Verfahren zur Stabilisierung der Frequenz eines Mikrowellen-Generators mittels des Resonanz-Absorptionsvermögens eines Mikrowellen absorbierenden Gases und Einrichtung zur Ausübung dieses Verfahrens. Bei niedrigen Drucken enthält das Mikro wellenspektrum gewisser Gase, beispielsweise Ammoniak, Carboxysulfid und Methylamin, charakteristische Absorptionslinien, welche auf die Eil-enschaft der Molekularresonanz zurück zuführen sind.
Setzt man das Gas einem Felde aus, welches man zum Beispiel durch An legen einer Spannung zwischen der Gaszellen wand und einer in der Zelle isoliert befestig ten Elektrode erhält, so tritt eine Verschie bung der 3lolekularresonanzlinie ein, wobei gegebenenfalls ausserdem neue Resonanzlinien auftreten können (Stark-Effekt).
Die Erfindung bezieht sich auf ein Ver fahren zur Stabilisierung der Frequenz eines Mikrowellen-Generators mittels des Resonanz- Absorptionsvermögens eines Mikrowellen ab sorbierenden 0ases, wobei die zu stabilisieren den Schwin,#ungen dem Gas zwecks moleku larer Resonanz Absorption zugeführt werden und die von der Molekular-Resonanzabsorp- tion herrührende regelnde Wirkung auf den Generator übertragen wird.
Bei bekannten Verfahren dieser Art kann man den Genera tor nicht auf eine innerhalb eines gewissen Bereiches beliebig wählbare Frequenz stabili sieren, sondern nur auf diskrete Frequenzen, und zwar entweder auf eine der Molekular- Resonanzfrequenzen selbst oder auf eine in bestimmter Weise davon abhängige Frequenz. Die Erfindung bezweckt, diesen Nachteil zu vermeiden. Das erfindungsgemässe Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass das Gas einem Feld ausgesetzt wird, um die Frequenz seiner Molekularresonanz zu verschieben. Das Feld muss nicht notwendigerweise ein elektrisches Feld sein, da ein magnetisches Feld eine analoge Wirkung auf die Absorptionslinien hat (Zeeman-Effekt).
Die Erfindung betrifft auch eine Einruch- , tung zur Ausübung des obigen Verfahrens. Diese Einrichtung eist mindestens eine Zelle auf, die ein Gas enthält, dessen Molekular resonanz innerhalb des Betriebsfrequenzberei ches des Generators liegt, und Mittel, um die , Ausgangsenergie des Generators dieser Zelle zuzuführen, und kennzeichnet sich durch Mittel, um die Molekular-Resonanzfrequenz des Gases der Gaszelle mittels eines Feldes zu ver schieben, sowie durch Mittel zur Stabilisierung der Generatorfrequenz mittels der verscho benen Molekularresonanz des Gases.
Zur Erläuterung der Erfindung und ihrer verschiedenen Ausführungsmöglichkeiten die nen die beigelegten Zeichnungen.
Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines stabilisierten Mikrowellenoszillators mit einer einzigen Gaszelle.
Fig. 2 ist eine Tabelle, in der die Moleku- lar-Resonanzfrequenzen verschiedener Gase dargestellt sind, und zwar innerhalb eines Teils des Mikrowellen-Spektrums. Auf der Abszisse sind die Frequenzen in Kilomega hertz aufgetragen.
Fig. 3 zeigt eine ähnliche Einrichtung wie in Fig. 1 unter Verwendung einer andern Mikrowellen-Oszillatorröhre.
Fig. 4 ist eine schematische Darstellung einer stabilisierten Mikrowellen-Oszillator- schaltung unter Verwendung von zwei Gas zellen.
Fig. 5 ist eine Darstellung zur Erläute rung der Einrichtung nach Fig. 4.
Fig. 6 zeigt das Schema einer andern sta bilisierten Mikrowellen-Oszillatoreinrichtung, wobei zwei Gaszellen verwendet werden.
