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Optisches System für Oszillographen
I)ie Erfindung bezieht sich auf
Oszillographen der optischen Bauart, bei welchen als Aufzeichnungsmittel Licht benutzt
wird, und zwar auf solche Oszillographen der optischen Bauart, welche eine zweidimensionale
Darstellung einer elektrischen Funktion oder eines schnell verlaufenden Vorganges,
welcher während eines besonderen kurzzeitigen Intervalles auftritt, liefern. Solche
Darstellungen werden gewöhnlich als »Oszillographen-Schüsse« oder »Schuß-Oszillogramme«
bezeichnet, da nur ein kurzer Ausschnitt der elektrischen Funktion oder des schnellen
Vorganges aufgezeichnet wird.
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Bei derartigen Oszillographen zur Erzeugung von »Schuß-Oszillographen«
wurden bisher verschiedene optische Systeme ve1'enilit, um eine Zeithasisablenkung
sdes Au£zeichnunlgsdichtes auf einem lichtempfindlichen Teil, z. B. einem Film oder
Schirm, zu erzeugen. Bei einem dieser Systeme wird das lichtempfindliche Teil selbst
mit konstanter Geschwindigkeit längs einer Achse körperlich an dem Aufzeichnungslichtstrahl
vorbeibewegt, welcher gleichzeitig längs einer Koordinatenachse abgelenkt wird.
Wegen tder Trägheit des das lichtempfindliche Teil tragenden und antreibenden Gerätes
und wegen der Notwendigkeit d!er Ausschaltung von Streulicht eignet sich jedoch
dieses System nicht für die Erzeugung einer Zeitbasisab lenkung mit konstanter hoher
Geschwindigkeit.
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Bei einem anderen bekannten optischen System ist ein ebener Spiegel
so angeordnet, daß er einen längs einer Achse, z. B. der horizontalen Achse, abgelenkten
Lichtstrahl aufnimmt, wobei er um seine eigene entsprechende Achse so hin und her
bewegt wird, daß er gleichzeitig diesen einfallenden Lichtstrahl längs einer Koordinatenachse
wieder ablenkt und dadurch eine Zeitbasis auf einem passend angeordneten lichtempfindlichen
Aufzeichnungs-
schirm oder Film hervorbringt. Bei diesem letzteren
System muß jedoch ein äußerst dünner stiftartiger Lichtstrahl erzeugt werden, und.
der Schirm muß so gekrümmt sein, daß der Abstand zwischen Lichtquelle und Schirm
unabhängig von der Winkelstellung des schwingenden Spiegels konstant bleibt, um
eine geeignete Bündelung des Lichtstrahles auf dem Schirm zu ermöglichen.
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Demgemäß bezweckt die Erfindung in erster Linie die Ausbildung eines
»Schuß-Oszillographen« mit einem einfachen und wirtschaftlichen optischen System,
das sich zur Herstellung einer scharf gezeichneten zweidimensionalen Darstellung
hoher Geschwindigkeit einer elektrischen Funktion oder eines schnellen Vorganges
auf einem lichtempfindlichen Teil, wie z. B. einem Aufzeichnungsfilm oder einem
Beobachtungsschirm, eignet.
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Weiterhin bezweckt die Erfindung die Ausbildungeines einfachen und
wirtschaftlichen optischen Systems für die Zeitbasisablenkung eines »Schuß-Oszillographen«,
welches eine äußerst lineare Zeitbasisablenkung hoher Geschwindigkeit eines Lichtstrahles
ergibt.
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Weiterhin bezweckt die Erfindung die Ausbildung eines optischen Systems
für einen »Schuß-Oszillographen«, bei welchem das die Zeitbasisablenkung hervorbringende
Teil auch eine Lichtbündelung bewirkt.
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Weiterhin bezweckt die Erfindung dieAusbildung eines optischen Systems
für einen Oszillographen, welches die Fähigkeit hat, ein Breitstrahl-Anleuchtungssystem
so zu bündeln, daß auf einem ebenen lichtempfindlichen Aufzeichnungskörper oder
Beobaclitungsschirm eine feinr .gezeichn,,ete Spur erzeugt wird.
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Schließlich bezweckt die Erfindung die Ausbildung eines optischen
Oszillographensystems, welches ein »Schuß-Oszillogramm« längs einer Ebene erzeugt,
die mit der ebenen Fläche des lichtempfindlichen Materials in dem üblichen »Filmpack«
zusammenfällt.
