DE1811640A1

DE1811640A1 - Low-noise amplifier tubes

Info

Publication number: DE1811640A1
Application number: DE19681811640
Authority: DE
Inventors: Gerhard Krause
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1968-11-29
Filing date: 1968-11-29
Publication date: 1970-06-11

Description

Rauscharne Verstärkerröhre Die Erfindung betrifft eine Röhre zur rauscharmen verstärkung elektromagnetischer Schwinungen, bei der ein Strahl aus elektrisch geladenen Partikelnin einem elektrischen Felde abgelenkt wird, und bei der ein von der Größe der Ablenkung abhängiger Anteil der Partikel in einem Energiewandler zum Ausgangssignal umgeformt wird.Noise Amplifier Tube The invention relates to a tube for low noise amplification of electromagnetic vibrations, in which a beam of electrically charged Particles in an electric field is deflected, and at the one of the size the deflection-dependent proportion of the particles in an energy converter to the output signal is reshaped.

Rauscharme Verstärker werden insbesondere für den Neltraumfunk, für Nachrichtensatelliten, in der Radioastronomie, in der Meßtechnik und in der Radar-Technik benötigt. Der Verstärker mit der derzeitig geringsten Rauschzahl ist der Maser.Low-noise amplifiers are especially used for night space radio, for Communication satellites, in radio astronomy, in measurement technology and in radar technology needed. The amplifier with the currently lowest noise figure is the maser.

Seine theoretische Empfindlichkeitsgrenze, die allerdings bisher experimentell nicht erreicht wurde, ist durch die Quantisierung des elektromagnetischen Feldes gegeben. Sein Nachteil ist die relativ geringe Bandbreite und bei Festkörper-Maser die Notwendigkeit das Arbeitsmedium auf tiefe Temperaturen abkühlen zu müssen. Oft macht auch die Entkopplung zwischen dem Ausgang und dem Eingang Schwierigkeiten.Its theoretical sensitivity limit, which, however, has so far been experimental was not achieved is through the quantization of the electromagnetic field given. Its disadvantage is the relatively small bandwidth and solid-state burl the need to cool the working medium to low temperatures. Often also makes the decoupling between the output and the input difficult.

Es sind bereits Verstärkerröhren bekannt, bei denen die Größe des Elektronenstromes der die Anode erreicht von einem elektrischen Ablenkfeld gesteuert wird. Es ist weiterhin bekannt, statt den Elektronenstrom direkt von einer Anode aufzufangen, diesen erst in einem Sekundärelektronenvervielfacher zu verstärken und den verstärkten Strom als Ausgangssignal zu verwenden. Die mit diesem Röhren bei hohen Frequenzen (1GHz) erreichten Rauschtemperaturen sind zwar etwas niedriger als die Rauschtemperaturen konventioneller intensitätsgesteuerter Verstärkerröhren, sie liegen aber immer noch bei 10000K.There are already amplifier tubes known in which the size of the Electron flow that reaches the anode is controlled by an electrical deflection field will. It is also known to take the flow of electrons directly from an anode to collect, to amplify this only in a secondary electron multiplier and to use the amplified current as an output signal. The one with this tube Noise temperatures reached at high frequencies (1GHz) are somewhat lower than the noise temperatures of conventional intensity-controlled amplifier tubes, but they are still 10000K.

Um mit Verstärkerröhren bei denen ein Strahl aus elektrisch geladenen Partikeln in einem elektrischen Felde abgelenkt, und bei der ein von der Größe der Ablenkung abhängiger Anteil der Partikel in einem Energiewandler zum Ausgangssignal umgeformt wird, extrem niedrige Rauschtemperaturen zu erreichen, wird erfindungsgemäß die Partikel quelle oder ein enger Strahlquerschnitt in das Gebiet des Ablenkfeldes verkleinert abgebildet, und mit einer zweiten partikeloptischen Abbildungseinrichtung dieses Gebiet in die Ebene abgebildet, in der sich die Blendenelektroden oder äquivalente Anordnungen befinden.To use amplifier tubes in which a beam of electrically charged Particles deflected in an electric field, and at one of the size of the Deflection dependent proportion of the particles in an energy converter to the output signal is converted to achieve extremely low noise temperatures, is according to the invention the particle source or a narrow beam cross-section in the area of the deflection field imaged reduced, and with a second particle-optical imaging device this area mapped into the plane in which the diaphragm electrodes or equivalent Arrangements are located.

Verstärkerröhren die dieses Verfahren benutzen liefern Rauschtemperaturen die um mehrere Zehnerpotenzen niedriger sind, als die Rauschtemperaturen die mit den bisher bekannten Quersteuerröhren erreicht wurden. Die erzielbaren Nachweisempfindlich keiten liegen in der Nähe der durch die Quantisierung des -elek tromagnetischen Feldes gegebenen Grenze. Im Vergleich zum Master haben diese Röhren den Vorteil, daß die zu verstärkenden Signale eine relativ große Bandbreite besitzen dürfen, daß der Eingang vom Ausgang gut entkoppelt ist und daß zumindest im Prinzip - dh. wenn die Verluste der Zuführungsleitungen vernachlässigbar sind - keine Kühlung auf tiefe Temperaturen erforderlich ist.Amplifier tubes using this method produce noise temperatures which are lower by several powers of ten than the noise temperatures with the previously known transverse control tubes were achieved. The attainable detection sensitivity kites are close to those caused by the quantization of the -electromagnetic Field given limit. Compared to Masters have these tubes the advantage that the signals to be amplified have a relatively large bandwidth allowed that the input is well decoupled from the output and that at least in principle - ie. if the losses in the supply lines are negligible - no cooling at low temperatures is required.

