DE2410179C3 - Vorrichtung zur Untersuchung der Kurvenform eines mit hoher Wiederholfrequenz auftretenden Signals - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Untersuchung der Kurvenform eines mit hoher Wiederholfrequenz auftretenden Signals, bei der das Signal während seines wiederholten Auftretens in beistimmten Phasenlagen punktweise abgetastet und die Abtastwerte längs der Y-Achse, die Phasenlage dagegen längs der Zeitachse einer Anzeigevorrichtung dargestellt werden.

Um Schwingungsformen extrem kurzer Dauer, die mil hoher Wiederholfrequenz auftreten, zu beobachten, hat man Samplingoszillographen verwendet. Bei einem solchen Oszillographen wird ein Spannungsimpuls erzeugt, der mit der zu beobachtenden Schwingungsform synchronisiert ist und seine Phasenlage in jeder Periode etwas verändert, und die Schwingungsform wird während der Dauer dieses Impulses abgeta-

stet und für die Anzeige verstärkt. Da die Dauer des Spannungsimpuls im Vergleich zur Dauer der zu beobachtenden Schwingungsform genügend kurz sein muß, ergibt sich, daß je kürzer d:e Dauer der Schwmaungsionr. wird, auch die erforderliche: Dauer fur den Spannungsimpuls um so kürzer wird. Daher ermöglichen die bisherigen Techniken led.ghch die Beobachtung von Schwingungsformen mit einer Dauer höchstens in Nanosekundengröße. Mit der Entwicklung der neueren Lasertechnik ist es jedoch möglich geworden Impulse mit einer Dauer in der Großenordnunevon Picosekunden zu erzeugen, und damit ergibt sich auch die Notwendigkeit, Lichtimpulse in diesem Picosekundenbereich zu beobachten^

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung einer neuen und verbesserten Anzeigevorrichtung für Schwingungsformen extrem kurzer Dauer, etwa in der Größenordnung von Picosekunden, die mit hoher WiederhoJlrequen/ auftreten. Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Die erfindüngsgemäße Vorrichtung enthalt somit Mitte! zur Erzeugung eines Elektronenstrahls, dessen Dichte entsprechend der zu beobachtenden Schwingungsform variiert, ferner Mittel zur Ablenkung dieses Elektronenstrahls unter Steuerung einer Mikrowellenspar.nung, die synchron mit der Wiederholfrequenz der zu beobachtenden Schwingungsform auftritt, ferner Mittel zur gleichmäßigen Veränderung der Phasendifferenz zwischen dem Elektronenstrahl und der Mikrowellenspannung mit niedriger Frequenz sowie Mittel zur Steuerung des Elektronenstrahls nur in einer Lage entsprechend einer durch die Ablenkschaltung vorbestimmten Ablenkungsgröße sowie Mittel zur Darstellung des von einer Kollektorelektrode aufgefangenen Elektronenflusses in der Y- Ablenkrichtung und der Phasendifferenz in der Zeitablenkrichtung.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Untcransprüchen gekennzeichnet. Die Erfindung ist im folgenden an Hand der Darstellung eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen schematischen Seitenschnitt mit einer teilweise in Blockform dargestellten Schaltung der erfindungsgemäßen Anordnung zur Beobachtung der Schwingungsform hochfrequenter Lichtimpulse, und

Fig. 2 ein Diagramm von Schwingungsformen zur Erläuterung des Betriebs der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung.

Gemäß Fig. 1 ist eine photoelektrische Oberfläche 1 auf einer nicht dargestellten transparenten Elektrode ausgebildet, die auf der Innenfläche einer Endwandung eines evakuierten Glaskolbens E derart vorgesehen ist, daß auf sie ein zu beobachtender Lichtimpuls L auftrifft. Vor der photoelektrischen Oberfläche 1 sind eine Anode 2, Linsenelektroden 3, 4,5, eine Driftröhre 6 sowie ein Hohlraumresonator 7 in der genannten Reihenfolge angeordnet. Der Hohlraumresonator 7 ist über eine Koppelöffnung 12 mit einem Wellenleiter 8 gekoppelt, und seine inneren Vorsprünge bilden in der Mitte einen Modulationsschlitz 11. In den Wänden des Hohlraumresonators sind längs der Röhrenachse Löcher 9 und 10 ausgebildet. Am anderen Ende des Kolbens E sind eine Maskenelektrode 13 mit einem Loch 14 und eine Elektronenkollektorelektrode 15 hinter dem Loch 14 angeordnet. Das Loch 14 der Maskenelektrode 13 ist um einen bestimmten Abstand gegen die Achse des

Kv- ibens versetzt, so daß nur der Elektronenstrahl mit der entsprechenden Ablenkung durch das Loch 14 auf die Kollektorelektrode 15 gelangen kann.

