Nederlands Radiogenootschap

Tijdschrift van het

Nederlands Radiogenootschap

DEEL XVIII No. 5/6

NOVEMBER 1953

H ejntjdjrik. A n t o o n JLoflejsttz 18S3 - 1928

254

Balth. v. d. Pol

H* A* Lorentz and the bearing of his work on electromagnetic telecommunication3) by Balth. v. d. P o l*2) The purpose of this paper, published in the cen ten ary y e a r of L o r e n t z ’s b irth (18 July 1853) is to d raw a tte n tio n ’to L o r e n t z ’s p erso n ality and achievem ents and to the bearing of his w ork on the th e o ry of electrom agnetic telecom m unication. W ith one g re a t exception, L o r e n t z never tack led an y d irect­ ly technical problem . H is w ork concerned th eo retical physics, and as such has m any applications to electrom agnetic telecom ­ m unication. M oreo v er much of it is so classical th a t, in m odern tim es, one is a p t to fo rg et th a t he w as the o rig in ato r of seve­ ra l ideas w hich are of daily use in our com m unication technique. W h e n glancing over the long list of his publications, one is stru ck by the fact th a t he fertilized n ea rly all those p a rts of th eo retical physica, w hich in his lifetim e, had reached a certain sta te of provisional m atu rity enabling them to be w orked out theo retically . Thus w e find m any fundam ental contributions from his pen in th eo retical m echanics, therm o-dynam ics, h y d ro d y n a ­ mics, kinetic th eo ry , th e o ry of solid bodies, light, heat, and general w ave pro p ag atio n . B ut p erh ap s his main w o rk concern­ ed the electrom agnetic field, the th eo ry of electrons and relav ity th eo ry . L o r e n t z , how ever, lived in an age w hich saw the begin­ nings of the quantum th e o ry enunciated b y M a x P l a n c k and the new th e o ry of the atom ela b o ra te d by N i e l s B o h r . A1 though he w as w orking w ithin the fram ew ork of classical physics and both these theories w ere in violent c o n tra st to classical view s, L o r e n t z w as one of the first to g rasp th eir far-reaching im portance and to realise the profound bearing th ey w ere des­ tined to have on the future of th eo retical physics. I t w as his reg u lar custom to com m unicate and expound these new ideas to his pupils in his fam ous lectures on M o n d ay m or­ nings a t 11 o’clock a t L eiden U n iv ersity . T hese lectures w ere of an exceptionally b rillian t n atu re and th eir clarity proved his com plete m astery of his subject. Am ong the audience in his sm all a) R e p rin t from the Jo u rn al o f the I.T .U . 2) D ire c to r C .C .I.R . G eneva.

H. A. Lorentz

255

lecture room o th er g re a t physicists of his tim e, such as E h r e n f e s t, E i n s t e i n and m any m ore w ere often present. A fter expounding the view s of the originators of some new theories in these lectu res, he w ould often go on to point out the subtleties of the ideas or an y slight inadequacy in the a r ­ gum ents used. A nd then, to use his ow n w o rds, he w ould ,,turn the subject round and round and over and over Thus he often w as able to shed on it some new light of his ow n. In the next lecture he w ould usually go on w ith the subject and h a rd ly an y b o d y ‘am ong the audience becam e a w a re of the fact th a t all w hich follow ed w as his ow n creative w o rk often p rep a red only a few d ay s before. T ypical of L o r e n t z ’s genius w as the g re a t ease w ith w hich he cou id m aster physical subjects, even those, or p a rtic u la rly th ose, w hich in his tim e, belonged to the m ost difficult p a rt of th eo retical physics. The unique gift is clearly show n in the w a y in w hich he used to re a d scientific articles w hich his studen ts occasionally subm itted to him for criticism before publication. The quickest w a y for him to respond to such a req u est w as as fo llo w s: first he read the beginning of the p ap er, w here the th eo retical problem w as expounded; next, he took a piece of p a p e r and solved the problem him self; then he looked a t the end of the article and if the solution w as the sam e as his own he w as fairly sure th a t the reasoning w as sound. H is v ery g reat gift of elucidating com plicated physical p ro ­ blem s is also exem plified b y the w a y in w hich he often re s­ ponded to scientific questions p u t to him by his colleagues or pupils. In stead of answ ering them directly , it w as his h ab it to re p e a t the question in such a sh arp and concise form th a t the an sw e r a t once becam e evident. A t the beginning of this cen tu ry L o r e n t z w as universally reg ard ed as the leading th eo retical p h y sicist of his time. N o w o nder th a t he w as the C hairm an „p ar excellence” of several in tern atio n al scientific congresses. A p a rt from his D utch m other tongue, he com pletely m astered English, F rench and G erm an. A ch aracteristic featu re of his chairm anship w as th a t freq u en tly a lte r listening to a com plicated scientific contrib ution b y one of the m em bers of the congress, he w ould sum m arise w h a t had been said in such a b rillian t and concise w a y th a t only at th a t moment did the subject become clear to the audience, including perh ap s the v ery m em ber w ho had m ade the contribution. L o r e n t z w as much adm ired b y all g re a t physicists of his

'256

Balth. v. d. Pol

tim e not only for his scientific achievem ents b u t also for his hum an qualities, especially his extrem e honest 3r and m odesty. I am allow ed to quote here from an unpublished trib u te to L o r e n t z w hich A l b e r t E i n s t e i n w rote, a few w eeks ago, on th e occasion of the cen ten ary of L o r e n t z ’s b irth : „1 often had an o p p o rtu n ity to a tte n d H . A. L o r e n t z ' s lectures, wich he reg u larly gave to a sm all circle of younger colleagues, a fte r his retirem en t from his general p ro fesso r­ ship. E v ery th in g th a t em anated from this suprem ely g re a t mi nd w as as clear and beau tifu l as a good w o rk of a r t; and one had the im pression th a t it all came out so easily and effortlessly, as I have never experienced it from anyone else.” „ If w e younger ones had know n H . A. L o r e n t z only as a g re a t lum inary, our adm iration and veneration for him w ould a lre a d y have been of an extrem ely special kind. B ut w h a t I feel w hen I think of H . A. L o r e n t z is not covered by a long w a y b y th a t veneration alone. F o r me personally, he m eant m ore th an all the others I have m et on m y life's jo u rn e y ” . L o r e n t z ' s w o rk and its bearing on the theorie of electro ­ m agnetic telecom m unication d ate back to his d o cto ra te thesis w hich he w ro te a t the age of 22. The subject is the th eo ry of the reflection and refractio n of light from the point of view of M a x w e 11's equations. M a x w e 11 had show n th a t his equ a­ tions proved the electric n atu re of light w aves. H o w ever, a t the tim e L o r e n t z w ro te his thesis (1875) th ere w ere still several com peting theories. L o r e n t z definitely concludes th a t: „ O n the basis of research es on the reflection and re fra c ­ tion of light, M a x w e l l ’s th eo ry is to be p re fe rre d ” . T he form ulae deduced there, a t a tim e w hen th ere w as no radio, from the basis of all subsequent w o rk in radio on the reflec­ tion and refractio n of electrom agnetic w aves, for instance b y the earth . L o r e n t z concludes his thesis w ith the follow ing sentence : „ F a r from having tak en final shape, M a x w e l l ' s th e o ry still requires the elucidation of m any obscure points of

H. A. Lorentz

257

w hich only a quite inadequate explanation can be given a t the p resen t time. B ut one of the interesting aspects of an y progress w e m ake in our know ledge of n atu re is the fact th a t it clearly show s w h a t rem ains to be achieved and points out the direction th a t should be tak en by fu ture research if it is to be successful.” These sentences, w hich are of a visionary n atu re, and w hich w ere w ritte n a t the age of 2 2 , contain the germ of m ost of his la te r w o rk on the th eo ry of electrom agnetism . The main difficulty actu ally left b y M a x w e l l w as the im­ possibility of explaining on the basis of his th eo ry light sp ectra such as those em itted b y several chem ical substances. I t is here th a t L o r e n t z p e n e tra te d the problem and tried to clarify m atters. In M a x w e l l ’s time, w h a t w e now call the dielectric co n stan t and m agnetic perm eability w ere reg ard ed as overall p ro p erties of m a tte r th a t could be m easured statica lly or w ith slow ly varying fields. B ut no insight into the reason w hy diffe­ re n t substances show ed different con stants w as available and w hy these „co n stan ts” varied so much w ith the frequency of the jw aves. It is here th a t L o r e n t z p o stu lated as ea rly as 1878 the idea th a t the pro p ag atio n of electrom agnetic w aves through ponderable m a tte r w as governed b y sm all electrically charged particles in the substances. L o r e n t z subsequently w orked out this fundam ental idea in all its d etails and thus created the theory o f electrojis. H e did this originally w ith a view to a b e tte r understan ding of how sh o rt light-w aves are p ro p ag ated through ponderable m atter. H o w ever, these th eo re­ tical results also clarified m any p ro p erties of longer electrom ag­ netic w aves such as are n o w ad ay s used in radio com m unica­ tion. F o r instance, the forces in an electrom agnetic field acting on electrons, and th erefo re th eir m ontions, w ere fully w orked out and cry stallised in a set of m athem atical equations w hich can be considered to be a developm ent and elab o ratio n of M a x w e 11 s equations : e.g. the force acting on an electron moving in a con­ sta n t m agnetic field could be calculated. These form ulae still form the basis of the w orking of m odern m agnetrons as used in ra d a r and o th er sh o rt w ave com m unications; and also of m odern cyclotrons w hich are used extensively for nuclear research. The idea th a t the m ass of an electron is p a rtia lly or w holly of an electrom agnetic n atu re w as also elab o rated by L o r e n t z .

258

Balth. v. d. Pol

In L eiden in O c to b e r 1896, Z e e m a n published the resu lts of his experim ents. H e placed a light source, such as a sodium flame, in a strong m agnetic field and found th a t the spectrum lines w ere slightly b ro ad en ed or displaced, show ing th a t the frequency of the em itted light had changed slightly on account of the presence of the m agnetic field. A t the time of Z e e m a n ' s discovery, L o r e n t z had a lre a d y com pletely developed his th e o ry of electrons. Thus w ith the aid of his th eo ry L o r e n t z could a t once deduce from Z e e m a n ' s experim ents the ra tio e/m betw een the charge and the m ass of the electrons vib ratin g in the sodium flame. This ra tio w as found to be of the o rd er of IO7 in C .G .S . units. H e could also predict the sta te of po larisatio n of the em itted light w hich Z e e m a n im m ediately found confirm ed. In O c to b e r 1897, an o th er g re a t physicist, S ir J. J. T h o m s o n , in C am bridge, E ngland, published the findings of his experim ents w here he reflected elem en tary p articles produced in discharge tubes w ith the aid of electric and m agnetic fields; in this w ay he also obtained num erical values for the ratio of the m ass and the charge of his particles. The fact th a t the ratio ejm found b y J. J. T h o m s o n w as not fa r from the sim ilar ratio w hich L o r e n t z ' s th e o ry could deduce from Z e e m a n ' s experim ent show ed th a t these particles w ere p ro b a b ly identical in the tw o w idely divergent experim ents. Thus the electron w as born. I t can th erefo re be said th a t the electron w as indepen d ently invented b y L o r e n t z in L eiden and discovered by J. J. T h o m ­ s o n in C am bridge. A ll th ree physicists, Z e e m a n , L o r e n t z and T h o m s o n w ere, a few y e a rs later, honoured w ith the N o b el prize. The p ie se n t au th o r is p erh ap s the only living phy sicist w ho had the g re a t privilege of w orking w ith both J. J. T h o m s o n (from 1917 to 1919) in C am bridge and w ith H . A. L o r e n t z (1919— 1922) in H aarlem . I t w ould be v ery tem pting to com pare here the w idely divergent personalities of these tw o g re a t scientists. T h o m s o n , on the one hand, designed his new expe­ rim ents. I think, a fter an im pulsive flash of inspiration. L o r e n t z , on the o th er hand, usually pondered long over his new id eas and th eir th eo retical im plications and he w as only en tirely satisfied if he could tre a t them from different asp ects and use different m ethods all yielding the sam e result. O f course, along both lines, im portent progress m ay be achieved in science. Th ere are several outcom es of L o r e n t z s electron th eo ry

H. A. Lorentz

259

w hich have a d irect bearing on m odern radio technique. H e show ed in d etail how to calculate the w aves em itted from a harm onically oscillating electron free in space. The solution of this problem com pletely coincided w ith the th eo ry w hich H e r t z developed for an oscillating dipole, the cu rren t H e r t z ' s dipole being equivalent, according to L o r e n t z s th eo ry of electrons, to the produ ct of the charge of the electron and its speed. In both cases the sam e rad iatio n resistan ce is obtained. I t need h a rd ly be sta te d here th a t this th eo ry is a t the base of all m odern calculations of ratio n from antennae. T here are tw o o th er p a rts of L o r e n t z s electron th eo ry w hich h ave a bearing on (a) the m odern th e o ry of the ionos­ phere, and (b) the atm osphere of the earth . W h e n ponderable m a tte r is brought into an electric field, if w e w ish to calculate the local electric field n ear one m olecule, L o r e n t z show ed th a t, in general, w e also have to tak e into account the influence on this local field of the polarization of the neighbouring m ole­ cules. Thus he introduced a fam ous m athem atical term in his th eo ry oi polarization. This term is, no doubt, needed in the case of cry stals. H o w ever, la te r on, it w as felt doubtful w h eth er this term had also to be considered in the field produced by electrom agnetic w aves in the ionosphere. Thus in the physical lite ra tu re betw een 1929 and 193d extensive discussions took place ab o u t the necessity of introducing this term into the th eo ry of the ionosphere. The la te st conclusion (C . G. D a r w i n ) is th a t this is not the case in view of the physical circum stances in the ionosphere. O n the o th er hand, L o r e n t z s th eo ry of polarization does enable us to calculate the dielectric con stant of a m ixture of gases w hen th eir densities and dielectric con­ sta n ts are know n. A specific case is the atm osphere of the e a rth containing oxygen, nitrogen, and w a te r vapour. H ere L o r e n t z ’s th eo ry should be applied and it is a t the base of m odern research on the p ro p ag atio n of w aves through the low er atm osphere. A gain, in 1892, L o r e n t z introduced „ re ta rd e d p o ten tials" w hich form the th eo retical asp ect of the fact th a t electrom agne­ tic w aves are p ro p a g ated w ith the velocity of light. In the m odern th eo ry of the L aplace tran sfo rm these re ta rd e d p o ten ­ tials a p p e a r quite n a tu ra lly in the form of a „com position p rodu ct . W e also find in L o ren tz's w o rks a clear and sh arp s ta te ­ m ent of the follow ing recip ro city theorem for lin ear sy stem s1) : l) H . A. L o r e n t z , P ro c. A cad. A m sterd am 7, 401, 1905.

260

Balth. v. d. Pol „If an electrom otive action applied a t a point P in the direction h produces in a point P' a cu rren t w hose com po­ nent in an a rb itra rily chosen direction h' has the am plitude fx and the phase v, an equal electrom otive action taking place a t the point P in the direction h' w ill produce a cu rren t in P , w hose com ponent in the direction h has exactly the sam e am plitude /x and the sam e phase v."

This theorem is of a v ery w ide generality. I t has been a p ­ plied w ith much success in practice for finding the optim um site of a radio tra n sm itte r to ensure th a t a t tw o points, w here it is difficult to provide a good service, optim um conditions m ay be obtained. This certain ly is the place to re fe r to one of L o r e n t z s la te st p ap ers w here he develops a generalisation of a little know n rem ark, also of v ery general valid ity, by O l i v e r H e a v i s i d e 2, concerning electric n etw o rk s. As I had occasion to conclude from m any p ersonal conversations, L o r e n t z had a g re a t adm iration for the w o rk of H e a v i s i d e . H e a v i s i d e ’s theorem can be w o rd ed as fo llo w s: ,,G iven a co n stan t passive n etw o rk a t rest. If a t tim e t = O suddenly a co n stan t E .M .F . is applied to the netw o rk, in general tran sien ts w ill occur. A fte r a long tim e, say ^ — A * the tra n sie n ts m ay be considered to have died dow n and a d irect cu rren t only w ill in general be p resen t in the netw ork. This d irect cu rren t (if th ere is any) w ill cause a J o u l e a n h e a t dissipation a t a co n stan t ra te p er second. If w e call W the „pseudo h ea t d issip atio n ” which w ould have occurred if the constant, final, cu rren t had been p re ­ sent all the tim e from t — O to t = t 1, H e a v i s i d e s rem ark is to the effect, th a t, w hen the ste a d y sta te has been reached, the to ta l am ount of w o rk A. done by the E.A1.F. exceeds the ,,pseudo h ea t d issip atio n ” (if th ere is any) by tw ice the excess of the electric energy U over the m agnetic energy T t or: ' A - W ' = 2 (U - T ) r A rem arkab le consequence of this rem ark ab le theorem is th a t a condenser can be charged from a D .C . source w ith an effi­ ciency of 50°/0 only. A s stated , L o r e n t z generalised this al0 O . H e a v i s i d e , E le ctrical P a p e rs, II, 412 (L o n d o n , 1892).

