DE915597C - High vacuum tubes for generating, amplifying or receiving very short electrical waves using the braking field method - Google Patents

Description

Hochvakuumröhre zur Erzeugung, Verstärkung oder zum Empfang sehr kurzer elektrischer Wellen nach der Bremsfeldmethode Sobald man kürzeste elektrische Wellen mit Hilfe von Hochvakuumröhren erzeugen will, ist es notwendig, die Röhre so zu dimensionieren bzw. derartige Betriebsspannungen zu verwenden, daß die Laufzeiten der Elektronen in- der Röhre gegenüber der Schwingungsdauer klein werden. Diese Forderung ist bei sehr kurzen Wellen nur schwer oder vielfach gar nicht erfüllbar. Ihre Einhaltung bedingt äußerst kurze Elektrodenabstände, welche technisch vielfach nicht mehr verwirklicht werden können.High vacuum tube for generating, amplifying or receiving very short ones electric waves according to the braking field method As soon as one has the shortest electric waves with the help of high vacuum tubes, it is necessary to make the tube like this dimension or use such operating voltages that the running times the electrons in the tube become small compared to the period of oscillation. These In the case of very short waves, the requirement can only be met with difficulty or in many cases not at all. Compliance with these requires extremely short electrode gaps, which are technically many can no longer be realized.

Um die Schwierigkeit der kurzen Elektrodenabstände zu umgehen, hat man bereits andere Wege gesucht, welche es ermöglichen, bei größeren Abständen, aber unter entsprechender Berücksichtigung der endlichen Elektronenlaufzeiten in der Röhre ultrakurze Wellen anzufachen. Die vorgeschlagenen Lösungen gestatten jedoch bisher noch nicht, einen technisch brauchbaren Wirkungsgrad zu erreichen, so daß nach wie vor das Bedürfnis besteht, eine Ultrakurzwellenröhre zu bauen, bei welcher neben der erreichbaren kleinen Wellenlänge auch noch eine gute Ausnutzung der zugeführten Energie gewährleistet ist.In order to avoid the difficulty of the short electrode spacing, one has already looked for other ways that make it possible, at larger distances, but taking into account the finite electron transit times in of the tube to fan ultrashort waves. However, the proposed solutions allow so far not yet to achieve a technically useful level of efficiency, so that there is still a need to build an ultra-short wave tube in which in addition to the small wavelength that can be achieved, there is also good utilization of the supplied Energy is guaranteed.

Die Erfindung betrifft nun eine Bremsfeldröhre für ultrakurze Wellen, bei der durch geeignete Dimensionierung und Anordnung des Elektrodensystems eine optimale Anfachung der Schwingungen gewährleistet ist. Erfindungsgemäß sind bei einer Hochvakuumröhre zur Erzeugung kurzer elektrische Wellen die Dimensionen der gegebenenfalls bei dei Steuerung des Elektronenstromes mitwirkenden positiven Beschleunigungselektrode so gewählt und isi diese derart ausgebildet, daß die Laufzeit der Elektronen durch die Beschleunigungselektrode (innerhalb ihres Querschnittes) mit der Periodendauer vergleichbar ist. Besonders gut hat es sich bewährt, die Anordnung so zu treffen, daß die Zeit, während welcher sich die Elektronen innerhalb des Querschnittes der Beschleunigungselektrode aufhalten bzw. dem Einfiuß der beiderseits der Beschleunigungselektrode wirkenden Felder entzogen sind, etwa die Hälfte Schwingungsdauer (Laufzeitwinkeln) oder ein ganzzahliges Vielfaches davon beträgt. Es hat sich gezeigt, daß man auf diese Weise den besten Wirkungsgrad auch bei kürzesten Wellenlängen erhält.The invention now relates to a braking field tube for ultrashort waves, with suitable dimensioning and arrangement of the electrode system optimal amplification of the vibrations is guaranteed. According to the invention are at a high vacuum tube to generate short electrical waves the Dimensions that may be involved in controlling the electron flow positive acceleration electrode is chosen and is designed in such a way that that the transit time of the electrons through the acceleration electrode (within its Cross-section) is comparable with the period duration. It was particularly good proven to make the arrangement so that the time during which the electrons stay within the cross-section of the acceleration electrode or the in fl uence the fields acting on both sides of the acceleration electrode are withdrawn, for example half the period of oscillation (travel time angles) or an integral multiple thereof amounts to. It has been shown that this way you get the best efficiency as well at the shortest wavelengths.