In einer Abwandlung der Erfindung wird die zweite partikeloptische Abbildungseinrichtung durch eine Einrichtung zur Erzeugung von rYlateriewelleninterferenzen ersetzt, und die Blendenelektroden bzw. äquivalente Anordnungen in der Interferenzebene angeordnet.In a modification of the invention, the second is a particle optical system Imaging device by a device for generating rYlaterie wave interference replaced, and the diaphragm electrodes or equivalent arrangements in the interference plane arranged.

Weitere Gegenstände der Erfindung sind die rauscharme Demodulation sehr schwacher elektromagnetischer Signale, sowie der Nachweis einzelner otuanten des elektromagnetischen Feldes.The invention also relates to low-noise demodulation very weak electromagnetic signals, as well as the detection of individual otuanten of the electromagnetic field.

Außerdem wird ein Verfahren beschrieben, mit dem die Lage des Partikelstrahles stabilisiert werden kann.In addition, a method is described with which the position of the particle beam can be stabilized.

Die Erfindung soll nun mit Hilfe der Ausführungsbeispiele darstellenden Figuren erläutert werden. Von diesen zeigt: Fig. 1. Eine Röhre mit Ablenkung des Partikelstrahles durch Ablenkplatten, mit magnetischen partikeloptischen Linsen und mit einer Anordnung zur Stabilisierung der Lage des Bildpunktes.The invention is now intended to be illustrative with the aid of the exemplary embodiments Figures are explained. Of these shows: Fig. 1. A tube with deflection of the Particle beam through deflection plates, with magnetic particle optical lenses and with an arrangement for stabilizing the position of the image point.

Fig. 2 Die Röhre nach Fig. 1 um 90° um die Partikel strahlachse gedreht.Fig. 2 The tube of Fig. 1 rotated by 90 ° about the particle beam axis.

Fig. 3 Eine Röhre in der die zweite Abbildungseinrichtung durch eine Anordnung für Materiewelleninterferenzen ersetzt ist.Fig. 3 A tube in which the second imaging device through a Arrangement for matter wave interference is replaced.

Fig. 4 Eine Röhre bei der die Ablenkung des Partikelstrahles in einem Hohlraumresonator erfolgt, und bei der die Energiewandlung durch eine Verzögerungsleitung fiir elektromagnetische Wellen vorgenomnen wird.Fig. 4 A tube in which the deflection of the particle beam in a Cavity resonator takes place, and in which the energy conversion is carried out by a delay line for electromagnetic waves.

In Fig. 1 ist 1 die Katode. Sie bekommt vom Anschluß 16 eine negative Spannung in bezug auf Masse zugeführt. Die der ehneltelektrode 2 vom Anschluß 17 zugeführte Spannung ist in bezug auf die Katode negativ. Die anode 3 des Elektronenstrahlsystems liegt auf Massepotential. Sämtliche Elektroden und Linsen sind zylindersymmetrisch; dh. es werden Eiektronen-Flachstrahlen erzeugt. (Die Anordnung ist aber auch mit rotationssymmetrischen Elektroden und Linsen realisierbar.) Die magnetische Linse 5 bildet den vor der Katode 1 liegenden engsten Strahl querschnitt (cross over) verkleinert zwischen die Ablenkplatten 6, 7 ab. An die Ablenkplatte 6 wird vom Anschluß 8 die zu verstärkende Spannung geführt. Die Ablenkplatte 7 liegt annähernd auf Massepotential. Für hohe Frequenzen wird das durch den Kondensator 9 erzwungen, für tiefe Frequenzen durch den niedrigen Ausgangswiderstand des Verstäkers 15. Die zwischen den Ablenkplatten liegende Bildlinie wird durch die magnetische Linse 10 in die Ebene der Blendenelektrode 11 abgebildet. Diese Blendenelektrode 11 fängt einen Teil des Elektronenstromes auf. Der restliche Strom gelangt in den Energiewandler 12, der hier ein Sekundärelektronenvervielfacher ist. Die Dynodenspannungen werden vom Anschluß 18 zugeführt. Am Anschluß 13 wird das verstärkte Signal abgenormen. Wird nun die Eingangsspannung positiver, dann wird derStrahl so abgelenkt, daß weniger Elektronen von der Blendenelektrode 11 abgefangen werden und somitsmehr Elektronen in den Energiewandler 12 gelangen, wodurch schließlich der Ausgangs strom der Röhre vergrößert wird.In Fig. 1, 1 is the cathode. You get a negative from terminal 16 Voltage applied with respect to ground. That of the similar electrode 2 from connection 17 applied voltage is negative with respect to the cathode. The anode 3 of the electron beam system is at ground potential. All electrodes and lenses are cylindrically symmetrical; ie. flat electron beams are generated. (The arrangement is also with rotationally symmetrical electrodes and lenses possible.) The magnetic lens 5 forms the narrowest beam cross-section in front of the cathode 1 reduced in size between the baffles 6, 7. To the baffle 6 is from the connection 8 out the voltage to be amplified. The deflection plate 7 is approximately at ground potential. For high frequencies if this is forced by the capacitor 9, for low frequencies due to the low output resistance of the amplifier 15. The The image line lying between the deflection plates is determined by the magnetic lens 10 mapped into the plane of the diaphragm electrode 11. This diaphragm electrode 11 catches part of the electron flow. The rest of the electricity goes into the energy converter 12, which here is a secondary electron multiplier. The dynode voltages are supplied from terminal 18. At connection 13, the amplified signal is standardized. If the input voltage now becomes more positive, then the beam is deflected so that less Electrons are intercepted by the aperture electrode 11 and thus more electrons get into the energy converter 12, whereby finally the output current of the tube is enlarged.

Die Verlegung des engsten Bundelquerschnitts in das Ablenkfeld bietet den Vorteil trotz eines relativ großen Stromes einen sehr kleinen Ablenkplattenabstand realisieren zu können.Laying the narrowest bundle cross-section in the deflection field offers the advantage of a very small baffle spacing despite a relatively large current to be able to realize.

