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Einrichtung zur Benutzung der Resonanzabsorption von Gasen zur Frequenzstabilisierung
eines Nfikrowellenerzeugers Die Erfindung bezieht sich auf die Frequenzstabilisierung
von Mikrowellenschwingungen.
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Gemäß der Erfindung werden die diskreten N#,Iikrowellenabso,rptionsspektra
von gewissenGasen dazu benutzt, die Frequenzen von MikrowelJen zu stabilisieren.
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Es sind bisher viele Verfahren und Einrichtungen zur Frequenzstahilisierung
von Mikrowellenerzeugern vorgeschlagen worden, und zwar durch Beeinflussung der
Arbeitsspannung einer Elektrode einer Röhrenschaltung, durch Regelung der Belastung
einer solchen Schaltung oder durch Einrichtungen, welche die Reaktanz eines in der
Schaltung enthaltenden Elements veränderten. Während sich piezoelektrische Kristalle
als brauchbar für die Frequenzsteuerung bei niedrigen und mittleren Hochfrequenzen
erwiesen haben, sind sie für die Steuerung von Mikrowellenfrequenzen nicht ohne
weiteres anwendbar. Im Mikrowellenbereich ist es vielmehr wesentlich, mittels eines
in seiner Frequenz festliegenden Phänomens oder einer Einrichtung, die in dem in
Betracht kommenden Mikrowellenfrequenzspektrum liegt, zu arbeiten.
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Die Mikrowellenabsorptionsspektra bestimmter ,Gase, wie z. B. von
Ammoniak, Schwefelkohlenstoff und Methylhalogeniden, können sowohl Resonanzspektra
sein als auch auf gewöhnlicher, nicht mit einem Resonanzeffekt verbundener Absorption
beruhen. Die letztere Art von Absorption bei einer
bestimmten Mikrowellenfrequenz
nimmt mit dem Quadrat des Gasdruckes zu und wird alsö bei abnehmendem Druck vernachlässigbar
klein.
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Alle Gase mit Mikrowellenresonanzabsorption zeigen eine Mehrzahl von'Resonanzäbsorptionslinien,d.h.
Spektra von einer bestimmten und für 'jedes Gas v#rsC'hip-denen Frequenzverteilung.
Die Frequenz jeder dieser Spektrallinien liegt bei eiäeni festen -,Wert, der unabhängig
ist von der Temperatur, dem Druck und den physikalischen Eigenschaften und Abmessungen
des Gasbeihälters.'.-Dieeinzige bekannte Methode, um diese Frequenzen zul verschieben,
besteht darin, ein verhältnismäßigstarkes magnetisches oder elektrisches Gleichfeld
auf das Gas wirken zu lassen. Gemäß der: Etfindung wird deshalb vorgeschlagen, die
natürliche Frequenzstabilität solcher Spektrallinienzur Stabilisierung von Mikrowellenerzeugern
7,u verwenden. Der Ausdruck Molekularresonanz, der im folgenden verwendet
wird, definiert die charakteristischen Eigenschaften eines Quantums von Gasmolekülen,
welche elektromagnetische Mikrowellen von einer oder mehreren definierten Frequenzen
selekth ' ' ' W ab-' -sorbieren.
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Die Resonanzabsorption bei einer Mikrowellenresonanzfrequenz eines
bestimmten Gases bleibt auch bei abnehmendem Gasidiuck konstant, vorausgesetzt,
daß die Messung genau in der Mitte der betreffenden Absorptionslinie vorgenommen
wird. Eine Resonanzabsorption ist bei Schwefelkohlen-. stoff und Ammoniak, beobachtet
worden, während Methylhalogen,ide eine gewöhnliche Absorption zeigten. Solche Stoffe,
wie Äthylamin oder'Methylamin, weisen sowohl eine Resonanzabsorption wie eine gewöhnliche
Absorption auf, die sich im einzelnen durch ihre Abüngigkeit vom Gasdruck unterscheiden.
lassen.
