Geschichte der nichtlinearen Röhren Raytheon QK-256 und QK-329

Liebe Mitglieder des RM, liebe Gäste,

Die Entwicklung von Elektronenröhren bestand von Anfang an zum grossen Teil aus Bemühungen, ihre Linearität für Verstärkerzwecke zu verbessern. Umso exotischer erscheinen da Röhrenkonstruktionen, die bewusst eine (bestimmte) Nichtlinearität herstellen sollten.
Zu diesen Konstruktionen zählen solche, die einen exponentiellen oder quadratischen Zusammenhang zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung besitzen.
Als Spezialist für Sonderkonstruktionen erhielt 1949 Raytheon den Auftrag für eine "Studie an Strahlablenkröhren zur Erzielung nichtlinearer Charakteristika" (7).
Eine Übersicht über die bis zu diesem Zeitpunkt existierenden, diskreten Lösungen zeigte, dass entweder die Genauigkeit oder die Geschwindigkeit hierfür unzureichend waren (2).
Daher wurde ein neuer Ansatz für die Entwicklung eines schnellen, nichtlinearen Bauelements gesucht.
Besonderen Bedarf für solche Bauelemente gab es einerseits in der Radarsignalverarbeitung, andererseits bei der Analogrechentechnik für analoge Multiplikationen.
Noch bevor digitale Rechner zum Standard in der Industrie werden sollten, wurden Analogrechner für nahezu alle Berechnungen in Konstruktion und Entwicklung genutzt.
Die zunehmende Anwendung elektronischer Techniken für Probleme der Analogrechentechnik machte die Entwicklung von nichtlinearen Bauelementen mit genauen, reproduzierbaren mathematischen Charakteristiken erforderlich, die in der Lage sein sollten, mit der Geschwindigkeit konventioneller Schaltungen und deren Bauelemente zu arbeiten.

Für die schnelle Verarbeitung von Radarsignalen wurde ca. 1949-1950 eine Reihe spezieller Röhren  des Typs QK-256 mit parabolischer Characteristik (Formel unten)
und zunehmender Komplexität entwickelt (1), die sich durch ihre Seriennummer unterschieden. Bei Seriennummer 2 war k = 0.2 micromhos/volt.
Eine angestrebte höhere Steilheit führte dabei zu komplexeren Kathodenstrukturen. Auftraggeber dafür war das amerikanische Miltär.
Die QK-256 sollte auch bei 40MHz (!) noch eine Full-Scale Genauigkeit von <2% haben. Seriennummer 2 wurde als für die Applikation geeignet befunden.

Die Röhre (QK-256) basierte im Prinzip auf der Ablenkung eines flachen, breiten Elektronenstrahls, der über die Kontur einer speziell geformten Maske geführt wurde. (Fig1)

Anstatt der gezeigten geraden Anordnung, die zu Problemen bei der praktischen Ausführung geführt hätte, fertigte man eine zylindrische Maske mit sich wiederholenden Mustern zentriert um eine ebenfalls zylindrische Kathode an.
Die Wiederholung der Maskenmuster konnte mit der Ausführung einer einzigen, langen Maske als funktionell gleich betrachtet werden (Fig2). Auserdem wurde damit die Genauigkeit der resultierenden Maskenform gesteigert und der Einfluss über die Kathodenfläche verteilter Emissionsvariationen reduziert.
Inherente Fehler konnten durch die multiple Apertur der Maske sozusagen durch die Anzahl ihrer Aperturen geteilt und dabei minimiert werden.
Die Ablenkplatten konnten einfach als Scheiben oberhalb bzw. unterhalb des Elektronenstrahls ausgeführt werden. (Fig2)
Den äusseren Abschluss bildete dazu der ebenfalls zylindrische Kollektor, der die von der Maske nicht aufgefangenen Elektronen einzusammeln hatte.

Eine praktische Anwendung war ein quadrierender Verstärker für Radarfrequenzen, wobei der Ausgang auf die doppelte Frequenz des Eingangssignals abgestimmt wurde.
Dabei war von Vorteil, dass die zweite Harmonische am Ausgang lediglich von der Form der Maske abhängig war und dadurch DC-Einflüsse am Eingang oder Ausgang eliminierte.

