Mit Geschwindigkeitsmodulation arbeitende Ultrakurzwellenröhre. Die Erfindung betrifft Ultrakurzwellen röhren, die mit Geschwindigkeitsmodulation arbeiten.
Es ist bereits vorgeschlagen worden, bei Ultrakurzwellenröhren mit Geschwindig keitsmodulation den konzentrierten Elektro nenstrahl durch eine Reihe von hintereinan der angeordneten rohrförmigen Elektroden zu führen. Die einzelnen Elektroden sind voneinander durch Zwischenräume getrennt. Durch geeignete Wahl der Dimensionen der Elektroden und der Betriebsbedingungen ist es möglich, Verstärker- und andere Energie umformungswirkungen zu erhalten, die sonst bei sehr hohen Frequenzen schwer zu er reichen sind.
Die Erfindung betrifft eine Verbesserung der Zusammenwirkung zwischen dem hoch frequenzführenden Elektrodensystem und dem durch die Elektroden geführten: Elek tronenstrahl. Erfindungsgemäss wird die relative Elektronendichte des Elektronen strahls an seinen seitlichen Grenzen, das heisst an den Teilen, welche in grösster Nähe an den Elektroden vorbeigeführt werden, er höht. Beispielsweise wird dies durch die Ver wendung einer Elektronenquelle erreicht, die einen Elektronenstrahl mit ringförmigem Querschnitt erzeugt.
In den Figuren sind in zum Teil schema tischer Weise Ausführungsbeispiele nach der Erfindung dargestellt. Die Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch eine Ultrakurzwellen röhre, während die bei der Anordnung nach Fig. 1 benutzte Kathode in der Fig. 2 ver grössert dargestellt ist. Der durch die ring förmige Kathode erzeugte Elektronenstrahl ist in der Fig. 3 schematisch angedeutet. Die Fig. 4 dient zur Erläuterung der Wirkungs weise.
In der Fig. 5 befindet sich eine gra phische Darstellung und die Fig. 6 und 7 enthalten andere Ausführungsformen des Strahlerzeugungs-Elektrodensystems.
In der Fig. 1 ist eine Ultrakurzwellen röhre dargestellt, welche zur Schwingungs- erzeugung dient. Das Entladungsgefäss be- steht aus einem Vakuumgefäss mit einem langen rohrförmigen Teil 10, welcher auf seiner ganzen Länge gleichen Durchmesser hat. Am obern Ende ist an den rohrförmigen Teil ein Teil 11 grösseren Durchmessers an geschlossen, in dem das zum Auffangen des Elektronenstromes dienende System angeord net ist.
Im untern Ende des Entladungs rohres 10 befindet sich das Strahlerzeugungs- system, welches mit einer direkt geheizten Kathode 14 (Fig. 2) versehen ist, die schlei- fenförmig ausgebildet und in einer Ebene senkrecht zur Achse des Gefässes liegt. Die schleifenförmige Kathode liegt in einem ringförmigen Raum zwischen den beiden koaxialen Zylindern 15 und 16, die zur Fokussierung der von der Kathode emittierten Elektronen zu einem ringförmigen Strahl dienen.
Die Elektroden 15 und 16 liegen an einem wenige Volt positiveren oder negati- veren Potential als die Kathode, um die ge wünschte Fokussierungswirkung zu erhalten. Diese Elektroden siiad entweder mit beson deren Spannungsquellen oder auch über den Leiter 19 mit der für alle Elekroden ge- meinsamen Spanniuigsquelle 27 verbunden.
Zur Beschleunigung der Elektronen wird eine Beschleunigungselektrode benutzt, die aus zwei koaxialen Zylindern 20 und 21 besteht. Diese Elektroden sind derart zuein ander angeordnet, dass eine ringförmige> Öff nung 23 für den Durchtritt des Elektronen strahls entsteht. Die Elektroden sind geineiii- sam an eine geeignete positive Spannung, bei spielsweise mehrere hundert Volt, gelegt. Nachdem der Elektronenstrahl aus der Off nung 23 herausgetreten ist, passiert er ein Gebiet festen Potentials, dessen Grenzen durch die leitenden Ringelektroden 26 ge bildet werden.
