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Reihenvervielfacher Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Verstärken
von Strömen nach dem Prinzip des soggenannten Reihenvervielfachers. Bei derartigen
Verstärkern wird bekanntlich die Erscheinung der Sekundärelektronenemission dazu
ausgenutzt, um die von einer Glühkathode oder Fotokathode ausgehenden Ströme an
einer Reihe sogenannter Prallelektroden auf ein Vielfaches ihrer Anfangsstärke zu
bringen. Bei den bekannten Reihenvervielfachern verwendet man zur Speisung der Elektrodensystemestets
Gleichstrom, da hierbei die Verhältnisse offensichtlich am einfachsten liegen und
die Konstruktion mit Sicherheit dahin gebracht werden konnte, daß sich für die herrschenden
Betriebsverhältnisse eine optimale Stromausbeute ergab. Es ist jedoch vielfach sehr
schwierig, die für den Gleichstrombetrieb eines Sekundäremisionsverstärkers notwendigen
Gleichspannungen zu beschaffen. Eine allgemeine Verwendung dieser Verstärkerapparate
stößt deshalb, auf Schwierigkeiten, da die Spannungen, mit denen in günstiger Weise
gearbeitet werden kann, meist höher sind als die Spannungen der üblichen Verteilernetze
für Gleichetrom.
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Um diese geschilderten Schwierigkeiten zu vermeiden, hat man auch
schon den Vorschlag gemacht, Wechselstrom für die Speisung der Elektrodensysteme
von Sekundäremissionsverstärkerröhren zu verwenden. Die Wechselstromspeisung bringt
bei Röhren mit elektrostatischer Strahlführung
grundsätzlich keine
Schwierigkeiten. Die rein elektrostatische Strahlführung hat aber an sich gewisse
Nachteile. Für größere Stromstärken braucht man verhältnismäßig komplizierte Elektrodensysteme.
Dies hängt damit zusammen, daß die Elektronenstrahlen so geführt werden müssen,
daß die Primärelektronen wohl auf die Verstärkerelektrode auftreffen, die Sekundärelektronen
aber von der Prallelektrode weg möglichst vollzählig zur nächsten Verstärkerstufe
weiterbefördert werden müssen. Ferner ist die Kompensation von Netzschwankungen
bei Röhren mit elektrostatischer Strahlführung praktisch kaum durchführbar.
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Es ist auch bekannt, einen Reihenvervielfacher mit magnetischer Stra!hlführung
mit Wechselstrom zu speisen. Die technischen Ergebnisse solcher Anordnungen waren
bisher nicht zufriedenstellend, da ein Vervielfacher mit elektromagnetischer Strah.lführung
und Wechselstromspeisung nur für einen einzigen Wert der Halbwelle der Speisespannung
mit optimaler Ausbeute arbeiten kann, wenn man ein konstantes Magnetfeld verwendet.
Die Verhältnisse bei einem mit Wechselspannung gespeisten Vervielfacher mit magnetischer
Strahlführung sind in Fig. i veranschaulicht. In dieser bedeutet die Kurve i' den
Verlauf der Gesamtspannung :des Vervielfachers in Abhängigkeit vom Röhrenstrom bei
elektrostatischer Strahlführung. Für elektromagnetische Strahlführung ergibt sich
für jede Stärke des Magnetfeldes eine bestimmte Kurve in der Art der Kurve 2 in
Fig. i. Man erkennt, daß der Anodenstrom in Abhängigkeit von der Gesamtspannung
ein deutlich ausgeprägtes Maximum auf-%veist. Dies kommt .daher, daß- für einen
bestimmten Wert des Magnetfeldes bei einer bestimmten Spannung die elektronenoptischen
Verhältnisse im Elektrodensystem .derartige sind, daß sämtliche Prallelektroden
voll beaufschlagt werden und nicht irgendwelche Elektronen neben den Prallelektroden
vorbeigehen. Der primäre Elektronenstrom wird also optimal ausgenutzt. Ändert sich
jedoch die Gesamtspannung nach größeren oder kleineren Werten, dann werden die elektronenoptischen,
Verhältnisse geändert, und zwar in dem Sinne, d:aß die Elektronen teilweise vor
den einzelnen Elektroden vorübergehen, wenn die Gesamtspannung zu klein ist, während
bei einer höheren Spannung ein Teil der Elektronen. über die Sekundärelektroden
herausgeht. Dieser und andere Effekte verursachen das scharfe Maximum der Kurve,
welche die Abhängigkeit des Anodenstromes von der Gesamtspannung angibt.