H. A. Lorentz

261

re a d y general theorem of H e a v i s i d e so th a t it also becam e applicable to electrical system s w ith d istrib u ted capacitances and inductances. I t is fu rth e r of in te re st to note th a t in this pap er, L o r e n t z introduced im pressed electric as w ell as im­ p ressed magnetic forces into the M a x w e l l i a n equations. In o rd in ary circuit th e o ry th ey correspond to an electrom otive force and a cu rren t source respectively. This sum m ary of a p a rt only of L o r e n t z ’s w o rk wou Id be incom plete w ith out m entioning his im p o rtan t and v ery funda­ m ental contribution to the special th eo ry of relativ ity . A ll through his life he w as g re a tly concerned w ith the problem of how light or o th er electrom agnetic w aves are p ro p a g ated through a medium which is not a t rest. T heir behaviour is fa r different from, say, th a t of sou nd w aves p ro p a g ated through air in motion. The sound is p ro p ag ated fa ste r w ith the w ind th an ag ain st the w ind. B y analogy it could, therefore, be expected th a t a beam oi light w ould trav el fa ste r in the direction of the m otion of the e a rth th an against the m otion of the earth . W h a t could be expected can be exem plified by the follow ing experim ent. Suppose w e have a stra ig h t river. A ship, w hich develops a co n stan t speed relativ e to the w a ter, first goes from a to b dozvn-strcam and, w hen arriv ed a t b, it a t once tu rn s round and goes back up­ stream to a. It is sim ple to calculate th a t in such an ex peri­ m ent the d uratio n of the to ta l voyage w ill be influenced by the velocity of the stream . In fact it w ill tak e longer for the ship to make its up and dow n voyage w hen the riv er is flowing th an w hen the w a te r is sta tio n a ry , because the period during w hich the ship loses tim e is som ew hat longer th an the period during which it gains time. W h e n the velocity of the riv er is g re a te r th an the speed of the ship relativ e to the w a te r, then the ship w ill never re tu rn a t all. In exactly the sam e w ay , the speed of light, it w as thought, w ould be influenced b y the m otion of the e a rth through the ether, and it w as for this reason th a t M i c h e l s o n and M o r l e y in C hicago carried out an experim ent (1887) to te s t this h y p o ­ thesis. The experim ent w as v ery delicate to perform and in o rd er to p rev en t m echanical vibrations disturbing the a p p a ra tu s, w hile the actu al m easurem ents w ere being m ade, all stre e t cars in C hicago stopped for a w hile. The outcom e of the experi­ m ent w as m ost surprising: no difference in the speed of light in the tw o directions could be observed. L o r e n t z a t once tack led the problem th eo retically and the only conclusion he

262

Balth. v. d. Pol

could arriv e a t w as the bald one viz, th a t all m a tte r moving w ith high velocity is slightly co n tracted in the direction of its . m otion. Thus the length of the m easuring a p p a ra tu s in the ex­ perim ent also becam e som ew hat sm aller ju st in the rig h t p ro ­ portion to cancel ex actly the increased travelling time. This now fam ous L o r e n t z con traction had also been independ ently suggested b y F i t z g e r a l d . But L o r e n t z w en t fu rth er. H e p o stu lated th a t all observable effects in a la b o ra to ry should be the sam e w h eth er the la b o ra to ry is a t re st or is, as a w hole, moving w ith co n stan t velocity through the ether. This led him to the fam ous L o r e n t z tran sfo rm atio n , a set of m athem atical equations w hich are a t the basis of the,w hole th e o ry of relativ ity . M i n k o w s k y la te r on show ed th a t the in te rp re ta tio n of these equations w as simplified if tim e is considered as an im a­ ginary fourth dim ension in our th ree dim ensional w orld. T hen the L o r e n t z tran sfo rm atio n could sim ply be in te rp re te d as a ro ta tio n of the four dim ensional system . S h o rtly a fte r L o r e n t z had given his L o r e n t z tra n sfo rm a ­ tion, E i n s t e i n independ ently found the sam e equations. E i n s t e i n generalized them even fu rth er, m aking them ap p li­ cable also to system s moving w ith a variab le speed, w h ereas L o r e n t z originally considered system s moving w ith a co n stan t speed only. 1 need not quote here all the consequences of the th eo ry of relativ ity , w hich en tirely pervades th eo retical physics. From this th eo ry it follow s, for instance, th a t the velocity of the radio w aves em itted b y an aeroplane, m easured on the earth , is the sam e in the direction of fligt as ag ain st it (although m odern technique w ould v ery w ell be able to m easure the D o p p ler effect of these w aves). I t also follow s from the th e o ry ol re la ti­ vity th a t, although aerop lanes m ay b reak the sound b arrier, a light b a rrie r w ill never be reached. E i n s t e i n p o stu lated spe­ cifically th a t in no circum stances can an y velocity relativ e to the e th e r be m easured. This induced him to abolish the eth e r alto g eth er. L orentz how ever p referred to m aintain the idea of the e th e r because he considered it helpful in visualising w ave m otions through it. A s sta te d in the beginning of this survey, th ere w as only one case w here L o r e n t z directly tack led a technical problem . It w as w hen he w as ask ed b y the D utch G overnm ent to in-

H. A. Lorentz

263

vestigate the effects on the w a te r m ovem ents in the Z u id er Z ee if a dyke w ere constructed across its no rth ern p a rt w ith a view to draining it and thus gaining m ore land lo r the country. H ere again he did not rely on an y em pirical hydro-technical law s b u t investig ated the problem ab initio. The findings of a sm all governm ental com m ittee under his chairm anship w ere such th a t the large u n d ertak in g of draining a considerable p a rt of the Z u id er Z ee could be sta rte d on the basis of L o r e n t z ' s cal­ culations. S h o rtly before his death, on a special trip around the Z u id er Z ee, he w as able to verify th a t his th eo retical p re­ dictions w ere fully confirm ed experim entally. I t is also due to these calculations th a t, during the recen t floods in H olland, a large p a rt of the country, including the cap ital A m sterdam , w as saved from even g re a te r d isaster. In these calculations he had to tak e the frictional forces of the w a te r as p ro p o rtio n al to the square of the velocity, so th a t his differential equations becam e nonlinear w ith all the com pli­ cations involved. H e solved the difficulty by introducing linear resistan ce term s of such a m agnitude th a t the to ta l dissipation during one period of the oscillation and for the given am plitu­ de rem ained ap p ro x im ately the sam e. Sim ilar m athem atical m ethods are now also being used in nonlinear m echanics and in the th eo ry of nonlinear electrical circuits, w hich m ay contain triodes, tra n isto rs or o th er nonlinear circuit elem ents. L o r e n t z , as a rule, disliked to give his view on philoso­ phical problem s outside his ow n dom ain of th eo retical physics, in w hich he w as one of the g re a te st geniuses. H e w as convinced th a t real progress in science is not achieved in in tern atio n al congresses b u t ra th e r by the efforts of an individual in the loneliness of his stu d y or his la b o ra to ry . In this connection, I m ay quote the follow ing opening speech w hich L o r e n t z m ade in O c to b e r 1911 to the first „C onseil de P hysique S o lv ay ” w here discussions took place on the aspects of the then still new and m ysterious quantum theo ry . H e said : „ W h a t w ill be the outcom e of this assem bly? I w ould not venture to say, as I do not know w h a t surprises are in store fo r us. B ut since it is w iser n o t to rely on such surprises, I consider it highly probable th a t w e shall con­ trib u te b u t little to im m ediate progress. P rogress in science

264

Balth. v. d. Pol is achieved m ore b y individual effort then b y the reflec­ tions of a congress or council and it is even quite possible th a t, w hile w e are discussing a problem , some lonely scien­ tist som ew here in the w o rld is finding its s o lu tio n /'1)

A fte r a shot illness, L o r e n t z died on F e b ru a ry 4th, 1928. A t his grave P. E h r e n f e s t said : „R ead the w ritings of L o r e n t z , re a d his textbooks and the image of a w orkroom rises before our eyes, a room w ith high w indow s through w ich a stim ulating m orning sun shines, and the m aster, w ho w orks there, uses his tools w ith g re a t love. Fie p refers the sim plest tool w hich is m ost suited for the aim in view , b u t also v ery ra re and fine precision instrum ents are available arran g ed in nice o rd er and re a d y to be used; and everything is shining from the use of y e a rs and y ea rs. „A nd because the m aster show s us w ith so much devovotion w hich of his tools he got from C h r i s t i a a n H u y g e n s and w hich from F r e s n e l and w hich from o th er m asters, w e feel sure th a t m any others of his ingenious tools he m ust have invented and con structed him self; b u t he doesn t tell us, the m aster. The m aster in his room full of sun. The m aster w ith his d ark eyes and his fine signi­ ficant sm ile/' A lthough during the la st tw enty-five y e a rs physics has m ade enorm ous strides, opening up m any new avenues, L o r e n t z ' s w o rk w ill rem ain for all tim es a m asterpiece of classical p h y ­ sics, much of w hich is still being applied d aily in various branches of m odern electrom agnetic telecom m unication technique.

9 L o u i s d e B r o g l i e : N o tice su r la vie et l’oeuv re de H e n d r i k A n t o o n L o r e n t z , (L e c tu re faite en la séance an n u elle des prix, du 10 décem bre, 1951) A cadém ie des S ciences (P a ris ).

265

Deel X V III N o 5/6, Nov, 1953

Magnetische en diëlectrische rekenmachine-elementen door F. van Tongerloo 1) V oordracht gehouden voor het N ederlands R adiogenootschap op 24 Juli 1953.

SUMMARY In this article a su rv e y is given o f the possibilities to use m agnetic an d d ielectric m aterials w ith a „ re c ta n g u la r h y steresis loop. T he first p a rt d eals w ith c irc u itry d ep en d in g on a good ratio rem an en ce to sa tu ra tio n an d the second p a rt d escrib es c irc u itry fo r w hich the „sq u aren ess ratio is o f im p o rtan ce. T he article co n tain s no n ew developm ents.

G edurende de la a tste ja re n zijn bij het onderzoek van m ag­ netische en diëlectrische m aterialen enkele m erkw aardige eigen­ schappen aan het licht gekom en. D o o r geschikte behandelingen van ferrom agnetische en ferroelectrische m aterialen is h et mogelijk h y steresisk arak teristieken te verkrijgen w elke practisch rechthoekig zijn (fig. 1 ). H e t verschil tussen rem anentie en verzadiging is klein, de verhouding van rem anentie to t verzadiging kan 0,9 bedragen, terw ijl de grootte van de co ercitielk rach t voor verschil­ lende m aterialen in een w ijd gebied kan variëren. H y ste re sis k a ra k te ristie k , voor een m ag n etisch m ateriaal f ( I ) en voor een d ielectrisch m a teriaal

D — f (F) of Q = f ( V).

9 N a tu u rk u n d ig L a b o ra to riu m E in d h o v e n -N e d e rla n d .

T al van onderzoekers hebben schakelingen bedacht, w a a r­ mee een nuttig gebruik van deze rem anentie w o rd t gem aakt. In h et volgende zullen enige van deze schakelingen N . V . P h ilip s’ G lo eilam p en fab riek en

266

F. van Tongerloo

w orden behandeld, zonder hierbij n a a r volledigheid te streven. A ls eerste toepassing kom t in aanm erking het geheugenelem ent. W o rd t het m ateriaal positief to t punt A geëxciteerd (fig. 1 ) en de excitatie d a a rn a w eggenom en dan zal h et m ateriaal via de positieve verzadiging teru g kom en in het positieve rem anentiepunt. H e t m ateriaal is blijk b aar in s ta a t zijn voorgeschiede­ nis te onthouden. D a a r er tw ee rem anentiepunten zijn, ligt het voor de hand het geheugenelem ent in het binaire stelsel te ge­ bruiken. H e t binaire stelsel k en t alleen de cijfers I en O en dienovereenkom stig w o rd t het bovenste rem anentiepunt als „ i” en het onderste als „o” aangeduid. Ken practische schakeling m et een m agnetisch m ateriaal is in fig . 2 aangegeven1). D e getekende kernen zijn in w erkelijk­ heid gesloten ringkernen, terw ijl u iterste zorg m oet w o rden b e­ steed om luchtspleten te voor­ kom en. D e aangegeven verschuivingsim pulsen w elke dienen om kern 1 gekoppelde kern 2 de inform atie van kern to t kern te v erp laatsen , w orden na e lk a a r aangelegd en zijn steeds n eg a­ tief. D e schakeling w e rk t nu als volgt. E e rst w o rd t m et de ingangsw ikkeling de inform atie in kern I opgeslagen w aarb ij er voor gezorgd m oet w orden d at Fig. 2. kern 2 in zijn begintoestand, d a t B in aire geheugeneenheid m et is stan d „o”, blijft staan . K ern één o v e rd ra c h tsw ik k e lin g I s ta a t dan in „ i ” of in „o” . O m nu te bepalen, w elke infor­ m atie is opgeslagen, w o rd t de eerste negatieve verschuivingsim puls aangelegd. S ta a t kern I in „o” dan w o rd t een flux d o o r­ lopen van „o” to t a en teru g n a a r „o” . D e fluxverandering is gering en de geïnduceerde spanning in de gekoppelde w ikkeling is zo klein, d a t practisch geen stroom door deze w indingen loopt. D e in de uitgangsw ikkeling van kern 2 geïnduceerde spanning is practisch nul. D o o rd a t k ern 2 al in „o” s ta a t en zijn rem an en tieto estan d niet kan v eran d eren is de inform atie als h et w are van kern I n a a r k ern 2 overgedragen. S ta a t d a a r­ entegen k ern I in „ i ” dan d o o rlo opt de flux van k ern I bij het aanleggen van de verschuivingsim puls de w eg ,, I en de hier-

267

Magnetische en diëlectrische rekenmachine-elementen

door in de gekoppelde w ikkeling geïnduceerde spanning is dan zo groot, d a t de hieruit voortvloeiende stroom kern 2 n a a r „I m agnetiseert. D aarb ij d o o rlo opt de flux van kern 2 de w eg en induceert op de uitgangsw ikkeling een grote nega­ tieve spanning, in overeenstem m ing m et de aangegeven w ikkelzin. O ok nu is de inform atie van kern I n a a r kern 2 overge­ dragen, m aar de inform atie van kern I is verloren gegaan. K ern I kom t na de eerste verschuivingsim puls altijd in stan d „O terug. V ergeleken m et de begintoestand is de inform atie van de beide kernen gew isseld en om de begintoestand te herstellen w o rd t de tw eede negatieve verschuivingsim puls aangelegd, w a a r­ bij de o v erd rach t in om gekeerde zin verloopt. V o o r het af lezen van h et geheugen zijn tw ee verschuivingsim pulsen nodig en de cyclus verloo pt zoals in tab e l I is aangegeven. D e stand van h et geheugen w o rd t aangegeven door de beginstand van de eerste kern. Kolom a geeft de cyclus w eer bij h et af lezen van een „ T en kolom b die bij h et af lezen van een „o ” . T A B E L I.

B eginstand kernen stan d van de kernen na de le neg. verschuivingsim puls spanning op ingangsw ikkeling tijdens le neg. verschuivingsim puls spanning op uitgangsw ikkeling tijdens le neg. verschuivingsim puls stan d van de kernen na de 2 e neg. verschuivingsim puls spanning op ingangsw ikkeling tijdens 2 e neg. verschuivingsim puls spanning op uitgangsw ikkeling tijdens 2 e neg. verschuivingsim puls

kernnum m er

a

b

I

„o” „o” „o" „o”

I

„ i” „o ” „o" „ i" pos

2

neg

nul

I

„o"

2

„ i” „o )}

„o"

I

neg

nul

2

pos

nul

2

I 2

nul

S ta a t h et geheugenelem ent in „o" dan o n tsta a t geen spanning op de uitgangsontw ikkeling en s ta a t h et geheugen in „ i ” dan o n tsta a t zowel een positieve als een negatieve spanning op de

268

F. van Tongerloo

uitgangsw ikkeling, w a arv an men m et behulp van een eenzijdig sp erren d elem ent één p o la rite it kan uitkiezen en deze w a t de tijd b e tre ft m et de eerste of de tw eede verschuivingsim puls kan laten sam envallen. Z oals reeds opgem erkt is, m oet tijdens h et opslaan van een nieuw e inform atie, ongeacht de vorige stan d van h et geheugen, k ern 2 altijd in „o” blijven s ta a n .'M o e t een „o” in h et geheugen w orden opgeslagen als kern I in ,,T' s ta a t dan zal tengevolge van de o n tstan e stroom in de gekoppelde w ikkeling k ern 2 in „ I kom en en nu is er na de tw ee aangelegde verschuivingsim pulsen geen overeenstem m ing m eer m et de beginstand. D aaro m m oet het opslaan van een nieuw e inform atie sam en­ vallen m et een negatieve verschuivingsim puls op k ern 2 . Z ou h et opslaan van een nieuw e inform atie kern 2 n a a r „ T' w illen brengen dan zorgt deze verschuivingsim puls ervoor d a t k ern 2 toch in „o" blijft staan . V o or de gekoppelde w ikkeling geldt de differentiaalvergelijking

d & t - N„ =L - en na integ ratie dt dt dt N t A , = - (R ƒ id t + L A i) H ierin is R de w e erstan d en L de lekinductantie van de ge­ koppelde w ikkeling. Tijdens h et overd rag en van een ,,T ' van kern I n a a r 2 is h et rech terlid van I altijd negatief zo d at m oet gelden N z A # x 4- iV2 A
A
Magnetische en diëlectrische rekenmachine-elementen

269

een iets lager gelegen p u n t „ 1 " te re c h t kom en. N a successieve­ lijk aflezen z a k t d it p u n t steeds v erd er n a a r beneden en te n ­ slotte zal de inform atie verloren gaan, w aarbij beide kernen tengevolge van de negatieve verschuivingsim pulsen in de stan d „o” zullen eindigen. E en andere m ogelijkheid om aan vergelijking 2 te kunnen voldoen is door N l '^> N 2 te m aken, zoals in fig. 3 is aangegeven. D an m oet de gekoppelde w ikkern 2 kern 1 keling in tw ee delen ge­ Ni n2 sp litst w orden, terw ijl door m iddel van een sperrend elem ent de over­ uifgangs ingangs wikkeling wikkeling d ra c h t slechts in één richting kan geschieden. D e bovenste gekoppel­ de w ikkeling verschuift 2 e verschuivings 1* verschuivings im puls impuls n,>n2 de inform atie van rechts F ig. 3. n a a r links en de o n d er­ Bim aire geheugeneenheid m et gescheiden ste gekoppelde w ikkeling o v e rd ra c h ts w ik keling . van links n a a r rechts. D e uit de geheugenschakeling direct voortvloeiende volgende schakeling is de m ag­ netische bistabiele tre k k e r2). D e schakeling is dezelfde als in de figuren 2 en 3 , m aar hier m oet in de begintoestand eén van de kernen in „ I ** en de and ere in „O staan . S ta a t kern I in „ i" en kern 2 in „o" dan verlopen de tra n sitie s bij de tw ee aangelegde verschuivingsim pulsen als in tab e l I kolom a is a a n ­ gegeven, w a a rn a de u itg an g sto estan d w eer is h ersteld. H iervo or zijn dus tw ee verschuivingsim pulsen no­ dig, terw ijl door m iddel van een sp e r­ rend elem ent in b.v. de uitgangsw ikkeling m aar eenm aal een stroom in deze w ikkeling kan o n tstaan . D e schakeling is derhalve ook geschikt als frequentiedeler. H e t is ook mogelijk een geheugen te m aken m et slechts één kern p er binaire eenheid zoals in fig. 4 is aangegeven. M e t de aangegeven geïdealiseerde ka~ ra k te ristie k heeft de zelfinductie van de F ig. 4. G eh eu g en een h eid m et één spoel tw ee verschillende w aard en . In het k e rn p er b in a ire eenheid. vlakke gedeelte van de k a ra k te ristie k