Ein sehr kleiner Ablenkplattenabstand ist notwendig, wenn man extrem schwache Signale nachweisen will. Denn es gilt für die Röhre nach Fig. 1. A very small baffle spacing is necessary if you want to detect extremely weak signals. This is because it applies to the tube according to FIG. 1.

x = Ablenkung des Partikelstrahles in der Ebene der Blendenelektrode 11.x = deflection of the particle beam in the plane of the diaphragm electrode 11.

u5 = Ablenkspannung, Signalspannung U = Beschleunigungsspannung d = Abstand der Ablenkplatten 12= Entfernung von der Abbildungseinrichtung zur Blendenelektrode 11.u5 = deflection voltage, signal voltage U = acceleration voltage d = Distance between deflection plates 12 = distance from the imaging device to the diaphragm electrode 11.

1p= Länge der Ablenkplatten in Strahlrichtung.1p = length of the deflector plates in the direction of the beam.

Die Kapazität C der Ablenkplatten beträgt w = Breite der Ablenkplatten senkrecht zur Strahlrichtung 0= Influenzkonstante Die Bandbreite d f des Steuerkreises ist R = Der reelle Widerstand des Steuerkreises. In der Regel der transformierte Widerstand der Signalquelle.The capacity C of the baffles is w = width of the deflection plates perpendicular to the beam direction 0 = influence constant The bandwidth df of the control circuit is R = the real resistance of the control circuit. Usually the transformed resistance of the signal source.

Fur die Signalleistung N5 die erforderlich ist den Strahl um den Betrag x abzulenken erhält man unter Berücksichtigung der Gl. (1...3) Die Anordnung nach Fig. 1 bietet weiterhin den Vorteil, daß die Länge 12 sehr groß gewählt werden kann, ohne daß das im Ablenkfeld liegende Bild mit unerwünscht großer Vergrößerung in der Ebene der Blendenelektrode abgebildet wird; dh. man erhält sehr große Ablenkempfindlichkeiten und gleichzeitig sehr kleine Bildpunkte. 1Nie das weiter unten gebrachte Beispiel zeigt, genügen deswegen Spannungen von etwa 1 g V um die Kennlinie völlig durchzusteuern. Das nehezu vollständige Durchsteuern der Kennlinie ist sehr wichtig, wenn man extrem schwache Signale nachweisen will, denn der nichtgesteuerte Teil des Partikelstromes erhöht das Rauschen ohne einen Beitrag zum Nutzsignal zu liefern.For the signal power N5 that is required to deflect the beam by the amount x, one obtains, taking into account Eq. (1 ... 3) The arrangement according to FIG. 1 also offers the advantage that the length 12 can be selected to be very large without the image lying in the deflection field being displayed with an undesirably large magnification in the plane of the diaphragm electrode; ie. very high deflection sensitivities and, at the same time, very small pixels are obtained. 1The example given below shows that voltages of around 1 g V are sufficient to fully control the characteristic. The almost complete control of the characteristic is very important if you want to detect extremely weak signals, because the uncontrolled part of the particle flow increases the noise without making a contribution to the useful signal.

Um bei gegebenen Partikel strom eine möglichst hohe Empfindlichkeit zu erreichen, wird die partikel optische Abbildungseinrichtung so gewählt, daß das bei rotationssymmetrischen Systemen durch die Abbildungsfehler in der Ebene der Blendenelektrode 11 verursachte Fehlerscheibchen ungefähr den gleichen Durchmesser wie der ideale Bildpunkt (dh. der Bildpunktdurchmesser wenn keine Abbildungsfehler vorhanden wären) in dieser Ebene hat. Bei zylindersymmetrischen Systemen gilt sinngemäß das Gleiche für die Breite des Fehlerstreifens und der idealen Bildstreifenbreite. Eine weitere teistungssteigerung erfolgt, wenn die partikeloptische Abbildungseinrichtung so dimensioniert wird, daß der chromatische Fehler ungefähr gleich dem Beugungsfehler wird.In order to achieve the highest possible sensitivity for a given particle flow To achieve, the particle optical imaging device is chosen so that the in the case of rotationally symmetrical systems due to the aberrations in the plane of the Diaphragm electrode 11 caused defect discs approximately the same diameter like the ideal pixel (i.e. the pixel diameter if there are no aberrations exist) in this level. In the case of cylinder-symmetrical systems, the following applies accordingly the same for the width of the error streak and the ideal image streak width. A further increase in performance occurs when the particle-optical imaging device is dimensioned so that the chromatic error is approximately equal to the diffraction error will.

Um extrem niedrige Nachweisempfindlichkeiten zu erreichen muß weiterhin die Kapazität der Ablenkplatten möglichst klein sein. Nun kann bei gegebenen Richtstrahlwert der Partikelquelle die Ablenkplattenbreite um so kleiner sein, je kleiner der notwendige Partikelstrom ist. Das Optimum wird erreicht, wenn die Anzahl der elektrisch geladenen Partikel NE ungefähr gleich der Anzahl der steuernden Photonen Np ist. T-rc3ktisch wird man 0933 Np < NE z 3Np wählen Kleinere Ablenkplattenbreiten erhält man weiterhin, wenn man auch bei Flachstrahlen eine Bündelung in der Ebene senkrecht zur Papierebene von Figur 1 vornimmt. Hierzu können zusätzliche Zylinderlinsen verwendet werden, oder es werden Abbildungseinrichtungen verwendet die ähnlich den bekannten rotationssymmetrischen Linsen sind, aber absichtlich einen außergewöhnlich großen Astigmatismus besitzen. Auch wenn man bei zylindersymmetrischen Anordnungen keine Abbildung in der Ebene senkrecht zur Papierebene von Fig. 1 vornehmen will, ist es zweckmäßig, um bei gegebener Piattenbreite einen möglichst großen Strom steuern zu können, die Katodenlänge und die Länge der Bbbildungseinrichtungen wesentlich größer als die Plattenbreite zu machten (Fig. 2). Die Fig. 2 zeigt die Röhre nach Fig. 1 um 90° um die Partikeistrahlachse gedreht. In order to achieve extremely low detection sensitivities must continue the capacity of the baffles should be as small as possible. Now with a given directional beam value of the particle source, the smaller the width of the baffle, the smaller the necessary Particle flow is. The optimum is achieved when the number of electrically charged Particle NE is approximately equal to the number of controlling photons Np. T-rc3ktisch you will choose 0933 Np <NE z 3Np Smaller deflector plate widths will still be obtained, if, even with flat rays, there is a bundling in the plane perpendicular to the plane of the paper of Figure 1 makes. Additional cylinder lenses can be used for this, or imaging devices are used that are similar to the known rotationally symmetrical ones Lenses are, but are deliberately extraordinarily large in astigmatism. Even if there is no mapping in the plane in the case of cylinder-symmetrical arrangements wants to make perpendicular to the plane of the paper of Fig. 1, it is useful to at given Piattenwidth to be able to control the largest possible current, the cathode length and the length of the imaging devices is much greater than the plate width made (Fig. 2). FIG. 2 shows the tube according to FIG. 1 at 90 ° around the particle beam axis turned.