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Bei Schwefelkohlenstoff z. B. läßt sich die Ab-
sorption
A bei einer Resonanzlinie durch die Gleichung
ausdrücken, in 'welcher yo das Dipolinoment des Gases ist, V, eine der Resonanzabsorptionsfrequenzen,
J die Quantenzahl, h die Plancksche Konstante, c die Lichtgeschwindigkeit,
1 das Trägheitsmoment, k die Böltzmannsche Konstante, T die absolute
Temperatur'und N die Anzahl der Moleküle je Kubilkzentimeter und A
v die Breite der Absorptionslinie ist, gerechnet bis zu demjenigen Wert, bei dem
die Absorption auf die Hälfte des Maximalwertes abgesunken ist, und zwar gemessen
in Hertz. Die GrößeN ändert sich linear mit dem Druck und dasselbe gilt für Av,
bis bei sehr niedrigeinGas:druck andereFaktoren als die Zusammenstöße zwischen den
Gasmolelkülen sich in der Gleichung für die Linienbreite-bemerkbar machen. Trägt
man die Absorption von Mikrowellenfrequenzen.bei solchenGasen über demDruck auf,
so steigt die -Kurve mit zunehmendem Druck bei niedrigen Druckbereichen steil anund
nimmt einen asyniptotischen Wert -bei einem gewissen Druckwert an, oberhalb-,dessen
kein Anstieg mehr stattfindet. Die Wirkung einer Erhöhung des -Gasdru#,ckes für
Resonanzabsorption besteht darin, daß die Breite einer Linie zunimmt, ohne daß sich
dabei die Höhe der Kurve bei der Mittelfrequenz verändert.
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-, Gemäß der Erfindung werden die außerordentlich scharfenAbsorptionslinien
bei vermindertem Druclz zur Frequenzstabilisierung eines Mikrowellenerzeitgers,
z. B. eines Klystrons oder eines Magnetrons, benutzt. Bei,JO-2 bis ic-3 mm Quecksil-bersäule
ist der Wert Q, d. h, dasVerhältnis derLinienfrequenz zur Linienbreite,
einer Spektrallinie in solchen Gasen von der Größenordnung 5o ooo bis ioo ooo una;bhängig#
von -,der Natur des betreffenden die Resonanzabsorption zeigenden Gases.
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Bei einer Ausführungsforin Ader Erfindung wird die ..Tatsache benutzt,
daß die Frequenz eines --Klystrons bei der Mikrowellenerzeugung von der Spannung,
die der Reflektorelektrode zugeführt wird, 'abhängt. Bei einer solchen Einrichtung
wird die selektive Mikrowellenabsorption in einem Gasgefää dazu benutzt, die der
Reflektorelektrode des Klystrons zugeführte Spannung züi steuern, um auf diese Weise
die Spannungkonstant zu halten und somit die erzeugte Frequenz zu stabilisieren.
Änderun,gen in der Resonanzabsorption werden mit den erzeugten Signalen verglichen,
so daß die hieraus resultierende - Steuerspatmung eine gegenkoppelnde Steuerung
der erzeugten Signalfrequenz bewirkt.
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Bei -einer zweiten Ausführungsform der Erfindung wird die Tatsache
benutzt, daß die Frequenz eines Magnetrongenerators sich durch einen Hilfselektronenstrahl
beeinflussen läßt, der durch einen der Resonanzhohlräume des' Magnetrons hindurchgelenkt
wird. Bei der letzteren Ausführungsform wird die,Mikrowellenabsorption des Gases
dazu benutzt, die Größe einer Hilfsfrequenz, die auf den Elektronenstrahl in einem
oder mehreren der Resonanzhohlräume einwirkt, und somit die Schwingfrequenz des
Magnetrons zu beeinflussen.
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Fig. i# zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform
der Erfindung in,der ,#£iiwe#ndung auf die Frequenzsteuerung eines Klystrons oder
eines auf dem Reflexprinzip aufgebauten Mikrowellengenerators; Fig. ?, ist eine
schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsforin zur Frequenzsteuerung eines
Magnetrons; Fig. 3 ist eineKurve, welche den Zusammenhang zwischen derMikrowellenfrequenz
undderEnergieabsorption eines Gases angibt; Fig. 4 zeigt den Zusammenhang zwischen
dein Druck und derMikrowellenabsorption eines solchen Gases; Fig. 5 ist ein
Schaltbild zur Abänderung eines Teiles der Schaltung nach Fig. i oder :2.
