DE862774C

DE862774C - Einrichtung zur Frequenzsteuerung eines Schwingungserzeugers

Info

Publication number: DE862774C
Application number: DER5517A
Authority: DE
Inventors: Lowell Ellsworth Norton
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1950-03-08
Filing date: 1951-03-08
Publication date: 1953-01-12

Description

Einrichtung zur Frequenzsteuerung eines Schwingungserzeugers Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung und auf Einrichtungen zur Frequenzsteuerung eines Schwingungserzeugers unter Verwendung eines Gases mit wenigstens drei möglichen, d. h. erlaubten Energiezuständen seiner Moleküle.
Gemäß der Erfindung werden dem Gase gleichzeitig sowohl ein Mikrowellenfeld zugeführt, dessen Frequenz mit der Übergangsfrequenz zwischen zwei Energiezuständen übereinstimmt und ein Hochfrequenzfeld, welches mit der Frequenz des zu regelnden Schwingungserzeugers zusammenfällt oder von ihr um einen.bestimmten Betrag abweicht. Die Frequenz des Schwingungserzeugers stimmt mit einer zweiten Übergangsfrequenz zwischen zwei anderen Energiezuständen des Gases überein oder weicht von dieser zweiten Übergangsfrequenz um einen bestimmten Betrag ab, so daß durch Resonanzmodulation eine selektive Absorption der Mikrowellenenergie bei zwei Frequenzen auftritt, welche etwas höher bzw. tiefer liegen als die zuerst erwähnte Übergangsfrequenz. Die relativen Absorptionen bei diesen zwei Frequenzen sind ein unmittelbares Maß für die Abweichung der Frequenz des Schwingungserzeugers oder der ihr gegenüber um einen bestimmten Betrag abweichenden Frequenz von der zweiten Übergangsfrequenz des Gases. Die Frequenz der vom Schwingungserzeuger erzeugten Schwingungen kann daher mit der zweiten Übergangsfrequenz in Übereinstimmung oder von ihr in einem bestimmten Frequenzabstand gehalten werden, und zwar dadurch, daß man die Frequenzsteuerung des Schwingungserzeugers so beeinflußt, daß praktisch gleiche Mikrowellenabsorption bei den beiden genannten selektiven Absorptionsfrequenzen oder Resonanzmodulationsfrequenzen aufrechterhalten wird.
Bei bevorzugten Verfahren und Einrichtungen wird die Frequenz des Mikrowellenfeldes in dauernder Wiederholung innerhalb eines Frequenzbereichs verändert, d. h. überstreicht einen Frequenzbereich, der zwei Resonanzmodulationsfrequenzen enthält, welche höher bzw. tiefer liegen als die ursprüngliche Mikrowellenübergangsfrequenz. Die Mikrowellenenergie, welche vom Gas übertragen wird, wird demoduliert, so daß bei jeder Überstreichung des genannten Frequenzbereichs nacheinander zwei Impulse erzeugt werden, deren relative Amplitude oder Amplitudendifferenz ein genaues Maß für das Vorzeichen und den Betrag der Frequenzäbweichung des Schwingungserzeugers (oder für das Vorzeichen und den Betrag der Abweichung der gegenüber dem Schwingungserzeuger verschobenen Frequenz) von der zweiten Übergangsfrequenz des Gases darstellt: Für eine selbsttätige Steuerung der Frequenz des Schwingungserzeugers wird eine Steuerspannung von veränderlichem Vorzeichen und veränderlicher Größe aus den Mikrowellenabsorptionen der beiden Resonanzmodulationsfrequenzen gewonnen. Die beiden Impulse, welche bei jeder Überstreichung mittels der Mikrowellenfrequenz erzeugt werden, können einer Vergleichsschaltung zugeführt werden, deren Ausgangsspannung, die zur Frequenzsteuerung des Schwingungserzeugers verwendbar ist, eine Polarität besitzt, die von dem Vorzeichen, und eine Größe, die von dem Betrag der Frequenzabweichung abhängt.
Bei einigen Ausführungsformen der Erfindung wird die Vergleichsschaltung von einem der beiden Impulse verriegelt oder auch mittels eines aus dem einen der beiden Impulse abgeleiteten Impulses verriegelt, während bei anderen Ausführungsformen das Überstreichungsintervall gesteuert wird, um eine solche Verriegelung unnötig zu machen.
Die Stärke des zugeführten Hochfrequenzfeldes kann innerhalb gewisser Grenzen beeinflußt werden, um die zweite Übergangsfrequenz des Gases zu beeinflussen. Für eine sehr starre Frequenzsteuerung des Schwingungserzeugers soll die Stärke dieses Feldes, welches auf das Gas einwirkt, bei einem bestimmten Wert. stabilisiert werden.
Die Fig. i A und i B sowie 2 A bis z F dienen zur Erläuterung der grundsätzlichen Erfindungsgedanken sowie zur Erläuterung der Wirkungsweise der entsprechenden Einrichtungen.
Die Fig. 3 bis 5 zeigen in schematischer Darstellung Einrichtungen zur Frequenzmessung und zur Frequenzsteuerung unter Benutzung der Resonanzmodulation eines Gases.
Fig. 6 enthält eine gegenüber Fig. 5 abgewandelte Ausführungsform mit einer Verriegelung der Impuls-Vergleichsschaltung.
Die Fig. 7A, 7B und 7C dienen zur Erläuterung der Schaltung nach Fig. 8, welche ihrerseits in Form eines Blockschaltbildes eine Abwandlung der Fig.5 enthält, bei welcher die Impulsvergleichsschaltung nicht verriegelt zu werden braucht.
Fig. 9 ist ein genaueres Schaltbild der Bestandteile der Schaltung nach Fig. B.
Fig. ioA bis ioI dienen zur Erläuterung der Schaltungen nach Fig. g und ii, während , Fig. ii ein Schaltbild einer gegenüber Fig. 9 geänderten Ausführungsform enthält.
