Type 109 Pulse Generator


Type 109 fast rise mercury switch pulse generator <=250ps

Der Tektronix Type 109 ist technisch ein ganz besonderes Gerät, ein sehr schneller Pulsgenerator mit schneller Flanke und bemerkenswert flachem Einschwinghalten ohne nennenswertes Überschwingen. Erreicht wird dieses Verhalten durch das Schalten mittels speziellem Doppel Quecksilber Relais, das mit ca. 550 bis 720 Hertz taktet ! Diese Relais wird angetrieben von einem Ein-Windungs-Transformator, der die hohen notwendigen Magnetfelder für ein schnelles Schalten liefern kann. Das Relais befindet sich in einem Glaskörper, der zur Abwechslung nicht wie bei Elektronen Röhren mit Vakuum evakuiert ist, sondern mit Überdruck befüllt ist. Ein hoher Luftdruck bewirkt eine schlechtere Ionisierbarkeit einer Funkenstrecke, deren Ausbildung man an den Relaiskontakten vermeiden möchte. An den externen Eingängen lassen sich noch höhere Spannungen einspeisen, so dass in der enxternen Ext- Pwr. Position noch höhere Impulse als 50V generieren lassen. Zur Nutzung dieser Option sei das Manual empfohlen, das außerdem sehr ausführlich geschrieben wurde, bei diesem Gerät ist es sehr empfehlenswert das Manual zu lesen.

The Type 109 is a special instrument, it uses a dual switching mercury relais and two external charge lines. The relay is switching with a frequency of approximately 700 actions per second. A strong magnetic field cause the reed relay action, the field is generated by a one winding transformer. The mercury is encapsulated in glass under high air pressure. A high pressure rejects gas ionisation und avoid/rejects arcing during switching. Reading the manuals of this generator is highly recommendated, it's written very detailed and explains in many examples how to operate.


Aufgesteckt auf die originalen GR-874 Buchsen befinden sich Adapter auf BNC. V679 a 105V voltage regulator tube. TC601 overtemperature protection. R614 adjust mercury switch frequency.




Mercury relais most left, transformer right. The relais operates only in a standing position, don't operate the generator upside down.












Screenshots of the Type 109


Der 109 hat bedingt durch das mechanische Prinzip eine relativ geringe Wiederholrate des Impulses. Setzt man diese Wiederholrate in Bezug auf die sehr kurze Zeitdauer eines Impulses kommt man zur Erkenntnis, das hier nur sehr selten etwas aus dem Generator rauskommt. Sagen wir mal 700 Impulse pro Sekunde, dann sind das alle 1.4 Millisekunden ein neuer Impuls, die Impulsdauer beträgt ca. 1.4 Nanosekunden, das ergibt 10 exp-3 / 10 exp-9, ein dargestelltes zeitliches Verhältnis von Eins zu einer Million was das Oszilloskop noch darstellen muss. Diese Anforderung für periodische Signale erfüllen beispielsweise schnelle analog Speicheroszilloskope 7834 oder im Real Time Betrieb natürlich noch bequem das 7104 mit seiner hohen Leucht Intensität der Röhre. Zum Beispiel selbst das schnelle 7904A und 7904 werden bei der Darstellung dieses Impulses ziemlich blaß, von einfachen Geräten ist gar nicht mehr die Rede davon, da muss man schon stark den Raum abdunkeln um noch den Impuls zu sehen.

Zur Beobachtung von Signalen mit dem 109 sei ein 50 Ohm Sampling System empfohlen. Ein Sampler hat die Eigenschaft die steile Flanke und den nachfolgenden Übergang in den flachen Bereich sehr präzise darzustellen, sein bekannter Nachteil ist er kann prinzipbedingt nur periodische Signale darstellen. Wird der Sampler in einem analogen Speicher Oszilloskop verwendet so ensteht auch ein durchgehend klarer Kurvenzug. Die Verwendung der dicken RG-8 Kabel mit GR Anschlüssen sei empfohlen, falls vorhanden. Als Betrieb mit einem analogen Real Time Oszilloskop ist ein 7104 zusammen mit dem 7A29 zu empfehlen, eine ideale Kombination für diesen Impuls.

