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Verfahren und Anordnungen zur Quersteuerung von Elektronenstrahlen
Bekanntlich finden Piezokristalle in der Hoch- und Niederfrequenztechnik vielfache
Anwendung als Schwingungssysteme von genau definierter und unveränderlicher Eigenfrequenz
und mit außerordentlich schwacher Dämpfung, und zwar entweder als Resonatoren oder
als Stabilisatoren. Resonatorkristalle dienen dazu, um eine bestimmte Normalfrequenz
festzulegen, auf die eine veränderliche Frequenz genauestens abgeglichen werden
kann, während Frequenzstabilisatoren so in einen Sender oder in eine Selbsterregungsanordnung
eingefügt werden, daß sich nur oder bevorzugt die Eigenwelle des Kristalls erregt.
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Für elektrische Frequenzmessungen (Resonatoren) kommt die direkte
Beobachtung der mechanischen Schwingungen, die der Kristall ausführt, wegen ihrer
minimalen Amplitude nicht in Betracht, sondern man ist zur Beobachtung des Schwingungszustandes
auf elektrische Effekte angewiesen. Je nach dem Verwendungszweck und je nach der
zur Verfiigung stehenden Energie bieten sich mannigfaltige Möglichkeiten. Am einfachsten
ist es, die piezoelektrischen Resonanzspannungen, die auf Grund des reziproken Piezoeffekts
im Kristall entstehen, oder die Hochfrequenzströme zu beobachten, welche der Kristall
aufnimmt und welche bei Resonanz ein Maximum durchlaufen. Während man zur Messung
der piezoelektrischen Resonanzspannungen außerhalb des Kristalls oder seiner Fassung
ein getrenntes Meßgerät benötigt, kann man dieselben in bekannter Weise auch so
zur Anzeige bringen, daß man den Kristall in eine unter niedrigem Druck stehende
Gasatmosphäre bringt, die durch die hohen Piezospannungen ionisiert wird und zum
Leuchten kommt. Alle diese bekannten Methoden erfordern verhältnismäßig starke Hoch-
oder Niederfrequenzleistungen, um den Kristall so stark anzuregen, daß man bereits
mit einfachen Meßinstrumenten auskommt, was besonders hinsichtlich der Glimmentladungen
gilt, die bekanntlich erst bei Zündspannungen über ioo Volt einsetzen.
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Ferner ist bekannt, Verstärker- und Schwingungserzeuger, die auf Grund
des sog. Ouersteuerprinzips arbeiten, mit Hilfe eines Piezokristalls zu stabilisieren,
indem man den Ablenkplatten einer Ouersteuerröhre einen piezoelektrischen Kristall
außerhalb der Röhre zwecks Steuerung des Elektronenstrahls parallel legt. Hierbei
gelangen allerdings, ebenso wie im Fall der Resonanzanzeige mit einer Kathodenstrahlröhre,
nicht die vollen Piezospannungen zur Einwirkung auf den Elektronenstrahl, sondern
nur die Nutzspannungen, die sich von der Kristallfassung abgreifen lassen.
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Das Verfahren gemäß der Erfindung übertrifft sämtliche bisher bekannten
Methoden an Empfindlichkeit. Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Quersteuerung
von- Elektronenstrahlen, bei dem der Strahl
dicht an der Oberfläche
einer oder mehrerer Piezokristalle vorbeigeführt und von den piezoelektrischen Resonanzspannungen
unmittelbar abgelenkt wird. Neben der piezoelektrischen Feldverstärkung wird dabei
noch von der geometrischen Übersetzung Gebrauch gemacht, welche sich mit einem als
masseloser Hebel oder Zeiger anzusehenden Elektronenstrahl verwirklichen läßt. Erfindungsgemäß
wird die Anordnung zur Durchführung des Verfahrens so getroffen, daß das elektrische
Feld, welches die Piezoresonanzspannungen zwischen der Kristalloberfläche und einer
ebenen Elektrode, welche zugleich die Anregung vermittelt, als Ablenkfeld für einen
Kathodenstrahl benutzt wird, der wie beim gewöhnlichen Kathodenstrahloszillographen
auf einen Fluoreszenzschirm auftrifft oder wie bei der an sich ebenfalls bekannten
Quersteuerröhre von einer oder mehreren Prallanoden abgefangen und zur Verstärkung
oder Schwingungserzeugung ausgenutzt wird. Die minimalen Änderungen seiner Richtung,
die der Strahl bereits in einem schwachen Ablenkfeld von genügender Länge erfährt,
verursachen wegen der Hebelübersetzung beträchtliche Verschiebungen des Leuchtflecks,
so daß schon Piezospannungen von wenigen Volt sichtbar werden oder starke Änderungen
der auf die Prallanoden auftreffenden Strahlströme zur Folge haben.
