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Archiv fiir E l ek tro techn ik XXXV. Band. 6. Heft. 1941.

Bemerkungen zum Ausbau der neuzeitlichen Elektronenstrahloszillographie.

V o n

Hanswerner Pieplow VDE, Berlin.

(Mitteilung.aus dera Forschungs-Institut der AEG.)

(Eingegangen am 1.11. 194:0.) : D K 62x. 3x7. 75 $

�9 Nachdem gezeigt worden ist, i n weJcher Weise sieh die Elektronenstrahloszillograph-ie in jiingster Zeit er~twick™ bat, dafl heute Meflfrequenzen bis zu etwa 1o0 MHz als s tehende Bilder oszillographiert w4rden k6nnen und datt ~te'r Hochleistungsoszillograph nicht nur fiir (š malige) Stot~vorg~inge, sondern auch dank seiner hohen Schr.eibgesehwindigkeit von 50000 km/s ffir die Aufnahme von ul trakurzen Wellen eingesetzt werden kann, werden die Fehler n~ih™ unter- sucht, die beim Oszillographieren so kurzer Ze�9 auf t re ten k6nnen. Es erweist sich a]s zweck- miit3ig~ die zweite Ablei tung der Mei3spannung nach der Zeit der Meflbarkeit eines Vorg'angs zu- grande zu legen. -

A. Einleitung. Vor drei Jahren wurde bereits ein Uberblick 1) tiber die Richtungen gegeben, in

denen sich die mit Braunschen Hochvakuumr0hren arbeitende Elektronenstrahl- oszillographie entwickelt hatte. Die damals diskutierten Ger~te mit Zusatzeinrich- tungen haben sich inzwischen l~ngst in der Praxis bew~hrt; insbesondere hat sich die technisch™ Durchbildung des Nachbeschleunigungsprinzips 2) und der damals neuartige Weg des Zweistrahloszillographen 8) als richtig erwiesen.

Verglichen mit dem Stand von 1937 haben sich seither die Industrieger~te bis auf kleinere Verbesserungen oder dem P~undfunkernpf~ingerbau analoge ~ufiere Vari- anten nur unwesentlich ge~adert, und nach der Schaffung einer derartig breiten Mefi- basis for Untersuchungen ira Ton- und Mittelfrequenzgebiet (bis zu einigen MHz hinauf) blieb eigentlich nur noch eine Aufgabe zu erffillen fibrig: die Erweiterung des An- wendungsbereiches des Elektronenstrahloszillographen bis in das Gebiet ultrakurzer Wellen, oder anders ausgedr/�9 die Steigerun OE der Schreibgeschwindigkeit, und zwar sowohl frit periodische als auch ftir einmali~e Vorg~nge. W~hrend aber die Erzeugung stehender ]~ilder auf dem Leuchtschirm bei hochfrequenten periodischen Vorg~ingen ira wesentlichen nur an den Schaltungstechniker und Ger~tebauer Anforderungen stellt, hat die Aufnahme einmaliger, kurzzeitiger Vorg~nge das Vorhandensein einer hinreichend hellen Braunschen R6hre zut Voraussetzung.

Nachdem fiber die r6hrentechnischen Erfolge auf diesera Gebiet bereks berichtet wurde4), soll nun ein Uberblick fiber den Ausbau und die Ergebnisse der neueren os- zillographischen Mel3technik gegeben werden, wobei wir uns auf die Diskussion der grunds~tzlichen Teilprobleme, insbesondere der Grenzen der Schreibgeschwindigkeit beschr~nken wollen. Spezielle Schaltungs- und Ger~tefragen zut hochfrequenten perio- dischen Zeitablenkung 5) und zu der Aufnahme einraMiger Vorg~nge �87 werden an andš Stelle behandelt.

1) C. Fr6hmer u. H. Pieplow, Jb. Forsch.-Inst. AEG 5 (1937) S. 51. ~) Vgl. auch A. Bigalke, Z. techn. Phys. 19 (1938) S. 163. 3) VgL auch H. Pieplow, Z. Fernmeldetechn. 19 (1938) S. 84. ~) H. Katz u. E. Westendorf , Z. techn. Phys. 20 (1939) S.'209. ~) H. Lichtenberg, Hochfrequenztechn. 57 (194:1) S. 84:. ~) H. Ganswindt , dieses Heft, S. 337.

Archiv f. Elektrotechnik. XXXV. Band ~i. Heft. ~3

Archiv fiJr 320 Pieplow, Ausbau der neuzeitlichen Elektronenstrahloszillographie. ~,lektroteclmik.

B. Die periodische Zeitablenkung. Die ftir die zeitliche AuflSsung periodischer VorgS~nge an AblenkgerS~te zu stellen-

den Forderungen lassen sich folgendermat3en zusammenfassen: a) Die Zeitablenkspannung mut3 eine definierte, periodische, mindestens teilweise

lineare Funktion der Zeit sein. b) Das Oszillogramm rouf3 eindeutig und einsinnig verlaufen, das heiBt: es rouf3

exakt synchronisiert sein und darf durch den Rticklauf des Leuchtflecks nicht gestSrt werden (dies ftihrt zu der Forderung eines entweder im Vergleich zum Hinlauf sehr kurzen oi” aber eines verdunkelten Rticklaufs).

c Di› Frequenz:der Zeitablenkspannung soll sich in einem Bereich variieren lassen, der dem der Braun'schen RShre selbst m6glichst angepaBt ist.

Schon allein ~egen dieser letzten Forderung scheiden sinusfSrmige Zeitablenk- spannungen aus, da der notwendige Frequenzbereich von mindestens 6 Zehnerpotenzen �9 ,eincn z¨ apparativen Aufwand erfordern wtirde. Zur Verftigung bleiben also ,I™ diœ /nit nur einem Blindwiderstand arbeiten und Unstetigkeits- stelle�9 besit~eri,.

i. Zur Entwicklung von Ablenkschaltungen. Das Grundschaltbild eines Kippschwinggenerators besteht nach Bild 1 immer

aus einem von einer Gleichspannungsquelle U her iiber eine Ladeimpedanz JL auf- geladenen und darauf iJber einen Parallelweg entladenen Energiespeicher C; dabei

- ! r---n ia

Bild 1. Grundschaltung eines Kippschwing- Bild 2. generators.

§239 + ~

1 VL Kippschaltung mit gasgeftilltem

EntladungsgefgB.

mur3 das als Relais S schematisierte Entladungsorgan die Bedingung erf/illen, dag es bei einem bestimmten und definierten oberen Energieinhalt des Energiespeichers an- spricht und bel einem ebenso definierten unteren Energieinhalt wieder abfgllt. Diese Bedingung zeigt schon, dag die Verwendung gittergesteuerter GasentladungsgefS~fie fiir Kippschwinggeneratoren aut3erordentlich vorteilhaft und sozusagen selbstver- stgndlich ist, weil die unstetige Steuercharakteristik der GasentladungsrShren den Anforderungen des Kippmechanismus unmittelbar geniigt. Al!erdings ist der Frequenz- umfang hierbei zunS~chst nicht besonders grol3; es konnte aber gezeigt werdenl), dag mit einer Schaltanordnung (vgl. Bi!d 2), bei der dem Gitter des EntladungsgefgBes wS~hrend und nach der Kondensatorentladung eine sehr stark negative Spannung auf- gedrtickf wird, eine ganz wesentliche Erweiterung des Frequenzbereiches m6glich ist. So zeigt beispielsweise das Oszillogramm Bild 3, das mit einer Zeitablenkung nach Bild 2 aufgenommen wurde, eine einwandfrei synchronisierte 2-MHz-Schwingung bei einer Kippfrequenz von 1 MHz.

Der Wirkungsgrad einer derartigen mit GasentladungsrShren arbeitenden Zeit- ablenkung 15~13t sich durch keine andere Anordnung fiberbieten. Zur Aufnahme des Oszillogramms Bild 3 z. B. war nur ein Gleichstrombedarf von 17 mA bei 500 bis 600 V notw› trotzdem betrS~gt die Aufladegeschwindigkeit des Kippkondensators rund 400 V/as , wobei die Rticklaufzeit nur 20% der Hinlaufzeit ist. Soli die Auflade- geschwindigkeit dartiber hinaus noch gesteigert werden, so ist die-Verwendung von GasentladungsrShren in Kippschwinggeneratoren nicht mehr m5glich; die Konden- satorentladung muB dann tiber HochvakuumrShren erfolgen, die wegen der Bedingung

1) H. Pieplow, I~lektr. Nachr.-Techn. 15 (1938) S. 271.

XXXV. Band. H e f t 6--1941. Pieplow, Ausbau der neuzeitlichen Elektronenstrahloszillographie. 321

eines relaisartigen Arbeitens des Kippmechanismus inirgendwelchen Rtickkopplungs- schaltungen betrieben werden mtissen.

