DE3504278A1 - Device for measuring angles of rotation and angular accelerations - Google Patents

Device for measuring angles of rotation and angular accelerations

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DE3504278A1 DE19853504278 DE3504278A DE3504278A1 DE 3504278 A1 DE3504278 A1 DE 3504278A1 DE 19853504278 DE19853504278 DE 19853504278 DE 3504278 A DE3504278 A DE 3504278A DE 3504278 A1 DE3504278 A1 DE 3504278A1
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Abstract

The invention relates to a device for measuring rotations and angular accelerations using a radiation source which emits charged matter waves. By means of a beam splitter, which is constructed as an electron-optical or ion-optical biprism, the beam is split into two coherent divided beams which are guided around a surface. After the divided beams have rotated about the surface, they are brought into interference. The interference is detected by means of detectors. The object of the invention is for it to be possible still to measure even much slower rotations as accurately as in the case of an optical fibre gyro. Combination of a particle-optical magnifying system having a spatially-resolving detector, optionally with or without image intensification, can be used as detectors. Rotationally symmetrical or cylindrically symmetrical lenses or charged particles can be used as magnifying system, and high-resolution fluorescent screens can be used as spatially-resolving particle detectors, without or with downstream image intensifiers, or spatially-resolving electron or ion detectors, optionally with upstream channel plate current amplifiers. Field emission electron sources, field ion sources, photoelectron sources or thermal electron sources can be used as radiation sources. Provided for the purpose of guiding the beams around the surface are electron or ion optical biprisms which ... Original abstract incomplete.

Description

Einrichtung zur Messung von Drehwinkeln Device for measuring angles of rotation

und Drehbeschleunigungen Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Messung von Drehwinkeln und Drehbeschleunigungen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. and rotational accelerations The invention relates to a device for measuring angles of rotation and rotational accelerations according to the preamble of the claim 1.

Aus den Druckschriften V. Vali, R.W. Shorthill "Fiber Ring Interferometer", Appl. Optics 15,(1976),1099 und S. From the publications V. Vali, R.W. Shorthill "Fiber Ring Interferometer", Appl. Optics 15, (1976), 1099 and S.

Ezekiel, H. J. Arditty "Fiber Optic Rotation Sensors" in Fiber Optic Rotation Sensors and Related Technologies, Springer Series in Opticai Sciences, 32, (1982),2-27 sind Einrichtungen dieser Art bereits bekannt. Diese weisen Lichtleitfasern auf, die eine Fläche umschlingen. Kohärente Lichtwellen werden in entgegengesetztem Drehsinn durch die Lichtleitfasern geleitet und danach zur Interferenz gebracht. Drehwinkel und Drehbeschleunigunaen machen sich durch eine Ortsverschiebung bzw. ein Wandern der Interferenzl-.n$»n bemerkbar. Die Empfindlichkeit derartiger Einrichtungen ist beschränkt auf relativ schnelle Drehbewegungen, beispielsweise der Größenordnun« der Bewegung des kleinen Zeiger einer Uhr.Ezekiel, H.J. Arditty "Fiber Optic Rotation Sensors" in Fiber Optic Rotation Sensors and Related Technologies, Springer Series in Opticai Sciences, 32, (1982), 2-27 devices of this type are already known. These have optical fibers that wrap around a surface. Coherent waves of light are in opposite Direction of rotation passed through the optical fibers and then brought to interference. Angle of rotation and acceleration of rotation are determined by a shift in location or a wandering of the interference lines noticeable. The sensitivity of such devices is limited to relatively fast rotary movements, for example of the order of magnitude « the movement of the small hand of a clock.

Aufgabe ier Erfindung ist es, eine Einrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart weiterzubilden, daß auch sehr vxel langsamere Drehbewegungen noch genau gemessen werden können.The object of the invention is to provide a device according to the preamble of claim 1 in such a way that also very vxel slower rotational movements can still be measured accurately.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 aufgeführten Maßnahmen gelöst. Weitere Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.This task is carried out by the characterizing part of the claim 1 resolved. Further refinements are set out in the subclaims described.