Es sind Verfahren und Einrichtungen zur Stabilisierung von Schwingungserzeugern vorgeschlagen worden, in denen eine Gasabsorptionslinie als Frequenznormal benutzt wird. Bei diesen Einrichtungen ist der stabilisierte Schwingungserzeuger ein Mikrowellenerzeuger, und die Erzeugung einer stabilisierten tieferen Frequenz ist nur auf indirektem Wege, nämlich unter Zuhilfenahme von Frequenzteilern möglich. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird demgegenüber die Frequenz eines Schwingungserzeugers in einem mittleren oder tiefen Frequenzbereich, beispielsweise von einigen zehn oder einigen hundert Megahertz unmittelbar mittels eines Gases unter Benutzung der Erscheinung der sogenannten Resonanzmodulation gesteuert.
In dem hier interessierenden Umfang soll diese Erscheinung unter Bezugnahme auf die Fig. x A und i B sowie 2 A bis 2 D erläutert werden. In Fig. i A sind drei mögliche Energiezustände oder Energieniveaus eines Gasmoleküls dargestellt, nämlich die Energiezustände WQ, W b und W., wobei W, größer ist als Wb und dieser wieder größer als Wa. Zur Erläuterung sei angenommen, daß, wie es beispielsweise bei CO S (Karbonylsulfd) der Fäll ist, die Übergangsfrequenz im Mikrowellengebiet liegt, während eine zweite Übergangsfrequenz in einem viel tieferen Frequenzbereich auftritt, nämlich bei ungefähr 40 MHz bei CO S. Es sei ferner angenommen, ciaß W" --> - W Q und W. < -> W b mögliche Übergänge in jeder Richtung darstellen mögen.
Wean man das Gas einem Felde von der Frequenz co aussetzt oder einem Felde, welches eine nahe der unteren Übeigangsfrequenz yab liegende Frequenz besitzt, werden die Energieniveaus W" und Wb in Fig. iA beide aufgespalten, wie es in Fig. i B dargestellt ist; und es entstehen aus den genannten beiden Energieniveaus je zwei neue Energieniveaus W+, Wb, W+, WQ, wobei der Unterschied innerhalb jedes Paares gleich der Energie hy (h = Plancksche. Konstante) ist, so daß die Mikrowellenabsorptionen bei den Frequenzen um einen Frequenzbetrag voneinander abweichen, der für C O S von der Größenordnung von i MHz ist, wenn die Feldstärke von co einige Volt .beträgt.
Wenn man dem Gas lediglich das Mikrowellenfeld zuführt, wie in Fig. 2 A dargestellt, zeigt sich eine selektive Absorption bei der Übergangsfrequenz y"" sofern das Gas einen geeigneten niedrigen Druck hat, z. B. von der Größenordnung von io-1 mm Hg.
Wenn beide Felder gleichzeitig auf das Gas einwirken, wird die Linie y", aufgespalten, wie in Fig. 2B bis 2 D dargestellt, und zwar in zwei Absorptionslinien von den Frequenzen y'" " und yä .. Das Mikrowellenfeld muß verhältnismäßig schwach sein, so daß die Wahrscheinlichkeit eines Übergangs W, -< > W" geringerist als die Wahrscheinlichkeit eines Wb--> W. - Übergangs.
Die relative Intensität dieser beiden Linien, d. h. der Komponenten der ursprünglichen yacLinie lassen sich foleendermaßen ausdrücken: worin V = ,u - E ist und ,u das permanente Dipolmoment des Moleküls und .9 die elektrische Feldstärke bedeutet, sowie I die Intensität oder die Amplitude der Absorption.
Die Verhältnisse, welche in Fig. 2B - bis 2 D dargestellt sind, sind die folgenden:

Wenn co = co., dann ist #a # = I,

a

wenn co < coo, dann ist la c > I'

a

wenn co > co, dann. ist j° C < I,

wobei co die zu steuernde Oszillatorfrequenz ist. Kurz gesagt, hängt die relative Intensität oder der Differenzbetrag der Intensitäten der zwei Absorptionslinien, welche durch Resonanzmodulation der -y., - Linie erzeugt wird, sowohl dem Vorzeichen als der Größe nach davon ab, ob das zugeführte Feld von der Frequenz co größer, gleich oder kleiner als die tiefere Übergangsfrequenz co, = yab des Gases ist.
In gleicher Weise wird, wenn dem Gase sowohl Mikrowellenenergie von der Übergangsfrequenz als auch eine niedrigere Frequenzenergie genau oder in der Nähe der tieferen Übergangsfrequenz yab zugeführt wird, die yb#-Linie in zwei Absorptionslinien aufgespalten, welche Frequenzen etwas oberhalb und etwas unterhalb der Mikrowellenfrequenz yb@ besitzen, und deren relative Intensitäten oder Intensitätsdifferenz ein unmittelbares Maß für die Differenz zwischen der unteren Übergangsfrequenz yab und der Frequenz des auf das Gas einwirkenden Feldes der niedrigeren Frequenz gibt.
Genauer gesagt, wird also, wenn ein Feld von der Frequenz. des Schwingungserzeugers auf das Gas einwirkt, während die Mikrowellen-Absorptionslinie beobachtet wird, die Mikrowellenlinie aufgespalten, wenn der Schwingungserzeuger eine Frequenz von yab besitzt. Die Größe der Aufspaltung hängt von der Stärke des einwirkenden Schwingungserzeugerfeldes ab, und die relativen Intensitäten der beiden Aufspaltungskomponenten hängen von seiner Abweichung von der unteren Übergangsfrequenz ab. Zusätzlich hängt das Vorzeichen der relativen Intensitäten davon ab, ob die Frequenz des Feldes «) größer oder kleiner als die tiefere Durchlaßfrequenz ist. Man kann also die Frequenz co, durch die molekularen Eigenschaften des Gases mit großer Genauigkeit definieren und als Frequenznormal zur Steuerung benutzen.
Zur Benutzung des Prinzips der Resonanzmodulation für die Frequenzsteuerung ist es lediglich notwendig, die relativen Intensitäten zweier durch Aufspaltung entstandenen Absorptionslinien miteinander zu vergleichen, und zwar mit einer Genauigkeit, die viel geringer ist (nämlich ungefähr i/8o für COS) als die gewünschte Genauigkeit der Frequenzsteuerung. Der Ausgang der Intensitätsvergleichsschaltung (die in einem einfachen Fall aus zwei vorgespannten Spitzengleichrichtern bestehen kann) wird als Steuerspannung benutzt, um die Frequenz des Schwingungserzeugers zu korrigieren.
