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Anordnung zur Messung kurzer Zeitspannen Die Erfindung betrifft eine
Anordnung zur Messung kurzer Zeitspannen mit Hilfe von durch Spannungsstöße bewirkten
Aaslenkungen eines einen Zeitkreis beschreibenden Elektronenstrahles.
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Es ist bereits bekannt, zum Aufzeichnen oder Anzeigen von periodischen
oderkurzzeitigen Vorgängen Kathodenstrahlröhren zu benutzen, bei denen ein umlaufender
Elektronenstrahl durch einen von dem zu untersuchenden Vorgang ausgelösten Spannungsstoß
von seiner Bahn aasgelenkt wird. Handelt es sich um einen einmaligen Vorgang, so
wird die Bahn des Elektronenstrahles und der Ort der Aaslenkung durch photographische
Aufnahme des Leuchtschirmes, auf dem die Spur des Elektronenstrahles erscheint,
festgehalten. Bei periodischen Vorgängen bewirken die sich wiederholenden Spannungsstöße
eine Aaslenkung des Strahles an derselben Stelle, die in Form einer Lichtzacke auf
dem Leuchtschirm erscheint und z. B. mit freiem Auge beobachtet werden kann.
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Das Aufzeichnen periodischer Vorgänge bereitet keine Schwierigkeit.
Anders ist es hingegen bei dem Aufzeichnen und Festhalten einmaliger Vorgänge. Die
photographische Aufnahme der Aaslenkung macht das Gerät in seinem Aufbau verwickelt.
Die Bedienung wird schwierig, und die angestrebte Genauigkeit kann wegen der kurzen
Dauer des Spannungsstoßes, die oft nur Bruchteile einer
Millisekunde
beträgt, oft nicht erreicht werden.
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Diese Nachteile -werden erfindungsgemäß dadurch vermieden, daß ein
Kranz nebeneinanderliegeltder Kondensatoren um einen zur Ableitung der Elektronen
des nicht ausgelenkten Elektronenstrahles dienenden Auffangschirm angeordnet ist
und der durch die Meßimpulse aasgelenkte Elektronenstrahl die den jeweiligen Aaslenkungen
zugeordneten Kondensatoren auflädt. deren Ladung eine Abtasteinrichtung auf eine
Anzeigevorrichtung auswertbar überträgt. Aus dem Abstand zweier so aufgeladener
Kondensatoren kann die Zeitspanne zwischen zwei Ereignissen sehr genau bestimmt
werden.
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Leder der Kondensatoren ist gemäß weiterer Erfindung mit einem Kontaktstück
versehen. mit dem ein inot@-)risch angetriebener Schleifarm zur Abnahme ihrer Ladung
und >` bertraguna auf eine Anzeigevorrichtung zusammenwirkt. Die Drehzahl dieses
Motors steht dabei in einem festen Verhältnis zur ITmlauffrequenz des Elektronenstrahles.
Ein weiteres Kennzeichen der Erfindung besteht darin, daß die geringe einmalige
Aufladung des Kondensators bei einem zu messenden einmaligen Vorgang selbsttätig
durch Influenz innerhalb des Elektronenrohres beträchtlich verstärkt «-erden kann.
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In der Zeichnung sind einige Ausführungsbeispiele des Erfindungsgedankens
dargestellt. Es zeigt: Fig. i eine Kathodenstrahlröhre mit im Innern angeordneten
Kondensatoren.
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Fig. 2 den zugehörigen Kondensatorkranz. Fig. 3 eine Kathodenstrahlröhre
mit einer Einrichtung zur Verstärkung der Kondensatoraufladung durch Influenz.
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Fig. s eine vergrößerte Darstellung der 1:äfigförmigeii Ausbildung
der Kondensatoren und Fil-. ; eilte Kathodenstrahlröhre aus Glas mit lichtempfindlichem
Boden der KondensatGren.
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Das Ausführungsbeispiel nach Fig. i besteht aus einem evakuierten
Metallrohr i mit der Kathode a und der Anode 3, die als Lochblende ausgebildet ist.
