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Zierfahren und. Anordnung zur Kurzzeitmessung Die Erfindung betrifft
ein Verfahren zur Bestimmung des Zeitunterschiedes zwischen zwei durch Spannungsstöße
bewirkten Auslenkungen eines einen Zeitkreis beschreibenden Elektronenstrahles und
eine Anordnung zur Durchführung dieses Verfahrens.
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Es ist nun bereits ein Verfahren zur Bestimmung der Übertragungszeit
elektrischer Schwingungen zwischen zwei Orten. und daraus des Abstandes der Orte
voneinander bekanntgeworden. Hierbei werden von einem Ort aus elektrische Schwingungen
mit oder ohne Draht nach dem anderen Ort gesandt, dort empfangen und zur Steuerung
eines Senders. benutzt. Dieser Sender sendet diese Schwingungen zum ersten Ort mit
oder ohne Draht so, zurück, daß sie am ersten Ort wieder empfangen werden und der
Zeitunterschied zwischen der Aussendung und dem Wiederempfang dieser Schwingungen
bestimmbar ist. Zur Messung des Zeitunterschiedes. werden die vom ersten Ort ausgehenden
und vom zweiten Ort zurückgesandten Schwingungen zur Interferenz gebracht, wobei
durch Ein-
Schaltung akustischer oder elektrischer Verzögerungsstrecken
Gleichzeitigkeit der Ein-«-irkungen auf ein Anzeigeinstrument erreicht und damit
ein Maximum oder Minimum der Wirkung eingestellt wird, so daß der Zeitunterschied
durch die Größe der hierbei einzuschaltenden Verzögerungsstrecken gegeben ist. Es
handelt sich hierbei also um zwei voneinander getrennte lineare Leitersysteme, an
deren Enden je eine Verzögerungsstrecke liegt. Über diese Leitersysteme läuft ein
einziges Signal auf zwei getrennten Wegen.
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Es ist ferner eine Einrichtung bekanntgeworden, bei der in einem Braunschen
Rohr stehende Bilder dadurch erzeugt werden, daß ein Signal dauernd im Rhythmus
der Umlauffrequenz des Elektronenstrahles durch eine entsprechend bemessene Tastatur
wiederholt wird.
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Bei wissenschaftlichen und technischen L ntersuchung°n, insbesondere
in der Meßtechnik, tritt weiterhin oft die Aufgabe auf, einmalige Geschehnisse von.
geringer Zeitdauer festzuhalten, insbesondere zu dem Zweck. sehr geringe Zeitdifferenzen
zwischen zwei Ereignissen mit größter Genauigkeit zu bestimmen. Eine in vielen Fällen
anwendbare Lösung dieser Aufgabe besteht in der photographischen Aufnahme mit nachfolgender
Ausmessung des zu untersuchenden Vorganges. Durch zusätzliche photographische Einrichtungen
werden jedoch die-Untersuchungen vielfach schwierig und umständlich, und die Sicherheit
der Aufnahme und ihre schnelle Auswertung sind keineswegs gewährleistet.
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Diese Nachteile werden erfindungsgemäß dadurch vermieden, daß die
durch den Vorgang ausgelösten einmaligen Spannungsstöße über ein elektrisches Verzögerungssystem
mit einer solchen Verzögerungszeit auf den Elektronenstrahl zur Einwirkung gebracht
werden, daß sich die Auslenkungen an gleichen Stellen des Zeitkreises periodisch
wiederholen. Es handelt sich hierbei darum, die durch einen Vorgang von kürzester
Zeitdauer ausgelösten Spannungsstöße auf einer Zeitskala länger dauernde Wirkungen
hervorrufen zu lassen, die einer Beobachtung oder Messung bequem zugänglich sind.
