Способ генерирования электрических колебаний Советский патент 1938 года по МПК H03B11/08 

Изобретение касается способа генерирования электрических колебаний с помощью ионной лампы, в которой, путем соответствующего подбора области ионизации у анода, получают совпадение фаз у ионного тока, приходящего на катод, и электронного тока, исходящего из катода.

Фиг. 1 и 2 прилагаемого чертежа поясняют теоретические выкладки, на фиг. 3 показана схема усилителя на ионной лампе, на фиг. 4 - схема генератора.

Исследуя влияние вакуума в трубках для генерации колебаний Баркгаузена и Курда, автор нащел, что изменение вакуума трубки сильно влияет на интенсивность колебаний (это было замечено целым рядом исследователей, давших различные объяснения этому явлению). При плавном изменении вакуума был обнаружен максимум интенсивности колебаний при вакууме, равном 10 мм Hg. При дальнейшем повышении вакуума интенсивность генерируемых колебаний резко падала. Анализ этого явления показывает, что переменный синусоидальный электронный поток, текущий при генерации колебаний от

катода через сетку к аноду, вызывает в любом слое пространства катодсетка образование ионов в количестве, изменяющемся синусоидально во времени. Фаза ионного тока на катод, образованного ионами любого слоя, определяется расстоянием слоя от катода. Так как масса иона значительно больше массы электрона, то время движения большинства ионов будет значительно больше периода генерирующих колебаний (последний определяется, как известно, временем двойного пролета электрона в трубке). Поэтому на катод ионные токи из различных слоев пространства катод-сетка придут с разными фазами и, в зависимости от фазы, будут складываться или вычитаться. В результате сумма ионных токов всего пространства катод-сетка даст на катод постоянный и переменный потоки. Последний по частоте совпадает с выходящим из катода электронным потоком и отстает по фазе на некоторый угол. Наличие ионного тока вызывает дополнительную переменную эмиссию катода, которая складывается с основным электронным потоком и усиливает его. Это усиление переменного электронного потока трубки может быть рассмотрено, как своеобразная „ионная обратная связь, приводящая к усилению и даже возникновению колебаний при наличии некоторого количества газа в трубке.

Отсюда ясно, что вакуум должен оказывать существенное влияние на интенсивность колебаний, генерируемых трубкой.

Очевидно, если взять трубку, в которой ионизация происходит переменным электронным потоком в некотором слое, в котором время движения ионов подобрано так, чтобы разность фаз у ионных токов различных мест слоя была не больше полупериода колебаний, то можно получить более эффективное усиление электронного потока, чем при генерации колебаний Баркгаузена и Курца.

Для ограничения ионизации в трубке могут быть предложены различные методы, например: 1) помещение сетки между катодом и анодом трубки с определенным потенциалом, 2) создание различноге давления газа в .разных частях трубки, 3) увеличение пролетов электрона магнитным полем.

Рассмотрим процессы, происходящие в этих условиях.

Пусть в ионной трубке ионизация имеет место у анода а в слое толщиною Z,, ограниченном плоскостью Аи. .проходящей на расстоянии М от катода f (фиг. 1).

Найдем -выражение ионного тока на «атод при прохождении электронного

. того, чтобы вычислить ионный ток всего ионизируемого пространства, сделаем ряд упрощений.

Так как время движения электронов очень мало по сравнению с временем движения ионов, то при анализе явлений в такой трубке мы можем пренебречь временем, пролета электронов т, что, как мы увидим ниже, даст нам возможность весьма просто проследить основные закономерности явлений ионной обратной Связи. Предположим еще, что проСтранственными зарядами .можно пре-, иебречь и, рассматривая трубку с

переменного тока вида / (1-создав). При этом поставим условием, что ионно-электронная плазма не образуется. Выделим в пространстве между плоскостью АВ н анодом а слой газа толщиной dx на расстоянии х от катода и определим ионный ток из этого слоя на катод/. Число столкновений в слое dx одного электрона с молекулами газа, как это следует из кинетической теории газов, равно:

Z 71,02 ndx ..... (1)

где 71 3,14, р - радиус газовой молекулы, п - число молекул в 1 см газа. Количество ионов будет зависеть от вероятности ионизации W. Если известна скорость электрона в слое dx, то вероятность ионизации в этом слое W, может быть найдена по экспериментальным кривым, показывающим зависимость вероятности ионизации от скорости электронов.

Так как мгновенное значение числа пронизываний слоя dx электронами

равно - (1 - cos ш ), где е -заряд

электрона, то мгновенное значение числа образующихся в слое ионов будет равно:

1-со8а(г -т) dx

где т - время движения электронов от катода до слоя dx. Если L.- заряд иона, а & - время движения ионов от слоя dx до катода /, то ионный ток из слоя на катод будет:

(2)

-9) dx

С05Ы(плоскими электродами, можно считать распределение электрического поля линейным.

Для общности предположим градиент потенциала на длине М отличным от градиента на длине L. Если точке, находящейся на расстоянии М от катода, соответствует потенциал и, то время движения иона от этой точки до катода равно

.л

У -ь-()

-

т,- М

Время движения иона отточки, находящейся на расстоянии х от плоскости АВ, до этой плоскости равно:

./.(4)

2

и,. - и„

где

Злесъ е. и т. -заряд, и масса иона, и - напряжение анода лампы.

