DE960830C - Empfangssystem fuer hochfrequente elektrische Wellen - Google Patents

Description

Es ist schon vor Jahren beobachtet worden, daß bei einfachen Audionempfängern ohne erkennbaren Grund mitunter ein außerordentlich empfindlicher und lautstarker Empfang einsetzen kann, der aber leider ebenso plötzlich wieder auf den normalen Zustand absinkt, ohne nochmals eine Anfachung zu außergewöhnlichen Leistungen zuzulassen. Solche instabilen Empfangserscheinungen konnten zum Teil durch Spiegelung bzw. Reflexion der vom Sender

ίο ausgesandten elektrischen Wellen an der E- und F-Schicht der Ionosphäre, insbesondere an der wolkig aufgebauten anomalen Ε-Schicht erklärt werden. Instabiler Empfang tritt aber nicht nur bei der Überbrückung weiter Strecken mit Hilfe elektrischer Wellen auf, sondern auch auf kurze und kürzeste Entfernungen. Diese äußerst selten vorkommenden Empfangserscheinungen in Einrohrschaltungen sind außerdem früher nicht reproduzierbar gewesen.

Um verbesserte Empfangsverhältnisse zu erzielen, ist es bekannt, in einem Empfangssystem neben den normalen Empfangskreisen einen speziellen Kurzwellenkreis vorzusehen, welcher dauernd schwingt. Es ist ferner bekannt, bei solchen Empfangssystemen in der Entladungsstrecke zur Erzielung der fallenden Charakteristik nur ein so hohes Vakuum anzuwenden, daß beim Betrieb noch eine genügende Menge Ionen neben den Elektronen vorhanden ist. Bei den bisher bekannten Schaltungsanordnungen dieser Art wurde jedoch stets die normale Huth-Kühn-Schaltung zur Erzielung der erforderlichen Schwingungen verwendet, da diese durch ihre spezifischen Eigenschaften für den vorliegenden Anwendungsfall als besonders günstig erschien. Durch die räumliche Trennung von Gitter- und Anodenkreis, wobei die Rückkopplung bekanntlich über die innere Röhrenkapazität erfolgt, sollte eine besonders große Rückwirkungsfreiheit auf

die Empfangsbedingungen des hochempfindlichen Empfangssystems erzielt werden. Ferner hat man die Huth-Kühn-Schaltung deshalb angewendet, da diese Art der Rückkopplungsmöglichkeit bei Verstärkern oft ungewollt auftritt, also leicht zu realisieren ist.

Es ist auch bekannt, daß Schaltungen, bei denen eine Mehrfachausnutzung der Röhren vorgesehen ist, eine sehr kritische Dimensionierung und Einstellung erfordern. Solche Schaltungen neigen im Betrieb ίο leicht zu Instabilitäten. Es ist einleuchtend/ daß derartige Schwierigkeiten in erhöhtem Maße bei einem Empfangssystem für hochfrequente elektrische Wellen auftreten, bei dem ein verstärkter Empfang durch Rückkopplung in einer höherfrequenten Kurzwelle erzielt werden soll. Bei derartigen Schaltungen kommt es also für die Erzielung eines möglichst guten Gesamterfolges sehr wesentlich auf die Beachtung einzelner Teilmerkmale an.

Überlegungen im Rahmen der Erfindung zeigen, ao daß eine weitere Verbesserung, der durch Rückkopplung in einer höherfrequenten Kurzwelle erregten Empfangsschaltungen möglich ist, wenn man für die Schwingungserzeugung an Stelle der Huth-Kühn-Schaltung eine andere Rückkopplungsart benutzt. Andere Rückkopplungsarten zur Schwingungserzeugung sind an sich bekannt. Ebenso ist es an sich bekannt, einen Serienresonanzkreis im Rückkopplungsweg einer Empfangsröhre anzuwenden.

Gemäß der Erfindung wird vorgeschlagen, bei einem Empfangssystem für hochfrequente elektrische Wellen, bei dem durch Rückkopplung in einer höherfrequenten Kurzwelle ein verstärkter Empfang erreicht wird, die Rückkopplung über einen Serienresonanzkreis aus Entladungsstrecke, Induktivität und Kapazität vorzunehmen und die Entladungsstrecke so zu wählen, daß sie geringe Spuren von Gasoder Metalldämpfen, insbesondere von Quecksilber, enthält. Es kommt wesentlich darauf an, daß ein Serienresonanzkreis aus Entladungsstrecke, Induktivitat und Kapazität vorliegt, und eine weitere Steigerung der Empfindlichkeit läßt sich erreichen durch die Anwesenheit geringer Gas- oder Metalldampfspuren in der Entladungsstrecke, insbesondere sind geringe Quecksilbermengen wirksam, die in der später beschriebenen Weise mit der Anode reagieren. Fig. 1 ist die Prinzipskizze einer Einrohrschaltung nach der Erfindung; es ist der Kurzwellenkreis durch stärkere Striche markiert. Zu einer sehr feinen Regulierung seiner Rückkopplung dient der Absorptionskreis A. Die Einstellung des Kurzwellenkreises ist unabhängig von der Einstellung des Langwellenkreises. Der Kurzwellenkreis ist nur bei Röhrenwechsel neu einzustellen. Für den Empfang hat man nur den Langwellenkreis zu bedienen, so daß ein in der Handhabung außerordentlich einfacher Einknopfempfänger durch die Erfindung geschaffen wird.

Um das Wesen der Erfindung noch näher zu erläutern, seien an Hand einiger Figuren die experimentellen Tatsachen geschildert, die zu der Erfindung führten; es werden nachfolgend ferner Angaben über die praktische Anwendung der Erfindungsgedanken gemacht. Wenn man von bekannten Schwingaudionsschaltungen ausgeht, wie sie etwa in den Fig. 2 und 3 dargestellt sind, so kann man bei beiden Schaltungen vorübergehend instabile Empfangserscheinungen fest-• stellen. Bei Versuchen mit solchen Schaltungen waren diese unter sich und in sich streng symmetrisch gebaut.

Es besteht die Schwierigkeit, bei der Huth-Kühn-Schaltung infolge gegebener Rückkopplung (Anode— Gitter) sich beliebig weich bei Gleichstimmung von Gitter- und Anodenkreis dem Punkte des Schwingungseinsatzes zu nähern. Die Eigenschwingungen setzen im Punkt a' (Fig. 4a) instabil, d. h. sprungweise ein. Bei rein induktiven Schaltungen (normale, fein regulierbare Rückkopplung) ist weicher Schwingeinsatz leichter zu erreichen (Punkt a!, Fig. 4b); wären Kopplung und Dämpfung gleich Null, so wäre unendlich weicher Schwingeinsatz gegeben. Die Huth-Kühn-Schaltung eignet sich wegen der konstanten kapazitiven Rückkopplung wenig als Empfängerschaltung.

Es wurde bei Versuchen mit einer Huth-Kühn-Schaltungbeobachtet, daß beim Auftreten vorinstabilen Empfangs sich stets außergewöhnliche, breite Empfindlichkeitsbereiche (in Fig. 4 a und 4b gestrichelt gezeichnet) vor dem Schwingeinsatz zeigten, obwohl die Rückkopplung konstant geblieben war. Es mußte also im Empfänger eine zusätzliche Entdämpfung stattgefunden haben, denn die Sendeenergie (es go handelte sich um Gegensprechversuche auf kurze Entfernung mit einem 10-Watt-Sender) war während der Versuchsdauer konstant gehalten. Es konnte ferner festgestellt werden, daß die Eigenschwingung im Punkte a! nicht kontinuierlich, sondern bereits im Punkte α diskontinuierlich einsetzte. Die Empfänger zeigten demnach eine hohe Pfeifneigung; dabei fiel auf, daß der Pfeifton laut, aber sehr rein auftrat, also mußten in α trotz diskontinuierlicher Erregung so gering gedämpfte Kopplungsschwingungen entstehen, wie sie nur bei der Überlagerung ungedämpfter Schwingungen beobachtet werden. Lag kein instabiler Empfang vor, so erregten sich die Kopplungsschwingungen normalerweise nicht in α und «', sondern in a". Sie traten nicht vor, sondern nach dem Einsatz der Eigenschwingung («') matt und verwaschen und von kratzenden Nebengeräuschen begleitet auf. Ein Zeichen, daß im normalen Schwingaudion bei diskontinuierlicher Erregung stark gedämpfte Wellenzüge mit unvollkommener Überlagerung entstehen. Die Anoden- no spannung konnte ohne wesentliche Beeinträchtigung der Güte des Empfangs bis auf 20 Volt gesenkt werden, falls vorinstabiler Empfang vorlag. Die Heizung konnte nicht unwesentlich verringert werden. Der hell glühende Heizfaden war bei einigen Versuchsröhren in Anodennähe mit einer zartblauen Aureole umgeben. Bläuliche Lichterscheinungen außerhalb der Entladungsstreeke konnten in den Röhren nicht festgestellt werden. Diese Beobachtungen wiesen auf einen Gas- oder Quecksilberdampfgehalt in der Entladungsstreeke hin.

Die wichtigste Beobachtung war, daß bei einer Anodenspannung unter 20 Volt sich unvermittelt und unstetig eine abermalige Lautstärkesteigerung ergab (instabiler Empfang), wobei im Telephonieempfangsband λ = 5oo m zahlreiche ungedämpfte Telephonie-

sender zu hören waren, deren Überlagerungstonhöhe durch Änderung des Gitter- oder des Anodenkreiskondensators oder beider gleichzeitig nicht beeinflußt werden konnte. Verschwanden diese ungedämpften Telephoniesender, so sank die Güte des Empfanges auf vorinstabilen Empfang ab. Einige Tage später sank die Empfindlichkeit beider Empfangsschaltungen (Fig. 2 und 3) weiter herab bis auf den Wert des in ihnen enthaltenen normalen Schwingaudions, das

ίο Pfeifen ließ nach, das benutzte Rohr, das bei vorinstabilem und bei instabilem Empfang hoch klopfempfindlich war, blieb taub. Es konnte durch keines der bekannten Mittel die Empfängerschaltung erneut zu außergewöhnlichen Leistungen angefacht werden.

Um tiefgreifende Schlüsse aus den statischen Kennlinienfeldern ^- = f(u_g) und 4^· = f (u_a) zuziehen,

nimmt man zweckmäßig gleichzeitig die Steilheitskurven nach Barkhausen durch Abtastung der Kennlinien mit Wechselstrom auf, wie auch die Empfindlichkeitskurven durch Abtastung der Kennlinien mit modulierter Hochfrequenz. Während die Steilheitskurven den Gleichrichtereffekt nicht berücksichtigen, berücksichtigt die Empfindlichkeitskurve Steilheit plus Gleichrichtung und gibt die Verhältnisse bei Außenempfang wieder, ohne daß es zur Selbsterregung kommt. Der Schritt zu den dynamischen Kennlinien ist nunmehr klein, an Stelle der Fremderregung durch den Meßsender wird Selbsterregung mittels der Abstimmkondensatoren bewirkt. Die Kennlinienaufnahme soll sich nicht nur auf Hochvakuumröhren, sondern gleichzeitig auf Gastrioden und hochevakuierte, jedoch mit Quecksilberdampf behandelte Röhren erstrecken. Bei den mit Quecksilberdampf behandelten Röhren wird ein Unterschied gemacht zwischen Röhren, die einen gewissen Quecksilberdampfdruck aufweisen, der sich aus dem Unterbleiben des Ausfrierens der Quecksilberdämpfe ergibt, während das Rohr evakuiert wird, und solchen Röhren, bei denen das Quecksilber in Form eines beständigen Amalgams in der Anode angereichert wird. Abgeschmolzene Röhren, die einen Tropfen Hg enthalten oder an eine Quecksilberdampfquelle angeschlossen sind, weisen Nachteile auf. Der Quecksilberdampfdruck ändert sich bei ihnen stark mit der Außentemperatur, die Anode sublimiert, d. h., es bildet sich auf der Anode im kalten Zustand eine lose haftende Amalgamschicht, die bei glühendem Heizfaden rasch verdampft. Derartige Röhren werden sehr inkonstant sein.

Wird das Rohr nach dem Ausglühen seiner Metallteile einer Spezialbehandlung unterworfen, wobei man die glühende Anode als Kathode schaltet, und wird zwischen Gitter und Anode eine hohe positive Spannung gelegt, so werden die bei der Ionisation des Quecksilberdampfes entstehenden positiven Hg-Ionen in die glühende, vorher entgaste Anode hineingeschossen, wo sie Elektronen aufnehmen und in der Tiefe der Anode mit dem Anodenmetall, z. B. Nickel, reagieren.

Die Anode wird mit Hg angereichert, und die Hg-Moleküle werden fest in die Anode eingebettet, weil nach dem Erkalten der Anode die Poren des Anodenmetalls sich geschlossen haben. Der Heizfaden erwärmt im Betriebe durch Strahlung die Anode, sie beginnt zu dampfen, und es werden je nach dem Grade der Fadenerhitzung längs der Oberfläche aus der Anode Hg-Moleküle sprühregenartig in die Entladungsstrecke eintreten, wo sie zum Zweck der Erzeugung einer fallenden Charakteristik ionisiert werden können. Das Entstehen einer negativen Steilheit ist bekanntlich so zu erklären, daß zunächst ein Elektron das Metallatom lediglich anregt, während ein nachfolgendes die Abtrennung aus dem Atomverband bewirkt. Die Stromstärke nimmt zu, während die Ionisierungsspannung um den Betrag der Anregungsspannung fällt. Die Spannung sinkt mit wachsender Stromstärke, was einer Dämpfungsverminderung gleichkommt. Man könnte den gleichen Effekt, nämlich die »dampfende Anode«·, auch durch Bestreichen der Anode mit einem Ladungsträger leicht emittierenden Oxyds erreichen. Dieses Verfahren erscheint jedoch nicht ganz so günstig, da es nicht immer gelingen dürfte, eine wirklich gleichmäßige Schicht an der Anode zu erzielen. Es wird zu unkontrollierbaren Ausbrüchen von Ladungsträgern und zur Zerstörung der aktiven Oxydschicht kommen. Hingegen wird bei dem oben beschriebenen Verfahren ein sich immer wieder erneuernder Film über die Innenoberfläche der Anode geschaffen und ein völlig gleichmäßiges Dampfen der aktiven Anode gegeben sein. Ist schließlich die Anode erschöpft, so muß das Rohr seine Eigenschaften als gittergesteuertes Gasentladungsrohr verlieren. Ein scheinbar bedeutungsloser Eingriff in die Schaltung, wie es das Umpolen der Heizbatterie ist, kann diesen Zustand nochmals rückgängig machen, da mit dem Umpolen der Heizbatterie sich die Gittervorspannung verschoben hat und der Einsatz des den Ionenstrom kompensierenden positiven Gitterelektronenstromes hinangehalten wird. Die Anode wird sich weiter erschöpfen, nun fehlen die zur Kompensation des Gitterelektronenstromes notwendigen Ladungsträger entgegengesetzten Vorzeichens, der positive Gitterelektronenstrom überwiegt endgültig, eine fallende Gitterkennlinie läßt sich nicht mehr erzielen. Nur ein Röhrenwechsel oder aber ein Regenerationsverfahren der Röhre kann Abhilfe schaffen.

Es sei nun auf die »Grundschaltung« eingegangen, die in allen Geräten vorkommen wird, die die Erfindung benutzen. Man kommt zu dieser Grundschaltung, indem man Gitter und Anode einer Röhre mit der Kathode derart verbindet, daß mittels Röhrenkapazitäten und Verbindungsleitungen abstimmbare, untereinander gekoppelte Kreise entstehen, wie es die Fig. 5 und 6 erkennen lassen. Die Fig. 6 zeigt eine besonders zweckmäßige Form mittels abstimmbaren Rückkopplungs- bzw. Entkopplungskreises III. Wesentliche Schaltelemente sind die in Reihe mit den Röhrenkapazitäten hegenden Kondensatoren c_g' und c_a', die Gitterableitung c_g, R₀ und die Anodenstromzuführung mit Ausgangsübertrager. Die Gleichstromspeiseleitungen sind für Gitter und Anode zunächst als für die Berechnung bedeutungslos fortgelassen. Die Benutzung der obenerwähnten Schaltelemente läßt die Erzeugung von Rückkopplungslichtbogen oder Dynatronschwingungen gleichzeitig zu. Die in

der Grundschaltung enthaltene Rückkopplungsschaltung ist in der Fig. 7 in einer für die Berechnung übersichtlicheren Form gezeichnet. Die strichpunktierte Trennlinie scheidet die in und außerhalb der Röhre liegenden Schaltelemente. Gestrichelt eingezeichnete Sehaltelemente sind für die Berechnung der Rückkopplungsschaltung unwesentlich. Fig. 8 zeigt die in der Grundschaltung enthaltene Lichtbogenschwingschaltung, die im Bereich der Schwingungsstille identisch ist mit der Ionenvervielfacherschaltung. Das Schwingungserzeugungsprinzip für Rückkopplungsschwingungen und Dynatronschwingungen erfordert die Parallelschaltung von Schwingkreisselbstindulction und Kapazität, der Resonanzwiderstand der Schwingkreise ist groß und damit dem auf Spannung arbeitenden Rohr angepaßt. Die Kondensatoren C₀ und c_a' sind in diesem Falle reine Durchlaßkondensatoren und wegen ihrer Hintereinanderschaltung mit den Röhrenkapazitäten Abstimmittel für die der Ab-Stimmung nicht direkt zugänglichen Röhrenkapazitäten c₀ und c_a. Das Schwingungserzeugungsprinzip für Lichtbogenschwingungen erfordert die Reihenschaltung von Schwinglcreisselbstinduktion und Kapazität. Der Resonanzwiderstand ist klein und ist dem auf Strom arbeitenden Rohr mit kleinem innerem Widerstand angepaßt. Man wählt Röhren mit kleinem innerem Widerstand, der bei Ionisation zusätzlich außerordentlich vermindert wird.

In der Lichtbogenschwingschaltung nach Fig. 8 arbeitet der Lichtbogen auf Strom und nicht auf Spannung. Um die Erregung zu gewährleisten, muß dafür gesorgt werden (Fig. 9), daß I und c beide in Reihe und insgesamt parallel zur Lichtbogenstrecke liegen, damit sich am Gitter und am Widerstand r ein hohes Zündpotential aufbauen kann. Es sind c_ga und f parallel anzunehmen, wie gestrichelt in Fig. 9 gezeichnet. In der Anordnung nach Fig. 8 ist diese Bedingung erreicht durch Einfügen der Kondensatoren Cg und c_a' in die Grundschaltung. Fig. 10 zeigt die in der Grundschaltung enthaltene Dynatronschaltung. Dynatronschwingungen sind reine Elektronenschwingungen, die am Gitter oder an der Anode durch Sekundärelektronen ausgelöst werden. Im ersteren Falle handelt es sich um Gitterstromschwingungen, im zweiten Falle um Anodenstromschwingungen. Mangels eines zugeordneten Vervielfachers spielen sie im vorliegenden Zusammenhang eine untergeordnete Rolle. Eine weitere Dynatronschaltung für Niederfrequenzschwingungen ist durch den zwischen Anode und Kathode eingeschalteten Ausgangsübertrager gegeben. Die bisweilen auftretenden Schwingungen (Pfeiftöne) werden durch Dämpfungsmittel tunlichst unterdrückt. Mit I und II sind Gitter- und Anodenkreis, mit III der Entkopplungskreis bezeichnet, c_g und c_a sind die Kreiskapazitäten, Ig und I_a die in den Spulen I₀ und l_a zusammengefaßten verteilten Selbstinduktionen der äußeren Verbindungsleitungen Gitter—Kathode und Anode—Kathode. r_a und r_g sind die gesamten Verlustwiderstände der Kreise I und II. Die induktive gegenseitige Kopplung zwischen Gitter- und Anodenkreis ist mit l_oa und die entsprechend gegenseitige kapazitive Kopplung durch die Röhrenkapazität c_aa gegeben. Mit n_g und u_a sind Gitter- und Anodenspannung bezeichnet.

Die wechselseitige Kapazität K, die der kapazitiven Rückkopplung proportional ist, ist in der zu untersuchenden Schaltung gemäß Fig. 7 im Mittel von der Größenordnung 5 pF, also sehr Idein, und wird durch die gegebene unvermeidbare induktive Leitungskopplung M' der Anodenleitung auf die Gitterleitung kompensiert, wenn nicht überkompensiert sein. Man kann also die Berechnung der Schaltung wesentlich vereinfachen, wenn man c_aa als durch die induktive Leitungskopplung M' kompensiert vernachlässigt und die Berechnung der Schaltung, d. h. deren Anschwingbedingungen und ihre DämpfungsVerhältnisse allein mit einer um die induktive Leitungskopplung M' verminderten gegenseitigen Induktion l_Ba durchführt. Die von Harms und Niebauer errechneten Resultate haben somit für die Grundschaltung ihre volle Gültigkeit und damit die für die Anschwingbedingungen aufgestellte Gleichung

ω"

OJ"

_ ^ca ''

worin S (Dimension Z/Ohm) einen Leitwert, c_gr_g; °a^ra'· ~ di^e Zeitkonstanten, mithin die reziproken

Dämpfungsglieder bedeuten und ω die Kreisfrequenz, CO;, die Eigenschwingungszahl des Gitterkreises, to_a die des Anodenkreises ist. Die Gleichung besagt, daß sich Schwingungen nur aufschaukeln können, wenn das Produkt aus Steilheit und Rückkopplung größer oder gleich ist der äußeren oder inneren Röhrendämpfung. Einmal erregte Schwingungen klingen ab, sofern S · l_ga kleiner ist als der Betrag dieser Summe. In der Grundschaltung wird hiervon Gebrauch gemacht. Es dient hierzu der abstimmbare und schwenkbare Abstimmkreis III. Wird dieser Kreis auf Resonanz abgestimmt, so wirkt er als zusätzliche Dämpfung, indem er der Schaltung Energie entzieht, die sich in Wärme umsetzt. Wird der abgestimmte Kreis der Gitterbzw, der Anodenleitung genähert, so wird damit das Produkt S · l_ga geändert, und man kann der Schwingungsamplitude der Rückkopplungsschwingung jeden beliebigen, genau reproduzierbaren Wert geben. Sind mehrere Schwingungsarten, beispielsweise Rückkopplungsschwingungen und Lichtbogenschwingungen vorhanden, so hat man mit dem schwenkbaren Resonanzkreis das Mittel in der Hand, diesem Schwingungsgemisch Rückkopplungsenergie zuzuführen oder zu entnehmen.

Sind in der Röhre ionisierbare Gasreste oder besser ionisierbare Metalldämpfe, z. B. Quecksilberdampf, als Rückstand aus dem Pumpprozeß vorhanden, so kann man den Raum zwischen Anode und Gitter als Sitz einer sekundären EMK annehmen, primär erregt durch den Anodenstrom, die einen Leitungsstrom, den sogenannten negativen Gitterstrom i_gj vom Gitter durch die Schaltung zur Anode treibt. Punkte gleicher Nullspannung sind die Kathode und eine zwischen Anode und Gitter angenommene virtuelle Kathode. Während in der Entladungsstrecke die Primärelektronen, vermehrt um die bei der Ionisation gewonnenen Elektronen, von der positiven Anode angezogen wer-

den, wandern die positiven Ionen auf das Gitter und laden es positiv auf. Andere positive Ionen werden durch die Maschen des Gitters bis zur Kathode gelangen, daselbst die negative Raumladung um den Heizfaden kompensieren und zu einer allgemeinen Erhöhung des Elektronenstromes durch das Gitter beitragen. War die Anodenspannung nicht höher als die Ionisierungsspannung des Füllgases oder Metalldampfes in der Röhre, so wird die Geschwindigkeit der positiven Ionen an der Kathode gerade Null sein, eine Desintegration (Zerstäubung) der Kathode findet trotz Anwesenheit positiver Ionen im Rohr nicht statt. In den Fig. 8 bis io ist die in der Grundschaltung enthaltene Lichtbogenschaltung, wie sie sich stufenweise aus der normalen Lichtbogenschaltung entwickelt, gezeichnet.

Da ein durch Gitter oder Anodenspannung gesteuertes Elektron bis zu iooo und mehr Elektronen bei der selbständigen Entladung, wie sie beispielsweise bei dem Geigerschen Zählrohr durch Stoßionisation eingeleitet wird, neu auszulösen vermag, muß der Gitterstrom nach Art eines Vervielfachers lawinenartig anwachsen, und daher müssen die Steilheitsbeträge

dig j

dig j

'*a = k {i_Bj — Gitter-

ionenstrom) außerordentlich hohe Werte annehmen. Denkt man sich beispielsweise die ionisierbaren Dämpfe der Entladungsstrecke, ja des ganzen Rohres, in einer dünnen Schicht vor die Anode gebracht, so wird unter der Einwirkung der an der Anode liegenden Ionisierungsspannung von über 20 Volt nicht nur eine durch Stoß eingeleitete unselbständige Ionisation der äußeren Schichtteile auftreten, sondern wegen des sehr hohen Spannungsgefälles in der Schicht werden die neu entstandenen Elektronen so beschleunigt, daß selbständige Ionisation auftritt, die aber alsbald ihre natürliche Begrenzung in der Dicke der ionisierbaren Schicht und in dem Mangel an neu zuströmenden Dampfteilchen findet. Es entsteht eine steuerbare selbständige Entladung.

Die geringen Ionisationsströme von io~¹⁰ bis io~³ Ampere werden dann durch Steuerspannungen von einigen μΝ bereits erreicht, so daß sich sogar Steilheiten von S = mA/V = 1000 mA/V ergeben (io-³/io-⁶) können. Das gilt freilich nur für sehr kleine Steuerspannungen. Für größere Steuerspannungen wird das Sättigungsgebiet des Gitterstromes i_gi erreicht bzw. es tritt eine Strombegrenzung auf, die zunächst auf einen Mangel an ionisierbarem Dampf an den kritischen Stellen der Entladungsstrecke zurückzuführen ist. Es ist alsdann nur eine schwache Zunahme des Ionenstromes mit anwachsender Steuerspannung festzustellen.

Die hohen Verstärkungen, die sich auch bei niedrigen Anodenspannungen erreichen lassen, sind zum Teil auf diese Tatsachen zurückzuführen.

Das Entstehen der negativen Steilheit ist nach Ramsauer so zu erklären, daß zunächst ein Elektron das Metallatom lediglich anregt, während ein nachfolgendes die Abtrennung aus dem Atomverband bewirkt. Die Stromstärke nimmt zu, während die Ionisierungsspannung um den Betrag der Anregungsspannung vermindert wird, d. h., mit wachsender Stromstärke sinkt die Spannung, was einer Dämpfungsverminderung gleichkommt. Fliegen aus der Anodendampfschicht auf das Gitter positive Ladungsteilchen, so werden diese vom Gitter angezogen und der außen meßbare Gitterstrom verringert sich entsprechend der Gleichung i_a = i_gj ± *ge ± (+ ist für Primärelektronen, — für Sekundärelektronen einzusetzen). Obwohl in der für die Verstärkung maßgebenden Entladungsstrecke hohe negative Steilheiten bestehen, werden außerhalb der Röhre nur geringe negative Steilheiten gemessen. Es kann sogar der Fall eintreten, daß ein positiver Gitterstrom auftritt, obwohl in der Entladungsstrecke eine beträchtliche negative Steilheit vorhanden ist. Diese inneren Vorgänge in der Entladungsstrecke sind der statischen Messung nicht zugänglich. Die dynamischen Methoden zur Bestimmung der Steilheit sind daher den statischen Verfahren vorzuziehen.

Der Anteil an Sekundärelektronen, die aus der Anode unter Einwirkung der Anodenspannung herausgeschlagen werden, hängt ab von der Form der Anode, ob die Primärelektronen senkrecht oder schräg auf die Anode aufprallen und von der Höhe der positiven Gitterspannung. Während im Falle der Ionisierung die von den Primärelektronen erzeugten sekundären Ladungsträger um ein Vielfaches an Zahl die Primärelektronen übertreffen, werden bei der normalen Triode im Falle der Sekundärelektronenerzeugung von den Primärelektronen nur wenige Sekundärelektronen ausgelöst, mithin wird auch die innere Steilheit y-^-

gering sein, obwohl beträchtliche Anoden- und Gitterströme durch das Rohr fließen. Diesen Nachteil kann

man beheben, wenn das Glied —

du_a

in Form eines

Elektronenvervielfachers in die Entladungsstrecke eingebaut wird, indessen würden hierbei höhere Spannungen aufzuwenden sein, und es käme zu etwas umständlicheren Röhrenkonstruktionen.

Ein Elektronenvervielfacher an Stelle eines Ionenvervielfachers als erste Verstärkerstufe hätte gewiß den Vorteil hervorragender Konstanz, während bei den Ionenvervielfachern, wenn nicht besondere Vorsorge getroffen wird, die Inkonstanz der Quecksilberdampfdichte und deren Temperaturabhängigkeit von Nachteil sein können. Nach dem Stande der heutigen Technik überwiegen noch die Vorteile des Ionenvervielfachers die des Elektronenvervielfachers im vorliegenden Zusammenhang.

In gewissen Bereichen der Anodenspannung, namentlich bei niedrigen Werten derselben, fällt der Gitterstrom, wenn die Anodenspannung ansteigt, und umgekehrt.

Liegt vor der Anode'ein Ausgangswiderstand von der Größe r_a, so verflachen sich die Gitter- und Anodenstromkurven entsprechend der um den äußeren Spannungsabfall i_ar_a verringerten Spannung an der Anode.

Der positive Gitterelektronenstrom kann Einsattelungen, d. h. Gebiete fallender Kennliniensteilheit haben. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn das Gitter Sekundärelektronen abgibt.

Um für das neue Empfangsprinzip, soweit es mit Ionenvervielfacher arbeitet, zu konstanten Betriebs-

bedingungen zu kommen und um die volle Steuerfähigkeit des Gitters zu erhalten, wird auf eine Füllung ■des Rohres mit Edelgas oder Hg-Dampf nach Art der Gastrioden zu verzichten sein. Bei den bekannten gittergesteuerten Gasentladungsröhren mit einem Hg-Dampf druck io~^s Torr übt das Gitter nur eine Schaltfunktion aus. Nach dem Schaltvorgang umgibt sich das Gitter mit einer positiven Raumladung und verliert damit seine Steuerfähigkeit. Um die Steuerfähigkeit und die Temperaturkonstanz bei der Erfindung zu sichern, kann man das Rohr einer besonderen Behandlung nach dem normalen Pumpvorgang unterziehen. Dabei wird die Anode als Kathode geschaltet und an Gitter und Heizfaden eine hohe Gleichspannung bis zu 1500 Volt gelegt, während die Anode zweckmäßig mittels Hochfrequenzerhitzung auf helle Rotglut gebracht wird.- Das Rohr wird mit Quecksilberdampf beschickt. In die geöffneten Poren aus Nickel oder Palladium dringen positive hochbeschleunigte Hg-Ionen tief ein, wo sie Elektronen aufnehmen. Die nunmehr elektrisch neutralen Hg-Mo-"; leküle verbinden sich chemisch mit dem Anodenmaterial zu einem temperaturbeständigen Amalgam, das nach dem Erkalten der Anode fest in ihrem Innern haftet. Bei Erwärmung des Heizfadens im Betrieb wird Quecksilberdampf von der Anode in den Entladungsraum abgegeben, und es baut sich eine sich aus dem Inneren der Anode fortgesetzt erneuernde Schicht von Hg-Dampf an der Innenseite der Anode auf, die weit homogener zusammengesetzt ist, als ein aufgebrachter Oxydbelag, der bei Anregung unregelmäßig und stoßweise Ladungsträger emittiert.

Die Verwendung ionisierbarer Dampfschichten als Anodenbelag an Stelle eines aufgebrachten Oxydes an der Innenfläche der Anode ist für die Konstanz des Ionenvervielfachers maßgebend.

Grundsätzlich lassen sich auch Edelgase im vorliegenden Zusammenhang verwenden, jedoch ist Metalldampfschichten der Vorzug zu geben, weil sie sich leichter an der Innenfläche der Anode speichern lassen. Unter den Metalldämpfen ist der Hg-Dampf für die Erzeugung von UKW-Lichtbogenschwingungen im Vakuum und für Vervielfacherzwecke gut geeignet, da Quecksilber besonders leicht Elektronen abgibt

und seine .»negativen« Ionen ausschließlich Elektronen sind.

Der Schwundausgleich beruht bei Empfängern nach der Erfindung auf einem anderen Prinzip als bei bekannten Empfängern mit Schwundausgleich (Superhet). Gemeinsam haben beide, daß der Empfänger •über eine große Verstärkerreserve verfügen muß, d.h., er muß logarithmisch und nicht linear arbeiten. Beim Superhet mit Schwundausgleich ist es der Arbeitspunkt auf der Anodenstromkennlinie, der als Funk- tion der Gitterspannung im Gebiete höchster Kurvensteilheit verlagert werden muß, und umgekehrt. Beim .Empfänger nach der Erfindung wird mittels der Gittervorspannung der Arbeitspunkt in die steilste Stelle der Schwingkennlinie des Lichtbogengenerators verlegt (—i_a = f [u_a]). Die negative Steilheit ist dem Hg-Dampfdruck in der Entladungsstrecke proportional. Je größer der Hg-Dampfdruck, um so größer die Verstärkerreserve. Es ist wesentlich einfacher, sich diese Verstärkerreserve durch Erhöhung des Hg-Dampfdruckes zu verschaffen, als die ausreichende logarithmische Steilheit durch Steigerung der Röhrenzahl und andere konstruktive Mittel erreichen zu wollen. Bei der üblichen Schwundregelung wird ein Teil der Empfangsenergie abgezweigt, in der Diodenstrecke gleichgerichtet und nach erfolgter Siebung in einem i?C-Glied dem Gitter des Hochfrequenzverstärkers und denen des Zwischenverstärkers zugeführt. Die so gewonnene negative Gleichspannung verschiebt den Arbeitspunkt längs einer logarithmischen Anodenstromkennlinie, im umgekehrten Verhältnis zur Lautstärke, im Gebiete geringerer Kennliniensteilheit. Beim Empfänger nach der Erfindung wird der Arbeitspunkt nicht verschoben, geändert wird als Funktion der Gitter- oder der Anodenspannung

das Verhältnis -^=- und damit die Verstärkung.

Claims (6)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Empfangssystem für hochfrequente elektrische Wellen, bei dem durch Rückkopplung in einer höherfrequenten Kurzwelle ein verstärkter Empfang erreicht ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückkopplung über einen Serienresonanzkreis aus Entladungsstrecke, Induktivität und Kapazität erfolgt und daß die Entladungsstrecke geringe Spuren von Gas- oder Metalldämpfen, insbesondere von Quecksilber, enthält.

2. Empfangssystem nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß für die Feinregulierung der Rückkopplung ein Absorptionskreis vorgesehen ist, wobei die Einstellung des Kurzwellenkreises unabhängig von der Einstellung des Langwellenkreises ist.

3. Empfangssystem nach einem der Ansprüche 1 und 2, gekennzeichnet durch Röhren mit kleinem innerem Widerstand, der bei Ionisation zusätzlich vermindert wird.

4. Empfangssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine solche negative Gittervorspannung, daß kein Gitterstrom fließt.

5. Empfangssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode der Entladungsstrecke einen Belag aus ionisierbaren Dampfschichten, vorzugsweise Metalldampfschichten aufweist.

6. Empfangssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für die Zwecke des Schwundausgleichs die Gittervorspannung so eingestellt ist, daß der Arbeitspunkt an der steilsten Stelle der Schwingkennlinie Hegt.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 576860, 721893;
Vilbig, Lehrbuch der Hochfrequenztechnik, 1944, Aufl. 4, Bd. 2, S. 335.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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