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Zur näheren Veranschaulichung des Erfindungsgegenstandes in seiner
Verwendung als Resonator diene die in Abb. i schematisch dargestellte Anordnung:
Q ist ein beliebiger Piezokristall aus Ouarz oder Turmalin, der sich zwischen zwei
ebenen Platten P1 und P= befindet. Damit seine Schwingungen möglichst wenig gedämpft
werden, ist er zwischen zwei Schneiden S' und S" lose eingespannt. Während die untere
Platte der Oberfläche des Kristalls dicht gegenübersteht oder ihr sogar anliegen
kann, hat die öhere Platte vom Kristall den Abstand cl, und durch den so entstehenden
Raum geht der Elektronenstrahl E hindurch, der in der üblichen Weise von der Glühkathode
1i ausgeht und mit Hilfe der Elektronenlinse O gebündelt wird.
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Die Meßspannung, deren Frequenz geprüft oder mit der Eigenschwingungszahl
des Quarzes in Übereinstimmung gebracht werden soll, wird an die beiden Platten
P, und P2 gelegt. Sie ruft zwischen diesen ein schwaches Wechselfeld hervor, welches
den Elektronenstrahl kaum merklich ablenkt, so daß der Leuchtfleck auf dem Fluoreszenzschirm
ein klein wenig auseinandergezogen wird. Sobald sich die Frequenz der Prüfspannung
der Eigenfrequenz des Kristalls nähert oder in Resonanz gerät, überlagern sich den
schwachen Anregungsspannungen die hohen piezoelektrischen Resonanzspannungen. Das
Ablenkfeld wird infolgedessen sehr viel stärker, und auf dem Fluoreszenzschirm entsteht
ein Leuchtstrich, dessen Länge genau im Resonanzfall am größten ist. Da der Strahl
bei den in der Oszillographentechnik gebräuchlichen. Strahlgeschwindigkeiten von
wenigen Volt schon deutlich sichtbar abgelenkt wird, reichen schon Anregungsspannungen
von Bruchteilen eines Volts aus, um die Quarzresonanz mit Sicherheit erkennen zu
lassen. Da der Kristall praktisch kaum belastet ist und da keinerlei Rückwirkungen
vorhanden sind, die den Kristall dämpfen und seine Resonanzkurve verflachen könnten,
ist die Resonanzanzeige außerordentlich scharf und stabil, zumal bei der geringen
Schwingleistung Frequenzverwerfungen durch Erwärmung nicht zu befürchten sind.
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In der Umgebung sehr starleer Hochfrequenzsender ist unter Umständen
eine kapazitive Ankoppelung des Piezoquarzes über die beiden Platten P1 und P@ überflüssig,
weil der Kristall schon durch das elektrische Streufeld des Senders iri genügend
starke Schwingungen versetzt werden kann. In diesem Fall braucht die in Abb. i dargestellte
Röhre lediglich in die Nähe des Senders gebracht zu werden, um seine Frequenz auf
die des Quarzes abgleichen zu können.
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Eine noch schärfere Resonanzanzeige, als auf Grund der Resonanzkurve
eines einzigen Ablenkquarzes erzielt werden kann, läßt sich in Weiterführung des
Erfindungsgedankens mit dem in Abb. - a schematisch gezeigten Differentialsystem
erhalten. In dieser Röhre sind beiderseits des Elektronenstrahls E zwei Quarze Q1
und Q2 angebracht, die zwischen sich das Äblenkfeld für den Strahl erzeugen. Die
Eigenschwingungszahlen beider Quarze weichen etwas voneinander ab, liegen jedoch
so dicht zusammen, daß sich ihre Resonanzkurven überschneiden, wie in Abb.2b angedeutet.
