Die Kathodenstrahlröhre und ihre Anwendung in der Schwachstromtechnik PDF
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Die Kathodenstrahlröhre und ihre Anwendung in der Schwachstromtechnik Von Manfred von Ardenne Unter Mitarbeit von Dr.-Ing. Henning Knoblauch Mit 432 Textabbildungen Berlin Verlag von Julius Springer ID33 ISBN-13: 978-3-642-89351-3 e-ISBN-13: 978-3-642-91207-8 DOI: 10.1007/978-3-642-91207-8 Alle Rechte, insbesondere das der Überset.zung in fremde Sprachen, vorbehalten. Copyright 1933 by Julius Springer in Berlin. Softcoyer reprint of the hardcover 1st edition 1933 Vorwort. Die Braunsehe Röhre war noch vor wenigen Jahren besonders in Deutschland ein wenig verbreitetes Instrument. Nur in der Hochspan nungstechnik konnte der Kathodenstrahloszillograph, nachdem er durch die Arbeiten von Dufour, von Rogowski und seinen Schülern, sowie von Ga bor, Mathias, Knoll und deren Mitarbeitern den speziellen Erfordernissen dieser Technik angepaßt worden war, die Bedeutung erlangen, die ihm gebührt. In der Schwachstromtechnik wurde die Braunsehe Röhre zu Forschungszwecken nur vereinzelt, etwas häufiger dagegen für Unterrichtszwecke gebraucht. Der Grund für die seltene Anwendung war die Kompliziertheit von Bedienung und Zusatzapparatur. Wurde doch in der Regel das Entladungsgefäß in Verbindung mit der Evakuiereinrichtung benutzt. Erst nachdem von Wehnelt, Westphal, Zenneck, Johnson u. a. dazu übergegangen wurde, abgeschmolzene Röhren mit Glüh kathode für langsame Elektronenstrahlen herzustellen, wurde ein Weg beschritten, der eine wesentliche Vereinfachung der Apparatur bringen mußte. Dieser Weg allein führte jedoch nicht zum vollen Erfolge, weil die erreichten Fleckhelligkeiten infolge zu geringer Geschwindigkeit der Elektronen und zu geringer Intensität des Kathodenstrahles den An sprüchen der Praxis nicht genügen konnten. Erst mit der Durchbildung abgeschmolzener Elektronenstrahlröhl'en mit Glühkathode und Gas füllung für Anodenspannungen von einigen 1000 V und mit der Durch führung des vollkommenen Netzbetriebes standen Einheiten zur Ver fügung, die auch den anspruchsvollen Forderungen gerecht wurden, die in der Teehnik an Instrumente für allgemeinere Verwendung gestellt werden. Gleichzeitig und schon vor der Entwicklung der Braunsehen Röhre zum technischen Meßinstrument entstanden eine Reihe wichtiger Zusatzapparate und eine große Anzahl besonderer Meßschaltungen und Meßmethoden. In der l!'olgezeit ist auf fast allen Gebieten, die die elektrische Meßtechnik und die Aufzeichnung von Schwingungskurven berühren, die Kathodenstrahlröhre eingesetzt worden. Daß Meßmethodik und Meßhilfsmittel entsprechend der großen Verschiedenheit der Anforde rungen bei der Bearbeitung der Spezialaufgaben zum Teil stark von einander abweichen, wird ohne weiteres verständlich sein. Trotz dieser Versehiedenheit lassen sich jedoch wesentliche Bestandteile in den einzelnen Kombinationen immer wieder finden. In allen Anwendungen enthalten ist die Kathodenstrahlröhre. Ihrer Theorie und Konstruktion ist der erste Teil dieses Buches gewidmet. Im zweiten Teil ist auf die Hilfsapparaturen der Kathodenstrahl röhre eingegangen, die, wie z. B. die Netzgeräte, die Vorverstärker zur IV Vorwort. Empfindlichkeitssteigerung, die Zeitablenkungsgeräte und die photo graphischen Registrierapparate bei fast allen Anwendungen wieder vor kommen. Der restliche Inhalt des Buches behandelt die speziellen Anwendungen auf den verschiedensten Gebieten. Durch die geschilderte Einteilung glaubt der Verfasser, den umfang reichen Stoff übersichtlich geordnet zu haben. Lesern, denen die Ent wicklung eigener Meßschaltungen oder die