X

270

F. van Tongerloo

C L hoog en in h et steile gedeelte is de zelfïnductie hoog en kan de k w aliteit zodanig gekozen w o rden d a t de kring ju ist kritisch gedem pt is. S ta a t de kern in „ l" dan v ero o rzaak t de negatieve m agnetiseringsstroom ten tijde van het doorlopen van h et steile gedeelte van de k a ra k te ristie k een grote zelfm ductiespanning op de condensator. D e kring is d a a rn a w einig gedem pt zo d at de condensatorspanning zonder veel verlies van teken om keert en nu de kern w eer in de and ere richting m agnetiseert. N u m oet de door de con densato r te leveren stroom zo groot zijn d a t ju ist h et steile gedeelte van de k a ra k te ristie k kan w orden d o o r­ lopen, zo d at hierdoor de k ern w eer in de u itg an g sto estan d terugkom t. D o o r de kritische dem ping is de con densato r practisch geheel ontladen en blijft de kern in deze to e stan d staan . O p de uitgangsw ikkeling verschijnt e e rst een positieve en d a a rn a een negatieve spanning, w a a rv a n er één door m iddel van een sp erren d elem ent kan w orden uitgekozen. S ta a t de kern in „o" dan o n ts ta a t op de co n densato r geen grote zelfinductie spanning bij de negatieve m agnetisatie en d a a rd o o r v e ra n d e rt de flux practisch niet. S ta a t de kern in „ T dan w e rk t de schakeling in principe als een m onostabiele tre k k e r, w a a rv a n de tijd, w elke nodig is om de schakeling w eer in zijn u it­ 0 \T gangstoestand teru g te zetten b e­ r 1 ïnvloed kan w orden door de g ro o tte Lü van de condensator. E en and ere m ethode3) om de stan d van een k ern te kunnen b e­ palen is h et aflezen m et sm alle niet / te grote im pulsen, w elke voor k e r­ nen m et m etallische sam enstelling VV w el w o rd t gebruikt. Tengevolge van een plotselinge opgedrukte u it­ w endige veldverandering, zullen aan de b u iten k an t van de kern w ervelstrom en lopen, w elke het inw endige van de kern afscherm en. D e buiten­ F ig. 5. M a g n e tise rin g sstro o m en uit- zijde van de kern krijgt d a a rd o o r g an g ssp an n in g van een k ern in een veel g ro tere veldverandering sta n d ,,1 ” zo n d er de u itg a n g s­ dan de binnenzijde. U ite ra a rd zal to e sta n d te v e ra n d e re n . de veldverandering aan de buitenis de zelfïnductie laag en is de k w aliteit van de kring Q = R

Magnetische en diëlectrische rekenmachine-elementen

271

zijde g ro ter zijn als de aan g eb rach te veldverandering w e rk t tegen de richting van de reeds b estaan d e flux in, dan w an n eer de la a t­ ste verandering in de reeds b estaan d e fluxrichting w e rk t, h e t­ geen to t uiting kom t in de op een hulpw ikkeling geïnduceerde spanning zoals in fig. 5 is aangegeven. D o o r m iddel van een drem pelschakeling kan de am plitude Vat w elke boven de w a a rd e Vam uitkom t, w orden aangetoond te r indicatie d a t de k ern in de stan d „ i ” sta a t. D o o r nu de tijd van h et aflezen klein te houden krijgt de kern niet de gelegenheid van m agnetisatietoestan d te v eran d eren en kom t zij autom atisch w eer in de begin­ to estan d terug. E en in rekenm achines veel gebruikte schakeling is h et z.g. schuivend re g iste r1). D it is een inrichting w aarbij de infor­ m atie van een binaire eenheid door m iddel van stuursignalen n a a r een volgende een­ 0 heid v e rp la a tst kan w orden. Fig. 6 geeft een m agnetische scha­ keling, w aarbij drie kernen voor een bi­ naire eenheid nodig zijn en w a a rv o o r drie na e lk a a r aangelegde negatieve verschuivingsim pulsen zorgen voor de o v e rd rac h t n a a r de volgende een­ heid. D e stan d van de binaire eenheid F ig. 6. S ch u iv en d re g iste r m et d rie k ern en p e r w o rd t bep aald door de b in aire eenheid. derde kern, w aarbij de tw ee andere in „o” sta a n . Is kern I door de voo rafgaande binaire eenheid in „ T ’ g eb rach t dan zal de eerste negatieve verschuivingsim puls kern 2 n a a r stan d ,,T ’ brengen door de gekoppelde stroom iz en kern I in „o” ach terlaten . K ern 2 stond ech ter in „o" zo d at ook in de gekoppelde w ikkeling van de kernen 2 en 3 een stroom zou w illen lopen, w elke door de gelijkrichtcel w o rd t gesperd. Tevens o n tsta a t een ongew enste stroom i2 in de gekoppelde w ikkeling van de kernen 3 ' en I w elke m et h et aanbrengen van een compensatiew ikkeling N c , w a a rd o o r ook de verschuivingsstroom

272

F. van Tongerloo

loopt geen resu lteren d e veldverandering kan opleveren. D e o v er­ d ra c h t geschiedt dus alleen n a a r rechts en b e p e rk t zich to t één kern. In h et o v erd rach tsp ro ces spelen slechts drie kernen een rol zo d at tegelijkertijd ook nog drie andere kernen m et dezelfde verschuivingsim puls mee kunnen doen b.v. k ern 3 en 2 kernen van de volgende binaire eenheid. D e tw eede verschuivingsim ­ puls verschuift stan d „ i ” van kern 2 n a a r kern 3 , la a t kern 2 in „o” ach ter en v e ra n d e rt niets aan de stan d ,,o” van kern 1 . D eze stan d geeft de uiteindelijke stan d van h et geheugen w eer. D e derde verschuivingsim puls geeft de inform atie n a a r de vol­ gende eenheid door. D e eerste k ern van de volgende eenheid kom t in „ i ”, terw ijl de kernen 2 en 3 van de voorafgaande eenheid in de sta n d „o” kom en. D eze stan d kom t overeen m et de aangenom en begintoestand. S tond in de b eg in to estan d kern I in „o” dan v eran d eren de verschuivingsim pulsen niets aan de to estan d van de 0 kernen en om dat de beg intoestan d van de and ere kernen overeenkom t m et „o ” is h et alsof de „o” w o rd t overge­ dragen. Z oals reeds in vergelijking ( 2 ) is afgeleid m oet N ^ > N 2 zijn. Infig.7 is een schakeling aangegeven m et tw ee kernen p e r binaire eenheid. D e tegenw erking w o rd t hier voorkom en door de shunt gelijkrichtcel over de w ikkeling N 2. V e rd e r w e rk t de schakeling als bij lig. 6 is aangegeven. D e o v erd rach t b e p e rk t zich slechts to t tw ee kernen zod at tegelijkertijd de kernen I en 1 ' door de verschuivingsstroom b ek rachtigd kunnen w orden. W 'o rd t de uitgang van h et re g iste r aan de ingang gekoppeld dan kan de opgeslagen inform atie een w illekeurig a a n ta l m alen circuleren zonder d a t zij verloren g aat. H e t voordeel van het schuivend re g iste r is, d a t de inform atie door m iddel van h an d ­ bediening in serievorm kan w o rd en opgelegd terw ijl zij snel p arallel k an w orden afgelezen. O o k is h et mogelijk de infor­ m atie in parallelvorm aan te brengen en in serievorm af te

Magnetische en diëlectrische rekenmachine-elementen

273

lezen en om gekeerd. A angezien de tw eed e kern van een binaire eenheid de stan d aan g eeft kan elke tw eede kern van een e x tra uitgangsw ikkeling voorzien w orden, w a a ro p de stan d van h et reg ister in parallelvorm a f te leiden is door m iddel van de tw eede verschuivingsim puls. M o et h et reg ister voorzien w orden van inform atie, w elke in parallelvorm aanw ezig is, dan kan deze inform atie aan dezelfde ingangsw ikkeling gelegd w orden, w aarbij gezorgd m oet w orden, d a t de om liggende kernen h ie r­ door niet beïnvloed w orden. D it kan b.v. door tegelijkertijd aan de om liggende kernen een negatieve verschuivingsim puls te leggen. M e t deze schakeling is h et mogelijk een a a n ta l im pulsen te telle n. H iervoor w o rd t de eerste kern van het reg ister in ,,l ” gezet en de re st in ,,o”, terw ijl de verschuivingsim pulsen door de te tellen im pulsen w orden gestuurd. N a een bep aald e tijd geeft h et kernnum m er van h et reg ister d a t nu een ,, l ” b ev at h et a a n ta l a a n ­ gelegde im pulsen aan. In h et voor­ gaande is steeds aangenom en d a t bij m agnetiseren van een k ern in dezelfde richting als de reeds a a n ­ wezige rem anentie geen of pracF ig. 8. tisch geen uitB alan ceerscliak elin g voor m aterialen m et slechte gangsspanning k a ra k te ristie k . op een op de kern gelegde w ikkeling geeft. D it is alleen ju ist voor zeer goede m aterialen, w a a rv o o r de verhouding van rem anentie to t verzadiging onge­ veer 0,95 is. V o o r slechtere m aterialen b e s ta a t er een mogelijkhei d de niet gew enste uitgangsspanning uit te b alan ceren 4). Fig. 8 a to o n t de schakeling b estaan d e uit tw ee kernen w elke sam en overeenkom en m et één kern uit de voorafgaande scha­ kelingen. K ern I b ev at de inform atie ,,l ” of ,,o” en kern 2 is een dum m y kern w elke altijd in „o" blijft staan. Beide kernen w orden tegelijkertijd door dezelfde negatieve verschuivingsim ­ puls doorlopen. S ta a t kern I in ,,o” dan o n tsta a n bij h et a a n ­ leggen van de verschuivingsim puls op beide gedeelten van de

274

F, van Tongerloo

gecom bineerde uitgangsw ikkeling, w elke hetzelfde a a n ta l w indin­ gen hebben, even grote uitgangsspanningen, m aar de w ikkelingen zijn zodanig geschakeld d a t deze uitgangsspanningen e lk a a r tegen­ w erken, zo d at h et re su lta a t is d a t geen uitgangsspanning op de klem m en o n tsta a t. S tond d aaren teg en kern I in ,,l ” dan o n t­ s ta a t bij het aanleggen van de verschuivingsim puls een spanning op de uitgangsklem m en, w elke h et verschil is van de spanning, o n tstaa n door h et om klappen van de eerste kern van „ i" n a a r „O” en de spanning van de dum m y k ern o n tsta a n door de fluxveran dering „o''-verzadiging-,,o” . In fig. 8 b is aangegeven de k a ra k te ristie k zoals deze door de uitgangsw ikkeling w o rd t ge­ zien. D oor de balancering is h et gedeelte a van de k a ra k te ristie k volkom en h o rizo n taal gew orden, terw ijl h et gedeelte b een kleinere helling heeft gekregen. D e k a ra k te ristie k voor de gecom bineer­ de uitgangsw ikkeling is verkregen door voor elke w a a rd e van de m agnetisatie h et verschil van de inducties van beide kernen te nem en. D e pijlen geven de richting aan w aarm ee de k a ra k ­ te ristie k w o rd t doorlopen. Z o w o rd t b.v. de negatieve H - sls voor kern I in stan d „o” en k ern 2 in stan d „o” bij een nega­ tieve m agnetiseringsim puls doorlopen van rechts n a a r links en terug. In h et hier beschouw de geval d a t k ern I in „ T of ,,o'' s ta a t en k ern 2 altijd in ,,o”, w o rd t alleen d a t gedeelte van de k a ra k te ristie k g eb ru ik t d a t in h e t tw eede k w a d ra n t ligt. V o o r een ferroelectrisch m ateriaal m et een rechthoekige k a ra k ­ te ristiek is h et grondprincipe van de geheugenschakeling in fig. 9c o aangegeven 10). M o et h et niet lineaire K -r elem ent voorzien w o r­ den van de inform a­ 4 ~ T ~ ' tie „ l ” dan w o rd t op de ingangsim pulsklem een positieve sp an ­ ning gebracht. D e gelijkrichtcel D x sluit de co n d en sato r C k o rt F ig. 9. zo d at geen spanning G ro n d p rin cip e van de d iëlectrisch e geheugenop de uitgangsklem ­ schakeling. men o n tsta a t. H e t o p slaan van een „o 11 behoeft nooit te geschieden, om dat h et diëlectricum altijd in ,,o” ach terb lijft na de negatieve afleesim puls. Fig. 9a geeft f t

negatieve

-

Ji

afleesim puls

ingangsimpuls o -

^

niet lineaire condensator

vuit

Magnetische en diëlectrische rekenmachine-elementen

275

de ingangsspanning w eer bij aflezen m et een negatieve spanningsim puls als de niet-lineaire condensato r in „I* s ta a t en fïg. 9b als hij in ,,o" sta a t. D e la a tste uitgangsspanning is u ite ra a rd ongew enst. D e g rootte van de lineaire con densato r h an gt af van de spanning w elke hierover gew enst is bij de overgang van de stan d „ i ” n a a r ,,o". D eze uitgangsspanning kan nam elijk gebruikt w orden om een volgende binaire eenheid te b ek rach ­ tigen of een gevoelige buis te sturen. Is de cap aciteit van de niet-lineaire condensato r in h et steilste gedeelte C2 en van het m inder steile gedeelte Cx dan is voor een b ep aald m ateriaal in de in fig. 9d getekende g estyleerd e k a ra k te ristie k C%= p c x (4) w a arin p de verhouding van de tw ee hellingen aangeeft. M o et een verhouding q van gew enste to t ongew enste uitg an g ssp an ­ ning b ereik t w orden dan geldt w a arin Vu„i,% de uitgangsspanning op de lineaire condensator v o o rstelt bij volledig om klappen van h et m ateriaal en Vu„o%t de ongew enste uitgangsspanning v oo rstelt, w elke w o rd t v ero o rzaak t door het doorlopen van het tra je c t „o" negatieve verzadiging en terug n a a r „o”. Is nu h et ingangssignaal dan geldt C „ „ Cx V .. = V' en V» = Vi ( 6) v u ' 1c x+ c c + c H ie ru it volgt m et (4) en (5) VUftl” C l Jr C + C -------— q — —C 2. -----------= p -----------Vu ,,o ”

CT

C = p C x9 ~ 1 p- q

C2 + C

pCj + C

en

I

9

= p- ^ - V, p - I D eze berekening geldt gedurende de tijd d a t de eerste flank van de im puls w o rd t aangelegd. Z o d ra de flank doorlopen is, ontladen de lineaire condensatoren zich over de te ru g w a a rtse w e erstan d van de gelijkrichtcel. D eze ontlading m oet afgelopen zijn, v o o rd at de im puls voorbij is om zeker te zijn d a t h et dielectricum de halve lus van de k a ra k te ristie k doorloopt. A angezien bij capacitieve schakelingen de faze van de alge-

276

F. van Tongerloo

geven im pulsen niet zoals bij m agnetische schakelingen gem ak­ kelijk om te keren is, m oeten de tw ee na e lk a a r aangelegde verschuivingsim pulsen van verschillende p o la rite it zijn. Fig. 10 geeft een geheugenschakeling Q w eer. B ev at het geheugen de in­ form atie „o" dan s ta a t elem ent I in ,,o” en elem ent 2 in „ T \ D e tw ee verschuivingsim pulsen geven practisch geen uitgangsspanning op de uitgangsklem m en. B ev at het geheugen de infor­ m atie ,,T ’ dan s ta a t elem ent I in en elem ent 2 in ,,I*\ D e eerste negatieve verschuivingsD iëlectrisch e geheugenschakelin g im puls b ren g t elem ent I n a a r „o” terw ijl de uitgangsspanning over zijn lineaire condensator elem ent 2 n a a r „o ” b ren g t en tevens aan de uitgangsklem m en een negatieve spanning tew eeg zou brengen, w elke door de gelijkrichtcel w o rd t kortgesloten. D e volgende positieve verschuivingsim puls b ren g t elem ent 2 n a a r „ i ”, le v e rt aan de uitgangsklem m en een positieve spanning en b ren g t elem ent I w eer n a a r „ i ” terug. D e w eerstan d en R zijn opge­ nom en om de verschuivingsim pulsgeneratoren niet doo r de gelijkrichtcellen te laten k o rtslu iten . In fig. 11 is een schakeling gegeven voor een schuivend re ­ gister. Is h et reg ister leeg dan sta a n alle even elem enten in , , l ” en alle oneven in „o ” . 2 t pos. verschuivings impuls ° W o rd t op de ingangs1e neg. verschuivings im - _ L n puls ^ U2 klem m en de inform a­ ingang tie ,,l ” opgeslagen, dan v e rp la a tst d a a r­ na de eerste nega­ tieve verschuivingsim ­ F ig. 11. puls h et elem ent 2 D iëlectrisch schuivend reg ister. n a a r „o ” en is de in­ form atie „ i ” n a a r het volgende elem ent overgedragen. T egelijkertijd kan nu ook h et elem ent T b ek rach tig d w orden. D e tw eede positieve verschui­ vingsim puls d ra a g t de inform atie van elem ent 2 n a a r T over, zod at nu opnieuw kan w orden opgeslagen. P e r binaire eenheid zijn derhalve tw ee elem enten nodig.

Magnetische en diëlectrische rekenmachine-elementen

277

A an de uitgangsklem m en o n tsta a t de inform atie in serievorm tegelijk m et de tw eede positieve verschuivingsim puls. O p de punten A is de inform atie van het re g iste r in p arallel vorm af te nemen. Evenzo kan de inform atie op de punten A in p a ra l­ lel vorm w orden opgeslagen en op de uitgangsklem m en in serie­ vorm w orden afgenom en. D e w eerstan d en /v m oeten groot zijn t.o.v. de d o o rla a tw e e rsta n d van de gelijkrichtcellen D ï om te voorkom en d a t de verschuivingsim pulsen van de even elem enten op de oneven elem enten kom en en om gekeerd. D e gelijk­ richtcellen D 2 voorkom en de koppeling tussen de even of oneven elem enten onderling.