Am obern Ende des Entladungsgefässes ist eine Anode 24 zum Auffangen des Elek tronenstrahls vorgesehen, nachdem dieser den Teil 10 des Entladungsgefässes durchquert hat. Vor der Anode befindet sich eine ring förmige Elektrode 25, welche als Bremsgitter wirkt, um zu verhindern, dass Sekundär elektronen, welche von der Anode emittiert werden, in den Entladungsraum zurück kehren. Beim Betrieb des Entladungsgefässes liegt die Anode an einem ein bis mehrere tausend Volt höheren Potential als die Ka thode, während das Bremsgitter 25 an einem 50 bis 100 Volt negativeren Potential als die Anode liegt. Die Elektroden sind mit der Batterie 27 verbunden. Zur Fokussierung sind ferner magnetische Fol.ussierungsspulen 28 vorgesehen.
Die bisher beschriebenen Elektroden dienen zur Erzeugung und zur Beeinflussung des Elektronenstrahls. Ausserhalb des Ent ladungsgefässes befindet sich ferner ein Elektrodensystem zur Erzeugung von ultra hochfrequenten Schwingungen durch Zusam inenwirkung mit dem Elektronenstrahl. Dieses Elektrodensystem besteht aus einer Reihe von hintereinander angeordneten Elektroden 80-34, welche von einem Metallrohr 36 koaxial umgeben sind. Das Rohr 36 ist, mit den Elektroden 30 bezw. 34 durch die metal lischen Ringe 37, 38 verbunden.
Bei dem oben beschriebenen Elektroden system entstehen stehende Schwingungen, wenn die Elektronenlaufzeit durch die Elek troden 30-3r4 in geeigneter Beziehung zu der Betriebsfrequenz steht und wenn die Kapazitäten an den verschiedenen Zwischen- räumen zwischen den Elektroden<B>30</B> und 34 in geeigneter Beziehung zli den Konstanten der Elektroden selbst und des umgebenden Rohres 36 stehen. Wenn die obengenannten Bedingungen erfüllt sind, wirkt das Elektro- densystem als Resonanzsystem.
Zur Aus kopplung von Leistung zu einem äussern Ver braucherkreis dient die Auskoppelelektrode 40, die kapazitiv mit dem Ende einer der Elektroden (32) gekoppelt ist und mit einer koaxialen Rohrleitung 41 in Verbindung stellt.
Die Wirkungsweise der Anordnung lässt sich wie folgt erklären: Es sei angenommen, dass das System in irgendeiner Weise erregt wird. Unter diesen Bedingungen entstehen periodisch veränderliche Spannungen an den Zwischenräumen 44-47, die die Elektroden 30-34 voneinander trennen. Folglich wer- den die Elektronen, die den ersten dieser Zwischenräume durchqueren, in verschie dener \'eise in ihrer Geschwindigkeit beein flusst, was von. der Phase abhängt, bei der sie den Zwischenraum erreichen. Es werden somit einige Elektronen verzögert, während andere Elektronen, die den Zwischenraum zu einem anderen Zeitpunkt durchqueren, be schleunigt werden. Folglich wird der Elek tronenstrahl nach dem Verlassen des Zwi schenraumes in seiner Geschwindigkeit moduliert sein.
Wenn ein in seiner Geschwindigkeit modulierter Elektronenstrahl einen verhält nismässig feldfreien Raum, welcher durch die Elektrode 3.1 begrenzt ist, durchquert, wer den bestimmte Änderungen eintreten. Es er folgt nämlich eine Gruppierung der Elektro nen, da die schnelleren Elektronen die lang sameren einholen. Folglich wird der den Zwi schenraum 45 erreichende Elektronenstrahl in seiner Ladungsdichte moduliert sein. Diese Ladungsdichteänderungen können von höhe rer Grössenordnung als die Geschwindigkeits änderungen sein, durch die die Ladungs- dichteänderungen hervorgerufen wurden.