Die «,r die erhöhte Nessgenauigkeit entscheidende Maßnahme ist darin zu sehen, daß die üblicherweise verwendeten Photonen mit ihrer relativ niedrigen Gesamtenergie von ca. 2 eV durch Materiewellen , beispielsweise Elektronenwellen, mit einer Gesamtenergie von über 500 000 eV ersetzt werden. Die daraus resultIerende erhöhte Messgenauigkeit wird durch die folgenden Beziehungen verdeutlicht: Für Photonen gilt: Für Elektronen: Dabei bedeutet Aç die Phasenverschiebung der beiden nterferierenden Wellen, E in <1> die Photonenenergie, Q die Winkelgeschwindigkeit, F die umschlossene Fläche, h das Plancksche Wirkungsquantum und c die Lichtgeschwindigkeit.The decisive measure for the increased accuracy is to be seen in the fact that the commonly used photons with their relatively low total energy of approx. 2 eV are replaced by matter waves, for example electron waves, with a total energy of over 500,000 eV. The resulting increased measurement accuracy is illustrated by the following relationships: The following applies to photons: For electrons: Aç means the phase shift of the two interfering waves, E in <1> the photon energy, Q the angular velocity, F the enclosed area, h the Planck constant and c the speed of light.

Die Beziehung <2> erhält man aus (1> durch Ersetzen der Energie E durch die Gesamtenergie m.c2der Teilchen, d.h.The relation <2> is obtained from (1> by replacing the energy E by the total energy m.c2 of the particles, i.e.

der Elektronen bzw. Ionen. Der Faktor 1/2 in der Beziehung <2> resultiert daraus, daß in der vorgeschlagenen Konfivaration die eingeschlossene Fläche F von jeder der beiden Teilwellen nur halb umlaufen wird.of electrons or ions. The factor 1/2 in the relationship <2> results from the fact that in the proposed confivaration the included Area F is only half circulated by each of the two partial waves.

Die Erfindung wird anhand der Figur 1 näher erläutert: In Fig. 1 ist der schematische Aufbau einer Einrichtung zur Messung von Drehwinkeln als Ausführungsbeispiel entsprechend Anspruch 1 dargestellt. Von der Strahlquelle 1 werden kohärente Materiewellen, z. B. Elektronen oder Ionen, ausgesendet. Der Strahlteiler 2 ist als elektronenoptisches bzw. ionenoptisches Biprisma ausgebildet und teilt den von der Strahlquelle 1 kommenden Strahl in zwei Teilstrahlen 5a, 5b. Durch ein weiteres elektronen- oder lonenoptisches B.prisma 3 werden die Teilstrahlen 5a,Sb wieder zusammengeführt. Dadurch entsteht eine Interferenz. Die entstehenden Interferenzstreifen werden durch Detektoren 4 nachgewiesen und können mittels einer nachgeschalteten Auswerteeinheit ausgewertet werden. Durch die Teilung des Strahles in Teilstrahlen 5a,5b und die Zusammenführung der Teilstrahlen in der Ebene der Detektoren 4 umschliessen die Teilstrahlen die Fläche F. Aufgrund der Gleichung <2> kann aus den Interferenzstreifen über die Phasenverschiebung Adie Winkelgeschwindigkeit Q ermittelt werden. Durch Tntegration bzw. Differentiation der Winkelgeschwindigkeit können Drehwinkel und Drehbeschleunigungen ermittelt werten. The invention is explained in more detail with reference to FIG. 1: In FIG. 1 is the schematic structure of a device for measuring angles of rotation as an embodiment represented according to claim 1. From the beam source 1, coherent matter waves, z. B. electrons or ions emitted. The beam splitter 2 is an electron-optical one or ion-optical biprism and divides the coming from the beam source 1 Beam in two partial beams 5a, 5b. Another electron or ion optical system B. prism 3, the partial beams 5a, Sb are brought together again. This creates an interference. The resulting interference fringes are detected by detectors 4 detected and can be evaluated by means of a downstream evaluation unit will. By dividing the beam into partial beams 5a, 5b and merging them of the partial beams in the plane of the detectors 4 surround the partial beams Area F. Due to the equation <2>, the interference fringes can be over the phase shift A the angular velocity Q can be determined. Through integration or differentiation of the angular velocity can be angles of rotation and rotational accelerations evaluate determined.