Coinciden tie schakelingen . D e la a tste tijd 9) w o rd t een an d er principe van geheugenschakelingen toeg epast, w elke b eru st op h et sam envallen van tw ee of m eer signalen voor h et doorlopen van een halve hysteresislus. Z o is in fig. 12a een schakeling voor binaire eenheden gegeven w elke b e­ ru st op de coïnci­ dentie van tw ee signalen. W o rd t de bovenste horizon­ tale lijn en de rech ­ te r verticale lijn b e ­ krachtigd m et een stroom AL. overeen2 kom ende m et een m agnetisatie — —2 C o in cid en tiesch ak elin g voor tw ee signalen en vier (zie fig. 1 2 b) dan b in aire eenheden. zal kern 3 in de to estan d ,,o” over­ gaan. D e kernen I en 4 krijgen de halve verzadigingsm agnetisatie en m oeten in de u itg an g sto estan d blijven staan . K ern 2 krijgt geen enkele m agnetisatie. S tond kern 3 in stan d „l* dan w o rd t op de uitgangsw ikkeling een grote spanning geïnduceerd, terw ijl de inform atie verloren gaat. D o o r m iddel van een hulpa p p a ra a t m oet de inform atie even w orden vastgehouden en la te r w eer w orden toegevoerd, b.v. door elk van de tw ee w ikkelingen op kern 3 in tegengestelde richting m et de halve verzadi-

278

F. van Tongerloo

gingsw aarde te m agnetiseren. D e spanning w elke op de uitgangsw ikkeling o n tsta a t, w anneer een kern in „ i ” s ta a t en m et de negatieve halve verzadigingsw aarde w o rd t gem agnetiseerd, is ongew enst. D it ste lt hoge eisen aan h et m ateriaal. E en m aat hiervoor is de „rechthoekigheid” (squareness ratio ) B+h B - 'Uhv zoals in fig. 12b is aangegeven. V o o r een id eaal m ateriaal is deze verhouding I , terw ijl zij voor goede m aterialen g ro ter dan 0,7 m oet zijn. D e uitgangsw ikkeling w o rd t m eestal in serie aan g eb rach t, w aarbij de w ikkelzin van kern to t k ern tegengesteld is, zod at de niet gew enste signalen voor h et gehele geheu­ gen e lk a a r com penseren. D e uitgangsspanning kan nu beide p o lariteiten hebben. In fig. 13 zijn nog tw ee schakelingen gege­ ven voor een tw eev o u ­ dige coincidentieschakeF ig. 13. ling. D e m axim ale ontT w ee tw eev o u d ig e co in cid en tiesch ak elin g en m agnetisatie b e d ra a g t m et een m axim ale o n tm ag n etisatie van t H v . hier een derde van de D e getallen bij de figuren geven h e t g e­ verzadigingsm agnetisadeelte van de v erza d ig in g sm a g n e tisa tie aan . tie, zo d at de eisen voor h et m ateriaal w a t m inder kunnen zijn, dan voor h et tw eevoudig coincidentiesysteem . O p de kruispun ten van de horizontale en verticale lijnen bevinden zich de kernen. H e t nadeel van fig. 13a is d a t alle lijnen b e­ krachtigd m oeten w orden en h et nadeel van fig. 13b is d a t alle kernen nog een gem een­ schappelijke w inding m oeten hebben voor de m agnetisatie van minus een derde gedeel­ te van de verzadigingsm agnetisatie. D e kernen A zijn in beide figuren de kernen m et

Magnetische en diëlectrische rekenmachine-elementen

279

verzadigingsm agnetisatie. Fig 14 to o n t een stuk van driedim en­ sionale geheugenschakelingH). O p de snijlijnen van de vlakken zijn de kernen als stippen voorgesteld. H e t bek rach tigen van Hv de kern A b e ru st op de coincidentie van de m agnetisaties 2 Hv op de lijnen in de vlakken Yq en Z r en de m agnetisatie — op de lijnen in alle X vlakken behalve h et vlak Ap . D e maxiƒƒ m ale niet gew enste m agnetisatie is hier ——. E en and ere m anier 2 van selecteren van een b ep aalde kern kan zijn de halve posi­ tieve m agnetisatie op drie vlakken en de halve negatieve m ag­ netisatie op alle kernen. In tussen is in h et tw eevoudig geheugen m et halve m agnetisatiemagnttisab* tn dn richting van

.M agnetische v ier-stan d en sc h a k e la a r m et e x tra w ik k elin g voor de stu u rh u is.

w a ard en h e t probleem van het kiezen van n 2 geheugenelem enten teru g g eb rach t to t h et kiezen van 2 n lijnen. D it b etek en t nog steeds een groot a a n ta l stuursignalen, w a arv o o r veel energie v ereist is. H e t selecteren van de lijnen kan ech ter geschieden m et m agnetische sch ak elaars. Fig 15 geeft een m agnetische vierstanden sch ak elaar w elke bediend w o rd t m et tw ee gew one scha­ k e la a rs 5)7). D e w erking is in fig. 15b gedem onstreerd. D e norm ale stan d van de kernen is de „o ” stand. In de aangegeven stan d van de sch ak elaars krijgt kern 4 een tw eem aal zo grote voorm agnetisatie als de kernen 2 en 3 > terw ijl kern 1 geen voorm agnetisatie krijgt. V o o r de kernen 2 en 3 w o rd t d it voorm ag-

280

F. van Tongerloo

n etisatiep u n t voorgesteld door pun t A . H e t voorm agnetisatiepunt voor kern 4 ligt m eer n a a r links. N u w orden door de stuurhuis w elke norm aal afgeknepen is alle kernen van een im pulsvorm ige m agnetisatie voorzien tegengesteld aan de voorm agnetisatie. H e t gevolg is d a t de fluxverandering voor kern I gro o t is en voor de overige kernen zeer klein. D ientengevolge o n tsta a t alleen op de secundaire w ikkeling van k ern I een uitgangsspanning, te r ­ wijl de uitgangsspanning op de andere kernen practisch nul is. K ern I g a a t in stan d „ I over. D eze kan w eer in nul w orden teru g g eb rach t m et een herstellingsim puls, zod at alle kernen w eer in de ,,0 stan d teru g kom en. H e t is ook mogelijk een m ag­ netische sch ak elaar te m aken zonder de e x tra w ikkeling voor de sturing. In p la a ts van de sch ak elaars kunnen stuurhuizen g eb ru ik t w orden, w el­ 4-O ke of h et ene of het andere stel w ikkelin­ gen bekrachtigen. D it is voor een vier-stan[v u U V = 5 rv den sch ak elaar in hg. 16 aangegeven. H e t a a n ta l w indingen voor h et herstellen van de uitg angstoestand b e­ d ra a g t 2 N en d it is ju ist voldoende om F ig. 16. alle kernen van ,, l ” M a g n e tisc h e v ie r-sta n d e n sc h a k e la a r, w a a rb ij n a a r „ o ” te brengen. de stu u rh u izen zelf de k ern selecteren. B ed raag t h et a a n ta l w indingen van alle overige w ikkelingen N dan blijkt uit de figuur d a t alleen kern 2 voldoende m agnetisatie krijgt om van „o” n a a r ,,I te gaan. D e kernen 3 en 4 krijgen geen m agnetisatie, terw ijl kern I een grote negatieve m agnetisatie krijgt. Is in het algem een h et a a n ta l kanalen voor h et kiezen van de kernen van de m agnetische sch ak elaar K, dan is het a a n ta l kernen (dus het a a n ta l lijnen) ?i — 2 A . Is nu het benodigde a a n ­ ta l w indingen voor h et volledig om klappen N K , dan m oet h et a a n ta l w indingen d a t de kernen n a a r ,,l ” m ag netiseert p er k an aal om elke kern N zijn en h et a a n ta l w indingen, d a t de kernen n a a r ,,0 m ag netiseert N (K — 1 ) zijn. H e t re su lta a t is dan d a t één kern de m agnetisatie N K in de richting van „ i" krijgt en de re s t de m agnetisatie, N ( K - S ) - N S ( K - i) = N K ( i - S) S = i , 2 , . . . K . wikkeling voor de hersteltings im pulsen ' |

J

ƒ ƒ

p

magnetisatie in de richting van J m

281

Magnetische en diëlectrische rekenmachine-elementen

in de richting van , ,l ” krijgt. V o or wS = I krijgt de betreffende k ern geen m agnetisatie en voor 5 = K een vrij grote m agneti­ satie in de richting van „ o ” . D o o r deze schakeling g aa t de stroom afnam e p er buis een facto r K n a a r beneden, vergeleken m et de schakeling van fig. 15.

magnetisatie in de richting van J T

:t / • f.

-o +

Fig. 17 T w eev o u d ig coincidentiegeh eugen m et b ijb eh o ren d e m agnetisch e sch ak elaars.

In fig. 17 is een tw eevoudig coincidentiegeheugen w eergegeven voor ló kernen m et de bijbehorende m agnetische sch ak elaars7). D o o r arcering zijn de stroom voerende buizen en de gekozen k ern aangeduid. D e uitgangsw ikkeling is hier in serie gescha­ keld, terw ijl de w ikkelzin per kern op de lijnen v eran d ert. V o o r de terugvoerleiding van de lijnen w orden de and ere niet be­ krachtigde lijnen gebruikt, w a a rd o o r de w e erstan d en de zelfinductie van de terugvoerleiding verm indert. D it is alleen toe te passen bij een groot a a n ta l lijnen. D e w erking van de schakeling is als volgt. In de u itg angstoestand sta a n alle sch ak elaars in „o " en de kernen in „ l ” of ,,o” . M o e te e n inform atie w orden opgeslagen dan w orden de m agnetische sch ak elaars tegelijk bekrachtigd,

282

F. van Tongerloo

zod at de uitgekozen k ern n a a r „ i ” gaat. M o e t een „ i ” w orden opgeslagen dan w orden in tw ee stap p en de sch ak elaars door de herstellingsim pulsen n a e lk a a r teruggezet en m oet een „o” w orden opgeslagen dan w orden de beide sch ak elaars tegelijk teruggezet, w a a rd o o r de k ern n a a r „o ” g aat. D e sch ak elaars sta a n nu ook in „o”. V o o r h et aflezen w orden de beide sch a­ k e la a rs w eer tegelijk bekrachtigd. W o rd t op de uitgangsw ikkeling een signaal gevonden dan stond de kern in ,,o” en w orden in de volgende sta p de tw ee sch ak elaars tegelijk bekrachtigd, w a a rd o o r de kern w eer in ,,o” kom t. W o rd t geen signaal a f­ gelezen dan stond de kern in „ l ” en w orden de schak elaars door herstellingsim pulsen na e lk a a r teruggezet in ,,o”, w a a rd o o r de kern in , ,l ” blijft. Zijn de kernen nog voorzien van een e x tra gem eenschappelijke w ikkeling dan w e rk t de schakeling als volgt: V o o r h et opslaan w orden de beide sch ak elaars tegelijk b e­ k rach tig d w a a rd o o r de gekozen k ern in „ i ” kom t. B eide scha­ k ela ars w orden w eer tegelijk teruggezet, m aar als de kern in „I m oet blijven, w o rd t een sp erren d e im puls op de e x tra w ikkeling gegeven en m oet zij in „o ” kom en dan w o rd t de sperim puls niet gegeven. V o o r het aflezen w orden beide scha­ k ela ars w eer tegelijk bekrachtigd. W o rd t geen signaal afgelezen dan stond de kern in ,,l ” en w orden beide sch ak elaars teg e­ lijk teruggezet m et de sperim puls op de e x tra w ikkeling en stond de kern in ,,o” dan gaan de beide sch ak elaars n a a r ,,o” teru g zonder sperim puls op de e x tra w ikkeling. D e sperim puls voorkom t dus de dem agnetisatie van de k ern en kan in am pli­ tude gelijk zijn aan de lijnstroom . H e t eerste beschreven systeem 0 heeft h et voordeel w einig la st te hebben van ontm agnetisatie van de niet geselecteerde kernen op de ge­ kozen lijnen. D e kernen w orden e e rst door de sch ak elaars m et de halve verzadigingsm agnetisatie n a a r „ i" gedreven, w a a rn a de schake­ la a rs w orden teruggezet en de k e r­ nen de tegengestelde halve verzadigingsw aarde krijgen. In flg. 18 v erloo pt de k a ra k te ristie k dan van In v lo ed v an de o n tm ag n etisatie ÖV via
Magnetische en diëlectrische rekenmachine-elementen

283

m aal m agnetiseren in dezelfde richting m et de halve verzadigingsw a ard e zou de kern in
— X o— i

■* ■* >

a

1

‘^

1

,

"*1 -

\ Vu

[-----UT

V

___I _ - b

( n - l) C Z Z K j^ Z f

C’r‘(n-V2C~~^2n~i (n-UC—Vyfèj iT . r I V2V— ___ i

A is de gekozen condensator a

Fig. 20. V erv an g in g ssch em a voor een tw eev o u d ig e coincidentieschak eling voor n 2 elem enten, m et een a a n ta l m ogelijk selectiesystem en.

284

F. van Tongerloo

ning krijgt. D e on tstan e stroom verandering w o rd t m et een tra n s ­ form ato r afgelezen. D o o r de lijnen beurtelings van binnen n aa r buiten en van buiten n a a r binnen door de tran sfo rm a to rk ern te steken, heffen de niet gew enste stroom veranderingen e lk a a r op en heeft de gew enste uitgangsspanning beide polariteiten. Fig. 20a geeft de electrische schakeling van een stuk van een tw eevoudige coincidentieschakeling m et 2 n lijnen. A lleen con­ d en sa to r A krijgt de volle spanning. G ezien vanuit de tw ee be­ krachtigde lijnen ste lt fig. 20b de vervangingsschakeling voor. Tu ssen de tw ee bekrachtigde lijnen bevinden zich behalve de gekozen co n densato r nog n — I m aal een stel van drie in serie geschakelde condensatoren p aralle l en tussen alle niet b ek rach ­ tigde lijnen bevindt zich nog een condensator. A angezien de niet gebruikte lijnen op dezelfe p o ten tiaal staan , mogen voor de vervangingsschakeling deze lijnen w o rden doorverbonden, zod at het uiteindelijke vervangingsschem a w o rd t zoals in fig. 20c is aangegeven, D e grootste spanning kom t op de o nd erste en op de bovenste con densato r van de in serie geschakelde condensato ren en b e d ra a g t voor 2 X 2 lijnen —- en voor een oneindig Vv a a n ta l lijnen ----. A arding van de niet gebruikte lijnen geeft als m axim ale spanning —- (fig. 20e) terw ijl de m axim ale ongew enste Vv spanning teru g g eb rach t kan w orden to t ---- m et de schakeling Q excitatie in de

D iëlectrisch e v ie r-sta n d e n sch ak elaar.

van fig. 20 d. In fig. 21 is een dielectrisch vierstan d en schake­ la a r w eergege­ ven. N a hetgeen reeds bij de m ag­ netische schake­ la a r is gezegd is h et duidelijk d a t in de getekende stan d de lijn 3 alleen het stu u r­ signaal d o o rlaat. In h et oog springt de buiten-

Magnetische en diëlectrische rekenmachine-elementen

285

gew oon eenvoudige opstelling zoals in lig. 21b is aangegeven. Als m agnetische m aterialen w o rden deltam ax en ferroxcube g eb ru ik t en als dielectrische m aterialen vooral b ariu m tita n a a t in p o ly k ristally n e vorm of als een kristal. T o t nog toe is de k a ra k te ristie k van h et ee n k rista l ver su p erieu r aan h et p o ly ­ k ristally n e m ateriaal. In tab e l II zijn voor enige m a te ria le n d e h y steresis verliezen per halve lus aangegeven T A B E L II. m ateriaal

H y steresisv erlies p er halve lus in Joules/m 8

b a riu m tita n a a t een k ristal b a riu m tita n a a t p o ly k ristally n deltam ax silectron ferroxube

5000 I 5000 23 302 20

Literatuur*

1. A n W a n g , W a y D o n g W o o : Static m agnetic storage and delay line, Journal of A pplied Physics 21 no 1 Jan. 1950 biz. 49. 2. A n W a n g : M agnetic triggers, Proceedings of the I.R.E. 38 no 6 June 1950 biz. 626. 3. M. K. H a y n e s : M agnetic cores as elements of digital com puting systems. Technical R eport N o A S C I L/50/5166 28 Aug. 1950. 4. M. F i s h m a n : A high speed shift register using m agnetic binairies, T ransducer corporation 1085 Com m onw ealth A venue, Boston 15, M ass. 5. K. H. O l s o n : A m agnetic m atrix switch and its incorporation into a coincident-current memory. D igital com putor laboratory, M assachusetts In­ stitute of T echnology R eport R —211. 6. D. A. B u c k : Ferroelectrics for digital inform ation storage and switching, D igital com putor laboratory M assachusetts Institute of T echnology R eport R —212. 7. J. A. R a j c h m a n : Static m agnetic m atrix m em ory switching circuits, R.C.A. Review vol. X III, no 2, June, 1952 biz. 183. 8. J. W . F o r r e s t e r : D igital inform ation storage in three dimonsions using m agnetic cores, Journal of A pplied Physics vol. 22 no 1 Jan. 1951 biz. 44. 9. W . N. P a p i a n : A coincident current m agnetic m em ory cell for the storage of digital inform ation. Proceedings the I.R.E. vol. 40 no 4 A pril 1952, biz. 475. 10. J. R. A n d e r s e n : Ferroelectric storage elements for digital com puters and sw itching systems. Electrical engineering vol. 71 nr 10, O ctober 1952 biz. 916.

Deel XVIII no. 5/6, Nov. 1953

287

Magnetrons door P. H. J. A. Kleijnen *) V oordracht gehouden voor het N ederlands R adiogenootschap op 29 A pril 1953.

SUM M ARY A su rv ey is given o f the phen o m en a n e c e ssa ry fo r the u n d e rsta n d in g o f the in tera c tio n b e tw ee n the electro n s an d the electro m ag n etic field in a m ag n etro n . S pecial a tten tio n has been p aid to a q u a lita tiv e ex p lan atio n o f the m ode sp ectru m o f a risin g sun system .

1) Inleiding . M ag n etro n s w orden g eb ru ikt voor het opw ekken van hoog­ frequente trillingen, w a a rv a n de golflengte tegenw oordig ligt in h et gebied van enige mm to t ca 50 cm. M e t m oderne m agne­ tro n s kan men een grote actierad iu s verkrijgen d o o rd at en er­ zijds de ontw ikkeling van h et z.g. cavitym agnetron h et mogelijk heeft gem aakt h et verm ogen op te voeren to t een gro otte orde van I M W en men anderzijds door de kleine golflengte de stralin g m et betrekkelijk kleine antennes ste rk kan bundelen. D a a r de afm etingen van de m agnetrons betrekkelijk klein zijn (van de orde van de golflengte) en h et rendem ent van de orde 50% is, kunnen de m agnetrons dergelijke grote verm ogens niet continu, doch slechts pulserend afgeven, b.v. m et IOOO im pulsen van I fji sec p er seconde. Fig. 1 geeft een indruk van h et m axim ale verm ogen, d a t men op h et ogenblik b ereik t heeft als functie van de golflengte. T er oriëntering laten w e nog enkele gegevens volgen betrekking hebbende op een 3 cm m agnetron voor groot verm ogen. golflengte X = 3 cm verm ogen P = iMW anodegelijkspanning Va = l o k V anodestroom Ia = 7O A rendem ent n = so% ste rk te m agneetveld B = 0,65 W b nr 1) N atuurkundig Laboratorium der N .V . Philips’ G loeilam penfabrieken, Eindhoven-N ederland.

