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Trägheitsloser Umformer mit Speieherwirkung, insbesondere für Nachrichtenübertragung.
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gebiet beschränkt zu sein. Der Umformer beruht auf der Schaltbewegung eines oder mehrerer unabhängiger masseloser Kathodenstrahlenim luftleeren Raum, u. zw. so, dass die Strahlelektronen in zeitlich konstanter oder veränderlich gesteuerter Menge nacheinander auf eine Reihe isolierter, kapazitätsbehafteter Leiter auftreffen, die dabei proportional dem Primärelektroneneinfall Sekundärelektronen abgeben, sich entsprechend aufladen und so dank ihrer gleichförmigen Kapazität gegenüber einer Sammelfläche auch eine Speicherung der eventuellen Modulation des Kathodenstrahls als kurvengetreue Potentialverteilung gestatten.
Bei dem bekannten Ikonoskop, das zur Fernsehbildabtastung dient, wird das zu übertragende Bild als Ganzes optisch auf eine Rasterfläche entworfen, die aus sehr kleinen photoelektrisch empfindlichen, sekundäremissionsfähigen Einzelkondensatoren besteht. Die auf diesen gespeicherten, vom Lichte herrührenden Aufladungen werden periodisch durch einen abtastenden Kathodenstrahl mittels Sekundäremission ausgewertet. Die Rasterfläche des Ikonoskops ist also ein Umformer von Lichtwirkungen in Stromwirkungen. Dagegen handelt es sich bei der Erfindung um einen rein elektrostatischen Speicher, dessen Organe nicht vom Licht beeinflusst werden, sondern lediglich elektrische Wirkungen übertragen und verändern.
Die Grundlage der Erfindung werde durch Folgendes veranschaulicht : Auf die Vorderseite einer dünnen isolierenden Schicht von Glas oder Glimmer sind kleine, voneinander isolierte Silberflächen aufgebracht, während die Rückseite als Sammelkapazität durcrgehend versilbert ist. Die einzelnen Silberzellen sind im Vakuum der Kathodenstrahlröhre durch Bedampfen mit Barium oder Cäsium in bekannter Weise sekundäremissionsfähig gemacht worden. Der sie bestreichende Kathodenstrahl entstammt in üblicher Weise einer Glühkathode, der gegenüber eine Steuerelektiode und eine oder mehrere Anoden (Elektronenoptik) angeordnet sind. Die Sammelbelegung des Zellenkondensators liege etwa auf Anodenpotential.
Lässt man nun den durch ein elektrisches oder magnetisches Feld abgelenkten Kathodenstrahl über die Reihe der Einzelzellen hinwegstreiehen, während seine Stärke gleichzeitig mit Hilfe der Steuerelektrode von dem zu übertragenden Signal moduliert wird, so muss eine Aufladung der Zellen stattfinden. Bei richtig gewählten Potentialen erfolgt diese Aufladung, vom Anfangspotential aus gerechnet, infolge der Sekundäremission ; > l nach positiver Richtung hin. Die der Modulation des
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Zeit kurvengetreu erhalten. Wird dann ein Kathodenstrahl erneut über die Reihe dieser Zellen hinweggeführt, u. zw. mit konstanter Intensität, wobei, je nach dem angestrebten Zwecke, die Richtung oder die Schnelligkeit der Strahlbewegung geändert werden kann, so wird wiederum der Sekundäremissionseffekt im Takte der aufgespeicherten Modulation verändert.
Bei dieser zweiten Abtastung wird die daher ursprüngliche Modulationskurve nach Belieben in gleicher oder umgekehrter Reihenfolge und mit vergrösserter, gleichbleibender oder verkleinerter Geschwindigkeit unter Nivellierung des Potentials wieder abgenommen. Man hat also ein bequemes Mittel zur Frequenzumformung periodischer, modulierter oder unmodulierter Ströme, zur Umkehrung des zeitlichen Modulationsverlaufs (Geheimhaltung bei Telephonie), ferner zur beliebigen Zeichenspeicherung bei Wiederholungstelegraphie in der Hand.