Die Einrichtung gemäß Fig. 1 ist in ein Vakuumgefäß e-ngebaut, weil Materiewellen nur irr. Vakuum erzeugbar sind.The device according to FIG. 1 is built into a vacuum vessel because Matter waves just crazy. Vacuum can be generated.

Als Detektoren 4 können ein teilchenoptisches Vergrdßerungssystem in Verbindung mit eie srtsaufler.9en Detektor, wahlweise mit oder ohne Bildverstärkung, verwendet werden. Als ortsauflösende Teilchendetektoren können hochauflösende Leuchtschirme ohne oder mit nachgeschalteten Bildverstärkern oder ortsauflösende Elektronen bzz.A particle-optical magnification system can be used as detectors 4 in connection with eie srtsaufler.9en detector, optionally with or without image intensification, be used. High-resolution fluorescent screens can be used as spatially resolving particle detectors without or with downstream image intensifiers or spatially resolving electrons or

Ionendetektoren, wahlweise mit vorgeschalteten Svanalplattenstromverstärkern, verwendet werden.Ion detectors, optionally with upstream vanal plate current amplifiers, be used.

Als Strahlquelle 1 kann eine Feldemissionselektronenquelle, Feldionenquelle. Photoelektronenquelle oder thermische EXektronenquelle verwendet werden. Zur Einhaltung der Winkelkohärenzbedinaung müssen die photoelektronen- und thermische Elektronenquelle gegebenenfalls elektronenoptisch vorverkleinert werden. Die Strahlteiler 2 bzw. die Mittel zur Zusammenführung der Teilstrahlen Sar5b können als Biprismen 2,3 ausgebildet sein, die aus 2 Masselektroden 2a,3a und in der Mitte zwischen diesen Masselektroden 2a,3a gespannten metallisierten oder metallischen 2b,3b Fäden bestehen. Für den Fall negativ geladener Teilchen ist der Faden 2o negativ, der Faden 3b positiv vorgespannt. Für den Fall positiv geladener Teilchen ist der Faden 2b positiv und der Faden 3b negativ vorgespannt. Als Fäden 2b,3b können metallisierte Quarzfäden von ca. 1 umDurchmesser verwendet werden. Die Metallisierung der euarzfäden kann durch Aufdampfes einer Kupferschicht und darüber einer Goldschicht im Vakuum erfolgen. Derartige metallisierte Fäden sind ausheizbar und deshalb im Ultrahochvakuum einsetzbar.A field emission electron source, field ion source. Photoelectron source or thermal EXelectron source used will. To comply with the angle coherence condition, the photoelectron and thermal electron source can optionally be pre-reduced electron-optically. The beam splitter 2 or the means for combining the partial beams Sar5b can be designed as biprisms 2,3, which consist of 2 ground electrodes 2a, 3a and in the middle metallized or metallic clamped between these ground electrodes 2a, 3a 2b, 3b threads exist. In the case of negatively charged particles, the thread 2o is negative, the thread 3b is positively biased. In the case of positively charged particles, the is Thread 2b is positively tensioned and thread 3b is negatively tensioned. As threads 2b, 3b can be metallized Quartz threads approx. 1 µm in diameter can be used. The metallization of the euarz threads can by vapor deposition of a copper layer and over it a gold layer in a vacuum take place. Such metallized threads can be baked out and therefore in an ultra-high vacuum applicable.

Die Feldemissionselektronenquelle kann als sehr feine Metalispitze ausgebildet sein, die durch elektrolythisches sätzen erzeugt ist. Die sehr feine Spitze kann auch dadurch erzeugt werden, daß diese einer Wärmebehandlung bei gleichzeitig anliegender positiver Hochspannung unterzogen wird.The field emission electron source can be a very fine metal tip be formed, which is generated by electrolytic typesetting. The very fine one Tip can also be produced by the fact that this one heat treatment at the same time is subjected to an applied positive high voltage.

Diese Methode wird als Remolding bezeichnet. Als Material für die Spitze wird vorzugsweise Wolframdraht verwendet.This method is known as remolding. As material for the Tip is preferably used tungsten wire.