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Man erkennt bei der Betrachtung der Fig. i, daß nur ein Teil des Spannungsbereiches
der Betriebsspannung hohe Anodenströme ergibt; während die außerhalb dieses im wesentlichen
durch die Kurve 2 begrenzten Bereiches niedrige Anodenspannungen ergeben.
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Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß man durch eine bestimmte
Wahl der Betriebsverhältnisse eine bessere Ausnutzung des Vervielfachers mit elektromagnetischer
Strahlführung und Wechselstromspeisung erzielen kann. Erfindungsgemäß wird die Stärke
des zur Strahlführung dienenden Magnetfeldes so gewählt, daß die Verstärkung bei
einem Spannungswert optimal wird, der etwa io9/o unterhalb des Scheitelwertes der
speisenden Wechselspannung .liegt. Es hat sich herausgestellt, daß man bei dieser
Wahl -der Betriebsbedingungen zu einer weit besseren Ausnutzung des Verviel.fachers
gelangt. Dies läßt sich an Hand der Fig. 2 bis 4 erläutern. In Fig. @ bedeutet die
Kurve 3 die an den Elektroden liegende Gesamtspannung. Ein Vergleich mit Fig. i
zeigt, daß für einen Teil der von der Gesamtspannung durchlaufenen Werte der Anodenstroh
verhältnismäßig groß ist, während er für den übrigen Spannungsbereich klein wird
bzw. praktisch verschwindet. Der nützliche Spannungsbereich ist in Fig. 2 mit 4
bezeichnet. Der sich daraus ergebende Verlauf des Anodenstromes ist durch die Kurve
5 dargestellt, während der mittlere Anodenstrom sich aus der schraffierten Fläche
ergibt. Dabei ist vorausgesetzt, daß die Ordinate gleichzeitig die Spannung und
den Strom angibt. Man erkennt aus dieser Figur deutlich, daß der mittlere Anodenstrom,
stark vergrößert werden kann, wenn der Spannungsbereich, innerhalb dessen der Anodenstrom
verhältnismäßig groß ist, erhöht wird. Die Kurve b zeigt z. B., wie sich der Stromverlauf
und damit auch der mittlere Anodenstrom durch eine Vergrößerung dieses Spannungsbereiches
ändern können.
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Die Fig. 3 und 4 zeigen, in welcher Weise durch Anwendung des Erfindungsgedankens
eine Vergrößerung des nützlichen Spannungsbereiches und damit des mittleren Anodenstromes
erzielt wird. Zu diesem Zweck wird in Fig. 3 die Kurve 2 der Fig. i nochmals aufgezeichnet
(Kurve 1s), also der Anodenstrom in Abhängigkeit von: der Gesamtspannung. Wenn an
den Vervielfacher eine Wechselspannung angelegt wird, dann erhält der Strom IA bei
einer Spannung 7 bereits einen Wert, welcher verhältnismäßig groß ist und praktisch
für den Strommittelwert Bedeutung besitzt. Es sei also angenommen, daß der Spannungsbereich,
welcher brauchbare Stromstärken ergibt und für den Mittelwert des Stromes ausschlaggebend
ist, bei 7 beginne. Nun sei das Magnetfeld- so. gewählt und die Anordnung .derart
getroffen, daß bei Gleichstrombetrieb (Gleichspannung als Speisespannung) sich bei
der durch den Punkt 8 gekennzeichneten Speisespannung die optimale Stromausbeute
IA ergebe und daß diese Spannung nunmehr gleich der Scheitelspannung der speisenden
Wechselspannung sein soll. Die speisende Wechselspannung zeigt also im Betrieb von
o über den Punkt 7 bis zum Punkt 8 an, um dann wieder abzusinken. Der für die Bildung
des Strommittelwertes maßgebende Spannungsbereich (in Fig. 2 mit 4 bezeichnet) liegt
also hier zwischen den Punkten 7 und 8 und besitzt eine ganz bestimmte Größe, die
durch den Scheitelwert der Speisewechselspannung begrenzt ist. Der Bereich der Spannung,
welcher für den Strommittelwert maßgebend ist, kann aber vergrößert werden, wenn
das Magnetfeld, :das zur Strahlführung dient, so gewählt wird, daß in bezug auf
eine gegebene
Spannung die Vervielfachung bei einem Spannungswert
optimal wird, .der unterhalb des Scheitelwertes der speisenden Wechselspannung liegt.