Folglich wird durch die beschriebene Anord nung ein System geliefert, mit dem Energie von dem Elektronenstrom zu dem Schwin gungssystem an den verschiedenen Zwischen räumen 45, 46, 47 übertragen werden kann. Dies rührt von der Fähigkeit des in seiner Ladungsdichte modulierten Strahls her, beim Durchqueren der Elektrodenzwischenräume Hochfrequenzströme in den Elektroden zu induzieren. Bei einer geeigneten Anordnung und entsprechenden Dimensionierung der ver schiedenen Teile kann mit Hilfe des Koppel elementes 40 eine beträchtliche Leistung aus gekoppelt werden, ohne dass das System in störender Weise gedämpft wird.
Der Betrieb des oben beschriebenen Sy stems erfordert, dass die Elektronen in den verschiedenen Gebieten der Wechselfelder nur sehr kurz in bezug auf eine volle Periode der Potentialänderung verweilen. Bei der Anordnung nach Fig. 1 wird dies dadurch erreicht, dass der Elektronenstrom in der Nähe der Elektroden fliesst, da an dieser Stelle das elektrische Feld durch die Elek troden begrenzt ist. Dagegen dehnt sich das Feld in der Achse des Elektronenstrahls weiter aus, wie aus der Fig. 4 zu entnehmen ist, in der die Äquipotentiallinien a zwischen den beiden Elektroden 30 und 31 eingezeich net sind.
Das Feld dehnt sieh also in der Achse des Elektrodensystems verhältnis mässig weit aus, so dass die Elektronenlauf zeit einen beträchtlichen Teil einer vollen Periode der Potentialänderung einnimmt. Wenn also die Elektronen längs der Achse des Elektrodensystems fortschreiten, wird die Zusammenwirkung mit dem Elektroden system beträchtlich herabgesetzt. Die Gründe für diese Tatsache werden im folgenden an einem Spezialfall erläutert, bei dem ange nommen ist, dass die Elektronenlaufzeit zwi schen den Punkten c und d (Fix. 4) genau einer vollen Periode der Betriebsfrequenz entspricht.
Unter diesen Bedingungen wird die einem axial sich bewegenden Elektron erteilte Beschleunigung während des Durch laufens des beständig sich ändernden Feldes weitgehend durch die Verzögerung neutra lisiert, welche dasselbe Elektron während des Durchlaufens erleidet. Folglich wird die Elektronengeschwindigkeit nur verhältnis mässig wenig verändert. Es ergibt sich somit ein Zustand, welcher nicht erwünscht ist, um einen wirksamen Energieaustausch zwi schen den Elektronen und dem Elektroden system zu ermöglichen. Anderseits wird ein Elektron, dessen Weg in der Nähe des Zwi schenraumes 44 liegt, einer verhältnismässig starken Geschwindigkeitsänderung unter worfen.
Die Geschwindigkeitsmodulation kann aus der folgenden Formel abgeleitet werden:
EMI0003.0015
In dieser Formel ist e. die Ladung eines Elek- trons, 7n die Masse eines Elektrons, v die Strahlgeschwindigkeit, Y die Signalspan- nung an einem Zwischenraum, dv die Geschwindigkeitsmodulationsamplitude von Elektronen mit der radialen Entfernung x von der Achse des Rohres, L die der Signal frequenz entsprechende Wellenlänge,
13 das Verhältnis der Strahlgeschwindigkcit zur Lichtgeschwindigkeit und a der innere Ra dius der den Laufweg umgebenden Metall elektrode. a-x ist. alo die dichteste Entfer nung der Elektronen von dem Zwischenraum. 1o (a0 ist eine Funktion, deren. Verlauf in der Fig. 5 dargestellt ist.