Im folgenden werden eine Reihe von im allgemeinen übereinstimmenden aber in Einzelheiten voneinander abweichenden Anordnungen zur Frequenzsteuerung eines Schwingungserzeugers unter Benutzung der oben beschriebenen Resonanzmodulation beschrieben.
In Fig. 3 enthält der geschlossene Behälter io, der einen Teil eines Wellenleiters bilden kann, eine Gasmenge, z. B. C 0 S, mit wenigstens drei möglichen Energiezuständen seines Moleküls. Das Gas wird mit einer seiner Mikrowellenübergangsfrequenzen, z. B. mit der Frequenz y"" erregt, und zwar dadurch, daß ihm Energie über eine geeignete Übertragungsleitung nach Art eines Wellenleiters oder nach Art einer konzentrischen Leitung vom Mikrowellenerzeuger ii zugeführt wird. Der Gasbehälter io ist mit Abschlußfenstern aus Quarz od. dgl., die für Mikrowellenenergie durchlässig sind, ausgerüstet. Auf das Gas wirkt außerdem ein Feld einer solchen Frequenz ein, welche mit einer zweiten Übergangsfrequenz des Gases übereinstimmt oder von dieser zweiten Übergangsfrequenz um einen bestimmten Betrag abweicht, beispielsweise von yab. Diese Energie wird von einem Schwingungserzeuger 12 geliefert oder von einem mittels der Vorrichtung 18 oder 5o einstellbaren Verstärker (oder Frequenzvervielfacher), der zwischen diesem Schwingungserzeuger und den das Feld bildenden Elektroden 13 oder gleichwertigen Einrichtungen liegt. Die abweichende Frequenz kann dadurch hergestellt werden, daß man eine Überlagerungsfrequenz mit dem Schwingungserzeuger 12 herstellt.
Die gleichzeitige Erregung des Gases durch die Schwingungserzeuger i1 und 12 spaltet die normale Absorptionslinie y", (Fig. 2 A) in zwei Absorptionslinien yä , und yä, (Fig. 2 B bis 2 D) auf, so daß das Gas jetzt selektive Absorption bei zwei Frequenzen, die etwas höher bzw. tiefer als die Mikrowellenübergangsfrequenz liegen, zeigt. Der Ausgang des Schwingungserzeugers =i wird moduliert, z. B. mittels des Schwebungsoszillators 25, so daß zwei Seitenbänder der Mikrowellenfrequenz entstehen,-von der Größe der Frequenz fo des Oszillators =i .plus und minus der Überlagerungsfrequenz f3. Die Frequenz f3 des Überlagerungsoszillators ist so gewählt, daß die oberen und unteren Seitenbandfrequenzen mit den aufgespaltenen Absorptionslinien y+, und yä.. übereinstimmen. Wenn daher die Frequenz des Oszillators 12 genau mit der tieferen Durchlaßfreqüenz ydb des Gases übereinstimmt, findet für die beiden Seitenbänder gleiche Absorption statt, wie es in Fig. 2 B bei A und B angedeutet ist, und die Schaltung nach Fig.3 arbeitet also kontinuierlich und nicht mittels einer periodisch wiederholten Messung. Wenn dagegen die Frequenz des Oszillätors =2 höher oder tiefer als die Übergangsfrequenz ydb liegt, sind die Absorptionen. für die beiden Seitenbänder ungleich groß, wie es in Fig. 2C und 2D bei A und B dargestellt ist.
Um die relative Absorption der beiden Seitenbandfrequenten zu bestimmen, wird die Mikrowellenenergie, die nicht vom Gas absorbiert wird, zwei Mikrowellenfiltern =4A und =q. B zugeleitet, welche auf die Frequenzen (co, + f3) und (coo --f3) abgestimmt sind, wie es in Fig. 2 E durch die Kurven X und Z angedeutet ist. Die Ausgangsenergien Ma und Mb der beiden Filter werden z. B. mittels der Gleichrichter 15A und =5B, die ein gemeinsames Ausgangsglied 16 besitzen, demoduliert. Die Gleichrichter sind so gepolt, daß der Ausgang von 16, der mit einem empfindlichen Voltmeter 17 gemessen wird, proportional der Differenz der Ausgänge der beiden Gleichrichter ist, deren Ausgangsspannungen im Glied 16 integriert werden. Die Filter zq.A und =4B können entweder dauernd beide eingeschaltet sein, wie in Fig. 3 dargestellt, oder können auch abwechselnd mit hoher Wiederholungsfrequenz eingeschaltet werden.
Zwischen das eine oder andere der Filter =q:A und =q.B und das Gefäß zo kann ein Abschwächer eingeschaltet werden, so daß die Ausgangsspannung des Netzwerks 16 Null wird, wenn die Frequenz co des Oszi7.lators 12 mit der Übergangsfrequenz yab des Gases übereinstimmt. Wenn die Frequenz des Oszillators =2 von der Übergangsfrequenz yab abweicht, nimmt die Ausgangsgröße des einen der Gleichrichter zu, während die Ausgangsgröße des anderen gleichzeitig abnimmt, und Größe und Vorzeichen der Ausgangsspannung am Glied 16 entsprechen dabei nach Vorzeichen und Betrag der Frequenzabweichung. Für eine Handregelung der Frequenz des Oszillators =2 braucht der Bedienende nur das Voltmeter 17 zu beobachten und die Frequenzregelung 18 des Oszillators z2 zu verstellen derart, daß das Voltmeter immer auf Null einspielt. Für eine selbsttätige Steuerung der Frequenz des Oszillators =2 kann die Ausgangsspannung des Gliedes 16 über die Leitung i9 an eine Blindröhre oder eine andere bekannte Einrichtung zur Frequenzsteuerung des Oszillators geführt werden.
Die Anordnung nach Fig. 3 kann auch zur Messung oder Steuerung der Frequenz des Oszillators =2 dadurch benutzt werden, daß das eine der Filter =4.A oder 1q.B auf die Frequenz y", abgestimmt wird und das andere Filter auf die eine oder andere Seitenbandfrequenz (yä, oder yä,), vorausgesetzt, daß geeignete Moleküle vorhanden sind, in denen, wenn die Aufspaltung durch Einwirkung eines Feldes von der Frequenz 0o > ydb hervorgerufen wird, ein restliches Energieniveau bei W" zusätzlich zu den beiden Aufspaltungsniveaus Wä und W, auftritt. Die Teile 50 und 51 der Fig. 3 werden später an Hand der Fig. 6 erläutert.
