DE1673727A1 - Zeitmessgeraet - Google Patents

Description

DR. E. WIEGAND DIPL-ING. W. NIEMANN DR. M. KÖHLER DIPL-ING. C. GERNHARDT

MÖNCHEN HAMBURG

2000 HAMBURG 50, 28. NOV. 196?

TELEFON. 395314 KDNIGSTRASSE 2» TELEGRAMME: KARPATENT

W. 13385/67 12/P

Benrus Watch Company» Inc. New York, N.Y. (V.St.A.)

Zeltmessgerät
Zusatz zu Patent Nr (Pat.Anmeldung B 87 642 IXb/8}b)

Die Erfindung bezieht sich auf eine Verbesserung von Zeitinessgeräten, wie sie in der deutschen Patentanmeldung B 87 642 IXb/83b vom 21. Juni I966 beschrieben sind. Bei diesen Zeitmessgeräten werden die Zeitmessfunktionen ausschließlich auf elektronische Weise ausgeführt, indem die Rate radioaktiver Emission von einer Radioaktivitätsquelle gezählt wird, die eine im wesentlichen konstante Smlssionsrate hat.

< Das in dem Hauptpatent beschriebene elektronische Zeltmessgerät benutzt In einem Üblichen Zeitmessgerät, beispielsweise einer größeren Uhr oder einer Armbanduhr als Zeltmessquelle eine radioaktive Substanz, die bekannte Charakteristiken hinsichtlich der Radioaktivitätsemission hat. Die grundsätzliche Arbeltswelse solcher Zeltmessgeräte ist in dem Hauptpatent beschrieben.

Es sind Mittel vorgesehen, die einzelnen radioaktiven Emissionen einer vorbestimmten Meng« einer geeigneten radioaktiven Substanz su zählen» Dl··· Emissionen treten bei einer

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bekannten Nennfrequenz auf und beliebige stat1stlaohe Änderungen von dieaer Nennfrequenz von eines Augenblick zu eine« anderen heben «loh über lange Zeitperloden selbst auf. Demgemäß ist die Genauigkeit der Zeitanzeige des Zeltmessgerätes zufriedenstellend und praktisch.

Die bei der vorgenannten Nennfrequenz auftretenden Emissionen werden duroh eine Zähleinrichtung gezählt, und der Ausgang der Zähleinrichtung, der, üb einen gewünschten Genauigkeitsgrad zu schaffen, hohe Frequenz hat, wird dann, vorzugsweise durch geeignete elektronische Stromkreise, in eine niedrigere Frequenz umgewandelt, die üblicher Weise ein bekanntes Vielfaches der Frequenz des Zähleinrichtungsausganges 1st.

Dieser endgültige Ausgang kann verwendet werden, um die Anzeigeeinrichtung in irgendeiner gewünschten Weise zu betätigen« beispielsweise duroh Solenoidbetätlgung, Erregung eines Synchronmotors, beispielsweise eines Hysterese-Kotors, oder Erregung einer elektronischen Darstellungseinrichtung·

Bei dem elektronischen Zeitmessgerät* das insbesondere in dem Hauptpatent (Patentanmeldung B 87 6*2 IXb/S^b) beschrieben ist, wird ein· radioaktive Substanz verwendet» bei der ein sehr beträchtliches AusmaJ an 3-Strahlenemission vorhanden 1st, und es 1st diese i-Strahlenemlsslon, dl· gezählt wird und dl« das Zeltmessmlttel schafft. line Charakteristik von

β -Strahlenemlaslonen besteht darin» dal al· bei einem weiten Bereleh von Energie?·«·:!* Ober einem im wesentlichen konti-

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nuierlichen Spektrum auftreten« wobei einige der Emissionen schwach, andere sehr stark sind und andere dazwischenliegende Starkegrade haben.