Die von der normalen Dreipunktschaltung her tibliche Grundform der induktiv rtickgekoppelten R6hre ftihrt auf die als Sperrschwiriger bekannte Ablenkanordnung, die aber wegen ihres begrenzten Frequenzumfangs au~schlie/31ich ira Fernsehen wesent- liche Bedeutung erlangt hat. Bei aperiodischer Rtickkopplung tiber Widerst~inde und Kapazi- t/iten, wie sie ftir die Oszillographie brauchbar ist, mtissen zur Erhaltung der richtigen Phasen- lage des Rtickkoppelimpulses entweder Mehr- gitterrOhren unter Ausnutzung der Stromvertei- lung 1) oder R6hren mit Dynatronkennlinie unter Ausnutzung der Sekund~iremission 2) angewendet werden, sofern man mit nur einer einzigen Ent- ladungsr6hre auskommen will. Eine dritte MOg- lichkeit besteht schliet31ich in einer wechsel- seitigen Verriegelung von Lade- und Entlade- strom3), wie sie von F r t i h a u f 4) her bekannt ist. Bild 3. Oszillogramm einer 2 MHz-

Schwingung, aufgenommen mit einer Die Schwierigkeiten, die bei den fiir die Schaltung nach Bild 2.

Oszillographie geeigneten Ein-Rohr-Anordnungen fast immer darin bestehen, dag die notwendige Rtickkopplung zwischen ver- schiedenen Elektroden ein und derselben R6hre vorgenommen werden mur3 und dat? wegen der damit verbundenen Beeinflussung der verschiedenen StrOme und Spannungen untereinander ein optimales Arbeiten aller Einzelheiten der Schaltung gleichzeitig nicht einstellbar ist, lassen diesen Weg wenig aussichtsreich erscheinen und ftihren dazu, den Rtickkoppelmechanismus auf zwei einzelne R~Shren zu verteilen,

Y

Bild 4. Bild 5. Technische Ausftihrung einer Kalli- Zeitablenkschaltung mit IKallirotron. rotron-Anordnung. U Gleichspannungsquelle, C �9 VL Lader~hre, Th Entlader5hre,

Vs Stenerr6hre.

so dag sich mehr M6glichkeiten in der optimalen Anpassung der einzelF~en Schalt- elemente untereinander ergeben. Die eine R6hre tibernimmt dann wieder die Konden- satorentladung, w~hrend die andere ira wesentlichen nur ftir die notwendige Phasen- umkehr des Rtickkoppelimpulses sorgt, damit der relaisartige Steuermechanismus der Kippbedingungen erffillt wird.

Eine der ersten Ausftihrungen derartiger Rtickkopplungsschaltungen, das Kalli- rotron 5) nach Bild 4, ist grunds~tzlich bereits geeignet, diese Aufgabe zu tibernehmen. Man braucht nur noch die Wechselpo~ential gegen Erde ftihrenden Spannungsquellen

1) Brit. Patent 435816. 3) Franz. Patent 828278; Brit. Patent 485120; W. F~c&s, Arch. Elektrotechn. 25 (1931)

S. 723. a) K. Kurokawa u. S. Tanaka, Nippon Mectr. Comm. Engng. 2 (1936) S. 132. 4) W. Friihauf, Arch. Elektrotechn. 21 (1927) S. 741. ~) Brit. Patent 302585.

23*

Archiv fiir 322 Pieplow, Ausbau der neuzeitlichen Elektronenstrahloszillographie. Elektrotechnik.

zu beseitigen 1) und erh~lt aus dem Kallirotron unmittelbar eine technisch brauehbare Form 2) (vgt. Bild 5).

2. © der Zeitaufiiisung.

Auf die Entwicklung und Einzelheiten brauchbarer hochfrequenter Zeitablenk- schaltungen wird an anderer Stelle eingegangen werden a) ; wir wollen sta™ dessen hier die Frequenzgrenzen diskutieren und abseh~itzen, welche Meflfrequenzen sich in einem Oszillogramm noch gut aufl6sen lassen. Setzen wir einen konstanten Aufladestrom i des Kippkondensators C voraus, so ist i/C die Aufladegeschwindigkeit. Bei den heute zur Verftigung stehenden Endpenthoden betr~igt i ungef~ihr 50 bis 100 mA, die Kipp- kapazit~it (Anoden-Kathoden-Kapazit~it der Lader6hre, der Entlader6hre und die Leitungskapazit~t) rd. 50pF.' Wi r erhalten also i/C-Werte von etwa 100Obis,2000 V/ixs ~ und da man bei normalen B~aunschen Hochvakuumr6hren mit mittleren Ablenk- empfindlichkeiten von 0,25 mm/V rechnen kann, wird der Zeitmat3stab ungefS~hr 250 bis 500 mm/txs. L~it3t man weiter als Mindestwellenl{inge in einem auswertbaren Os- zillogramm 5 mm zu, so erhalten wir schlieBlich als gerade noch auf15sbare Frequenzen 50 bis 100 MHz. Dies ist aber gleichzeitig die GrS13enordnung der Frequenzen, bel denen in normalen NiederspannungsoszillographenrShren die Laufzeitfehler merklich werden, so dag es heure also mSglich ist, Zeitablenkger~ite zu bauen, mit denen der voile Frequenzbereich Braunscher RShren ausgenutzt werden kann.

An0denspannung Aoch wegen der mit wachsender Frequenz immer " sch~vieriger werdenden Synchronisierung dtirfte es nicht

mSglich sein, Mefispannungen von wesentlich mehr als 100 MHz zeitlinear und als auf dem Leuchtschirm fest- stœ Bild zu oszillographieren, und zwar weniger wegen der Eigenschaften des Kippschwinggenerators als wegen der notwendigen Frequenzkonstanz der unter- suchten Spannungsquellen. Man kann dies leicht ein-

Bild 6. Schematische Dar- sehen, wenn man, ohne sich um Einzelheiten zu kt!mmern , stellullg der ,,Ztindkenn- der Entladeschaltung eine lineare Ztindkennlinie zuordnet, linie" eines Kallirotron- wie es bei Gasentladungsr6hrentiblich‡ Wir ~ehema-

Eiltladuilgsrelais. tisieren also die ,,Ztindkennlinie" der intladungsr6hre entspreehend Bild 6 durch:

u y - ~, . u ~ , ( 2 )

worin k eine positive Konstante der RShre und der Schaltung ist, und ftihren ftir die Gitterspannung ug, die sich aus einer Gleichvorspannung U v und einer dartiber ge- lagerten Synchronisierweehselspannung zusammensetzt, den Ausdruek ein:

ug = U v + Ug. sin (m t - - 9); (2)

ferner ist am Ende der Kondensatoraufladung, die in der Zeit T vor sich gehen mSge, die Anodenspannung:

i u~ = V-" T. (3)

1) t-L E. Hollmann, Arch. Elektrotechn. 25 (1931) S. 692.- ~) Brit. Patent 419298, Electrician 111 (1933) S. 97. Andere Abarteil vgl. z. ]3. G. P. I t t -

mann, Philips techn. 1Rdsch. 1 (1936) S.:147; G. Faust , Funktechn. Mh. (1937) S. 183. a) H. Lichtenberg, ttochfreqenztechnik a. a. O. 4) E. Fubini-Ghiron, Alfa Frequ. 7 (1938) S. 459. Diese Vereinfachuilg ist ftir die

Ableitung der SynchronisierungseigenschMten erlaubt, weil nach Einleitung der Kondensator- entladung der Steuermechanismus ohne ~uBere Einwirkung weiterarbeitet und weil in dem sehr kleinen Ziiildbereich, fiir deil deshalb die Ableitung nur zu gelten braucht, der Zusammenhang zwischen Gitter- und Anodenspannung der Entladerbhre immer linear angenommen werden darL

X X X V . B a n d .

Heft 6 - - 1941. Pieplow, Ausbau der neuzeitlichen ~'----''-'Lle~:tronenstramoszlllograpnle. 3 2 3

Soll nun Synchronismus bestehen, so mul3 die Periode der Kondensatorspannung gleich einem ganzen Vielfachen der Periode der Synchronisierwechselspannung sein; es mufi also gelten:

1 2 ~ �9 �9 ~ �9 ~ T = n ' 7 = n " o�87 ' n = 1 , 2 , 3 , 4 (4)

so dal3 wir mit den G1. (1), (2), (3) u. (4) erhalten:

i 1 U , = C . n . ! -- k . U ~ + k . U ~ . s i n c , v. (5)

Wir vergleichen dies Ergebnis noch mit dem nichtsynchronisierten Schwinggenerator; ffir diesen gilt dann, da Ug verschwindet: :

, i i 1 . o = ~-. To:- c-" l~ - - - k U~. (6)

Da aul3erdem / /n die Frequenz des synchronisierten Schwinggenerators ist, so ergibt sich schliet31ich mit G1. (5) u. (6):

• ug n . / / O _ l + _ _ . u y s i n ~ o = l - - ~ - s i n 9 . (7)

G1. (7) ist dabei eine Gleichgewichtsbedingung, die eine Aussage darfiber macht, unter welchen Umstfinden ein Schwinggenerator mit der Frequenz/o auf die Frequenz/ /n synchronisiert werden kann, und man hat sich bei fes.t vorgegebenen Werten ffir n, /, /0, Ug und U~, wie sie ja in der Praxis vorhanden sind, den Mechanismus der Syn- chronisierung so vorzustellen, daB der Phasenwinkel ™ solange variiert, bis G1. (7) erfiillt wird. Dies ist natfirlich nur innerhalb der Grenzen:

- - 1~ sin™ ~ + 1 (8)

m6glich. Ob die untere Grenze in G1. (8) erreicht wird, hS.ngt von der Neigung k der Zfindkennlinie ab. Setzen wir voraus, dal3 sinq) nicht negativ werden kann und dafi der nichtsynehronisierte Schwinggenerator gerade auf die Frequenz/o = / / n eingestellt ist, so ist die Gesamt~nderung A/, um die sich die Frequenz der untersuchten Mel3- spannung ~indern darf, ohne dal3 eine St6rung des Synchronismus eintritt:

1

~ l = l uo t " (9) uy

wS~hrend sie ffir den Fall des vollen Geltungsbereiches von G1. (8) wird:

2 A / = / uo u~" (~o)

Wir entnehmen den G1. (9) u. (10) als wichtigstes Ergebnis, dal3 die zul~ssige FrequenzS.nderung A / d e r zu untersuchenden Mel3spannung, bei der der Kippschwing- generator noch im Synchronismus bleibt, proportional der mittleren Mel3frequenz ist. Die unwillkfirlichen Frequenzschwankungen I die R6hrensender infolge der Ver~inde- rungen der R6hren- und Schwingkreiskonstanten ausffihren, wachsen aber bei steigen- der Frequenz und unter sonst gleichen Umst~nden schneller als linear mit der Frequenz. Soll das Oszill‰ photographiert werden, so sind die Anforderungen noch schS.rfer, da dann auch der Phasenwinkel ~v sich nicht ~indern darf. Schliel31ich mul3 man be- achten, dag bei sehr hochfrequenten Kippschwingungen, die also eine Rficklaufzeit von gleicher Gr613enanordnung wie die Hinlaufzeit haben, die synehronisierende Span- nung zu Beginn und ara Ende des Rficklaufs wirken kann, und dat3 dann aul3er GI. (7) noch eine analoge Bedingungsgleichung gleiehzeitig erffillk sein roui3, die fiir den Rticklauf gilt.

Archiv fiir 324 P iep low, Ausbau der neuzeitlichen Elektronenstrahloszillographie. Elektrotechnik.

Dafi sich sehr hochfrequente Schwingungen von einigen Metern Wellenl~inge t iberhaupt noch als stehendes Bild oszillographieren lassen, beweisen die Oszil logramme Bild 7 und 81), die reine Zei taufnahmen mit mehreren Sekunden Belichtungszeit darstellen. Insbesondere erkennt m a n in Bild 8, dag sich eine 80-MHz-Welle noch absolut scharf photographieren l~13t. Allerdings roui3 dabei beachte t werden, dag sich bei derart ig hohen Frequenzen die Spannungen gan z beliebiger Met3sender nicht gleich gut-oszillographieren lassen, soridern dafi der Sender hinsichtlich seines Aufbaus, des Arbei tspunktes der R6hre u n d des L/C=Verh~!tnisses den bekannten Grunds~tzen der Frequenzstabiiisi• in gewissen Grenzen angepat3t sein muB.

t3ild 7. Oszillogramm einer 60-MHz-Schwin- Bild 8. OsziIlogramm eiller 80-MHz-Schwin- gung, aufgenommen mit einer Zeitablenk- gung, aufgenommen mit einer Zeitablenk-

anordnung nach Bild 5. anordnung nacla Bild 5.

C. Die Hochleistungsoszillographieg. Obwohl die abgeschm01zene Braunsche RShre in ihrer H a n d h a b u n g und Be-

dienu�9 gegenfiber dem Kal tkathodenoszi l lographen durch den Fortfall der Hilfs- appara turen zur Vakuumha l tung und wegen der stgndigen Betr iebsberei tschaf t ganz aufierordentliche Vorteile bieteta), ist die technische Durchentwicklung brauchbare r Hochleistungsoszil lographenrShren erst in letzter Zeit in Angriff genommen worden4). Einzelne Labera tor iumsentwicklungen von Glfihkathodenoszil lographen hoher Anoden- spannung gab es zwar schon verh~ltnism~f3ig frtihS); offenbar versprach damals aber das K a l t k a t h o d e n s y s t e m m e h r Aussicht auf Erfolg, zumal die ganzen Erfahrungen des Fernsehens und der Niederspannungsoszil lographie mi t Hochvakuumr6hrer l noch nicht vorlagen.

Der Bau von Hochleistungsoszil lographen bietet eine Reihe von Sonderproblemen schaltungstechnischer Art, die sp~ter besprochen werden~). Wir wollen uns hier auf

~) Zur Demonstration der BildschXrfe und damit des Synchronismus war hierbei der Elektronenstrahl durch den Wetmelt-Zylinder unverh~ltnismXl3ig weit abgeblendet, so daB der im Wehnelt-Kreis zwangl~ufig vorhandene Rest an Synchronisierspannurtg eine geringe Hellig- keitsmodulation hervorruft. Diese verschwindet jedoch praktisch vollkommen bei normalen Bildhelligkeiten.

2) Wir benutzen diesen Ausdruck trotz seirmr Verschwommenheit, da er sich fiir Oszillo- grapheI1 eingebtirgert hat, die auf Grund ihrer Leistungsf~higkeit ein einmalig tiberschriebenes Oszillogramm bis zu den h6chstert vorkommender~ Schreibgeschwindigkeiten p..hotographisch registrieren k6nnen. Wir werden sehen, daB dies I™ des einmaligen Uberschreibens entscheidend ist und nicht nur einmalige Vorg~nge der Messung zuganglich macht, sondern auch periodische Vorg~nge, deren oszillographische Erfassung mit periodischer Zeitablenkung auf Schwierigkeiten st6Bt.

�9 ~) Vgl. hierzu auch W. Rogowsk i , E, F l eg l e r u. P. R o s e n l S c h e r , Arch. Elektrotechn. 23 (1929) S. 149.

4) H. K a t z u. E. W e s t e n d o r f , a. a. O. -- B. v. Bor r i e s u. E. R u s k a , Arch. Elektro- techn. 34 (1940) S. i06.

5) 'W. R o g o w s k i u. W. C-rSBer, Arch. Elektrotechn. 15 (1925) S. 377. 6) H. G a n s w i n d t , dieses Heft, S. 337.

XXXV, Band. Heft 6 - - 1941. Pie plow, Ausbau der neuzeitlichen Elektronenstrahldszillographie. 325

allgemein met3technische Fragen beschr~inken und den Anwendungsbereich von Hoch- leistungsoszillographen n~iher untersuehen,

1. Die notwendige Schreibgeschwindigkeit. Ein l]berblick dartiber, welche Schreibgeschwindigkeiten praktisch in Frage

kommen und also von einem techniseh brauchbaren Oszillographen f . r die Stark- strom- und Hoehspannungstechnik verlangt werden m.ssen, wird in folgender Tafel 1) vermit te l t :

Maximale Schreib- Art des Oszillogramms geschwindigkeit in km/s

Kleinere Uberspannungen auf Leitungen; mechanische, akustische und elektrische Schwingungen inllerhMb des Tonfrequellzbereichs 3

t™ Ausgleich- ulld Schaltvorg/~nge . . . . . . . 7 Eigenschwingultgen vort Transformatoren . . . . . . . . . . . 30 Normale StoBspannungsprtifungen innerhalb der Fabrikation . 200 Direkte Blitzschl~ge und Wanderwellen 500 Uberschl~tge und Spannungszusammenbrtiche .z.B. am Prtifling beim

Stof3) . . . . . . . . , . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2000

Die ganze Skala der hier mitgeteil ten Schreibgeschwindigkeiten ist bisher Vr von den (bereits seit l~ingerer Zeit bekannten) amerikanischen 2) noch von den eng- lischen 3) Hochleistungsoszillographen erfal3t worden, die beide (allerdings ohne n~here Angabe der Aufnahmebedingungen) nur einige Hunder t km/s Schreibgeschwindigkeit nennen; bei einem in Frankreich entwickelten Ger~t 4) wird unter bewut3ter Beschrgn- kung auf einen guten Durchschnit t 500 km/s angegeben, womit sehr sch0ne und ftir die Hochspannungstechnik ira al!gemeinen ausreichende 0szil logramme erzielt wurden. Dagegen konnten die deutschen OszillographenrShren vor 1939, abgesehen von ein- zelnen VersuchsausftihrungenS), nicht einmal die VDE-Stot3welle befriedigend wieder- gebene). Es ist tibrigens in diesem Zusammenhang ganz interessant daf3 die mit Kaltkathodenoszi l lographen erzielten Rekordgeschwindigkeiten von fiber 60000km/s 7) nicht in , ,normalen" 0szillogrammen, sondern nur dadurch , b e r h a u p t hergestellt werden konnten, daB das 0szillograham sehr weit t ibersteuert wurde, dal3 also die Ausschl~ige weit , b e r den Raum des Oszillogramms hinausgingen und damit mel3technisch unauswertbar blieben. Die technische Entwicklung des Kal tkathoden- oszillographen hat mittlerweile ja auch gezeigtS), dag einerseits Schreibgeschwindig- keiten , b e r 30000 km/s an serienmgt3ig hergestellten und von wenig vorgeschultem Prfiffeldpersonal bedienten Oszillographen verwirklicht werden k6nnen, und dag andererseits die Hochspannungsteehnik mit weniger als 30000 km/s betragenden Schreibgeschwindigkeiten vollkommen zufrieden ist.

Dagegen wird ftir die Erforschung sehr hochfrequenter Schwingungsvorg~nge eine hohe Schreibgeschwindigkeit ganz besonders wichtig, und die oszillographische

1) Zusammengestellt nach den sehr sorgf~ltigeI1 Literaturvergleichen von: Th. Vogel, ]3ull. Soc. fran™ Electr. 8 (1938) S. 961.