Selbstverständlich können auch all die heutigen modernen hochwertigen Digitaloszilloskope verwendet werden, die haben mit der Darstellung selbst von einem Single Shot natürlich keine Probleme, aber eine Bandbreite von 1 GHz und eine entsprechende Abtastrate sei schon empfehlenswert. Die Sampler der vergangenen Tage haben die exzellente Eigenschaft das Signal präzise darzustellen, Tektronix baut auch heute noch Sampling Oszilloskope, derzeit werden in Spitzengeräten Bandbreiten von bis zu 70+ GHz (2008) erreicht bei Anstiegszeiten im unteren Picosekunden Bereich, ein Blick in deren Verkaufsprogramm ist eine Freude zu sehen wo die enorme Leistungsfähigkeit heute angekommen ist.

For observing Type 109 pulses use a 50 ohms sampling system together with a analog storage oscilloscope. A sampling system has an excellent settling behaviour with almost any overshooting. The low repetitive rates of this generator makes a storage oscilloscope helpful. When using a analog oscillocope a bandwidth of 1 GHz is a good choice, use a 7A29 amplifier togehter with a 7104 or 7904A mainframe or at least a 7A19 amplifier. When using modern digital scopes take care that the instrument has also a high bandwidth of 1 GHz or more. Of course any other slower scope can be used, but consider catching and triggering a short 250ps pulse under low repetitive rates it is a hard job for a scope. Many scopes in the labors are too slow and many analog scope having problems showing a bright beam under the low repetitive rate of this generator. Tektronix still build modern sampling scopes, they reach about 70+ GHz bandwidth nowadays (2008).

Viewing the curve with a 7S14 sampler was very easy, plug-in has a good trigger capability, with my 7S12, S-6 and S-53 I had no luck to catch this pulse, may be I did something wrong. If available use the RG-8 coax cables (high diameter) and GR-874 connectors and avoid adapters to BNC or SMA systems.
 

   
Photo shows the shortest possible pulse. Both GR-874 output left open. Measured with a 7S14 Sampling Unit in a 7834 Storage Oscilloscope



   
Photo shows the puls when there are to GR-874 to BNC adapters mounted, their short charge line already increase the pulse-width.


When the charge lines left open the Type 109 always prodcue two alternating pulses, if both charge lines having the same length and impedance, both pulses are overlayed and only one is observeable.


   
Photo shows the extended pulse when using two GR-adapters plus two 20cm cables not connected togehter. The cables having the same length, both pulses are still overlayed. Some differences at the end of the falling edge, two traces are observable. The pulse is very flat.


   
Fast rising pulses very flat without any overshooting. This generator is really a beauty in the world of test equipment. The often used tunnel diode pulsers and avalanche transistor pulsers having a lot of advantages, but which system will beat this flat mercury pulse response? Unfortunately not for every amplitude setting the pulse was flat like in these photos, only in some, so don't be disappointed when it's not flat under many amplitude settings.


  
Using only one cable on both charge line outputs. Measurement uses a 50 ohms RG58 coax cable of 1 meter length (don't care for the tape around). Flat pulse, the negative spike in the middle comes from a reflection during switching action of the relay. This single cable operation overlays both pulses to one, with the spike in the middle. It is said that one meter RG cable cause a delay of approximately 5ns - see the timing in the photo, it's true. Distance from the edge to the spike about 5.8ns, that's expected for 1m cable plus two GR-BNC adapters.




   
Using three coaxial cables as charge line.  

GR adapter - 20cm 50ohms coax - BNC/BNC adapter - 90cm 75ohms video cable - BNC/BNC adapter - 20cm 50 ohms coax - GR adapter.

The shown charge line don't have a constant cable impedance of 50 ohms, the middle segment has a 75 ohms impedance. The CRT shows clearly the impedance jump from 50 to 75 ohms along its way on the cable. Exactly in the middle there is still the spike caused by the relay action.  This cable would be a bad choice for high quality high-speed signal transfer, for analog and digital signals.

A charge line pulse generator is a powerful instrument with many possibilities. Reading and understanding this screenshots need some experience, but the manual helps a lot to learn how to operate this generator.


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