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Das erfindungsgemäße optische System für den Oszillographen besitzt
eine Linienlichtquelle, einen in Abhängigkeit von der Größe eines elektrischen Parameters
bewegten ebenen Spiegel, einen profilierten beweglichen Spiegel, welcher das von
dem ebenen Spiegel einfallende Licht auf einen lichtempfindlichen Schirm projiziert,
wobei der bewegliche Spiegel so gestaltet ist, daß er einen zylindrischen Konkavspiegel
aufweist und längs einer bogenförmigen Bahn bewegt wird, so daß er das von dem ebenen
Spiegel reflektierte Licht mit einem kontinuierlich veränderlichen Neigungswinkel
auffängt. Der ebene Spiegel ist in diesem System in einem Brennpunkt, und der Aufstoßpunkt
des von dem profilierten Spiegel projizierten Lichtes auf dem Schirm ist in dem
zweiten Brennpunkt ein Reihe von Ellipsen angeordnet, welche der profilierte Spiegel
während seiner Bewegung bildet und welche gleiche Summen der Brennpunktradien, jedoch
veränderliche Exzentrizitäten aufweisen.
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Die Zeitbasisablenkung des Aufzeichnungslichtes nach einer Itoordinatenachse
auf diesem lichtempfindlichen Körper wird erzeugt, indem dieser das Licht reflektierende
und konzentrierende Körper mit konkaver Oberfläche zugleich bogenförmig bewegt wird.
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Vorzugsweise werden dabei Einrichtungen vorgesehen, um diesen die
Zeitbasis erzeugenden Reflexions- und IÇonzentrierungskörper unter einer passenden
mechanischen Spannung zurückzuhalten und dadurch eine hohe Anfangsgeschwindigkeit
dieses Konzentrierungskörpers zu erzeugen, wenn seine bogenförmige Bahnbewegung
ausgelöst wird.
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Ferner kann eine tiberspannungs-Schalteinrichtung vorgesehen werden,
um die Stärke der Lichtquelle während der Aufzeichnungszeit automatisch zu steigern
und die Lichtquelle zu löschen, während der konkave Reflexions- und Konzentrierungskörper
zur Vorbereitung einer weiteren Aufzeichnung zurückgestellt wird.
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Weitere Einzelheiten bezüglich der Durchführung des Erfindungsgedankens
und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles
an Hand der Zeichnung. In der Zeichnung zeigt Fig. I ein perspektivisches Schaubild
eines optischen Systems gemäß der Erfindung, Fig. 2 ein schematisches Diagramm zur
Erläuterung der Arbeitsweise eines Teiles des optischen Systems nach Fig. 1.
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Die in Fig. I dargestellte Ausführungsform der Erfindung besitzt
eine Lampe I mit einem Glühfaden 2, welcher eine Linienlichtquelle darstellt, die
durch geeignete optische Einrichtungen, wie z. B. die zylindrischen Linsen 3 und
4 auf den Spiegel 5 eines (nicht dargestellten) Galvanometers, gebündelt wird. Der
Spiegel 5 ist in bekannter Weise so ausgebildet und angeordnet, daß er um eine seiner
Achsen, z. B. um die vertikale Achse, in Übereinstimmung mit der Größe eines dem
Galvanometer zugeführten elektrischen Parameters schwingt. Das von dem Glühfaden
2 auf den Spiegel 5 auftreffende Licht wird als lineares Bild reflektiert, das parallel
zu der Schwingungsachse des Spiegels 5 steht und durch die Schwingung des Spiegels
5 nach einer senkrechten Achse, z. B. der hozrizontalen Achse, abgelenkt wird. Obwohl
eine Anordnung zur Erzeugung und Ablenkung einer Lichtabbildung dargestellt wurde,
könnte wahlweise auch eine Einrichtung zur Erzeugung und Ablenkung eines streifenförmigen
Lichtstrahles Anwendung finden.
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Um das von dem Spiegel 5 reflektierte lineare Bild auf einem lichtempfindlichen
Teil 6, wie z. B. auf einem Film oder Beobachtungsschirm, punktförmig zu bündeln
und eine Einrichtung zur Erzeugung einer Zeitbasisablenkung quer über den Schirm
vorzusehen, ist ein Segment eines zylindrischen Isonkavspiegels 7 angeordnet, welcher
das von dem Spiegel 5 reflektierte Licht empfängt und es wieder auf den Schirm 6
ablenkt. Der zylindrische Spiegel 7 mit konkaver Oberfläche ist mit seiner optischen
Achse im wesentlichen parallel zu der Ablenkrichtung des von dem Spiegel 5 reflektierten
vertikalen Bildes und mit einem solchen NeligungswInlie in bezug auf das einfallende
Licht
angeordnet, daß das Bild wieder abgelenkt und punktförmig
auf dem Schirm 6 gesammelt wird.