3) H. P. I™ u. S. Ramo, Electr. Engng. 56 (1937) S. 721. �9 D. J. McGil lewie , J. Instn. electr. Engrs. 83 (1938) S. 657 u. 673. 4) j . Cuill› u. Th. Vogel, tZev. g› Electr. 45 (1939) S. 103. 5) Zum Beispiel erh~ilt A. Bigalke , Arch. Elektrotechn. 33 (1939) S. 108 mit einer Gliih-

kathodenr6hre an der Pumpe bel einer Objektiv6ffnung 1:2,8 und bei einer Anodenspan- nullg VOlt 55 kV eine Schreibgeschwindigkeit von 50 km/s.

~) I-I. Schne ide r , ETZ 59 (1938) S. 1061. 7) W. Rogowski , E. F leg le r u. I™ Buf3, Arch. Elektrotechn. 24 (1930) S. 563; J.M.

D o d d s, Arch. Elektrotechn. 29 (1935) S. 69 gibt bei 110 kV Erregerspannung sogar 200 000 km/s. Schreibgeschwindigkeit fiir Innermufnahmen, 60 000 km/s ftir Auf3enaufnahmen an. Eine n~tbere Besehreibung der Aufnahmebedingungen fehlt aber, so dag die Arbeit ftir Vergleiche nich› benutzt werden kann.

s) St. B u c h k r e m e r , ETZ 59 (1938) S. 1035.

Archiv fiir 326 Piep low, Ausbau der n• Elektronenstrahloszillographie. Elektroteehnik.

Erfassung ul t rakurzer Wellen stellt heute ein Problem dar, an dem von den ver- sehiedensten Seiten her gearbeitet wird. Wir sahen bereits , dafi das Synchronisieren von Schwingungen tiber 100 MHz auf Schwierigkeiten st6f3t. Ein anderer Weg, ngmlich die auf Laufzeiterseheinungen beruhende Aufnahme von Lissajous-Figuren, bedarf eines etwas umst~indliehen graphischen Verfahrensl), um einen eindeutigen Aufschlut3 tiber den Verlauf der Zeitfunktion zu geben, mul3 best immte konstrukt ive Eigenschaften der verwendeten Braunsehen RShre voraussetzen 2) und versagt bei frequenzmodulierten Sendern. Der Kunstgriff schliel31ich, mit besonders kleinen Strahldurchmessern zu arbeiten und mikroskopisch klein e Oszillogramme herzustellena), hat zwar den mi tunter erwiinschtea Erfolg, ganz unverhgItnismgt3ig lang e Oszillogramme registrieren zu k6nnen, tauscht aber daf0r wieder den grot3en Nachteil einer notwendigen Innen- aufnahme ein und erreicht t ro tzdem nur das Gebiet normaler Mittelfrequenzen. Es bleibt also auch for die Oszillographie ul t rakurzer Wellen nur eine wirkliche Hoch- leistungsr6hre mit hinreichend schneller elektrischer Zeitablenkung tibrig, wobei zu bedenken ist, dafi eine solche RShre mit 20 kV Anodenspannung und 4:0 mm Platten- l~inge noeh Schwingungen von 500 MHz mit weniger als 10 % Laufzeitfehler aufzeichnet. Ftir die Registrierung einer derartig hoehfrequenten Mel3spannung ist aber bei 30 mm Ampli tude eine Sehreibgeschwindigkeit von maximal 100000 kra/s notwendig. Man sieht, dag die Anforderungen nun gegentiber denen der Starkst romtechnik ganz er- heblich gestiegen sind.

2. Ergebnisse. Um zu zeigen, in welchem Umfang der neue Hoehleistungsoszillograph den oben

sk izz ie r ten Anforderungen gerecht wird, sei hier nur Bild 9 ~) mitgeteilt, das eine 300-MHz-Schwingung darstellt. Das Oszillogramm wurde bel 20 kV Anodenspannung, mit einer Optik 1 :0 ,85 und bei ffinffacher Verkleinerung auf- genommen, auf natfirliche Gr613e nachvergrSf3ert und ist vollstgndig unretusehiert . Die verwendeteHochleistungsr6hre warnichtbesonders ausgesucht, sondern entspricht dem mitt- leren Durchschnitt . Man ent- n immt dem Oszillogramm Bild 9 eine maximale Schreib- gesehwindigkeit von rd. 50000 km/s 5) auf dem Leuchtschirm, und wenn man berticksiehtigt, dafi die Schwgrzung hierbei

~Bild 9. Oszillogramm einer 300-MHz-Schwingung, als ein- maligerVorgangbeifiinffacherVerkleinerungaufgenommen noch wesentlich h6her ist als

und auf natiirliche Gr6Be nachvergrSl3ert (Anoden- bei den bisher bekanntgewor- spannung 20 kV; Aufnahmeoptik 1 : 0,85). denen Oszillogrammen {ihnlich

grol3er Schreibgeschwindigkeit,

1) t-I. 1~. H o l l m a n n , Hochfrequenztechn. 54 (1939) S. 19. 2) Vgl. a. H. 1s H o l l m a n n , IKochfrequenztechn. 54 (1939) S. 188. a) M. v. Ardenne , Hochfrequenztechn. 54 (1939) S. 181. ~) Einzelheiten iiber den Oszillographen und weitere AuInahmen vgl. H. Ganswind t ,

dieses Heft, S. 337. 5) Dieser Wert ist auf dem Oszillogramm unmi•177 ausgemessen worden. Man muB

ngmlich bei der Bestimmung der Sehreibgesehwindigkeit sehr vorsichtig sein und darf weder die Amplitudenbestimmung bei einem tibersteuerten Oszillogramm aus der Extrapolation des abklingenden Kurvenzuges einer gedgmpften Schwingung absChgtzen, noch ohne Kontrolle des Oberwellengehal'cs die maximale Schreibgeschwindigkeit z¡ A �9 co ansetzen, wenn A die Ampli- tude und oe die Kreisfrequenz ist.

XXXV. Band. Heft 6 - - 1941. Pieplow, Ausbau der neuzeitlichen Elektronenstrahloszillographie. 327

so lafit sieh ziemlich sicher sagen (wie auch andere Messungen bestgtigen), dafi die Grenzgeschwindigkeit des neuen Hochleistungsoszillographen mindestens bei 50000 km/s (bezogen auf eine Optik 1: 1) liegt. Dieser Erfolg der abgeschmolzenen Braunschen R6hre ist um so bemerkenswerter, als der Aufwand, insbesondere die Anodenspannung vergleichsweise gering ist 1).

Um derartig hohe Sehreibgeschwindigkeiten mefitechnisch auswerten zu k6nnen, mtissen an die Zeitablenkung aul3erordentlieh hohe Anforderungen gestellt werden. Dag der neue Oszillograph auch von dieser Seite her allen Ansprtiehen ger• wird, beweist ebœ Bild 9, dern man die sehr grot3e Zeitauft6~sung von rd. 1,5.10 -1~ s/mm entnimmt, so dafi eine 1000aMHz-Schwingung noeh mit einer Wellenlgnge von rd. 7 mm aufgezeichnet werden wiirde2); dem entsprieht bei 100 mm Schirmdurchmesser eine Gesamtoszillogrammzeit von 1,5.10 -s s, die nicht etwa durch unkontrollierbare Funkenzusammenbrtiche, sondern mit einem exakten, zeitlinearen Kipprelais und mit definierten Verz6gerungszeiten von 10 -~ s Dauer erreicht wurde.

D. Die Meflgrenzen des Hochleistungsoszillographen. Die M6glichkeit, mit dem Hochleistungsoszillographen das Gebiet sehr hoch-

frequenter Schwingungen, bzw. sehr schnell verlaufender einmaliger Vorggnge mefl- technisch zu erfassen, fiihrt zu den beiden Fragen, welchœ zusgtzlichen Mel3fehler hierbei zu erwarten sind und ob diese Fehler etwa der helligkeitsmafiig erreiehbaren Sehreib- geschwindigkeit eine bestimmte Grenze setzen. Da die erste Frage ffir Kalt- und Glfihkathodenoszillographen gleictlermal3en von Bedeutung ist, wollen wir sie allgemein behandeln und erst dann auf unseren Hoehleistungsoszillographen spezialisieren. Hierbei wollen wir uns auf die ffir den Oszillographen. charakteristisehen Fehler- m6gliehkeiten beschranken und die selbstverstandlichen G› der allge- meinen Mefiteehnik, insbesondere die Rfickwirkung der EingangsimPedanz auf Gr6f3e und Frequenz der Mel3spannung nieht naher er6rt›

I. Unwillkiirliche Vorgiinge. Bei der Aufnahme einmaliger unwillkfirlicher Vorgange mut3 der Mel3impuls die

Zeitablenkung einrticken und den Strahlstromfreigeben; das hierzu notwendig™ Kipp- gerat besitzt eine bestimmte Verz6gerungszeit, um die der Mef3jrnpuls ebenfalls ver- z0gert werden muB, bevor er an die Ablenkplitttš gelangt. Man schaltet deshalb eine Verz6gerungsleitung (Freileitung oder KabeD zwischen Spannungsquelle und Oszillo- graphen, deren Laufzeit, bzw. Lange der notwendigen Verz6gerungszeit er/tsprfcht und die zur Vermeidung von Reflexionen ara Oszillographeneingang, mit dem Wellen- widerstand Z abgeschlossen ist. Da aber parallel zum Abschlufiwiderstand Z immer noch die hauptsgchlich dureh die Ablenkplatten gebildete Eingangskapazitat- @ des Oszillographen liegt, wird der MeBimpuls, der praktisch immer in der',Form:

u - - U . 1 - - e -rIz 11)

geschrieben werden kann, verzerrt und geht tiber in:

u : = U- (1-- 1 l I~~_T p ' e - t /T + ~ - \

r Tp mit

- - - - 1 " e- t / r �87 (12)

1 L = ~ ' z ' c , . (13)

In diesem Fall treten nattirlich auch wieder Reflexionen auf; uns interessiert hier aber nur die zulgssige Gr613e der dureh G1. (12) gegebenen Versehleifung in der ersten

1) KMtkathodenoszillographen /ihnlicher Leistung arbeiten mit 60 kV Erregerspanm�9 3) Vgl. H. Ganswindt u. H. Pieplow, �9 57 (i9gl) S. lll.

