wäre. In beiden Fällen unterscheidet sich
die Anordnung in bestimmter Weise von der eines Dynatrons dadurch, daß der negative
Widerstand an der Elektrode auftritt, von der keine Sekundärelektronen fortgezogen
werden und die demnach ein höheres Potential als die die Sekundärelektronen abgebende
Elektrode führt, während es beim Dynatron gerade umgekehrt ist.