288

P. H. J. A. Kleijnen

D e ontw ikkeling van h et m agnetron is om streeks 1920 begonnen m et proeven van H u i l over de eigenschappen van een cylindrische diode in een ax iaal m agnetisch veld. N a d e rh a n d w erd de anode gespleten in segm enten, w a a rtu sse n men negatieve w e erstan d en m at, zo d at m et een dergelijke buis oscillaties konden w orden opgew ekt. O ver de w erkingsw ijze van de m agnetrons beston d nogal verschil van mening. D eze w erden hoofdzakelijk, zoals la te r bleek, v ero o rza ak t door het feit, d a t afhan kelijk van de om­ standigheden ( V a , B) verschillende electronische m echanism en veran tw o o rd elijk kunnen zijn voor het o p tred en van negatieve w eerstan d en . E en belangrijke bijdrage voor een ju ist begrip van de m agnetrons is o.a. geleverd door P o s t h u m u s 1). D e m agnetrons zijn e e rst belangrijk gew orden, toen om streeks 1940 de E ngelsen R a n d e l l en B o o t en de R ussen A l e k s e r e f f en M a l e a r o f f de aa n d a c h t vestigden op het z.g. cav ity m agnetron, d a t een veel g ro ter piekverm ogen ontw ikkelde dan de oudere typen. Bij d it m agnetron bevinden de reso n ato ren zich niet buiten de buis, doch in h e t vacuum in de directe omgeving van de cathode (fig. 2 ). D e spanning kan d a a rd o o r veel hoger zijn en men heeft veel m inder verliezen en k o rte re hoogfrequentverbindingen. In fig. 2 is een van de oudste uitvoerings­ vorm en geschetst n.1. een m et ach t reso n ato ren , w aarbij h et verm ogen in de m eest rechtse re so n a to r m et behulp van een koppellus coaxiaal w o rd t uitgevoerd. D e w erking be­ ru st erop, d a t electronen die door de Fig. 2. cathode K w orden geëm itteerd in de de ruim te A in w isselw erking tred en m et h et hoogfrequente electrische veld van de reso n ato ren R. H e t m agneetveld geeft de electronen een zodanige tang en tiale snel­ heid, d a t ze v o o rtd u ren d in een electrischveld verkeren, w a a r ze energie afgeven. H e t veld en de energie-uitw isseling in de w isselw erkingsruim te zullen w e nu n a d e r bekijken.

2 . H et resonantiesystecm. D e ach t reso n ato ren die in fig. 2 zijn geschetst, k an men op­ v a tte n als L-C kringen. D e zelfinductie w o rd t hoofdzakelijk ge­

289

Magnetrons

vorm d door h et cylindrische deel, de cap aciteit door het sp ieet­ vorm ige deel. Tengevolge van h et skineffect loop t de stroom slechts in een dunne o p p erv lak te laag m et een dikte van orde I [ i . N em en we aan, d a t alle reso n ato ren gelijk zijn en sym m e­ trisch g ep laatst, dan zijn er verschillende trillingsw ijzen of m odes mogelijk elk m et een eigen co n stan t faseverschil tussen opeen­ volgende trilholten. D eze faseverschuiving ep m oet voor een s ta ­ tionaire to estan d bij N trilh o lten u ite ra a rd aan de eis voldoen d a t Nep = 7 1 . 2 T i f w aarin 11 een geheel getal is. D e koppeling van de trilh o lten is gedeeltelijk inductief tengevolge van k ra c h t­ lijnen van de ene trilholte, die in de an d ere doordringen en ge­ deeltelijk capacitief tengevolge van de cap aciteit tussen de cathode en de anode gedeelten tussen de trilholten. In fig. 3 zijn de fasen

F ig. 3.

w eergegeven van de ach t trilh o lten voor verschillende w a a r­ den van h et m odegetal n . D e trilh o lten zijn genum m erd ‘I t/m 8 en de pijl bij elk num m er geeft de fase van de corresponderende trilholte aan. In de eerste figuur n = I b e d ra a g t de fased raaiing bij rondgang langs alle trilh o lten 2 n en het faseverschil tussen tw ee opeenvolgende is dus — . Bij n — 2 is dit tw eem aal 4 zo groot, bij n = 3 driem aal enz. Bij n = 4 zijn naburige trilholten in tegenfase. W ij zien tevens d a t er geen essentieel verschil is tussen de gevallen n — 3 en n = 5. D e velden in de w isselw erkingsruim te zijn n. 1. hetzelfde, alleen bij n — 3 d ra a it h et veld rechtsom , bij n = 5 linksom . E venzo is er geen verschil in veldverdeling tussen n — 2 en n — 6 en tussen n = 1 en n — 7, H e t geval n — 9 is w eer iden­ tiek m et n = 1 enz. V oegen w e nog een n — O trillingsw ijze toe, w aarbij alle reso n ato ren in dezelfde fase trillen, dan hebben w e er to ta a l dus ach t in overeenstem m ing m et h et a a n ta l tril­ holten. Bij elk van deze trillingsw ijzen hoort een b ep aalde eigemfrequentie, de frequentie w aarm ee het systeem vrij u ittrilt, m et dien v erstan d e d a t bij n — 3 en n — 5 enz. dezelfde eigenfrequentie hoort. In fig. 4 is de eigengolflengte uitgezet als funtie van

290

P. H. J. A. Kleijnen

h et m odegetal n voor een systeem , w a arin de capacitieve koppeling overw eegt. D it z.g. m odespectrum kan men als volgt berekenen. Bij een b ep aald e n kijkt men vanuit de punten P en Q (fig. 2 ) ach tereen ­ volgens in de w isselw erkingsruim te en in de re so n a to r en ste lt de im pedanties die men ziet aan e lk a a r gelijk. D e vergelijking die men aldus krijgt, geeft opgelost n a a r co de eigenfrequentie voor de betreffende mode. S trik t genom en k an men bij deze hoge frequenties niet spreken van een im pe­ dantie P en Q , om dat de spanning van de in teg ratiew eg tussen deze punten afh an g t. K iest men ech ter voor de definitie van beide im pedanties als in teg ratiew eg de rechte lijn PQ, dan m aak t men een zeer geringe fout. O m de im pedantie van de w isselw erkingsruim te te berekenen lo st men de golfvergelijking b.v. in]Zi<9 (tangentiale v eld sterk te) op voor deze ruim te m et de volgende ran d v o o rw aard en , E q is nul aan de cathode en evenzo langs de anode, behalve in de spleten van de reso n ato ren , w a a r E q co n stan t genom en w o rd t m et dezelfde am plitude voor alle spleten doch een co n stan t faseverschil tussen opeenvolgende. In teg ratie van E s van P n a a r Q geeft dan de spanning en de H (m agnetische v eld sterk te die men uit E afleidt) geeft de stroom die bij P of Q door het o p p er­ vlak van h et m etaal loopt. V olgens hetzelfde procédé lost men de golfvergelijking voor de re so n a to r op en b e p a a lt de im pedantie tussen P en Q kijkende in de reso n ato r. D eze berekeningen zijn nogal ingew ikkeld en w einig doorzichtig 2) en w e zullen daarom een andere beschouw ings­ wijze aangeven die een behoorlijk q u a litatief inzicht geeft in h et frequentiespectrum . W e nem en aan, d a t de koppeling alleen p la a ts heeft via de cap aciteit C van de anodesectoren ten op­ zichte van de cathode en denken ons de reso n ato ren vervangen door kringen, m et zelfinductie L 0 en cap aciteit C0. W e krijgen dan een vervangingsschem a volgens fig. 5 m et ach t secties m et dien v erstan d e d a t begin en einde van de transm issielijn m et e lk a a r w o rden verbonden. D e eigenschappen van een dergelijke lijn kunnen volgens de bekende procéd é’s w o rden berek end 3 ). M a a r ook zonder berekening kan men w el het frequentiespectrum in grote trek k en vastleggen. V o o r het Fig 5.

291

Magnetrons

beschouw en van de n — 4 mode vervangen w e de koppelcapaciteit C door tw eem aal Cj2 p arallel en krijgen dan h et schem a van fig. 6. O m d a t naburige kringen bij deze mode in tegenfase zijn, loopt C h tussen A en B geen stroom en even­ =r=rJ min tussen C en D. W ij kunnen dus doorsneden aan g eb rach t denken bij .1 a en b en de eigenfrequentie w o rd t dus b ep aald door L m et d a a ra a n Fig.6. p a ra lle l C0 + Cƒ4. Bij de n = 2 mode is de faseverschuiving 2 n over vier secties. W e denken ons nu een n a a r links en een n a a r rechts lopende golf van deze mode, zod at w e een staan d e golf krijgen, w aarbij w e nog de beide lopende golven ruim telijk zo plaatsen, d a t de punten E en F (zie fig. 7 ) dezelfde spanning hebben. T ussen E en F loop t dan geen stroom . H etzelfde geldt voor G en H. W ij kunnen dus doorsneden c e n d aan g eb rach t denken en de eigen­ frequentie w o rd t dus b ep aald door L 0 m et d a a ra a n p arallel C0 + Cl 2. D e eigen golflengte van de 2-mode is dus g ro te r dan die van de 4-mode en beide zijn F is . 7. g ro te r dan die van de kring L — C0 alleen. D it v e rk la a rt de relatieve ligging van de n — 2 en n = 4 punten in fig. 4 . V o o r de and ere punten kunnen w e inzien, d a t m et toenem ende n de frequentie m oet toenem en. Im m ers vergelijken w e tw ee gevallen m et gelijke stroom am plituden \IX — |/2| (fig. 8) doch v e r­ schillende n} dan b ete k en t grotere n L v. gro tere faseverschuiving tussen I T en r' Ö ÖffN Ii i / 2, dus g ro tere f 3. N u is g ro tere / 3 "Ji HF in overeenstem m ing m et hogere fre ­ r quentie als Vx w einig v eran d ert. N u F ig. 8. hoeft m aar w einig te veranderen, om dat bij grotere n door de grotere faseverschuiving tussen a en b de spanning tussen a en b vrij sterk toeneem t en d it is in overeenstem m ing m et de hogere frequen­ tie en h et inductieve k a ra k te r van de kring. D a t de kring inductief is, volgt uit h et voorgaande w a a r w e gezien hebben d a t de eigen­ frequentie van de kring hoger is dan die van de verschillende m odes.

s=¥

0

0

292

P. H. J. A. Kleijnen

W ij zien in fig. 4 , d a t h et frequentieverschil tussen de 3- en 4-mode betrekkelijk gering is, een ongelukkige om standigheid, om dat men bij voorkeur h et m agnetron in de 4-m ode, ook w el genoem d Tr-mode w egens h et faseverschil n tussen opeenvolgen­ de trilholten , la a t oscilleren. S toringen d o o r aan slaan van n a ­ burige m odes tred en dan gem akkelijk op. D a a r kom t nog bij, d a t tengevolge van de koppeling door w ederzijdse inductie van de trilholten h et mode spectrum nog veel ongunstiger is dan in fig. 4 is geschetst. In p la a ts van de krom m e a (fig. 9 ) vindt men dikw ijls b en soms zelfs om­ kering van het frequentieverloop (krom m e c). D e m iddelen die m en h e e ft om de scheiding tu ssen de -m ode en de n ab u rig e m odes te v e r­ b e te re n b e s ta a n u it h et z.g. s tra p p e n en h et to e ­ p assen van h e t z.g. rising-sun sy steem . Fig. 9. Bij het stra p p e n v erb in d t men de anodesectoren om de andere door een goed geleidende m etalen band (zie fig. 10). V o o rz o v er men bij deze hoge fre ­ quenties van cap aciteit kan spreken, verhogen de stra p s de cap aciteit van de resonatoren , om dat ze een cap aciteit geven p arallel aan die van de anodespleten. D e gro o tte van deze cap aciteit hangt ech ter van h et m odegetal af, om dat m et de faseverschuiving tussen naburige trilh o lten ook de ladingsverdeling op de stra p s v eran d ert. D e stra p c a p a c ite it is h et g ro o tste voor de 71Fig. 10. mode en in een systeem w a a r de w ederzijdse inductiekoppeling belangrijk is. kunnen w e dus verw achten, d a t door h et stra p p e n een mode spectrum volgens a in fig. II o v e rg aat in b. D e m odescheiding volgens h et rising sun sy s­ teem , genoem d n a a r een uitvoeringsvorm van h et anodeblok geschetst in fig. 12, b e ru st op een an d er beginsel. Bij d it systeem hebben w e langs de anode afw isselend g ro tere en kleinere trilh o lten m et verschillende eigenfrequenties. D eze kan men w eer bereke— nen door aan de ingang van een anodesp leet de re so n a to r im pedantie gelijk te stellen aan de im pedantie van de w isselw erkingsruim te. O o k deze berekening 4 ) Fig. 12. zullen w e hier niet w eergeven m aar ons 71

Magnetrons

293

b ep erken to t een qualitatieve beschouw ing van h et m odespectrum . W ij nem en w eer aan, d a t de koppeling hoofdzakelijk capacitief is en vervangen de reso n ato ren w eer door L-C kringen w a arv an w e aannem en, d a t alleen de zelfinducties om de an d er verschillend zijn, zo d at w e h et vervangingsschem a van fig. 13 krijgen. A ls L 2 = AT krijgen w e h et mode spectrum van fig. 4 en w e kunnen ons afvragen, w a t er ge­ b e u rt als w e L 2 nu laten toenem en. In h et algem een zullen door de grotere zelfinducties de eigenfrequenties dan w el toenem en, alleen m et de n — 2 mode is er iets bijzonders aan de hand. E venals in fig. 7 kunnen w e im m ers w eer een staan d e golf opbouw en uit tw ee in tegengestelde richting lopende gol­ ven, m aar als L z niet gelijk is aan L 2, kunnen w e nog tw ee verschil­ lende m ogelijkheden onderscheiden w eergegeven in 13 b en c. In het eerste geval s ta a t er alleen spanning op de sectie B C en de eigenfrequentie is bep aald door L2 m et d a a ra a n p arallel Cj + C/2, in het tw eede geval s ta a t er alleen spanning op de secties die L x b ev atten en de eigenlrequentie w o rd t dus b ep aald door L r m et d a a ra a n p arallel Cx + C/2. W ij zien dus, d a t door L 2 g ro ter te m aken dan L T de n = 2 mode er een nieuw e grotere eigenfrequentie bijgekregen heeft. D e oorspronkelijke golflengtekrom m e a (zie fig. 14 ) behorende bij L x — L2 g a a t hierd o o r bij iets gro tere L 2 over in de krom m e b die een nog slechtere scheiding geeft tussen de jt mode en zijn buren. L a a t men L 2 ech ter v erd er toenem en, dan w o rd t deze scheiding, zoals krom m e c la a t zien, vrij groot. D e gew enste scheiding in golf­ lengte van 5 ^ lO% kan door de trilh o lten op een geschikte wijze te dim ensioneren gem akkelijk w orden b ereik t. H e t rising sun systeem is vooral belangrijk voor het m aken van m agnetrons voor kleine golflengten. D e stra p s zouden dan zo klein zijn, d a t men uit m echanisch oogpunt in m oeilijkheden g eraak t. V o o r stra p s ligt de grens bij een golflengte van on­ geveer 3 cm , terw ijl men m et het rising sun principe to t 3 mm gekom en is. H e t a a n ta l trilholten ligt m eestal tussen l8 en 38.

294

P. H. J. A. Kleijnen

H e t reso n ato rsy steem w o rd t gem aakt door een stalen stem pel m et een doorsnede volgens fig. 12. bij k am ertem p eratu u r of bij hogere te m p e ra tu u r in een blok k o p er te drukken. T er oriën­ tering geven w e in o n d erstaan d e tab e l de afm etingen voor een 3 cm anode blok m et l8 trilholten volgens fig. 12. D iam eter an o d eg at I J mm D iam eter cirkel kleine trilh o lten 20 mm >9 » grote „ 25 mm A node hoogte „ 20 mm W ij keren nu teru g to t het blok m et ach t gelijke trilh o lten en bekijken h e t veld in de w isselw erkingsruim te iets nader. In de eerste p la a ts m erken w e op, d a t w e door de constante faseverschuiving tussen opeenvolgende trilh o lten van rondlopende golven kunnen spreken. D eze hebben voor verschillende m odes verschillende snelheid. N em en w e b v. de n = I mode dan is de faseverschuiving tu ssen opeenvolgende reso n ato ren 2jt/8 ; dit w il zeggen, d a t men 1/8 periode la te r onder de naburige re so n a to r hetzelfde veld terugvindt. In een volle periode loopt h et veld dus eenm aal rond. V o o r de u = 2 mode is de faseverschuiving 2tt/4 en in een volle periode legt h et veld dus slechts de helft van de om trek af. H ie ru it volgt, d a t de om looptijd van de golf evenredig is m et n X. D it w il niet zeggen, d a t w e kunnen denken aan een al ol niet sinusvorm ige veldverdeling die m et een con­ sta n te snelheid, die evenredig is m et l / nX, rondloopt. D e zaak is gecom pliceerder. B ekijken we b.v. de tang entiale com ponent E o van de electrische v eld sterk te vlak langs de anode in de n — I mode. In de spleten is E q vrijw el co n stan t van am plitude, m aar de fase verloopt per spleet m et 2 n/S. T ussen de spleten langs h et ano dem etaal is E q = O zo d at w e voor E q als functie van O iets krijgen als in fig. 15 is geschetst. D e cijfers zijn ge­ p la a ts t bij h et m idden van opeen­ volgende spleten. A ls de tijd toeneem t, g a a t de hoogte van de rechthoekjes periodiek op en neer op een wijze, Fig. 15. die verkregen w o rd t door de geteken­ de sinuslijn m et een bij de n — I mode passende snelheid te laten lopen en daarbij in contact te laten m et h et m idden van de segm enten a. H ieru it volgt d a t het veld periodiek van vorm v eran d ert, m aar om de ach tste periode n.1. als de sinus over 2 71/8 verschoven is, vinden w e hetzelfde veld

Magnetrons

295

terug. D it periodiek veran d eren d veld kan men m et de Fourieran aly se ontleden en men vindt dan de z.g. H a rtre e harm onischen. E r zijn er die n a a r links en w eer and ere m et and ere golflengten die n a a r rechts lopen, m aar de golflengte is evenredig m et de snelheid zod at de frequentie voor alle dezelfde is. O ok hoeft de verhouding tussen de golflengten van de grondgolf en de harm onischen geen geheel getal te zijn. Z o vindt men b.v. bij n — I rech ts om lopende golven m et een golflengteverhouding I : 1 / 9 : 1 / 1 7 : enz, en links om lopende golven m et een golflengte­ verhouding 1/7 : 1/15 : 1/23 : enz. V o o r n = 4 zijn deze reeksen resp. 1 : 3 : 5 : 7 : enz. en 1 : 3 : 5 : 7 : enz. D eze zijn gelijk om dat men in de 4-mode geen onderscheid kan m aken tussen een lopende en een staan d e golf. V e rw ijd e rt men zich van de anode dan vindt men een m eer afgeronde verdeling dan in fig. 15 is aangegeven. D it w il zeggen, d a t in de b u u rt van de cathode de hogere harm onischen re la ­ tief een kleinere am plitude hebben. D e H a rtre e harm onischen zijn van belang om dat ze een om­ loopsnelheid kunnen hebben, die dicht ligt bij de snelheid van de golf die men v ersterk en wil. N a a s t de gew enste mode kan dan ook de mode horende bij de harm onische w orden aan g e­ sto ten hetgeen aanleiding geeft to t ernstige storingen. In het voorgaande hebben w e aangenom en, d a t het veld niet v e ra n d e rt in de richting van de as van het anodeblok. B eschouw en w e het blok als een stuk golfpijp m et de gecom pliceerde d w a rsd o o r­ snede van fig. 2, dan is het duidelijk d a t er bij alle boven b e­ schreven m odes nog verschillende trillingsw ijzen mogelijk zijn. H e t veld kan nog periodiek langs de as v eran d eren m et een of m eer golflengten die b ep aald w orden door de wijze van a f­ sluiten van het blok aan de einden. O ok deze z.g. axiale modes kunnen onder om standigheden aanleiding geven to t ernstige sto ­ ringen.