In Fig. q., in welcher, wie in allen folgenden Figuren, die mit Fig. 3 übereinstimmenden Bestandteile auch mit denselben Bezugszeichen versehen sind, wird die Mikrowellenenergie, die nicht im Gasgefäß =o absorbiert wird, in dauernder Wiederholung mittels eines abstimmbaren Filters =q: C abgetastet. Man kann beispielsweise mittels eines Abtastgenerators 2o ein Filter =o mit einem abstimmenden Tauchkörper oder ein sogenanntes Spaltfilter herstellen. Die Resonanzfrequenz des Filters =q.C überstreicht also in dauernder Wiederholung einen Frequenzbereich, der die Resonanzmodulationsfrequenzen yä , und yä, enthält, so daß die Ausgangsgröße des Filters. 14.C nach Demodulation im Gleichrichter 15 und bei Betrachtung in einem Oszilloskop =7A und zwei Impulsen Ma und Mb für jede Abtastung seitens des Generators 2o besteht (Fig.2E). Die waagerechte Ablenkung für die Braunsche Röhre z7A kann in bekannter Weise mit der Abtastfreqüenz des Generators 2o synchronisiert werden.
Wenn die Frequenz des-Oszillators =2 mit der Übergangsfrequenz yab des Gases übereinstimmt, erhalten die beiden Impulse wegen der gleichen Absorption gleiche Amplituden gemäß Fig. g B, während, wenn die Frequenz des Oszillators 12 höher oder tiefer liegt als die Übergangsfrequenz yab, die Impulse ungleich hoch ausfallen, da gemäß Fig. 2 C und 2 D ungleiche Absorption stattfindet. Bei Beobachtung der Braunsehen Röhre i7A 'kann also die Abstimmung 18 des Oszillators =2 verstellt werden derart, daß die beiden Impulse gleiche Amplituden erhalten. Für eine selbsttätige Frequenzsteuerung des Oszillators =2 können die beiden Impulse vom Demodulator 15 einer geeigneten Vergleichsschaltung 16A zugeführt werden (die in speziellen Ausführungsformen weiter unten behandelt werden wird), um eine Frequenzregelspannung zu bilden, deren Vorzeichen und Betrag von Vorzeichen und Betrag der Frequenzabweichung des Oszillators 12 abhängt.
Obwohl die Schaltungen nach Fig. 3 und q. den Vorteil der Einfachheit haben, sind sie doch insofern nachteilig, als eine starre Stabilisierung des Oszillators =2 eine gute Konstanz der Frequenzen des Mikrowellenerzeugers =i, des Überlagerungsoszillators 25 und der fest abgestimmten Filter =q.A und 1q.B erfordert; weil eine Änderung einer dieser Frequenzen zu einer Änderung der Differenzamplitude der Absorptionsfrequenzen y,+, und yä, führen würde.
Diese Nachteile sind bei der Anordnung nach Fig. 5 beseitigt. in welcher die Frequenz des Mikrowellenerzeugers =i in dauernder Wiederholung den Frequenzbereich bestreicht, der die Resonanzmodulationsfrequenzen yd, und yä, - enthält. Wenn der Abtastgenerator 2oA eine sägezahnförmige Ausgangsspannung liefert, ändert sich die Frequenz des Mikrowellenerzeugers 11 periodisch innerhalb des genannten Frequenzbereichs, wie in Fig. -,F dargestellt.
Wenn der Ausgang des Oszillators 12 moduliert wird, z. B. mit akustischen oder Fernsehfrequenzen für Nachrichtenübertragungs- oder für Rundfunkzwecke, so soll die Periodendauer P des Abtastgenerators so gewählt werden, daß sie außerhalb des Bereichs der Modulationsfrequenzen liegt. Für solche Anwendungsfälle wird vorzugsweise die Ausgangsseite des Oszillators 12 an eine Antenne oder eine andere Belastung 21 unter Zwischenschaltung eines Leistungsverstärkers 22 angeschlossen. Da normalerweise die Modulation in einer auf den Oszülator 12 folgenden Stufe zugeführt wird, werden die Seitenbänder von der Frequenzsteuerschaltung ferngehalten.
Bei dieser Einrichtung treten bei jedem Abtastvorgang des Generators 2oA im Ausgang des Demodulators 15 zwei getrennte Impulse Ma und Mb auf, die gleiche Amplituden besitzen, wenn die Frequenz des Oszillators 12 mit der Übergangsfrequenz y", des Gases zusammenfällt, da in diesem Falle die Energieabsorptionen nach Fig. 2 B gleich groß sind. Bei einer Abweichung der Frequenz des Oszillators 12 von der Übergangsfrequenz nimmt je nach dem Vorzeichen der Frequenzabweichung der eine oder andere der beiden Impulse eine größere Amplitude an. Die relative Intensität der Impulse ist praktisch proportional dem Betrag der Frequenzabweichung. Der Amplitudenunterschied der Impulse beruht auf der ungleichen Absorption bei den Frequenzen yd , und ym wie bei Fig. 2 C und 2 D erläutert.
Die Impulse vom Ausgang des Demodulators 15 werden einer Vergleichsschaltung 16A zugeführt welche dementsprechend eine Gleichspannung zur Frequenzsteuerung liefert, die nach Vorzeichen und Betrag mit der Frequenzabweichung des Oszillators 12 übereinstimmt.
In der speziellen in Fig. 6 dargestellten Schaltung zur selbsttätigen Frequenzregelung findet der Vergleich der Impulsamplituden des Gleichrichters 15 mittels zweier Spitzengleichrichter 26A und 26B statt, welche so vorgespannt sind, daß sie beim ersten bzw. beim zweiten dieser beiden Impulse in Betrieb kommen. Die Vorspannschaltung soll durch den einen der beiden Impulse gesteuert werden oder durch einen von dem betreffenden Impuls abgeleiteten Hilfsimpuls, um eine Verschiebung gegenüber den beiden Gleich= richterimpulsen zu vermeiden. Dies läßt sich auf mannigfache Weise erreichen, beispielsweise dadurch, daß, wie in einer einfachen Schaltung in Fig. 6 dargestellt ist, die Ausgangsspannung des Gleichrichters 15 dem Steuerkreis einer Röhre 30 zugeführt wird. Gewünschtenfalls kann ein Verstärker zwischen den Gleichrichter 15 und die Röhre 3o eingeschaltet werden. Die Röhre 30 läßt normalerweise Anodenstrom durch, so daß ihr Anodenpotential zunächst unterhalb des Potentials ihrer Anodenstromquelle liegt, und zwar um den Betrag des Spannungsabfalls im Anodenwiderstand 33. Das Steuergitter der Röhre 30 ist an den positiven Pol der Anodenstromquelle über einen hohen Widerstand 31 angeschlossen und =liegt daher auf einem gegenüber der Kathode ein wenig positiven Potential.