Anpassung der Schaltungen an die jeweiligen Aufgaben Freude macht, oder die von Grund auf neue Methoden für ihren Aufgabenkreis durchbilden müssen, werden die ersten beiden Abschnitte nützen können. .Für diejenigen, meßtechnisch viel leicht weniger vorgebildeten Leser, die häufig wiederkehrende Aufgaben zu bearbeiten haben, ist der dritte Teil gedacht, der möglichst voll ständig alle dem Verfasser bekanntgewordenen Anwendungen auf den verschiedenen Gebieten erfaßt. In diesem Teil ist daher nach Erläuterung der Prinzipien auf die praktische Ausführung, Dimensionierung und auch auf charakteristische Ergebnisse besonderer Wert gelegt. Eine sehr eingehende Würdigung hat im letzten Teile die Anwendung der Kathodenstrahlröhre in der Fernsehtechnik erfahren. Gerade ihrer Bedeutung auf diesem industriell aussichtsreichem Gebiet verdankt die Braunsche Röhre zu einem großen Teile ihre Durchbildung in den letzten Jahren. - An dieser Stelle sci Herrn Dr. Knoblauch für seine Mitarbeit gedankt. Lich terfelde -Ost , Juli 1933. l\Ianfred von Ardennc. Inhaltsverzeichnis. A. Die Kathodenstrahlröhre. Seite I. Allgemeines über Kathodenstrahlröhren . 1 1. Stand der Technik ........... . 1 2. Grundsätzliches über die Verwendung strahlförmiger Elektronen- strömung zur Aufzeichnung von Schwingungen . 2 3. Die Erzeugung von Kathodenstrahlen . . . . . . 5 a) Ionenröhre . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 b) Glühkathodenröhre ............ . 6 11. Die Herstellung feiner Kathodenstrahlbündel 6 I. Allgemeine Bedingungen . . . 6 2. Die Konzentration des Strahles . 7 a) MC~!lOdik. . . . . . . . . . 7 (1) Außere Felder . . . . . . 7 ß) Selbstkonzentration . . . . 10 b) Ausführung der Konzentration 12 fl) Vor~onzentration. . . . . 12 (11) Außere Felder 12 ßI) Selbstkonzentra.tion . . . . . . 14 ß) Hauptkonzentration im Ablenkraum 14 al) Äußere Felder ........ 14 ßI) Selbstkonzentration . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 ,) Ausführung der Konzentration bei dem Parallelstrahlverfahren 20 3. Stromkreis in der Röhre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 4. Anomalien der Fadenstrahlen . . . . . . . . . . 25 IH. Die Steuerung der Strahlenergie ...... . 28 1. Allgemeines über die Steuerung der Strahlenergie 28 2. Methoden der Energiesteuerung . . . . . . . . 30 a) Strommodulation . . 30 a) Gitterverfahren . 30 ß) Blendverfahren . . 36 b) Spannungsmodulation 38 IV. Die Beeinflussung der Strahlbahn 39 1. Elektrostatische Beeinflussung 39 a) Theorie ............. . 39 b) Praktische Messungen und Erfahrungen 41 2. Die magnetische Ablenkung ..... . 47 a) Theorie . . . . . . . . . . . . . . 47 b) Praktische Erfahrungen ........ . 48 3. Kombinierte Methoden der Strahlbeeinflussung 49 a) Ablenkung in kartesischen Koordinaten .. 49 b) Ablenkung in Polarkoordinaten . . . . . . . .. . .... 51 4. Der Einfluß der Elektronenlaufzeit beim Arbeiten mit sehr hohen Frequenzen ......................... . 54 a) Elektrostatische Ablenkung . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 a) Die dynamische Empfindlichkeit der Braunschen Röhre bei sehr hohen Frequenzen . . . . . . . . . . . . . . . 54 ß) Die Phasenverschiebung zwischen den Koordinaten . . . . 57 b) Die magnetische Ablenkung ................ . 60 VI Inhaltsverzeichnis. Seite V. Die Röhrenkonstruktion . . . . . . 60 1. Konstruktionselemente . . . . . . . . 60 a) Kathode und Anfangskonzentration .... 60 a) Grundsätzliches über Elektronenemission 60 ß) Anforderungen an die Glühkathode 61 1') Herstellung der Glühkathode . . . . . . . . . . . . . . . 63 6) Konstruktiver Aufbau von Kathode und Vorkonzentrations elektrode •.................. 