Aus Gleichung (1) ergibt sich, dass die maximale Geschwindigkeitsmodulation dv", folgenden Wert besitzt:
EMI0004.0012
Die Wirksamkeit des Zwischenraumes in der Erzeugung der Geschwindigkeitsmodulation berechnet sich also zu:
EMI0004.0014
Für ein Elektron, welches die umhüllende Elektrode streift<I>(x = a),</I> ist die Elektro- denwirksamkeit am grössten, das heisst es wird durch die Elektrode eine maximale Ge schwindigkeitsmodulation bewirkt. Bei einem Elektron, welches mehr zur Achse hin ver läuft, ist die Wirksamkeit des Zwischen raumes entsprechend geringer.
Bei einem Ausführungsbeispiel mit, einem hohlen ringförmigen Elektronenstrahl ist an genommen, dass eine 15 cm Welle (L) be nutzt wird, wobei die Strahlspannung 10 000 Volt beträgt (B <I>= 1/5).</I> a habe den Wert 1 cm. Dann ergibt sich
EMI0004.0023
Wenn dieser Wert in die Gleichung (3) ein gesetzt wird, ergibt sich für ein axial ver laufendes Elektron (x = o) eine Wirksam- keit des Elektrodenzwischenraumes von 0,42. Dagegen beträgt die Wirksamkeit 0,69 für ein Elektron, welches von der Achse um <I>0,7 a (x = 0,7)</I> entfernt ist.
Das Verhältnis zwischen diesen Grössen
EMI0004.0028
zeigt den Unterschied der Wirksamkeit des Elektrodensystems auf die beiden radial von einander entfernten Elektronen an. Die Ge samtwirksamkeit des Energieumforinungs- systems ergibt sich dadurch, dass dieser Faktor quadriert wird, da berücksichtigt werden muss, dass sowohl Eingangs- als auch Ausgangszwischenräume vorhanden sind. Folglich beträgt die Beeinflussung des axial verlaufenden Elektrons nur'/, derjenigen des Elektrons, welches von der Achse um 0,7 a entfernt; ist.
Der Einfluss der elektrischen Felder ist also praktisch umgekehrt propor tional der Entfernung der Elektronen von der Grenze des Strahls bezw. von den innern Oberflächen der Elektroden.
Man könnte denken, dass die aus den obigen Ausführungen sich ergebenden Nach teile dadurch herabgesetzt werden können, dass der Gesamtstrom in dem Strahl erhöht wird. Dieses ist jedoch nicht wünschenswert, da dann nielir Energie aufgewandt werden nmiss, um den stärkeren Elektronenstrom zu erzeiigen. Es wird daher eine bessere Zusam menwirkung zwischen dem Elektronenstrom und den Elektroden erhalten, wenn die Elek tronendichte in dem Strom an den, äussern Grenzen wesentlich grösser als in der Achse ist.
Zur Erreichung dieses Ziels wird ein besonderes Strahlerzeugungssystem benutzt, welches einen Elektronenstrahl mit ringför- rnigem Querschnitt liefert. Es handelt sich also darum, einen möglichst grossen Teil des Stromes in die Nähe der Elektroden zu brin gen, durch die die Modulation hervorgerufen wird.
In der Fig. 6 ist ein Ausführungsbeispiel einer Kathode dargestellt, die für diesen Zweck besonders geeignet ist. Die Kathode besteht aus einer leitenden Scheibe 50, wel- ehe an der der Anode zugewandten Seite mit einer ringförmigen Emissionsschicht 51, die beispielsweise aus Erdalkalioxyd oder der gleichen besteht, versehen ist. Die Scheibe wird durch einen Heizdraht 52 erhitzt, wel cher zweckmässig ebenfalls ringförmig ausge bildet ist. Die von der Kathode emittierten Elektronen werden durch die ringförmige Elektrode 53 und die Scheibe 54 fokussiert. Die Elektroden 53 und 54 liegen an dem gleichen Potential wie die emittierende Ober fläche und verhindern daher eine Streuung des Elektronenstromes.