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Der zu untersuchende Vorgang (Kurzzeitmessung) löst an seinem Anfang
und an seinem Ende elektrische Impulse, z. B. Spannungsstöße, aus. die der Dauer
dieser Spannungsstöße entsprechend kurzzeitige Auslenkungen eines auf einem Zeitkreis
umlaufenden Elektronenstrahles hervorrufen. Durch jede Auslenkung wird gemäß der
Erfindung je ein weiterer Spannungsstoß ausgelöst, der über ein elektrisches Leitersystem
mit einer solchen Verzögerungszeit wieder auf den umlaufenden Elektronenstrahl zur
Wirkung ' gelangt, daß eine Auslenkung an derselben Stelle erfolgt, die erneut einen
Spannungsstoß auslöst usf. Es ergibt sich also eine periodische Wiederholung der
Auslenkungen an denselben Stellen des Zeitkreise:. Der Zeitkreis hat hierbei an
zwei Stellen 'Iarkierungen erfahren, deren räumlicher Abstand ein sehr genaues Maß
für die zwischen ihnen liegende Zeitspanne ist. Den Elektronenstrahl wird man zweckmäßig
mit konstanter Frequenz umlaufen lassen. Die Verzögerungszeit der Spannungsstöße
durch das Leitersystem muß dann. dem Kehrwert der Umlauffrequenz gleich -sein oder
ein ganzzahliges Vielfaches hiervon betragen.
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Die Umwandlung physikalischer Geschehnisse in Spannungsstöße ergibt
stet: den Vorteil vielseitiger Verwendungsmöglichkeit und leichter Registrierbarkeit.
In den zur hohen Vollkommenheit ausgebildeten Photozellen. Braunschen Röhren. Kerrzellen
und ähnlichen Einrichtungen verfügt die heutige Technik über geeignete Mittel, um
optische. mechanische oder andere physikalische Vorgänge in entsprechend verlaufende
elektrische umzuwandeln. die alsdann, auch wenn sie sehr rasch verlaufen, nach dem
erfindungsgemäßen i Verfahren leicht beobachtet und registriert werden können.
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In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand in einem Ausführungsbeispiel
dar-; gestellt. Es zeigt i Fig. i ein Braunsches Rohr mit einem I elektrischen @rerzögerungssystem.
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Fig. 2 ein anders aufgebautes Verzögerungssystem, Fig.3 die Verwendung
eines zusätzlichen Verstärkers in einem Verzögerungssystem. Fig. ¢ das Auffangsystem
für den Elektronenstrahl in vergrößertem Maßstabe und Fig. 3 a bis 3 d besondere
Ausführungsarten des Auffangsystems.
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' Der einen Zeitkreis beschreibende Elektronenstrahl wird gemäß Fig.
i in an sich bekannter Weise in einer evakuierten Glasröhre i mit der Kathode -2
und der als Lochblende ausgebildeten Anode 3 erzeugt. Die Zeitspannung für die Kathode
wird durch die Drähte 4 zugeführt. Eine Leitung 3 verbindet die Kathode mit dem
negativen Pol der Anodenspannungsquelle. Die Anode ist zweckmäßig geerdet. Die von
der Kathode ausgehenden Elektronenstrahlen gehen durch zwei gekreuzt angeordnete
Plattenpaare 6 # und 7 hindurch, an denen über Drähte 8 und 9 zwei um 90' phasenverschobene,
gleich starke Wechselspannungen liegen. Die Elektronenstrahlen werden dadurch abgelenkt
und bewegen sich in bekannter Weise auf dem Mantel eines Kreiskegels. Ihre kreisförmige
Spur auf einer als Auffangschirm dienenden
Metallglätte 13 dient
als- Zeitkreis. Die Bewegung des Elektronenstrahles kann natürlich auch durch zwei
gekreuzte magnetische Felder oder durch gemischte magnetische und elektrische Felder
bewirkt werden.
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Wird das erfindungsgemäße, Verfahren z. B. zur Messung von Geschoßgeschwindigkeiten
benutzt, so löst das, vorbeifliegende Geschoß an zwei in einem bekannten Abstand
vonein, arider festgelegten Punkten der Geschoßbahn Spannungsimpulse aus. Der erste
Spannungsimpuls erzeugt eine stehende Auslenkung an einer bestimmten Stelle des.
Zeitkreises, der zweite an einer anderen Stelle. Bei passender Wahl der Elektronenstrahlumlauffrequenz
im Verhältnis. zu den zu messenden Zeiten bildet der Abstand der beiden Auslenkungen
ein genaues, Maß für die Zeitdauer, die das Geschoß zum Durchfliegen, der beiden
Markierungspunkte gebraucht.