Bei Tests zeigte sich die relative Unempfindlichkeit der quadratischen Characteristik gegenüber anderen Parametern wie z.B. Betriebsspannung.
Die Röhre wurde erfolgreich betrieben, sowohl mit symmetrischer als auch unsymmetrischer Ansteuerung bzw. Ausgabe.
Eine symmetrische Ausgabe konnte zwischen der Maske und dem Kollektor eingerichtet werden.
Die Arbeitspunkte der Ablenkplatten konnten mit wenig Schaltungsaufwand eingerichtet werden, im Allgemeinen reichten Spannungsteiler mit Widerständen für ca. 30% der Collectorspannung.
Die Transfercharacteristik der QK-256 (Bild unten)

war vom Audiobereich bis hin zu Ausgangsfrequenzen bis 80MHz linear (bezogen auf die quadratische Funktion) bei 40dB Dynamik, wobei nur für die Dynamikanforderung der geforderten Applikation gemessen wurde.
Eine Verringerung der Dynamik zum Low-Level Bereich hin war nicht zu erwarten, wurde aber nicht überprüft.
Die QK-256 mit der Seriennummer 2 erfüllte am besten die gestellten Anforderungen und wurde daher zum Prototyp für alle Nachfolger die dann QK-329 genannt wurden. Basierend auf den Erfahrungen mit der QK-256 entstand die QK-329, als Nachfolgemodell mit kleineren Modifikationen.

Die QK-329 ist eine Elektronenstrahl-Ablenkröhre mit einer quadratischen Funktion gleich der QK-256. Mit dem gleichen Sockel wie die QK-256 versehen (Diheptal B14A), fällt sofort die nunmehr vertikale Ausrichtung der Ablenkeinheit auf.
Ein Grund hierfür könnte die Verbesserung der mechanischen Stabilität des Aufbaus sein, ein zweiter wäre in der magnetischen (Strahlablenkungs-) Empfindlichkeit der Röhre zu suchen, die auch eine magnetische Abschirmung erforderlich machte.
Frühe Versionen der QK-329 (Bild links) zeigten allerdings noch die gleiche horizontale Ausrichtung wie bei der QK-256 auf. Die im Bild zu sehende Seriennummer ist die 115. Bereits ab Ser.No. 120 - 130 wurde auf die vertikale Ausrichtung umgestellt.
Bei entsprechender Ausrichtung der QK-329 war es wahrscheinlich einfacher, die magnetische Empfindlichkeit zweier Röhren eines Multiplizierers gegeneinander auszukompensieren.

Die Abbildung unten zeigt bei genauerem Hinsehen sehr schön die Durchbrüche in der Maske (Target), wie sie in Fig2 beschrieben sind.
Erstmals erwähnt wird die QK-329 in einem Report des Cambridge Research Center vom Februar 1954 (2), zu diesem Zeitpunkt waren bereits einige Exemplare hergestellt und getestet worden.
Da die QK-329 zu den teuren Bauelementen gehörte, war ihr Einsatzbereich auf eher wissen-schaftliche Zwecke beschränkt (3, 4) (Pulse Multiplier Computer, Bild unten)), obwohl mit Veröffentlichungen in der "Electronics" das Prinzip einem grösseren Publikum zugänglich gemacht wurde (1, 8).
Ebenfalls für weniger kommerzielle Zwecke prädestiniert war die QK-329, wie ihre Vorgängerin, wegen der ausserordentlich hohen Grenzferquenz, die bis in den VHF-Bereich reichte und hauptsächlich durch die umgebenden Bauteile eingeschränkt wurde.
Ein mit der QK-329 bestückter analoger Multiplizierer wurde 1955 in der "Electronics" vorgestellt, dessen Genauigkeit in der gezeigten Schaltung bei 0.5% liegen sollte, was für damalige Verhältnisse als relativ genau zu bezeichnen war. (Bild unten)
Die Geschwindigkeit der Multiplikation sollte allein von der Geschwindigkeit der umgebenden Verstärker (gezeigt waren Philbrick K2-W, siehe Bild oben) abhängig sein (6), im gezeigten Fall 90kHz im Eingang bzw. 180kHz im Ausgang.
Bei Eingangsspannungen von +/-25V konnte dabei 60dB Dynamik im Ausgang erreicht werden. Der in (2) genannte Bericht spricht sogar davon, dass bei Tests bis zu 100dB Dynamik im Ausgang erreicht wurden.
Zum Vergleich: 100dB Dynamik entsprechen einem Amplitudenunterschied von 1:100´000 oder grösser 16Bit bei digitalisiertem Signal!