Da man weiterhin solche Umformungsröhren parallelschalten, mithin die ankommende Modulation gleichzeitig
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mehreren Speichern aufdrücken und diese nacheinander abtasten kann, so besteht bei Bildübertragung und Fernsehen die Möglichkeit, eine gegebene sekundliche Bildfolge willkürlich zu ändern, was für die Verringerung der Frequenzbandbreite in bestimmten Übertragungskanälen wichtig ist. Schliesslich lässt sich der Erfindungsgegenstand noch so ausbilden, dass die von dem aufzeichnenden Kathodenstrahl gespeicherte Modulation bei der Wiederabnahme gleichzeitig von mehreren unabhängigen Kathodenstrahlen gruppenweise ausgewertet wird. So kann eine Einkanalübertragung auf'eine Anzahl parallel wirksamer Empfangsorgane und-kanäle aufgeteilt werden oder. umgekehrt. Dies ist z.
B. bedeutungsvoll für die Erzielung grosser und dabei heller Empfangsbilder, wofür wegen der erhöhten optischen Apertur die gleichzeitige Steuerung und Darstellung mehrerer Bildpunkte der gegebene Ausweg aus den Schwierigkeiten des Lichtstärkeproblems ist. Diese Möglichkeit, die Einkanalübertragung auf beliebig viele parallele Kanäle entsprechend geringeren Frequenzumfanges aufzuspalten, sowie der umgekehrte Fall sind ausserdem noch wichtig für die Fortleitung von Fernsehsignalen über Draht, wobei man mitunter auf die Einschaltung von Adern mit beschränkter Frequenzdurchlässigkeit angewiesen ist.
Zur Ausführung der für die Erfindung verwendeten Kathodenstrahlröhren dienen die Mittel der Hoehvakuumtechnik, der Elektronenoptik und der Glühkathodenherstelll1ng, wie wir sie in den modernen Braunschen Röhren zur Darstellung von Fernsehbildern, im Ikonoskop, im Elektronenmikroskop usw. vereinigt finden. Die Röhren müssen mit hoher Luftleere arbeiten, da nur hiebei die Sekundäremission und die Speicherung ungestört vor sich gehen. Zur Bewegung des oder der Kathodenstrahlen dienen periodische, elektrostatische oder magnetische Felder, die durch Spannungen oder Ströme von der gewünschen Kurvenform hervorgebracht werden. Rotationsbewegungen der Kathodenstrahlen erzeugt man durch gekreuzte Felder, die mit phasenverschobenen Strömen gespeist werden.
Fig. l veranschaulicht die physikalische Grundlage für den Aufbau eines zeilenförmigen Elektrodensystems zur Speicherung der vom abtastenden Kathodenstrahl durch Sekundäremission hervorgebrachten Aufladung. Der Metallstreifen 1 enthält eine Reihe von Durchbrechungen, die unter Zwischenschaltung des Dielektrikums 3 mit dem sekundäremissionsfähigen Stoff 2 angefüllt sind. Auf diese Weise ergibt sich eine Reihe von kleinen Einzelkondensatoren, deren isolierte Belegungen 2 von der gemeinsamen Gegenbelegung 1 dielektrisch getrennt sind.
Streicht der Kathodenstrahl mit konstanter oder zeitlich variabler Intensität über die Stirnflächen der Zellenreihe 2 entlang, wobei dafür gesorgt sein muss, dass 1 gegen das Auftreffen der Strahlelektronen geschützt ist, so bringt er konstante oder variable Potentialdifferenzen dieser Zellen gegenüber der gemeinsamen Elektrode 1 hervor. Diese Aufladungen können durch eine zweite Elektronenstrahlabtastung, wie weiter vorn beschrieben, ausgewertet werden ; der zweite Strahl kann auch von der Rückseite des Systems 1 her wirken.
Die gewählte zeichnerische Darstellung gemäss Fig. 1 dient nur zur physikalischen Veranschaulichung des Prinzips, während die wirkliche Ausführung in der Regel anders erfolgt, u. zw. vorzugsweise, indem man Streifen aus Isoliermaterial auf der einen Seite durchgehend, auf der andern Seite in Form kleiner getrennter Einzelflächen metallisiert und letztere anschliessend sekundäremissionsfähig macht.
