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Ein verbessertes Ultramikrometer nach Dowling.

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G. Gustafsson. Ein verbessertes Ultramikrometer nach Dowling
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Ein verbessertes UZtramilcromcter nu& D ow t i n g
Von G o t t h a r d G u s t a f s s o n
(Mit 5 Figuren)
5 1. Einleitung. Wahrend der letzten Jahre sind verschiedene
auf der Anwendung von Elektronenrohren bemhende Apparate fur
Iiapazitatsmessungen konstruiert worden. Da jeder Kapazitatsmesser
mit einem veranderlichen Plattenkondensator gebaut werden kann,
kann er auch fur Langenrnessungen benutzt werden. Bei geniigender
Empfindlichkeit der Apparate gegenuber Kapazifatsainderungen sind
sie so als Mikrometer verwendbar. Die meisten Kapazitatsmesser
sind jedoch ziernlich kostspielig und oft auch aus konstruktiven
Griinden als Mikrometer wenig geeignet. Die einfachsten Ultramikrometer diirften wohl die sein, die auf die Dowlingsche Methode1) zuriickgehen. Bei dieser Methode werden die Kapazitatsiinderungen durch die entsprechenden ff nderungen im Anodenstrom
einer Elektronenrohrschaltung gemessen. Diese Ultramikrometer
fordern nur eine Elektronenrohre und eine ganz einfache Schaltungsausrustung und kBnnen dennoch eine relativ groBe Empfindlichkeit
und gute Reproduzierbarkcit geben. Um einen Apparat dieser Art
zu erhalten , der moglichst anwendbar ist, miissen folgende Anspruche erfullt sein:
1. Unempfindlichkeit gegen Handkapazitit. Damit diese Bedingung erfiillt ist, mussen die Kondensatoren geerdet und der StrommeBzweig vom Anodenschwingungskreise moglichst freigekoppelt sein.
2. Strommessung mit Zeigerinstrument. Dafiir ist wichtig, daB
einer geringen Xnderung der MeBkapazitat eine betriichtliche Lnderung
des Anodenstroms .la entspricht.
3. Stabilifat und Reproduzierbarkeit des Ausschlags. Die Stabilitit hangt vor allem von Schwankungen in den Heiz- und Anodenspannungen ab, doch konnen auch Temperaturschwankungen betriichtlich einwirken.
4. Geringes Gewicht und einfacher Bau.
Die ursprungliche Dowlingsche l) hnordnung (Fig. 1) war schwer
gegen Handkapazitat zu schiitzen und hatte eine geringe Empfindlichkeit, gemessen als das Verhaltnis zwischen h d e r u n g im Anoden1) J. J. D o w l i n g , Phil. Mag. (6). 46. S. 81. 1923.
33*
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Annabn der Physik. 5. Folge. Band 22. 1935
strom und Xnderung im Kapazitatswert = !!&.
AC
Diese betrug nur
0,Ol mA 1cm, weshalb ein Galvanometer fur die Strommessung angewandt werden rnuhte. Bei den spateren Apparaten derselben Art
von O b a t a l ) , E k e l o f 2 ) und Niemeyers) sind diese Nachteile mehr
oder weniger beseitigt morden.
Die oben genannten Anforderungen werden indessen besonders
weitgehend von einem Apparat erfullt, den ich unter anderem als
Nullinstrument bei einer magnetischen Waage anwende nnd der sich
dort gut bewahrt hat.
Fig. 1. Eine Dowlingsche Kopplung
mA
Fig. 2. Schaltungsschema des neuen Ultramikrometers
5 2. Beschreibung des Apparats. Die Schaltung, eine HuthKuhn-Schaltung rnit induktiver Ruckkopplung in ,,falscher" Polung,
ist in Fig. 2 angegeben. Diese ,,falsche" Polung bewirkt eine gro6ere
Empfindlichkeit ( A.laI A C ) und inacht den Apparat unempfindlicher
gegen storende h d e r u n g e n in der Gitter-Anodenkapazitat.
Die
Anodenspannung wird uber eine Drossel D und unter Nebenschaltung
eines grogen Kondensators C, von etwa lo5 cm der Rohre zugefiihrt,
1) T.O b a t a , Journ. Opt. SOC.Amer. 16. 8. 1. 1928.
2) S.E k e l S f , Journ. Opt. SOC.Amer. IS. S. 337. 1929.
3) K. N i e m e y e r , Phys. Ztschr. 31. S. 451. 1930.
