DE968094C - Frequenzmodulierbares Magnetron - Google Patents

Description

(WiGBl. S. 175)

AUSGEGEBEN AM 16. JANUAR 1958

R 4395VIIIa/ 21 a*

ist als Erfinder genannt worden

Frequenzmodulierbares Magnetron

Patentanmeldung bekarnitgemacht am 10. Juli 1952

Patenterteilung bekanntgemactit am 2. Januar 1Θ58

Die Erfindung betrifft Magnetronröhren mit Hilfselektroden, die geeignet sind, frequenzmodulierte Mikrowellen mit einigen Zentimetern Wellenlänge oder weniger zu erzeugen, die eine Elektronen emittierende zentrale Kathode und ein mehrteiliges Anodensystem enthalten und bei denen an den Stirnseiten des Anodensystems von den übrigen Elektroden isolierte Hilfselektroden in Form von Ringscheiben vorgesehen sind; die Schaltungsanordnung ist so getroffen, daß die Hilfselektroden gegenüber der Kathode positiv und gegenüber der Anode negativ vorgespannt sind und den Vorspannungen Modulationsspannungen überlagert werden können.

Es ist bereits bekannt, in Magnetronröhren mit Anodenblechen oder geschlitzten Blockanoden Hilfselektroden, speziell kreisförmige Platten, die an den Enden der im Zentrum des Anodenaufbaues befindlichen geheizten Kathode angeordnet sind, anzubringen und diesen eine Vorspannung zu geben, um durch Erzeugung geeigneter Felder den Wirkungsgrad der Magnetronröhre zu verbessern.

Weiterhin ist es bekannt, diesen Hilfselektroden eine Modulationsspannung sowie eine positive Vorspannung zuzuführen, um durch Beeinflussung der Elektronenbahnen und Übernahme eines Teiles des Kathodenstromes durch die Hilfselektroden eine Modulation zu bewirken.

709 852/62

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine besonders zweckmäßige Ausbildung dieser Hilfselektroden. Dadurch, daß mindestens eine dieser Hilfselektroden so beschaffen ist, daß sie zusätzlich Elektronen, insbesondere Sekundärelektronen, in ausreichender Menge emittieren kann, ist es möglich, die Frequenz der Schwingungen in einem außerordentlich weiten Bereich, etwa io MHz oder mehr, zu modulieren. Dabei ist die Abhängigkeit ίο der Frequenzänderung von der Größe der Modulationsspannung im wesentlichen linear. Die erfindungsgemäße Anordnung arbeitet ohne wesentliche Trägheit, so daß die Ausnutzbarkeit der vollen Modulationsbandbreite ermöglicht wird. Der Gegenstand der Erfindung ist an Hand eines Ausführungsbeispiels beschrieben, welches in den Zeichnungen dargestellt ist. Es zeigt

Fig. ι einen Längsschnitt durch die erfindungsgemäße Magnetronröhre,

Fig. 2 einen Querschnitt durch die Magnetronröhre,

Fig. 3 und 4 zwei Schaltschemas, die zwei typische Modulationsstromkreise darstellen.

Das Magaetrangeihäuisie 1 umschließt eimern Anodenaufbaiu 2, einen Kathodmaufbau 3, magnetische Mittel 4 zur Erzeugung eines magnetischen Feldes in einer Richtung, im allgemeinen senkrecht zu dem Elektronenweg zwischen der Kathode und der Anode, und ein Paar von Modulationselektroden 5 und 6.

Der Anodenaufbau 2 besteht aus zweckmäßig einem zylindrischen Körper 7 aus einem hochleitenden Stoff, wie Kupfer, der mit einer Vielzahl von Anodensegmenten in der Form von nach innen sich erstreckenden, radial - angeordneten Flügeln (Speichen) 8 versehen ist. Der zylindrische Körper 7 ist an seinen Enden durch Platten 9 und 10 hermetisch, z. B. durch Verlötung, abgeschlossen. . Der zylindrische Körper 7 besitzt einen solchen Durchmesser und die Anzahl, Größe und relativer Abstand der Flügel 8 sind so gewählt, daß jedes Paar von angrenzenden Flügeln zusammen mit dem Teil des zylindrischen Körpers, der zwischen ihnen liegt, einen Hohlraumresonator bildet, der geeignet ist, im gewünschten Frequenzbereich zu schwingen.