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Wenn der Konkavspiegel 7 feststehend ist, erzeugt die von dem Spiegel
5 bewirkte Ablenkung des Bildes eine entsprechende Bewegung des gebündelten Fleckes
längs einer Brennlinie des Spiegels 7, welche eine Achse des Schirmes 6 darstellt,
z. B. die in Fig. I mit Y bezeichnete Achse.
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Um eine zweidimensionale Darstellung der Ablenkung dieses beweglichen
Fleckes in bezug auf eine Zeitbasisablenkung längs einer Koordinatenachse des Schirmes
6, z. B. der X-Achse in Fig. I, zu erhalten, sind Einrichtungen vorgesehen, welche
den Konkavspiegel 7 antreiben, so daß er sich längs einer bogenförmigen Bahn mit
einem konstant veränderfichen Neigungswilnkel in bezug auf das von dem Spiegel 5
reflektierte Licht bewegt. Wie später bei der Beschreibung der Arbeitsweise dieses
optischen Systems näher erläutert wird, ist die augenblickliche Lage des Konkavspiegels
7 auf seiner Bewegungsbahn so, daß während seiner ganzen Bewegung längs seiner bogenförmigen
Bahn eine konstante Strahllänge und eine scharfe Bündelung des wieder abgelenkten
Lichtes auf dem l.i clttempfindl i chen Teil 6 erreicht wi:rldX Der Konkavspiegel
7 wird von einem Rahmen 8 getragen, der an seinem unteren Ende mittels einer drehbaren
Stange g schwenkbar gelagert ist, die an dem Rahmen 8 fest angebracht ist, sich
jedoch in Lagern 10 in zwei an gegenüberliegenden Seiten des Rahmens 8 angeordneten
hochstehenden Stützen II und I2 frei drehen kann. An dem Rahmen 8 ist eine kräftige
Zugfeder I3 befestigt und erteilt dem Spiegel 7 eine solche Bewegung, daß er einen
begrenzten Bogen beschreibt, dessen Drehachse die drehbare Stange g ist.
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Um zu erreichen, daß der Spiegel 7 auf seiner Bewegungsbahn mit hoher
Anfangsgeschwindigkeit angetrieben wird, ist ein Spannhebel I4 vorgesehen, welcher
den Rahmen 8 entgegen der Spannung der Feder I3 in einer vorgespannten Anfangslage
zurückhält. Der Spannhebel I4 ist an einem Drehzapfen I5 drehbar gelagert, welcher
an der hochstehenden Stütze In befestigt ist, und ruht unter der Spannung eines
federnden Teiles I7 auf einem an dem Rahmen 8 befestigten Spannzapfen I6. Wenn der
Rahmen 8 in eine aufgerichtete Lage gedreht wird, gleitet der Spannzapfen I6 längs
der Unterseite des Hebels 14 und greift in eine eingeschnittene Schulter I8 des
Hebelarmes 14.
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Die Drehung des Rahmens 8 kann selbstverständlich durch irgendeine
geeignete Einrichtung vorgenommen werden, wie z. B. durch eine gegabelte Spannachse
I9, welche in einen an dem Rahmen 8 angebrachten Arm 20 angreift, wenn die Spannachse
19 heruntergedrückt wird.
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Der Spiegelrahmen 8 kann aus seiner vorgespannten Lage ausgelöst
werden, indem man einfach das entgegengesetzte Ende 2I des Hebelarmes I4, z. B.
mittels einer Auslösestange 22, niederdrückt. Dadurch wird der Spannzapfen I6 aus
dem Eingriff mit dem Schultereinschnitt I8 des Hebelarmes I4 gelöst, und der Spiegelrahmen,
8 wird durch die Kraft der Feder I3 auf seiner Schwenkbahn angetrieben.
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Um die Bewegung des Spiegelrahmens 8 ohne übermäßigen Stoß oder Rückprall
anzuhalten, sind zwei Dämpfungsflächen 23 und 23' vorgesehen.
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Diese Dämpfungsflächen 23 und 23' sind auf einer Tragstange 24 drehbar
angebracht, welche zwischen den hochstehenden Stützen II und 12 verläuft, und sie
werden durch eine (nicht dargestellte) innere Feder in eine Anfangslage vorgespannt,
welche zu der anfänglichen Aufschlagfläche des Rahmen 8 geneigt ist.