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In Fig. i enthält der Mikrowellengenerator, i einc Kathode
3, ein Steuergitter 5, einen mit einer zentralen Öffnung versehenen
Hohlraumresonator 7
und eine Reflektorelektrode g. Der Hohlrauinresonator
ist positiv gegenüber der Kathode 3 vorgespannt, und an der Elektrode
5 liegt eine- Vorspannung
zur Intensitätssteuerung. Die
Reflektorelektrode 9 ist negativ gegenüber dem Resonator 7
vorgespannt,
und zwar mittels einer Batterie m,die mit der Elektrode 9 über einen Widerstand
13 v-erbun#den ist. Die üblichen Klystrons enthalten ein Abstimmelement 15
zur Abstimmung des Hohlrau,mresonators 7. Mittels einer Auskopplungsschleife
17, die in den Hohlraum 7 hineinragt, wird Mikrowellenenergie über eine konzentrische
Leitung ig an das Hohlrohr 21 angekoppelt.
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F-in Teil des Hohlrohrs i2i, welcher durch die gasdichten, jedoch
für Mili:rowellen durchlässigen Fenster:23 und 25 abgeschlossen ist, enthält
die Gaskammer 27, welche z. B. mit Ammoniak gefüllt .sein kann. Diese Gaskammer
befindet sich bei der Generatorfrequenz nicht in Resonanz. In einem dritten Abschnitt
31 des Hohlrohrs liegt ein Detektor :29, der die durch die Gaskammer hindurchtretende
Energie aufnimmt. Der Detektor 129 soll im wesentlichen an das Hohlrohr angepaßt
sein und ist im übrigen an den Eingang eines Gleichstroniverstärkers 33 angeschlossen,
dessen Ausgang mit dem Widerstand 13 verbunden ist.
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Das Hohlrohr:2i ist außerdem über zwei Öff-
nungen
35 und 37, die einen Abstand einer Viert,-lwellenlänge der Schwingfrequenz
besitzen, an einen Richtungskoppler 39 angeschlossen. Ein angepaßtes Abschlußglied
41, z. B. ein dielektrische Verluste aufweisender X-eil ist an dem generatorseitigen
Ende des Richtungskopplers 39 angebracht. Ein zweiter Mikrowellendetektor
43 liegt am anderen Ende des Richtungskoppliers und ist an den Eingang eines zweiten
Gleichstromverstärkers 45 angeschlossen. Gewünschtenfalls kann ein zur Schwächung
dienender dielektrischer Keil 47 zwischen die AnkopplungsÖffnuD9 37 und den
zweiten wellendetektor 43 gelegt werden, um eine Reflektion von Wellen an diesem
Detektor und ihren Eintritt in das Hohlrohr 21 zu vermeiden. Die Ausgangsklemme
des zweiten Verstärkers 45 ist an das freit Ende des Widerstandes 13 und an die
Reflektorelektrode 9 des Klystrons angeschlossen. Ein Belastungsstromkreis
kann mit dem Klystron in irgendeiner bekannten Weise gekoppelt werden, vorausgesetzt,
daß die Belastungsschwankungen das Arbeiten des Detektors nicht störten.
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Beim Betrieb werden die von den Kristalldetektoren gelieferten Mikrowellensignale
durcii Justierung der Mikrowellenankoppfung an die Detektoren oder durch Justierung
des Verstärkungsgrads der beiden Detektorverstärker gleichgemacht, wenn der Generator
i auf eine Betriebsfrequenz eingestellt ist, die nahe an der Mittelfrequenz einer
Resonanzabsorption in der Gaskammer 27 liegt. Die Mikrowellenverluste im
Gas hängen in der Nähe des Maximums einer Absorptionslinie sehr stark von der Frequenz
ab, so daß,die Differenz der Ausgangsspannungen der Verstärker 33 und 45
durch Frequenfschwankungen sehr erheblich geändert wird. Diese Ausgangsspannung
wird der Reflektorelektrodeg des Klystrons zugeführt und regelt somit die Frequenz
des G-enerators. Es ist nämlich an sich bekannt, daß die von einem. Klystren gelieferte
Frequenz in erster Linie von der an die Reflektorelektrode angelegten Spannung abhängt,
da diese die Laufzeit der Elektronen in der Röhre bestimmt.