3 . De wisselwerking tusse?i electro?ien en het veld. In de ruim te tussen de cathode en de anode h eeft er een energetische w isselw erking p la a ts tussen de electronen en het electrische veld. D eze is van dien aard , d a t de electronen m eer energie aan het veld afgeven dan zij er uit opnem en w a a rd o o r eventueel aanw ezige oscillaties w orden v e rste rk t. O m d it verschijnsel te v erk laren beschouw en w e e e rst h et in fig. 16 geschetste geval w aarbij er geen w isselspanning op de

296

P. H. J. A. Kleijnen

reso n ato ren sta a t. A lle anodesectoren hebben dan dezelfde positieve spanning ten opzichte van de cathode K die overvloedig electronen em itteert. H e t electrische veld is dan practisch hom ogeen en bij a a n w e ­ zigheid van een m agnetisch veld B loodrecht op h et vlak van tekening beschrijven de electronen de geschetste op cycloïden lijkende banen. D eze banen zijn hetzelfde voor alle electronen onai hankehjk van het p u n t op de cathode w a a r ze zijn v er­ trokken. D e electronen nem en op hun w eg n a a r de anode toe energie op m aar geven deze na h et p asseren van h et om keerpun t w eer volledig af, zod at ze w eer zonder snelheid aan de cathode aankom en. S ta a t er d aaren teg en w isselspanning op de reso n ato ren , dan zijn de anodesectoren afw isselend m eer en m inder positief en w e krijgen een veld verdeling, die op een b ep aald ogenblik eru it kan zien als in fig. 17 is geschetst. D e pijlen in de krachtlijnen geven de richting van de electrische k ra c h t op electronen aan. Als w e nu electronen vergelijken die zich bij deze veldverdeling in de zonen A en B bevinden, dan zien w e d a t de electronen bij A door het veld w orden v e rtra a g d , om dat de electrische k ra c h t een com ponent heeft tegengesteld gericht aan de snelheid. Bij b d aaren teg en verhoogt h et electrische veld de electronensnelheid. H e t re s u lta a t is dan ook, d a t een electron d a t in de zone A heeft gelopen de cathode niet m eer kan bereiken, m aar te r p laatse P een snelheid nul heeft. D e electronen van zone B d aaren teg en hebben ex tra snelheid gew onnen en schieten m et een behoorlijke snelheid in de cathode. D e energie die het ene electron opneem t is ongeveer gelijk aan die het and ere afgeeft en er blijlt to t nu toe w einig over voor de v ersterk in g van het veld. H e t electron a ech ter s ta rt in P opnieuw en doorloopt w eer een cyclus, w aarbij het in h et gelijkstroom veld energie opneem t en deze w eer afg eelt aan het hoogfrequent veld. W ij m oeten er hierbij aan denken d a t tegen de tijd d a t h et electron a in zone B kom t ook het hoogfrequente veld van teken is om­ gekeerd, zod at het d a a r dan hetzelfde veld a a n tre ft als e e rst in A . E lectro n en van h et ty p e a zetten op deze wijze in een a a n ta l lusvorm ige bew egingen gelijkstroom energie om in hoogfrequente-energie en kom en m et berekkelijk kleine snelheid op de

Magnetrons

29 7

anode aan. D ie van h et ty p e b nem en in de eerste lus energie op, m aar w orden dan ook m eteen m tgeschakeld. H ierd o o r w o rd t h et hoge electronische rendem ent van het m agnetron v erk laard . V an de gelijkstroom energie e V g a a t imm ers alleen verloren de kleine energie w aarm ee de electronen op de anode aankom en en de energie die electronen van het ty p e b aan de cathode a(geven, die hierdo or e x tra w o rd t verw arm d. A ls wi) de electronen bew eging van het ty p e ci n ad er o n d er­ zoeken, dan blijkt d a t electronen, die iets voor zijn op het electro n d a t m axim ale energie algeeft, een kleinere gem iddelde tangentiale snelheid krijgen. E lectronen die ach ter zijn krijgen een grotere snelheid zodat er een ,,bunching van de electronen opti eedt rondom de electronen die m axim ale energie afgeven, hetgeen de energie-uitw isseling ten goede kom t. U it het voorgaande is h e t d u i d e l i j k , d a t de gem iddelde tangentiale snelheid van de electronen gelijk m oet zijn aan de snelheid van het veld. V e rd e r zijn er op een bepaald ogenblik zones op de cathode die a electronen en zones die b electronen geven. D eze zones w orden b ep aald door h et veld en lopen dus m et de­ zelfde snelheid als het veld rondom de cathode. D e a electro ­ nen veroorzaken een veel g rotere ruim telading dan de b elec­ tro n en die m aar even in cathode-anoderuim te kom en en we kunnen in deze ruim te dus een a a n ta l ruim teladingsspaken v er­ w achten. U it Fig. 17 volgt, d a t w e een sp aak per golflengte van h et veld in de w isselw erkingsruim te krijgen. D e n — I mode geeft dus één spaak , de n = 2 mode tw ee enz. A ls de electronenbew eging in het veld bekend is, kan men d a a ru it de vorm en de ladingsverdeling in de spaken bepalen. W e zullen d it illu streren m et behulp van de bekende ro teren d e tu in sproeier of de zon uit de vuurw erkindu strie. D eze a p p a ra ­ ten hebben ro teren d e arm en a (fig. 18 ) die aan hun om trek tan g en tiaal w egvliegende deeltjes loslaten, die een rechtlijnige eenparige bew eging hebben. W a t men ziet, is ech ter een sp iraalb aan A B' C' P' die verkregen w o rd t door de baanlengten B B , CC enz. evenredig te nem en m et de vliegtijd van de deeltjes, dus evenredig m et de hoek w a aro v er de arm a sed ert hun v e rtre k gedraaid is. M en kan de b aa n dus verkrijgen door de rechtlijnige bew eging van het deeltje te projecteren op een vlak d a t m et de arm m eedraait. P assen w e d it procédé toe op de electronenbanen uit fig. 17

298

P. H. J. A. Kleijnen

d.w .z. projecteren w e de b aan op een vlak, d a t m et h et veld m ee­ d ra a it, dan vinden w e b.v. voor de u — 4 mode een sp ak en p atro o n zoals in fig. 19 is geschetst. D e pijl geeft de d raairich tin g van het spakenw iel aan. H e t synchronism e tussen de electronen en h et electrische veld w o rd t verkregen door h et kiezen van een geschikte verho u­ ding tussen de anodespanning en de m ag­ netische v eld sterk te. D e berekening van de passende w a ard en is voor het algem ene geval m et ruim telading vrij gecom pliceerd, m aar als w e de ruim telading verw aarlozen en veronderstellen d a t w e h et cylindrische geval als vlak mogen beschouw en, dan krijgen w e de eenvoudige electro n en b aan die in fig. 20 is geschetst. D eze b aan a is een cycloide die o n sta a t doo r een cirkel te laten rollen over de cathode. D e s tra a l r en de hoeksnelheid co van deze cirkel zijn gegeven door F ig. 20. m E eB r = ------co = — . eB m H ierin zijn e en m resp. de lading en de m assa van h et electro n en E en B resp. de electrische en de m agnetische v eld ­ ste rk te . D e gem iddelde snelheid van de electronen is gelijk aan E de snelheid van h et m iddelpnnt van de c irk e l: v — co r = — B * D e snelheid vn van h et veld is bij benadering gegeven door 2 n r 2 n rc n Tn n ln H ierin is r h et gem iddelde tussen de s tra a l van de cathode en die van de anode en T n de trillingstijd van oscillaties van de /z-mode. A ls deze grove benadering geb ru ikt mag w o rden is dus bij w erking in de jr-mode 2 n rc E n ln B N em en w e b.v. de 2 / 3 2 5 ), een m agnetron m et X, = 10,7 cm d a t o.a. w e rk t bij E = 3,15 106 — en B = o, 17 en w aarm m voor 2 71 r — 0,0346 m dan vinden we voor het linkerlid 2,43 IO en voor het rechter 1,85 IO . 7

7

299

Magnetrons —

Fig. 21 geeft de Ia — Va k a ra k te ristie k Q gM /m L --- /X 1 van d it m agnetron, de —' / / 20 ✓ \ / ✓ \ X. —■— 7’^ z.g.perform ance chart. /I X. / / 1\ y ------- —y y - W ij zien d a t bij ge­ is o j^ k /a P ----Vy X y geven B l6 ~ T/~ \ de anode___/ 1 y —— y ___o jM & ------- _-XX------✓ ^ spanning m aar w einig 1 \ y V \ __ v eran d ert. D e om loop­ --- -----------12 -— --—“ snelheid van de elec•• E m oet imm ers tronen — »5 -------------- To Z ts * B -la co n stan t blijven. V e r­ F ig. 21. der zijn in h et diagram lijnen van co n stan t verm ogen en co n stan t rendem ent getekend. O m een indruk te krijgen van de g ro o tte orde d er im pedanties geven w e in fig. 22 nog een vervangingsschem a voor een be­ p aald w e rk p u n t van hetzelf de m ag­ netron. D e ach t reso n ato ren zijn hierbij p a ralle l geschakeld gedacht en zijn dan aeq uivalent m et een F ig. 22. L-C kring w a a rv a n L = 5*10 ° H en C = 6,3 p F . D e koperverliezen d er reso n ato ren w orden v e r­ tegenw oordigd door de w eerstan d Rk — 14-000 Q, D e belastingsw e e rsta n d R /, is 6oo Q . D e w isselw erking van de electronen m et deze schakeling kan w orden g e ïn terp re teerd als een electronische im pedantie b estaan d e uit R e — 6oo Q p arallel aan een capacitieve im pedantie van 5°0 Q . D eze getallen gelden Wb voor een w e rk p u n t w a arin V — 12,3 k V, Ia — 12,5 A, B — 0 ,13 M - t P = 80 k W en r\ = 52°/0. D e w isselspanning op de reso n ato ren is daarbij 7 k

r

-----

1

__-

•

^0

0

5

*0

v.f f.

1) 2) 3) 4) 5)

Literatuur. W ir. Eng. 12 , 1935 blz. 126. M icrow ave M agnetrons blz. 56

K. P o s t h u m u s : G , B. C o l l i n s : e.v. o.a. S. A. Schelkunoff Electrom agnetic W a v e s blz. 105 e.v. Collins blz. 83 e.v. Collins blz. 751 e.v.

Deel X V III No. 5/6, Nov. 1953

301

Het Havenradarsysteem voor Rotterdam en de Nieuwe W aterweg door N. Schimmel 1) SUMMARY A descrip tion is given oi the h a rb o u r ra d a r system for R o tterd am and the N e w W a te rw a y . T he equipm ent now u n d er co n stru ctio n is discussed and a sh o rt acco u n t o f the o p eratio n al p ro ced u re and the m easurin g m e­ thods is given. It is an tic ip a te d th a t the system w ill be com pleted by 1955.

18 S eptem ber 1953 w erd de eerste steen gelegd voor de gebouw en, w elke de a p p iira tu u r zullen herbergen voor d it ra d a r­ systeem . Bij deze gelegenheid heeft de S ta a tsse c re ta ris van M arine, die deze plechtigheid v errich tte, als zijn overtu iging uitgesproken, d a t dit rad arsy steem , w an n eer het eenm aal com­ pleet in bedrijf zal zijn, een voorbeeld genoemd zal kunnen w orden voor alle havens van de w ere ld. Al zal de o p e ra tio ­ nele ingebruiknem ing eerst in 1955 kunnen plaatsvinden, thans moge hier reeds een k o rt overzicht w orden gegeven van de voorgeschiedenis van d it S3rsteem en van de toe te passen a p p a ­ ratu u r, w elke thans in aanbouw is bij de N ed erlan d se industrie. Ben uiteenzetting van de operationele procedure zal eveneens wo rd en gegeven. O

p

Het Systeem. H e t N ederlandsch R a d a r P ro efstatio n ontving in A pril 1949 o p d rach t van de G em eente R o tterd am om een door h a a r in 1948 van de Staatscom m issie O nderzoek R adiotechnische H u lp ­ m iddelen voor de N avigatie ontvangen o n tw erp „R ad arlo o d sdienst voor de N ieuw e W a te rw e g ” n ad er uit te w erken. Deze o p d rach t om vatte o.m. het vaststellen van het minimum a a n ta l ra d a rsta tio n s, d a t vereist is om een volledig ra d a r overzichG te verkrijgen over de rivier, de ingangen van de havens en het ') N ed . R a d a r P ro e fsta tio n , N o o rd w ijk aan Z ee.

N. Schimmel

302

, * . ' j if 1 - /N . *• 1 'y \

* »

\

-

\

>

'~rr'

/

/ }\!

i «

1

J

■'

V

A *i f ­ fy 1 ., .

1

: ( \ - ; ,f

/

4' r. VS 1 '

*’ * ' i;

7

\

*-> "

;

j l*.

!(

! V i i

‘r -

K (

-

t

'

1 r

1 J ♦» »

i

f

V ...

F oto : N ed. R adar proefstation

Havenradar Rotterdam en Nieuwe Waterweg

303

F oto : N ed. R adar proefstation.

304

i

1l

STATION 1 HOEK VAN HOLLAND

N. Schimmel

R a d a rs!a tio n s langs de N ie u w e W a te rw e g .

Havenradar Rotterdam en Nieuwe Waterweg

305

kustgebied voor H o ek van H o lland, h et bepalen van de uit ra d a r oogpunt m eest gunstige o p stellin g sp laatsen van deze s ta ­ tions, en het opstellen van een volledig o n tw erp mede om vat­ tende h et v aststellen van de specificaties w a a ra a n de a p p a ra ­ tu u r zou m oeten voldoen. Bij dit onderzoek w erd gebruik gem aakt van een gem akkelijk v e rp la a tsb a re ra d a ra p p a ra tu u r, w a a rv a n de antenne g e p la a tst w erd op een uitneem bare lichtm etalen toren. V a n iedere op­ stelling w erden fo to s van h et ra d a rb e e ld vervaard igd, w a a ru it een m ozaïek is sam engesteld, hetw elk in fig. 1 is w eergegeven. O p g em erk t zij, d a t de destijds gebruikte a p p a ra tu u r een im puls­ lengte had van 0,25 m icroseconde en de antenne een bundelbreed te had van 1.2°, z o d at de k w a lite it van d it beeld niet als voorbeeld kan w orden beschouw d van w a t m et de uiteindelijke a p p a ra tu u r b ereik t kan w orden. H e t is hier niet de p la a ts uitvoerig in te gaan op de vele aspecten van h et probleem om een zeker v a a rw a te r m et een minimum a a n ta l ra d a rsta tio n s uit te rusten, w aarm ee toch een volledig rad aro v erzich t verkregen kan w o rd en ; v o lstaan moge dan ook w orden m et voor de uiteindelijke ligging d e r stations te verw ijzen n a a r fig. 2 w a a r deze punten zijn afgebeeld o p e en zeer vereenvoudigde k a a rt van de N ieuw e W a te rw e g . H e t hoofddoel van een h av en rad arsy steem is tw eeërlei: 1.