Die Erfindung läßt sich am besten an Hand der Figuren verdeutlichen. In Fig. i ist eine Bremsfeldröhre dargestellt, welche eine Kathode i, einen die Kathode umschließenden, vorzugsweise auf Kathodengleichpotential gehaltenen oder schwach vorgespannten Schirm 2 besitzt, der als Blende mit einer Öffnung 3 ausgebildet ist und, wie auch in der Figur veranschaulicht ist, vorzugsweise mit einem oder mehreren die Kathode seitlich und gegebenenfalls an ihrer Rückseite abschirmenden Teilen versehen ist. Anstatt einer Öffnung können entsprechend den Durchtrittsöffnungen der Beschleunigungselektrode mehrere Blendenöffnungen vorgesehen sein. Ferner sind eine Beschleunigungselektrode 4 und eine Bremsplatte 5 vorhanden. Die Beschleunigungselektrode besteht bei dem Ausführungsbeispiel aus einem gestreckten rohrförmigen oder schachtförmigen Ansatz 6 und einem rahmenförmigen Teil 7. Die Steuerung des Elektronenstromes durch die hochfrequente Schwingung kann mittels der Beschleunigungselektrode, aber auch auf andere Weise, insbesondere mit Hilfe der Blende 2 erfolgen. Zur Erläuterung der Wirkungsweise soll in folgendem zunächst ein besonders einfacher Fall der Steuerung betrachtet werden, bei dem die Beschleunigungselektrode gleichzeitig als Steuerelektrode wirksam ist.The invention can best be illustrated with the aid of the figures. In Fig. I a braking field tube is shown which has a cathode i, a screen 2 surrounding the cathode, preferably kept at DC potential or slightly biased, which is designed as a screen with an opening 3 and, as is also illustrated in the figure, preferably is provided with one or more parts shielding the cathode laterally and optionally on its rear side. Instead of one opening, several diaphragm openings can be provided corresponding to the passage openings of the acceleration electrode. An acceleration electrode 4 and a braking plate 5 are also provided. In the exemplary embodiment, the acceleration electrode consists of an elongated tubular or shaft-shaped extension 6 and a frame-shaped part 7 . In order to explain the mode of operation, a particularly simple case of the control will first be considered in the following, in which the acceleration electrode is also effective as a control electrode.

Die Bewegung der Elektronen innerhalb der Röhre und damit die Anfachung der Schwingungen ist nun entscheidend davon abhängig, wie die Abstände der Elektroden und die Dimensionen gewählt werden. Dies iäßt sich am besten erkennen, wenn man den sich in der Röhre abspielenden Schwingungsvorgang näher betrachtet. Die Elektronen, die die Kathode i bzw. möglichst kurze Zeit später die Blendenöffnung 3 zur Zeit 1, verlassen, erreichen die sie beschleunigende Elektrode zu einer Zeit, die außer durch den Abstand von der Kathode durch die beschleunigenden Spannungen (Gleichvorspannung plus überlagerter Hochfrequenzspannung) gegeben ist und durch diese Spannungen reguliert werden kann. Bei einem gegebenen Abstand sind diese Spannungen also durch die Vorschrift der zu erzielenden richtigen Laufzeit zwischen Kathode und Beschleunigungselektrode festgelegt: Die richtige Laufzeit in diesem Raum ergibt sich daraus, daß die Elektronen mit etwa r8o° Phasenverschiebung gegen die hochfrequente Steuerwechselspanneng am Eingang der Beschleunigungselektrode eintreffen müssen, also um diesen Betrag der steuernden Spannung nacheilen müssen.The movement of the electrons within the tube and thus the amplification of the oscillations is now crucially dependent on how the distances between the electrodes and the dimensions are chosen. This can best be seen if one looks more closely at the oscillation process taking place in the tube. The electrons that leave the cathode i or as soon as possible later the aperture 3 at time 1, reach the accelerating electrode at a time that is given by the accelerating voltages (DC bias plus superimposed high frequency voltage) in addition to the distance from the cathode and can be regulated by these tensions. At a given distance, these voltages are determined by the specification of the correct transit time to be achieved between the cathode and the acceleration electrode: The correct transit time in this space results from the fact that the electrons have to arrive at the entrance of the acceleration electrode with a phase shift of about r80 ° against the high-frequency alternating control voltage , so have to lag behind the controlling voltage by this amount.