Der Kathodenaufbau 3, der zu dem Anodenaufbau 2 koaxial liegt, umfaßt zweckmäßig eine längliche Hülsen, die in üblicher Weise aus Nickel od. dgl. hergestellt ist und einen abgesetzten Teil 12 besitzt, der sich im wesentlichen über den Bereich der lotrechten Ausdehnung der Flügel 8 erstreckt und mit einem Elektronen emittierenden Belag versehen ist, z. B. von der bekannten Art der Erdalkalimetalloxyde. Um die Kathodenhülse 11 in bezug auf die Anoden 7, 8 zentrisch zu halten, kann diese Hülse am unteren Ende abgesetzt sein, um in ein röhrenförmiges leitendes Glied 13 zu passen, das von einem röhrenförmigen Polstück 14 gehalten wird, das mit hermetischem Verschluß in der Endplatte 9 befestigt ist. Das Polstück 14 ist mit einer Bohrung 14 α versehen, durch welche der Kathodenaufbau in die Vorrichtung eingebracht wird. Eine Hülse 15 aus passendem weich magnetischem Metall ist am unteren Ende des Polstückes 14 dicht eingesetzt. Eine Glashülse 16 ist einerseits mit dem unteren Ende der Hülse 15 und andererseits mit einer Metallhülse 17 dicht verbunden. Das untere Ende des röhrenförmigen Gliedes 13 ist mit der Hülse 17 in beliebiger — nicht dargestellter — Weise elektrisch verbunden und wird durch diese Hülse getragen. Die Kathodenhülse 11 kann durch einen Draht geheizt werden, der am oberen Ende 18 mit der Hülse 11 und am unteren Ende mit einem Leiter 19 verbunden ist, der in geeigneter Weise, z. B. durch einen Glasverschluß, in das untere Ende der Hülse 17 eintritt.

Der Strom für den Heizdraht kann von einer geeigneten Spannungsquelle geliefert werden, die zwischen die Hülse 17 bzw. 13 und den Leiter 19 geschaltet ist.

Ein anderes Polstück 20 ist hermetisch dicht in die Endplatte 10 eingesetzt. Das Polstück 20 ist ebenso mit einer Bohrung 20 a versehen, deren obere Mündung durch eine Kappe 21 dicht abgeschlossen ist. Das Magnetron kann durch diese Kappe 21 evakuiert werden, welche danach an ihrem oberen Ende zugeschmolzen wird. Die Polstücke 20 und 14 sind z. B. an den entgegengesetzten Enden eines Hufeisenmagnets angebracht; die go beiden Polstücke 20 und 14 und der Hufeisenmagnet bilden die vorerwähnten magnetischen Mittel 4 zur Erzeugung eines magnetischen Feldes quer zu dem Elektronenweg zwischen der Kathode und der Anode des Magnetrons.

Die an sich bekannten Modulationselektroden 5 und 6 werden in der Nähe der oberen und unteren offenen Enden der Höhlraumresonatoren gehalten. Die gegen diese offenen Enden gerichteten Flächen sind so beschaffen, daß sie gut zusätzliche, insbesondere Sekundärelektronen aussenden; die Elektroden 5 und 6 können z. B. in Form von Ringen aus Tantal hergestellt sein. Wenn während der Evakuierung die Kathode 12 auf eine verhältnismäßig hohe Temperatur erhitzt wird, bekommen die Ringe 5 und 6 einen filmartigen Niederschlag des Oxydes aus dem Belag der Kathode. Solch ein dünner, auf Tental niedergeschlagener Oxydfilm bildet einen guten Strahler für Sekundär elektronen. Selbstverständlich können auch andere Emissionsmaterialien für Sekundärelektronen an Stelle der zuvor erwähnten verwendet werden. Die Hilfselektrode 5 wird von einem Leiter 22 getragen, der durch ein Rohrstück 23 hindurch aus' dem Magnetrongehäuse ι herausgeführt ist, das in den zylindrischen Körper 7 eingeschraubt und hermetisch abgeschlossen ist. Das Außenende des Leiters 22 geht durch einen Glasverschluß 24. In gleicher Weise wird die Hilfselektrode 6 durch einen Leiter 5 getragen, der durch das Rohrstück 26 und eine riashülse 27 nach außen geführt ist.

Wenn das Magnetron Schwingungen erzeugt, so werden diese mit Hilfe einer Koppelschleife 28 herausgeführt, die in einen der Hohlraumresonatoren eingeführt ist. Die Schleife 28 wird von einem Rohrstück 29 getragen, das in den zylin-

drischen Körper 7 eingeschraubt und hermetisch abgedichtet ist. Ein Ende der Schleife 28 ist mit dem inneren Ende des Rohrstückes 28 verbunden; das andere Ende ist durch eine Glashülse 30 hindurch nach außen geführt.