G. Custafsson. Ein verbessertes Ultramikrometer nnch Dowlirtg
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wodurch der AnodenmeBzweig gegen Handkapazitat unempfindlicher
wird und die Hochfrequenzschwingungen von diesem Kreis ferngehalten werden. Der Kondensator C, von der GrQ6e etwa 2 p F
verbessert noch weiter die Unempfindlichkeit gegen Handkapazitat.
Die beiden variablen Kondensatoren Cg und C, sind geerdet und
konnen beide zu Kapazitatsmessungen dienen. I n der Gitterzuleitung
befindet sich auch ein Gitterkondensator C, mit Ableitungswiderstand R, welche Anordnung die Emp findlichkeit erhehlich vergrogert.
8 3. Die Wirkurzgsweise der Schaltung. Bei ziemlich loser
Kopplung und ausreichend verstimmten Schwingungskreisen werden
keine Schwingungen erregt, und der Anodenstrom behalt seinen
Hochstwert. Wird die Eigenfrequenz einer der beiden Kreise SO
verandert, daB die Verstimmung vermindert wird, so setzen bei einem
bestimmten Kapazitatswert Schwingungen ein , das Gitter nimmt
wegen der Schwingungen und der Krummung der Gitterstrom-Gitterspannungskurve mehr Elektronen auf und wird dadurch negativer,
was ein Abfallen im Anodenstrom verursacht. J e mehr die Eigenfrequenzen der beiden Kreise sich nahern, desto starker werden die
Schwingungen und desto niedriger wird der Anodenstrom. Wird die
Frequenz weiter in derselben Richtung geandert, so nehmen die
Schwingungen wieder ab und der Anodenstrom geht wieder auf
seinen Hochstwert zuriick (Fig. 4). Die Form der Kurve erinnert
an eine ,,inverse" Resonanzkurve. Die Schwingungen setzen bei
richtig angepaBten Bedingungen ganz weich ein, die Neigung der
Kurve wird dann steiler und geht in einem engen Bereiche geradlinig, urn danach flacher werdend zu Null abzunehmen (Fig. 3). Die
beiden Zweige der vollstandigen Kurve sind ganz Bhnlich, nur von
verschiedener Steilheit. Man kann durch Xnderung des Kopplungsgrades diese Steilheit beliebig verandern und zwar wird die Steilheit vermindert, wenn der Kopplungsgrad vergrogert wird, und umgekehrt. Das weiche Einsetzen der Schwingungen ist besonders
wichtig, wenn man bei hohen Empfindlichkeiten oder gar bei sprunghafter Xnderung des Ausschlages arbeiten will, weil man dann sicher
sein kann, daB schon vor dem Erreichen der Sprungstelle Schwingungen vorhanden waren und da6 das Springen also nicht durch
auI3ere zufallige Einflusse ausgelost wird. Durch das ,,Invertieren"
der ,,Resonanzkurve" wird auBer der gesteigerten Empfindlichkeit
erreicht, daS Schwankungen in der Anodenspannung nicht so stark
auf den Ausschlag des Anodenstrommessers einwirken. Denn eine
ErhGhung der Anodenspannung vergroBert den Anodenstrom, verstarkt jedoch auch die Schwingungen, was in diesem Falle eine Abnahme des Anodenstroms verursacht.
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Annalen der Physik. 5. Folge. Band 22. 1935
Will man den Gitterkreis fur Messungen anwenden, so stellt
man den Bnodenkreiskondensator C, auf einen so niedrigen Wert
ein, daR die Eigenfrequenz des Anodenkreises hoher liegt als die
des Gitterkreises und arbeitet am besten auf dem Zweige der !!inversen Resonanzkurve(', der der gr6Bten Gitterkreiskapazitat entspricht, weil man dann weniger von der Dampfung des Gitterkreises
ahhaingig wird. Die erregte Frequenz liegt hoher als die hijchste
Eigenfrequenz der beiden Kreise und wird in diesem Falle hauptsiichlich von der Eigenfrequenz des Anodenkreises bestimmt. Die
Schwingungsamplitude ist dagegen in diesem Falle stark von der
Eigenfrequenz des Gitterkreises (und von der Dampfung des Anodenkreises) abhangig. Die Ia-Cg-Kurven sind keineswegs richtige Resonanzkurven. Sie konnen namlich vollkommen durchlaufen werden? ohne
dab dabei die Eigenfrequenz des Gitterkreises auch nur an die cles
Anodenkreises herankommt.