Zwischen den beiden Resonanzmaxima bei den Frequenzen itl und 7a2 bildet sich offenbar
eine Einsattelung, die offenbar außerordentlich scharf ist, wenn die beiden Resonanzkurven
sich in der dargestellten Weise mit ihren steilen Flanken schneiden. Bei Einstellung
der zwischen itl und n2 liegenden Frequenz ito wirkt der eine Quarz kapazitiv und
der andere induktiv. Die Piezospannungen an sich sind infolgedessen gegenphasig,
kompensieren sich jedoch in Wirklichkeit, weil die Ablenkfelder wegen der Lage der
Kristalle zu beiden Seiten des Strahls entgegengesetzt gerichtet sind. Wenn beide
Kristalle annähernd gleiche Dämpfung haben., kann man erreichen, daß der Strahl
bei
der Frequenz n, ganz in Ruhe bleibt, so daß man bei Änderung der Frequenz tt eine
Abstimmfigur von dem Aussehen der Abb. a c erhält. Die Einstellung der Frequenz
n, ist also besonders scharf, weil sie nicht allein nach den Amplituden, sondern
auch nach der Phase der piezoelektrischen Spannungen erfolgt.
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Die soweit beschriebenen piezoelektrischen Oszillographenanordnungen
sind dadurch gekennzeichnet, daß sie nur eine ganz bestimmte Frequenz, nämlich die
Kristallfrequenz, festlegen und nur für diese eine Frequenz brauchbar sind. Um die
Anordnung bei verschiedenen Frequenzen benutzen zu können, könnte man grundsätzlich
daran denken, mehrere piezoelektrische Ablenksysteme mit verschiedenen Frequenzen
in Strahlrichtung hintereinander anzuordnen. Abgesehen davon, daß die Empfindlichkeit
für jedes System wegen der veränderten Hebelübersetzung oder Zeigerlänge um so kleiner
wird, je näher das betreffende System zum Schirm hin liegt, kann man bei einer solchen
Mehrfachanordnung nicht erkennen, welchem der Systeme die auf dein Schirm auftretenden
Auslenkungen zugeordnet sind bzw. von welchem System oder von welcher Frequenz sie
herrühren. Man muß also danach trachten, auf (lern Leuchtschirm einen Frequenzmaßstab
anzubring en, dessen einzelne Marken den einzelnen Piezokristallen entsprechen.
Dies läßt sich erreichen, indem man die einzelnen Kristalle nicht hintereinander,
sondern nebeneinander anordnet. Man kann dann über jeden Kristall einen besonderen
Elektronenstrahl schicken, kann aber auch für alle Kristalle einen gemeinsamen zusammenhängenden
Flachstrahl verwenden, oder man kann schließlich einen einzigen Strahl über sämtlichen
Kristallen hin und her bewegen, so daß er die einzelnen piezoelektrischen Ablenkfelder
gewissermaßen nacheinander in schnellem Wechsel abtastet.
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Die Abb.3a stellt den Querschnitt durch ein Melirfaclipiezoresonanzfeld
entsprechend der Erfindung dar. Pi und P, sind wieder die Anregungs- und Ablenkplatten.
Auf der unteren Platte sind in dem dargestellten Beispiel e Kristalle Qi bis Q,
verteilt, deren Eigenschwingungszahl von links nach rechts stetig sinkt, wie an
dein wachsenden Querschnitt zu erkennen ist. Durch dieses Affenkfeld zwischen der
Oberfläche der Kristalle und zwischen P1 kann inan nun entweder mehrere Strahlen
schicken, so daß zu jedem der 5 Kristalle ein besonderer Strahl gehört, oder man
benutzt einen schmalen Flachstrahl, dessen Querschnitt in der Abb.3a als langgestrecktes
Rechteck E eingezeichnet ist. C(ber dein Kristall, dessen Eigenfrequenz der Frequenz
der an P1 und P2 gelegten Meßspannung am nächsten kommt oder mit dieser übereinstimmt,
entsteht das stärkste Wechselfeld, und die betreffende Zone des Flachstrahls wird
bis zum Fluoreszenzschirm hin am stärksten abgelenkt.' Auf diese Weise erhält man
die in Abb. 3b gezeigte Abstimmfigur. Man sieht, daß die Meßfrequenz zwischen der
Eigenfrequenz von Kristall Q, und Q3 liegt, und zwar dem stärkeren Ausschlag von
Q3 entsprechend etwas näher an n3. Die Ablesung entspricht damit der Ablesung des
bekannten mechanischen oder elektromechanischen Zungenfrequenzmessers, dessen Prinzip
durch die Erfindung gewissermaßen auf piezoelektrischern Wege und mit Hilfe des
Iiathodenstraliloszillographen ins Hochfrequenzgebiet übertragen ist. Es ist klar,
daß sich Meßgenauigkeit und Meßbereich durch den Einsatz zahlreicher Piezokristalle
mit beliebigen Abstufungen nach Bedarf verfeinern lassen.