Um den ringförmigen Charakter des Elektronenstromes zu erhalten, sind um das Entladungsgefäss herum Ma gnetspulen 28, wie sie in der Fig. 1 darge stellt sind, angebracht.
Ein weiteres System zur Erzeugung eines ringförmigen Strahls ist in der Fig. 7 darge stellt. Das zur Erzeugung eines ringförmigen Elektronenstrahls benutzte Elektrodensystem besteht aus einer in der Achse des Ent ladungsgefässes angeordneten Kathode 55, welche von einem Hohlspiegel 60, der vor zugsweise auf Kathodenpotential liegt, um geben ist. Vor dem Hohlspiegel befindet sich die elektronendurchlässige Anode 63, welche bei dem Ausführungsbeispiel netzförmig aus gebildet ist. Ferner sind geeignet geformte Schirmblenden 58 und 59 vorgesehen, um eine gute Bündelung der Elektronen zu er halten. An der der Anode zugewandten Stirnseite der Kathode ist eine auf Kathoden potential liegende Platte 61 angebracht.
Durch das Zusammenwirken der Felder zwi schen Spiegel 60, Platte 61 und Anode 63 erhält der Elektronenstrahl einen kreisring förmigen Querschnitt. Die dargestellte An ordnung bietet besondere Vorteile bei An ordnungen, bei denen ein übliches Steuer gitter vorhanden ist und zwischen Kathode und Steuergitter die steuernde Ultrakurz wellenspannung liegt. Zur Erzielung eines äusserst hochohmigen Einganges muss man zur Vermeidung von Elektronenlaufzeit- effekten das Gitter möglichst nahe an die Kathode heranbringen. Dies ist in sehr ein facher Weise bei der dargestellten Anord- nung möglich, bei der die zylinderförmige Kathode 55 von einem Steuergitter 56 umge ben ist.
Ferner ist zweckmässig ein positives Schirmgitter 57 angebracht. Bei der darge stellten Anordnung werden also die Elektro nen aus der zylinderförmigen Kathode her ausbeschleunigt, nachdem sie durch das Steuergitter moduliert sind.
Bei der Verwendung eines Systems zur Erzeugung eines im Querschnitt ringförmi gen Elektronenstrahls kann man noch einen Schritt weitergehen, wenn man die Rück kopplung bei Benutzung der Röhre als Schwingungserzeuger durch einen Elektro nenstrahl erfolgen lässt. Es ist bei Ultrakurz wellenröhren mit Geschwindigkeitsmodula tion bereits bekannt, den Modulator mit dem Auskoppler zur Erzielung einer Rückkopp lung durch eine koaxiale Rohrleitung zu ver binden. Diese Anordnung hat den Nachteil, dass der Modulator und der Auskoppler genau abgestimmt werden müssen.
Ferner beeinflusst die Rückkoppelleitung die Güte der Resonatoren ungünstig. Durch die Ver wendung eines rückkoppelnden Elektronen strahls wird eine besondere Rückkoppelleitung vermieden. Der rückkoppelnde Strahl kann bei der Verwendung eines Systems zur Er zeugung eines ringförmigen Elektronen strahls innerhalb des Arbeitsstrahls verlau fen.
Zu diesem Zweck ist vor dem Strahl erzeugungssystem eine Auffangelektrode vorgesehen, welche mit dem Steuergitter ver bunden ist, so dass der rückläufige, durch den angeregten Resonator modulierte Strahl eine Spannung von der Frequenz des Hohlraumes auf den Eingang rückkoppelt. Bei der An ordnung nach Fig. 7 ist zu diesem Zweck eine Auffangelektrode 62 vorgesehen, welche mit dem Steuergitter 56 leitend verbunden ist. Das Steuergitter steht über einen hohen Widerstand mit der Kathode in Verbindung
Ultra-short wave tube working with speed modulation. The invention relates to ultra-short waves tubes that operate with speed modulation.