Ein Mikrowelienoszillator 16 erzeugt ein geeignetes MikroweHensignal P₁₁, das mit de* Wiederholfrequenz der zu beobachtenden Lichtimpulse synchronisiert ist, und ist über einen Phasenschieber 17 an den Wellenleiter 8 angeschlossen. Weiterhin ist ein Sägezahngenerator 18 mit dem Driftrohr 6 über einen festen Kontakt eines einpoligen Umschalters 19 und einem Transformator 20 verbunden, oder er ist über den anderen festen Kontakt 19h des Schalters 19 mit dem Steuereingang des Phasenschiebers 17 verbunden. Der Ausgang des Sägezahngenerators 18 ist ferner an den Horizontaleingang X eines Elektronenstrahloszillographen 23 angeschlossen. Die Elektronenkollektorelektrode 15 ist über einen Widerstand 21 an Masse geführt und außerdem über einen hochverstärkenden Verstärker 22 an den Vertikaleingang des Oszillographen 23 geführt.

Es sei nun unter Zuhilfenahme der Fig. 2 der Betrieb der Vorrichtung gemäß Fig. 1 erläutert. Ein auf die photoelektrische Oberfläche 1 auffallender Lichtimpuls L läßt einen Elektronenstrahl B austreten, dessen Dichteverteilung identisch mit der Schwingungsform selbst ist. wie dies Fig. 2 (1) zeigt. Der impulsformige Elektronenstrahl ß durchläuft die Anode 2, die Linsenelektrodcn 3, 4 und 5 und -.He Driftröhre 6 und tritt in den Flohlraumresonator 7 durch das Loch 9 ein. Der Oszillator 16 erzeugt ein MikroweHensignal P₁₁, das synchron mit der Wiederholfrequenz des impulsformigen Elektronenstrahls B, und damit mit dem aulfallenden Lichtimpuls L ist, und das Signal P₁₁ wird mit Hilfe des Phasenschiebers 17 in seiner Phase verschoben und dem Modulationsspalt 11 des Resonators 7 durch den Wellenleiter 8 als MikroweHensignal P, zugeführt, wie Fig. 2 (2) zeigt. Als ein Beispiel kann die Periode des Mikrowellensignals P₁ mit ein Drittel der Wiederholungsperiode T des impulsformigen Strahles B in der Zeichnung gewählt werden.

Der Elektronenstrahl B wird im Modulationsspalt 11 durch ein vom Signal P₁ gesteuertes elektrisches Feld seitlich abgelenkt und tritt aus dem Loch 10 aus. Die meisten Elektronen des abgelenkten Strahles prallen gegen die Maskenelektrode 13 und werden dabei absorbiert, und nur der das Loch 14 passierende Strahl wird von der Kollektorelektrode 15 aufgefangen. Nimmt man an, daß bei einem Spannungspegel K₁ des Mikrowellensignals P, der Elektronenstrahi gerade so weit abgelenkt wird, daß er durch das Loch 14 hindurchtritt, dann entspricht dies den Zeitpunkten /,, f₂, f₃..., wie es Fig. 2 (2) zeigt, und in diesem Falle durchläuft ein Elektronenstrahl mit einT Dichte Z₁ das Loch 14 zu den Zeitpunkten I₂, ί_κ... und wird von der Kollektorelektrode 15 aufgefangen und induziert einen Spannungsabfall entsprechend der Dichte /, am Widerstand 21. Diese Spannung wird durch den Verstärker 22 verstärkt und dem Oszillographen 23 zugeführt, so daß eine Auslenkung längs der Vertikalachse entsprechend der Dichte /, erfolgt.

Andererseits wird ein Sägezahnsignal Pm relativ' niedriger Frequenz der Driftröhre 6 zugeführt, wenn der Schalter 19 am Kontakt 19« liegt, wie dies Fig. j zeigt, und damit wird die Elektroner.geschwindigkeit im Elektronenstrahl B linear verändert. Wenn die Phasendifferenz Θ zwischen dem zeitlichen Aul treten