Wenn bei dieser Schaltung der erste der beiden positiven Impulse M" und Mb auftritt, ist der Widerstand des Gitterkondensators 32 für die Impulse groß im Vergleich zum Gitterkathodenwiderstand, und das Glied 32"31 bewirkt daher eine Differentiation des Impulses. Die Gitterseite des Kondensators 32 nimmt dann eine negative Ladung an, und die Röhre 3o wird verriegelt. Die Dauer dieser Verriegelung wird durch die Zeitkonstante von 32 und 31 bestimmt und wird so eingestellt, daß die Röhre 3o bis nach Auftreten des zweiten Impulses Mb verriegelt bleibt. Der verhältnismäßig lang andauernde Ausgangsimpuls der Röhre 30 wird über die Leitung 34 zur Vorspannung der Dioden 26A und 26B verwendet, wie weiter unten noch ausführlicher beschrieben werden wird.
Die Impulse im Ausgang des Gleichrichters 15 werden außerdem über eine Verzögerungsschaltung 35 geführt, damit die Röhre 3o die Vorspannung abschaltet, bevor die beiden Impulse an der Vergleichsschaltung 16B eintreffen. An den Ausgangsklemmen der Verzögerungsschaltung 35 treten die beiden Impulse ebenfalls auf.
In der Ausführungsform nach Fig. 6 besteht der vorgespannte Kreis aus zwei Röhren 36 und 37, welche in einer bekannten Multivibratorschaltung angeordnet sind, deren Ein- und Ausschaltung durch die Ausgangsimpulse der Röhre 3o gesteuert wird. Im einzelnen ist eine feste Vorspannungsquelle 41 oder eine gleichwertige Schaltung zwischen der Kathode und dem ersten Gitter der Röhre 36 vorhanden, und gleichzeitig ist dieses Gitter über ein Widerstandskondensatorglied 43 mit dem zweiten Gitter der Röhre 37 verbunden, welches seinerseits über einen Widerstand 42 an der positiven Klemme der Anodenspannungsquelle liegt. Das erste Gitter der Röhre 37 ist mit der Kathode dieser Röhre über einen Widerstand 38 verbunden, der über einen Kondensator 39 am zweiten Gitter der Röhre 36 liegt. Die dritten und fünften Gitter der Röhren sind über die Widerstände 47 ebenfalls an den positiven Pol der Anodenspannungsquelle angeschlossen.
Die Röhre 37 führt normalerweise Anodenstrom. Ein Irrpuls der Röhre 3o schaltet die Röhre 36 ein und die Röhre 37 aus, kurz bevor die verzögerten Impulse den vierten Gittern der beiden Röhren aufgegedrückt werden: Der erste Impuls jedes Impulspaares ruft daher im Anodenkreis der Röhre-36 einen Impuls hervor, welcher über den Kondensator q.oA der Diode 26.4 zugeführt wird. Die Zeitkonstante des Widerstandskondensatorgliedes 38, 39 ist so gewählt, daß kurz nach dem Auftreten des ersten Impulses, aber noch vor dem Auftreten des zweiten die Röhre 36 sperrt und die Röhre 37 wieder Strom zu führen beginnt. Der zweite Impuls Mb tritt daher im Anodenkreis der Röhre 37 auf und wird über den Kondensator qo B der anderen Diode 26 B zugeleitet.
Die Ausgangsgleichspannung der Vergleichsschaltung 16B, welche die differentiell geschalteten Dioden 26A und 26B enthält, verschwindet, wenn die beiden Impulse gleiche Amplitude besitzen. Wie oben erläutert, tritt dies dann auf, wenn gleiche Absorption der Mikrowellenenergie bei den Resonanzmodulationsfrequenzenyd, und y-, stattfindet. Ferner tritt eine solche gleiche Absorption, wie oben an Hand der Fig. 2 B bis 2 D erläutert, dann und nur dann auf, wenn die Frequenz des Oszillators 12 gleich der tieferen Übergangsfrequenz yab des Gases ist. Wenn die Frequenz des Oszillators 12 nach oben oder nach unten von der tieferen Übergangsfrequenz yab abweicht, nimmt die Ausgangsspannung des Amplitudenvergleichers i6 B nach Richtung und Betrag einen entsprechenden Wert an. Die Ausgangsspannung der Vergleichsschaltung 16B ist also eine Spannung, die in an sich bekannter Weise, beispielsweise über eine Blind- öder Steuerröhre 50, selbsttätig die Frequenz des Oszillators stabilisieren kann.
Beider Einrichtung nach Fig. 6 besteht ebensowenig wie bei den im folgenden beschriebenen Einrichtungen eine Notwendigkeit zur Stabilisierung des Mikrowellenoszillators ii, da dessen Frequenzabtastbereich so kann, daß eine fortgesetzte-Überstreichung der beiden Absorptionslinien y±, und yäo gesichert ist, unabhängig von etwaigen Schwankungen der Mittelfrequenz des Oszillators i1. Diese Anordnung macht es auch unnötig, abgestimmte Mikrowellenkreise nach Art der Kreise 14A und 14B in Fig. 3 zu benutzen, die hinsichtlich der Konstruktion und des Betriebes gewisse Schwierigkeiten bereiten, wenn eine stabile scharfe Resonanzfrequenz unverändert aufrechterhalten werden soll.