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In der Abb. q. ist eine Anordnung im Längsschnitt gezeigt, welche
an Stelle eines Flachstrahls, der das ganze piezoelektrische Ablenkfeld auf einmal
erfaßt, mit einem Fadenstrahl arbeitet. Dieser wird von einer zwischen den Querplatten
P3 und P,, liegenden Wechselspannung von beispielsweise 5o Hz durch das ganze Ablenkfeld
hin und her bewegt, so daß -der Schwingungszustand der Piezokristalle Q, bis O_,
auf dem Fluoreszenzschirrn nacheinander zur Anzeige gebracht wird, allerdings so
schnell, daß das Auge dem Abtasten nicht zu folgen vermag, sondern daß für das Auge
dieselbe Abstimmfigur, wie in Abb.3b gezeigt, erscheint. Damit der Strahl jeweils
immer nur einen einzigen Kristall überstreicht, müssen die Kristalle etwas gegeneinander
geneigt angeordnet werden, wie aus der Abbildung zu erkennen ist. Abgesehen von
dein einfacheren elektronenoptischen Abbildungs- oder Strahlerzeugungssystein hat
die Anordnung der Abb. q. vor dem Flachstrahl den Vorzug, daß der Frequenzmaßstab
auf (lein Leuchtschirm gegenüber der räumlichen Verteilung der Kristalle auseinandergezogen
wird, was der Ablesegenauigkeit und der Einsatzmöglichkeit sehr vieler Kristalle
zugute kommt.
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Die geometrische Vergrößerung des Frequenzmaßstabes bedingt allerdings,
daß die Querablenkung durch die Hilfsfrequenz eine bestimmte, durch die Endpunkte
des Frequenzmaßstabes vorgeschriebene Größe hat, die genau eingehalten werden muß.
Das setzt nicht nur eine bestimmte Ablenkspannung zwischen P3 und P4, sondern auch
ein bestimmtes Anodenpotential der Strahlerzeugung voraus. Diese genaue Einhaltung
der Betriebsverhältnisse erübrigt sich bei der in
Abb. 5 gezeigten
Anordnung, welche eine kreisförmige Frequenzskala hat, über welcher die piezoelektrischen
Resonanzablenkungen in Form eines Polardiagramms erfolgen. Die neue Form des Frequenzmaßstabes
wird dadurch erhalten, daß der Elektronenstrahl E durch zwei lotrecht zueinander
wirkende und mit 9o° Phasenverschiebung gespeiste Ablenkfelder, die in der Abbildung
elektrostatisch sind, die ebensogut auch elektromagnetisch oder elektrostatisch
und elektromagnetisch sein können, von der niederfrequenten Hilfsspannung so abgelenkt
wird, daß er auf einem Kegelmantel umläuft. Dieser Kegelmantel durchsetzt das nunmehr
ebenfalls ringförmig gestaltete piezoelektrische Ablenkfeld, das sich zwischen dem
Außenring P" den Kristallen Q1 bis Qlo und dem konzentrischen Innenzylinder P2 ausbildet.
Die einzelnen piezoelektrischen Ablenkfelder wirken alle in radialer Richtung, und
dementsprechend erfolgen auch diepiezoelektrischen Auslenkungen auf radial verlaufenden
Linien, welche die den Kristallen entsprechenden Frequenzen 7a1 bis nlo bezeichnen.