Die Heizspannung für die Kautode wird durch Drähte 4 zugeführt, während ein von
der Kathode ausgehender und isoliert durch das Metallrohr durchgeführter Draht >
zum negativen Pol der Anodenstroniquelle führt. Der positive Pol wird zweckmäßig
geerdet; dementsprechend ist in Fig. i auch das -Metallrohr i geerdet angedeutet
und die Anode 3 leitend mit ihm verbunden.
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An den beiden Plattenpaaren 6 und 7 liegen zwei um go" phasenverschobene
gleich starke Wechselspannungen. Die Zuleitung dieser hochfrequenten Wechselfelder,
die den Umlauf des Elektronenstrahles ani einem Kegelmantel bewirken, erfolgt über
Drähte S und g. Die Drehbewegung des Elektronenstralties kann natürlich auch durch
zwei gekreuzte magnetische Felder, erzeugt durch zwei gekreuzt liegende Spulenpaare.
oder durch ein Platten- und ein Spulenpaar erzielt S°.-erden.
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Am Anfang und am Ende der zu messenden Zeitspanne erfolgt je ein Sr@aniturg@at@l3.
der den Elektronenstrahl an zwei Stellen seiner Bahn radial auslenkt. Die Auslenkspannungen
können an die Plat@erpaare 6 und 7 gelegt werden. Sehr zweclzmäl'ig ist e: jedoch,
in bekannter Weise in dein Wege des umlaufenden Elektronenstrahles einen zylindrischen
oder kegeligen Kondensator allzuordnen, an den die Auslenl:spattnun@en --eführt
werden. Diese Ausführungsart ist in Fig. i dargestellt. Die beiden Elektroden des
kegeligen Auslenlcl:ondeitsators sind mit io und i i bezeichnet, die Zuführung der
Auslenkspannun a erfolgt über die Drähte 12.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es nun. diese beiden Spannungsstöße
festzullalteii. d. h. den Abstand der beiden @uslenl:zacl:en auf der Bahn des Elel:tronenstraliles
zu bestimmen. Hierzu wird folgende Anordnun<; benutzt: Der umlaufende Elektronenstrahl
triitt im unausgelenkten Zustand (Lage a) auf eilten Metallschirm 13, der mit dem
-lletallgeliäuse i leitend verbunden ist. Der Metallschirm ist von einem Kranz.
dicht auffeinanderfolaender kleiner Kondensatoren derart umgeben, dai bei einer
Aaslenkung des Elektronenstrahles (Lage b) dieser auf einen Kondensator fällt und
ihn auflädt. Die negativen Kondensatorbelegungen sind mit 14. bezeichnet. die positiven
Belegungen bilden zwecl:mäl@i; einen gemeinsamen Ring 13, der mit dem geerdeten
Gehäuse i verbunden ist. Die negativen Kondensatorbelegungen sind an einem aus Isolierstoff
bestehenden Ring 16 befestigt und mit je einer Auffangfläche i7 versehen. Auf letztere
fällt der Elektronenstrahl, wenn er von seiner normalen Lage a in die a@aaelenkte
Lage b gelangt. Die Attfiangfläclieit i; sind dicht über dem Schirm 13 angeordnet
und umgeben ihn konzentrisch. wie es die Fig. z zeigt.
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Es maß nun noch ermittelt werden. welcher Kondensator bei der Aaslenkung
des Elektronenstrahles aufgeladen wurde. Zu diesem Zweck ist ein langsam laufender
Motor 18 vorgesehen, auf dessen Achse isoliert ein Schleifarm ig befestigt ist,
der bei :einer Drehung über die Kontaktstücke 20 gleitet. ',Mit einer jeden negativen
Kondensator. belegung 14 ist je ein Kontaktstück 2o ver-
Bunden.
Gelangt der Schleifarm ig auf das Kontaktstück des durch die Auslenkung des Elektronenstrahles
gerade aufgeladenen Kondensators, so wird dieser entladen. Der einsetzende Stromstoß
wird über den Schleifring 21 und die Bürste 22 des Antriebsmotors an das Gitter
einer nicht mit dargestellten Verstärkerröhre geführt, die dann weiter auf eine
Anzeigevorrichtung arbeitet. Auf der Achse des Motors i8 wird vorteilhaft noch ein
Kurzschlußbügel angebracht, der nach erfolgter Entladung eines Kondensators dessen
beide Belegungen kurzschließt, um etwa noch vorhandene Restladungen auszugleichen.