Archiv fiir 328 Pieplow, Ausbau der neuzeitlichen Elektronenstrahloszillograph�8 Elektrotechnik.

Wellenstirn, die beispielsweise,gegeben sei zu: Tp/T~O,1. Mit Wellenwiderst~inden von 50 bis 100 ™ (beim Verz0gerungskabel) und Eingangskapazit~tten von maximal 10 pF w~iren demnach noch Mei3impulse oszillographierbar, deren Stirndauer gr613en- ordnungsmgBig 10-gs betrggt. Derartig kleine Stirnzeiten kommen aber praktisch

1,0

0,8

i 0,8

qa

0

,rp=o F ,

I ojz 0,4 o,6 0,8 1,o 1,a 1,4

§ ]3ild 1o.

Verzerrung eines ExponenfialstoBes durch die Eingangskapazitgt des Oszillographen.

1.6

schon vorl), und wenn man bedenkt, dal3 bei Verwendung von Freileitungen der Wellenwiderstand auf 500 ri steigt, kommt man durchaus in das Gebiet techniseher Mefiaufgaben. Im Vergleich dazu muB man beachten, dal3 die Hel- ligkeit des Hochleistungsoszillographen Stirndauern von 10-9s bei Amplituden von rund 70 mm aufzuzeichnen gestattet. Zur Veranschaulichung ist die Verschlei- fung des Exponentialstofies bei Tp/T= 0,1 in Bild 10 dargestellt; bis auf den An- fangsbereich mit der yerschwindenden Neigung ira Ursprung kann die ver- zerrte Kurve mit guter N~iherung in

die ursprtingliche durch einfaches Parallelverschieben iiberftihrt werden. Eine weitere Fehlerm0glichkeit bei der Verz6gerungsleitung ist durch die Fre-

quenzabh~ingigkeit des ohmschen Widerstandes und der dielektrischen Verluste (beim 100 Kabel) gegeben; dies ftihrt ebenfalls O/o I y ~ zu einer Verschleifung der Wellen- ~~'-"--' - - ' ~ stirn, um so die natfirlich st~rker 8~ / ~ ~ ' ~ = 0 ' i s c r ~ i , ~ wird, je i~nger aie Verz6gerungs-

- - leitung ist. Dies ist ein wichtiger j Grund ftir den Oszillographenbauer,

40 ~ l l ..5 f die Verz6gerungszeit des Kipprelais I

' i' } / � 9 ! so klein wie mOglich zu machen2). ~0 -- / / ! Der Frequenzgang der dielektrischen

Verluste eines Kabels ist ira allge- o 1 2 3 ~ 5 6 7 8 meinen leider nicht bekannt, variiert

Z~if t - - ~ lo -~~ s natfirlich auch je nach dem verwen- Bild 11.

Verzerrung eines RechteckstoBes durch die Strom- deterl Dielektrikum; dagegen liegt verdrgngung einer Verz6gerungs-Freileitung. die LSsung for die Verschleifung

einer urspriinglich rechteckigen Wanderwelle l~ings einer Freileitung vora), und wir benutzen sie, um den Einflut3 der Stromverdr~ingung auf unsere Mel3anordnung abzusch~itzen. Wird auf eine Doppel- freileitung, deren Leiterabstand groB gegen den Leiterradius a ist, ein Rechteckstol3 mit der H6he U gegeben, so ist der Spannungsverlauf in der Entfernung , :

mit dem Fehlerintegral:

"~ (14) U -- 1 -- q)(~)

z 2 f u~ r = ~"V# j o- -du , (15)

0

worin :

1) Prospekt der Hochspannungsgesellschaft K61n-Zollstock. ~) Wie weit dies beim AEG-Hochleistungsoszillographen gelungen ist, vgl. H. Ganswind t ,

dieses Heft, S. 337. a) K. W, Wagner , Elektrotechn. u. Masch.-Bau 55 (1937) S.209 u. 224; P. J a c o t t e t ,

Wiss. Ver. Siemens-Werk 8 (1929) I-I. 3, S. 54. i :

XXXV. Band. Heft 6 - - 1941, P i e p I o w , A u s b a u d e r n e u z e i t l i c h e n Elektronenstrahloszillographie. 329

4,89 ] / ~ - 1 / t t ' q x (16) z - fE�9 ~ z--- '~-

c Lichtgeschwindigkeit, c o Wanderwellengeschwindigkeit, tf Permeabilit~t, œ sPezifischer Widerstand, Z Wellenwiderstand , t Zeit an der Stelle x, gerechnet vom Eintreffen der Welle an.

Bel einer Verz6gerun'gszeit von 0,25 ~s, wie sie ira Mittei von normalen Kipprelais erreicht wirdl), ist eine Leitungsl~inge von x = 75 fa notwendig; ffir die Freileitung gilt augerdem Z = 500 ri, c/c o = 1, # = 1. Der verschliffene Rechteckstof~, der sich aus diesen Daten errechnet, ist in Bild 11 for drei verschiedene Leiterradien a dar- gestellt; man erkennt den grogen Einflug der Leiterdicke, und dag man zut l]ber- t ragung von St irndauern von 10-9s einen Leiterdurchmesser von mindestens 5 mm w~ihlen roui3. Die Anwendung eines Kabels ist wegen der ktirzeren Liingen vortei lhafter ; allerdings addiert sich hierbei der Frequenzgang des Dielektrikums.

2. Der Einschwingvorgang der Braunschen Ri~hre.

Die Laufzeiterscheinungen in Braunschen R6hren sind seit langem bekannt 2) und Gegenstand sehr ausgedehnter Untersuchungen geworden, die sich allerdings immer nur auf das Verhalten der R6hre bei station~ren Hochfrequenzschwingungen bezogen. Es erscheint deshalb ganz ntitzlich, auf das Einschwingen selbst der Braun- schen ROhre einzugehen. Zugrunde gelegt werde hierbei ein Ablenkkondensator nach Bild 12, der sich von x = 0 bis x = lp in der Strahlr iehtung und

von y = - - ~ bis y ~ + ~- senkrecht dazu erstreckt; der t'

Strahl t re te von links in den Kondensator ein und verlaufe frit x ~ 0 in der �87 d .h . wir setzen der Ubersicht- lichkeit wegen einen streuungslosen Kondensator voraus. Dann brauchen wir auch nicht die Ausschl{/ge auf dem a Leuehtschirm zu betrachten, sondern k6nnen uns auf die ~ l r .! Tangente des Elektronenstrahls an der Stelle x = / p be- schrS~nken, die- der Auslenkung auf dem Leuehtschirm ~ praktisch proportional' ist und die wir zu: Bild 12. Orientierung ara

Ablenkkondensator.

abkfirzen wollen. Legen wir nun ira Augenblick t = 0 eine Ablenkspannung u(x) an den Kondensator, so wird wegen:

d2y _ e dt 2 - - m . d "U(t)

der zeitliche Verlauf der Tangente an der Stelle x = lp: t0 e /

m.d.v" u(t) "dt fur O ~ t o ~ t p , (18) 0

worin v die Geschwindigkeit, e die Ladung, m die Masse und

tP= lp (19)

die Durchtr i t tszei t des Elektrons dureh den Kondensator ist. Raum und Zeit sind gekoppelt durch die Beziehung:

lp-- x = v- to. (20) 1) Vgl. D. GAbor, Forschungsheft 1 d. Studienges. H6chstspannungsanl. (1927) S. 40;

13. v. 13orries u. E. Ruska , a. a. O. 3) H. E. H o l l m a n n , Hochfrequenztechn. 40 (1932) S. 97.

A r c h i v f a r 330 P i • Ausbau der neuzeitlichen Elektronenstrahloszillographie. Elektrotechnik.