Un das Ausmaß an .-Strahlung, die gezählt werden soll, zu steuern und dadurch die Zeltnesselnrlchtung in den Zeitmessgerät gemäß dem Hauptpatent (Patentanmeldung B 87 642 IXb/ÖJJb) zu eichen« weist die Zähleinrichtung eine Einrichtung (Inpulehöhendiskrirainator) auf, die einen minimalen Energiepegel einstellt, unterhalb dessen radioaktive Emissionen nicht gezählt werden} lediglich solche Emissionen, deren Energiepegel oberhalb des vorbestimmten Wertes liegt, werden gezählt.

Eu ist gefunden worden, daß das Arbeiten eines solchen Inpulshuhendiskriminators wenigstens beim gegenwärtigen Stand der Technik sehr epannungsesspfindlloh ist, d.h., wenn die den Diskriminator erregende Spannung sich ändert, ändert sieh ebenfalls der Bnergiepegel, bei welchem der Diskriminator wirksam wird, Impulβe niedrigeren Pegels zurückzuweisen und Impulse höheren Pegels hlndurohzulassen.

Eine Änderung der Energiepegelgrenze beeinflußt die Anzahl von Impulsen, die in einer gegebenen Zeitperiode tatsächlich gezählt werden, so daß die Zeitanzeige des Zeitmessgerätes beeinflußt wird. Somit wird die Genauigkeit des ZeItmessgerätes bei --Strahlenzählern durch das Arbeiten des ImpulshöhendiskriminatorstromkreiBes kritisch beeinflußt. Da somit die Stärke der Spannungszelle oder anderen Energiequelle •loh ändern kann, ändert sich die Genauigkeit des Zeitmess-

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geräte*« Bei Armbanduhren« bei denen die Energiequelle mit de· Zeitmessgerät getragen werden muß und klein sein muß, let dieses Problem ein sehr wichtiges und schwieriges Problem.

Hauptzweck der Erfindung besteht darin« ein Zeitmessgerät« das nach dem Prinzip des Zählens von Strahlung einer geeigneten radioaktiven Quelle arbeitet, zu schaffen« dessen Genauigkeit über einen beträchtlichen Bereich von Änderungen der Zufuhrspannung im wesentlichen unabhängig ist* Hierfür ist die verwendete Strahlungsquelle eine solche« die bei einem im wesentlichen diskreten Energiepegel eine gegebene Art von Strahlung erzeugt« und es ist diese Strahlung« die für ZeIt-■esazweoke gezählt wird.

Der Impulshöhendiskriminatorstromkreie kann weiterhin verwendet werden« Insbesondere dann« wenn die radioaktive Quelle die Charakteristik aufweist« Strahlung mit einer Mehrzahl von verschiedenen im wesentlichen diskreten Energiepegeln auszusenden und das Zählen von weniger als der gesamten Strahlung erwUnscht ist« weil jedoch die verschiedenen Energiepegel durch einen merkbaren bzw. beträchtlichen Abstand voneinander getrennt sind« beeinflussen Änderungen im Abschneidpunkt des Impulsdiskriminators« die sich aus Änderungen in der Zufuhrspannung ergeben« die Anzahl von Strahlung*impulsen nicht« die gezählt werden« so daß sie die Genauigkeit des Zeltmessgerätes nicht nachteilig beeinflussen.

ν. -Strahlung und ^ -Strahlung genügt der Anforderung In wesentlichen diskreten Bnergiepegels und es gibt verschieden·

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verfügbare Substanzen mitgeeignet großer Halbwertzeit, die genügend diskrete Strahlungen von \.-Strahlen und '-Strahlen schafft. Beim gegenwärtigen Stand der Technik wird ,-Strahlung nicht bevorzugt, weil die Festkörpervorrichtungen, die solche Strahlung zählen können, eine verhältnismäßig kurze Lebensdauer haben.