Damit ist die Frequenzskala allein durch die geometrische Projektion des Ablenkfeldes
auf den Leuchtschirm festgelegt, ohne daß die Größe der Kreisbahn, d. li. die Empfindlichkeit
der niederfrequenten Hilfsablenkung in die Frequenzmessung mit eingeht oder deren
Genauigkeit und Sicherheit zu beeinträchtigen vermag.
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Das im vorstehenden beschriebene Verfahren zur Ouersteuerung von Elektronenstrahlen
ist nicht allein bei Verwendung der Piezokristalle als Resonatoren zu gebrauchen,
sondern auch dann, wenn der Quarz als Stabilisator in Generatoren dienen soll (Stabilisator).
Eine hierfür geeignete Ouersteueranordnung zeigt die Abb@.6. Die Querablenkung des
Elektronenstrahls E durch den Kristall Q geschieht auf die bei Gelegenheit der Abb.
i besprochene Weise. Anstatt daß der Strahl jedoch auf einen Fluoreszenzschirm auftrifft,
geht er nunmehr zu einer Prallanode A über und gibt seine Ladung an diese ab, so
daß der AnoOden'WderStand W, ein Ohmscher Widerstand, eine Drossel oder ein Schwingungskreis
von dem Strahlstrom durchflossen wird. Um den Anodenstrom mit der räumlichen Lage,
in welcher der Strahl gegen A anläuft, in Beziehung zu bringen, ist eine geeignet
geformte Blende B oder eine entsprechende Schirmelektrode vor die Anode geschoben.
In der Lage E' «-erden alle Strahlelektronen von der Blende B abgefangen, und der
Anodenstrom ist infolgedessen Null, während in der Lage E"@ der ganze Strahlstrom
auf A übergeht. Die an dem Widerstand W entstehenden Spannungsabfälle werden, nun
auf die Platte P. zurückgeführt und regen ihrerseits den Kristall Q an. Auf diese
Weise findet eine rückkoppelartige Selbsterregung statt, und die Eigenschwingungen
des Kristalls schaukeln sich zu einem stationären Endzustand hoch. Durch geeignete
Formgebung der Blende B läßt sich die Phasenlage der Rückkoppelung so einstellen,
daß man entweder auf dem induktiven oder auf dem lcapazitiven Ast der Quarzresonanzkurve
arbeitet. Auch bei diesem Rückkoppelgenerator mit Ouarzsteuerung treten keinerlei
Rückwirkungen auf den Kristall selbst auf, so daß der Generator immer phasenrein
und vollkommen unabhängig von allen äußeren Einflüssen, wie z. B. von Belastungsänderungen
oder von Schwankungen der Betriebsverhältnisse, arbeitet. Statt den Anodenstrom
durch Abfangen des Strahls auf einer Prallanode zu erzeugen, kann derselbe auch
durch Influenzwirkung gewonnen werden.
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In der Abb. 7 ist die Weiterentwicklung des unsymmetrischen Rückkoppelgenerators
nach Abb.6 zu einem Gegentaktsender dargestellt. Der Strahl E trifft auf zwei in
einer Ebene befindliche gleichwertige Prallanoden A1 und A2 auf, so daß der Strahlstrom
je nach der Ablenkung aus der mittleren Strahllage bald zur oberen bald zur unteren
Anode übergeht. Zum Abfangen des durch die Strahlelektronen aus den Anoden ausgelösten
Sekundärelektronenstroms ist ein Steuergitter S vorgesehen. Beide Anoden sind mit
geeigneten Widerständen, in diesem Fall mit Drosselspulen Dl und D2 belastet. Die
an den beiden Drosseln entstehenden Hochfrequenzspannungen werden auf die Platten
P1 und P2 zurückgeführt, wobei die Zuleitungen überkreuzt werden müssen, um der
Rückkoppelung die richtige Phasenlage zu sichern. Natürlich kann an Stelle der hier
gezeigten galvanischen Rückkoppelung auch eine induktive Rückkoppelung auf die beiden
Spulen Dl und D. oder auf einen die beiden Anoden symmetrisch belastenden Resonanzkreis
vorgesehen werden.
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Die Rückkoppelgeneratoren lassen sich auf bequeme Weise modulieren,
indem man die Strahlstromstärke steuert, wie es von der Helligkeitssteuerung von
Kathodenstrahloszillographen allgemein bekannt ist. .