Fig. 2 und 3 veranschaulichen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung für den Zweck der Geheimhaltung von Sprache in Telephoniekanälen. Die benutzte Doppel-Kathodenstrahlumformerröhre ist mit Rdargestellt. Ein Speichersysteml, welches deminFig. 1 entspricht, istin der Mitte von Rangebracht.
Durch Abschirmung ist dafür gesorgt, dass Sekundärelektronen, die ein Kathodenstrahl auslöst, nur nach derjenigen Anode hin abgesaugt werden können, welche auf der Auftreffseite der Primärelektronen liegt.
Die beiden durch einen leitenden Wandüberzug gebildeten Strahlanoden sind mit 4 und 4'bezeichnet. Zur Erzeugung der durch gestrichelte Pfeile angedeuteten Kathodenstrahlen 20 und 21 dienen ferner Elektrodensysteme bekannter Art, bestehend aus den Voranoden 5, 5', den Modulationselektroden 6,6' und den Glühkathode 7, y, die man zweckmässig mit indirekter Heizung ausführt. Zur Zuführung der Betriebsgleichspannungen von dient beispielsweise ein Potentiometer 8, an welchem die verschiedenen Potentiale über Widerstände 9, 10, 11, 12 abgegriffen sind. Die gemeinsame Belegung von 1 sei geerdet, ebenso ein passender Punkt des Potentiometers. Die nähere Ausführung des Systems 1 zeigt Fig. 3.
Es besteht aus zwei elliptisch oder kreisförmig gekrümmten Hälften 1', 1", die mit den kurzen isolierten Zwischenstücken 22,23 zusammengehalten werden. Die geschlossenen Ellipsenbahnenlängs 1', 1" sollen von den beiden Kathodenstrahlen 20 und 21 in bestimmter Phase gegenläufig abgetastet werden, um die später erklärte Wirkung hervorzubringen.
Zur Steuerung dieser Bewegung dienen gekreuzte Magnetfelder, gebildet aus den in Fig. 2 schematisch angedeuteten Spulen 18, 18'und 19, 19'. Beiden Paaren werden von den abhängigen Generatoren 16 und 17 sinusförmige Ströme gleicher Frequenz, aber verschiedener Amplitude in solcher Phase zugeführt, dass die Elektronenstrahlen 20, 21 sich im Sinne der Pfeile der Fig. 3 entgegenlaufen und jeweils an den neutralen Punkten 22 und und 23 einander treffen bzw. überkreuzen.
Während der Umlaufbewegung werde : 21 von dem Mikrophon 14 aus über den Verstärker 15 dadurch in seiner Strahlstromstärke moduliert, dass an den Klemmen des Widerstandes 13. der Sprache entsprechend Spannungsänderungen entstehen, die sich dem Potential der Steuerelektrode 6'überlagern.
Die elliptische Bewegung des sprachmodulierten Strahls ist in Fig. 3 durch die Pfeile Z angedeutet. Bei diesem periodischen Umlauf wird nun die Strahlmodulation auf den einzelnen Zellen 2 (Fig. l) in Form
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örtlich schwankender Aufladepotentiale fortlaufend gespeichert. Gleichzeitig aber erfolgt durch den gegenläufigen Kathodenstrahl 20 von der Rückseite her fortlaufend auch eine zeitverkehrte, restlose Wiederabnahme der aufgezeichneten Modulation, indem sich 20 gemäss Fig. 3 längs 1', 1" im Sinne des Pfeiles A mit gleicher Umlauffrequenz wie 21 bewegt.
Die zeitlichen Variationen, die hiebei der auf der Anode 4 landende Elektronenstrom erfährt, bringen an den Klemmen des Widerstandes 11 Spannungs- änderungen hervor, die der umgekehrten, d. h. unverständlich gemachten Sprachmodulation entsprechen und nach gehöriger Verstärkung für die geheime Übertragung Verwendung finden.