H e t geven van nauw keurige positie inform atie aan het schip, d a t g eassisteerd w o rd t, en w el op een wijze, w elke zo dicht mogelijk aan slu it bij de to t nu toe gegebruikte m ethode van navigeren. 2 . H e t v erstrek k en van positie iniorm atie van andere schepen in de nabijheid en van alle andere gegevens, w elke van nut kunnen zijn voor de bevordering van de veiligheid van de navigatie. Teneinde de boven om schreven ta a k , en m eer in het bijzonder de onder 1 genoem de, m et succes te kunnen vervullen, zijn spe­ ciale m eet- en afleesm ethodes noodzakelijk gebleken. H e t ge­ bruik van panoram ascherm en blijft noodzakelijk te r verkrijging van een algem een overzicht, doch de to t dusverre elders ge­ bruikte ra ste rs, w elke gegraveerd w orden in doorzichtig m ate­ riaal, d a t voor de k ath o d estraalb u is w o rd t aan g eb rach t, konden de voor riviernavigatie vereiste nauw keurigheid niet garan deren. Bij het statio n H oek van H o llan d zouden de gebruikelijke sy-

306

N. Schimmel

sternen m et m echanische peillijnen v erd e r geleid hebben to t h et noodzakelijkerw ijze verschuiven van h et ra d a rb e e ld op zodanige wijze, d a t m idden havenm ond sam envalt m et het geom etrische m iddelpunt van h et scherm , w a a rd o o r een ongew enst groot gedeelte van het ach terlan d zou w orden afgebeeld, en h et zeegedeelte voor de havenm ond, w a a r h et hier ju ist om gaat, op een te kleine schaal zou m oeten w orden w eergegeven. D e fouten in de aflezing ten gevolge van de bij deze m echanisch-optische system en altijd optredende p a ra lla x m aakten h et zeer gew enst d a t een onderzoek w erd aangevangen n a a r een nau w keu rig er m ethode om het gestelde doel te verw ezenlijken. U it dit o n d er­ zoek, d a t v errich t w erd door h et N ed erlan d sch R a d a r P ro e f­ station, is een m eetsysteem goboren, bekend onder de naam R aplot, d a t in de prak tijk reeds bew ezen heeft aan de gestel­ de eisen van nauw keurigheid en snelle aflezing te kunnen voldoen. M e t deze m ethode is h et mogelijk op electronische wijze een do or 2 w illekeurige punten op h et scherm b ep aalde richting en afstan d te m eten. V o lsta a n moge hier w orden m et een beschrij­ ving van de m eetm ethode. W a n n e e r men b.v. de p la a ts van een schip w il bepalen als peiling en afstan d en ten opzichte van een zeker pun t P t dan kan door een eenvoudige schroevend raaierinstellin g h et beginpunt van de electronische peillijn sam envallend w orden gem aakt m et p u n t P . D e ra d a rw a a rn e m e r heeft nu voor alle m etingen vanuit pun t P slechts de volgende handelingen te verrichten. Hij tr a p t op een v o etsch ak elaar en op h et beeld verschijnt een rechte lijn vanuit pun t P. M e t de rech terh an d kan hij door h et v erd raaien van een knop op de fro n tp la a t deze lijn om P laten draaien. D e richting van de lijn w o rd t steeds door een aan de knop gekoppelde schaal aan ge­ geven. Hij zal dus de lijn door de echo van h et schip brengen en leest de peiling d irect of. M et de linkerhand b ren g t hij een v ariab el afstandm erk eveneens to t dekking met de gekozen echo en leest op de bijbehorende schaal de afstan d to t pun t P af. In de p rak tijk kan een dergelijke m eting binnen 2 se­ conden voltooid zijn. D e fout tengevolge van p a ra lla x is n ag e­ noeg verdw enen, slechts re s te e rt nog de p a ra lla x fout bij het aflezen van de schalen, doch deze kan bij een goede construc­ tie v e rw a a rlo o sb a a r klein gem aakt w orden. D eze m etingen kunnen zow el bij gecentreerd als bij verschoven beeld even eenvoudig p la a ts vinden. D e nauw keurigheid van d it systeem w erd gecontroleerd door vergelijking van de op een rad arsch erm gem eten afstan d en en richtingen tussen kerk-

Havenradar Rotterdam en Nieuwe Waterweg

307

to ren s en w a te rto re n s, w a a rv a n de terrestrisch e coördinaten bekend zijn, m et de uit deze coördinaten berekende overeen­ kom stige grootheden en w el bij gecentreerd beeld en bij een d rie ta l verschoven beeldinstellingen. Bij een beelddiam eter van 16 km resu lteerd en de berekeningen in een m iddelbare fout in afstan d van 6 m eter en een m iddel­ b are hoekfout van 9 '. M e t de to t voor k o rt gebruikelijke me­ thoden w as een dergelijke m eetnauw keurigheid bij gebruik van een panoram ascherm nim m er bereikt. H e t R ap lo t systeem m aakt h et ook mogelijk een a a n ta l rechte lijnen in de k a a rt op het h et ra d a rb e e ld af te beelden. H ie rd o o r w erd het dus mogelijk de voor de navigatie zo belangrijke rechte lijnen als havenassen, lichtenlijnen enz. m et grote nauw keurigheid op het ra d a rb e e ld w e er te geven en op de juiste wijze te voldoen aan de eis om de positie inform atie aan schepen te v erstrek k en op een wijze die direct aan slu it op de norm ale navigatorische praktijk.

De apparatuur . Bij electronische hulpm iddelen voor de navigatie dient altijd gestreefd te w orden n a a r de g ro o tst mogelijke bedrijfszekerheid. D o o r h et kiezen van goede onderdelen w elke niet to t de m axim aal toegelaten w a a rd e n w erden b elast, kan een zekere bedrijfszekerheid w orden bereikt, doch ondanks de belangrijke recente ontw ikkelingen op het gebied van buizen m et lange levensduur, is het bij de huidige stan d van de techniek nog niet mogelijk een electronische a p p a ra tu u r te bouw en die onder alle om standigheden gedurende een zeker tijdsbestek zonder storing zal w erken. In v erband m et de zo zeer gew enste albeeldm g van het v a a rw a te r op een grote schaal, w as toch reeds de noodzakelijkheid n a a r voren gekom en op ieder statio n het riviergedeelte af te beelden op een tw e e ta l indicatoren. D oor nu deze indicatoren geheel onafhankelijk uit te voeren is h et mogelijk in geval van storing in één van de tw ee de andere de ta a k van beide te doen vervullen door het gehele gebied van het betreffende statio n — op een w e lisw aar gereduceerde schaal — af te beelden. Bij het om schakelen van h et bereik w orden gelijktijdig de lichtenlijnen en de peillijn op hun nieuw e posities ingesteld. D o o r nu ook de zender-ontvangers te dupliceren, kon een zeer grote m ate van bedrijfszekerheid b ereik t w orden. D e eigen­ schappen van de a p p a ra tu u r kunnen afgeleid w orden uit onder-

308

N. Schimmel

staan d e technische gegevens. H e t statio n H o ek van H o lland zal nog de beschikking hebben over een derde in d icato r voor een overzichtsbereik op langere afstan d van h et zeegebied voor de k u st te r p laatse. Technische gegevens :

Zender. F requ entie Im pulspiek verm ogen Im pulsduur Im pulsrepetentie

Antenne. V orm B undelbreedte B ijbundel niveau o m w entelingssnelheid C onstructie

Ontvanger. M iddenfrequentie M id d en freq u en tb an d b reed te F requentieregeling k ly stro n T ijdsafhankelijke sterk tereg eling

Indicator. Scherm en O plossend verm ogen

voor ieder statio n te kiezen in de band 8900-9200 M H z. tenm inste I O k W . O. I m icroseconde. 2777 im p./sec. parabolische cylinder. horizo ntaal O.70, v erticaal 20 ° beide bun delbreed ten gem eten tussen de — 3 db punten. - 27 db t.o.v. niveau hoofdbundel. 18 om w./m in. de constructie is b estan d tegen w indsnelheden van 140 km /uur. G oede w erking bij w indsnelhe­ den to t 100 km /uur. 30 M H z. 18 M H z. D eze kan zow el m et de hand (vanaf de indicatoren) als a u to ­ m atisch plaatsvinden, h et niveau en de helling kunnen w orden ingesteld. a a n ta l 2, diam eter ca 38 cm. p er m iddellijn zijn tenm inste 400 stippen afzonderlijk w aarn eem ­ b a a r.

Havenradar Rotterdam en Nieuwe Waterweg A fstandsnauw keurigheid H oeknauw keurigheid peiling A fstandsbereik en B eeld verschuiving Peillijn Lichtenlijnen

309

b e te r dan 0.5% van de volle sch aalw aard e. b e te r dan 0.50. 2 bereiken, ieder in stelb a ar tu s­ sen 2000 en 5000 m eter, tenm inste 2/3 stra al, een peillijn m et v ariab el afstan d sm erk voor ieder scherm , m axim aal 3 lichtenlijnen kunnen p er scherm w orden afgebeeld.

De communicatie apparatuur. V o o r de goede w erking van een h av en rad arsy steem is een b etro u w b are radiotelefonische verbinding tussen de lan d statio n s en de schepen onontbeerlijk. Steunend op de ervaringen, w elke te IJm u id en m et de a ld a a r gebruikte portofoons w erd verkregen, is voor R o tterd am een uitgebreid systeem van radiotelefonen ontw orpen, w aarbij op de schepen gebruik zal w orden gem aakt van een d ra a g b a a r a p p a ra a t, w erkende in de IÓO M H z band. D eze w aterd ich te portofoon, voorzien van een tw a a lfta l k a n a ­ len en u itg eru st m et een ingebouw de lu id sp rek er w o rd t dan door de loods aan boord g eb rach t en na beëindiging van de v a a rt w ederom m edegenom en. Bij h et m odulatiesysteem is de keuze gevallen op frequentie m odulatie, terw ijl te r bereiking van de vereiste frequentie stab iliteit k ristalstu rin g is toegepast. D e ze nd- en ontvangfrequenties zijn voor iedere blok post v er­ schillend gekozen, zod at de kans op onderlinge storing uitge­ sloten is. V o o r h et eigenlijke h av en rad arsy steem w o rden 7 kanalen gebruikt, terw ijl zow el in H oek van H olland als in R o tterd am een ex tra k an aal te r beschikking is. M och t la te r een uitbreiding van het a a n ta l verbindingsm ogelijkheden w ense lijk blijken, dan staan dus nog 3 kan alen te r beschikking. D e v a st­ opgestelde radiotelefonen in de ra d a rsta tio n s zijn te r verkrij­ ging van een zo groot mogelijke bedrijfszekerheid van het com­ m unicatiesysteem gedupliceerd uitgevoerd. D o o r m iddel van eigen lijnen is voor ieder ra d a rsta tio n m et de naastbijliggende statio n s telefoonverbinding mogelijk.

De Operationele procedure. R eeds bij h et v aststellen van de eisen w a a ra a n de ra d a ra p p a ra tu u r zou m oeten voldoen stond natuurlijk in grote trek k en

310

N. Schimmel

een plan v a st voor de operationele procedure w elke hier ge­ volgd zou m oeten w orden. H e t w as u ite ra a rd niet mogelijk m et de b ep erk te a p p a ra tu u r w a a ro v e r men bij h et m obiele o n d er­ zoek beschikte zodanige proefnem ingen te verrichten , d a t een volledig plan kon w orden opgesteld voor de uit nautisch oog­ punt m eest gew enste operationele procedure. W e l heeft het re su lta a t van langdurige proefnem ingen, aan de N ieuw e W a te r ­ w eg en elders verricht, erto e geleid d a t m et zekerheid kon w orden vastgesteld w elke m eet- en af leesm ogelijkheden in de definitieve a p p a ra tu u r zouden m oeten w orden aan g eb rach t. H oe uiteinde­ lijk in de p rak tijk g ew erk t zal w orden zal mede afh angen van de ervaring, w elke in de eerste m aanden na het gereedkom en van h et systeem kan w orden verkregen. In grote trek k en kan de gang van zaken ech ter als volgt w orden gesch etst voor h et geval van een schip, d a t onder om standigheden van gereduceerd zicht R o tterd am v an u it zee w il bereiken. N a h et aan boord nem en van de loods w o rd t m et behulp van de door hem m ede­ gebrachte portofoon aan h et eerste statio n H oek van H o lland m edegedeeld, d a t schip A de loods aan boord heeft. H iero p zal het eerste statio n schip A de nodige gegevens v erstrek k en op grond w a arv an aan boord kan w orden besloten om binnen te lopen. D eze gegevens zullen o.m. om vatten m ededelingen b e ­ treffende andere schepen in h et v a a rw a te r, h et zicht te r p laa tse en eventueel v erd er stro o m o p w aarts. W aanneer de gezagvoer­ d er besluit om m et behulp van h a v en rad arassiste n tie binnen te te lopen, zal hiervan m ededeling w orden gedaan en h et eerste statio n begint de nodige inform atie te v erstrekken . W a n n e e r het schip eenm aal binnen is zal h et w eld ra de grens van h et gebied van h et eerste statio n bereiken. O p d it m om ent telefo ­ n e e rt statio n I over de eigen lijn n a a r statio n 2 d a t schip A b in n en k o rt op zijn scherm zal verschijnen. S tatio n 2 ziet nu schip A aan de ra n d van zijn bereik op het rad arsch erm verschij nen en m eldt d it aan statio n I, w a a ro p deze schip A m ede­ d eelt over te gaan op k a n aal 2, w aarbij dus statio n 2 de assi­ stentie overneem t. O p deze wijze v erd er gaande, doo rlo opt h et schip een a a n ta l of alle van de doo r de ra d a rsta tio n s b estrek en gebieden, afhankelijk van h et feit w elke haven, zijn bestem m ing is. V o o r uitgaande schepen vindt deze procedure p la a ts in om­ gekeerde volgorde. In de p rak tijk zal e e rst na een periode van oefening, w aarbij onder om standigheden van goed zicht h et systeem in w erking is een zeker v ertro u w en kunnen groeien in

Havenradar Rotterdam en Nieuwe Waterweg

311

de goede w erking en h et n u t van de inform aties, w elke aan boord w orden ontvangen. D eze oefening om vat dus zow el het personeel d a t de ra d a ra p p a ra tu u r m oet bedienen, als de loodsen die van de rad arin fo rm atie gebruik zullen m aken. D a t deze oefening tijd en inspanning zal vergen s ta a t v a st op grond van in andere havens opgedane ervaring. Im m ers een h a v e n ra d a r­ systeem van zodanige om vang als hier to t stan d kom t, vereist een grondige organ isatie om verzekerd te zijn van een efficiënt bedrijf. T en einde d it doel te bereiken zal er nog veel w erk verzet m oeten w orden, zow el van technische als van o p e ra tio ­ nele en organisatorische a a rd . D eze m oeite zal ech ter ruim schoots w orden beloond als in 1955 een h av en rad arsy steem aan de sch eep v aart te r beschik­ king zal kunnen w orden gesteld, d a t zijns gelijke in de w ereld niet heeft.

313 ENKELE AANTEKENING EN BETREFFENDE DE RADIOTELEGRAFISCHE VERBINDING TUSSEN DE K.L.M. LIFTM ASTER „Dr Ir M. H. DAMME” EN RIJKSLUCHTVAARTDIENST STATION SCHIPHOL PKH TIJDENS DE CHRISTCHURCH-VLUCHT OP 8, 9 EN 10 OCT. 1953. Algemeen.

H oew el het radiostation van de R ijksluchtvaartdienst te Schiphol, met het oog op radioverbinding met vliegtuigen op grote afstanden, frequenties in de 5, 8, 13 en 17 mc banden perm anent bew aakt, w erd in nauw overleg met de K.L.M . bijzondere aandacht geschonken aan de voorbereiding en uitvoering van de radioverbinding met de ,,D r Ir M. H. D am m e” (roepletters P H -T G A ) tijdens de C hristchurch-vlucht. Z o w erd voor de radioverbinding met het vliegtuig na K arachi een speciale frequentieverw achting gem aakt, welke hierbij is gereproduceerd; verbinding met Schiphol en de frequentiekeuze daarvoor levert op het traject London-K arachi, blijkens de dagelijkse ervaring geen bijzondere moeilijkheden op. A angezien uit deze verw achting reeds kon w orden afgeleid, dat rechtstreekse verbinding niet op alle trajecten na K arachi mogelijk zou zijn, als gevolg van ongunstige radiopropagatiecondities, w erd de m edewerking van verschillende grondstations langs de route ingeroepen, om met behulp van de vaste radioverbindingen, die Schiphol met verscheidene daarvan onderhoudt, een snelle berichtgeving tussen het vlieg­ tuig en N ederland te verzekeren. In het bijzonder K arachi, Biak en D jakarta verleenden in dit opzicht w aardevolle hulp. M et K arachi en D jakarta onderhoudt Schiphol een rechtstreekse radioverbinding; voor de vaste verbinding met Biak w erkte de Koninklijke M arine op zeer effectieve wijze mede. In de frequentieverw achting zijn de tevoren aangenom en tijdstippen, w aarop het vliegtuig zich op de verschillende plaatsen langs de route zou bevinden, aangegeven door een streepjeslijn; de tijdstippen, w aarop het vliegtuig zich in werkelijkheid aldaar heeft bevonden, zijn aangegeven door een kruisjeslijn. L aatst­ genoemde lijn doet in de figuur zien, dat tussen D jakarta en D arw in geen radioverbinding tussen Schiphol en het vliegtuig mogelijk was. De resultaten op de verschillende trajecten w aren als volgt. De verm elde tijden zijn alle in G .M .T . De signalen van het vliegtuig w erden gedeeltelijk opgevangen met behulp van de nabij Schiphol opgestelde speciale ontvangantennes en ontvangapparatuur en gedeeltelijk door het ontvangstation N oordwijk van de R ijksluchtvaartdienst; de door N oordw ijk opgevangen signalen w orden via kabels naar Schiphol geleid.

Londen'—Rome, 16.30-19.34, D onderdag 8 O ctober.

V oortdurend uitstekende verbinding tussen Schiphol en de Liftm aster. H et vliegtuig w erd o.a. op de hoogte gehouden van de posities van zijn mededingers, de Engelse V iscount en de N ieuw -Z eelandse H astings. T e 19.02 b.v. meldde de Liftm aster Pisa te passeren en gaf als verw achte aankom sttijd in Rome 19.35. T e 20.09 deelde Rome aan Schiphol mede, dat het vliegtuig te 19.34 w as geland en te 19.56 w eder w as vertrokken.

Rome'—Bagdad, 19.56-02.25, D onderdag/V rijdag 8/9 O ctober.

Eerste contact van de Liftm aster met Schiphol te 20.12. V erder voortdurend zeer goede radioverbinding. V erscheidene malen w ordt de positie der m ededingers aan de Liftm aster verstrekt. T e 01.30 geeft de Liftm aster als verm oedelijke tijd van aankom st te B agdad 02.20. T e 02.00 w ordt nog eens de positie van de V iscount aan het N ederlandse vliegtuig opgegeven en tegelijkertijd corrigeert de gezagvoerder de aankom sttijd te B agdad in 02.23. Bagdad—'Karachi, 02.40-08.02, V rijdag 9 O ctober. D irect na de start w ordt w eder radioverbinding met de Liftm aster opgenom en. De aankom sttijd bleek te zijn gew eest 02.25 en na 15 m inuten oponthoud w as men w eder vertrokken. De positie van de V iscount w erd doorgegeven. De ontvangstcondities op 5652 kc/s, w aarop tot dat ogenblik w as gew erkt, begonnen m inder te w orden, zodat w erd overgegaan op 8834 kc/s. T e 04.10 meldde het vliegtuig, dat het te 03.50 B asrah w as gepasseerd.

314 T e 07.32 w erd overgegaan op 17906.5 kc/s. H et vliegtuig geeft dan als ver­ moedelijke tijd van aankom st te K arachi 08.03. De posities van de H astings en de V iscount w erden w eder doorgegeven. T e 08.02 landde de Liftm aster te K arachi.

Karachi—Rangoon, 08.27-15.43, V rijdag 9 O ctober.