65 al) Gleichstromkathoden . . . . . . . . . 65 ßI) Wechselstromkathoden. . . . . . . . . 68 b) Die Elektrodenanordnung . . . . . . . . . . 76 a) Werkstoffe, Halterungen und Verbindungen. 76 ß) Geometrische Anordnung . . . . . 77 e) Gasdruck und Gasfüllung . . . . . . 81 d) Der Fluoreszenzschirm. . . . . . . . 82 a) Anforderungen an den Leuchtschirm 82 ß) Leuchtschirmsubstanzen . . . . . . 82 1') Herstellungsverfahren . . . . . . . 85 6) Geometrische Anordnung . . . . . . . . . . . . . 88 E) Bedeutung und Beseitigung der Lichthofstörung an Schirmen 90 2. Praktische Ausführungen. .. 94- 3. Typen für Spezialzwecke . . . . . . . . . . . 101 4. Fabrikation und Prüfung. . . . . . . . . . . 1I2 VI. Die Meßgenauigkeit der Braunsehen Röhre 1I7 ß. Die Hilfsapparate. I. Die Stromquellen für Kathodenstrahll'öhren 119 1. Betrieb aus Batterien ..... 120 2. Geräte für Gleichspannungsnetze .. . . . . . 125 3. Wechselstromlletzgeräte. . . . . . . . . . . . 127 II. Empfindlichkeitssteigerung durch Verstärker 130 1. Vorverstärker für \Vechselspannungen . . . . . . 133 2. Gleichstromverstärker . . . . . . . . . . . . . . 142 III. Hilfsgeräte zur {;mformung beliebiger Meßvorgänge in Meß- spannungen ..................... " .. . 145 1. Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145 2. Spannungsteiler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 3. Meßumformer zur Aufnahme magnetischer oder elektromagnetischer Wechselfelder. . . . . . . . . . . . . . . . . . 150 4. Photozellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154 5. Abtasteinrichtungen für mechanische Schwingungen 158 6. Kapazitive Messung mechanischer Schwingungen 161 7. Druckmikrophone 163 8. Schallmikrophone 165 IV. Die Zeitablenkung . . . . . . . . . . . . . . . . 172 1. Die Zeitablenkung durch rotierende oder schwingende Spiegel 172 2. Die elektrische Zeitablenkung . . . . . . . . . . . . . . 177 a) Grundsätzliches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177 b) Kippschaltungen mit Glimmlampen und Thyratronröhren . 181 c) Röhrenkippsehaltungcn. . . . . . . . . . . . . . . .. 192 d) Elektrische Zeitablenkung bei unperiodischen Vorgängen . . . 200 e) Aufzeichnung von Kennlinien durch elektrische Zeitablenkung 210 V. Die photographischen Hilfsmittel beim Oszillographieren 215 1. Allgemeine Gesichtspunkte . . . . . 215 2. Die ]<~instellung großer Strahlleistung 227 3. Das lichtempfindliche Material 228 Inhaltsverzeichnis. VII Seite 4. Die Leuchtschirmkontakt.Photographie . 230 5. Photogra.phie mit Kamera und Linse 231 a) Abbildungsmittel . . . . . . . . . 233 b) Die Aufnahmevorrichtung . . . . . . . . . . . . . . . . . 234 a) Die Aufnahme kurzzeitiger Oszillogramme mit Platten- und Trommelkamera .................... 235 ß) Die Aufnahme langzeitiger Oszillogramme mit Filmapparaten 239 VI. Die langsame photographische Registrierung von Ampli- tuden werten . . . . . . . . . . . 241 VII. Die Mitfixierung von Zeit marken . . . . . . . . . . .. 245 VIII. Kombinierte Apparaturen. . . . . . . . . . . . . . .. 250 IX. Hilfsmethoden beim Arbeiten mit Braunschen Röhren 254 c. Die wichtigsten Anwendungen als ]leßgerät. I. Die Beobachtung des Strahlweges als selbständige Aufgabe 259 II. Die Anwendung der Braunschen Röhre in der Hochfrequenz- tcchnik. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264 1. Untersuchung von Einzelelementen .... . 264 a) Kondensatoruntcrsuchungen . . . . . . . 264 b) Drossel- und Transformatoruntcrsuchungen . 267 c) Schwingungskreisuntersuchungen 271 d) Röhrenuntersuchungen . . . 273 e) Verstärkeruntcrsuchungen 279 f) Gleichrichteruntersuchungen 285 g) Messungen an Endstufen . 