An die Stabilität der Röhre werden sehr hohe Anforderungen gestellt. Bereits kleine machanische Verschiebungen oder geringe Spannungsänderungen (z.B. zeitliche Änderungen der Kontaktpotentiale) genügen, um den Arbeitspunkt der Röhre in unbrauchbare Kennlinienabschnitte zu drücken. Es wird deswegen zweckmäßigeine Regelung zur Stabilisierung des Arbeitspunktes angewendet. Hierzu wird mit dem Tiefpaß 14 der zeitliche Mittelwert des Ausgangsstromes des Energiewandlers 12 gebildet. Very high demands are made on the stability of the tube. Even small mechanical shifts or small changes in tension (e.g. changes in the contact potentials over time are sufficient to set the operating point of the tube to push into unusable sections of the characteristic curve. It therefore becomes expedient Regulation applied to stabilize the operating point. This is done with the low pass 14 the time average of the output current of the energy converter 12 is formed.

(Bei Energiewandlern die keine Gleichstromkomponente übertragen wird der von der Kollektorelektrode 27 oder von der Blendenelektrode 11 aufgefangen. Strom dazu verwendet.) über den Regelverstärker 15, dem der Sollwert 19 zugeführt wird, wird die Regelspannung der Ablenkplatte 7 (oder weiteren Hilfsablenkeinrichtungen) zugeführt. Durch Wahl des Sollwertes 19 kann so der mittlere Arbeitspunkt auf den gewünschten Kennlinienabschnitt gelegt werden. Bei optimaler Dimensionierung ist die Grenzfrequenz fg des Tiefpasses 14 so, daß die höchste im Driftsignal mit wesentlicher Amplitude enthaltene Frequenz den Tiefpaß gerad passieren kann. (Ein Integrator ist in diesem Sinne auch ein Tiefpaß.) Tiefere Nutzsignalfrequenzen als diese Grenzfrequenz kann die Anordnung nicht verstärken.(In the case of energy converters that do not transmit any direct current components which is collected by the collector electrode 27 or by the diaphragm electrode 11. Current used for this purpose.) Via the control amplifier 15, to which the setpoint value 19 is supplied the control voltage of the deflection plate 7 (or other auxiliary deflection devices) fed. By selecting the setpoint 19, the mean operating point can be adjusted to desired characteristic section can be placed. With optimal dimensioning is the cutoff frequency fg of the low-pass filter 14 so that the highest in the drift signal with essential Amplitude contained frequency can just pass the low-pass filter. (An integrator is also a low-pass filter in this sense.) Useful signal frequencies lower than this cut-off frequency cannot reinforce the arrangement.

diese Grenzfrequenz kann sehr tief sein. Damit der Regelkreis trotzdem schnell einläuft, ist es zweckmäßig, die Grenzfrequenz im nichteingelaufenen Zustand auf eine höhere Frequenz umzuschalten. Die Umschaltung kann durch einen Fehlerindikator erfolgen, der das Schaltsignal liefert, wenn das über eine längere Zeit t (t# 1) gemittelte Istwertsignal vor dem g Tiefpaß einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet. Die Regelung kann auch diskontinuierlich erfolgen. Hierzu wird dem Signal 13 der Istwert nur dann entnommen, wenn dieses Signal einen bekannten Wort annimmt (z.B. während der Austastlücken eines Fernsehsignales oder wenn das Eingangssig nal abgeschaltet wird). Is Regler 15 befindet sich ein Speicher, der die Regeispannung während der Tastpausen liefert.this cut-off frequency can be very low. So that the control loop anyway runs in quickly, it is advisable to set the cut-off frequency in the non-run-in state to switch to a higher frequency. The switchover can be indicated by an error indicator take place, which supplies the switching signal when the averaged over a longer time t (t # 1) Actual value signal before the g low pass exceeds a predetermined threshold value. the Regulation can also be carried out discontinuously. For this purpose, the signal 13 is the actual value only removed if this signal assumes a known word (e.g. during the blanking intervals of a television signal or when the input signal is switched off will). Is regulator 15 there is a memory that stores the control voltage during the Delivers tactile pauses.

Diese Anordnung hat den Vorteil, daß beliebig tiefe Nutzsignalfrequenzen verstärkt werden können.This arrangement has the advantage that useful signal frequencies of any depth can be reinforced.