Nach Erreichung des Eingangs der Beschleunigungselektrode treten die Elektronen dann mit einer durch die Spannungen definierten Geschwindigkeit in das Innere derselben ein. Der Zeitpunkt, zu dem sie die Elektrode nach der anderen Seite hin wieder verlassen, ergibt sich jetzt zwangläufig aus der gegebenen Geschwindigkeit und der Ausdehnung der Beschleunigungselektrode in Durchtrittsrichtüng.After reaching the entrance of the acceleration electrode, the Electrons then enter the with a speed defined by the voltages Inside of the same one. The time at which they move the electrode to the other side leave it again now inevitably results from the given speed and the expansion of the acceleration electrode in the direction of passage.

Da nun aber die Annäherung und der Eintritt einer Elektronenwolke an bzw. in den Querschnitt der Beschleunigungselektrode einen Strom in Richtung auf diese Elektrode, die zugleich die eine Belegung der Kapazität des Schwinggebildes darstellt, hervorruft und andererseits die Entfernung und der Austritt der Elektronenwolke von bzw. aus dem Querschnitt der Elektrode einen Strom in entgegengesetzter Richtung anstößt, so ergibt sich die Forderung, daß der Austritt der Elektronenwolke aus dem Elektrodenquerschnitt etwa eine halbe Schwingungsdauer später erfolgen muß als der Eintritt, wenn nicht der Austritt der Elektronenwolke die durch den Eintritt derselben in den Querschnitt angestoßenen Schwingungen stören soll, indem er einen entgegengesetzt gerichteten Strom in einer falschen Phase der Schwingung hervorruft. Diese Forderung kann bei vorgegebener Geschwindigkeit der Elektronenwolke ideal dadurch erfüllt werden, daß bei der Beschleunigungselektrode die Ausdehnung in Durchtrittsrichtung oder ein ganzes Vielfaches davon beträgt, wenn die Elektronenvolke mit der Geschwindigkeit v in die Elektrode eintritt. Dabei bedeutet s die Elektrodentiefe, T die Schwingungsdauer und v die durch die Elektrodenspannungen vorgegebene Fluggeschwindigkeit der Elektronen.However, since the approach and entry of an electron cloud to or into the cross section of the acceleration electrode causes a current in the direction of this electrode, which at the same time represents an occupation of the capacitance of the oscillating structure, and on the other hand the removal and exit of the electron cloud from or to the accelerating electrode. If a current in the opposite direction is triggered from the cross-section of the electrode, the requirement arises that the exit of the electron cloud from the electrode cross-section must take place about half an oscillation period later than the entry, if the exit of the electron cloud does not result from its entry into the Cross-section is intended to interfere with vibrations initiated by creating an oppositely directed current in a wrong phase of the oscillation. At a given speed of the electron cloud, this requirement can ideally be met by the expansion of the acceleration electrode in the direction of passage or a whole multiple thereof if the electron population enters the electrode with the velocity v. Here s means the electrode depth, T the period of oscillation and v the flight speed of the electrons given by the electrode voltages.

