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Elektronisches Meßgerät für sehr schnelle elektromagnetische Schwingungen
Im Bereich von Dezimeterwellen und noch kürzeren Wellen bereitet die Messung von
Stromstärke und Spannung einer Energieströmung sowie der daraus abgeleiteten Größen
beträchtliche Schwierigkeiten. Es ist bekannt, als trägheits- und leistungslos arbeitendes
Meßgerät den hathodenstrahloszillographen zu verwenden. Im Bereich sehr kurzer Wellen
macht sich jedoch auch dabei die Elektronenlaufzeit störend bemerkbar und verlangt
beispielsweise eine besondere, jeweils nur für eine einzige Frequenz richtige Ausbildung
der Ablenkplatten. Beim Anschluß einer Meßeinrichtung an eine Energieleitung ist
ferner zu beachten, daß dadurch die Fortpflanzungsverhältnisse für die Schwingung
möglichst wenig gestört werden dürfen und daß keine unkontrollierbaren Nebenschlußwege
entstehen, die einen mehr oder weniger großen Teil der Schwingungsenergie an dem
Meßgerät vorbeileiten, so daß dieses eine falsche Anzeige liefert. Die vorliegende
Erfindung bezweckt die Überwindung der genannten Schwierigkeiten.
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Zu diesem Zweck wird ein elektronisches Meßgerät zur Bestimmung von
Stromstärke und Spannung sowie der davon abgeleiteten Größen einer elektromagnetischen
Schwingung im Bereich von Dezimeter-und kürzeren Wellen unter Verwendung eines von
der zu untersuchenden Schwingung beeinflußten Elektronenstrahles in der Weise ausgebildet,
daß der Elektronenstrahl einen die zu untersuchende Schwingung
fortleitenden
Hohlleiter mit oder ohne Innenleiter senkrecht zu dessen Achse durchsetzt und nach
anschließendem Durchlaufen eines zeitlich unveränderlichen Querfeldes auf eine Auffangfläche,
insbesondere einen Leuchtschirm, fällt. In dieser Anordnung wird die bei den bekannten
Kathodenstrahloszillographen sich störend bemerkbar machende Elektronenlaufzeit
zur Ermittlung der Meßgrößen nutzbringend verwertet, wie später noch nachgewiesen
werden wird. Infolge der Verbindung der Kathodenstrahlanordnung mit einem Hohlleiter
fügt sich die angegebene Meßeinrichtung organisch in den üblichen Aufbau von Geräten
für sehr kurze Wellen ein, da in diesen der Hohlraum das meist verwendete Element
für Schwingungskreise und Energieleitungen darstellt. Aus demselben Grunde ist aber
auch eine volle Erfassung der ganzen Energieströmung durch die Meßeinrichtung gewährleistet.
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In der Zeichnung zeigt die Abb. i in schematischer Form einen Querschnitt
durch ein Beispiel für die Ausführung des Erfindungsgedankens und die Abb. 2 ein
Beispiel für die Auswertung einer Elektronenstrahlspur. Mit i ist in Abb. i der
Außenleiter und mit 2 der Innenleiter eines koaxialen Energieleitungsabschnittes
bezeichnet, der an beiden Stirnseiten vakuumdicht, aber schwingungsdurchlässig abgeschlossen
ist und beispielsweise im Zuge einer gleichartigen eine Antenne mit einem Schwingungserzeuger
verbindenden Energieleitung eingeschaltet sein möge. Die beiden Leiter sind mit
Öffnungen 3 versehen, die in einer Flucht liegen und einem Elektronenstrahl 4 den
Durchtritt gestatten. Letzterer wird von einer Elektronenstrahlquelle erzeugt, die
aus einer Kathode 5 und den Steuer- bzw. Beschleunigungsblenden 6 bzw. 7 bestehen
möge. In dem Zwischenraum zwischen dem Außen- und dem Innenleiter bildet sich ein
elektromagnetisches Schwingungsfeld aus, dessen elektrische Kraftlinien (i radial
und dessen magnetische Kraftlinien 5 zirkular verlaufen.
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Betrachtet man den Feldzustand in einem Augenblick, in welchem der
elektrische Feldvektor radial nach außen zeigt, und.nimmt man ferner an, daß die
Periodendauer des Schwingungsfeldes lang ist im Vergleich zur Verweilzeit der Elektronen
in dem vom Außenleiter umschlossenen Raum, so wird der Elektronenstrahl beim Durchgang
durch den Leitungsabschnitt zunächst abgebremst und dann um denselben Betrag beschleunigt,
so daß seine Geschwindigkeit im Endergebnis durch das Schwingungsfeld nicht geändert
wird. In gleicher Weise wird die Richtungsänderung, welche der Elektronenstrahl
in der ersten Hälfte seines Aufenthaltes in dem Energieleitungsabschnitt durch das
magnetische Schwingungsfeld erfährt, durch eine gleich große entgegengesetzte Richtungsänderung
in der zweiten Hälfte ausgeglichen. Selbstverständlich müssen Form und Größe der
Öffnungen 3 so gewählt sein, daß der Elektronenstrahl trotz seiner vorübergehenden
Richtungsänderung den Energieleitungsabschnitt durchsetzen kann.