Als gegebene Spannung ist hier die Betriebsspannung des Vervielfachers anzusehen.
Die Vervielfachung ist in bezug auf diese Spannung optimal, wenn das Magnetfeld
für diese Spannung auf den günstigsten Wert eingestellt wird. Das Magnetfeld wird
gemäß Fig.3 beispielsweise so gewählt, daß bei der Scheitelspannung, bezeichnet
durch den Punkt 8, der Anodenstrom etwas kleiner ist, als der optimalen Ausbeute
entspräche, die hier etwa bei der Spannung io erzielt wird. Zu diesem Spannungswert
io gehört eine Kurve 16, welche den Zusammenhang zwischen Spannung un.d; Strom.
darstellt. Es ist ohne weiteres zu erkennen, daß schon bei Spannungen, deren Größe
etwa dem Punkt 17 entspricht, die Stromausbeute eine beachtliche Größe annimmt.
Die Ausbeute steigt dann weiter bis zum Punkt 9, dem Scheitelpunkt der Kurve 16,
der etwas tiefer liegt als der Scheitelpunkt der Kurve 15. Der zum Scheitelpunkt
9 gehörende Spannungswert ist mit i.o bezeichnet. Von dem Punkt i;o an steigt die
Spannung noch weiter bis zum Punkt 8, also ihrem höchsten Wert. Auch in dem Intervall
zwischen dem Spannungswert io und 8 ist die Stromausbeute noch groß, so daß das
ganze Spannungsintervall vom Punkt 17 bis zum Punkt 8 nutzbringend verwendet wurde.
Würde man. das Magnetfeld so wählen, daß beim Scheitelwert der Wechselspannung (Punkt
8) optimale Vervielfachung eintritt, dann wäre lediglich das Spannungsintervall
zwischen den. Punkten 7 und 8 praktisch ausgenutzt.
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In Fig. 4 ist der Vorgang bei der beschriebenen Art der magnetischen
Strahlführung zur besseren Veranschaulichung nochmals dargestellt, wobei zur Vereinfachung
angenommen ist, d.aß. .die Kurven, welche den Wert der Anodenspannung in Abhängigkeit
von der Gesamtspannung darstellen, rechteckige Form besitzen. Die Scheitelspannung
sei mit 5oo Volt angenommen. Bei einem Spannungswert von 46o Volt liege der schroffe
Anstieg des Anodenstromes mit der Gesamtspannung, wie er bei einem magnetischen
Vervielfacher vorhanden ist. An die Stelle der Kurven a in den Fig. i und 3 tritt
also jetzt der rechteckige Linienzug i i. Wenn. nun die Speisewechselspannung von
o auf den Scheitelwert steigt, dann gibt es einen. Spannungsbereich, in welchem
der Strom verhältnismäßig groß und für den Mittelwert ausschlaggebend ist, und zwar
den Bereich zwischen U = 46o und U = 500 Volt. Über diesen
Bereich hinaus steigt die Spannung nicht mehr an, da sie bei 5oo Volt ihren Scheitelwert
erreicht. Nun sei im Sinne der vorhergehenden Ausführungen angenommen, daß die Vervielfachung
bei einem Spannungswert optimal werden. soll, der unterhalb des Scheitelwertes liegt.