Dass auf diese Weise eine fortlaufende lückenlose Übersetzung der Sprache stattfindet, ist an Hand von Fig. 3 leicht einzusehen. Angenommen, die beiden Strahlen 20 und 21 ständen in einem gegebenen Zeitpunkt bei 22, so würde von da ab 21 die obere Hälfte der elliptischen Bahn im Sinne des Pfeiles Z zurücklegen und sich nach der halben Umlaufsdauer an der neutralen Stelle 23 wiederum mit 20 überkreuzen. Auf der oberen Strecke 22 bis 23, die zuvor durch den entgegenkommenden abnehmenden Strahl 20 mittels der Sekundäremission auf Ruhepotential eingestellt worden war, erfolgt während der betrachteten Zeit die kurvengetreue Aufzeichnung der Sprachmodulation.
Der nunmehr längs der unteren Bahn in 2. 3 angelangte Strahl 20 tastet anschliessend auf der oberen Hälfte die aufgetragene Modulation in umgekehrter Folge ab, während gleichzeitig Strahl 21 auf der unteren Hälfte von 23 nach 22 eilt und dabei die Fortsetzung der Modulation aufschreibt, wofür diese Strecke soeben durch den gegenläufigen Strahl 20 auf Ruhepotential gebracht wurde. Indem dieses Spiel sich fortgesetzt wiederholt, findet eine praktisch ununterbrochene Umkehrung der Sprachmodulation statt. Die kurzen Lücken bei 22 und 23 schaden nichts, falls die Wege dazwischen relativ lang sind. Auch kann man zusätzliche Mittel anwenden, um die Strahlen 20, 21 über die neutralen Zonen 22, 23 so schnell hinwegspringen zu lassen, dass nur überakustische Unterbrechungsfrequenzen entstehen (superponierte Hilfsströme).
Sieht man an der Empfangsstelle eine gleiche Einrichtung wie in Fig. 1 und 3 vor, so kann man mit dieser die ankommende vertauscht Modulation wieder in die ursprüngliche Form zurückverwandeln.
Die Wirkungsweise einer solchen Rückvertauschungseinrichtung ist nach dem vorher Gesagten ohne weiteres verständlich.
Die in Fig. 3 dargestellte Speicheranordnung ist lediglich als ein vereinfachtes Ausführungsbeispiel zu betrachten. In der Praxis wird man gewöhnlich nicht mit so kurzen Speicherwegen arbeiten, sondern durch Ausbildung von längeren Speicherwegen oder Speicherflächen, die eine grössere Länge der Modulation aufnehmen können, dafür sorgen, dass die Unterbrechungsfrequenz, die dem Überkreuzen der Punkte 22 und 23 in Fig. 3 entspricht, möglichst niedrig gemacht wird. Die Grenze ist dafür natürlich durch die zulässige Verzögerung der vertauschen Modulation gegenüber der ursprünglichen bestimmt.
Wie bereits erwähnt, eignen sich Einrichtungen dieser Art mit zweckentsprechend ausgebildeten Speichersystemen auch zur Durchführung von Telegraphieverfahren, bei denen das gleiche Buchstabenzeichen zwecks Unschädlichmachung von Störungen oder Zeichenausfällen mehrere Male mit bestimmten Zeitabständen wiederholt und zur Auswertung im Empfänger gespeichert wird (Verdan-Verfahren, Siemens-Verdan-Verfahren usw. ). Für die Nutzbarmachung dieses Prinzips waren bisher makroskopisch, mechanische oder elektrostatische Speicher erforderlich.
Die Erfindung gestattet die Lösung der gleichen Aufgabe in vereinfachter Form mit Hilfe der mikroskopischen Ladungsspeicher, die eine hohe Zahl von Zeichen aufzunehmen vermögen und dadurch eine weitergehende Variation in bezug auf den Zeichenumfang der Wiederholungsperiode und auf die Geschwindigkeit der Übertragung erlauben.
