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Einrichtung zur Feststellung und Messung der Energie von kurzen Impulsen
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Feststellung und Messung der Energie sehr kurzer elektrischer Impulse.
Mit der erfindungsgemässen Einrichtung kann die Energie von Impulsen gemessen werden, die durch einen geeigneten Sender erzeugt werden, oder die durch ein elektromagnetisches Feld z. B. auf eine Antenne oder auf irgendeinen andern geeigneten Empfänger induziert werden. Bisher konnten die Energiestufen von Impulsen nicht direkt gemessen werden, sondern nur die Spitzenspannungen dieser Impulse. Da bei Impulsen gleicher Art, wie sie z. B. durch den gleichen Sender aber mit unterschiedlichen Energien erzeugt werden, die Energie proportional zur höchsten Spitzenspannung der Impulse ist, konnten durch die Messung dieser letzteren mit den üblicherweise benutzten Vorrichtungen die Energieschwankungen zwischen den einzelnen Impulsen festgestellt werden.
Jedoch sind diese Vorrichtungen nicht immer anwendbar und ausserdem ist ihre Konstruktion ausserordentlich kompliziert.
Eine der am häufigsten benützten Vorrichtungen zur Messung der Spitzenspannung der Impulse besteht aus einer Kippschaltung, entweder aus Trioden oder Thyratron-Kippschaltungen. Übrigens kann man bei sehr kurzen Impulsen nur die Trioden-Kippschaltung verwenden, da sehr kurze Impulse eine Energiestufe haben, die oft nicht genügt, um ein Thyratron zu zünden. Die Spitzenspannung lässt sich annähernd dadurch feststellen, dass diejenigen Kippschaltkreise deren Polarisationsschwelle niedriger ist als die zu messende Spannung, zur Auslösung gelangen, die andern Kippschaltkreise dagegen nicht. So lässt sich feststellen, dass die Spitzenspannung einen Wert hat, der zwischen der höchsten Polarisationsschwelle der Kippschaltkreise liegt, die zur Auslösung gelangten und der niedrigsten Polarisationsschwelle der nicht. ausgelösten Kippschaltkreise.
Eine solche Messung ist naturgemäss ungenau, und das umsomehr, als es in der Praxis schwierig ist, die Anzahl der Kippschaltkreise gross genug auszuwählen, um das Intervall zwischen den aufeinanderfolgenden Wertschwellen auf eine genügend schwache Stufe zu reduzieren, die notwendig ist, um eine zufriedenstellende Genauigkeit der Messung zu erzielen.
Eine Vorrichtung, die eine Reihe von auf verschiedene Schwellen abgestimmten Kippschaltkreisen enthält, ist besonders geeignet zur Messung der statistischen Streuung der Spitzenspannungen von Impulsreihen, die in ungleichmässigen Abständen aufeinanderfolgen. Wenn es sich aber um Impulse mit unveränderlicher Wiederholungsfrequenz handelt, und wenn man versucht, in jedem Augenblick die Spitzenspannung oder die Energie der Impulse festzustellen, ist die Anwendung dieser Kippschaltungen höchst kompliziert und manchmal sogar unmöglich. Dies ist besonders dann der Fall, wenn der Impuls, dessen Spitzenspannung oder Energie festgestellt werden soll, direkt auf einen Impuls von grösserer Intensität bzw. mit einer höheren Spitzenspannung folgt.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, diese Nachteile zu beheben und eine Einrichtung zu schaffen, die es ermöglicht, mit geringem Aufwand, die Spitzenspannung und die Energie sehr kurzer Impulse viel genauer und ohne Unterbrechung zu messen. Diese Messung kann sich ausserdem selbst auf solche Impulse erstrecken, die direkt auf Impulse mit höherer Spitzenspannung folgen. Die erfindungsgemässe Einrichtung soll ausserdem eine direkte Messung der Impulsenergie und folglich eine Vergleichsmöglichkeit zwischen verschiedenartigen Impulsen gestatten.
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Die Einrichtung gemäss der Erfindung enthält eine mit Edelgas gefüllte Röhre, deren Gas, entweder Helium, Neon, Argon, Krypton, Xenon, rein oder als Gemisch, den genannten Impulsen ausgesetzt wird, mit einer oder mehreren Mittelelektroden und mindestens einer Umfangselektrode und weist eine Stromquelle auf, die ein Spannungsgefälle zwischen einer Mittelelektrode und mindestens einer Umfangselek- trode erzeugt, sowie eine in dem Stromkreis einer der letztgenannten Elektroden angebrachte Vorrichtung zur Messung der Spannungsschwankungen, wobei diese Spannungsschwankungen den Schwankungen in der Leitfähigkeit des Edelgases der Röhre entsprechen, die durch die Einwirkung der genannten Impulse entstehen.
Es wurde gefunden, dass, wenn der zu messende Impuls auf die Mittelelektrode der Röhre der erfindungsgemässen Einrichtung gerichtet wird, dieser Impuls ein elektromagnetisches Feld erzeugt, durch das die Leitfähigkeit der Röhre beträchtlich erhöht wird. Durch die geeignete Auswahl des Gases für die Röhre und seines Druckes ist. es möglich, die Erhöhung der Leitfähigkeit, die durch den Impuls für eine Dauer, die der Energie dieses Impulses proportional ist, hervorgerufen wird, aufrechtzuerhalten, wobei diese Dauer erheblich grösser ist, als diejenige des Impulses selbst, und im allgemeinen 100 - 100000 mal so lang ist.
Gemäss der Erfindung genügt es, eine hinreichend grosse Potentialdifferenz zwischen der Mittelelek- trode und der oder den Umfangselektroden zu erzeugen, um das Gas zu ioniseren ; es genügt, dass sich die Erhöhung der Leitfähigkeit, die auf den Durchgang des Impulses zurückzuführen ist, durch einen
Spannungsabfall anzeigt, der an der Elektrode mit dem höchsten Potential sichtbar wird, oder umgekehrt, dass sich die Erhöhung der Leitfähigkeit durch eine Erhöhung der Spannung an der Elektrode mit dem schwächsten Potential anzeigt.
Die Erfindung sei an Hand der Zeichnungen näher erläutert.
Fig. 1 ist eine schematische Darstellung der erfindungsgemässen Vorrichtung, durch deren Röhre 11 eine Mittelelektrode 12 hindurchgeht, die eine Verbindung nach aussen durch die Leitungen 13 und 14 hat. Die Mittelelektrode ist von einer zylinderförmigen Umfangselektrode 15 umgeben, die koaxial zur Elektrode 12 angeordnet und mit der Aussenseite der Röhre durch den Leitungsdraht 16 verbunden ist. Durch die Batterie 17, die mit der Leitung 16 über den Widerstand 18 verbunden ist, wird die Elektrode 15 an eine Spannung gelegt, die grösser ist, als die Zündspannung. Die Elektrode 12 ist über den Widerstand 19 geerdet.
Der zu messende Impuls passiert die Leitung 13 und sodann die Röhre über die Mittelelektrode 12.
Die durch ihn erzeugte Schwankung in der Leitfähigkeit des Gases zeigt sich in einer Erhöhung der Spannung bei Punkt P, wobei die Umfangselektrode negativ geladen ist. Die sich aus der stärkeren Leitfähigkeit der Gase ergebende erhöhte Spannung bleibt für eine Dauer bestehen, die sich nach der Dauer der Entionisierung des in der Röhre verwendeten Gases richtet und der Impulsenergie proportional ist. Man erhält daher bei Punkt P eine Schwingung, deren Dauer der Energiestufe des Impulses entspricht. Diese Schwingung kann mit jeder geeigneten Vorrichtung gemessen werden, wie z. B. einem KathodenstrahlOszillographen für Wechselstrom, einem mit einem Kondensator oder mit einem Gleichrichter, wie z. B. einer Diode, verbundenen Galvanometer, oder mit irgendeiner andern bekannten Vorrichtung zum Messen von Spannungsschwankungen.
Die erhaltene Schwingung folgt immer direkt auf einen Impuls, der aus der kapazitativen Wirkung zwischen der Mittelelektrode und der Umfangselektrode entsteht, wie in Fig. 2 der Zeichnung dargestellt ist. Die Stufe dieses Impulses ist im allgemeinen höher, als die der Schwingung. Wie man die relative Bedeutung dieses Impulses im Verhältnis zu der Schwingung vermindern will, kann es vorteilhaft sein, eine Röhre des Typs zu verwenden. wie sie in Fig. 3 der Zeichnung gezeigt ist. Diese Röhre 21 enthält zwei Mittelelektroden 22 und 23, wobei die erstere als Empfängerelektrode dient, die mit der den Impuls empfangenden Aussenleitung 24 verbunden ist. Die Spannungsdifferenz wird erzeugt zwischen der zweiten Mittelelektrode 23, die durch die kapazitative Wirkung nur einen gedämpften Impuls erhält, und der Umfangselektrode 25.
Diese Spannungsdifferenz wird erzielt durch die Verbindung der Elektrode 25 bzw. der Elektrode 23 mit den Anschlussklemmen einer Batterie 27 über einen Stromkreis, der einen Widerstand 26 enthält. Das Messsignal wird dann bei Punkt Q abgegriffen. So erhält man eine positive Schwingung, wobei sich das Potential der Elektrode 23 erhöht, wenn die Röhre leitet.
Die Fig. 4 ist der Fig. 1 ähnlich, jedoch wird das elektromagnetische Feld, das die Schwankung in der Leitfähigkeit des Edelgases der Röhre verursacht, direkt von aussen induziert, anstatt im Innern der Röhre infolge des Durchganges eines Impulses durch eine Mittelelekttode erzeugt zu werden.
Es wurde nämlich gefunden, dass ein genügend starkes elektromagnetisches Feld, wie es z. B. durch die im Fernmeldewesen verwendeten Hertzschen Strahlen oder durch Radarstrahlen erzeugt wird, direkt
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von aussen auf die Leitfähigkeit des Edelgases der Röhre wirken kann, wodurch ein sehr einfaches und wirksames Mittel zur Feststellung und Messung dieser elektromagnetischen Wellen gegeben ist. Bei der zuletzt erörterten Ausgestaltung ist eine Mittelelektrode nicht erforderlich. Es genügt, im Innern der
Röhre zwei Elektroden beliebiger Art vorzusehen, zwischen denen ein Spannungsgefälle erzeugt wird.
Dabei spielt die Art der Anordnung dieser Elektroden in der Röhre keine Rolle.
In Fig. 4 wird ausserdem die Verwendung einer Messvorrichtung in Verbindung mit der mit Edelgas gefüllten Röhre dargestellt. Die Messvorrichtung enthält eine Diode 28 und ein Galvanometer 29, welches die durch die Diode hindurchgehende Stromstärke angibt, die für das Antwortsignal der Röhre bezeich- nend ist.
Obwohl in den Fig. 1, 3 und 4 eine zylinderförmige Umfangselektrode dargestellt ist, kann man na- türlich genau so gut eine oder mehrere Umfangselektroden verschiedener Formen verwenden, wie z. B.
Platten, Rohrabschnitte oder Kugelsegmente, da die Form der Elektrode von verhältnismässig geringer Be- deutung für das erzielte Resultat ist.
Im allgemeinen wird man jedoch aus Gründen der Vereinfachung Mittelelektroden in Stab- oder
Bandform verwenden, die vorzugsweise in der symmetrischen Achse der Röhre angeordnet sind, wenn nur eine Mittelelektrode vorhanden ist, und die koaxialen Umfangselektroden zylinderförmig sind oder aus einer oder mehreren Platten bestehen. Sind mehrere Umfangselektroden vorgesehen, so sind diese vor- zugsweise in der gleichen Entfernung von der Mittelelektrode angeordnet. In diesem letzteren Falle ist jede der Platten der Umfangselektrode mit einer Stromquelle verbunden oder geerdet, je nachdem, wel- che Elektrode man polarisieren will.
Die Elektroden können aus jedem Metall hergestellt sein, welches das in der Röhre verwendete Gas nur wenig adsorbiert und welches wenig dazu neigt, sich unter dem angewendeten verminderten Druck zu verflüchtigen, wie z. B. Nickel. Aluminium oder Molybdän.
Die erfindungsgemäss in der Röhre verwendeten Gase sind Edelgase, wie Helium, Neon, Argon, Krypton und Xenon. Der Druck des Gases in der Röhre wird entsprechend der Entfernung zwischen der Mittelelektrode und der Umfangselektrode geregelt, vorzugsweise so, dass das Ergebnis dieses Druckes p, in Millimetern Quecksilbersäule ausgedrückt, mit der Entfernung d zwischen der Anode und der Kathode, in Millimetern ausgedrückt, multipliziert, zwischen 12,5 und 125 liegt, was im wesentlichen der Minimalzone der in Fig. 7 dargestellten Paschenkurve entspricht, in der die Schwankung in der Zündspannung der gasgefüllten Röhre dargestellt ist, u. zw. entsprechend dem oben angeführten Ergebnis (p. d.) zwischen der Mittelelektrode und der Umfangselektrode.
Man kann z. B. für eine Entfernung von 25 mm zwischen den Elektroden einen Druck zwischen 0,5 und 5 mm und für eine Entfernung von 12, 5 mm einen Druck zwischen 1 und 10 mm annehmen. In der Praxis wird man diejenige Druckzone vermeiden, in der das für die Elektroden verwendete Metall sich in wesentlichem Umfang verflüchtigt, indem man die Entfernung zwischen den Elektroden in geeigneter Weise einstellt, jedoch innerhalb der günstigsten Bedingungen bleibt, die dem Minimum der Paschenkurve entsprechen.
Es hat sich herausgestellt, dass die klarsten Schwingungen mit gasgefüllten Röhren erzielt werden können, die diesen Bedingungen entsprechen. Es bleibt jedoch immer möglich, von diesen günstigsten Bedingungen abzuweichen und trotzdem in grossem Masse die Vorteile der vorliegenden Erfindung auszunutzen.
In Fig. 5 sind Impulse von gleicher Dauer (von 6/100 Mikrosekunden) und unterschiedlichen Amplituden (Impulse Il, und 13) dargestellt. Die durch die erfindungsgemässe Vorrichtung erhaltenen entspre- chenden Messsignale entsprechen der in Fig. 5a (S 1, S 2 und S3) dargestellten Art, wenn die mit Gas gefüll- te Röhre den oben angegebenen Bedingungen entspricht, gemäss dem Minimum der Paschenkurve. Die als Messsignale erhaltenen Schwingungen haben eine Dauer von einigen tausendstel Sekunden und können folglich sehr leicht ganz genau gemessen werden.
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und unterschiedlicher Spitzenspannung sind, wenn man sich von den günstigsten Bedingungen, die dem Minimum der Paschenkurve entsprechen, entfernt, wodurch die Messung komplizierter wird.
Jedoch ha-
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ten Vorteile der erfindungsgemässen Umwandlung immer noch bestehen.
In Fig. 6 ist ein veränderlicher Spitzenspannungsimpuls il, iris dargestellt, der direkt auf einen stärkeren Impuls I von unveränderlicher Form und Amplitude folgt, wobei sich diese aufeinanderfolgenden Impulse periodisch wiederholen.
Mit den bisher bekannten Impulsmessverfahren lassen sich die Amplitudenschwankungen der Impulse
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nicht feststellen, denn die Kippkreise werden nur durch den ersten Impuls I ionisiert. Im Gegensatz dazu kann man in diesem Falle mit der erfindungsgemässen Einrichtung eine genaue Messung der Impulsschwankungen i durchführen, wie Fig. 6a zeigt, in der die Wiedergabe der Schwingungen rl, r2 und r3 dargestellt ist, die den Impulsen il, i und is entsprechen und deren Messung ausserordentlich einfach ist.
Die erfindungsgemäss erhaltenen Signale werden kaum durch das Bodengeräusch der Röhre verändert, dessen Höhe bei Röhren, die den oben genannten Bedingungen entsprechen, nicht über einige Millivolt hinausgeht, verglichen mit einem Signal von mehreren Volt.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Einrichtung zur Feststellung und Messung der Energie von kurzen Impulsen durch die Umwandlung derselben in Schwingungen, deren Dauer proportional zur Energie der Impulse ist, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine mit Edelgas gefüllte Röhre (11 oder 21), deren Gas, entweder Helium, Neon, Argon, Krypton.
Xenon, rein oder als Gemisch, den genannten Impulsen ausgesetzt wird, mit einer oder mehreren Mittelelektroden (12 oder 22,23) und mindestens einer Umfangselektrode (15 oder 25) enthält und eine Stromquelle (17 oder 27) vorgesehen ist, die ein Spannungsgefälle zwischen einer Mittelelektrode (12 oder 23) und mindestens einer Umfangselektrode (15 oder 25) erzeugt, sowie eine in dem Stromkreis einer der letztgenannten Elektroden angebrachte Vorrichtung (28,29) zur Messung der Spannungsschwankungen. wobei diese Spannungsschwankungen den Schwankungen in der Leitfähigkeit des Edelgases der Röhre entsprechen, die durch die Einwirkung der genannten Impulse entstehen.