288 h) :M:cssungen an Lautsprechern 291 i) Tonabnehmeruntersuchungen . . . . . . . . . . 297 k) Untersuchungcn von Photozellen und Glimmlampen 300 2. Untersuchungen an kombiniertcn Anlagen . 303 a) Untersuchungen an Sendern . . . . . . 304 b) Untersuchungen an ]<~mpfängern 309 3. Untersuchungen von Ausbreitungsvorgängen 312 a) Feldstärkemessungcn. . . . . . . . . . . 312 " b) Die Braunsche Röhre als Richtung~anzeiger 314 c) Höhenbestimmung der Heavisideschicht . . . 316 III. Die Anwendung in der 'l'elegraphen- und Fernsprechtechnik 321 IV. Die Anwendung in der Starkstromtechnik . 324 V. Die Anwendung in der Akustik . . . . . . . . . . . . .. 326 VI. Die Anwendung für mechanische Messungen . . . . . .. 329 VII. Die Anwendung für ballistische und chemische Forschung 333 VIII. Messungen an Verbrennungskraftmaschinen und Fahrzeugen 335 IX. Die Anwendung in dcr medizinischen :Forschung ...... 339 D. Die ßrallnsche Röhre als ßetriebsgerät I. Die Verwendung zur Tonfilmaufnahmc . . . . . 342 1. Grundsätzliche Gesichtspunkte. . . . . . . . . . . 343 2. Amplituden- und Intensitätsschrift mit Hra unseher Röhre 343 3. Die Herstellung eines schmalen Aufzeichnungsstriches .. 344 4. Die Modulation des Fluoreszenzlichtes . . . . . . . . . . 345 5. Praktische Ausführungen von Aufnahmeeinheiten . . . . . 349 II. Die Verwendung im Fernsehsender und Fernsehempfänger 351 1. Grundsätzlieh~ Gesichtspunkte. . . . . . . . . . . . . . 352 2. Historischer Überblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352 VUI Inhaltsverzeichnis. Seite 3. Kathodenstrahlfernsehsender und Bildabtastung ....... 355 a) Die Wahl der Abtastspannungen .............. 356 b) Die statischen Grenzen für die Bildschärfe ......... 359 c) Der Kathodenstrahlfernsehsender und seine dynamischen Grenzen 359 4. Der Kathodenstrahlfernsehempfänger . . . . . . . . . . . . . . 364 a) Die erreichbaren Leuchtdichten. . . . . . . . . . . . . . . 365 b) Die speziellen Gesichtspunkte einer Lichtsteuerung für Fernseh- zwecke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 367 c) Die Synchronisierung der Strahlbewegung . . . . . . . .. 371 5. Durchführung und Möglichkeiten der Liniensteuerung . . . . . . 374 a) Die experimentelle Lösung eines Senders für Liniensteuerung 375 b) Methoden der Synchronisierung und des Empfanges ..... 378 c) Praktische Ausführung, Resultate und Entwicklungsaussichten . 381 Literaturverzeichnis . . . . . 385 Namen- und Sachverzeichnis 393 Berichtigungen. Seite 3, Zeile 22 v. o. lies 1/5 statt 1/50' Seite 3, Zcile 11 v. u. lies 50000 statt 500000. Seite 344, Anmerkung lies Z. techno Physik statt Z. Physik. A. Die Kathodenstrahlröhre. J. Allgemeines über Kathodenstl'ahll'öhren. 1. Stand der Technik. Die außerordentlich geringe Trägheit der Kathodenstrahlen, die eine Aufzeichnung sehr schneller Vorgänge der elektrischen Sch wingungs forschung ermöglicht, hat den Kathodenstrahloszillographen auf dem Gebiete der Hochfrequenztechnik unentbehrlich gemacht. Die Ent wicklungsarbeiten zielten zunächst darauf ab, die maximal erreichbare Schreibgeschwindigkeit der Kathodenstrahloszillographen immer weiter zu steigern. Unter Schreibgeschwindigkeit ist hierbei diejenige Geschwin digkeit zu verstehen, mit welcher der durch das Auftreffen des Kathoden strahles auf dem Leuchtschirm bzw. der photographischen Platte hervor gerufene Fleck sich über die Platte bzw. den Leuchtschirm bewegt. Die maximal erreichbare Schreibgeschwindigkcit ist sinngemäß diejenige, die gerade noch subjektiv oder objcktiv wahrnehmbar ist. Als Ergebnis der übcraus erfolgreichen Arbeiten gerade der letzten Jahrc entstand der Hochfrequenz-Hochspannungsoszillograph, der mit