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Es sei darauf hingewiesen, daß die Verstärker 3 ' 3
und 45 für
den Betrieb der Einrichtung nicht ullbedingt notwendig sind; sie erlauben jedoch
eine leichtere Justierung der Schaltung und ergeben eine größere Frequenzempfindlichkeit,
da der Verstärkungsgrad die Genauigkeit bestimmt, mit dem die Reflektorspannung
als Funktion der Frequenz variiert. Es ist außerdem darauf hinzuweisen, dal-.) die
Schwingfrequenz des Klystrons so eingestellt werden muß, daß sie auf einen Wert
etwas unterhalb oder etwas oberhalb des Maximums der Mikrowellenabsorption im Gas
fällt, je nachdem, wie die Detektoren,29 und 43 gepolt sind. Dies ist notwendig,
damit die Frequenzregeleinrichtung im richtigen Sinn arbeitet, d. h.,die
Reflektorspannung bei Frequenzabweichungen des Milrowellengenerators gegenkoppelnd,
d.h. im Sinn einerVerkleinerung dieser Abweichung, geregelt wird. In Fig.
3
ist eine typische Absorptionsresonanzlinie dargestellt, wobei die Frequenz
der Mikrowellensignale, die in das Gas eingestrahlt werden, als Abszisse und die
Absorption als Ordinate aufgetragen ist. Solche Gase haben eine Mehrzahl von Absorptionsresonanzfrequenzen,
und es kann grundsätzlich jede von ihnen für die Zwecke der Erfindung benutzt werden.
DerFrequenzregelbereich der Einrichtung wird durch einen Teil der Kurve 49 zwischen
denPunkten 51 und 53 der rechtenFlanke der Resonanzkurve wiedergegeben. Es
sei darauf hingewiesen, daß der Betrieb auf der einen Seite der Resonanzkurve die
Reflektorspannung bei auftretenden Frequenzabweichungen im Sinn einer Zurückführung
dieser Abweichungen auf einen kleineren Wert beeinflußt, während man auf der anderen
Seite der Resonanzkurve eine Vergrößerung einer einmal entstandenen Abwei#chung
erhalten würde. Dieser zweite Teil der Kurve ist also für die Frequenzstabilisierung
nicht brauchbar.
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Die Fig. #2 - zeigt eine zweite Ausführungsforin der Erfindung,
welche zur Stabilisierung der von einem Magnetron 61 mit mehreren Hohlräumen gelieferten
Frequenz dient. Derartige Magnetrongeneratoren enthalten bekanntlich eine zentrale
Kathode 63, -die von einer Mehrzahl von radial angeordneten Hohlratimresonatoren
umgeben ist, von denen jeder in der Zeichnung schematisch durcli eine Spule
65 und einen Kondensator 67 dargestellt ist. Senkrecht zur Zeichenebene wirkt
ein konstantes magnetisches Feld hoher Intensität. Wie bekannt, ändert sich die
Frequenz eines solchen Magnetrongenerators, wenn ein Hilfselektronen strahl durch
einen oder mehrere Hohlraumresonatoren hindurchgeleitet wird, da dieser Elektronenstra,hl
die Abstimmung des Resonators beeinflußt. Eine derartige Vorrichtung 70 zur
Intensitätssteuerung des Kathodenstrahls ist schematisch durch eine Hilfskathode
#69 angedeutet, durch ein Steuergitter 7,1 und durch eine Anode 71, wobei
diese Elemente sämtlich innerhalb eines Hohlrauniresonators des Magnetrons liegen.