Die obige Anordnung kann nur die mittlere Lage des gesamten Flachstrahles stabilisieren. Nun gibt es Ursachen, die dazu führen können, daß die Lagekorrektur an verschiedenen Punkten des Strahles unterschiedlich sein muß (z.B. ortsabhängiges Kontaktpotential der Ablenkplatten oder eine fehlerhafte Kante der Blendenelektrode 11). In diesem Fall wird die Blendenelektrode 11 in voneinander isolierte Teilabschnitte 11 unterteilt und der mittlere Gleichstrom Jedes Teilabechnittes mittels Regelkreise konstant gehalten. Hierzu werden die Regelspannungen zur Strahlablenkung auf die abschnitte der Blendenelektrode oder auf eine davor befindliche ebenfalls unterteilte, Hilfsablenkelektrode gegeben. Die Istwert der zu regelden Ströme werden dabei direkt den Teilabschnitten der Blendenelektrode entnommen. Statt dessen kann auch während der Anstastlücken des zu verstärkenden Signals der Ausgangsstrom 13 eines Teilabschnittes, durch Anlegen einer Tastspannung an die Ablenkelektrode dieses eilabschnittes, auf Null (oder auf seinen Maximalwert) getastet werden. Der dadurch verursachte Stromsprung am Ausgang 13 ist proportional (komplementär) zum Istwert dieses Teilabschnittes und wird zur Ansteuerung eins Sampling-Regelverstärkers benutzt.The above arrangement can only be the middle position of the entire flat jet stabilize. Now there are causes that can lead to the position correction must be different at different points of the beam (e.g. location-dependent Contact potential of the deflector plates or a faulty edge of the aperture electrode 11). In this case, the diaphragm electrode 11 is divided into sections that are insulated from one another 11 divided and the mean direct current of each part by means of control loops kept constant. For this purpose, the control voltages for beam deflection are applied to the sections of the diaphragm electrode or on a also subdivided one in front of it, Auxiliary deflection electrode given. The actual value of the currents to be regulated are thereby directly taken from the sections of the diaphragm electrode. Instead it can also be used during the gap in the signal to be amplified Output current 13 of a section, by applying a touch voltage to the deflection electrode of this rapid section, must be keyed to zero (or to its maximum value). Of the the resulting jump in current at output 13 is proportional (complementary) to Actual value of this subsection and is used to control a sampling control amplifier used.

In diesem Sampling-Regelverstärker ist Jedem Teilabschnitt ein Speicher zugeordnet, der während der Tastpause die Regelspannung für diesen Teilabschnitt liefert. Die Teilabschnitte werden nacheinander zyklisch getastet.In this sampling control amplifier, each section is a memory assigned to the control voltage for this section during the touch pause supplies. The subsections are cyclically keyed one after the other.

Bei der Röhre nach Fig. 3a wird als erste partikeloptische Abbildungseinrichtung eine elektrische Einzellinse verwendet, die ihre Spannung vom Anschluß 20 erhält. Die Ablenkplatten werden symmetrisch angesteuert. Der wesentliche Unterschied im Vergleich zu Fig. 1 ist, daß statt der zweiten partikeloptischen Abbildungseinrichtung eine Anordnung zur Erzeugung von Materiewelleninterferenzen en verwendet wird. Der Partikel-Strahl wird in dem elektrostatischem Biprisma 21 mit dem auf positivem Potential liegenden metallisierten Quarzfaden 22 in zwei Teilstrahlen geteilt. Im Wiedervereinigungsgebiet der Teilstrahlen, vor der Blendenelektrode 11, entsteht eine Interferenz figur. Die Anzahl der Schlitze der Blendenelektrode 11 ist gleich der Anzahl der Interferenzstreifen. Die Lage des Schlitzes relativ zum Interferenzstreifen bei einem linearen Verstärker zeigt Fig. 3t. Liegt an den Ablenkplatten eine Ablenkspannung, dann verschieben sich die Interferenzstreifen um die Strecke, um die sich, bei entsprechender geometrischer Anordnung, in der Röhre nach Fig. 1 der Bildpunkt verschieben würde. Die Verwendung von Materiewellenæ interferenzen bietet den Vorteil, daß die Interferenzstreifenbreite - die dem Bildpunktdurchmesser bei der Röhre nach Fig. 1 entspricht - nicht durch Abbildungsfehler verbreitert wird. Wird der Winkel zwischen den Teilstrahlen relativ groß gemacht, so erhält man sehr schmale Interferenzstreifen; dh.In the case of the tube according to FIG. 3a, the first particle-optical imaging device an electrical single lens is used, which receives its voltage from the terminal 20. The baffles are controlled symmetrically. The main difference in the A comparison with FIG. 1 is that instead of the second particle-optical imaging device an arrangement for generating matter wave interference is used. Of the Particle beam is in the electrostatic biprism 21 with the on positive Potential lying metallized quartz thread 22 divided into two partial beams. in the Reunification area of the partial beams, in front of the diaphragm electrode 11, arises an interference figure. The number of slits of the aperture electrode 11 is the same the number of interference fringes. The position of the slot relative to the interference fringe for a linear amplifier, Fig. 3t shows. If there is a deflection voltage on the deflection plates, then the interference fringes shift by the distance by which, with the appropriate more geometric Arrangement in which the tube according to FIG. 1 would move the pixel. The usage of matter wavesæ interferences offers the advantage that the interference fringe width - which corresponds to the pixel diameter in the tube according to FIG. 1 - not through Image aberration is widened. The angle between the partial beams becomes relative made large, you get very narrow interference fringes; ie.

die Ablenkempfindlichkeit ist noch größer als bei der Röhre nach Fig. 1. Für den Streifenabstand y gilt die Beziehung = Wellenlänge der Materiewelle ort = Winkel zwischen den Teilstrahlen.the deflection sensitivity is even greater than in the case of the tube according to FIG. 1. The relation applies to the strip spacing y = Wavelength of the matter wave location = angle between the partial rays.