Wie in Fig. 3 dargestellt, kann die Kathode 3 in an sich bekannter Weise auf ihrem richtigen Betriebspotential gegenüber der Anode durch eine Vorspannungsquelle gehalten werden, die schematisch als eine Batterie 31 dargestellt ist. Um die Hilfselektroden 5 und 6 negativ gegenüber der Anode vorzuspannen, sind Vorspannungsquellen, schematisch als Batterien 32 und 33 dargestellt, zwischen die Hilfselektroden 5 und 6 und den Anodenaufbau 2 geschaltet. In Reihe mit einer der Vorspannungsquellen kann eine entsprechende Modulationsspannungsquelle 34 angeordnet sein. Die Maximalamplitude dieser Modulationsspannung muß in geeignetem Verhältnis zur Vorspanao nung 33 sein, so daß die Hilfselektrode 6 niemals während des Betriebs des Magnetrons nennenswert positiv werden kann.

Bei einer besonders zweckmäßigen Ausführungsform, bei welcher die Spannung der Batterie 31 ungefähr 1200 Volt, die Spannung der Batterie 32 ungefähr 500 Volt, die Spannung der Batterie 33 ungefähr 250 Volt beträgt und die Modulationsspannung eine Amplitude zwischen ihren maximal positiven und negativen Spitzen von ungefähr 500 Volt hat, kann die Frequenz, mit welcher das Magnetron schwingt, in einem Bereich von ungefähr 15 MHz geändert werden.

Auf Grund der derzeitigen Erkenntnisse kann theoretisch angenommen werden, daß das Magnetron im wesentlichen wie folgt arbeitet: In dem Raum in unmittelbarer Nähe jeder der beiden Hilfselektroden 5 und 6 werden sich einige freie Elektronen befinden, sei es infolge der Emission von der Kathode 3 oder aus irgendeiner anderen Quelle. Unter dem zwischen der Elektrode 5 z. B. und der Anode 2 bestehenden Spannungsunterschied werden diese Elektronen in einer Richtung gegen die unteren, offenen Enden der Hohlraumresonatoren getrieben. Das Magnetron, welches unter diesen Bedingungen Schwingungen erzeugt, hat zwischen den Außenenden der Flügel 8 ein hochgespanntes, hochfrequentes elektrisches Querfeld. Wenn die Elektronen in diesen Bereich eintreten, so werden sie der Wirkung des längs magnetischen Feldes und auch der Wirkung des genannten hochfrequenten elektrischen Querfeldes unterworfen. Unter diesen Bedingungen werden die Elektronen auf einem Spiralweg gegen das untere, offene Ende des Hohlraumresonators wandern, wo sie sich sammeln. Dieser Weg wird ein solcher sein, daß die Elektronen wirksam daran gehindert werden, durch die Flächen der Flügel 8 erfaßt zu werden. Wenn die Elektronen in einem besonderen Hohlraum von dem unteren Ende desselben austreten, werden diejenigen Elektronen, welche in der richtigen Phasenbeziehung mit Bezug auf das hochfrequente elektrische Feld sind, dazu eine beträchtliche Beschleunigung erfahren. Wenn nun keine Elektrode, wie z. B. die Hilfselektrode 6, in ihrem Weg angeordnet wäre, würden diese Elektronen schnell z. B. durch die Polstücke 14 oder den Deckel 9 eingefangen werden. Die Elektrode 6 jedoch, welche in den Weg dieser Elektronen eingeschaltet ist, wird sie auffangen. Die Beschleunigung, welcher diese Elektronen durch das hochfrequente elektrische Feld unterworfen sind, genügt zur Freimachung eliaer großen Anzahl von Sekundärelektronen aus der Hilfselektrode 6. Diese Sekundärelektronen werden durch den Spannungsunterschied zwischen der Hilfselektrode und der Anode in die entgegengesetzte Richtung getrieben, so daß sie wieder in den Hohlraumresonator eintreten. Diejenigen Elektronen, welche nicht die richtige Phase in bezug auf das hochfrequente elektrische Feld haben, werden bei ihrem Austrittsversuch aus dem unteren Ende des Hohlraumresonators in ihrer Geschwindigkeit gemindert und werden wieder in den Hohlraumresonator eintreten. So vereinigen sie sich mit den Sekundärelektronen, die aus der Hilfselektrode 6 in ihrer Wanderung durch den Hohlraumresonator in einer Aufwärtsrichtung gegen die Hilfselektrode 5 ausgesandt werden. Arn¹ oberen Ende der Anode findet ein ähnlicher Vorgang statt, wenn die Elektronen von dem Hohlraumresonator austreten und so einen großen Betrag an Sekundäremission an der Elektrode 5 erzeugen. Unter diesen Bedingungen wird eine Elektronen-Vervielfältigungswirkung zwischen den Hilfselektroden 5 und 6 geschaffen, was eine Unmasse von Elektronen im Innern jedes Hohlraumresonators ergibt. Das Vorhandensein dieser Elektronen verändert die Dielektrizitätskonstante des Raumeis im "Innern eines jeden der HoM raum resonatoren, und so kann die Frequenz, bei welcher der Hohlraumresonator schwingen will, durch Veränderung der Dichte dieser Elektronenmasse geregelt werden. Die Wege der Elektronen im Inneren eines jeden der Hohlraumresonatoren sind jedoch solche, daß im wesentlichen keine Energie von dem Schwingungskreis abgezogen wird, wodurch dem Magnetron ein verhältnismäßig hoher Wirkungsgrad gegeben wird.