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Die Spannungsstöße können als zusätzliche Auslenkspannung an die Plattenpaare
6 und 7 gelegt werden. Besser ist es -jedoch, in an sich bekannter Weise in dem
Wege des umlaufenden Elektronenstrahles einen zylindrischen oder "kegelförmigen
Kondensator io, i i anzuordnen und diesem die Spannungsstöße zur Auslenkung zuzuführen.
Über die Drähte 12 kann die Zuführung der Auslenkspannung zu den Kondensatorelektrodenio
und ii erfolgen. Der Elektronenstrahl wird normalerweise, d. h. in unausgelenktem
Zustand, die Lage a, einnehmen- und von der mit Anode und Erde verbundenen. Metallplatte
13 äufgefä,ngen und abgeleitet werden. Seine Spur ist infolge der Einwirkung der
an den Plattenpaaren 6 und 7 liegenden Wechselspannung ein Kreis. Den Schirm 13
umgibt, um einen ringförmigen: Zwischenraum 15 getrennt, konzentrisch ein gegen
13 isolierter Metallring 14.
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Wird an die Elektroden io und i i ein Spannungsstoß gelegt, so wird
der umlaufende Elektronenstrahl aus der Lage a in die Lage b
ausgelenkt. -Infölgedessen
erhält der Ring 14 eine Ladung und mithin einen Spannungsstoß, der dem Gitter der
Eingangsröhre eines Verstärkers 16 zugeführt wird. Hinter diesem Verstärker liegt
ein Leitungssystem 17 aus. Kapazitäten und Indüktivitäten (Kettenleiter), durch
das der Spannungsstoß beim Durchlaufen desselben um eine gewisse Zeit verzögert
wird. Ein Schleifkontakt 18 gestattet, die Verzögerungszeit entsprechend der Umlauffrequenz
passend einzustellen, so daß der Spannungsstoß über eine Leitung i9 und einen Transformator
20 -im richtigen Zeitpunkt wieder an den Platten io und ii des Zylinderkondensators
eintrifft.
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Wie aus Fig. 2 ersichtlich, kann die Verzögerungskette auch viel einfacher
aufgebaut sein, als Fig. i angibt. Die einzelnen Selbstinduktionen sind hierbei
durch Variömeter ai ersetzt, die in sehr bequemer Weise ihre Induktivität und somit
die Verzögerungszeiten in weiten Bereichen: zu ändern. gestatten und einen gesonderten
Schleifkontakt überflüssig machen. Im einfachsten und für viele Zwecke ausreichenden
Fall genügt ein Kondensator und ein Variometer, oder überhaupt auch nur letzteres.
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Bei der Bemessung des. Leitersystems für die Zeitverzögerung ist zu
beachten,, d@aß der in dasselbe hineingelangende Spannungsstoß sich nach dem Fourierschen
Theorem aus einer Anzahl von Sinuswellen zusammensetzt. Es muß nun die Kette derartig
bemessen. sein, daß sie mindestens für die Hauptwelle keinerlei Drosselwirkung ausübt.
Da ferner die einzelnen Frequenzen der Sinuswellen des. Stoßes verschieden schnell
über die Kette laufen werden, es aber auf eine Verformung des Stoßes an sich nicht
ankommt, vielmehr auf das genaue Festhalten eines seiner Spannungspunkte, dies i"st
ja für Zeitunterschiedsmessungen allein wesentlich, ist es zweckmäßig, hinter das
Leitersystem 17 nochmals einen Verstärker 22 ZU setzen, dessen Eingangsröhre
eine derartige Vorspannung besitzt, daß nur ein bestimmtes wesentliches Stück des
Spannungsstoßes weitergegeben wird (Fig. 3). Der erste Verstärker 16 hat dann lediglich
die Aufgabe, den Spannungsstoß auf einen. Wert zu bringen, der ein sicheres Durchkommen
durch die Kette 17 gewährleistet. Der zweite Verstärker 22 hat nunmehr erst die
Hauptaufgabe, den Spannungsstoß so weit zu verstärken, daß er am Zylinderkondensatoar
io, ii die erforderliche Auslenkspannung hervorruft. Der Anschluß über einen Transformator
ist dann unzweckmäßig. Die erforderliche Spannung wird vielmehr über einen Widerstand
im- Anodenkreis der letzten Röhre des zweiten Verstärkers abgegriffen, wie dies
ebenfalls die Fig. 3 zeigt.