ίο eines bestimmten Dichtewertes des entsprechend der zu beobachtenden Impulsform dichtemodulierten Elektronenstrahls B und dem Auftreten eines bestimmten Wertes des Mikrowellensignals P₁ am Modulaiionsspalt 11 gleich einer Summe des der Elektronenlaufzeit von der photoelektrischen Oberfläche 1 zum Spalt 11 entspreehenden Phasenwinkels und der durch den Phasenschieber 17 bewirkten Phasenverschiebung ist, dann wird der Elektronenstrahl durch das Sägezahnsignal Pm über einen bestimmten Bc-

ao reich abgelenkt. Wie aus Fig. 2 leicht verständlich ist. hat die Verschiebung der Phasendifferenz Θ eine Verschiebung des Abtastzeitpunktes f, zur Folge, und damit crgibi sich eine Veränderung der Dichte des durch das Loch 14 passierenden Elektronenstrahls entsprechend der zu beobachtenden Schwingungsform B. Da diese Veränderung der Vcrtikalablenkachse des Oszillographen zugeführt wird und das Shgezahnsignal Pm der Horizontalablenkachse zugeführt wird, wird eine Schwingungsform entsprechend der zu beobachtenden Schwingungsform B auf dem Schirm des Oszillographen 23 dargestellt.

Es versieht sich, daß die Veränderung der Phasendifferenz ©durch direkte Verschiebung der Phase des Mikrowellensignals P₁ unter Steuerung durch das Sagezahnsignal Pm bewirkt werden kann. Dies läßt sich erreichen durch Umschalten des Schalters 19 auf den Kontakt 19b, so daß das Signal Pm dem Stcuereingang des Phasenschiebers 17 zugeführt wird.

Die hier beschriebene Vorrichtung erfordert nicht die Ableitung eines äußeren Ahtastspannungsimpulses. sonder,1 die Abtastung der zu beobachtenden Schwingungsform erfolgt innerhalb des Kolbens einer Elektronenröhre, und die Beobachtung der Schwingungsform kann in einem extrem hohen Frequenzbereich erfolgen.

Obgleich die vorstehende Beschreibung auf die Beobachtung ijer Schwingungsform von Lichtimpulsen abgestellt ist, läßt sich die beschriebene Vorrichtung zur Beobachtung der Schwingungsformen hochfrequenter elektrischer Signale, wie Mikrowellensignale, bei Verwendung einer geeigneten Anordnung zur Dichtemodulierung eines Elektronenstrahls mit einem derartigen MikroweHensignal ebensogut verwenden. Weiterhin kann bei geeigneter Auswahl des Verstärkers 22 und des Sägezahngenerators 18 die Schwingungsform durch einen mechanischen XY-Schreiber festgehalten werden, anstatt auf einem Oszillographen dargestellt zu werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche: 24

1. Vorrichtung zur Untersuchung der Kurvenform eines mit hoher Wiederholfrequenz auftre- !enden Signals, bei der das Signal während seines wiederholten Auftretens in bestimmten Phasenlagen punktweise abgetastet und die Abtastwerte längs der Y-Achse, die Phasenlage dagegen längs der Zeitachse einer Anzeigevorrichtung dargestellt werden, gekennzeichnet durch eine Modulationsvorrichtung (1) zur Dichtemodulation eines Elektronenstrahls (B) entsprechend der Kurvenform des zu untersuchenden Signals, durch eine den dichtemodulierten Elektronenstrahl unter Steuerung durch eine mit dem zr untersuchenden Signa! synchronisierte Mikrowellenspannung (P₁) ablenkende Ablenkeinrichtung (7 bis 12), und durch einen Kollektor (13 bis 15), dessen wirksame Räche im Ablenkbereich des Elektro- ao nenstrahls (B) angeordnet und so klein ist, daß sie während der Ablenkung des Elektronenstrahls nur für die Dauer einer punktweisen Abtastung des zu untersuchenden Signals vom Elektronenstrahl (B) überstrichen wird, und der mit dem V- as Eingang der Anzeigevorrichtung (23) verbunden ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Elektronenstrahlerzeugungssystem mit einer photoelektrischen Oberfläche (Photokathode 1), die auf einem evakuierten Kolben (E) ausgebildet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkeinrichtung (7 bis 12) einen Hohlraumresonator (7) enthält, dem die Mikrowellenspannung zugeführt wird.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollektor (13 bis 15) eine Maskenelektrode (13) mit einem Loch (14) oder Schlitz und eine hinter diesem angeordnete KoI-lektorelektrode (15) zum Auffangen der durch das Loch oder den Schlitz gelangenden Elektronen aufweist, und daß die Anzeigevorrichtung durch einen Kathodenstrahloszillographen (23) gebildet wird, dessen Y-Ablenkeingang eine Spannung entsprechend dem durch die Kollektorelektrode aufgefangenen Elektronenfluß zugeführt wird.