Fig. 7 stellt eine zeichnerische Erläuterung der Einrichtung nach Fig.6 dar.
Fig.8 und 9 sind schematische Darstel lungen von andern Ausführungsformen von stabilisierten Mikrowellen - Oszillatoreinrich- tungen.
In allen zeichnerischen Darstellungen die nen gleiche Ziffern dazu, die gleichen oder ähnlichen Elemente der dargestellten Einrich tungen zu bezeichnen.
Als Mittel zur Stabilisierung einer Fre quenz sind eine Anzahl von Gasen bekannt, wie NH3, COS, CH30H, CH3NH. und S02, welche im Mikrowellenbereich des Frequenz- Spektrums selektive Absorption aufweisen. Aus den Messungen der Resonanzfrequenz solcher Gase ist bekannt, dass die Grösse des Absorptionskoeffizienten weitgehend unabhän gig vom Gasdruck ist, dass aber die Breite der Absorptionslinie bei Verringerung des Druckes im wesentlichen linear abnimmt.
Zum Beispiel ist der Resonanzfaktor Q einer Am moniaklinie, die bei einer Wellenlänge von etwa 1,25 cm (24 000 MHz) auftritt, annä hernd 10 bei 1/1o Atm. Druck und beträgt. 100 bei 1/10O Atm. Wird der Druck weiter und weiter verringert, bis in die Grössen anordnung von Millimetern, so zerfällt die Absorptionslinie im Falle von Ammoniak in eine Vielzahl von scharf voneinander getrenn ten Teillinien, von denen jede einer besonderen Frequenz entspricht. Die wenigen in Fig.2 dargestellten Gassorten besitzen schon eine stattliche Anzahl von Linien im Gebiet zwi- sehen 20,5 und 25 Kilomegahertz, wie durch breite, schwarze Striche dargestellt.
Trotzdem ist es erwünscht, die Frequenz eines Mikro- wellen-Generators auch auf einer beliebigen, neben einer dieser Linien liegenden Frequenz stabilisieren zu können. Hierzu wird bei den folgenden Beispielen diejenige Wirkung des elektrischen Feldes, welche unter dem Namen Stark-Effekt bekannt ist, auf verschiedene Weise herangezogen.
In Fig. 1 ist die Gaszelle 10 als Teilstück eines an-epassten Wellenleiters ausgebildet mit den beiden, für Mikrowellen durchlässigen Fenstern 11. Das eingefüllte Gas hat vorzugs weise einen niederen Druck von ungefähr 0,02 mm H- oder weniger, und einer seiner Molekularresonanzfrequenzen liegt nahe der gewünschten Betriebsfrequenz des Mikrowel- len-Oszillators 12, welcher durch den Wellen leiter 13 oder ähnliche Übertragungseinrich tungen mit der Zelle 1.0 verbunden ist.
Die Oszillatorröhre 12 ist ein Reflexions klcstron und enthält. eine Elektronenkanone , einen Hohl raumresonator 1..1 und eine Re flexionselektrode 15, deren Potential verän derlich ist, wodurch die Frequenz der durch die Röhre erzeugten Schwingungen verändert werden kann. W enigstens ein Teil der Oszilla- torausgangsleistung wird auf die Gaszelle 10 übertragen und geht zum Kristall-Cleichrich- ter 9 oder einem gleichwertigen Demodulator.
Innerhalb der Gaszelle 1.0 ist eine Elek trode 16 angeordnet (im folgenden Stark Elektrode > yenannt), die als Stange oder Platte ausgebildet, von den Wellenleiterwän- den elektrisch isoliert und mit einer Wechsel- spannungsquelle 17 verbunden ist, deren Fre quenz I1'1 im Verhältnis znr Oszillatorfre- quenz tief ist.