It has already been proposed that in ultra-short wave tubes with speed modulation, the concentrated electron beam through a number of the tubular electrodes arranged behind one another to be guided. The individual electrodes are separated from one another by spaces. By suitable choice of the dimensions of the electrodes and the operating conditions, it is possible to obtain amplifier and other energy conversion effects that are otherwise difficult to reach at very high frequencies.
The invention relates to an improvement in the interaction between the high-frequency electrode system and the electron beam guided by the electrodes. According to the invention, the relative electron density of the electron beam is increased at its lateral limits, that is to say at the parts which are guided past the electrodes as closely as possible. For example, this is achieved by using an electron source that generates an electron beam with an annular cross-section.
In the figures, embodiments according to the invention are shown in partly schematic manner. Fig. 1 shows a longitudinal section through an ultra-short wave tube, while the cathode used in the arrangement of FIG. 1 is shown enlarged in FIG. The electron beam generated by the ring-shaped cathode is indicated schematically in FIG. 4 serves to explain the effect.
In Fig. 5 is a graphical representation and Figs. 6 and 7 contain other embodiments of the beam generating electrode system.
In Fig. 1, an ultra-short wave tube is shown, which is used to generate vibrations. The discharge vessel consists of a vacuum vessel with a long tubular part 10, which has the same diameter over its entire length. At the upper end, a part 11 of larger diameter is closed to the tubular part, in which the system serving to collect the electron flow is angeord net.
In the lower end of the discharge tube 10 is the radiation generation system, which is provided with a directly heated cathode 14 (FIG. 2) which is loop-shaped and lies in a plane perpendicular to the axis of the vessel. The loop-shaped cathode lies in an annular space between the two coaxial cylinders 15 and 16, which serve to focus the electrons emitted by the cathode to form an annular beam.
The electrodes 15 and 16 are at a potential a few volts more positive or negative than the cathode in order to obtain the desired focusing effect. These electrodes are connected either to their special voltage sources or via the conductor 19 to the voltage source 27 which is common to all electrodes.
An acceleration electrode consisting of two coaxial cylinders 20 and 21 is used to accelerate the electrons. These electrodes are arranged in relation to one another in such a way that an annular opening 23 is created for the electron beam to pass through. The electrodes are jointly connected to a suitable positive voltage, for example several hundred volts. After the electron beam has emerged from the opening 23, it passes an area of fixed potential, the boundaries of which are formed by the conductive ring electrodes 26 ge.
At the upper end of the discharge vessel, an anode 24 is provided for collecting the electron beam after it has passed through part 10 of the discharge vessel. In front of the anode there is a ring-shaped electrode 25, which acts as a braking grid to prevent secondary electrons emitted by the anode from returning to the discharge space. When the discharge vessel is in operation, the anode is at a potential one to several thousand volts higher than the Ka method, while the braking grid 25 is at a potential that is 50 to 100 volts more negative than the anode. The electrodes are connected to the battery 27. Magnetic focusing coils 28 are also provided for focusing.
The electrodes described so far serve to generate and influence the electron beam. Outside the discharge vessel there is also an electrode system for generating ultra-high-frequency vibrations through interaction with the electron beam. This electrode system consists of a series of electrodes 80-34 arranged one behind the other, which are surrounded coaxially by a metal tube 36. The tube 36 is, respectively, with the electrodes 30. 34 connected by the metallic rings 37, 38.
In the electrode system described above, standing vibrations occur when the electron transit time through the electrodes 30-3r4 is in a suitable relationship to the operating frequency and when the capacitances at the various spaces between the electrodes 30 and 34 are appropriately related to the constants of the electrodes themselves and the surrounding tube 36. If the above conditions are met, the electrode system acts as a resonance system.