einer Schreib geschwindigkeit von übel' 50000 km/sec praktisch jedem in der Elektro technik vorkommenden Kurzzeitvorgang gewachsen ist. Bei dieser Ent wieldungRlinie zum Hochfrcquenzschreiber war man gezwungen, mit sehr hohen Elektronengeschwindigkeiten zu arbeiten. Nur für Kathoden strahlen mit eincr nahe an die Lichtgeschwindigkeit hcrankommenden ElektronengcRchwindigkeit ist es möglich, die vom ablenkenden Felde beaufschlagte Bahnstrecke in einer Zeit durchlaufcn zu lassen, welche immer noch klcin bleibt gegen die Zeitdauer des zu untersuchenden Vorganges selbst. Geradc die Aufnahmen von Ausgleichsvorgängen längs Leitungcn, die sich selbst beinahe mit Lichtgeschwindigkeit ab spielen, stellten in dieser Hinsicht die höchsten Anforderungen. So war es unvermeidlich, daß der Hochfrequenzoszillograph zu einem Bestandteil der Höchstspannungstechnik werden mußte. Andererseits aber ließ die Erkenntnis, daß dicses Instrument die einzige Möglichkeit dURteIlt, schnellstes elektrisches Geschehen zu erforschen, die Auf wendung großer Mittel und die Errichtung kostspieliger Anlagen für Höchstspannungsoszillographen gerechtfertigt erscheinen. In den letzten Jahren hat sich aber gleichzeitig und unabhängig von den Erfolgen der Kurzzeitforschung eine zweite Entwicklungsform der Kathodenstrahltechnik ausgebildet: der Sch wac hstro moszillogra ph. Auf dem Gebiete der Nieder- und Mittelfrequenz hatten die älteren Kathodemltrahlröhren mit ihren unscharfen und lichtschwachen Brenn flecken und den Schwierigkeiten einer photographischen Niederschrift ..... Ardcnnc, KathodenstrahJrÖhrc. 1 2 Allgemeines über Kathodenst.rahlröhren. zunächst wenig Aussicht, die Konkurrenz mit den mechanischen Oszillo graphen aufzunehmen, die bereits in großer Vollkommenheit vorlagen (Schleifenoszillograph, Saitengalvanometer usw.). Nachdem es jedoch gelungen war, außerordentlich scharfe Brennflecke bei guter Helligkeit auch bei niederen Spannungen mit einfachen Mitteln herzustellen, trat eine grundlegende Änderung der Verhältnisse ein. Die Glühkathode und die Entdeckung der Selbstkonzentration in Gasen bedeuteten weg weisende Fortschritte in der Richtung zum Schwachstromoszillographen. Heute werden Schwachstrom-Kathodenstrahloszillographen als ab geschmolzene, handliche Glasentladungsrohre hergestellt, die mit ein fachsten Hilfsmitteln 7.U betreiben sintI. Die niedrige Anodenspannung - einige Hundert bis etwa 5000 V - läßt sich leicht mit kleinen Gleich richtern herstellen: die dmch die niedrige Anodenspannung bedingte hohe Empfindlichkeit ermöglicht die Untersuchung kleiner MeßHpan nungen, wie Hie in der Schwachstromtechnik auftreten, der Fortfall \'on Pumpen und Vakuumkontrollen bedeutet eine außerordentliche Erleichterung <les Arbeitens Howie eine große Vereinfachung der gesamten Anlage. Die Verbreitung der KathodcnHtrahlröhre für Niederspannung hat aUH diesem Urunde in den letzten Jahren erheblich zugenommen. 2. Grumlslitzliches über die Yerwendung stl'ahlförmiger Elektronenstri5111ung zur Aufzeichnung von Schwingungen. Die Technik des Oszillographierens mit KathodenHtrahlen beruht auf folgenden Eigenschaften der Strahlen: gradlinige Fortpflanzung, Ablenkbarkcit, DurchdringungiSvermägen. [nf/odllngsrol/m Ablenkl/ngsro(Jm ~~--------t--+-------~ + 0------1---1 (J e,r Abb. I. Hchen", cincr einfachen K"tuo,lcnstmhlrühl·c. Auf diese Erscheinungen soll an Hand der Abb. 1 eingegangen werden, die eine schematische Zeichnung einer Kathodenstrahlröhre darstellt. Gruml:-;ätzlich lassen sich drei Teile der Röhre unterscheiden: der Entladllngsranm, der Ablenkungsraum, der Aufnahmeranm.
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