Die Anode und
die Kathode dieser Vo rrichtung werden mit den nötigen
Betriebsspannungen versorgt, um einen Strahl von der gewünschten Intensität in dem
Hohlraumresonator zu erzeugen. Eine Steuer-- oder Signalspannting, am Gitter 71
dieser Einrichtung 70
ändert die Intensität des Kathodenstrahls, verändert
damit den Einfluß dieses' Strahls auf den betreffenden Hohlraumresonator, durch
-welchen der Strahl hindurchläuft, und somit auch die vom Magnetron gelieferte Frequenz.
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(Mittels einer Auskopplungsschleife 75, die in einen der Hohlräume
des Magnetrons 61 hineinragt, wied über eine konzentr.isdhe Leitungig und eine 11ohlrohrleitung
77 eine Belastung 79 an das Magnetron angeschlossen. Mittels zweierÖffnungen
81 und 83, die ein Viertel der Wellenlänge der Schwingfrequenz voneinander
entfernt liegen, wird an das Hohlrohr 77 ein erster Richtungskoppler 81 an
geschlossen, dessen generatorseitiges Ende durch ein keilförmiges Abschlußelement
&7 gebildet wird, das ähnlich dem Element 431 in Fig. i ist. Das zur
gericl-iteten Ankopplung dienende Höhlrohr 85 enthält zwei gasdichte, für
Mikrowellen jedoch durchlässige Zwischenfenster gi, welche die Gaskammer
C
95 begrenzen. Am anderen Ende dieses HohlToh-rs liegt ein erster
Detektor 97, der- an den Eingang eines ersten Gl-eichstromverstärkers
99 angeschlossen ist. Das Hohlrohr 85 ist außerdem über ein zweites
Paar von öffnungenaoi und io.3, die ebenfalls einen Abstand von einer Viertelwellenlänge
fiaben, an ein zweites Hohlrohr -i,-o,5 angeschlossen, dessen generatorseitiges
Ende durch ,einen zweiten dielektrischen Kell io7 abgeschlossen ist. Das untere
Ende des Hdh-1rohrs! 105 enthält einen zweiten Detektor iog, der am Eingang
eines zweiten Gleichstromverstärkers iiii liegt.
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Die Ausgangsspannungen der Verstärker 99 und im sind einander
entgegengeschaltet: und liegen beispielsweise an der Primärwicklung 113 eines
Transformators 11,5. Der Mittelpunkt 117 dieser Wicklun,g ist geerdet. Die
Sekundärwicklung iiig liegt am Eingang eines symmetrischen Modulators-:i,2i. DieSteuerspannungen
diesesModulators werden dem Steuergitter 71 - der zur IntensitätssteuerWig
-des Kathodenstrahls im Magnetron dienenden Vorrichtung zugeführt.
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Umden symmetrischen -Modulator für niedrige Frequenzen zu ta-sten,
kann eine der üblichen Schaltungen verwendet werden, z. B. kann das Hohlrohr
85 und somit gleichzeitig die in die Gaskammer 95 und die in das Hohlrdhr#,io5
eingestrahlte Energie moduliert werden. Man kann z. B. einen mechanischen Modulator,
d. h. eine exzentrische rotierende Scheibe L23, die von einem Motor E25 angetrieben
wird, über eine öffnung 135
an den Riclitungskoppler 85 ankoppeln,
um die Ab-
schwächung der in diesem Hohlrohr laufenden Wellen oder eine andere
seiner Übertragungseigenschaften für -Mikrowellen zu verändern. Es sei darauf hingewiesen,
daß jede mechanische oder elektrische Modulationsvorrichtung dazu verwendet werden
kann, um eine niederfrequente Modulation der in das Gas und in das zweite- Hohlrohr
eingestrahlten Mikrowellen zu bewerkstelligen. Der Motor 125 treibt außerdem einen
zur Tastung dienenden Niederfrequenzgenerator 127 an, der an dem symmetrischen
Modulator 12,1 derart argeschlossen ist, daß dielGeneratorspannung den beiden Röhren
des symmetrischen Modulators in Phase zugeführt wird. In Fig.:2 bedeuten der vom
Generafor 1:27 und der vorn Modulator,i:2i nach rechts ausgehende Pfeil,
daß dieser Modulator an den Generator angeschlossen ist, -wobei die Rückleitung
über Erde verläuft. Der symmetrische Modulator wird also mit einer Frequenz von
30 Hertz getastet, so daß eineFrequenzregelspannung abhängig von der Differenz
zwischen den Ausgangsspannungen der Detektoren 99 und iii besteht, wobei
diese Regelspannung sich im richtigen Sinn zu den Frequenzabweichungen des Magnetrons
ändert.