Eine weitere Verbesserung der Dynamik bzw. der Linearität wurde durch Absenken der Heizspannung auf 4 bis 4.5Volt erreicht, dadurch konnte der Eingangsspannungsbereich auf +/-45V vergrössert werden.
Dazu wurden ausführliche Tests (4) mit verschiedenen Heizspannungen gemacht.(Fig 12)
In der zugehörigen Schaltung wird ausserdem Wert auf eine niederohmige Ansteuerung der Ablenkplatten gelegt.

Bereits 1966 war die QK-329 als schwer erhältliches Bauteil bekannt (5).
So war es denn auch keine Überraschung, dass mit dem Aufkommen von Halbleitern zunehmend mehr Lösungen für den Ersatz dieser Röhre entwickelt wurden (5).
Zudem war die Justierung der Bias-Spannungen und der 0-Abgleich und der Symmetrieabgleich der Treiber der Ablenkspannungen der QK-329 relativ aufwendig (Halbleiterlösungen wegen des Abgleichs der Kurvenform aber ebenfalls).
Hauptsächlich wegen der Baugrösse und wegen der Lebensdauer waren die Halbleiter überlegen.
Bezüglich Dynamik und Geschwindigkeit kann die QK-329 es aber noch heute mit Halbleitermultiplizierern aufnehmen.

Originaldatenblätter waren trotz grösster Anstrengungen in den letzten Jahren bisher nicht aufzutreiben (Hilfe ist erwünscht!), immerhin ist inzwischen die Sockelbeschaltung klar. Ausserdem existiert eine Auflistung dynamischer Daten, die über den spärlichen Eintrag in der Raytheon-Röhrenübersicht deutlich hinausgeht:

Die theoretische -3dB Grenzfrequenz wurde mit 129MHz berechnet.
In der Praxis waren 80 MHz max. Ausgangsfrequenz erzielt worden.
Die Steilheit wurde mit 0.2 micromhos/volt gemessen.

Ich hoffe, mein Beitrag war ebenso informativ wie kurzweilig und ich wünsche Allen noch einen schönen Abend.

Achim
 

Referenzen

1) Aaron S. Soltes, Beam Deflection Nonlinear Element, ELECTRONICS, pp122, Aug. 1950.

2) A. S. Soltes, "A wide-band square-law circuit element," Air Force Cambridge Research Center Technical Report 54-2, January, 1954

3) W. L. Briscoe, "Electronic Computer for Mass Identification of Particles*", Review of Scientific Instruments 29 (1958) pp401

4) M.W. Sachs, C. Chasman and D.A. Bromley, "Heavy Ion Reaction Product Identification by Measurement of dEjdx and E*", NUCLEAR INSTRUMENTS AND METHODS 41 (1966) pp213-225

5) A. Turos and A. Zieminski, "A diode function generator for identification of charged particles", NUCLEAR INSTRUMENTS AND METHODS 44 (1966), pp119-122
"Special square law tubes (QK-329) are replaced by the described above square function generator.
The advantages of replacing those hardly available, special tubes relie on the increase of reliability, stability and speed of the circuit as well as in the decrease of costs.
The greater simplicity especially in circuit adjustment seems to be worth mentioning."

6) Philbrick K2-W, philbrickarchive.org

7) "Study of a Beam Deflection Tube Approach Toward Obtaining Nonlinear Characteristics," Reps. 1-11, Contract No. AF19(122)-17, Raytheon Manufacturing Co., Power Tube Div.; March, 1949 - January, 1952.

8) Joseph A. Miller, Aaron S. Soltes, Ronald E. Scott, "Wide-Band Analog Function Multiplier", ELECTRONICS, Feb. 1955, pp160-163

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