Er ist in die Figur nicht mit eingezeichnet worden. Da der Schirm 13 nicht frei
stehend angebracht werden kann, ordnet man ihn zweckmäßig ebenfalls auf der Motorachse
an und läßt ihn mit umlaufen.
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Am Anfang und Ende einer zu messenden Zeitspanne werden Spannungsstöße
erzeugt und auf die Auslenkkondensatoren io, ii geführt. Die Spannungsstöße mögen
in einer Zeit aufeinanderfolgen, die kleiner ist als die Zeit für einen Umlauf des
Elektronenstrahles. Der Elektronenstrahl wird alsdann kurz hintereinander auf zwei
verschiedene Kondensatoren des die Auffangfläche 13 umgebenden Kondensatorkranzes
ausgelenkt. Der Bahnabstand der beiden aufgeladenen Kondensatoren ist ein Maß für
die zwischen den Ereignissen verflossene Zeit.
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Die Motordrehzahl wird dabei wesentlich geringer gewählt als die Umlauffrequenz
des Elektronenstrahles. Beträgt erstere z. B. i Hz, so werden die ursprünglich sehr
schnell aufeinanderfolgenden Spannungsstöße zeitlich weit getrennt. Die Vorrichtung
arbeitet also als Zeitdehner (Zeittransformator), und darin liegt ein wesentliches
Merkmal der Erfindung und die Möglichkeit einer sehr genauen Messung. Läuft der
Elektronenstrahl in der Zeit zwischen beiden Ereignissen mehrmals um, so ist der
Abstand der Auslenkungen bzw. der aufgeladenen Kondensatoren zwar kein unmittelbares
Maß mehr für die gesamte Zeitspanne zwischen den Ereignissen. Kennt man diese Zeit
aber der Größenordnung nach, so kann man aus dem Abstand der beiden Auslenkungen
das genaue Zeitmaß ermitteln oder auf die Genauigkeit schließen, mit der die beiden
Ereignisse aufeinandergefolgt sind. Ändert sich die Zeitspanne bei dauernder Wiederholung
langsam mit der Zeit, so kann diese kleine Änderung sehr gut verfolgt werden.
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Der Antriebsmotor 18 wird vorteilhaft, wie es auch die Fig. i zeigt,
im Gehäuse i untergebracht, weil man so die schwierigen und unzuverlässigen Wellenabdichtungen
spart. Es ist dabei jedoch zu beachten, daß das Vakuum des Gehäuses durch verdampfendes
Ö1 für die Schmierung der Motorlager beeinträchtigt wird. Es empfiehlt sich daher,
die Achse des Motors nur in Kugellagern laufen zu lassen, die bei der geringen Umdrehungszahl,
z. B. i Hz, keinerlei Schmierung bedürfen.
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Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung mit Verstärkung
der Kondensatoraufladung durch Influenz. Die mit den Bezugsziffern 1 bis 12 versehenen
Teile in der Fig. 3 haben dieselbe Bedeutung und sind ebenso ausgebildet wie die
entsprechenden Teile in Fig. i. Der metallische Auffangschirm 13 für den Elektronenstrahl
ist ebenfalls wieder mit dem Gehäuse i verbunden. Er ist von einem Kranz von Kondensatoren
umgeben, deren negative Belegungen 14 jedoch käfigförmig als sogenannte Faradaysche
Käfige ausgebildet sind. Als gemeinsame positive Kondensatorbelegung findet hierbei
gleich der Auffangschirm 13 Verwendung.
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Die käfigförmige Ausführung der Kondensatoren, die natürlich auch
im Ausführungsbeispiel nach Fig. i zur Anwendung gelangen kann, hat den Vorteil,
daß die durch die aufprallenden Elektronen ausgelösten Sekundärelektronen im wesentlichen
auf den zugehörigen Käfig zurückfallen und nicht etwa durch Diffusion auf die benachbarten
Kondensatoren das- Meßergebnis verwischen oder verfälschen.
