Die Kathodenstrahlröhre und ihre Anwendung in der Schwachstromtechnik

408 Pages·1933·22.705 MB·German

by  Manfred von Ardenne (auth.)

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--+-------~
+
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(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.