Die Laufzeit in dem hieran anschließenden Raum, denn Bremsraum zwischen der Beschleunigungselektrode 4 und der Platte 5, ist dadurch bedingt, daß die Elektronenwolke wiederum in der richtigen Phase zur Elektrode 4 zurückkehren muß, und zwar in der fallenden Halbperiode der Hochfrequenzspannung. Daraus ergibt sich auch für diesen Laufraum als Laufzeit der Wert von etwa oder ein ganzzahliges Vielfaches davon.The running time in the adjoining space, the braking space between the acceleration electrode 4 and the plate 5, is due to the fact that the electron cloud must return to the electrode 4 in the correct phase, namely in the falling half-cycle of the high-frequency voltage. This also results in the value of approximately as the running time for this running space or an integral multiple thereof.

Als Rhythmus der Bewegung der Elektronenwolke im Elektrodensystem ergibt sich daher folgendes Bild, das durch die Figuren noch verdeutlicht werden wird. In der einen Halbperiode der Schwingung bewegt sich sowohl im Kathodenraum als auch im Bremsraum eine Elektronenwolke auf die Beschleunigungselektrode 4 zu, `und beide Wolken erreichen es zur gleichen Zeit (Fig. 2 und 3). In der zweiten Halbperiode durchläuft die von der Kathode kommende Elektronenwolke das Innere des Elektrodenquerschnittes (Fig.4). In dieser Zeit sind die beiden benachbarten Räume frei von Elektronen. Im gleichen Zeitpunkt, wenn die Elektronenwolke die Beschleunigungselektrode verläßt, löst sich auch von der Kathode wieder eine neue Elektronenwolke los (Fig. i), und das Spiel beginnt von neuem. Zwischen der Platte 5 und der Beschleunigungselektrode q. ist ein abstimmbarer Schwingungskreis angebracht.As the rhythm of the movement of the electron cloud in the electrode system The result is the following picture, which is illustrated by the figures will. In the one half cycle of the oscillation both moves in the cathode compartment as well as an electron cloud in the braking space towards the acceleration electrode 4, `and both clouds reach it at the same time (Fig. 2 and 3). In the second The electron cloud coming from the cathode passes through the inside of the half-cycle Electrode cross-section (Fig. 4). The two neighboring rooms are at this time free of electrons. At the same time when the electron cloud hits the accelerating electrode leaves, a new electron cloud is also released from the cathode (Fig. i), and the game starts again. Between the plate 5 and the accelerating electrode q. a tunable oscillation circuit is attached.

Um der Blende 2 die Steuerspannung aufzudrücken, wird auch zwischen der Blende und der Beschleunigungselektrode eine Kopplung vorgesehen, durch deren Einstellung die Phasenlage der steuernden Wechselspannung an der Blende beeinflußt und die Phasengleichheit zwischen der Wechselspannung an der Blende und der an der Beschleunigungselektrode hergestellt werden kann. Es empfiehlt sich, auch eine Kathodenabstimmung vorzusehen, am besten derart, daß man Abstimm- bzw. Kopplungsglieder, gegebenenfalls auch nur einen Kondensator, zwischen der Platte und der Kathode vorsieht. Durch Verstellung bzw. richtige Bemessung dieser Kopplungs- oder Abstimmglieder kann die richtige Phasenlage der Wechselspannung an der Kathode zu der an der Blende erreicht werden.In order to apply the control voltage to the diaphragm 2, there is also between the diaphragm and the acceleration electrode provided a coupling through which Setting influences the phase position of the controlling alternating voltage on the diaphragm and the phase equality between the alternating voltage at the diaphragm and that at the Accelerating electrode can be produced. It is advisable to also do a cathode tuning to be provided, preferably in such a way that tuning or coupling elements, if necessary also provides only one capacitor, between the plate and the cathode. By Adjustment or correct dimensioning of these coupling or tuning members can correct phase position of the alternating voltage at the cathode to that at the diaphragm is achieved will.