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Jeder Käfig ist wieder mit einem Kontaktstück 2o versehen. Über diese
Kontaktstücke 2o gleitet die Schleiffeder des Schleifarmes 1g, der isoliert auf
der Achse des Motors 18 befestigt ist. Die bei der Drehung des Motors 18 abgenommenen
Kondensatorspannungen werden über den Schleifring 21 und die Bürste 22 wiederum
dem Gitter einer Verstärkere öhre zugeleitet.
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Der Auffängschirm 13 ist noch mit Schlitzen 23 versehen, die den Käfigen
14 gegenüberliegen. Eine zweckmäßige Ausbildung des Schirmes 13 mit den Schlitzen
23 ist aus der schaubildlichen Darstellung der Fig. q. näher ersichtlich. Er ist
mit aufgenieteten oder angelöteten kegelmantelförmigen Lappen 24 und 25 versehen,
zwischen denen mit geringem Abstand aufeinanderfolgend sich die Käfige 14 befinden.
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Wird ein Spannungsstoß an die Auslenkkondensatoren io und i i gelegt,
so wird der Elektronenstrahl aus seiner normalen Bahn a kurzzeitig in die Lage b
ausgelenkt und fällt dabei durch einen der Schlitze 23 auf den dahinter befindlichen
Käfig 14, der also negativ aufgeladen wird. Die Abnahme dieser Kondensatoraufladung
erfolgt, wie eben beschrieben, durch den Motor 18 und den Schleifarm ig.
Die
Aufladung eines Kondensators infolge einmaliger Auslenkung des Elektronenstrahles
ist naturgemäß äußerst gering. Die Wirkung der abgenommenen Ladung bzw. Spannung
kann durch Verstärker wesentlich erhöht werden. Der Nachweis so geringer elektrostatischer
Ladungen wird jedoch im Betrieb immer mit großen Schwierigkeiten verbunden und vielfach
unsicher sein, zumal bei der Stromabnahme mittels Schleiffedern störende Kontaktpotentiale
auftreten können. Deshalb wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, die nur einmal oder
nur wenige Male erfolgende Rufladung des Kondensators selbsttätig durch Influenz
zu verstärken, indem parallel zu jedem Kondensator (Auffangkondensator) räumlich
zwischen Kathode und Auffangschirm ein weiterer Kondensator (Auslenkkondensator)
geschaltet ist, zwischen dessen Belegungen der Elektronenstrahl derart umläuft,
daß er nach erfolgter Rufladung des Auffangkondensators durch den Auslenkkondensator
jedesmal an wieder derselben Stelle ausgelenkt wird. Die negativen Kondensatorbelegungen
dieser Auslenkkondensatoren sind in Fig. 3 mit 26 bezeichnet. Es sind ebenso viele
Kondensatorbelegungen 26 wie Käfige 1.4 vorhanden. Die positive Belegung der Auslenkkondensatoren
wird durch einen gemeinsamen Ring 27 gebildet, der mit dem geerdeten :Metallgehäuse
i leitend verbunden ist.