De start vond plaats te 08.27. Reeds op de grond en tijdens de start staat de radiotelegrafist Kiepe in verbinding met Schiphol PH K . O p hetzelfde ogenblik, dat het vliegtuig rechtstreeks aan Schiphol meldde, dat het „los” w as, meldde het grondstation K arachi zulks over de vaste radio­ verbinding met Schiphol P H W . C H R IS T C H U R C H

V LU C H T

F R E Q U E N T IE

5&52/ 5f r 49kc/» 6814/ 6837 kc/s 13314.3 kc/s 17904.3 kc/s

VERBIN D IN G VAN HET V L IE G T U IG M E T S C H IP H O L PHK

ro

F R E O U E N T IE S

V E R W A C H T IN G

A angezien alle berichten vanzelfsprekend onmiddellijk aan de K.L.M . w erden overgebracht, w ist de K.L.M . in dit geval binnen de m inuut het vertrektijdstip van haar vliegtuig. O p dit traject is de verbinding op 17906.5 kc/s voortdurend goed. De Lift­ m aster w ordt steeds op de hoogte gehouden van de posities van alle deelnemers, thans met inbegrip van die der C anberra’s. Om 13.25 komt via M arine bericht binnen, dat het vliegtuig thans ook verbin­ ding heeft met Biak. Blijkbaar concentreert de Liftm aster thans meer zijn aan ­ dacht op dat station, w ant het laatste gedeelte van dit traject is er geen ver­ binding met Schiphol. W e l meldt het K .L.M .vliegtuig PH^—T E S „S oerabaja”, hetw elk te 14.12 uit Bangkok naar K arachi is vertrokken, te 15.40 aan Schiphol PH K , dat de Lift­ m aster zojuist te R angoon is geland. V ia ditzelfde vliegtuig komt te 16.31 te Schiphol de melding binnen, dat de P H —T G A te 16.16 van R angoon is ver­ trokken.

Rangoon—Djakarta, 16.14-22.53, V rijdag 9 O ctober.

Tijdens dit traject w erkt het vliegtuig hoofdzakelijk met D jakarta en Biak. V ia deze stations komen de verschillende berichten van het vliegtuig via de vaste radioverbinding te Schiphol binnen. Djakarta—Darwin, 23.18-06.01, V rijdag/Z aterdag 9/10 O ctober. V ia Biak w orden berichten van het vliegtuig ontvangen. T e 06.50 kom t van dit radiostation het bericht, dat het vliegtuig te 06.01 te D arw in is geland. Darwin—Bvisbane, 06.26-12.50, Z aterdag 10 O ctober. Schiphol heeft wel radioverbinding met de V iscount, die thans op het traject M elbourne^C hristchurch vliegt en mededeelt, dat hij te 09*10 te C hristchurch denkt aan te komen.

315 V erbinding met de Liftm aster via Biak en soms ook via K arachi, zodat de K.L.M . van de vordering op de hoogte kan w orden gehouden. K arachi deelt aan PH K mede, dat de P H —T G A te 12.50 te Brisbane is geland en te 13.27 naar C hristchurch is vertrokken. Brisbane—Christchurch, 13.27-18.30, Z aterdag 10 O ctober. A anvankelijke verbinding via S ydney—D jakarta, doch te 17.14 kwam recht­ streekse verbinding tussen Schiphol en de Liftm aster tot stand. H et vliegtuig meldde o.a. dat te 16.45 de lengtegraad 165E w as gepasseerd en dat de ver­ w achte aankom sttijd te C hristchurch 18.50 w as. O p het voorstel van Schiphol aan de Liftm aster om tot de landing verbinding te blijven onderhouden met Schiphol kon door het vliegtuig niet w orden inge­ gaan, hetgeen wel begrijpelijk is in verband met zeer drukke andere bezigheden van de boordtelegrafist kort voor de aankom st te C hristchurch. De aankom st aldaar, welke te 18.30 plaats vond, w erd via D jakarta door het radiostation Schiphol ontvangen te 19.30. O. J. S.

NORMALISATIE VAN BENAM INGEN VAN FREQUENTIE- EN GOLFLEN GTEGEBIEDEN

De Hoofdcom m issie voor de N orm alisatie in N ederland (H C N N ) heeft ter critiek gepubliceerd de ontw erpnorm :

T oelichting:

V 1220 Frequentie- en golflengtegebieden.

Deze ontw erpnorm is opgesteld door Commissie NEC 24125. Grootheden, een­ heden en lettersymbolen, om dat gebleken w as, dat er behoefte bestond aan een methode om ondubbelzinnig te kunnen aanduiden frequentie- en golflengtegebieden, daar de begrippen hoogfrequent, laagfrequent, zeer laag frequent, enz., geen absolute begrippen zijn. V erd er leek het van nut om de correspondentie tussen beide grootheden op duidelijke wijze tot uiting te brengen. H et blad geeft een frequentie- en een golflengteschaal naast elkaar, w aarin de nom enclatuur voor de gebieden overzichtelijk is aangegeven. D oor deze publicatie ter critiek w orden belangstellenden in de gelegenheid gesteld eventuele opm erkingen ter kennis te brengen, opdat daarm ede rekening gehouden kan w orden bij het vaststellen van de definitieve norm. Deze critiek w ordt gaarne vóór 1 Juni 1954 ingew acht bij het C entraal N orm alisatiebureau, Lange H outstraat 13A te 's-G ravenhage. Deze ontw erpnorm kan w orden besteld bij de boekhandel of rechtstreeks bij U itgeverij W altm an, H ippolytusbuurt 4 te Delft, tegen de prijs van ƒ 0.50 voor de leden van de Stichting voor de N orm alisatie in N ederland en ƒ 0.75 voor niet-leden. O ok aan daarvoor in aanm erking komende onderwijsinstellingen, als­ mede aan hen, die aantonen het onderwijs daaraan te volgen, w ordt de ontw erp­ norm tegen de ledenprijs beschikbaar gesteld. A an abonné's op de groep van N ederlandse norm en 621.3 Electrotechniek en 0 Algemene aanw ijzingen van boekwerken, geschriften, enz. w ordt de ontw erp­ norm autom atisch toegezonden. B o ek b esp rek in g en

,,Radio Designers Handbook” door F. Langford-Sm ith. U itgave van Iliffe & Sons Limited. Prijs 42 sh. F orm aat 8% " x

1474 bladzijden. D it handboek, sam engesteld door een groot aantal m edewerkers, bevat een uitgebreide verzam eling gegevens, die van belang zijn voor de radiotechnicus, die zich bezighoudt met ontvangers en audio-versterkers. De toepassingen der electronica op andere gebieden zijn niet opgenom en; zenders, televisie, radar, industriële toepassingen, m eetapparaten enz. w orden niet besproken. De principiële en theoretische grondslagen w orden zeer summier en elem entair behandeld; aan de verklaring der verschijnselen w ordt weinig of geen aandacht besteed. M en vindt er evenwel zeer vele practische gegevens. A an het einde van

316 ieder hoofdstuk is een vrij uitgebreide literatuurlijst opgenom en. Als naslagw erk kan het nuttige diensten bewijzen.

T h. J. W .

Television Receiver Design , m onograph 1, I. F. Stages by A. G. W .

U itjens, Book 8a Philips T echnical Library. 200 pag., 150 illustra­ ties. Prijs ƒ 11.—. H et boek I. F. Stages vorm t het eerste deel van een serie van 6 tot 8 monographs, welke tezam en onder de titel Television Receiver D esign de verschillende aspecten van de televisie-ontvangers w at betreft ontw erp en constructie zullen behandelen. D e opzet van deze serie is dus analoog aan de delen 4, 5 en 6 uit dezelfde Philips boekenreeks over electronenbuizen die handelen over de toepassing van de electronenbuizen in radio-ontvangers en versterkers. W ij menen dan ook dat deze nieuwe uitgave ongetwijfeld in een behoefte voorziet en zeker een belang­ rijke plaats in de televisie-literatuur kan veroveren. H et eerste deel van deze serie m onographs is gewijd aan de penthode ver­ sterker voor het frequentie-gebied van 10 tot 100 M H z, het verband met de televisie komt slechts in hoofdzaak tot uiting in een meer uitvoerige behandeling van de vervorm ing. H et boek is onderverdeeld in de volgende hoofdstukken: 1. G ain and bandw idth w ith tw o-term inal coupling netw orks 2. Response curve of the complete am plifier 3. D istortion 4. Gain, bandw idth and distortion w ith four-term inal coupling netw orks 5. N oise 6. Feedback 7. Practical considerations following on the theory en voorts vijf appendices, vier tabellen en een symbolenlijst. De m athem atische behandeling is zo eenvoudig mogelijk gehouden en voor een deel in de appendices verw erkt. Bijzondere aandacht verdient het hoofdstuk 3 over distortion, w aarin behalve de m athem atische afleiding van de sprongkarakteristiek voor een min of meer geïdealiseerde frequentie- en fazekarakteristiek ook een grafische methode w ordt behandeld voor het bepalen van de sprongkarakteristiek bij een willekeurige frequentie- en fazekarakteristiek. O ok aan een ander struikelblok voor de ontw erper n.1. de terugkoppeling w ordt veel aandacht besteed. A an verschillende hoofdstukken zijn rekenvoorbeelden toegevoegd, terwijl in hoofdstuk 7 een ontw erp van een m iddenfrequent-versterker voor een televisie-ontvanger stap voor stap w ordt opgebouw d aan de hand van de in de voorafgaande hoofdstukken gegeven theorie. H et boek m aakt de indruk met zeer veel zorg geschreven te zijn, men behoeft slechts de vier en een halve pagina lange lijst met sym bolen na te gaan om te constateren dat geen enkel sym bool in m eer dan een betekenis w ordt gebruikt. W ij menen dat het boek I. F. Stages niet alleen voor de televisie-specialisten van belang is m aar ook voor diegenen die uit hoofde van hun w erk of studie met versterkers van hoge frequenties vertrouw d dienen te raken. F. M.

Van Iliffe & Sons te Londen ontvingen wij verder: „Introduction to Valves" door R. W . H allow s and H. K. M ilw ard. 152 blz.

8J4" x 5J/2" met 107 illustraties. Prijs 8 s. 6 d. In dit boekje w orden de grondslagen van de w erking van radiobuizen op dui­ delijke wijze uiteengezet. Guide to Broadcasting Stations: 7de uitgave, Sept. 1953. 104 blz. 5J4” x 434”* Prijs 2 s. 0 d. Een bij gew erkte lijst van midden- en kortegolf om roepstations alsmede in E uropa in bedrijf zijnde T V en vhf zenders.

Van het National Bureau of Standards te Washington: ,,Table of Dielectric Constants and Electric Dipole Moments of Substances in the Gaseous State". C ircular 537, 29 pag. 20 cents.

317 PERSONALIA DE HEER W. VOGT OFFICIER IN DE ORDE VAN ORANJE NASSAU OF 15-9-1953 H et contact van W . Vogt met de draadloze

telegrafie dateert uit de allereerste tijd, w aarin dit medium een rol begon te spelen als com m unicatie­ middel. Hij w as als dienstplichtige ingedeeld bij het w apen der Genie, toen de Legerleiding bij de telegraaf-afdeling de eerste transportabele zender invoerde. H et w as de tijd van de B ranley-C oherer en de vonkzender! Tijdens w ereldoorlog no 1 w as V ogt werkzaam bij de radiotelegrafische verbinding van het eiland Tim or. In die dagen hing dikwijls veel af van de accuratesse der radio-telegrafisten, vooral toen de schepen der neutrale landen w erden bedreigd met vordering ingevolge het „angaric’’-recht van de oorlogvoerenden. In N ederland heeft V ogt via een tijdelijke w erk­ zaam heid bij de toenmalige N .S.F., de basis ge­ legd voor het R adio-O m roepw ezen. De in 1923 opgerichte H .D .O . had de w ereldprim eur van een geregelde omroep. V an de A .V .R .O ., die het w erk van de H .D .O . voortzette, is V ogt vanaf 1927 D irecteur geweest. H et is voor een niet gering deel aan zijn goed inzicht en doorzettingsverm ogen te danken, dat de in 1936 in gebruik genomen A .V .R .O .studio op voor die tijd zeer bijzondere acoustische eigenschappen kon bogen. V ogt liet, alvorens tot het definitieve studio-ontw erp te komen, in Delft een proefgebouw tje maken w aarvan de geluids-isolatiem eetresultaten beslissend w aren voor het studio-concept, niet alleen voor de A .V .R .O .-, doch ook voor de later gebouwde K.R.O.- en N .C .R .V .-studio’s. O ok buitenlandse O m roepen hebben later de principiële constructie van het Delftse proefgebouw tje als juist erkend en toegepast. Tijdens de periode van zijn Technisch Com m issariaat bij de N ederlandse Radio Unie heeft V ogt nogm aals blijk gegeven van zijn brede kijk op om roepzaken, door het opstellen van het ,,R adio-C ity”plan voor H ilversum , in welk plan ruimte is voor alle in de nabije toekomst nog te verw achten bouw w erken op het gebied van de Binnenlandse O m roep, De W ereld O m roep en de Televisie. Om zijn grote verdiensten als radio-pionier werd V ogt reeds in 1936 benoemd tot Ridder in de O rde van O ranje N assau. D at zijn benoeming tot O fficier bij zijn officiële afscheid van de O m roep, juist af kwam op de derde D insdag in Septem ber is een aardige bijzonderheid, daar V ogt destijds de eerste radio­ verslaggever was, die de opening der Staten G eneraal door H.M . de Koningin verzorgde. P. A. I. H.

TENTOONSTELLING WILLEM EINTHOVEN In 1953 is het 50 jaar geleden, dat Prof. Dr Willem Einthoven zijn uitvinding

van de snaargalvanom eter publiceerde. N aar aanleiding van dit jubileum w ordt in het Rijksmuseum voor de G e­ schiedenis der N atuurw etenschappen te Leiden (Steenstraat la) van 12 Decem ­ ber 1953 tot 10 Januari 1954 een kleine tentoonstelling ingericht aangaande Einthoven en zijn werk. Behalve portretten, docum enten enz. zal men er o.a. 4 typen van de snaargal­ vanom eter kunnen zien, en voorts o.a. de apparatuur voor de vervaardiging der uiterst dunne snaren: verzilverde of vergulde kw artsdraden, 1/1000 tot 1/25000 mm dik. M et een der tentoongestelde vacuum -snaargalvanom eters w erden de eerste radioseinen uit Indië geregistreerd in 1922.

318 H et oorspronkelijke model van de snaargalvanom eter zal w orden opgesteld met de camera, zoals daarm ee 50 jaar geleden de eerste electrocardiogram m en w erden gem aakt. De tentoonstelling is geopend van 12 D ecem ber— 10 Januari; op w erkdagen (behalve ’s M aandags) 10—4; 's Z ondangs en 2e K erstdag 1—4 uur. Gesloten: ’s M aandags, de eerste K erstdag en N ieuw jaarsdag. T oegangsprijs 10 cent; studenten vrij op vertoon van hun inschrijvingsbewijs. U it het N ed erlan d s R ad iog en oo tschap

NIEUW E LEDEN

D rs K. H. J. Bokhove, Jan L uykenstraat 38, Eindhoven. Ir A. J. van Buytene, D orpsw eg 101—2, H attum . Ir C. J. Pluygers, M eidoornlaan 25, Delft. B. R avensteyn, G erard D oulaan 8, Baarn. Ir J. J. van Rijsinghe, Schapendrift 40, Blaricum. D. L. A. T jaden, le B raam straat 26, Den H aag (juniorlid). J. C. Verm eulen, A zaleastraat 67, Den H aag (juniorlid). Ir A. de W aard , van H oornstraat 51, Hilversum .

VOORGESTELDE LEDEN Ir P. L. M. van Berkel, Parkw eg 234, V oorburg. (C entraal Lab. P .T .T ., Den H aag .) Ir J. Dom burg, St. L utgartstraat 11, Eindhoven. (Philips) H. Dest, H oogstedelaan 46, Arnhem. (K EM A ) Ir F. C. de G raaff, Beetslaan 198, Rijswijk. (Phys. Lab. R V O - T N O , Den H aag) J. A. Greefkes. R ivierstraat 11, Eindhoven. (Philips) Ir J. C. H uizinga, K leverparkstraat 19, Haarlem . (Ronette, Am sterdam ) H. W . Philippens, Thorbeckelaan 180, Den H aag. (Tech. H oofdam bt. P .T .T .) G. J. Rotgans, Bodem anstraat 47, Hilversum . (Ned. Radio Unie) Ir R. Schornagel, van D ortstraat 22, H aarlem . (Radio H olland, Am sterdam )

NIEUW E ADRESSEN VAN LEDEN

Ir J. W . Baurdoux, Bachlaan 18, Hilversum . Ir A. J. W . Duivestijn, G revelingenstraat 83, Am sterdam (Z ). Ir G. Franken, V alkenboschkade 415, Den H aag. Ir F. de Frem ery, Flat Kannesheuvel, Rossinilaan 40, Hilversum . Ir S. J. Hellings, G ooiersgracht 149, Laren. Ir J. M. van H ofw eegen, St. Jansstraat 58, O erie (Gern. V eldhoven) N.Br. Prof. Ir G. J. Levenbach, 209 U nion Avenue, N ew Providence, N ew Y ersey, U .S.A . Ir L. J. W . van Loon, K oninginneweg 6a, Hilversum . Ir J. C. van M arie, RR1, W aterdow n, O ntario, C anada. Ir F. H. Plas, B eethovenlaan 22, Bilthoven. Ir J. M. G. Seppen, Kr. v. V eenlaan 79, Hilversum . Ir G. V ries, H anenburglaan 236, D en H aag. Ir Th. J. W eijers, Z onnelaan 24, Hilversum .

CORRECTIES OP GEGEVENS IN No. 4 J. A. Koster, Rotterdam se Dijk 213a te Schiedam staat vermeld onder het hoofd ,.Nieuwe adressen van leden”. Zijn naam had moeten voorkom en onder het hoofd ,,N ieuw e leden”; het huisnummer is 216a i.p.v. 213a. M en leze in plaats van Ir W . F. Nijo: Ir W . F. Njio.

Philips? mectwagen, type STR303 voor metingen in het II.F. gedeel­ te van draaggolj-lijnverbindingen.

Voor hei verrichten van metingen in het II.F. gedeelte van draaggolf-lijn verbindingen werden door de N.V. Philips’ Telecommunicatie Industrie v/h N.S.F. speciale meetwagens ontworpen. Hier­ mede kunnen metingen worden verricht, terwijl het systeem in bedrijf is, dus zonder dat het telefoonverkeer wordt gestoord. De afmetingen van deze wagens zijn zodanig, dat zij gemakkelijk tussen de rek-rijen kunnen worden gereden.

N.V. PHILIPS’ TELECOMMUNICATIE INDUSTRIE v/h N.V. NEDERLANDSCHE SEINTOESTELLEN FABRIEK — HILVERSUM

STAPEL

2000 aderige telefoonkabel

I

Radio- distributiekabel

kHz draaggolfkabel

30 MHz coax-kabel

N.K.F. kabels voor telecommunicatie doeleinden zijn het resultaat van diepgaand onderzoek en een zeer zorgvuldige fabrikatie. Signaalkabel

N.V. NEDERLANDSGHE KABELFABRIEK, DELFT