Допустим далее, что можно пренебречь потоком вторичных электронов,

JAB 0 Р« -f- / 1 - С05 ( - &,) dx

делая замену rfx &2&2l &2 на основании соотношения (4) и обозначая

2 о Р , 1-ле ч Рдавление газа в области ионизации, имеем:

dj аР/ 1 - cos 0) (t - у %,db.2. . (6) у Приравниваем A cos at -}- В smot Ccos(cuZ - -f) и получаем и tgcp -j. Наш подсчет может быть иллюстрирован кривой, изображенной на фиг. 2. Как видно из кривой, наибольшее

С 1/л2 + В2 у 4-2/2-1-2-2 (2-/sin 2г/+cos 2-0

значения величины С в формулу (10), получаем

4-2 - 2 (2TC/+COS 2::/) 4

2тг/ sin 2-/ + cos 2т7/ - 2-Ч -f 27Г-/- + 1.

Графики правой и левой части, части равенства (2) показывают, что это равенство приблизительно сохраняется при условии

образующихся при ионизации, а также можно пренебречь ионизацией, производимой этими вторичными электронами, и ионизацией, производимой ионами. Наконец, заменим переменную величину W, некоторой средней величиной вероятности ионизации W, соответствующей диапазону скоростей электронов в нашей области АВ.

На основании сказанного выше выражение для ионного тока слоя dx, проходящего через плоскость АВ, может быть представлено так:

(5)

Нодсчитаем ионный ток через плоскость АВ из всего пространства между плоскостью и анодом. Для этого возьмем интеграл от выражения (6) по д-з в пределах от

2/.2

-V- /Г,где Т -; тогда

до &2 /

(11)

/ - / - .

-

Величина угла ср, соответствующая этому максимальному использованию ионного тока, равна: aP/J l - cos ш (t - &,) аР/ - (Л cos м sin со ) | . . (7) Л j &jcosco&arfa (27:bin2-/ + cos27r/-l)(8) 5 j sinoi&ofi &2 -|(sin2-/-2-K;/cos2T7/)(9) использование ионного тока будет при наличии соотношения (10) В этом случае ионный ток участвует в создании переменной эмиссии. Определим условия, которые необходимы для существования равенства (10). Величина

sin 2::/, -24 COS 27:/,

Igffo 2л/„ sin 2г/„ 4- cos 27:/„ - 1

Итак, ионныйток, проходящий сквозь плоскостьАВ при 1 1, будет выражатьсяследующей формулой:

/лв Y Р/Р/, -cos ( п)..(13)

Для того, чтобы этот ионный ток попадал на катод, усилив основной электронный ток лампы / (1 - cosco), необходимо совпадение по фазе ионного и электронного тока. Если подобрать расстояние между катодом

или f/. () i r fi-ib

1 «

L -((), откуда окончательно получаем: . .(15) ( Выражение (15) определяет нам условия, при которых возможна ионная Связь. Если на участках М и L градиент потенциала одинаков, то выражение упрощается и принимает вид // -Lо /W, 2 (-) В качестве примерных схем включения трубки, как усилителя и генератора колебаний, рассмотрим следующие две схемы. На фиг. 3 изображена схема усилителя с ионной лампой. Она состоит из входного трансформатора Тр, контура, составленного емкостью С и самоиндукцией L вторичной обмотки трансформатора н ионной лампы V. Зажимы с, d являются входными зажимами усилителя. Зажимы т, п служат для питания ионной лампы постоянным током, источник которого защищен индуктивностями Dp от переменного тока. Ионная лампа включена по отнощению к контуру LC последовательно, что необходимо для целесообразного использования лампы, обладающей малым сопротивлеи сеткой так, чтобы , Т-- , то

мы получим нужное совпадение фаз и ионный ток на катод будет равен:

J l-aPIT4; (1-cos 0)0 . (14)

Так как Ь, -j/ и &g j/ /,Г, то

тМ. ).

/-Hf.n |:;- c нием и усиливающей не напряжение на ее зажимах, а переменный ток,, проходящий через лампу. Для получения усиления в описанной схеме необходимо настроить контур /.С на усиливаемую частоту и подобрать режим лампы на основании вышеприведенного расчета. Так как при работе лампы амплитуда переменного тока приблизительно равна по величине постоянному току, подведенному к лампе (ток лампы меняется только по величине, а не по направлению), то постоянный ток будет влиять на усиление схемы. Меняя силу постоянного тока через лампу, можно менять усиление схемы. На фиг. 4 изображена примерная схема генератора с ионной лампой. В схеме к зажимам т, п подводится постоянное переменное напряжение. С зажимов а, b снимается генерируемое переменное напряжение. Лампа V в этой схеме так же, как и раньше в усилителе, включена последовательно с колебательным контуром. Для получения генерации, однако, недостаточно подобрать режим лампы по приведенному ранее расчету, необходимо еще, чтобы усиление возникающих колебаний было достаточно велико для компенсации затухания контура, что будет зависеть от величины

давления Р газа в лампе. При самовозбуждении колебаний, изменяя силу постоянного тока, питающего трубку, можно регулировать мощность генератора.

Предмет изобретения.

Способ генерирования электрических колебаний при помощи ионной лампы, в которой область ионизации ограничена пространством у анода.

I /sin 2-/„ - 2-/, cos 2г/„ у

а , (2 - - arc tg 2./ sin 2./„ c-oI:b/ -i:i j

отличающийся тем, что с той целью,

чтобы приходящий к катоду ионный ток был в фазе с исходящим из катода электронным током, область ионизации выбирают так, чтобы время пролета ионов на пуги L через эту область было равно IT, а расстояние М от начала области иониaLзации до катода равнялось /, где

, Т--период колебаний и