Demgemäß wird heutzutage -Strahlung bevorzugt. Es ist . Jedoch nachdrücklich festzustellen, daß diese Bevorzugung für /"-Strahlung sich nicht aus irgendeiner besonderen dieser Strahlung Innewohnenden Charakteristik ergibt, die von Strahlung verschieden ist, sondern sich stattdessen lediglich daraus ergibt, daß geeignet kleine genaue und zuverlässige Zähl - Stromkreise mit längerer Lebensdauer verfügbar sind.

Durch die Erfindung ist ein Zeitmessgerät derjenigen Art, wie sie in dem Hauptpatent (Patentanmeldung B 87 642 IXb/B^b) beschrieben ist, geschaffen, bei welchen die Radioaktivität Strahlung mit im wesentlichen konstantem Energiepegel erzeugt und bei welchem der Radioaktivitätszähler bewirkt, daß sein Ausgang im wesentlichen nur der Strahlungsempfangsrate bei diesem Energiepegel entspricht«

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1 ist ein Blockdiagramm des Zeitmessgerätes der Erfindung·

Fig· 2 ist «in· im vergrößerten Maßstab gehalten· Draufsioht waagerecht durch «in Uhrengehäuse·

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Qemäd Pig. 1 ist als Kernstück des Systeme eine radioaktive Quelle 2 vorgesehen, deren radioaktive Emissionen tu einer Zähleinrichtung 4 gelangen, die vorzugsweise eine Peststoff einrichtung ist. Ein Gitter 6 1st zwischen der Quelle 2 und der Zähleinrichtung 4 angeordnet, um den Anteil der Gesamtanzahl radioaktiver Emissionen von der Quell· 2, welch· dl· Zähleinrichtung 4 erreichen, zu steuern. Wie In Flg. 2 dargestellt, sind diese drei Elemente in einem Gehäuse B angeordnet, um einen radioaktiven Unteraufbau zu bilden, der in einem Teil eines Uhrengehäuses 10 od.dgl. angeordnet ist. Das Gehäuse 3 ist aus solchem Material und von einer Dicke, daß es die gesamte Radioaktivität in sich aufnehmen kann und seine Umgebung gegenüber irgendwelchen unjterwllnsohten Wirkungen abschirmt.

Der elektrische Ausgang der Zähleinrichtung 4, der aus einer Anzahl von Impulsen besteht, die bei einer Frequenz auftreten, welohe der Frequenz der durch dl· Zähleinrichtung 4 abgefUhlten radioaktiven Emissionen entspricht, wird durch eine elektrische Verbindung 12 zu einem Hilfsstromkreis geführt« der in einem In Fig. 2 dargestellten Gehäuse 14 aufgenommen ist· Dieser Stromkreis kann «Inen Impulsverstärker 16 aufweisen, ua eine durchschnittlich· ImpulsgrOB· von beispielsweise 0,5 mV zu gewährleisten. Der Ausgang des Verstärkers 16 1st an •inen Impulshöhendiekriminator 18 geschaltet, der voriugawei* β· mit einer linstellung, dl· soheaatisoh b·! 20 angedeutet ist, versehen 1st und der eine Änderung der Amplitude der

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Impulse hervorruft, die durch Hin hindurchgehen und an seinem Ausgang 22 erscheinen.

Durch zweckentsprechende Wahl der Menge des vorhandenen radioaktiven Materialε 2, Einstellung oder Gestaltung des Gitters 6 und zweckentsprechende Einstellung des Inpulshuhen-(llskrirainators 18 kann die Frequenz der I«pulse in dem Ausgang 22 αο gesteuert werden, daß sie Über die meisten kleinen Zfültperloden einen vorbestimmten Nennwert statistisch entspricht, beispielsweise IG ^84 Impulse Jü Jekunde. (Die Bezeichnung "Impuls" 1st hier in allgemeinster Weise verwendet und umfaßt irgendeine abfUlilbare zyklische Änderung im elektrischen Ausgang.)

Der Ausgang 22 des Diskriminator lc, α er eine bekannte Nennfrequenz gemäß vorstehender Beschreibung hat, wird d&nn durch eine Reihe von vorzugsweise nit Transistoren versehenen BinKrzHhlern oder Flip-Flops 24 gefUiirt, vox* cenen vierzehn dargestellt sind, die alle in Reihe miteinander geschaltet sind. Da jede der Stufen 24 bistabil ist, hat jede einen Ausgangs iopuls nit einer Frequenz, die li&lb so groß 1st, wie ule Frequenz des XingangsiBpulses. Wem; somit, wie angegeben, der Eingang der ersten Flip-Flop-Stufe 24 eine Frequenz von 16 }84 Impulsen Je Sekunde bat, hat der Eingang der zweiten Stufe eine Frequenz von 8 I92 Impulsen Je Sekunde, der Eingang der dritten Stufe eine Frequenz von 4 096 Impulsen Je Sekunde usw. bis der Ausgang der letzten Flip-Flop-Stufe 24 eine Impulsfrequenz von beispielsweise 1 Je Sekunde hat. Die-

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8er Auegang kann, wenn es erforderlich ist, an einen finer« iiiev er stärker 2ü angelegt werden, dessen Ausgang an eine Uhranzelgeeinriohtung 28 angelegt ist und diese antreibt. Gemäß Fig. 2 1st die gesamte ätromkrelseinrichtung von dem Impulavei·stärker 16 bis zu uem £nergleverstärker 26 in dem Oehäuee 14 aufgenommen dargestellt, Jedoch kann die Stromkrelseinriohtung vollständig oder teilweise irgendwo anders, beispielsweise in dem Uhrenarmband, angeordnet sein.

Die U^anzeigeeinrichtung 2b, die insbesondere in Flg. 2 dargestellt ist, weist ein Solenoid 20 auf, das durch Drähte yd mit den Ausgang des Energleverstärkers 26 verbunden ist, so daß das Solenoid 30 mit der Rate von 1 je Sekunde errefer, und entregt wird. Das Solenoid JO wirkt auf einen Anker 24 ein, der bei 36 schwenkbar angeordnet und durch eine Feder 3Ö gemäß Pig. 2 nach rechts vorgespannt ist. Der Anker 24 trägt eine Klinke 4o, die mit eines Klinkenzahnrad 42 auf einer Klinkerradwelle 44 in Eingriff treten kann. Das Klinkenrad 44 ist durch Irgendein zweckentsprechendes Getriebe alt dem Minuten- und dem Stundenzeiger 46 bzw. 40 der Uhr verbunden. Wenn es gewunecht wird, kann ebenfalls «in Sekundenzeiger verwendet werden.

Das Zeitmessgerät kann die Fora einer Armbanduhr oder einer anderen Uhr haben, wie es insbesondere in dem Hauptpatent (Patentanmeldung B 87 642 IXb/82b) beschrieben ist, auf das hler besonders Bezug genomeen wird. Darstellungen von Uhrengehlusen sind ebenfalls in dem Hauptpatent enthalten. Es 1st

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zu bemerken, daß gemä3 der Erfindung der Impulsverstärker 16 und der Impulshöhendiskrlminator 18 gemäß dem Hauptpatent (Patentanmeldung B Ö7 642 IXb/8;5b) wahlweise verwendet werden können.

L-3 ist zu bemerken, daß die 16^84 Impulse je Sekunde, die gemäß dem Hauptpatent das Mittel bzw. der Durchschnitt eines vorbestimmten Nennfrequenzwertes am Ausgang 22 sind, eine Strahlungsrate besonderer Charakteristik darstellen. Wird der zu erwartende Fehler betrachtet, so sollte ein Be* reich von Ausgangsfrequenzen zwischen 20.ooo und 3O.000 Impulsen angenommen werden.

Im Hauptpatent (Patentanmeldung B 87 642 IXb/8jJb) ist ausgeführt, daß das für die radioaktive Quelle 2 verwendete Material eine genügend lange Halbwertzeit haben auß, so daß während der Zeit, während welcher es in dem Zeitmessgerät verwendet wird, seine Rate radioaktiver Emission innerhalb der Grenzen der gewünschten Zeitmessgenauigkeit genau konstant bleibt· Eine Halbwertzelt von lOooo Jahren erscheint als ein ■iniealer Wert· Außerdem nuß dl« radioaktive Emission von solcher Art sein, daß sie für Personen nicht schädlich 1st*

Zusätzlich und gemäß der Erfindung sollte wenigstens ein Teil der Strahlung von einer Art sein, die einen Im wesentlichen konstanten oder diskreten Energiepegel hat· ^-Strahlung und λ-Strahlung sind von dieser Art· Da die von dea Zähler festgestellten Iapulshuhen nahezu gleichet*ig sind, wenn ein ^-Strahl oder λ-Strahl diskreter Energie gezählt

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wird, 1st te weiterhin muglloh, einen oder mehrere Binärzähler durch andere Arten von Zählern zu ersetzen, die ein count-üown-Zählvorhältnia von 4si oder ^xI schaffen· Ein radioaktives Element, welchea diese Kriterien erfüllt, ist Jod 129, das eine Halbwertzeit von etwas Über 1,3 Millionen Jahre, eine ,<■ -atrahlenewiaalon bei einea Energiepegel von 39 KeV und eine Aktivität von etwa 0,26 Mikroaurie je ng aufweist. Demgemäß sind lediglich 5 bis 10 ag dieser Substanz bei einer typischen Anwendung erforderlich. Dieses Material hat weiterhin eine .-Strahlenemisalon mit maximalen Energiepegel von 120 KV, die dadurch von der ^-Strahlung bequem unterschieden werden kann.

In der Praxis wird das Jod 129 (beispielsweise in der Form von Natriumiodid) an der Oberseite eines Metallgehäuse» angebracht, in dem der Zähler 4 angeordnet ist, wobei die Dicke der Qehäuaeoberseite ausreichend ist, praktisch alle Elektronen abzuschirmen und gleichseitig einen Durongang einer adäquaten Menge an /-Strahlen su ermöglichen. Die Oehäueewand würde somit insgesamt oder teilweise wie das Tor 6 wirken. Der Impulshöhendiskrlminator 18 kann gut noch verwendet werden« um die f;-Strahlung bis auf einen veraeohlässigbei · leinen Anteil zu eliminieren, der durch dme Tor 6 hindurchgehen kann. Der Absohneldwert für den Iapulsbehendlskriminator würde weit genug auf einer Seite de· f-Strahlenenergiepegela von >9 Χ·Τ gelegt, so dal abweichende Zu fuhr spannungen da« linien nicht StOren.

line andere geeignete Substans %»% Uran 233# dsj ein«

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-U-

Halbwertzelt von l62ooo Jahren hat. Dieses Material hat mehrere ν-Partikelstrahlungen, und zwar meistens bei einem Energiepegel von 4,82 MeV, und es hat weiterhin eine Anzahl von r-Strahlungen bei 4 2 KeV, f>6 KeV bzw. ^j KeV. Hier wUrdt wiederum dor Impulshühendiakriminator IL verwendet, um einen oder zviPl der .»-Strahluncspegel auszuwUhlen und andere auszuschließen, und um weiterhin die %-PartikelStrahlungen abzuschirmen.