Magnetische Felder stören die Messung und verfälschen das Meßergebnisr wenn diese die Fläche F durchgreifen. Zur Abschirmung der magnetischen Störfelder können ein- oder mehrlagige Abschirmbleche aus Kupfer und Mümetall verwendet werden. Zur Abschirmung der magnetischen Störfelder kann auch eine soweit als möglich geschlossene supraleitende Metallschicht verwendet werden. Die tiefgekühlte supraleitende Metallschicht kann gleichzeitig als Kryopumpe ausgebildet sein und das erforderlichen Hoch-bzw. Ultrahochvakuum aufrechterhalten.Magnetic fields interfere with the measurement and falsify the measurement result when these reach through the area F. For shielding the magnetic interference fields Single or multi-layer shielding plates made of copper and metal may be used. To shield the magnetic interference fields, a closed one as far as possible can also be used superconducting metal layer can be used. The deep-frozen superconducting metal layer can at the same time be designed as a cryopump and the required high or. Maintain ultra-high vacuum.

Sus-.tzlich zu den Biprismen 2,3 können zur Strahlführung homogene oder inhomogene elektrische oder magnetische Felder angewendet werden.In addition to the biprisms 2.3, homogeneous beam guidance can be used or inhomogeneous electric or magnetic fields are applied.

Durch die Erfindung wird es möglich, daß auch langsame Drehbewegungen nachgewiesen und genau gemessen werden können.The invention makes it possible that even slow rotary movements can be detected and measured accurately.

Claims (14)