Innerhalb gewisser Grenzen kann die Frequenz, auf welche der Oszillätor 12 in den hier beschriebenen Schaltungen stabilisiert werden soll, durch Einstellung der Intensität des Feldes von Oszillatorfrequenz an den' Elektroden 13 im Gasbehälter io eingeregelt werden. Vorzugsweise soll eine geeignet ausgebildete Stufe 5i- zur selbsttätigen Verstärkungsregelung mit dem Oszillator 12 verbunden werden, damit die Stärke des dem -Gase zugeführten Feldes tieferer Frequenz unverändert aufrechterhalten bleibt. Die Einstellung dieser Feldstärke läßt sich durch Verstellung der Verstärkerregelstufe 51 beeinflussen.
Es sind auch- Abwandlungen der Schaltung nach Fig. 5 möglich, die keine Verriegelung erfordern, und zwar bei Benutzung von Impulsvergleichseinrichtungen der in Fig. g und ii dargestellten Art. Eine selbsttätige Frequenzregeleinrichtung, welche keine Verriegelung erfordert und als Beispiel für die obengenannten Einrichtungen betrachtet sei, ist als Blockschaltbild in Fig.8 veranschaulicht, während ihre einzelnen Bestandteile und die genaue Schaltung für zwei Ausführungsformen einer solchen Einrichtung in Fig. g und ii, die später beschrieben werden, enthalten sind. -In der Schaltung in Fig. 8 ist der vom Mikrowellenerzeuger ii überstrichene Frequenzbereich gesteuert, um gleiche Größe des Zeitintervalls zwischen den nach der Demodulation auftretenden Impulsen, die vom Gas im Behälter io absorbiert werden, aufrechtzuerhalten. Es soll also in Fig.7A das Zeitintervall T"-T, zwischen den Impulsen Ma und Mb innerhalb jeder Überstreichung dasselbe sein wie das Zeitintervall T b-Ta zwischen dem zweiten Impuls Mb eines Paares und dem ersten Impuls des zweiten Paares. Bei einer Abweichung von dieser Bedingung soll der Abtastbereich oder das Frequenzintervall des Oszillators selbsttätig vergrößert oder verkleinert werden, um den gleichen Zeitabstand der Impulse wiederherzustellen, was, wie später erläutert wird, es unnötig macht, die Impulsvergleichsschaltung 16C zu verriegeln.
Die Wiederholungsfrequenz des Abtastgenerators 2oA für den Mikrowellenerzeuger ii wird mittels eines Multivibrators 6o gesteuert, der seinerseits durch einen mit der doppelten Frequenz arbeitenden Multivibrator 61 angestoßen oder gesteuert wird. Die Ausgangsimpulse des Multivibrators 61 von der doppelten Frequenz werden ferner den Eingangsklemmen eines Koinzidenzdetektors 62- zugeführt, dessen zweiter Eingangskreis die beiden Absorptionslinienimpulse M des Demodulators 15 zugeführt werden. Die gleichgerichteten Impulse D des Multivibrators 61 :haben stets den gleichen zeitlichen Abstand und dienen als Zeitabstandsnormal. Die Ausgangsimpulse des Demodulators 15 besitzen ebenfalls gleichen Zeitabstand, solange die in Fig. 7 A veranschaulichte Bedingung zwischen den Resonanzmodulationslinien y+" und yä@ des Gases und der überstrichenen Mikrowellenfrequenz erfüllt ist. Unter diesen Umständen treten die entsprechenden aufeinanderfolgenden Impulse D und M der beiden Impulsserien, welche den Eingangskreisen des Koinzidenzdetektors 62 zugeführt werden, gleichzeitig auf, und die Ausgangsspannung des Detektors 62 ist Null.
Wenn jedoch der Abstand zwischen den Impulsen Ma Lind Mb im Ausgangskreis des Demodulators 15 größer (Fig. 7B) oder klekner (Fig. 7C) wird als der Zeitabstand zwischen dem zweiten Impuls Mb eines Impulspaares und dem ersten Impuls Ma des nächsten Impulspaares, so liefert der Koinzidenzdetektor 62 an das Netzwerk Zoo eine Ausgangsspannung einer Polarität, die davon abhängt, welcher Zeitabstand größer ist und von einem absoluten Betrag, der vom Betrag der Differenz der Zeitabstände bestimmt wird.
Im einzelnen sei ausgeführt, daß, wenn der Zeitabstand zwischen zwei Einzelimpulsen eines Impulspaares des Demodulators 15 größer ist als der Zeitabstand zwischen aufeinanderfolgenden Impulspaaren, die Ausgangsspannung des Detektors 62, die durch eine Leitung oder einen Kanal 53 an den Verstärker 63 für den Abtastgenerator 2o A geliefert wird, ein geeignetes Vorzeichen besitzt, um die Verstärkung wieder herzustellen, derart, daß das Frequenzintervall, welches vom Mikrowellengenerator vom unternor- j malen Bereich nach Fig. 7B bis zum normalen Intervall oder Bereich in Fig.7A bestrichen wird, sich erhöht. Wenn andererseits der Zeitabstand zwischen den beiden Impulsen eines Pares größer ist als der Zeitabstand der Impulse D, wird die Polarität der Ausgangsspannung des Detektors 62 das entgegengesetzte Vorzeichen annehmen, so daß der Verstärkungsgrad des Abtastverstärkers 63 abnimmt und sich auch das Abtastintervall vom unternormalen Bereich nach Fig. 7 C bis zum normalen Bereich nach Fig. 7 A vermindert. Kurz gesagt steuert also der Koinzidenzdetektor 62 das Abtastintervall der Mikrowellenenergie, so daß die Impulse Ma und Mb eines Impulspaares in demselben Zeitabstand auftreten, wie er zwischen aufeinanderfolgenden Impulspaaren vorliegt.