Statt die Materiewelleninterferenzen mit Hilfe eines elektrostatischen Biprismas zu erzeugen, können auch andere bekannte Verfahren zur Strahlenteilung und Wiedervereinigung von Strahlen dazu verwendet werden. Auch Vielstrahlinterferenzen sind sinnvoll. Ihr Vorteil ist, daß bei gegebenen Interferenzstreifenabstand die Anzahl der Interferenz streifen und damit die Anzahl der Schlitz geringer ist. Außerdem sind die Interferenzminima flach und breit, was insbesondere für den Betrieb als Photonendetektor günstig ist.Instead of the matter wave interference with the help of an electrostatic Other known methods of beam splitting can also be used to generate biprisms and reunion of rays can be used to do so. Also multi-beam interference are useful. Their advantage is that, given the interference fringe spacing, the Number of interference stripes and thus the number of slots is less. aside from that the interference minima are flat and wide, which is particularly useful for operating as Photon detector is cheap.

Zweckmäßig ist es weiterhin, bei beiden Flanken eines Interferenzstreifens einen Spalt anzuordnen. Beim Betrieb als linearer Verstärker ist aber die Steuerung der Ströme beider Flanken gegenphasig zueinander. Es müssen deswegen zwei Energiewandler verwendet werden oder die Laufwegdifferenz der Elektronen vom Spalt zum Energiewandler muß so sein, daß die Phasenverschiebung kompensiert wird.It is also useful for both edges of an interference fringe to arrange a gap. When operating as a linear amplifier, however, the control is the currents of both flanks are in phase opposition to each other. So there have to be two Energy converter or the difference in the path of the electrons from the gap to the energy converter must be such that the phase shift is compensated.

In der Röhre nach Fig. 4 erfolgt die Ablenkung des Partikelstrahles im elektrischen Felde eines Hohlraumresonators oder eines Hohlleiters. Auch ein Topfkreis kann dazu verwendet werden. Hinter der Blendenelektrode 11 schwankt die Dichte des Partikelstrahles im Takte des Eingangssignales. Die kinetische Energie dieses Partikelstrahles wird nun in der Verzögerungsleitung für elektromagnetische Wellen 26 teilweise in elektromagnetische Energie umgewandelt und bei 13 ausgekoppelt. Hierzu wird - ähnlich wie in Wanderfeldröhren - die Ausbreitungsgeschwindigkeit des elektromagnetischen Feldes in der Verzögerungsleitung etwas niedriger als die Partikelgeschwindigkeit gemacht. Im Gegensatz zur Wanderfeldröhre interessiert aber hier nur die Abbremsung der Partikel und die Uawandlung ihrer kinetischen Energie in elektromagnetische Energie. Dagegen ist die Dichtemodulation des Strahles durch die elektromagnetische Welle unwichtig. Es ist zu beachten, daß es nicht auf eine große Leistungsverstärkung der Röhre ankommt. Dies muß nur so groß sein, daß das Rauschen des folgenden Verstärkers vernachlässigbar ist.The deflection of the particle beam takes place in the tube according to FIG. 4 in the electrical field of a cavity resonator or a waveguide. Also a Pot circle can be used for this. Behind the diaphragm electrode 11, the fluctuates Density of the particle beam in the cycle of the input signal. The kinetic energy this particle beam is now in the delay line for electromagnetic Waves 26 partially converted into electromagnetic energy and decoupled at 13. For this purpose - similar to traveling wave tubes - the speed of propagation of the electromagnetic field in the delay line is slightly lower than that Particle speed made. In contrast to the traveling wave tube, it is interesting here only the braking of the particles and the conversion of their kinetic energy into electromagnetic energy. In contrast, the density modulation of the beam is through the electromagnetic wave is unimportant. It should be noted that it is not on a great power amplification of the tube is important. This just has to be so big that the Noise from the following amplifier is negligible.

Bei den Figuren 1, 2 und 4 wurde die Drehung des Bildes durch die magnetischen Linsen nicht berücksichtigt. Die nach der magnetischen Linse angeordneten Abbildungs- und Ablenkelemente, sowie die Blenden, muß man sich also um die Strahlachse gedreht vorstellen. Natürlich können auch magnetische Linsen verwendet werden, in denen das magnets Sche Feld die Richtung wechselt, und somit die Bilddrehung kompensiert wird. Überhaupt können die partikel optischen Abblldungeeinrichtungen zusammengesetzte Systeme sein und weitere Zwischenabbildungen enthalten. Auch die Abbildung mit nichtrotationssymmetrischen Systemen (z.B Quadrupollinsen und fokussierende Sektorfelder) ist möglich.In Figures 1, 2 and 4, the rotation of the image by the magnetic lenses not included. the after the magnetic Lens-arranged imaging and deflection elements, as well as the diaphragms, you have to look so imagine rotated around the beam axis. Of course you can also use magnetic lenses can be used in which the magnets Sche field changes direction, and thus the image rotation is compensated. In general, the particles can be optical imaging devices be composite systems and contain further intermediate figures. Also the Imaging with non-rotationally symmetrical systems (e.g. quadrupole lenses and focusing Sector fields) is possible.

Die oben beschriebenen Anordnungen sind nicht nur zur. Der stärkung elektromagnetischer Schwingungen geeignet. Denn da bersits sehr kleine Steuerspannungen genügen die Kennlinie in stark nichtlineare Abschnitte zu steuern, bietet sich die Möglichkeit sehr schwache Signale zu demodulieren.The arrangements described above are not just for. Of strengthening electromagnetic vibrations. Because there are also very small control voltages If it is sufficient to control the characteristic in strongly non-linear sections, the Possibility to demodulate very weak signals.