Als einfachstes Beispiels be t r ach t en wir das E inscha l ten einer Gle ichspannung U, also:

u(t ) = U ; dann wird :

wer/n wir mi t

I u(tJ

1

bt tp

e t o O E p = m . d . v . U . t o = e . U . T ~ p ffir O ~ t o ~ tp, (21)

~.zp (22) 6 - - m.d .v~

die , ,s tat ische Ab lenkempf ind l i chke i t " an der Stelle x = lp einffihren. Die bei Anlegen eines Rœ v o m Leucht f leck besehriebene K u r v e entspr icht folglie b Bild 13. Dies Ergebnis liefert eine in teressante Schlut3folgerung: je Volt angelegte Mel3spannung gibt es eine be s t immte max ima le Schreibgeschwindigkei t , die n icht f iberschr i t ten werden kann, und die sich b e s t i m m t zu : Bild 13. Laufzeitverzerrung

eines RechteckstoBes. e *1) (23) 73s maxre d ~--- tpp

Beim A E G - H o c h l e i s t u n g s r o h r und bel 20 kV A n o d e n s p a n n u n g liegt diese Gr613e bei km/s

rd. 100 V

Ein weiteres einfaches Beispiel ist das Einschal ten. einer l inear ans te igenden S p a n n u n g :

u(t) = c �9 t;

dann ist der Ausschlag:

e c 2 1 c . .2 ffir 0 _< t 0 ~ tp (24) O E p - - m . d . v ' ~ ' t o = ~ ' e ' 7 ~ to _ _

parabol isch von der Zeit abh~ngigZ). F~r t > tf ergibt sich bereits rein anschaulich~), dat3 OEp linear weiter anste igt en t sp rechend Bild 14, und zwar mi t derselben Neigung

I 0s ~0,1 ~,

(

Bild 14. Laufzeifverzerrung eines linear ansteigenden Stol3es.

I " 1

Bild 15. XRelativer Laufzeitfehler eines Exponenfial- stoBes im Augenblick t o = tp als Funktion v o n lp/T.

wie uo) , nur parallel verschoben. Wich t ig ist, dal3 die Abwe ichung des Leuch t sch i rm- bildes OEp v o m s ta t i schen Sollwert e �9 u(o , also der absolute Anzeigefehler -~ �9 e �9 c �9 tp betr/igt, d . h . unm i t t e l ba r p ropor t iona l der Schre ibgeschwindigkei t e . c ist.

Der prak t i seh wicht igs te Fall ist aber der Exponent ia l s to f i :

U ( 0 = U " (1 - - e - t / T ) ;

�9 1) Da sowohl ea l s auch Vs lineare Funktionen des Abstandes zwischen den Plattert und dem Leuchtschirm sind, gilt G1. (23) natfirlicli auch auf dem Leuchtschirm, wenn man ffir e die wirklich meBbare statische Ablenkempfindlichkeit in mm/V einsetzt.

2) Vgl. auch t3. v. B o r r i e s u. E. t~uska, Arch. Elektrotechn. 34 (1940) S. 161. 3) Wegen der linearen Spannungs~nderung kann man sich ffir jedes Elektron vorstellen,

daB w~hrend der Durchtrittszeit tp eine konstante Spannung ara I™ herrscht, die gleich dem arithmetischen Mitgš zwischen der Spannung beim Eintrit t und der S.pannang beim Austritt des t~lektrons ist.

X X X V . B a n d . Ausbau der neuzeitlichen 331 H e f t 6 - - 1941. oeleplow, ~mKtronenstramoszmograpme.

ftir ihn folgt aus G1. (18) mit 0 ~ t o ~ t p :

%-- n~.” "t~ 1--7~o ( 1 - - e -t"/T) , (25)

und wenn wir einftihren:

t o. 0 ~~t ~ 1 (26) [~= tp'

geht G1. (25) fiber in:

% : e . U . # [ 1 - - tp-p-~-.

Ffir den Augenblick t o = tf wird die Abweichung der Leuchtschirmauslenkung % vom statischen Sollwert OE,~:

OEst-- OEp = t~~-" 1 - - e -*e/T �9 -~- 1 fur t o = tp (27)

und hat einen Verlauf nach t0 Bild 15. Dabei ist der Fall tp>�9 nicht weiter interessant, ~g weil dann der ExponentialstoB ~8 bereits seinen Endwer t erreicht hat und im Grenzfall der Ein- o,7 heits~tof3 fibr[g bl• f t i r o,o tp < --~ 2 �9 T dagegen wird der Fehlermitfallendemtt,/T kle i -~ ' ,~~ 4 ner, er wird also unter Beach- tung von G1. (27) kleiner mit kleiner werdender Schreib- o,a geschwindigkeit e . U / T des an- 0~ gelegten Exponentialstol3es.

Zu r Untersuchung des weiteren Verlaufs von % beim ExponentialstoB for t > tp be- t rachten wir ein Elektron, das zur Zeit :

///I/

F Bild 16.

3 4 r

f

Laufzeitverzerrung eines ExponentialstoBes.

n �9 tp mit n > 1

aus dem Kondensator austr i t t ; dann muB Gi. (18) zwischen den Grenzen n �9 tp und ( n - - 1 ) . t p integricrt werden, und es wird:

1 T "T-- e -"Y)] fiir t=- %=e. U.[ --�9 .(e -(~-1, tp tp n oe @ m (2S)

Datait ist % in jedem Augcnblick bckannt. Zut Vcranschaulichung ist in Bild 16 die Auslenkung % auf dem Leuchtschirm ffir vœ tp/T in Abh/ingigkcit von dcr Zeit t/T dargestellt.

Der VollstS.ndigkeit halber nennen wir noch den Fall sinusf6rmiger Einschalt- spannung:

u (o= U . s i n ~ t ;

wird diese ira Augenblick t = 0 an die Ablenkplat ten gelegt, so wird: 1

% = s- U . ~~-p. (1 - - cos ~o to) fiir 0 ~ to _~ tp, (29)

w~hrend sich ffir t = n �9 tp > to, d. h. n ~ 1, die bekannte 1) Beziehung ergibt:

2 2~2_. sin oetp (2.n-- 1) OEp = y u . ~ . o � 8 7 ~in 2 (ao)

i) H. E. Hollmann, a. a. O.

Areh iv fi ir 332 Piepl ow, Ausban der neuzeitlichen Elektronenstrahloszillographie . E t e k t r o t e c h n i k .

Hieraus folgt zunS~chst wieder, daB ftir eine bestimmte Braunsche R6hre die j™ Volt doppelter Scheitelspannung maximal erreichbare Schreibgeschwindigkeit durch G1. (23) gegeben ist und dafi nach GI. (30) nicht nur die Amplituden, sondern auch die maxi- malen Schreibg• in den NulldurchgS~ngen im VerhSltnis:

_~2 .sin ~t~ ~.tp 2

gegentiber dœ Anderungsgeschwindigke!ten der MeBspannung ira Nulldurchgang ver- kleinert werden.

3. Der Einflull des Verschiebungsstromes.

Es sel an dieser Stelle kurz auf eine Erscheinung hingewiesen, die bisher in der Literatur nicht beachtet worden und die ebenfalls einœ Funktion der Schreibge- schwindigkeit oder vielmehr der Anderungsgeschwindigkeit der angelegten Mœ

JTa

Bild 17. Schematischer Verlauf des vom Ver- schiebungsstrom des Ablenkkondensators her- rtihrenden Magnetfeldes l~ings der Achse der Braunschen R6hre. A Anode, P Ablenkplatten.

spannung ist. Man mufi hierbei bertick- sichtigen, dafi infolge der groBen registrier- baren Anderungsgeschwindigkeiten der Verschiebungsstrom I v durch rien Mefi- plattenkondensator beachtliche Werte an- nehmen kann; er betrS~gt z.B. bei einer MeBspannung von 500 V und 300 MHz und bei einer PlattenkapazitS~t von 5 pF rund 5 A.

Das Magnetfeld des Verschiebungs- stromes umschlieBt den Ablenkkonden- sator, verlS~uft senkrecht zum Elektronen- strahl und in Ebenen parallel zu den Ab- lenkplatten; entsprechend der schema- tischen Skizze von Bild 17 springt es in der Ebene der Anodenblende prak- tisch auf Null wegen der Abschirmwir- kung der Anode, wS~hrend es zwischen Ab- lenkkondensator und Leuchtschirm die umgekehrte Richtung hat wie zwischen

Ablenkplatten und Anode und ungefS~hr nach einem 1/r-Gesetz abklingt. Da sich die Wirkungen des vom Verschiebungsstrom herrtihrenden Magnetfeldes auf den Elek- tronenstrahl vor und hinter den'Abtenkplatten im allgemeinen nicht aufheben, entsteht also eine Zusatzablenkung in der gleichen Richtung wie vom elektrischen Konden- satorfeld, aber (sofern Laufzeiterscheinungen unberBeksichtigt bleiben) um 90 ~ ver- schoben.

�9 Eine genaue Durchrechnung 1) ergibt, dafi der durch das Magnetfeld des Ver- schiebungsstromes bedingte Amplitudenfehler unter VernachlS~ssigung von Laufzeit- effekten und bezogen auf die elektrostatisehe Sollablenkung f~r einwellige Sinus- spannungen abhS~ngig von der Geometrie des Ablenksystems und proportional dem Produkt/2. Uy ist ; der Fehler w~chst also mit dem Quadrat der MeBfrequen z / und mit der Beschleunigungsspannung Uy Dies Ergebnis ist recht interessant und zeigt, daB es auch einen Hochfrequenzfehler gibt, der entgegen den Laufzeitfehlern mit wachsender Anodenspannung zunimmt. Im tibrigen ist der Fehler bei der neuen Hochleistungsr6hre vernachlS~ssigbar,klein: F~r 20 kV-Elektronen und be‡ einer MeB- frequenz von 1000 MHz betrS~gt er weniger als 0,1~ .

i) Herrn Dipl.-Ing. Lichtenberg, der die recht umst~indliche und miihsame Rechnung ausftihrte, m6chte ich auch an dieser Stelle hierftir herzlich danken.