The decoupling electrode 40, which is capacitively coupled to the end of one of the electrodes (32) and connects to a coaxial pipe 41, is used to couple power to an external consumer circuit.
The mode of operation of the arrangement can be explained as follows: It is assumed that the system is excited in some way. Under these conditions, periodically variable voltages arise at the spaces 44-47, which separate the electrodes 30-34 from one another. Consequently, the electrons that cross the first of these spaces are influenced in their speed in different ways, which is influenced by. depends on the phase at which they reach the gap. Thus, some electrons are decelerated while other electrons crossing the gap at a different point in time are accelerated. Consequently, the electron beam will be modulated in its speed after leaving the intermediate space.
If an electron beam modulated in its speed a relatively field-free space, which is limited by the electrode 3.1, crosses who the certain changes occur. This is because the electrons are grouped because the faster electrons catch up with the slower ones. Consequently, the electron beam reaching the intermediate space 45 will be modulated in its charge density. These changes in the charge density can be of a higher order of magnitude than the changes in speed that caused the changes in charge density.
Consequently, the arrangement described provides a system with which energy can be transferred from the electron stream to the oscillation system at the various intermediate spaces 45, 46, 47. This is due to the ability of the beam, which is modulated in its charge density, to induce high-frequency currents in the electrodes as it traverses the spaces between the electrodes. With a suitable arrangement and appropriate dimensioning of the various parts ver can be coupled with the help of the coupling element 40, a considerable power without the system is attenuated in a disruptive manner.
The operation of the system described above requires that the electrons in the various areas of the alternating fields dwell only very briefly with respect to a full period of the potential change. In the arrangement according to FIG. 1, this is achieved in that the electron current flows in the vicinity of the electrodes, since the electric field is limited by the electrodes at this point. In contrast, the field in the axis of the electron beam extends further, as can be seen from FIG. 4, in which the equipotential lines a between the two electrodes 30 and 31 are drawn in net.
The field thus expands relatively far in the axis of the electrode system, so that the electron transit time takes up a considerable part of a full period of the change in potential. So if the electrons progress along the axis of the electrode system, the interaction with the electrode system is considerably reduced. The reasons for this fact are explained below using a special case in which it is assumed that the electron transit time between points c and d (Fix. 4) corresponds exactly to a full period of the operating frequency.
Under these conditions, the acceleration imparted to an axially moving electron as it traverses the constantly changing field is largely neutralized by the retardation which the same electron suffers as it traverses. As a result, the electron speed is changed only relatively little. The result is a state which is not desirable in order to enable an effective exchange of energy between the electrons and the electrode system. On the other hand, an electron whose path is in the vicinity of the intermediate space 44 is subjected to a relatively strong change in speed.
The speed modulation can be derived from the following formula:
EMI0003.0015
In this formula, e. the charge of an electron, 7n the mass of an electron, v the beam velocity, Y the signal voltage at a gap, dv the velocity modulation amplitude of electrons with the radial distance x from the axis of the tube, L the wavelength corresponding to the signal frequency,
13 the ratio of the beam speed to the speed of light and a the inner radius of the metal electrode surrounding the path. a-x is. alo the closest distance of the electrons from the gap. 1o (a0 is a function, the course of which is shown in FIG.
From equation (1) it follows that the maximum speed modulation dv "has the following value:
EMI0004.0012
The effectiveness of the gap in generating the speed modulation is calculated as follows:
EMI0004.0014
For an electron that touches the enveloping electrode <I> (x = a), </I> the electrode effectiveness is greatest, that is, the electrode causes a maximum speed modulation. In the case of an electron that runs more towards the axis, the effectiveness of the gap is correspondingly less.
In an embodiment with a hollow ring-shaped electron beam, it is assumed that a 15 cm wave (L) is used, the beam voltage being 10,000 volts (B <I> = 1/5). </I> a have the Value 1 cm. Then it arises
EMI0004.0023
If this value is put into equation (3), the effectiveness of the electrode gap for an axially running electron (x = o) is 0.42. In contrast, the effectiveness is 0.69 for an electron which is removed from the axis by <I> 0.7 a (x = 0.7) </I>.