Fordert man eine groBe Genauigkeit der Messung gleichzeitig
iriit einem grogen MeDbereich? so wendet man am besten ein groBes
Fig. 3.
MeWbereicli der ,,ResonanzkurveL' mit dem Rohre T u n g s r a m P 460
Elektroneiirohr (z. B. T u n g s r a m P 4601 an und kompensiert
den Anodenstrom. Man kann indessen auch ohne Kompensieren
arbeiten, wenn man ein kleineres Rohr (z. I). Philips L3 405. Telefunken RE 134) und ein Amperemeter mit einem MeBbereich von
maximal etwa 2 mA anwendet. Mit dem Rohre P 460 und Kompensieren des Anodenstromes habe ich bei einer Empfindlichkeit
yon 20 mA/cm gut arbeiten kiinnen. Fig. 3 gibt einige MeDresultate
dieser Anordnung wieder. Die Wellenliinge war dabei etwa 400m
und die Anodenspnnnung etwa 40 Volt. Mit der letzteren Anordnung
(Telefunken RE 134) habe ich die Kurven der Figg. 4 und 5 erhalten.
Fig. 4 gibt die Anderung des Anodenstromes als Funktion der Gitter-
G. Gustafsson. Ein verbessertes Ultramikrometer nach Dowling
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kapazitat Cg bei drei verschiedenen Kopplungsgraden an, wo Kurve 1
der starksten und Iiurve 3 der schwachsten Kopplung entspricht.
I n Fig. 5 sind die in Fig. 4 mit den entsprechenden Buchstaben
hezeichneten Teile der Kurven eingezeichnet, die durch Messen niit
Q2RE134
I
I
I
I
,
einem kleinen parallelgeschalteten Plattenkondensator aufgenommen
sind. Aus den Iiurven 3 a und 3b sehen wir, daB die Steilheit mit
dem Anodenstrom zmimmt, um bei noch hoherem Anodenstrom
unendlich zu werden. Doch geht die Iiurve nicht sofort auf den
Hochstwert des Anodenstroms hinauf, sondern biegt kurz vor dem
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Annalen der Physik, 5. Folge. Band 22. 1935
Erreichen dieses Werts weich ab. Man kann dieses weiche Bereich
gr6Ber machen durch Erniedrigung der Anodenspannung, VergroBerung des Gitterkondensators C, und Verkleinerung des Gitterableitwiderstandes R (vgl. Fig. 3).
Beim Arbeiten auf der Kurve 3b habe ich eine Empfindlichkeit von 7,2 mA/cm erhalten, wobei keine Unstabilitat des Ausschlages wahrnehmbar war. Das Xriecben des Ausschlages war dahei kleiner als 3 lo-' mA/Min. und eine reproduzierbare Einstellung
der Kapazitat konnte mit einem Fehler kleiner als 3 .
cm erhalten werden. Da die Kapazitat 501)cm war, so entspricht diesem
-
Fehler ein -A-cC~- = 6 .
und bei einem Ahstand zwischen den
Kondensatorplatten des Ultramikrometers von
cm entspricht
cm.
dies einer Genauigkeit der Langenmessung von 6 .
Bei einer noch schwiicheren Kopplung habe ich die Kurve 4
der Fig. 5 erhalten, die eine Empfindlichkeit von 36 mAlcm gibt.
Der Ausschlag war dabei langere Zeit reproduzierbar innerhalb
weniger als 2
-
mA, was einem
keit der Langenmessung von
AC
C
__ =
lo-' und einer Genauig-
cm entspricht.
Es sei mir gestattet, Herm Prof. G. B o r e l i u s fur sein reges
Interesse an dieser meiner Arbeit meinen besten Dank auszusprechen.
Fur wertvolle Hilfe bei dem Manuskript habe ich Herrn Dr. R. S c h n u r m a n n herzlich zu danken.
S t o c k h o 1m, Physikalisches Institut der Technischen Hochschule, Januar 1935.
(Eingegangen 26. Januar 1936)
T ' e r a n t w o r t l i c h : fur die Bedaktion: Prof. Dr. E. Gruneiscn, Marhurg/L.; fur Anzeigcn:
Rernhard v. Ammon, Leipzig. - Anzeigenannahme: Leipzig C 1, Salomonstr. 18 B, Tel. 708 61. Verldg: Johann Ambrosius Barth. - Drnck: Metzger & Wittig, Leipzig C 1. - DA. 1100 IV. Vj. 1934. Printed in Germany.
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