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je ein Kondensator 26 ist mit dem in entsprechender Lage befindlichen
Faradayschen Käfig 1.4 verbunden, so daß sich die Aufladung des letzteren infolge
Auslenkung des Elektronenstrahles in die Lage b auf den Auffangkondensator 13, 14
und den AuslenkkondensatOr 26, 27 verteilt. Beim nächsten Umlauf des Elektronenstrahles
wird er infolge der Wirkung des Auslenkkondensators an derselben Stelle ausgelenkt,
zwar nicht mehr in demselben Maße, aber doch so weit, daß er noch mit Sicherheit
mindestens teilweise in den Isäfig 14. fällt (Lage c). Hierdurch werden Auffangkondensator
und Auslenkkondensator stärker geladen, und letzterer lenkt beim nächsten Umlauf
den Elektronenstrahl noch stärker aus. Das geschieht so lange. bis er durch die
Öffnung 28 hindurchfällt und die `Fände des Gehäuses i erreicht. Eine weitere Rufladung
des Käfigs 14 tritt dann nicht mehr ein, so daß die abzunehmende Spannung nach oben
hin begrenzt ist. Wenn der von dem im Verhältnis zum Elektronenstrahl langsam umlaufenden
Motor i8 bewegte Schleifarm i9 das Kontaktstück 2o des gerade aufgeladenen Kondensators
1.4 erreicht hat, ist letzterer bereits bis auf seinen Höchstwert aufgeladen, so
daß eine genügend große Spannung an das Gitter der Verstärkerröhrekommt. Fig.5 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Verwendung einer Elektronenstrahlröhre
aus Glas. Der metallische Auffangschirm 13 ist von einem Kranz käfigförmiger Kondensatoren
i-. umgeben, die auf einem isolierenden Ring 16 befestigt sind. Am Boden der Käfige
befindet sich eine lichtempfindliche Schicht 35. Ein Spannungsstoß an die Auslenkkondensatoren
io und i i lenkt den umlaufenden Elektronenstrahl von der Lage d in die Lage b aus,
so daß er von einem der Kondensatoren 14 aufgefangen wird und diesen auflädt. Ein
von einer Lichtquelle 36 ausgehendes Lichtbündel wird durch eine Linse 37 parallel
gemacht und fällt auf eine undurchsichtige Scheibe 38, die von dem Motor 18 mit
einer Drehzahl bewegt wird, die im Verhältnis zur Umlauffrequenz des Elektronenstrahles
sehr gering ist. Die Scheibe 38 ist in an sich bekannter Weise in gleicher radialer
Entfernung wie die Käfige i.l mit einer einzigen feinen Öffnung 39 versehen, durch
die ein Lichtstrahl q.o auf die lichtempfindliche Schicht 35 der Käfige 14. fällt,
der beim Vorbeistreichen über den gerade aufgeladenen Kondensator die Elektronen
zur Auslösung bringt. Den Käfigen i-. gegenüber ist ein die positive Kondensatorbelegung
bildender Doppelring 15 angeordnet, der von zwei konzentrischen, einen Zwischenraum
frei lassenden Ringen gebildet ist. Der Lichtstrahl .lo trifft durch diesen Zwischenraum
auf die lichtempfindliche Schicht 35. Durch die lichtelektrisch ausgelösten Elektronen
erfolgt ein Stromübergang zwischen 15 und 35, und dieser Stromstoß wird über eine
Leitung 41 an das Gitter einerVerstärkerröhre42geleitet. die auf eine Anzeigevorrichtung
arbeitet.
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Zur Messung kurzer Zeitspannen erfolgt dabei eine zweimalige Kurzauslenkung
des Elektronenstrahles. Hierdurch werden zwei räumlich voneinander getrennte Käfige
14 aufgeladen, deren Abstand voneinander ein llaß für die Zeitspanne zwischen den
beiden Auslenkungen ist. Infolge der langsamen Drehzahl des :Motors i8 werden die
ursprünglich sehr kurz aufeinandergefolgten Buslenkungen des Elektronenstrahles
nunmehr in ihrem zeitlichen Abstand erheblich auseinandergezogen. Das Gehäuse i
muß lichtdurchlässig sein, also z. B. aus Glas bestehen.
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Es sei ausdrücklich darauf hingewiesen. daß die Elektronenröhren in
der Zeichnung rein schematisch dargestellt sind. Bei der praktischen Ausführung
wird man die Ausbildung der Glühkathode, die Anordnung und die Gestalt der Blenden
usw. nach den neuesten Erkenntnissen der Elektronenoptik vornehmen. In dein Ausführungsbeispiel
nach Fig. 3 wird die Länge der Elektronenröhre das normale Maß überschreiten, damit
der Elektronenstrahl,
der ja erst auf dem Auffangschirm scharf gebündelt
erscheint, beim Durchlaufen der Auslenkkondensatoren 26,27 einen kleinen
Querschnitt hat. Je länger der Strahl, desto kleiner ist sein Querschnitt und um
so definierter ist seine Beeinflussung durch die Auslenkkondensatoren.