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Einrichtung zur handbedienten oder selbsttätigen Regelung hoher Gleichspannungen,
insbesondere zu deren genauen Konstanthaltung, vorzugsweise für Elektronenmikroskope
Zur Messung hoher Gleichspannungen sind Einrichtungen bekannt, bei denen die Erscheinungen
der Elektronenbeugung in einer Kathodenstrahlröhre ausgenutzt werden. Da die Breite
der Elektronenbeugungs.ringe eine bestimmte endliche Größe hat, ist die erzielbare
Genauigkeit vielfach nicht ausreichend. In der Elektronenröhrentechnik, beispielsweise
zum Konstanthalten der Betriebsspannung von Elektronenmikroskopen, werden mitunter
hohe Gleichspannungen von außerordentlich konstantem Wert benötigt. Der Schwankungsbereich
der Betriebsspannung darf hier nicht größer als der natürliche Schwankungsbereich
der Elektronengeschwindigkeiten sein. Bei den. bekannten Mikroskopen liegt der Schwankungsbereich
der Elektronengeschwindigkeiten noch in der Größenordnung von einigen roo Volt.
Zur Steigerung des Auflösungsvermögens muß er beispielsweise durch Anwendung einer
Glühkathode oder anderen Maßnahmen auf Bruchteile eines Volts herabgedrückt werden.
Um das Auflösungsvermögen um mehrere Größenordnungen gegenüber dem des Lichtmikroskops
zu steigern, muß das Verhältnis vom Spannungswert des Schwankungsbereiches zur Betriebsspannung
auf Werte von; 1o-4 bis 1o-6 gebracht werden. Erst dann wird der chromatische Fehler
bei einem Objektivdurchmesser von 0,5 bis 1 mm so klein, daß das durch ihn
begrenzte Auflösungsvermögen Beträge von 1o-5 bis i o-6 mm annimmt.
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung, zur handbedienten
oder selbsttätigen Regelung hoher Gleichspannungen, insbesondere zu deren genauer
Konstanthaltung, und gestattet es, die eingangs geschilderte Auf-
,labe
zu lösen. Erfindungsgemäß wird eine als Regelröhre ausgebildete Kathodenstrahlröhre
mit zwei einander entgegenwirkenden Ablenkfeldern der gleichen Größenordnung angewendet,
von denen das eine durch mit der zu Gleichspannung verbundene Ablenkplatten., das
andere durch ein' in der gleichen Zone wirkendes Magnetfeld entsteht. Da sich. durch
.die einander entgegenn irkenden beiden Ablenkfelder ein Instrument mit unterdrücktem
Nullpunkt ergibt, hat man den Vorteil, maß eine Meßskala angewendet werden kann,
.die jeweils nur den Spannungsbereich umfaßt, der den größten betriebsmäßig vorkommenden
Schwankungen entspricht. Hierdurch erhält man für die Lösung der gestellten Aufgabe
ein Instrument, daß eine Anzeige mit der geforderten extrem hohen Genauigkeit ermöglicht.
Bei -!- 5 °/o Spannungsschwankungen müßte die Meßskala unter Voraussetzung einer
Zeigerbreite von o,i mm dann nur noch eine Länge von io cm bis io in aufweisen.
Wird beispielsweise durch Zwischenschaltung eines Regeltransformators oder noch
besser durch die Hintereinanderschaltung von zwei oder mehr aufeinander und auf
den Verbraucher richtig angepaßter Regeltransformatoren die Schwankung der der Anlage
zugeführten Spannung bereits auf io@ verringert, so kann (unter Voraussetzung einer
linearen Spannungsübersetzung in der Anlage) die Länge der Meßskala in dem obigen
Beispiel auf Werte zwischen i mm und io cm reduziert: «,-erden.
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Es ist an. sich schon bei einer gasgefüllten Fernsehröhre bekannt,
den Nullpunktsfehler durch zusätzliche Ablenkfelder zu vermeiden. Hier handelt es
sich jedoch nicht um das Problem, extrem hohe Spannungen genau zu messen und die
Meßwerte zur Regelung der Spannung zu benutzen.
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Die absolute Länge der MeßSkala, in Spannungen ausgedrückt, hängt
bei der vorliegenden Anordnung ab von dem ausnutzbaren Durchmesser des Schirmes
der Elektronenstrahlröhre, von der Empfindlichkeit des elektrostatischen Ablenksystems
und von der Größe der Anodenspannung der Elektronenstrahlröhre. Die Lage der Meßskala
in dem Gesamtspannungsbereich wird bestimmt durch die Größe des konstanten magnetischen
Hilfsfeldes. Durch Veränderung der Stärke des magnetischen Hilfsfeldes und: durch
geeignete Bemessung :der zuvor erwähnten Faktoren gelingt es stets zu erreichen,
daß gerade jener Spannungsbereich auf dem Leuchtschirm der Elektronenstrahlröhre
zu liegen kommt, der dem Schwankungsbereich der Hochspannungsanlage entspricht.