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Ein in den Verstärker 16 hineingegebener Irrpuls löst vermöge der
erfindungsgemäßen Anordnung eine unterbrochene Folge von Spannungsstößen aus, die
an irgendwelchen Stellen auf dem Zeitkreis Auslenkungen hervorrufen: Wird nun durch
Veränderung des Leitersystems 17 bzw. der Variometer 21 die Laufzeit der vom Ring
14 ausgehenden Impulse bis zu 'deren Ankunft an den Auslenkelektroden io, i i gleich
der Zeitdauer für einen Umlauf des Elektronenstrahles gemacht, so erfolgt diese
Auslenkung immer an derselben Stelle. Eine stehende Auslenkzacke erhält man ebenfalls,
wenn auch nicht so, intensiv, wenn. die Laufzeit des. Impulses ein ganzzahliges
Vielfaches der Umlaufzeit beträgt. Durch entsprechende Wahl der Umlauffrequenz des
Elektronenstrahles hat man
die Möglichkeit, im Fall der Kurzzeitmessung
den Meßbereich in weiten Grenzen ändern zu können. Für die Auswertung der Meßergebnisse
ist es am einfachsten, wenn der Kehrwert der Umlauffrequenz gleich der größten zu
messenden Zeitspanne gewählt wird.
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Mit der beschriebenen Anordnung ist es also möglich, sehr kurze Spannungsstöße
ein für allemal im Gerät festzuhalten. Die Erfindung gestattet aber auch, die Auslenkung
des Elektronenstrahles dauernd sichtbar zu machen, wenn man beispielsweise den Metallring
i.1 mit einem unmittelbar anschließenden Fluo,reszenzring 23 umgibt (Fig. i). Zu
diesem Zweck müssen die Auslenkungen durch die Spannungsstöße so groß sein bzw.
die Breiten des Zwischenraumes 25 und des Ringes 14 so gewählt «,-erden, daß die
Auslenkzacken noch ein wenig den Fluoreszenzring.23 überdecken und somit auf diesem
als helle Lichtflecke sichtbar werden. Es ist aber auch genau so gut möglich, den
Fluoreszenzring zwischen 13 und 14 anzubringen, wobei man nur dafür sorgen muß,
daß keine leitende Verbindung zwischen der Platte 13 und dem Ring 14 aufritt.
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Die Wirkungsweise des Ringes 1:I möge noch an Hand der Fig. 4. erläutert
werden. Zwei Spannungsstöße sollen mit einem gewissen Zeitunterschied t aufeinanderfolgen
und die gezeichnete Gestalt haben. Die Bestimmung dieses Zeitunterschiedes t sei
Aufgabe einer Messung. Es genügt, dafür zu sorgen, daß nur die oberen Zacken der
Spannungsstöße an den Ring 14 gelangen und weitergegeben werden. Dadurch wird eine
erhebliche Verschärfung der Genauigkeit in der Bestimmung des Zeitunterschiedes
erreicht. -Nur die obersten Spitzen mögen jeweils auf dem Fluoreszenzring z3 erscheinen
und so abermals zu einer Verschärfung der Genauigkeit der Auslenkung beitragen.
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Durch Veränderung .der Breite des Zwischenraums 15 kann die Genauigkeit
bei der Ablesung des Abstandes der Auslenkungen geregelt und den gerade vorliegenden
Verhältnissen angepaßt werden. Diese Art der Regelung ist nicht sehr zweckmäßig,
da man ja in der Röhre schlecht Veränderungen vornehmen kann. Einfacher ist es,
dem Gitter der Eingangsröhre des Verstärkers eine solche Vorspannung zu geben, daß
nur der obere schmale Teil der Spannungsstöße durchgelassen wird, wodurch, je nach
dem Grade der Vorspannung, ebenfalls eine mehr oder minder große Genauigkeit erzielt
wird.
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Hat man eine Messung mit der Anordnung vorgenommen und soll nun eine
zweite Messung stattfinden, so wird die Anordnung ohne weiteres für diese zweite
2vIessung aufnahmebereit, wenn man einen im Stromkreis des Verzögerungssystems liegenden
Schalter i8a einmal öffnet und wieder schließt.