XXXV. Band. Heft 6-~ 1941. Pi eplow, Ausbau der neuzeitlichen *'" ~~ ~ '-" "" - -~~~leK~ronensrraaloszmograpme. 833

4. Zur Mel3genauigkeit. Aus dem bereits vor l~ingerer Zeit 1) diskutierten Zusammenhang zwischen MeB-

genauigkeit, Leuchtfleekdurchmesser und Aufl6sungsverm6gen sind dann sp~iter zwei Folgerungen abgeleitet worden: Einmal wurde gesehlossen~), dat3 der Leuchtfleck- durchmesser eine Gr•fie D = p . z haben dtirfte, wenn z den maximalen Ausschlag und p den systematischen Fehler von z bedeutet; und auf der anderen Seite wurde unter spezieller Berticksichtigung der durch die Laufzeiten bedingten Verschleifungen gefordert3), dat3 die Zeitablenkgesehwindigkeit einen bestimmten durch Fleekdureh- messer und Plattenlaufzeit gegebenen Wert nicht tiberschreitet.

Hinsichtlich der ersten Folgerung, die einem Mefiinstrument mit einer den Fehler des Skalenendwertes betragenden Zeigerdicke entspricht, ist zu sagen, daf3 bei Mefi- instrumenten zwar im statistischen Mittel der Ablesefehler herausf~llt; bei Oszillo- graphen dagegen, bei denen es sich um keine statistischen Mittelwerte, sondern um eine einmalige Messung handelt, kann sich der Ablesefehler zu dem systematischen Met3fehler in voller Gr6f3e addieren. Aut3erdem bleibt der prozentuale Fehler bei Oszillographen immer gleieh und wird sogar hiiufig kleiner mit kleiner werdenden AusschlS~gen; dies ftihrt dann sinngem~il3 zu der Forderung eines mit kleiner werdendem Ausschlag abnehmenden Fleckdurchmessers4). Und schliel31ieh ist zu beaehten, dat3 mit dem Oszil!ograph nicht nur AussehlS.ge oder monoton verlaufende Kurven aus- gemessen werden sollen, sondern aueh Zaeken, kleine Oberwelien hoher Ordnung und dergleichen, die im St6rpegel eines dieken Leuchtflecks verschwinden wtirden. Ftir Oszillographen bleibt also die Forderung eines mOglichst kleinen Fleekdurchmessers bestehen.

Die zweite Folgerung einer begrenzten Zeitaufl6sung soll offenb'ar verhindern, den Oszillographen tiber seine mef3technische Grenze hinaus zu benutzen; dies Ziel wird aber auf diese Art nieht erreicht, weil man ja nicht verbieten kann, so hoeh- frequente Mefispannungen anzulegen, dafi trotz einer gegebenenfalls ungentigenden Zeitablenkung wesentliehe Fehler in der Amplitudenmessung gemacht werden. Auf der anderen Seite wird dureh die Forderung einer prinzipiell begrenzten Zeitaufl6sung der Anwendungsbereich des Oszillographen unn6tig eingesehr~inkt, zumal dadureh auch die maximale Schreibgeschwindigkeit auf einen willktirlichen, von der erreich- baren Helligkeit unabh~ingigen Wert begrenzt wird; bei sinusf6rmigen Mcf3spannungen z. B., die ja ihrer Form nach unverzerrt abgebildet werden, lassen sich Laufzeitfehler eineichen, und bei einer linear ansteigenden Mef3spannung nach Bild 11 interessiert meistens nicht die richtige Wiedergabe des seharfen Knickes, sondern die Gr6t3e der Tangente du~dt. Diese wird aber richtig aufgezeichnet und soll nun m6gliehst genau gemessen werden k6nnen, sofern sie nª w/ihrend einer mehr als tf betragenden Zeit konstant bleibt. Man mul3 also sagen: ES hat met3technisch keinen Sinn, die gesamte Oszillogrammzeit gr6fienordnungsm~iBig gleich t™ zu machen, sofern damit Zu rechnen ist, daB sieh die Tangente du~dt des Met3vorganges innerhalb dieser Oszillogrammzeit merklich ~indert, und man mut3 nun die Frage umkehren und prtifen, ob bei einer derartigen, aus einer Verallgemeinerung des Anwendungsbereichs heraus getroffenen Festsetzung die praktiseh in der Natur vorkommenden Ereignisse zeitlich aufgel6st werden k6nnen. Unter diesem Gesichtspunkt dtirfte beim AEG-Hoehleistungsoszillo- graphen die ktirzeste Oszillogrammzeit bei rd. 5 -10-9s liegen, also ein Wert, der fur alle praktisch vorkommenden F~lle selbst im Dezimeterwellengebiet vollkommen ausreieht.

z) Zum Beispiel Il. Pieplow, VDE-Fachber. 10 (1938) S. 92. 3) Th. Vogel, a. a. O. ~) B. v. Borries u. E. Ruska, Arch. :Elektrotechn. 34 (1940) S. 161. 4) Da der Fleckdurchmesser jeder ]3raunschen l~6hre grunds~tzlich etwas gr613er wird

mit gr613er werdender Ablenkung, erkennen wir an dieser Stelle, dal3 diese hgufig bem~tngelte Erscheinung meBtechnisch in gewissem Umfange durchaus keine Rolle spielt.

Archiv far 334 Pieplow, Ausbau der neuzeitlichen Elektronenstrahloszillographie. Elektrotechnik.

Wir wollen diese Zahlen noch von einer anderen Seite her untersuchen, um deutlicher zu erkennen, dafi man beim Oszillographen keine allgemeingiiltigen Rezepte aufstellen kann, ohne eine Reihe von Anwendungsm6glichkeiten gleiehzeitig zu benaeh- teiligen. Wir betraehten hierzu G1. (21), der ja in Wirkliehkeit eine beliebig grol3e Schreibgeschwindigkeit entspricht, und k0nnten hieraus die Folgerung ableiten, dafi der durch GI. (21) gegebene Spannungsanstieg auf keinen FMI zeitlich aufgei6st werden dtirfte; dies bedeutet, dag die Schreibgeschwindigkeit in der Zeitablenkriehtung kleiner bleiben roui3 als D/tp, wenn D der Leuchtfieckdurch. messer ist. Mit den abger�9 Zahlen

D ~ 0,5 mm; tp = 5" 10 -10 S (31)

mfil3te dann also die Zeitablenkgesehwindigkeit kleiner als 109 mm/s bleiben. Ander- seits folgt aber aus Bild 13 daB das Leuchtsehirmbild eines Exponentialstot3es mit tp/T = 0,5 praktiseh bis auf Fehler h6herer Ordnung noeh als Paratlelversehiebung aufgefaf5t werden kann und an s�9 durehaus zeitlich aufgel6st werden d'Urfti, Mit den Zahlenwerten (31) entsprichtdies einer Zeitkonstante T = 10 -9 s, und vc•239 mit Vorgangsdauern von vier- bis ffinff” L~inge der Zeitkonstante reehnet ergeben sich wieder kfirzeste Oszillogrammzeiten von 4 �9 10 -9 bis 5 �9 10 -9 s oder bel ]~00 mm Leuchtschirmdurchmesser Zeitablenkgeschwindigkeiten von 25 �9 109 mm/s. Man'k6nnte datait a!so die Zeitkonstante des Exponentialstol3gs sehr gut durch Messung ermitteln, w~ihrend dies mit der naeh G1. (21) festgesetzten, 25mal kleineren Zeitablenkgeschwin- digkeit kaum m6glich w~ire.

Ans den hier mitgeteilten Zahlen und den Untersuchungen des Einsehwing- vorganges der Braunschen R6hre folgt als wichtigstes Ergebnis fur die Mel3genauigkeit, dal3 sowohl wegen des Ablenkmechanismus der R6hre selbst als auch wegen der etwa vorgeschalteten Verz6gerungsleitungen die kUrzesten, aus einem nichtperiodischen Os- Zillogramm ablesbaren Zeitkonstanten und Stirndauern gr6Benordnungsm~t3ig 10-gs betragen. Allerdings ist datait noch nicht gekl~rt, welche Ereignisse iiberhaupt inner- halb eines Oszillogramms von 5 .10 -gs Dauer amplituden- und zeitm~ii3ig noch aus- gemessen werden k6nnen, und es erhebt sich die Frage, welche Faktoren nun eigentlich die Mel3barkeit. bzw. die iiber bestimrnte, zugelassene MeBfehler hinausgehenden Ver- Zerrungen eines Vorganges bestimmen. Hierbei ist die Met3barkeit da'durehdefiniert, dal] das Leuchtschirmbild nur eine Uber das ganze Oszillogramm konstante Phasen- versehiebunggegenfiber der Met3spannung haben darf, dag aber die statisehe Empfind- liehkeit s in jedem Augenbliek bis a u f die zugelassene Mef3genauigkeit ihre Gfiltig- keit hat.