Soll nur ein relativ zur Hochspannung kleiner Ausschnitt erfaßt werden, so müssen
die beiden Ablenkfelder so kräftig sein, daß, würde jedes Ablenkfeld für sich allein
wirken, der Elektronenstrahl .schon im Ablenkfeld auf die Ablenkplatten treffen
müßte. Bei so außerordentlich starken Ablenkfeldern wird nur dann der Elektronenstrahl
unausgeblendet zur Schirmzone gelangen können, wenn dafür gesorgt wird, daß auch
die Länge beider Ablenkfelder möglichst übereinstimmt. Durch Anwendung von Polschuhen
in- oder außerhalb der Röhre kann das magnetische Hilfsfeld dem elektrischen Ablenkfeld
in der Länge und Form angeglichen werden. Durch Formgebung der Ablenkplatten können
schließlich die unvermeidlichen Abweichungen von dieser Bedingung, die evtl. zu
einer gekrümmten oder wellenförmigen Strahlbahn führen, unschädlich gemacht werden.
Die Ränder Tier Ablenkplatten und der übrigen in der Nähe befindlichen Elektronen
werden zweckmäßig abgerundet, um Spannungsdurchschläge in dieser Vakuumröhre zu
vermeiden.
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Da die elektrostatische Ablenkung linear mit der Anodenspannung und
die magnetische Ablenkung mit der Wurzel aus der Anodenspannung ihre Ablenkempfindlichkeit
ändert, muß auch die Spannung der Anodenquelle der Elektronenstrahlröhre möglichst
konstant sein.
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Um für ein bestimmtes Verhältnis des magnetischen Ablenkfeldes. zum
elektrostatischen Ablenkfeld Akromasie zu erzielen, kann man die'Amplituden der
beiden Ablenkfelder und die Größe der Anodenspannung der Regelröhre so abgleichen.,
daß die resultierende Ablenkung als Funktion der Anodenspannung den Differentialquotienten
Null erreicht. Auf Grund dieser Bedingung kann man die Abmessungen: der Kontrollröhre
berechnen. Da aber die Randfelder an Polschuhen und Platten nur schwer zu berechnen
sind, empfiehlt es sich, auf experimentellem Wege durch Veränderung der Anodenspannung
der Kontrollröhre zu bestimmen; bei welchem Anodenspannungswert der genannte Differentialquotient
den Wert Null erreicht. In der Umgebung dieser Betriebsspannung bewirken geringe
Schwankungen der Betriebsspannung keine merklichen Verschiebungen der Meßskala.
Es genügt dann die Anodenspannung für'den Bereich der Kontrollröhre durch übliche
Regeltransformatoren oder Stabilisatoren auf io ° bis i)-3 konstant zu halten:.
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In Abb. i ist eine Ausführungsform für die Kontrollröhre gemäß der
Erfindung angegeben. Der von dem Strahlerzeugungssystem i ausgehende Elektronenstrahl
wird durch die beiden der resultierenden Strahlbahn anggepaßten Ablenkplatten 2
nach unten
stark abgelenkt. Der Magnet 3 wirkt dieser Ablenkung
entgegen. Nach Durchlaufen des Ablenksystems trifft d er Elektronenstrahl auf den
Leuchtschirm q.. Umäußere Überschläge zu vermeiden; wird die nicht geerdete Elektrode
des elektrostatischen Ablenksystems durch einen isolierenden Glasansatz getragen.
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Man kann einen bestimmten Spannungswert von Hand einregem, wenn an
die Ausgangsseite der Hochspannungsanlage ein Siebglied geschaltet wird; dessen
Zeitkonstante groß ist gegen die für die Regelung von Hand benötigten Zeiten (Größenordnung
i Sekunde). Die Regelung von Hand kann durch veränderliche Widerstände, z. B. Drosselspulen,
geschehen, die im Primär- oder Sekundärstromkreis angeordnet sind. Auch dann, wenn
die Regelung automatisch über eine Vorrichtung sehr viel kürzerer Regelzeit geschieht,
kann man ein Siebglied entsprechend kleinerer Zeitkonstante nachschalteni, wenn
nicht schon die Kapazitäten in der Hochspannungsanlage selbst eine hinreichendeTrägheit
sicherstellen. Diese Kapazitäten müssen so groß sein, daßdie Netzunruhe höchstens
die Größenordnung des Spannungsschwankungsbereiches erreicht.
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Für die automatische Regelung kann z. B., die Lageänderung des Leuchtfleckes
durch zwei in Differentialschaltung verbundene photoelektrische Zellen über geeignete
Verstärkereinrichtungen benutzt werden. ' Ein anderer Weg ist in der Abb. 2 angedeutet.