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Die Ausgangsspannungen der Detektoren 97 und iog sind gleich
groß, wenn die Mikrowellenfrequenz auf dein gewünschten Teil der Kurve in Fig.
3 liegt. Der M.odulator hat !dann praktisch -die Ausgangsspannung
Null, während eine kleine Veränderung der Betriebsfrequenz das Gleichgewicht des
Modulators stört und eine Regelspannung hervorruft, welche auf die Intensitätsmodulation
des Hilfskathodenstrahls im Magnetron im Sinn einer Verkleinerung der entstandenenFrequenzabweichungen
einwirkt.
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Die '1\Ilikrowällenabsorption in der Gaskammer hän#gt vom Gasdruck
ab, wie es die Kurve l(2,3 in Fig. 4 zeigt. Die größte Selektion und die größte
Empfindlichkeit der Frequenzregelung wird bei Druoken von der Größenordnung io-3
mm Quecksilbersäule erzielt.
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Die Fig. 5 zeigt eine Abänderung für die gegeneinander geschalteten
Detektorausgangskreise in Fig. i und 2" die zur Schaffung eines differentiellen
Detektorausgangs benutzt werden kann, ohne eine ,besondere Ankopplung, wie den Transformator
i 15,
benutzen zu müssen. Bei dieser Ausführungsform werden die Detektoren
mit entgegengesetzter Polarität parallel geschaltet, so daß ihre Spannungen sich
voneinander subtrahieren und eine Differenzspannun.g über den Widerstand 13 an die
Reflektorelektrode 9 gelangt. Eine ähnliche Einrichtung kann bei einer Schaltung
nach Fig. #2 verwendet werden, um den Transformator 115 zur Kopplung des
symmetrischen Modulators mit den Verstärkern 99"111 ersparen zu können.
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Beim Betrieb tritt am Widerstand 13 kein Spannungsabfall auf,
wenn die Ausgangsspannungen der Detektoren gleich groß sind. Wenn die Spannung am
Detektor 43 größer ist als das Signal vom Detektor ?,9, wird das resultierende Steuersignal
negativ, und #die Frequenz ödes Mystrons nimmt zu, um die Frequenzabweichung, welche
die größere Absorption im Gas und die Spannungsverminderung im Ausgang des Detektors
29 hervorgerufen hatte, zu kompensieren.
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Es sei bemerkt, daß die allgemeine Anordnung dazu benutzt werden kann,
auch die Frequenzen anderer Typen von Generatoren -für (Mikrowellen zu stabilisieren,
wenn deren Frequenz von der Höhe
einer ihnen zugeführten Steuerspannung
abhängt. Auch die Ilohlrohrleitungen und die Kopplungselemente können durch konzentrische
Leitungen oder andere Kopplungselernente für Mikrowellen ersetzt werden, und ferner
kann an Stelle der Kristalldetektoren eine andere gebräuchliche Art eines Mikrowellendetektors
verwendet werden.
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Die Erfindung umfaßt also Verfahren und Einrichtungen zur Stabilisierung
der Frequenz von Mikrowellengeneratoren in Abhängigkeit von der seitens eines Gases
absorbierten Mikrowellenenergie unter Benutzung der Resonanzabsorption im Gas, wobei
die Schwingfrequenz des Mikrowellengenerators eine Funktion der in dem betreffendenGas
auftretenden Resonanzabsorption ist. Die Empfindlichkeit der Frequenzregelung kann
durch den Verstärkungsgrad der Schaltung oder durch den Druck des Gases beeinflußt
werden.