Da in Fig. g der Zeitabstand zwischen den Absorptionslinienimpulsen M nach den oben angegebenen Erläuterungen durch den Koinzidenzdetektor 62A konstant gehalten wird, kann die Amplitudendifferenz des Impulspaares Ma, Mb durch Messung einer Phasendifferenz gemessen werden, und zwar durch Messung der Phasendifferenz zwischen einerseits der Fouriergrundwelle, die aus dem Impulspaar gewonnen wird, und andererseits der Fouriergrundwelle der Zeitnormalimpulse, die der Abtastfrequenz entsprechen oder aus ihr abgeleitet werden; alle mit doppelter Frequenz genommen. Der Amplitudenvergleicher dieser Anordnung kann also aus einer geeigneten Art einer Phasenvergleichseinrichtung bestehen. Insbesondere besteht in Fig. g die Vergleichsschaltung 16D aus einer Gleichrichterschaltung mit den vier Dioden 64A bis 64D, deren Eingangsklemmen 65, 66 über das Filter 67 die geeigneten Frequenzen der impulsförmigen Ausgangsspannung des Demodulators 15 zugeführt werden. Das Filter 67 läßt die Grundfrequenz vom doppelten Wert der Wiederholungsfrequenz des Abtastoszillators 2o B passieren und schwächt oder unterdrückt die Komponenten höherer Ordnung. Das Filter soll ferner vorzugsweise so aufgebaut sein, daß es eine praktisch sinusförmige Ausgangsspannung liefert. Dem zweiten Eingangsklemmenpaar 68, 69 der Vergleichsschaltung 16D wird über das Filter 7o die Ausgangsspannung des Multivibrators 61A, der auf der doppelten Frequenz arbeitet, zugeführt. Dieses Filter läßt lediglich die Grundfrequenz der Multivibratorimpulse durch und unterdrückt alle höheren Frequenzen.
Wenn die beiden Eingangsspannungen der Vergleichsschaltung 16D miteinander in Phase sind, was nur dann- der Fall ist, wenn aufeinanderfolgende Resonanzmodulationsimpulse gleiche Amplituden besitzen, ist die Gesamtausgangsspannung der Gleichrichter 64A bis 64D, die am integrierenden Ausgangsglied 71 auftritt, Null. Wenn die Eingangsspannungen nicht in Phase sind, was dann der Fall ist, wenn die beiden Paare von Absorptionslinienimpulsen ungleiche Amplituden besitzen, hängt die Polarität der Ausgangsspannung der Vergleichsschaltung 16D davon ab, welches der Impulspaare größere. Amplitude besitzt, und die Größe der Ausgangsspannung ist abhängig von der Amplitudendifferenz. Die Ausgangsspannung der Vergleichsschaltung 16D an den Ausgangsklemmen 69, 72 hängt also in Polarität und Größe vom Vorzeichen und Betrag der Frequenzabweichung des Oszillators 12 von der tieferen Übergangsfrequenz Y. b des Gases ab.
In der nachfolgenden Erläuterung der Fig. g und ii sei auf die Fig. ioA bis iaI Bezug genommen, welche den Spannungsverlauf an bestimmten Punkten dieser Schaltungen zeigen.
In der Ausführungsform nach Fig. g enthält der Multivibrator 6i A, der Impulse D von konstantem Zeitabstand an den Koinzidenzdetektor 62A und ferner an die Vergleichschaltung 16D liefert, zwei Röhren 73, 74, deren Anoden und Steuergitter kreuzweise über die Kondensatoren 75, 75 gekoppelt sind. Die Ausgangsseite der Röhre 73 liefert Impulse von der doppelten Abtastfrequenz, welche über die Leitung 76 an der Vergleichsschaltung 16D liegen. Die Ausgangsspannung der Röhre 74, welche durch das Widerstandskondensatorglied 77, 78 differenziert wird, wird über die Leitung 79 an das eine Eingangsklemmenpaar des Koinzidenzdetektors 62A angeschlossen. Die positiven Impulse D werden als Zeitabstandsnormal benutzt. Wenn negative Impulse benutzt werden sollen, so muß der Differentiationskreis 77, 78 an die Röhre 73 statt an die Röhre 74 angeschlossen werden.
Der zweite Multivibrator 6oA enthält bei der Ausführungsform nach Fig. g zwei Röhren 8o, 81, deren Anoden und Steuergitter durch die Kondensatoren 82 kreuzweise gekoppelt sind. Die Steuergitter dieser Röhren sind außerdem über die Kondensatoren 83 an die Anode der gleichen Röhre 73 des Multivibrators 6iA angeschlossen. Die Ausgangsimpulse der Röhre 81 des Multivibrators 6oA, welche die Wiederholungsfrequenz f1 der Frequenzabtastung besitzen, dienen dazu, den Abtastgenerator ?,o B zu steuern, der in der Ausführungsform nach Fig. g eine gittergesteuerte gasgefüllte Entladungsröhre 84 enthält, deren Steuergitter über den Kondensator 85 an den Anodenkreis der Röhre 81 angeschlossen ist und deren Anode oder deren Ausgangskreis in geeigneter Weise an den Abtastverstärker 63 angeschlossen ist.
In der Ausführungsform nach Fig. g enthält der Koinzidenzdetektor 62A zwei Paare von Dioden 85, 87 und 86, 88 mit Widerstandskondensatorgliedern go, gi, welche die Anoden des einen Diodenpaares reit den Kathoden des anderen verbinden. Man kann jedoch auch andere Schaltungen verwenden. Die differenzierte Ausgangsspannung des Multivibrators 61 A wird den Eingangsklemmen 92, 93 des Detektors 62A zugeführt, um Impulse, die als Zeitabstandsnormal dienen, zu bilden und den anderen Eingangsklemmen 94, 95 des Detektors werden die beiden Impulse Ma und Mb zugeführt, die zusammen als Impulse M bezeichnet und vom Demodulator 15 aus der nicht absorbierten Mikrowellenenergie des Gasbehälters io gebildet werden.
Da der Koinzidenzdetektor 62A Eingangsimpulse M in Gegentaktform erhalten muß, liegt zwischen den Eingangsklemmen 94, 95 und dem Demodulator 15 eine Umkehrstufe, deren Röhre 96 gleich große Ausgangswiderstände 97, 98 in ihrer Anoden- und ihrer Kathodenzuleitung besitzt. Daher werden die Absorp= tionslinienimpulse M von durchweg gleicher Polarität die dem Steuergitter der Röhre 96 zugeführt werden, in Gegentaktimpulse von entgegengesetzter Polarität zur Speisung der Eingangsklemmen 94, 95 des Koinzidenzdetektors über die Kondensatoren 9g umgewandelt. Wie oben an Hand der Fig. 8 bereits kurz erwähnt, wird die Ausgangsspannung des Koinzidenzdetektors, die an den Klemmen g2 und toi in Fig. g erscheint, dem Abtastverstärker 63 zugeführt, um den Abtastbereich des Mikrowellenerzeugers ii stets in derjenigen Größe zu halten, welche zur Erzeugung eines gleichen Zeitabstandes zwischen aufeinanderfolgenden Absorptionslinienimpulsen (Fig. 7A) erforderlich ist, so daß die Impuisvergleichsschaltung nicht verriegelt zu werden braucht.