Hier erfolgt die Spannungsregelung automatisch mit Hilfe einer Fangelektrode 5,
die am Ort der Auftreffstelle des Elektronenstrahls in der Kontrollröhre angebracht
ist. Zur Richtungbestimmung der Regelung ist vor der Fangelektrode eine Schirmelektrode
6 angeordnet, die zur Ableitung der primären und sekundären Elektronen mit der Anode
bzw. der Innenbelegung der Kontrollröhre verbunden ist. Die Anode der Kontrollröhre
wirk, beispielsweise ebenso wie die eine Ablenkel:ektro@de geerdet. Wird die Fangelektrode
über einen hohen Ohmschen Widerstand (Größenordnung ios Ohm) zur Erde oder zu einem
anderen geeigneten Potentialwert abgeleitet (der Widerstand ist innerhalb der Verstärkereinrichtung
8 angeordnet), so stellt sich an diesem Widerstand, sobald der Elektronenstrahl
auf die Fangelektrode trifft, ein Gleichspannungsabfall ein, der über die VerstärkereinTichtung
8 auf diejenige Amplitude gebracht werden soll, die notwendig ist, um i eine wirksame
Spannungsregelung zu gewährleisten. Indem anderen Grenzfall der Regelung, daß der
Elektronenstrahl auf die Schirmelektrode 6 trifft, findet kein Spannungsabfall an
dem Ableitewiderstand statt, und die Spannung äm Ausgang der Verstärkereinrichtung
8 erreicht ihre andere Grenze. Die eigentliche Regelung erfolgt in dem Gebiet, wo
der Strom teilweise auf die Elektrode 5 und teilweise auf die Elektrode 6 gelangt.
Damit bei gegebenem Strahldurchmesser oder gegebener Breite des bandförmigen Elektronenstrahls
in der Kontrollröhre dieser Übergang genügend langsam vor sich geht, kann man durch
besondere Formgebung der Elektrode 6, z. B. durch Auszähnung, die Steilheit des
Überganges verflachen.
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Die Spannungsamplitude, die die Regelröhre zur Verfügung stellt, ist
um so größer, je besser die Fangelektrode gegen solche herumirrenden Sekundärelektronen
abgeschirmt ist, die bei Auftreffen des Elektronenstrahls auf die Elektrode 6 entstehen.
Gegebenenfalls ist die Elektrode 6 zur Verringerung der Sekundäremission mit einer
geeigneten Oberfläche, z. B. mit einer Kohleschicht, zu überziehen. Als Verstärker
8 kann ein einfacher einstufiger Gleichstromverstärker dienen.
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Man. kann aber auch eine Trägerstromverstärkung benutzen, indem man,
den Anodenstrom der Kontrollröhre, beispielsweise mit Hilfe eines Wehneltzylinders,
durch eine Wechselspannung mit einer gegen die Regelzeit sehr kleinen Periodendauer
in seiner Intensität moduliert. Als Regelverstärker kann dann ein normaler Wechselstromverstärker
dienen, an dessen Ausgangsseite gegebenenfalls unmittelbar durch Gleichrichtung
die Regelspannung hergestellt wird. Die Trägerstromverstärkung bietet bei Anwendung
einer mittel- oder hochfrequenten Trägerfrequenz die Möglichkeit, die Regelspannung
der Hochspannung zu übertragen. Dies hat zur Voraussetzung, daß zwischen die Ausgangsseiten.
des Trägerstromverstärkers und des Trägerfrequenzgleichrichters eine 'zweckmäßig
aßgestimmte Hochfrequenzkopplung geschaltet wird., die leicht gegen Hochspannung
isoliert ausgeführt werden kann. Im Gegensatz hierzu ist bei der in Abb.2 dargestellten
Ausführungsform der Regelverstärker 8 zwischen Hochspannungsquelle 7 und Erde -geschaltet.
Diese Schaltweise ist bei Anwendung einer Gleichstromverstärkung notwendig.
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Die Hochspannungsanlage 7, der Regelverstärker 8 und das Netzanschlußgerät
9p für die Kontrollröhre werden über eine schematisch dargestellte, zur Konstanthaltung
der Spannung dienende, an sich bekannte Anordnung io mit Strom versorgt. Wenn beispielsweise
ein magnetischer Spannungsgleichhaltetransformator zur Grobregelung dient, so kann
eine Konstanz von io-3 erreicht werden bei Schwankungen der Netzspannung um io °/o.
Zur weiteren Herabsetzung schneller Schwankungen kann man auch die Kaskadenschaltung
mehrerer solcher Spannungsgleichhalter verwenden.
Durch die Hintereinanderschaltung
mehrerer Grobregler und Regelung von Hand kann man leicht auch sehr langsame Spannungsschwankungen
ausgleichen.
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Wenn es sich uni die Konstanthalfung der Gleichspannungen beim Elektronenmikroskop
handelt, kann man mit Vorteil las magnetische Hilfsfeld der Kontrollröhre mit einem
Elektromagneten hervorrufen. Der Gleichstrom für den Magneten kann dann einem Stromkreis
entnommen werden, der noch einen oder mehrere als Linsen dienende Elektromagneten
versorgt. Hierdurch wird erreicht, daß die restlichen Schwankungen -der Betriebsspannungen
sich teilweise gegenseitig aufheben.
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Man kann die Kontrollröhre an die Verbindungsleitung vom Siebglied
i r zur Hochspannungsanlage ; auch unmittelbar an die Hochspannungsklemme des Verbrauchers
anschließen, was dann vorteilhaft ist, wenn durch Schwankungen des entnommenen Stromes
bereits mit merklichen Spannungsabfällen im Siebglied i i gerechnet werden muß.