Durch Veränderung des Grades, in welchem die Elektronen zwischen einer oder beiden Hilfselektroden 5 und 6 und der Anode 2 in die Hohlraumresonatoren reflektiert werden, kann die Dichte der Elektronenkonzentration in den Hohlraumresonatoren geregelt werden. So kann z. B. durch Zwischenschaltung der Modulationsspannung 34 in die zu der Elektrode 6 führende Verbindung die oben beschriebene Frequenzmodulation erzielt werden.

Obwohl beide Hilfselektroden 5 und 6 als Elektronen emittierend beschrieben sind, kann doch in manchen Fällen nur eine dieser Elektroden so beschaffen sein, während die andere Elektrode als ein Elektronen reflektierendes Glied dient. Jedoch kann auch unter diesen Umständen in gleicher Weise ein wesentlicher Betrag von Frequenzmodulation erreicht werden.

Anstatt die Spannungsmodulation nur an einer der Hilfselektroden 5 und 6 vorzunehmen, können

verschiedene andere Stromkreisanordnungen angewendet werden. So ist z. B. in Fig. 4 in einem Schaltschema eine Anordnung dargestellt, bei welcher die Spannung an den beiden Hilfselektroden moduliert wird. Die Hilfselektroden 5 und 6 können miteinander verbunden sein, und eine Verbindung, welche sich von dem gemeinsamen Leiter zur Anode erstreckt, kann eine Vorspannungsquelle 36 und eine Quelle für die Modulationsspannung 37 enthalten. In diesem Fall sind in gleicher Weise die Pole der Vorspannungsquelle 36 so geschaltet, daß letztere das Bestreben hat, die Hilfselektroden 5 und 6 in bezug auf die Anode 2 negativ zu halten. Eine derartige Anordnung bewirkt auch die gewünschte Frequenzmodulation.

Obwohl die Hilfselektroden 5 und 6 als Quellen von Sekumidärelektrooien angegeben wurden, können auch andere Arten von Elektronenquellen verwendet werden, z. B. können entweder eine oder beide Modulationselektroden geheizt werden, um als Glühkathoden Elektronen auszusenden.

Claims (6)

1. Patentansprüche:

   i. Magnetronröhre mit einer Elektronen emitas tierenden zentralen Kathode und einem mehrteiligen Anodensystem, bei der an den Stirnseiten des Anodensystems von den übrigen Elektroden isolierte Hilfselektroden in Form von Ringscheiben vorgesehen sind, zur Verwendung in einer Schaltung, bei welcher die Hilfselektroden gegenüber der Kathode positiv und gegenüber der Anode negativ vorgespannt sind und bei der den Vorspannungen Modulationsspannungen überlagert werden, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder beide Hilfselektroden derart ausgebildet bzw. beschaffen sind, daß von ihnen zusätzlich Elektronen in den Raum zwischen Kathode und Anode eingebracht werden können.
2. 2. Röhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Material der Hilfselektroden so gewählt ist, daß im normalen Betrieb Sekundärelektronen emittiert werden können.
3. 3. Röhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfselektroden mit Glühkathoden ausgestattet bzw. als Glühkathoden ausgebildet sind.
4. 4. Schaltung einer Röhre nach einem der Ansprüche ι bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß nur einer Hilfselektrode eine Modulationsspannung überlagert wird.
5. 5. Schaltung einer Röhre nach einem der Ansprüche ι bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulationsspannung beiden Elektroden überlagert wird.
6. 6. Schaltung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die negative Vorspannung der Hilfselektrode^,) so groß gewählt ist, daß diese auch bei Ütberlageriuing der Modulationsispanniinig stets negativ gegenüber der Anode bleibt.

   In Betracht gezogene Druckschriften:

   Deutsche Patentschriften Nr. 666 136, 685 329, 708945; e_s

   schweizerische Patentschriften Nr. 215 600,
   083;

   französische Patentschrift Nr. 796 386;

   britische Patentschrift Nr. 485 806;

   Deutsche Patentanmeldung T 51302 VIII a/21 a⁴.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen