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Verfahren und Vorrichtung zum Messen der Energie kurzer elektrischer
Spannungsimpulse mittels einer mit Edelgas gefüllten Röhre Es ist bekannt, in elektrischen
Stromkreisen als Schaltvorrichtungen mit Edelgas gefüllte Röhren zu verwenden, die
zwei stabile Arbeitszustände besitzen, in deren einem die Röhre leitend und in deren
anderem sie nichtleitend ist. Um eine solche Schaltröhre aus dem nichtleitenden
Zustand in den leitenden Zustand zu schalten, wird einer ihrer Elektroden ein Steuerimpuls
von bestimmter Höhe zugeführt, der das Edelgas ionisiert. Ist die Röhre einmal durch
einen solchen Steuerimpuls leitend gemacht worden, dann verbleibt sie in dem leitenden
Zustand, bis die Edelgasfüllung durch einen neuen Steuerimpuls wieder entionisiert
wird.
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Demgegenüber besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine mit Edelgas
gefüllte Röhre zu einem anderen Zweck, nämlich dazu zu verwenden, die Energie kurzer
elektrischer Spannungsimpulse, deren Dauer nur einige tausendstel Mikrosekunden
betragen kann, zu messen.
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Bisher war es nicht möglich, die Energie kurzer Spannungsimpulse
unmittelbar zu messen. Es konnte lediglich der Spitzenwert solcher Spannungsimpulse
gemessen werden. Da die Energie von Impulsen gleicher Form der Spitzenspannung der
Impulse proportional ist, konnten durch Messen dieser Spitzenspannungen mittels
üblicher Vorrichtungen nur Eine derungen der Energie zwischen den einzelnen Impulsen
festgestellt werden, und überdies hatten die hierfür verwendeten Vorrichtungen eine
sehr komplizierte Ausbildung.
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Eine am häufigsten verwendete bekannte Vorrichtung zum Messen der
Spitzenspannung von Impulsen besteht aus einer Anordnung von Kippvorrichtungen von
der Trioden- oder Thyratronart. Die Spitzenspannung läßt sich mit gewisser Annäherung
dadurch feststellen, daß die Kippvorrichtungen, deren Polarisationsschwelle kleiner
als die zu messende Spannung ist, ausgelöst und die anderen Kippvorrichtungen nicht
ausgelöst werden. Man weiß dann, daß die Spitzenspannung einen Wert hat, der zwischen
der höchsten Polarisationsschwelle der ausgelösten Kippvorrichtungen und der niedrigsten
Polarisationsschwelle der nicht ausgelösten Kippvorrichtungen liegt. Eine solche
Anordnung ist äußerst kompliziert ausgebildet und liefert naturgemäß ungenaue Meßergebnisse,
und das um so mehr, als es in der Praxis schwierig ist, die Anzahl Kippvorrichtungen
genügend groß zu wählen, um das Intervall zwischen den aufeinanderfolgenden Schwellenwerten
auf einen ausreichend niedrigen Betrag zu reduzieren, der zur Erzielung einer zufriedenstellenden
Genauigkeit der Messung notwendig ist.
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Gemäß der Erfindung ist ein Verfahren zum Messen der Energie kurzer
elektrischer Spannungsimpulse mittels einer mit Edelgas gefüllten Röhre geschaffen,
welches dadurch gekennzeichnet ist, daß das Edelgas in der Röhre dadurch in dauernd
ionisiertem Zustand gehalten wird, daß eine Gleichspannung an zwei in der Röhre
angeordnete Elektroden angelegt wird, deren Abstand derart gewählt ist, daß das
Produkt aus diesem Abstand (in Millimeter) und dem Druck des Edelgases in der Röhre
(in Millimeter Hg) einen Wert zwischen 12,5 und 125 ergibt, daß der einen Elektrode
die kurzen Spannungsimpulse zugeführt werden, welche die Leitfähigkeit des Edelgases
ändern und dadurch an der anderen Elektrode Spannungsänderungen (ungefähr in Gestalt
von Rechteckwellen) hervorrufen, und daß die Dauer dieser Spannungsänderungen (Breite
der Rechteckwellen), die dem Produkt aus Größe und Dauer der kurzen Impulse proportional
ist, gemessen wird.
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Da bei dem Verfahren gemäß der Erfindung die Dauer der am Ausgang
der Röhre auftretenden Spannungsänderungen allgemein das 100- bis 100 O00fache der
Dauer der der Röhre zugeführten kurzen Impulse beträgt, kann sie bequem gemessen
und damit die Energie der Impulse leicht bestimmt werden.
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Eine zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung geeignete
Vorrichtung enthält eine mit einem Edelgas gefüllte Röhre, die eine oder zwei Mittelelektroden
und eine Umfangselektrode enthält, von denen die bzw. eine der Mittelelektroden
die zu messenden kurzen Impulse empfängt und die Umfangselektrode mit einer Vorrichtung
zum Messen der an ihr hervorgerufenen Spannungsänderungen verbunden ist, und eine
Gleichstromquelle, die zwischen der Mittelelektrode und der Umfangselektrode eine
Gleichspannung erzeugt, welche das Edelgas in der Röhre in dauernd ionisiertem Zustand
hält.
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Das Edelgas in der Röhre kann aus Helium, Neon, Argon, Krypton oder
Xenon bestehen.
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Vorzugsweise bestehen die Elektroden der Röhre aus Nickel, Aluminium
oder Molybdän.
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Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung an verschiedenen
Ausführungsbeispielen erläutert.
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F i g. 1 ist eine schematische Darstellung einer Vor--richtung gemäß
der Erfindung, die eine mit Edelgas gefüllte Röhre 11 aufweist, welche eine stabförmige
Mittelelektrode 12 und eine koaxial zu dieser angeordnete zylindrische Umfangs elektrode
15 enthält.
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Die Mittelelektrode 12 ist eingangsseitig an einen Leiter 13 und ausgangsseitig
an einen Leiter 14 angeschlossen, der über einen Widerstand t9 mit Erde verbunden
ist. Die Umfangselektrode 15 ist mittels eines Leiters 16 über einen Widerstand
18 an den negativen Pol einer Gleichspannungsquelle 17 angeschlossen, deren anderer
Pol geerdet ist. Auf diese Weise wird an die Elektroden 12 und 15 eine Gleichspannung
angelegt, die größer als die Zündspannung der Röhre ist und die Edelgasfüllung in
dauernd ionisiertem Zustand hält.
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Der zu messende kurze Impuls wird der Mittelelektrode 12 der Röhre
11 über den Leiter 13 zugeführt. Die durch den Impuls hervorgerufene Änderung der
Leitfähigkeit des Edelgases bewirkt eine Änderung der an dem Punkt P des Ausgangs
leiters 16 liegenden Spannung, wobei in diesem Fall die Umfangselektrode 15 eine
negative Polarität hat.
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Die Spannungsänderung an dem Punkt P, die zufolge der durch den Impuls
bewirkten Erhöhung der Leitfähigkeit des Gases hervorgerufen wird, stellt sich als
eine ungefähr rechteckförmige Spannungserhöhung dar, die während einer Dauer erhalten
bleibt welche der Energie des zugeführten kurzen Impulses, d. h. dem Produkt aus
seiner Größe und seiner Dauer proportional ist. All dem Punkt P kann daher eine
Spannung abgenommen werden, die ungefähr die Form einer Rechteckwelle hat, deren
Breite (Länge ihres Kammes) der Energie des Impulses entspricht. Die Dauer dieser
rechteckwellenförmigen Spannungsänderung kann mit irgendeiner zweckentsprechenden
Vorrichtung gemessen werden, beispielsweise mit einem Kathodenstrahl-Oszillosgraphen
für Wechselstrom oder mit einem mit einem Kondensator oder einem Gleichrichter,
wie einer Diode, verbundenen Galvanometer.
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Der an der Umfangselektrode 15 der Röhre, d. h. an dem Punkt P auftretenden
rechteckigen Spannungswelle geht immer ein zufolge der kapazitiven Wirkung zwischen
der Mittelelektrode und der Umfangselektrode entstehender Spannungsstoß voraus dessen
Amplitude gewöhnlich größer als die Höhe der rechteckigen Spannungswelle ist, wie
dies aus F i g. 2 ersichtlich ist.
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Wenn man die relative bedeutung dieses voraus gehenden Spannungsstoßes
in bezug auf die ungefähr rechteckwellenförmige Spannungsänderung herabzusetzen
wünscht, kann es vorteilhaft sein, eine Röhre. von der in F i g. 3 schematisch wiedergegebenen
Ausführung zu verwenden. Diese Röhre 21 enthält zwei stabförmige Mittelelektroden
22 und 23 und eine zylindrische Umfangselektrode25. Die eine Mittelelektrode 22
empfängt die zu messenden Impulse, die ihr über einen Leiter 24 zugeführt werden,
während die das Edelgas der Röhre in dauernd ionisiertem Zustand haltende Gleichspannung
an die zweite Mittelelektrode 23 und die Umfangselektrode 25 angelegt wird, indern
diese beiden Elektroden in einen Stromkreis geschaltet sind, der eine Batterie 27
und einen Widerstand 26 enthält. Die rechteckwellenförmigen Spannungsänderungen
zufolge der durch die zugeführten kurzen Impulse bewirkten Änderun gen der Leitfähigkeit
des ionisierten Gases werden an dem Punkt Q abgenommen.
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Die in Fig.4 wiedergegebene Ausführungsförm ist derjenigen gemäß
Fig. 1 ähnlich, jedoch wird hier ein elektromagnetisches Feld, welches die Anderung
der Leitfähigkeit des ionisierten Edelgases verursacht, in der Röhre von außen her
induziert, statt im Inneren der Röhre mittels eines über die Mittelelektrode geführten
Impulses erzeugt zu werden. Es wurde nämlich gefunden, daß mit einem genügend starken
elektromagnetischen Feld, das beispielsweise mittels der im Fernmeldewesen verwendeten
Hertzschen Strahlen oder mittels Rådarstrahlen erzeugt wird, die Leitfähigkeit des
Edelgases von der Außenseite der Röhre her geändert werden kann, wodurch ein sehr
einfaches und wirksames Mittel zum Feststellen und Messen von elektromagnetischen
Wellen gegeben ist. In einem solchen Fall würde eine Mittelelektrode nicht erforderlich
sein. In der Röhre könnten zwei Elektroden bellebi ger Art vorgesehen werden, an
die eine Spannung angelegt wird, wobei die Art und Anordnung dieser Elektroden in
der Röhre keine Rolle spielt.
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In Fig.4 ist außerdem eine in Verbindung mit der mit Edelgas gefüllten
Röhre zu verwendende Meßvorrichtung dargestellt, die von einer Diode 28 und einem
Galvanometer 29 gebildet ist, welches die Stärke des durch die Diode lrindurchgehenden
Stromes anzeigt, die für das Ausgangssignal kennzeichnend ist.
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Obwohl in den Fig.1, 3 und 4 eine zylinder förmige Umfangselektrode
dargestellt ist, kann man ebensogut eine oder mehrere Umfangselektroden anderer
Formen verwenden, wie z. B. Platten, Rohrabschnitte oder Kugelsegmente, da die Form
der Elektrode von verhältnismäßig geringer Bedeutung für das erzielte Resultat ist.
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Im allgemeinen wird man jedoch aus Gründen der Vereinfachung Mittelelektroden
in Stab- oder Bandform und eine zylindrische Umfangselektrode oder eine aus einer
oder mehreren Platten bestehende Umfangselektrode verwenden. Werden mehrere Ümfangselektroden
vorgesehen, so werden diese vorzugsweise in der gleichen Entfernung von der Mittelelektrode
angeordnet. Im letzteren Fall ist jede Ider Platten der Umfangselektroden mit der
Stromquelle verbunden oder geerdet, je nachdem, welche Elektrode polarisiert werderl
solf.
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Die Elektroden können aus jedem Metall, welches das in der Röhre
verwendete Gas nur wenig adstrbiert
und welches wenig dazu neigt,
unter dem angewandten verminderten Druck zu verdampfen, hergestellt werden, wie
z. B. aus Nickel, Aluminium oder Molybdän.
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Die in der Röhre verwendeten Gase sind Edelgase, wie Helium, Neon,
Argon, Krypton und Xenon.
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Der Druck des Gases in der Röhre wird in Ab--hängigkeit von dem Abstand
zwischen der Mittelelektrode und der Umfangselektrode eingestellt, und zwar so,
daß das Produkt aus dem Druck p (in Millimeter Hg) und dem Abstand d zwischen den
Elektroden (in Millimeter) einen Wert zwischen 12,5 und 125 ergibt. Dieser Bereich
entspricht im wesentlichen der Minimumzone der in F i g. 7 dargestellten Paschenkurve,
welche die Änderung der Zündspannung der gasgefüllten Röhre als Funktkion des vorstehend
genannten Produktes p d wiedergibt.
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Beispielsweise kann für einen Abstand von 25 mm zwischen den Elektroden
ein Druck zwischen 0,5 und 5 mm Hg und für einen Abstand von 12,5 mm ein Druck zwischen
1 und 10 mm gewählt werden.
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In der Praxis wird man diejenige Druckzone vermeiden, in der die Verdampfung
des für die Elektroden verwendeten Metalls merklich wird, indem man den Abstand
zwischen den Elektroden in geeigneter Weise einstellt, jedoch innerhalb der günstigsten
Bedingungen bleibt, die der Minimumzone der Paschenkurve entsprechen. Mit gasgefüllten
Röhren, die diesen Bedingungen entsprechen, werden am Ausgang Spannungsänderungen
von besonders guter Rechteckwellenform erhalten. Es bleibt jedoch immer möglich,
von diesen günstigsten Bedingungen abzuweichen und trotzdem die Vorteile der Erfindung
in großem Maß auszunutzen.
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F i g. 5 zeigt Eingangsimpulse von gleicher Dauer (6/ion Mikrosekunde)
und unterschiedlichen Amplituden (Impulse 11, 12 und 13). Die mit der erfindungsgemäß
ausgebildeten Vorrichtung erhaltenen Meßsignale sind von der in F i g. 5 a dargestellten
und mit St, S2 und S3 bezeichneten Art, wenn für die gasgefüllte Röhre die oben
angegebenen Bedingungen gelten, welche der Minimumzone der Paschenkurve entsprechen.
Die als Meßsignale erhaltenen rechteckwellenförmigen Spannungsänderungen haben eine
Dauer von einigen tausendstel Sekunden und können folglich sehr leicht genau gemessen
werden.
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Aus F i g. Sb ist zu ersehen, daß die erhaltenen Signales, s2 und
s3 eine relativ geringe Dauer und unterschiedliche Spitzenspannung haben, wenn man
sich von den günstigsten Bedingungen, die der Minimalzone der Paschenkurve (F i
g. 7) entsprechen, entfernt, wodurch die Messung komplizierter wird.
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Jedoch haben diese Signale immer noch eine Dauer von einigen hundertstel
Mikrosekunden, und daher bleibt einer der größten Vorteile der erfindungsgemäßen
Umwandlung immer noch bestehen.
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In F i g. 6 ist ein Impuls mit veränderlicher Spitzenspannung (i"
i2, i3) dargestellt, der unmittelbar auf einen stärkeren Impuls l von unveränderlicher
Form und Amplitude folgt, wobei sich diese aufeinanderfolgenden Impulse periodisch
wiederholen.
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Mit den bisher bekannten Impulsmeßverfahren lassen sich die Änderungen
der Amplitude der klei-
neren Impulse i nicht feststellen, weil die Kippkreise nur
durch den stärkeren Impuls l ausgelöst werden.
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Im Gegensatz dazu ermöglicht in diesem Fall die Vorrichtung gemäß
der Erfindung eine genaue Messung der Änderung der Impulse i, wie dies F i g. 6
a zeigt, welche die rechteckwellenförmigen Spannungsänderungen r1, r2, und r3 am
Röhrenausgang wiedergibt, die den Impulsen 11, i2, und i3 in Fig. 6 entsprechen
und deren Dauer außerordentlich einfach meßbar ist.
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Die erfindungsgemäß erhaltenen Signale werden durch das Grundrauschen
der Röhre kaum verändert, dessen Höhe bei Röhren, die den obengenannten Bedingungen
entsprechen, nicht über einige Millivolt hinausgeht, verglichen mit einem Signal
von mehreren Volt.