In diesem Falle werden die Mikrowellen bei der Übertragung durch die Zelle 1.0 mit der Frequenz 2F1 amplituden- moduliert, falls es sieh um einen Stark-Effekt zweiter Ordnung handelt, wobei die Frequenz verschiebung proportional zum Quadrat. der dem Gas zugeführten Feldstärke ist. Falls zu sätzlich zur Wechselspannung noch eine nicht zu kleine Gleichspannung an die Stark-Elek- trode angelegt wird, so ist- die Modulations- frequent F1 statt 2F1. 18 stellt die Gleich spannungsquelle dar.
In beiden Fällen wird die nach der Gaszelle 10 demodulierte Aus gangsspannung zu Frequenzsteuerzwecken verwendet. Sie dient beispielsweise durch Ver änderung des Potentials der R.eflektoranode 15 dazu, Abweichungen von der gewünschten Betriebsfrequenz zu kompensieren. Die Ka thode 19 des Klystrons 12 in Fig.l kann zum Beispiel von der Quelle 20 auf einer negativen Spannung von 1600 Volt gegen Erde gehalten werden, wobei der Hohlraumresona- tor 14 auf Erdpotential liegt.
Die Reflexions elektrode 15 ist durch den Widerstand 21 mit dem negativen Pol der 1800-Volt-Quelle 22 derart verbunden, dass an dieser Elektrode 15 eine gegenüber der Kathode negative Span nung von 200 Volt liegt, die jedoch in Über einstimmung mit dem Ausgangsstrom des Gleichrichters 9 zur Stabilisierung der Oszilla- torfrequenz veränderlich ist.
Der Ausgangsstrom des Gleiehriehters wird dem Verstärker 23 zugeführt, welcher auf die -,Nlodulationsfrequenz F1 oder 2F1 abgestimmt ist, je nachdem die Gleichspan nung von der Quelle 18 ein- oder ausgeschaltet ist. Das im Verstärker 23 verstärkte Signal. wird durch die Diode 24 oder durch eine gleichwertige Einrichtung gleichgerichtet, wes halb über dem RC-Glied 25, 26 eine (Tleich- spannung E entsteht.
Der Oszillator 12 ist. so abgestimmt, dass bei Einschaltung der Quelle 22 die Frequenz der erzeugten Schwingung zunächst etwas tiefer liegt als die gewünschte Betriebsfrequenz F und nur langsam zunimmt gemäss der Zeitkonstante des RC-Gliedes 27, 28. Nähert sich die Oszillatorfrequenz der Frequenz F, so tritt die erwähnte Gleichspan nung F, über dem Netzwerk 25, 26 auf, welche zur stabilisierenden Steuerung der Oszillator- frequenz verwendet wird.
Die gewünschte Oszillatorfrequenz F wird vorzugsweise dann erreicht, wenn sieh die durch den Widerstand 27 fliessenden entge gengesetzten Ströme gerade ausgleichen, wel che von der Diode 24 über den Widerstand 29 und von der Stromquelle 22 über den VG'iderstand 21 kommen. Die Widerstände 21 und 29 werden mit Vorteil so gewählt, dass der Arbeitspunkt im ersten steilen Teil der Gas-Resonanzeharakteristik liegt (siehe aus gezogene Kurve in Fig. 5).
Schwingt nun das Klystron 12 mit einer zu tiefen Frequenz, so wird die die Gaszelle durchquerende Mikro welle weniger stark moduliert, weshalb die Steuerspannung über dem Widerstand 25 ab nimmt und damit die Reflexionselektrode 15 negativer wird. was ein Anwachsen der Fre quenz zur Folge hat. Im umgekehrten Fall, falls also das Klystron mit einer zu hohen Frequenz schwingt, ist der Modulationsgrad der Mikrowelle grösser, weshalb die Steuer spannung über dem Widerstand 25 anwächst und damit die negative Vorspannung an der Reflexionselektrode 15 abnimmt und somit eine Verringerung der Klystronfrequenz be wirkt.
Auf diese Weise wird also die Oszilla- torfrequenz ständig mit Hilfe der Modula- tionsfrequenz F1 (oder 2F1) kontrolliert und innerhalb einiger Grenzen auf der beliebig einstellbaren Frequenz F gehalten.