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Der Auffangschirm 13 ist nach Fig. i als kreisförmige Platte ausgebildet.
Da aber beim Auftreffen von Elektronen auf 'll-Ietall Sekundärelektronen ausgelöst
«-erden und diese durch Diffusion einmal auf dem Fluoreszenzring 23 ein schwaches
Leuchten und andererseits störende Ladungen auf dem Ring i4. hervorzubringen vermögen,
empfiehlt es sich, durch geeignete Mittel ein Übertreten der Sekundärelektronen
auf die Ringe i.[ und 23 zu verhindern. Im einfachsten Fall kann man den Schirm
13 mit einem Schutzring 24 umgeben, wie es Fig. 5 im Querschnitt zeigt. Zwei andere
Ausführungsarten zeigen Fig. 5 b und Fig. 5 c. In dem einen Fall (Fig. 5 b) ist
außer dem Schutzring 24 vor der Platte 13 eine weitere Platte 25 von etwas geringerem
Durchmesser angebracht, in dem anderen Fall (Fig. 5 c) ein 1letallnetz 26. Durch
alle diese Mittel wird, mehr oder weniger vollkommen, das Heraustreten von Sekundärelektronen
aus dem von der Platte 13 und dem Schutzring 2.1 gebildeten Käfig erschwert. -Um
auch die durch den Zwischenraum 15 tretenden Elektronen abzufangen, kann hinter
der Auffangplatte 13, wie es Fig. 5 d zeigt, noch eine Metallplatte 27 angebracht
werden.
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Spannungsstöße, die von irgendeinem außerhalb der Apparatur liegenden
Orte stammen und deren Zeitunterschied gemessen werden soll, können, wenn sie von
genügender Intensität sind, über die Drähte 12 (Fig. i) gleich an die Platten des
Zvlinderkondensators io. i i gelegt werden. In den allermeisten Fällen werden sie
aber nur schwach sein. Daher ist es zweckmäßig, sie vor dem ersten oder dem zweiten
Verstärker in das Gerät zu leiten. so daß sie nach erfolgter Verstärkung mit der
erforderlichen Stärke an die Plattenpaare io und i i gelangen. Diese Schaltungsmöglichkeit
ist ebenfalls aus Fig. i ersichtlich. Ü her die Drähte 12a und einen Transformator
20a werden die von außen kommenden Spannungsstöße an das Gitter der Eingangsröhre
des Verstärkers 16 geführt.
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Zum Schluß sei noch ein Zahlenbeispiel mit Werten gegeben, wie sie
in der Praxis vorkommen. Ein Geschoß fliege auf seiner Bahn mit einer ungefähren
Geschwindigkeit von iooo m/sec an den beiden i m voneinander befindlichen Orten
A und B vorüber und löse dort zwei Spannungsstöße aus. Diese gelangen nun in die
vorstehend beschriebene Anordnung und mögen als feine, 2 mm breite Lichtzacken auf
dem Fluoreszenzring vom Durchmesser 16 cm sichtbar werden und einen gegenseitigen
Abstand von .46 cm haben. Die Genauigkeit der Ablesung betrage 1,'= nim und
die
Frequenz des den Zeitkreis bildenden Elektronenstrahles ioooHz. Aus. den gegebenen
Daten errechnet sich eine Zeitspanne zwischen A und B von o,ooo 916
sec ± o,ooo ooi sec und eine Geschwindigkeit von io92,i8i m/sec ± o;ooi m/sec.
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Wenn sich nun beim Feuern des Geschützes infolge Erhitzung und Abnutzung
des Rohres langsam diese Geschwindigkeit ändert, so kann sie bequem mit der vorstehenden
beschriebenen Anordnung gemessen werden.
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Statt die Meßergebni.sse auf dem. Fluoreszenzring 23 abzulesen, kann
man auch eine selbsttätige Anzeige und Aufzeichnung vorsehen. Hierzu kann ein motorisch
angetriebenes Periskopsystem dienen, welches. beim Vorbeistreichen an einer Lichtzacke
die von derselben ausgehenden Lichtstrahlen auffängt und über eine Photozelle einem
Verstärker zu@-führt, der mit einer Anzeigevorrichtung zusammenarbeitet. Diese gehört
jedoch nicht zum Gegenstand der Erfindung.