Dieser Spannungswert sei nun mit 46o Volt angenommen. Bei einem Betrieb mit Gleichstrom
würde also für einen Spannungswert von 46o Volt die Verstärkung (Vervielfachung)
eine optimale sein. Für die Kurve, ,welche für die Spannung von 46o Volt als Spannungswert
der optimalen Vervielfachung den Zusammenhang zwischen dem Anodenstrom und der Gesamtspannung
ergibt, kann der rechteckige Linienzug i2 eingesetzt werden. Die Verhältnisse sind
also so gewählt, daß das Optimum der Vervielfachung bei 46o Volt eintritt, während
die Scheitelspannung 500 Volt beträgt. Der Spannungsbereich, innerhalb welchem
sich beachtliche, für .den Mittelwert des Stromes wesentliche Stromstärken ergeben,
ist jetzt nicht mehr durch die kleine Differenz zwischen 46o und 5-00 Volt gegeben,
sondern bedeutend größer, da schon bei etwa 4.oo Volt der Strom plötzlich anspricht,
und besitzt die .durch die Strecke 13 gegebene Größe. Auf diese Weise wird also
auch der Mittelwert des Anodenstromes sehr stark erhöht. Wählt man z. B,. bei Betrieb
mit Wechselspannung das Magnetfeld so, daß bei etwa 95°/o des Wertes der Scheitelspannung
der optimale Ausgangsstrom erreicht wird, dann ist für Werte von sin von o,9 bis
i, also von. 65 bis 9o°, der mittlere Anodenstrom gleich für den magnetischen und
für den elektrostatischen Vervielfacher. Dieser Bereich ist in Fig. a durch die
schraffierte Fläche dargestellt. Wie bereits erwähnt, spielt der geringe Unterschied
zwischen .den Stromkurven in den übrigen Bereichen keine beachtliche Rolle mehr.
Man sieht also, daß die Spannung, bei welcher eine optimale Vervielfachung eintritt,
nicht viel unterhalb der Scheitelspannung gewählt zu werden braucht, um einen guten
Mittelwert des Anodenstromes zu erhalten.
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Wie weit der Mittelwert des Anodenstromes bei magnetischer Vervielfachung
an den Mittelwert des Anodenstromes bei magnetischer Strahlführung angeglichen werden
kann, hängt unter anderem sehr von der Gestalt der Kurve a (s. Fig. i und 3) ab.
In besonderen Fällen, in. welchen diese Kurve zu spitz zuläuft und die Konstanz
des Anodenstromes nur auf einem zu kurzen Bereich der Gesamtspannung erfüllt ist,
kann es vorkommen, daß die beschriebenen Mittel nicht mehr ausreichend sind. Man
kann das Elektrodensystem: des Vervielfachers dann aber trotzdem @ mit Wechselstrom
speisen, wenn man dafür sorgt, daß. sich das zur Führung des Elektronenstrahles
dienende Magnetfeld synchron so ändert, daß, vornehmlich in der Nähe der Scheitelspannung,
ein jeweils das Optimum des Anodenstromes gerade durchlaufener Spannungswert erreicht
wird. Dazu genügt es, wenn etwa 50°/o der magnetischen Feldstärke durch ein magnetisches
Gleichfeld: geliefert werden, während die übrigen 5o% von derselben Spannungsquelle
erzeugt werden, die das Elektro.densystem speist.
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Für manche Zwecke ist es erwünscht, eine Stromkurve ganz bestimmter
Form zu erhalten, so z. B. eine sinusförmige oder rechteckige Stromkurve. Für viele
Zwecke ist auch ein Verlauf des Stromes in. Abhängigkeit von der Zeit erwünscht,
z. B. in einer Sattelkurve, wie sie in Fig. 5 dargestellt ist (Kurve 14). Man kann
dies leicht dadurch erreichen, daß man mit dem Spannungswert, bei welchem sich eine
optimale Vervielfachung ergibt,
noch weiter unter den Scheitelwert
der Speisespannung geht, als dies weiter oben beschrieben wurde. Dadurch wird zwar
der Bereich der Spannung, in welcher eine merkliche Stromverstärkung auftritt, noch
vergrößert, es sinkt jedoch dabei der Mittehvert des Stromes etwas ab. Für viele
Zwecke kann jedoch diese Verringerung des Mittelwerte unbeachtet bleiben, da es
nur auf die Form der Stromkurven ankommt.