Aus der oben erläuterten Erkenntnis ergibt sich die folgende Regel für den Bau von Bremsfeldröhren für die Erzeugung ultrakurzer Wellen. Die Laufzeiten sollen in allen drei Räumen vor, innerhalb und hinter der Beschleunigungselektrode gleich groß und nahezu gleich T sein, wenn T die Schwingungsdauer der zu erregenden Schwingung ist. Während nun die Elektronenwolke das Innere der Beschleunigungselektrode mit ihrer nahezu maximalen Geschwindigkeit durchläuft, ist ihre mittlere Geschwindigkeit in den beiden anderen Räumen nur etwa halb so groß. Also müssen die zu durchlaufenden Wege im Kathoden- und im Bremsraum (Raum zwischen Beschleunigungselektrode und Anode) nur etwa halb so groß sein wie im Innern der Beschleunigungselektrode, wobei sich durch die Raumladungen besonders in der Nähe der Kathode noch Korrekturen dieser Regel ergeben werden. Den Darstellungen in den Fig. i bis q. sind Weglängen im Verhältnis i : 2 zugrunde gelegt, wobei zu berücksichtigen ist, daß der Bremsraum zweimal durchlaufen werden muß.From the knowledge explained above, the following rule results for the construction of braking field tubes for the generation of ultra-short waves. The transit times in all three spaces in front of, inside and behind the acceleration electrode should be the same and almost the same T if T is the period of oscillation of the oscillation to be excited. While the electron cloud now passes through the interior of the acceleration electrode at its almost maximum speed, its mean speed in the other two spaces is only about half as great. So the paths to be traversed in the cathode and braking space (space between acceleration electrode and anode) only have to be about half as large as inside the acceleration electrode, whereby the space charges, especially in the vicinity of the cathode, will result in corrections to this rule. The representations in FIGS. I to q. path lengths in the ratio i: 2 are taken as a basis, whereby it must be taken into account that the braking space must be traversed twice.

Diese Regel ist unabhängig von der zu erregenden Frequenz der Schwingung. Bei einer gegebenen Röhre, deren Elektrodenabstände die angegebene Regel erfüllen, ist lediglich zur Erregung kürzerer Wellen, also bei Anschluß eines kleineren Resonators, die Betriebsspannung an der Beschleunigungselektrode zu erhöhen. Beim Übergang zu sehr kurzen Wellen wird man naturgemäß die Absolutwerte der Weglänge möglichst klein machen, um nicht mit zu hohen Spannungen arbeiten zu müssen.This rule is independent of the frequency of the oscillation to be excited. For a given tube whose electrode spacing meets the given rule, is only used to excite shorter waves, i.e. when connecting a smaller resonator, to increase the operating voltage at the acceleration electrode. When transitioning to For very short waves, the absolute values of the path length are naturally as small as possible to avoid having to work with excessively high voltages.