Die Lag des Spaltes relativ zum Elektronenstrahl ohne angelegt. Steuerspannung befindet sich dann im Fußpunkt der Kennlinie (Partik0l3trov Null oder nahezu Null). Noch besser ist es eine Blenden@elektrode 11 zu verwenden die ungefähr die Breite des Bildliniendurchmessers hat, bzw. bei Zweistrahlinterferenzen ungefähr halb so breit wie der Interferonsstreifenabstand ist. Bei Eingangsspannung Null wird der Ausgangsstrom des Energiewandlers auf sein minimalen Wert eingestellt. Das Eingangssignal erhöht dann den Strom durch den Spalt unabhängig vom Vorzeichen der Schwingung. Ausgewertet wird der mittlere Ausgangsstrom. Bei dieser Betriebsart sind die aus der Kernphysik bekannten Partikeldetektoren, insbesondere die pin-Halbleiterdetektoren, als Energiewand ler gut geeignet. Zwar sind diese Partikeldetektoren auch für Energiewandler in der Betriebsart als linearer Verstärker brauchbar, beim derzeitigen Stand der Technik aber nur bis zu Frequenzen von etwa 1GHz. Beim Betrieb als Demodulator braucht jedoch die Tragerfrequenz vom Energiewandler nicht übertragen werden. Die höchste zu übertragende Modulationsfrequenz ist in der Regel viel tiefer.The lag of the gap relative to the electron beam without being applied. Control voltage is then at the base of the characteristic curve (Partik0l3trov zero or almost zero). It is even better to use a diaphragm electrode 11 that is approximately the same width of the image line diameter, or about half as much in the case of two-beam interference wide as the interferon fringe distance is. When the input voltage is zero, the The output current of the energy converter is set to its minimum value. The input signal then increases the current through the gap regardless of the sign of the oscillation. The mean output current is evaluated. In this operating mode they are off particle detectors known from nuclear physics, especially the pin semiconductor detectors, well suited as an energy converter. These particle detectors are also for energy converters usable in the linear amplifier mode, at the current state of the Technology, however, only up to frequencies of around 1GHz. When operating as a demodulator however, the carrier frequency cannot be transmitted by the energy converter. The highest The modulation frequency to be transmitted is usually much lower.

Die Lage des Spaltes im Fußpunkt der Kennlinie hat zudem den Vorteil, daß der Ruhestrom besonders niedrig ist. Diesem Arbeitspunkt wird man deswegen auch für die Betriebsart als Photonendetektor wählen. Beim Photonendetektor wird im Gegensatz zum Demodulator nicht der Mittelwert des Ausgangsstromes gebildet, sondern es werden die von den einzelnen Elektronen ausgelösten Ausgangsimpulse ausgewertet. Unter optimalen Bedingungen kann nahezu Jedes Eingangsphoton nachgewiesen werden und zwar auch bei relativ niedrigen Frequenzen.The position of the gap at the base of the characteristic curve also has the advantage that the quiescent current is particularly low. That is why this working point is also achieved for the photon detector operating mode. In the case of the photon detector, in contrast The mean value of the output current is not formed for the demodulator, but rather it is the output pulses triggered by the individual electrons are evaluated. Under almost every input photon can be detected under optimal conditions even at relatively low frequencies.

Es sei hier noch erwähnt, daß allgemein die Blendenelektrode 11 durch äquivalente Anordnungen ersetzt werden kann; z.B. kann die erst. Dynode des Sekundärelektronenvervielfachers Streifen mit unterschiedlichen Sekundäremissions-Koeffizient aufweisen.It should be mentioned here that the diaphragm electrode 11 is generally through equivalent arrangements can be substituted; e.g. the first dynode of the secondary electron multiplier Have strips with different secondary emission coefficients.

Wegen der Nichtlinearität der Kennlinie kann man mit dem Verfahren Signale auch additiv mischen. Dazu leitet man beide Signale auf die Ablenkplatten. Multiplikative Mischung erhält man, wenn man das schwache Eingangssignal auf die Ablenkplatten gibt und mit dem starken Oszillatorsignal die Intensität des Elektronenstrahls moduliert. Synchrondemodulation ist ein Sonderfall der Mischung. Wird bei den Mischungen die Differenzfrequenz ausgenutzt, so bietet sich auch hier die Möglichkeit mit relativ schmalbandigen Energiewandlern zu arbeiten (z.B.Because of the non-linearity of the characteristic curve, one can use the procedure Also mix signals additively. To do this, both signals are routed to the deflection plates. Receives multiplicative mix you when you see the weak input signal on the baffles and with the strong oscillator signal the intensity of the Modulated electron beam. Synchronous demodulation is a special case of mixing. If the difference frequency is used in the mixes, this is also possible here the possibility of working with relatively narrow-band energy converters (e.g.

Sekundärelektronenvervielfacher, Cerenkov-Zähler, Szintillationszähler, gasgefüllte Zählröhren).Secondary electron multiplier, Cerenkov counter, scintillation counter, gas-filled counter tubes).

Das Verfahren ist nicht auf Elektronenstrahlen beschränkt. Es lassen sich alle Partikel die durch elektrische Felder abgelenkt werden können verwenden. Von besonderer Bedeutung sind dabei Ionenstrahlen. Der Vorteil schwerer Partikel ist, daß bei gegebener Energie die Wellenlänge der Materiewelle kürzer ist und damit der Beugungsfehler kleiner wird.The method is not limited to electron beams. Leave it use all particles that can be deflected by electrical fields. Ion beams are of particular importance. The advantage of heavy particles is that for a given energy the wavelength of the matter wave is shorter and thus the diffraction error becomes smaller.

Es muß noch erwähnt werden, daß man statt den cross over abzubilden auch die Kathode oder einen von hinten mit Partikeln bestrahlten engen Spalt abbilden kann. Weiterhin können auch nichtparallele Ablenkplatten verwendet werden, insbesondere solche bei denen der Winkel zwischen den Platten gleich dem Offnungswinkel des Partikelstrahles ist. Bei nichtgeknickten Platten die sich dem Strahl anschmiegen wird dann die Bildlinie an den Anfang bzw. an das Ende der Ablenkplatten gelegt.It must also be mentioned that instead of showing the cross over also depict the cathode or a narrow gap irradiated with particles from behind can. Furthermore, non-parallel baffles can also be used, in particular those where the angle between the plates is equal to the opening angle of the particle beam is. If the panels are not kinked and cling to the beam, then the image line will appear placed at the beginning or at the end of the deflector plates.