Um grösstmögliche Stabilisierung zu er halten, erfordert diese Anordnung eine sta bilisierte Speisespannung 22 und zeitlich un veränderliche Impedanzen 21, 25, 27 und 28. Die Zeitkonstanten der Netzwerke 25, 26 und 27, 28 sollen genügend gross gewählt werden, damit die Einrichtung nicht auf ganz kurz zeitige Störeinflüsse reagiert, welche die Os- zillatorfrequenz beeinflussen können.
Die Verschiebung der Resonanzfrequenz kann durch die Wahl der Amplitude der Modulationsspannung bestimmt werden.
Das gleiche Verfahren lässt sich auch zur Stabilisierung eines Magnetrons anwenden, insbesondere bei der in Fig. 3 angegebenen Type, welche innerhalb eines ihrer Hohlräume eine Elektrode 30 besitzt, mittels deren Span nung man die Frequenz der Magnetronschwin- gungen ändern kann. Da diese Art von Magne- tron allgemein bekannt ist, braucht seine Wir kungsweise nicht beschrieben zu werden.
Es ge nügt der Hinweis, dass die an die Elektrode 30 angelegte Spannung allgemein in der gleichen -VVeise automatisch geregelt wird, wie schon im vorangehenden Beispiel erläutert wurde, um die Betriebsfrequenz auf einem bestimmten Wert zu halten, der in der Nähe einer Mole kularfrequenz des in der Zelle 10 befindlichen Gases liegt.
In Fig. 4 ist das Klystron 12 mit einem Paar Gaszellen verbunden, 10A, 10B, die Gase enthalten, deren Molekularresonanzen PA und Fr, mittels des Stark-Effektes so gegeneinan der verschoben sind, dass dieselben gemäss Fig. 5 ober- oder unterhalb der gewünschten Betriebsfrequenz des Klystrons 12 oder eines andern zu stabilisierenden Mikrowellenoszilla- tor liegen.
Dabei wird man vorzugsweise das deiche Gas in beiden Zellen verwenden. Man kann aber auch verschiedene Gase in den ver schiedenen Zellen verwenden und durch die Verschiebung ihrer Absorptionslinien in einer oder beiden Zellen lässt sich die Stabilisie rungsfrequenz, die dem Sehnittpunkt der über lappenden Absorptionskurven entspricht., be liebig einstellen. Zur Illustration sei erwähnt, dass zum Beispiel für Ammoniak die Linien in einem elektrischen Feld nach höheren Fre quenzen verschoben werden, ganz unabhängig von der Polarität der angelegten Spannung.
So beträgt die Verschiebung für die Ammo- niak-3-3-Linie 12 -3111z in einem Feld von 1000 Vjem.
Die. verschobene Resonanzfrequenz kann in vielen Fällen wie folgt ausgedrüekt werden. f=f11+sse21 worin f " die ursprüngliche Resonanzfrequenz und e die Spannung an der Stark-Elektrode bedeutet.
Beispielsweise kann die Linie 3-3 des Am moniaks in den Zellen 10t1 und 10B durch geeignete Wahl der an die Stark-Elektroden 16t1 und 16B angelegten Gleichspannung der art verschoben werden, dass das Gas in der Zelle 10t1 Resonanz bei 23 875,0 MHz (FA) und das Gas in der Zelle 10B bei 23 874,5 MHz (Fa) aufweist.
Befindet sich die Oszillator- frequenz an der Abszisse des Punktes C in Fig. 5, so heben sich die von den beiden ent gegengesetzt gepolten Gleichriehtern 9.1 und 9B in den Widerständen 40 und 41 hervor gerufenen Spannungen gerade auf, weshalb die Spannung an der Reflektoranode 15 des Klystrons allein durch die Quelle 22A. gegeben ist.