Die Überlegungen sind von der Form des Aufbaues des Elektrodensystems, gleichgültig, ob dieser z. B. eben, gestreckt oder zylindrisch ist, unabhängig. Die Erfindung ist ferner auch für Tetroden anwendbar, wobei für den Laufraum zwischen Kathode bzw. Blende und einem der Beschleunigungselektrode entsprechenden positiven Gitter sowie für die Laufzeit der Elektronen innerhalb des Gitters selbst genau die gleichen Überlegungen gelten, wie sie eben für diese Räume bezüglich der Bremsfeldröhre angestellt wurden, so daß sich auch die gleichen Bemessungsregeln ergeben. Auch der Laufraum zwischen dem hochpositiven Gitter und der Anode muß bei der Tetrode so bemessen werden, daß die Elektronen im phasenrichtigen Augenblick auf die Anode auftreffen. Sowohl für die Bremsfeldröhre als auch für die Tetrode ist es vorteilhaft, die negative oder höchstens ganz schwach vorgespannte Blende so anzuordnen, daß sie durch elektrische Linsenwirkung durch die Öffnung bzw. Öffnungen des Gitters hindurch gelenkt werden, ohne daß von diesen zuviel Elektronen aufgenommen werden.The considerations depend on the form of the structure of the electrode system, regardless of whether this z. B. is flat, stretched or cylindrical, independent. The invention is also applicable to tetrodes, with for the running space between Cathode or diaphragm and a positive electrode corresponding to the acceleration electrode Lattice as well as for the transit time of the electrons within the lattice itself the same considerations apply as they apply to these rooms with regard to the brake field tube were employed, so that the same calculation rules also apply. Even the space between the highly positive grid and the anode must be in the case of the tetrode be dimensioned so that the electrons hit the anode at the right moment hit. For the braking field tube as well as for the tetrode it is advantageous to to arrange the negative or at most very weakly biased diaphragm so that they by electric lens action through the opening or openings of the grid be directed through without too many electrons being taken up by them.

Claims (1)

PATENTANSPRÜCHE: i. Hochvakuumröhre zur Erzeugung, Verstärkung oder zum Empfang sehr kurzer elektrischer Schwingungen nach der Bremsfeldmethode mit einer zur Elektronenbeschleunigung dienenden hochpositiv vorgespannten durchbrochenen Elektrode, dadurch gekennzeichnet, daß die Dimensionen der gegebenenfalls bei der Steuerung des Elektronenstromes mitwirkenden positiven Beschleunigungselektrode so gewählt sind und daß sie derart ausgebildet ist, daß die Laufzeit der Elektronen innerhalb des Querschnittes der Beschleunigungselektrode mit der Periodendauer der erzeugten Schwingung vergleichbar wird. z. Betriebsweise einer Röhre nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufzeit der Elektronen innerhalb der Beschleunigungselektrode etwa eine halbe Schwingungsdauer oder ein ganzzahliges Vielfaches davon beträgt (Laufzeitwinkel n). 3. Betriebsweise einer Röhre nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufzeit der Elektronen zwischen der Kathode (Blendenöffnung) und der Beschleunigungselektrode etwa eine halbe Schwingungsdauer beträgt. q. Betriebsweise einer Röhre nach Anspruch i und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufzeit der Elektronen vom Verlassen der positiv vorgespannten Hohlelektrode bis zum Wiederauftreffen auf diese etwa eine halbe. Schwingungsdauer beträgt. 5: Röhre nach Anspruch i, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode von einer Hülle umgeben ist, die nur eine oder mehrere Öffnungen in Richtung der Beschleunigungselektrode frei läßt und im Betriebe vorzugsweise schwach negativ vorgespannt ist. PATENT CLAIMS: i. High vacuum tube for generating, amplifying or receiving very short electrical oscillations according to the braking field method with a highly positively biased perforated electrode serving to accelerate electrons, characterized in that the dimensions of the positive acceleration electrode, which may be involved in controlling the electron flow, are selected and that it is designed in such a way that the transit time of the electrons within the cross section of the acceleration electrode is comparable to the period of the oscillation generated. z. Operating mode of a tube according to Claim i, characterized in that the transit time of the electrons within the acceleration electrode is approximately half an oscillation period or an integral multiple thereof (transit time angle n). 3. Operating mode of a tube according to claim i, characterized in that the transit time of the electrons between the cathode (aperture) and the acceleration electrode is approximately half an oscillation period. q. Operating mode of a tube according to Claims 1 and 2, characterized in that the transit time of the electrons from leaving the positively biased hollow electrode to re-striking it is approximately half. Period of oscillation. 5: Tube according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the cathode is surrounded by a sheath which leaves only one or more openings free in the direction of the acceleration electrode and is preferably slightly negatively biased during operation.