Die Elektroden befinden sich natürlich innerhalb eines evakuierten Raumes.The electrodes are of course inside an evacuated one Space.

Ein Dimensionierungsbeispiel: Betriebsart: Photonendetektor Eingangssignal: 7,5 . 10-15W; 1.3 . 10-6Vss; 0...109Hz Energiewandler: Sekundärelektronenvervielfacher Ausgangssignal: 2 . 10-11W; 0...109Hz Elektronenstrahl: 100V; 1,8 . 10 9j Breite d. Elektronenquelle: 2,5 107m Rauschtemperatur des Verstärkers: Abstand Elektronenquelle-Ablenkplatten: 10-1m Abstand Ablenkplatten-Blendenelektrode: 10-1m Länge der Ablenkplattens 1,5 10-3m Breite der Ablenkplatten: 10-4m Abstand der Ablenkplatten: 2 10-6m Notwendige Strahlverschiebung für Vollaussteurung in der Ebene der Blendenelektrode: 0,5. 10-6m (kann durch elektronemoptische Nachvergrößerung vergrößert werden) In Fig. 2 sind vier von extremen Punkten der Kathode ausgehende Elektronenstrahlen 4a, 4b, 4c, 4d eingezeichnet.A dimensioning example: Operating mode: Photon detector Input signal: 7.5. 10-15W; 1.3. 10-6Vss; 0 ... 109Hz energy converter: secondary electron multiplier Output signal: 2. 10-11W; 0 ... 109Hz electron beam: 100V; 1.8. 10 9j width d. Electron source: 2.5 107m Noise temperature of the amplifier: Distance between electron source and deflection plates: 10-1m distance between deflector plate and diaphragm electrode: 10-1m length of deflector plate 1.5 10-3m width of the baffles: 10-4m distance between the baffles: 2 10-6m Necessary Beam shift for full steering in the plane of the diaphragm electrode: 0.5. 10-6m (can be enlarged by electron optical re-enlargement) In Fig. 2 is four electron beams emanating from extreme points on the cathode 4a, 4b, 4c, 4d are shown.

Bei optimaler Konstruktion muß die Blendenelektrode 11 und der Energiewandler 12 so groß gemacht werden, daß die Strahlen 4a, 4d von ihnen nocb aufgefangen werden. Die Blenden 30, 31 (in Fig. 1 sind sie der Übersichtlichkeit wegen nicht eingezeichnet) verhindern, daß Elektronen in den Energiewandler 12 gelangen, die nicht durch die Ablenkplatten 6, 7 geflogen sind.In the case of an optimal construction, the diaphragm electrode 11 and the energy converter 12 can be made so large that the rays 4a, 4d are intercepted by them. The diaphragms 30, 31 (in Fig. 1 they are not shown for the sake of clarity) prevent electrons from getting into the energy converter 12 that are not through the Deflectors 6, 7 have flown.

Claims

1. Low-noise amplifier tube, in which a beam of electrically charged Particles in an electric field is deflected, and at the one of the size the deflection-dependent proportion of the particles in an energy converter to the output signal is formed, characterized in that a. first particle optical imaging device the particle source or a narrow beam cross-section into the area of the deflection field images reduced, and that a second particle optical imaging device this area in the plane in which the diaphragm electrodes or equivalent arrangements are located.

2. Low-noise amplifier tube, as a modification of claim 1, characterized characterized in that the second particle optical imaging device by a Device for generating matter wave interference is replaced, and that the Aperture electrodes or equivalent arrangements arranged in the interference plane are.

3. Low-smoke amplifier tube according to claims 1 and 2, characterized in that that for the highest frequency to be amplified the number of electrically charged Particles and the number of photons supplied to the array Np is of the same order of magnitude (0.33 Np <NE <3 Np).

4. Low-noise amplifier tubes according to claims 1 and 2, characterized characterized in that ions are used as electrically charged particles.

5. Low-noise amplifier tube according to claim 1, characterized in that that the aberration is the width of the pixel or the image line in the plane the diaphragm electrode or equivalent arrangements compared to the ideal width Approximately double (without aberrations).

6. Low-noise amplifier tube according to claim 1, characterized in that that the chromatic error is approximately equal to the diffraction error.

7. Low-noise amplifier tube according to claims 1 and 2, characterized characterized in that a particle monochromator is inserted into the beam path.

8. Low-smoke amplifier tube according to claims 1 and 2, characterized characterized in that the deflection in a pot circle or a Hchlraumresonator or a waveguide.

9. Low-noise amplifier tube according to claims 1 and 2, characterized characterized in that the baffles act as a delay line for electromagnetic Waves are executed.

10. Low-noise amplifier tube according to claims 1 and 2, characterized characterized in that the energy converter is a particle detector or a secondary electron multiplier is.

11. Low-noise amplifier tube according to claims 1 and 2, thereby characterized in that the energy converter has a delay line for electromagnetic Waves is.

12. Method of operating the low-noise amplifier tube according to the Claims 1 and 2, characterized in that when the input voltage is zero the current reaching the energy converter is much smaller than the maximum current (iE «> , Operation as a photon detector or demodulator).

13. A method of operating the low noise amplifier tube of claim 2, characterized in that when the input voltage is zero, the slots or equivalent arrangements are located symmetrically to the minimum of the interference figure.

14. Method of operating the low-noise amplifier tube according to the Claims 1 and 2, characterized in that the position of the last imaging device generated image point or image line, or that of the device for generation interference fringes generated by matter wave interference, relative to the diaphragm electrodes or equivalent arrangements is regulated by the mean value of the output current is formed, and that this mean value, if necessary after amplification, with such a sign on the deflection electrodes or auxiliary deflection devices is that the mean output current is kept constant.

15. The method according to claim 14, characterized in that subsections of the particle beam are regulated separately.