Verschiebt. sich hingegen die Oszillator- frequenz gegenüber dem Punkt C, so entsteht über dem Ausgang der Gleichrichter 9A, 9B eine von Null verschiedene Spannung, deren Polarität und Grösse von der Richtung und der Grösse der Frequenzabweichung bestimmt ist. In diesem Falle ist die Reflektorspannung gleich der algebraisehen Summe aus der Span nung der Quelle 22_1 und den Spannungen der Gleichrichter<B>9,1,</B> 9B.
Die Polarität der beiden Gleichrichter ist so gewählt, dass Abweichun gen der Oszillatorfrequenz im richtigen Sinne kompensiert -erden.
Dabei ist zu beachten, dass bei der Frequenz TA (bzw. F'a) eine Spannung am Widerstand 40 (bzw. 41) ein Minimum hat, indem die Mikrowellen bei dieser Frequenz am stärksten absorbiert werden. Die Linien :12--:12 und .13-43 deuten eine gleichstrommässige Unter breehung der Wellenleiter an, die links mit dem geerdeten Oszillatorgehäuse verbunden sind.
Die Empfindlichkeit einer derartigen Ein richtung kann natürlieh durch das Einfügen eines Gleiehstrom.verstärkers zwischen die Gleiehriehter 9.1, 9B und dem Reflexionselek- trodenkreis erhöht werden.
Irn allgemeinen ist, aber ein Verstärker für Weclrselspannun- gen wünschenswerter, wie er in Fig. 6 in einer abgeänderten Einrichtung verwendet wird, wo der 'Stark-Effekt durch die Wechselspannung F'1 hervorgerufen wird.
In der Einrichtung nach Fig.6 werden den Stark-Elektroden 161 und 16B verschie den grosse Weelrselspannungen der gleichen Frequenz, beispielsweise 100 kHz, zugeführt. Zum Zweeke der Erläuterung sei angenom men, dass an der Elektrode 16A die höhere Spannung liege, so dass die Resonanzfrequenz der Zelle 10:1 über einen grösseren Bereich vor- und rüekversehoben wird als die Reso nanzfrequenz der Zelle 10B.
In der die Einrichtung nach Fig. 6 betref fenden Fig. 7 stellt die Kurve A die normale Absorptionskurve des Gases dar mit der Mole kular-Resonanzfrequenz f<B><U>-</U></B> Die Kurve B stellt die Ausgangsspannung des auf 200 kHz ab gestimmten Wechselstromverstärkers <B>32,1</B> als Funktion der Mikrowellenfrequenz dar, wenn gleichzeitig das Mikrowellenfeld und das 100-kHz-Stark-Feld an die Gaszelle 10A an gelegt werden,
und zwar in der Umgebung der Frequenz<B>f g.</B> Kurve C stellt die entsprechende Ausgangsspannung des Wechselstromverstär- kers 32B dar. Die beiden Kurven B und C kreuzen sich bei der Frequenz f", welche ge rade die Betriebsfrequenz festlegt, wo Stabili sierung stattfindet. Filter in der Form von Hohlraumresonatoren 31r1 und 31B dienen zum Durchlass der Frequenzen der Umgebung von f" und zur Sperrung von Frequenzen in. der Umgebung von<B>f g.</B>
Die Ausgangsspannungen der Wechselspan nungsverstärker 32A und 32B werden den Steuergittern der Röhren V1 und V. zuge führt. An die Schirmgitter der Röhren V1 und V2 wird die Ausgangsspannung des Fre- quenzverdopplers 33 gelegt, welcher seiner seits mit. dem Wechselspannungsgenerator 17 verbunden ist.
Zwischen der Batterie 44 und der vom Frequenzverdoppler 33 zu den Schirmgittern führenden Leitung ist ein Wi derstand 45 vorgesehen, um einen Kurz- sehluss der den Schirmgittern zugeführten Spannung von 200 kHz zu vermeiden.