The relationship between these sizes
EMI0004.0028
shows the difference in the effectiveness of the electrode system on the two radially separated electrons. The overall effectiveness of the energy conversion system results from the fact that this factor is squared, since it must be taken into account that there are both entry and exit spaces. Consequently, the influence of the axially extending electron is only '/, that of the electron which is 0.7 a away from the axis; is.
The influence of the electric fields is practically inversely proportional to the distance of the electrons from the border of the beam BEZW. from the inner surfaces of the electrodes.
One might think that the disadvantages resulting from the above can be reduced by increasing the total current in the jet. However, this is not desirable since no energy then has to be expended in order to generate the stronger electron flow. A better cooperation between the electron flow and the electrodes is therefore obtained if the electron density in the flow at the outer limits is significantly greater than in the axis.
To achieve this goal, a special beam generation system is used which supplies an electron beam with an annular cross section. It is therefore a matter of bringing as large a part of the current as possible close to the electrodes that cause the modulation.
FIG. 6 shows an exemplary embodiment of a cathode which is particularly suitable for this purpose. The cathode consists of a conductive disk 50, which is provided on the side facing the anode with an annular emission layer 51, which consists, for example, of alkaline earth oxide or the like. The disc is heated by a heating wire 52, wel cher is also appropriately ring-shaped. The electrons emitted from the cathode are focused by the ring-shaped electrode 53 and the disk 54. The electrodes 53 and 54 are at the same potential as the emitting upper surface and therefore prevent the electron flow from scattering.
In order to obtain the ring-shaped character of the electron flow, magnetic coils 28, as shown in FIG. 1, are attached around the discharge vessel.
Another system for generating an annular beam is shown in FIG. 7 Darge. The electrode system used to generate a ring-shaped electron beam consists of a cathode 55 arranged in the axis of the discharge vessel, which is to be given by a concave mirror 60, which is preferably at cathode potential. In front of the concave mirror is the electron-permeable anode 63, which is formed in the form of a network in the embodiment. In addition, suitably shaped shields 58 and 59 are provided in order to keep the electrons well focused. A plate 61 at cathode potential is attached to the end face of the cathode facing the anode.
The interaction of the fields between the mirror 60, plate 61 and anode 63 gives the electron beam a circular cross-section. The arrangement shown offers particular advantages for arrangements in which a conventional control grid is available and the controlling ultra-short wave voltage is between the cathode and control grid. In order to achieve an extremely high-resistance input, the grid must be brought as close as possible to the cathode in order to avoid electron transit time effects. This is possible in a very simple manner in the arrangement shown, in which the cylindrical cathode 55 is surrounded by a control grid 56.
Furthermore, a positive screen grid 57 is expediently attached. In the arrangement shown, the electrons are accelerated out of the cylindrical cathode after they have been modulated by the control grid.
When using a system for generating a ring-shaped electron beam in cross-section, one can go a step further if the feedback when using the tube as a vibration generator is made by an electron beam. It is already known for ultra-short wave tubes with speed modulation to connect the modulator with the decoupler to achieve a feedback through a coaxial pipe. This arrangement has the disadvantage that the modulator and the decoupler must be precisely matched.
Furthermore, the feedback line has an unfavorable effect on the quality of the resonators. By using a feedback electron beam, a special feedback line is avoided. When using a system for generating a ring-shaped electron beam, the feedback beam can run within the working beam.
For this purpose, a collecting electrode is provided in front of the beam generating system, which is connected to the control grid, so that the returning beam, modulated by the excited resonator, feeds back a voltage from the frequency of the cavity to the input. In the arrangement of FIG. 7, a collecting electrode 62 is provided for this purpose, which is conductively connected to the control grid 56. The control grid is connected to the cathode via a high resistance