In beiden verschiedenen Beispielen hat uer Impulsdiskriminator keinen kritischen Abschneidwert für Uie Inpulshöhe. Das Abschneiden erfolgt in einen beträchtlichen Abstand auf jedei· 3eite von seinem IJennwert, ohne daß die Genauigkeit der StrahlungszKhlung in irgendeiner weise beeinflußt wird« weil keine der auszuschließenden Strahlungen in ihres Energiepegel dem Energiepegel uer zu zählenden Strahlungen nahe genug liegt ι als daß Hu* Ausschließen ouei Zulassen uurch solche Änderungen in dem Abschneidwert beeinfluit wird, wie sie bei normalen Änderungen oder Abweichungen der Zufuhrspannungen auftreten« Auf diese Veise 1st die Zählgenaulgkelt von ZufuhrspannungsMnderungen im wesentlichen unabhängig geaacht.

Wie angedeutet, sind ale Menge ausgewählten radioaktiven Materials und die Art und die Oestaltung ues Tores oder Clatters 6 derart, daß der gewünschte Wert von Zählungen je Sekunde für den Ausgang 22 verwirklicht ist. Eichung kann α·*: .... linstellbarkeit des Tores 6 oder durch entsprechende Einstellung irgendeines der ZählreduzierstroeJcrelse erreicht werden.

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Aus Vorstehendem ist ersichtlich, daß das Zeitmessen gemäß der Erfindung von mechanischen Vorrichtungen vollständig unabhängig 1st una daß seine Qenauig&eit von beträchtlichen Änderungen in der Zufuhrspannung im wesentlichen unabhängig ist· Der Zeltnessvorgang wird von der bekannten Kadioaktivitätaaiisslonsrate bei im wesentlichen konstantem Energiepegel einer Substanz abgeleitet, die in dem Zeitmessgerät enthalten 1st und deren Eaissionsrate sich vielleicht von Augenblick zu Augenblick in willkürlicher Weise ändert, jedooh außer» ordentlich genau konstant ist, wenn das Mittel bzw· der Durch* schnitt Über ausreichend langen Zeltperioden genommen wird·

Ss kann gezeigt wer.den, daß bei Verwendung des oben genannten Ausgangsfrequenzbereiches von 2oooo bis 30000 Strahlungen Je 3ekunde ein Fehler von nicht mehr als 15 Sekunden je Monat alt einer Wahrscheinlichkeit von ^B £ unter Anwendung der Erfindung verwirklicht werden kann·

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Claims (5)

- 13 Patentansprüche.

1. Zeitmessgerät nach Patent..... (Patentanmeldung

B 87 642 IXb/8j5b), dadurch gekennzeichnet, daß die Radioaktivität Strahlung mit im wesentlichen konstantem Energiepegel erzeugt und der Radioaktivitätszähler (4) bewirkt, daß sein Ausgang (12) im wesentlichen nur der Empfangsrate der Strahlung dieses Energiepegels entspricht.

2. Zeitmessgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlung bei dem genannten Energiepegel und die von dem Radioaktivitätszähler (4) gezählte Strahlung ^-Strahlung oder ^-Strahlung umfaßt.

3. Zeitmessgerät nach Anspruch 1 oder 2 gekennzeichnet durch zwischen der Radioaktivitätsquelle (2) und dem Radioaktivitätszähler (4) angeordnete Mittel zum Abschirmen des Zählers gegenüber Radioaktivität von der Quelle, die andere Strahlung als die Strahlung mit dem genannten Energiepegel umfaßt.

4. Zeitmessgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3# dadurch gekennzeichnet, daß der Radioaktivitätszähler (4) eine Energiepegelabfühleinrichtung (18, 20) aufweist, die bewirkt, daß der Zählerausgang (12) lediglich von Strahlung mit im wesentlichen dem genannten Energiepegel beeinflußt wird.

5. Zeitmessgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Abschirmen des Zählers (4) gegenüber Radioaktivität von der Quelle (2) durch ein einen Teil eines Uhren-

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-u-

gehäuses (10) odLdgl. bildendes Gehäuse (8) gebildet sind, wobei die Quelle von einer Seite und der Zähler von der gegenüberliegenden Seite einer Gehäusewand angeordnet sind.

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