In derjenigen Ausführungsform der Fig. 8, die in Fig. 11 dargestellt ist, werden die als Zeitabstands_ normal dienenden, dem Koinzidenzdetektor 62,A zugeführten Impulse, wie in Fig. 9 durch Differentiation der Ausgangsspannung des Multivibrators 61 A gewonnen. Es werden aber diese Impulse D, die dem Amplitudenvergleicher - zugeführt werden, nicht, wie in Fig. 9, von dem Multivibrator 61 A gewonnen, sondern über das Netzwerk 1ö2, 103 durch Differentiation aus der Ausgangsspannung des Multivibrators 6oÄ. Wie aus dem folgenden hervorgeht, sind die Filter 67 und 7o zur Zuführung der als Zeitabstandsnormal dienenden Impulse zum Impulsvergleicher auf die Grundfrequenz des Multivibrators 6oA abgestimmt, statt auf die doppelte Frequenz des Multivibrators 61A, wie es in Fig. 9 der Fall ist. Der übrige Teil der Schaltung arbeitet dann mit veränderlicher Amplitude und konstanter Phase statt mit veränder= licher Phase. Das Ergebnis ist insofern dasselbe als die Ausgangsspannung der Vergleichsschaltung eine Polarität und Größe besitzt, die von der Amplitudendifferent der Absorptionslinienimpulse abhängt und sich daher zur Frequenzsteuerung des Oszillators 12 eignet.
Die Filter 67 und 7o der Fig. 11, die, wie oben bereits bemerkt, die Grundfrequenz hindurchlassen und die höheren Frequenzen unterdrücken, haben eine praktisch sinusförmige Ausgangsspannung.
Die Vergleichsschaltung 16E in Fig. 11 kann jede beliebige geeignete Form annehmen, z. E. die bei 16D n Fig. 9 gezeigte Form, oder kann auch derart, wie in Fig. 11 gezeigt, ausgebildet werden, in welcher die als Zeitabstandsnormal dienenden Impulse des Multivibrators6oA in Phase den dritten Gittern der Fünfpolröhren 104, 1o6 zugeführt werden. Die Absorptionslinienimpulse des Demodulators 15 werden über das Filter 67 in Gegenphase oder, im Gegentakt den ersten Gittern dieser Röhren zugeleitet. Die Ausgangsspannungen der beiden Röhren werden durch die Widerstandskondensatorglieder 1o8, 1o9 integriert und die Differenz dieser Ausgangsspannungen, die nach Polarität und Größe von- den relativen Amplituden der Absorptionslinienimpulse abhängt, kann dem Oszillator 12 zugeführt werden, um diesen bei einer Frequenz zu stabilisieren, für welche das Amplitudenverhältnis 1 ist, in welchem Fälle, wie oben wiederholt hervorgehoben, die Oszillatorfrequenz mit der unteren Übergangsfrequenz des Gases im Behälter 1o übereinstimmt.
Die Schaltung nach Fig.,11 ist ebenso wie die Schaltung nach Fig. 9 bei allen Impulsformen arbeitsfähig, wenn diese nur von der Rechteckförm abweichen.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: 1. Einrichtung zur Steuerung der Frequenz eines Schwingungserzeugers unter Verwendung eines Gasbehälters mit wenigstens drei möglichen Energiezuständen der Gasmoleküle, gekennzeichnet durch eine Quelle von Mikrowellenenergie, um auf das Gas ein Mikrowellenfeld von einer Frequenz, -die mit einer ersten Übergangsfrequenz zwischen zwei dieser Energiezustände übereinstimmt, einwirken zu lassen, durch Einrichtungen- zur gleichzeitigen Zuführung eines Feldes solcher Frequenz an das Gas, die mit einer zweiten Übergangsfrequent übereinstimmt, auf welche oder in fester Beziehung zu. welcher die Oszillatorfrequenz eingeregelt werden soll, wobei diese zweite Übergangsfrequenz zwischen einem dritten Energiezustand des Gases und einem der beiden oben-. genannten beiden Energiezustände liegt, zum Zwecke, eine selektive Absorption der Mikrowellenenergie bei zwei Resonanzmodulationsfrequenzen zu erhalten, welche höher bzw. tiefer als die erste Übergangsfrequenz liegen und gekennzeichnet durch Einrichtungen zum Vergleich der relativen Absorption der Mikrowellenenergie bei zwei dieser Mikrowellenfrequenzen, und durch eine. derartige Steuerung der Oszillatorfrequenz seitens der Vergleichseinrichtung, daß praktisch gleich starke Absorptionen erhalten werden und dadurch die gewünschte Oszillätorfrequenz aufrechterhalten wird, 2. Einrichtung nach Anspruch 1; dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrowellenquelle in ihrer Frequenz einen Frequenzbereich, der wenigstens eine dieser Resonanzmodulationsfrequenzen ent= hält, überstreicht und Einrichtungen vorhanden sind, welche die vom Gasbehälter hindurchgelassene Mikrowellenenergie demodulieren, so daß für jede Überstreichung des Frequenzbereichs zwei Impulse entstehen und daß die Absorptionsvergleichseinrichtung ein Netzwerk enthält, welches nach Vorzeichen und Größe eine Ausgangsspannung liefert, die von den relativen Amplituden der, beiden Impulse abhängt.. . 3. @ Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Absorptionsvergleichseinrichtung eine Verriegelungseinrichtung, die durch eine der beiden Impulse gesteuert wird, enthält. 4. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Absorptionsvergleichseinrichtung eine Koinzidenzeinrichtung zur Steuerung des Bereichs der Mikrowellenabtastung enthält, welche einen gleichbleibenden Zeitabstand zwischen nufeinanderfolgenden Impulsen aufrechterhält. 5. Einrichtung nach Anspruch 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Absorptionsvergleichseinrichtung zwei Multivibratoren enthält, von. denen der eine auf der Abtastfrequenz und der andere auf der doppelten Abtastfrequenz arbeitet. 6. Einrichtung nach einem der .vorhergehenden. Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zur .Stabilisierung der Intensität des mit der zweiten. Frequenz, verlaufenden und auf den Gasbehälter. einwirkenden Feldes.