Parallel zu den Widerständen 34, 35 be finden sich die Röhren V1, <I>V2,</I> und das Ganze ist in Serie mit der Spannungsquelle 22A ge schaltet, welche die Reflexionselektrode 15 des Klystrons 12 - oder eine andere gleich wertige Frequenz-Steuerelektrode eines zu sta bilisierenden Mikrowellenoszillators - speist. Die Röhren V" V. und die Widerstände 34, 35 stellen einen Spannungsteiler dar, welcher der Oszillatorelektrode 15 die über dem Wi derstand 35 entstehende Gleichspannung zu führt.
Vorzugsweise sind die Widerstände 34, 35 gleich gross und die Speisespannungen so ge wählt, dass die durch die Röhren V1 und V.., fliessenden Ströme gleich gross sind, wenn der Oszillator mit der Frequenz f" (Fug. 7) betrie ben wird.
Weicht die Oszillatorfrequenz von der Frequenz f o ab, so vergrössert sich die Aus- gangsspannung des einen Gleichrichters, zum Beispiel 9A, während die andere Spannung gleichzeitig abnimmt oder umgekehrt. Dies hat zur Folge, dass der durch den Widerstand 35 fliessende Strom .in dem Sinne verändert wird, dass die Oszillatorfrequenz auf den ge wünschten Wert zurückgeregelt wird.
Durch die Wahl der Grösse der Modula- tionsspannung kann wiederum, in einem ge wissen Frequenzbereich, eine stabilisierte Be triebsweise bei irgendeiner von der normalen molekularen Resonanzfrequenz des Gases ver schobenen Frequenz erzielt werden. Vorzugs weise sollte der Stark Effekt gross genug ge wählt werden, dass die verschobenen Resonanz. frequenzen <I>f 1</I> und<I>f 2</I> durch die Filter 31A und 31B leicht von der normalen Resonanz frequenz fg getrennt werden können.
In der Einrichtung gemäss Fig. 8 wird die Betriebsfrequenz des Magnetroms 12B im we sentlichen in andernorts vorgeschlagener Weise durch die Rückwirkung eines Hohl- raumresonators 10C stabilisiert, in dem mit tels eines dielektrischen Fensters 11 ein Gas eingeschlossen ist, das Molekularresonanz auf weist. Die Gaszelle stellt eine stabilisierende Belastung des Magnetroms dar; sie ist mit einem Wellenleiter verbunden, der die vom Magnet.ron erzeugten Schwingungen einer in der Zeichnung nicht dargestellten Nutzbela stung zuführt.
Mit den bekannten Einrichtungen dieser Art wurde die Stabilisierung bei den verhält nismässig wenigen genau bestimmten Frequen zen erreicht, welche durch die normalen Reso nanzfrequenzen eines Gases gegeben sind. Bei der vorliegenden Einrichtung ist dagegen die Elektrode 16C vorgesehen sowie eine entspre chende Spannungsquelle. Infolgedessen kön nen die beschriebene Einrichtung und alle davon abgeleiteten Abarten auf beliebigen Frequenzen betrieben werden.
Bei der in Fig.9 gezeigten Einrichtung stellt die Gaszelle 10D in an sich bereits vor geschlagener Weise einen in den Rückkopp lungsweg zwischen den Hohlraumresonatoren 14A und 14B des Klystrons 12.4 geschal teten Resonanzhohlraum dar und enthält ein Gas mit scharfer Molekularresonanz. Es kann gezeigt werden, dass bei einer Verschiebun der Frequenz des Klystrons,
der einen sehr grossen Resonanzfaktor Q aufweisende l-lohl- raumresonator 10D die Phase der Rückkopp- lung im Sinne einer Korrektur der Frequenz abweichung verschiebt. Zur Ergänzung der früher vorgeschlagenen Einrichtung ist nun die im Rückkopplungsweg liegende Gaszelle 10D mit einer Stark-Elektrode 16D versehen, an die eine Gleichspannung angelegt werden kann, um die molekulare Resonanzfrequenz des Gases zu der gewünschten Betriebsfre quenz des Oszillators zu verschieben, welche so nicht mit einer der normalen Resonanz frequenzen des verfügbaren Gases übereinzu stimmen braucht.