Patentansprüche Einrichtung zur Messung von Drehbewegungen und Drehbeschieunigungen, mit einer Strahlquelle fUr kohärente Strahlen, einem Strahlteiler, Mitteln zur Führung der Strahlen um eine Fläche (F), Mitteln zur Erzeugung von Interferenzen nach Umlauf der Strahlen um die Fläche (F), Detektoren (4) um die Interferenzen nachzuweisen dadurch gekennzeichenet, daß die Strahlquelle (1) eine Strahlquelle ist, die geladene Materiewellen aussendet, daß der Strahlteiler (2) als elektronen- bzw. ionenoptisches Biprisma ausgebildet ist, daß die Mittel zur Rührung der Strahlen um eine Fläche herum durch mindestens ein weiteres elektronen-oder ionenoptisches Biprisma (3) oder ersatzweise eine Fokussierungsoptik und durch das Vakuumgefäß gebildet sind, daß Detektoren (4) zum Nachweis der Materiewelleninterferenzen vorgesehen sind. Device for measuring rotary movements and rotary accelerations, with a beam source for coherent beams, a beam splitter, means for guiding of the rays around a surface (F), means for generating interference after revolution of the rays around the surface (F), detectors (4) to detect the interference characterized in that the beam source (1) is a beam source, the charged one Matter waves that the beam splitter (2) emits as electron or ion optical Biprism is designed that the means for stirring the beams around a surface around by at least one further electron- or ion-optical biprism (3) or alternatively a focusing optics and are formed by the vacuum vessel, that detectors (4) are provided for the detection of matter wave interference. 2) Einrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß als Detektoren (4) die Kombination eines teilchenoptischen Vergrößerunsssystems mit einem ortsauflösenden Detektor, wahlweise mit oder ohne Bildverstärkung, verwendet wird.2) Device according to claim 1, characterized in that as detectors (4) the combination of a particle-optical magnification system with a spatially resolving one Detector, optionally with or without image intensification, is used. 3) Einrichtung nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, daß als Vergrößerungssystem rotationssymmetrische oder zylindersymmetrische Linsen für geladene Teilchen verwendet werden, als ortsauflösende Teilchendetektoren hochauflösende Leuchtschirme ohne oder mit nachgeschalteten Bildverstärkern oder ortsauflösende Elektronen-bzw. Ionendetektorenßwahlweise mit vorgeschalteten Xanalplattenstromverstärkern.3) Device according to claim 2, characterized in that as a magnification system rotationally symmetrical or cylindrically symmetrical lenses are used for charged particles are, as spatially resolving particle detectors, high-resolution luminescent screens without or with downstream image intensifiers or spatially resolving electrons or. Ion detectors optionally with upstream Xanal plate current amplifiers. 4) Einrichtung nach Anspruch 1,2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlquelle (1) als Feldemissionselektronenquelle, Feldionenquelle, Photoelektronenquelle oder thermische Elektronenquelle ausgebildet ist.4) Device according to claim 1, 2 and 3, characterized in that the beam source (1) as a field emission electron source, field ion source, photoelectron source or thermal electron source is formed. Zur Einhaltung der Winkelkohärenzbedingung müssen die photoelektronen-und thermische Elektronenquelle gegebenenfalls elektronenoptisch vorverkleinert werden.To comply with the angle coherence condition, the photoelectron and thermal electron source can optionally be pre-reduced electron-optically. 5) Einrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Biprismen (2,3) aus zwei Masselektroden (2a,3a) und in der Mitte zwischen diesen gespannten metallischen oder metallisierten Fäden (2b,3b) bestehen, die für den Fall negativ geladener Teilchen negativ ( bzw. positiv (3b) vorgespannt sind, und für den Fall positiv geladener Teilchenstrahlen positiv (2b) bzw.5) Device according to claim 1 to 4, characterized in that the biprisms (2,3) from two ground electrodes (2a, 3a) and in the middle between them tensioned metallic or metallized threads (2b, 3b) exist for the In the case of negatively charged particles are negatively (or positively (3b) biased, and positive for the case of positively charged particle beams (2b) or negativ (3b).negative (3b). 6)Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der metallisierte Faden (2b,3b) als metallisierter Quarzfaden von ca. ljum Durchmesser ausgebildet ist.6) Device according to claim 5, characterized in that the metallized Thread (2b, 3b) designed as a metallized quartz thread with a diameter of approx is. 7) Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Sicherstellung der Ausheizbarkeit auf den Quarzfaden zunächst eine Kupferschicht und darüber eine Edelmetalischicht, beispielsweise Goldschicht, zum Beispiel durch Aufdampfen im Vakuum, aufgebracht wird.7) Device according to claim 6, characterized in that to ensure the ability to bake out on the quartz thread first a copper layer and then a Noble metal layer, for example gold layer, for example by vapor deposition in the Vacuum. 8J Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Feldemissionselektronenquelle als sehr feine Metallspitze ausgebildet ist und beispielsweise durch elektrolythisches Sitzen hergestellt wird.8J device according to claim 4, characterized in that the field emission electron source is designed as a very fine metal tip and, for example, by electrolytic Sitting is made. 9) Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß, zur Erzeugung einer starken Emission der Feldemissionsspitze in Vorwärtsrichtung, diese durch eine Wärmebehandlung bei gleichzeitig anliegender positiver Hochspannung und eventuellem Gaseinlass angespitzt und die gewUnschte Emission erreicht wird (Remolding).9) Device according to claim 8, characterized in that, for generating a strong emission of the field emission tip in the forward direction, this through a heat treatment with simultaneous positive high voltage and possibly The gas inlet is sharpened and the desired emission is achieved (remolding). 10) Einrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß zur Abschirmumg von durch die Fläche F durchgreifenden magnetischen Störfeldern ein- oder mehrlagige Abschirmungen aus Kupfer und Metall und zusätzlich eventuell Eisen verwendet werden.10) Device according to claim 1, characterized in that for shielding of magnetic interference fields penetrating through the area F or multilayer Shields made of copper and metal and possibly iron can also be used. 11> Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Abschirmumg von durch die Fläche F durchgreifenden magnetischen Störfeldern eine so weit als möglich geschlossene supraleitende Metallschicht angewendet wird.11> Device according to claim 1, characterized in that for Shielding of magnetic interference fields penetrating through the surface F a as far as possible closed superconducting metal layer is used. 12) Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Abschirmung nach Anspruch 11 und zum Aufrechterhalten des erforderlichen Vakuums dip tiefgekühlte supraleitende Metallschicht gleichzeitig ais Kryopumpe ausgebildet wird.12) Device according to claim 1, characterized in that for shielding according to claim 11 and to maintain the required vacuum dip deep-frozen superconducting metal layer is formed at the same time as a cryopump. 13) Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zu den Biprismen '.13) Device according to claim 1, characterized in that in addition to the biprisms'. (3) homogene oder inhomogene elektrische oder magnetS¢ci.(3) homogeneous or inhomogeneous electrical or magnetS ¢ ci. Felder zur Strahlführung angewendet werden.Fields are used for beam guidance. 14) Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie in ein auf Dauer evakuiertes Glasgefäß eingeschmolzen wird.14) Device according to claim 1, characterized in that it is in a permanently evacuated glass vessel is melted down.
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