Wie bereits betont, ist weder die Schreibgeschwindigkeit auf dem Leuchtschirm, noch die ,,elektrisehe Schreibgeschwindigkeit" du~dt ein eindeutiges Mal3 fiir die Gr6t3e der vorhandenen Mel3fehler; es wurde auch bereits darauf hingewiesen, dag die Ver- zœ um so kleiner sind, je besser bel einer ganz beliebigen Aufteilung des Oszillo- gramms in kleine Zeitintervalle von der Dauer tp die Tangente du/dt dureh eine Konstante w~ihrend jedes Intervalls tp angen~ihert werden kann. Daraus folgt als physikalisehe Ursache fur das Auftreten und die Gr613e von Laufzeitfehlern die ,,elek- trische Sehreibbeschleunigung" :

d 2 g b~-- dt ~ (32)

und wir erkennen nun auch den Grund fUr die verh5dtnismS.t3ig grol3en Fehler in der NS.he des Nullpunktes bei den betrachteten Einsehwingvorggngen: Ffir t = 0 wurde b, immer beliebig grol3. In der Natur kommen aber keine VorgS~nge mit unendlieh grol3er Sehreibbesehleunigung vor, und die sonst iibliehe Betrachtungsweise von Ein- sehwingvorgS~ngen und die hieraus zu ziehenden Folgerungen k6nnen deshalb nieht bedenkenlos auf die Braunsche R6hre tibertragen werden, weil St613e, deren Stirndauer

X XXV'. Band. Ausbau der neuzeitlichen 335 H e f t 6 - - 1 9 4 1 . t ' leplow, r,~eKtronenstranioszmograpnm.

sehr klein gegen die Eigenzeit tp der Braunschen R6hre istl), gar nicht hergestellt werden kSnnen. Man darf also zur Beurteilung von Laufzeitverzerrungen nur Mel3- spannungen tiberall endlicher Schreibbeschleunigung betrachten, d .h . praktisch bei Stol3vorg~ngert nur solche Mefispannungen, die sieh in der Umgebung des Nullpunktes durch eine Parabel u = c . t~ ann/ihern lassen, wo fi > 1.

M i t der Einftihrung der elektrisehen Schreibbeschleunigung ist nun auch die M6glichkeit gegeben, eindeutig und unabh~ngig vom speziellen zeitliehen Verlauf der Mefispannung die Gr6t3e der Laufzeitfehler festzusetzen. Wie man,.leicht berechnen kann, darf far Mel3~pannungen fiberall endlicher Schreibbeschleunigung diese niemals gr5fier werden a l s :

b~ <V~/fe �9 ~, (33) .p

wenn gefordert wird, dag der Amplitudenfehler kleiner als der LeuehtfleckdurchmesserD bleiben soll. Dabei ist 7 ein Zahlenwert, der von der Gestalt der Mefispannung abh5ngt ; er betr~igt z. B. 7 ~ 24 ftir Sinusspannungen und 7 = Š far Stofispannungen von der Form u = c - t e.

Nachdem wir so die met3technisehen Grenzen abgesteckt haben, innerhalb derer der Hoehleistungsoszillograph tiberhaupt anwendungsfghig ist, wollen wir zum Schlut3 vergleichen, wie nahe die technische Ausftihrung an diese Grenzen herankommt. Wir hat ten gesehen, dafl die ktirzeste Oszillogrammzeit theoretiscti 5 . 1 0 - 9 s betr~igt; aus Bild 9 ergab sich als ausgeftihrte ktirzeste Oszillogrammzahl 1 ,5 .10 -s s: Damit ist die theoretisch zul~issige Grenze bis auf etwa eine halbe Zehnerpotenz erreicht und es w~ire nieht nur sinnlos, besonders viel Aufwand zu treiben, um diesen Faktor 5 zu ver- kleinern, sondern es dfirfte auch nur in ganz klaren, wohl definierten Anwendungs- f~llen geschehen.

Schwieriger ist die Frage zu beantworten, ob die Helligkeit der Braunschen RShre grofi genug ist, um bis zu den mel3technischen Grenzen zu gelangen. Die maximal erreichbare Schreibgesehwindigkeit liefert hiertiber noeh keinen eindeutigen AufschluB, und wir gehen besser vom AuflSsungsvermSgen aus, das bisher immer 2) in Analogie zum'Mikroskop nur durch die trennbaren Strecken auf den Leuchtschirm definiert wurde. Diese Definition ist bereehtigt, solange es sich um stehende Bilder handelt, bzw. solange die Helligkeit der Braunschen R6hre keine Rolle spielt. Nun soll der Oszillograph aber keine Orte, sondern Zeiten trennen; das ,,absolute AuflSsungsver- m6gen" eines Hochleistungsoszillographen mul3 demnach definiert werden durch:

/ / _ a - - v ~ ' ( 3 4 )

wenn a das optische Aufl5sungsverm5gen auf dem Leuchtschirm und v s die maximale Schreibgeschwindigkeit bedeutet. Mit dem (ungtinstigen) Wert a = 0,5 mm und mit vs = 50000 km/s ergibt sich folglich ein absolutes Aufl™ von 10 -11 s. Dies ist ein Wert, den man schon der Laufzeitverzerrungen wegen niemals erreichen wird, denn er bedeutet, dal3 die RShre helligkeitsmS.fiig (und bei beliebig kleiner Amplitude) Mel3spannungen mit einer Frequenz von 1011 Hz (3 mm Wellenl~inge) noch aufzeichnen k6nnte.

Zusammenfassung. Die vor etwa drei Jahren zum Abschlufi gekommene Entwicklung von Elek-

tronenstrahloszillographen mit Braunschen Hochvakuumr6hren niedriger Anoden-

1) Der ideale RechteckstoB im Sinne der Operatorenrechnung kann im atlgemeinen immer dadurch praktisch verwirklicht werden, dag man die Stirndauer des StoBes gegenfiber'der Eigenzeit des zu untersuchenden Systems vernachl~ssigen darf, und die Ergebnisse der Ein- schwingvorgXnge habert natiirlich nur einen physikalischen Sinn und sind praktisch auswertbar, solange es gelingt, derartige St613e zu realisieren.

'~) Zum Beispiel H. Pieplow, a. a. O. A r c h i v f. E lek t ro technik . X X X V . Band 6. HeI t . ,?,4:

Archiv ffir 336 Pieplow, Ausbau der neuzeitlichen Elektronenstrahloszillographie. Elektrotechnik.

spannung hatte eine ganze Reihe serienm5Big hergestellter Ger~te zum Ergebnis, deren Eigenschaften etwa durch folgende Zahlen charakterisiert werden k6nnen: Maximale Kippfrequenzen bis zu rd. 100 bis 200 kHz und photographierbare Schreib- gesehwindigkeitenwon rd. 50km/s. Die oszillographische Erfassung ultrakurzer Wellen einerseits und der Ersatz der umfangreichen und umst~indlichen Apparaturen des Kaltkathodenoszillographen fur sehnellste einmalige Vorg~inge durch Ger~ite mit abgeschmolzener Braunscher R5hre anderseits erschienen deshalb lohnende Ziele, um die Elektronenstrahloszillographie auf aile oszillographisehen Anwendungsgebiete tiberhaupt zu erweitern und damit endgtiltig auszubauen.

Als Ergebnis dieser Bestrebungen gelang es, stehende Bilder mit linearer Zeit- ablenkung und Gesamtoszillogrammzeitei1 bis herunter zu 2 �9 10 -7 s und bei einmatigen Vorg~ingen photographierbare Schreibgeschwindigkeiten von tiber 50000km/s und Gesamtoszillogrammzeiten von 1,5- 10 -s s zu erreichen. Die mit diesen Zahlen notwendig werdende Diskussion zut Feststellung der oszillographischen MeBgrenzen zeigte zu- n~ichst, dafi stehende Bilder bis zu Mefifrequenzen von gr51BenordnungsmRBig 100 MHz erhalten werden k5nnen, w~ihrend dartiber hinaus sowohl Synehronisierungssehwierig- keiten im Zeitablenkger~t als aueh Laufzeitfehler in den Niederspannungsr5hren auf- treten.

Datait steigen gleichzeitig die Anforderungen an die notwendige Schreibge- schwindigkeit des Hochleistungsoszillographen, dem nun nicht nur d~e sozusagen klassische Aufgabe der Aufzeichnung von StoBvorg~ingen und Wanderwellen zuf~illt, sondern der auch die noeh fehlenden cm-Wellen als einmaligen Vorgang aufnehmen muB. Es wurde naehgewiesen, daB der Hoehleistungsoszillograph hierzu infolge seiner Leuehtfleckhelligkeit grunds~itzlich in der Lage ist. Bei einer quantitativen Klar- stellung der bei Stofivorg~ngen auftretenden Verzerrungen in den dem Oszillographen vorgesehalteten VerzOgerungsleitungen und im Oszillographen selbst wird gezeigt:

1. Dafi die zweite Ableitung der Mefispannung naeh der Zeit die ftir die Mefifehler maBgebliche physikalisehe Gr0fie ist;

2. dafi deshalb F¦ die aus bereehneten Stof3vorgSngen ohne Bertick- sichtigung einer tiberall endlichen elektrischen Sehreibbeschleunigung bezogen werden, den physikalischen Problemen nicht gereeht werden;

3. daB infolge der geringen Eigenzeit der Hochleistungsr5hre von gr5Benordnungs- m~f3ig 10 -9 bis 10 -1~ s unperiodisehe Vorg~inge unzul~issig grofier Schreibbeschleunigung kaum vorkommen dtirften;

4. dat3 das absolute Aufl5sungsverm0gen rein helligkeitsm~ifiig bis auf 10-ns herabgedriickt werden kann;

5. daB es damit gelungen ist, Oszillographen mit abgesehmolzener Braunscher RObre zu bauen, die wohl s~imtliche oszillographischen Anwendungsgebiete tiberhaupt umfassen und deren Mef3bereieh aussehlieBlich dureh die systematischen Fehler des Met3systems, ci. h. durch die Laufzeiterscheinungen begrenzt wird.