Von besonderer Bedeutung ist das beschriebene Prinzip für die Umformung von Fernsehsignalen zu den weiter vorn erläuterten Zwecken. Schematisch ist der Grundgedanke einer solchen Umformung in Fig. 4 veranschaulicht. Es handelt sieh hier um die Aufteilung einer normalen Fernseheinkanalübertragung auf drei gleichzeitig arbeitende Kanäle, etwa zur Steuerung von drei unabhängigen Lichtpunkten im Empfangsbild. Die ankommende Modulation entspricht daher der üblichen Abtastung, bei der jeweils nur ein einziger Punkt des Bildes übertragen wird. In der Röhre R sind zwei Gruppen von je drei, zusammen sechs streifenförmigen Speichern, angedeutet durch 1"', untergebracht. Längs jedes Streifens ist eine ausreichende Zahl mikroskopischer Kondensatorzellen vorhanden, um jeweils eine volle Zeile der ankommenden Einkanalmodulation bildgetreu aufzuzeichnen.
Die sechs Sammelbelegungen (entsprechend Teil 1 in Fig. 1) sind durch Kapazitäten 28 hochfrequenzmässig miteinander verbunden, so dass sie für die hochfrequente Modulation der Einkanalübertragung (Trägerschwingung) eine gemeinsame Belegung darstellen. Für die abgenommene, in der Frequenz herunterübersetzte Modulation sind 2 x 3 = 6 Einzelleitungen 29 vorgesehen. Die Einkanalmodulation wird durch den vom ankommenden Fernseh-
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nehmenden Strahlen 25, 26,27 mit dreifach verringerter Geschwindigkeit undrichtiger Phasenverschiebung parallel zueinander in zyklischem Wechsel die obere und die untere Streifengruppe.
Ihre zeitliche Versetzung ist gegenüber dem Strahl 24 so gewählt, dass die Abtastbewegung am Bildrande immer erst beginnt, nachdem das ganze in einer Zeilenperiode zu durchmessende Feld vom aufzeichnenden Strahl 24 voll beschrieben ist. Die gleichmässige räumliche Steuerung der drei Strahlen 25,26, 27 erfolgt durch Kippschwingungen, die zu denen, die den Strahl 24 ablenken, in rationaler Frequenzbeziehung stehen. Auf diese Weise ist eine völlig kontinuierliche, restlose Überführung der Einkanalmodulation in die als Beispiel gewählte Dreikanalmodulation und praktisch die Aufteilung sogar auf sehr viele Kanäle mit einfachen Mitteln möglich.
Um die gleichzeitig wirksamen Lichtpunkt, die in dem gedachten Falle das Empfangsbild erzeugen, unabhängig voneinander in ihrer Helligkeit zusteuern, müssen naturlichin die Ableitungen 29 der isolierten 2 x 3 Sammelbelegungen des Systems 1'" getrennte Widerstände eingeschaltet sein, die als Eingangsimpedanzen der drei nachfolgenden Bildverstärker wirken. Je zwei davon, entsprechend gleichen Streifen der oberen und der unteren Dreiergruppe, sind dem gleichen Verstärker zugeordnet.
Die Spannungsabfälle dieser drei Paare konjugierter Widerstände können entweder alternierend in abgeglichenem Masse auf getrennte Steuergitter der gleichen Eingangsröhre (exode) wirken oder sie können über im Gegentakt gesteuerte Vorröhren abwechselnd auf einen einzigen Eingangswiderstand für jeden der drei Bildverstärker zur Wirkung gebracht werden.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Trägheitsloser Elektronenstrahlumformer, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Kathodenstrahlröhre, die Einrichtungen zur Erzeugung, Intensitätssteuerung und periodischen Bewegung eines oder mehrerer unabhängiger Elektronenbündel besitzt, im Wege der letzteren eine Vielheit von gegeneinander isolierten Auffangelektroden vorgesehen ist, die im Zusammenwirken mit einer oder mehreren dielektrisch davon getrennten Sammelbelegungen zeitliche Intensitätsänderungen eines darüber hinweggeführten Kathodenstrahls in Form örtlich schwankender Potentiale aufspeichern und bei anschliessender Abtastung dieses Ladungsbildes durch einen konstanten Kathodenstrahl die registrierten gespeicherten
Schwankungen in einem Nutzstromkreise in beliebiger zeitlicher Umformung wiedergeben.