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Der Elektronenstrahl bewegt sich nach seinem Austritt aus dem Energieleitungsabschnitt
auf seinem Wege zum Leuchtschirm 8 in dem zeitlich unveränderlichen elektrostatischen
Querfeld zwischen den beiden Ablenkplatten 9 und io, die als Segmente koaxialer
Zylindermantelflächen ausgebildet sind. Die innere Ablenkplatte g 'mit dem kleineren
Krümmungshalbmesser erhält eine gegen die äußere Ablenkplatte positive Spannung.
Wenn Elektronen mit verschieden großer Bewegungsenergie in der Strahlrichtung in
das Querfeld eintreten, so werden sie in radialer Richtung um so stärker abgelenkt,
je geringer ihre Bewegungsenergie ist, d. 1i. je langsamer sie beim Eintritt in
das Querfeld sind. Wenn der Elektronenstrahl aus Elektronen praktisch gleicher Geschwindigkeit
besteht, ist der Strahlquerschnitt vor und hinter dem Querfeld gleich groß. Die
Geschwindigkeitsunterschiede, welche von der Streuung der Austrittsgeschwindigkeit
aus der Kathode herrühren, können bei ausreichend hoher Spannung an der Beschleunigungsblende
7 vernachlässigt werden, da sie höchstens eine geringfügige Verbreiterung des Leuchtflecks
zur Folge haben. An diesem Zustand ändert sich nichts, wenn im Innenraum des Energieleitungsabschnittes
das vorhin betrachtete, sich verhältnismäßig langsam ändernde Schwingungsfeld vorhanden
ist.
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Anders wird jedoch die Einwirkung des Schwingungsfeldes auf den Elektronenstrahl,
wenn dessen Verweilzeit in dem vom Außenleiter umschlossenen Raum von derselben
Größenordnung wie die Dauer einer Schwingungsperiode ist. Am stärksten macht sich
diese Wirkung dann bemerkbar, wenn das Schwingungsfeld seine Phase um i8o° ändert,
während ein Elektron den vom Innenleiter 2 umschlossenen Raum durchsetzt. In diesem
Falle wird nämlich in beiden Hälften der innerhalb des Außenleiters zurückgelegten
Wegstrecke das Elektron durch das elektrische Schwingungsfeld beschleunigt oder
abgebremst und durch das magnetische Schwingungsfeld nach derselben Richtung abgelenkt.
Da sich das Schwingungsfeld periodisch ändert, schwanken die Geschwindigkeit und
Richtung des Elektronenstrahles im gleichen Rhythmus. Im Beispielsfalle wird aus
der Geschwindigkeitsänderung durch das elektrische Querfeld eine in der Zeichenebene
verlaufende 'Pendelbewegung des Elektronenstrahles abgeleitet, während die von dem
magnetischen Schwingungsfeld hervorgerufene Pendelbewegung in einer zur Zeichenebene
senkrechten Richtung vor sich geht. Der Elektronenstrahl beschreibt damit auf dem
Schirm 8 eine Lissajousche Figur, die im allgemeinen eine Ellipse ist, aber auch
zu einem Kreis oder einer Geraden entarten kann.
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Ein Beispiel für eine Strahlspur auf dem Schirm ist in Abb. 2 dargestellt
und dort mit S bezeichnet. Zur Abb. i orientiert, würde die Abszissenachse U in
der Zeichenebene und die Ordinatenachse senkrecht dazu verlaufen. Die Ablenkung
in der Abszissenrichtung ist der Stärke des elektrischen Schwingungsfeldes (-g-
in dem vom Elektronenstrahl durchsetzten Energieleitungsabschnitt verhältnisgleich,
während die Ablenkung in der Ordinatenrichtung der Größe des magnetischen Schwingungsfeldes
s; und damit der Stärke des Schwingungsstromes entspricht. Somit ist es möglich,
aus Form und Ausdehnung der Strahlspur nach vorheriger Eichung die Stromstärke,
die Spannung und ihren Phasenunterschied an dem vom Elektronenstrahl durchsetzten
Punkt der Energieleitung
zu bestimmen. Bei reinen fortschreitenden
Wellen sind Strom und Spannung in Phase, und die Strahlspur besteht aus einem gegen
die beiden Koordinatenachsen geneigten geraden Strich. Mit zunehmender Phasenverschiebung
verbreitert sich der Strich zu einer Ellipse mit zu den Koordinatenrichtungen geneigten
Achsen. Bei Leerlauf, Kurzschluß oder Abschluß der Energieleitung mit einem reinen
Blindwiderstand fallen die Ellipsenachsen mit den Koordinatenachsen zusammen. Unter
Verwendung der in Abb. 2 bezeichneten Strecken lassen sich folgende Bestimmungsgrößen
der untersuchten Schwingung ermitteln. Der Scheitelwert der Schwingstromstärke ist
proportional der Strecke a und der Scheitelwert der Schwingungsspannung proportional
der Strecke b. Die Phasenverschiebung (p zwischen Strom und Spannung ergibt sich
aus der Beziehung
Die Scheinleistung ist proportional dem Produkt a, b, während sich die Wirkleistung
als proportional dem Produkt b, c und die Blindleistung proportional dem Wert ist.