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Eine synchronisierte Uberspannungs-Schalteinrichtung speist die Lampe
I mit normaler Spannung, wenn der Spiegelrahmen 8 unmittelbar vor der Aufzeichnung
gespannt ist, und erhöht selbsttätig die der Lampe I zugeführte Spannung während
der Aufzeichnungsdauer. Diese synchronisierte Schalteinrichtung bewirkt ferner,
daß die Lampe während der Spannperiode erlischt, so daß auf dem lichtempfindlichen
Schirm 6 keine Rückkehrspur erscheint, wenn der Spiegel 7 in seine anfängliche gespannte
Lage zurückgedreht wird. Vorzugsweise werden zwei Schalter zur Herstellung dieser
synchronisierten Schalteinrichtung verwendet. Der eine Schalter 25 wird durch die
Bewegung der Spannachse Ig und der andere Schalter 26 durch die Bewegung der drehbaren
Stange 9 betätigt. Der Schalter 25 kann ein einfacher zweipoliger Schalter sein,
welcher geöffnet ist, wenn die Spannstange 19 niedergedrückt wird, während der Schalter
26 vorzugsweise ein dreipoliger, durch Nocken betätigter Schalter ist, bei welchem
ein mittlerer Kontaktarm 27 mit einem von zwei weiteren Polen 28 bzw. 29 Kontakt
macht. Wenn der Spiegelrahmen sich in der gespannten Lage nach Fig. I befindet,
wird die Lampe I mit normaler Spannung über die Schalter 26 und 25 gespeist, indem
sie mit der einen Hälfte einer Sekundärwicklung 30 eines Speisetransformators 3I
verbunden wird. In dieser Lage liegt der Hebel 27 des Nockenschalters 26 an dem
Pol 28, so daß dieser normale Spannungskreis hergestellt wird. Wenn der Spannhebel
14 ausgelöst wird, so daß er den Spiegelrahmen 8 freigibt, wird die drehbare Stange
9 und der an ihr befestigte Schaltnocken 26 gedreht, so daß der Hebel 27 sich unter
der Spannung einer Feder 3I gegen den Pol 29 anlegen kann. Dadurch wird ein Kreis
über den Schalter 25 geschlossen, welcher die ganze an der Sekundärwicklung 30 des
Transformators 3I entwickelte Spannung der Lampe 1 zuführt.
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Wenn die Spannachse 19 niedergedrückt wird, um den Spiegelrahmen 8
wieder zu spannen, wird der Schalter 25 geöffnet und unterbricht den ganzen, die
Lampe 1 mit Spannung speisenden Serienkreis, so daß die Lampe I automatisch während
des Vorganges der Wiederspannung erlischt.
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Der Grundgedanke der Ausbildung und der Arbeitsweise des oben beschriebenen
Systems ergibt sich an Hand des schematischen Diagrammes nach Fig. 2, welche eine
typische Form der Zeitbasisablenkung des von dem Galvanometerspiegel reflektierten
Lichtes durch die Schwenkbewegung des
Konkavspiegels 7 veranschaulicht.
In Fig. 2 ist der zylindrische Spiegel 7 in verschiedenen Stellungen auf seiner
Bewegungsbahn dargestellt, während zwei typischen Kurven a und b eingetragen sind,
welche den Ort gleicher Strahllängen bzw. den Ort der besten Abbildungspunkte zeigen.
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Die mit N bezeichneten Linien sind Linien, die senkrecht zu der reflektierten
Oberfläche des Spiegels 7 in jedem Einfallspunkt gezogen sind. Die mit i und r bezeichneten
Winkel stellen den Einfallswinkel bzw. den Reflexionswinkel in jeder Stellung des
Spiegels 7 in bezug auf das von dem Galvanometerspiegel 5 einfallende Licht dar.
Auf einem beträchtlichen Teil der beiden Kurven, welcher mit Z bezeichnet ist, fallen
die beiden Orte fast zusammen umd dieses Teil ist annähernd linear.
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In der Ebene dieser zusammenfallenden Orte ist der lichtempfindl,iche
Schirm angeordnet, untd vorzugsweise wird nun dieses Teil fades wieder abgelenkten
Lichtes für die Aufzeichnung benutzt.
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Dieser Zusammenfall der Orte der Strahllänge bzw. der Bildpunkte
ist dadurch möglich, daß bei der Schwenkbewegung des zylindrischen Konkavspiegels
7 eine Reihe von scheinbaren Ellipsen gebildet wird. Eine Ellipse kann definiert
werden als der Ort der Punkte, für welche die Summe der Abstände (Brennpunktradien)
von zwei festen, allgemein als Brennpunkte bezeichneten Punkten konstant ist. Wenn
in einem optischen System eine ellipsenförmige reflektierende Fläche benutzt wird,
wird das ganze von dem einen Brennpunkt ausgehende Licht von dieser Ellipsenfläche
reflektiert und auf dem anderen Brennpunkt gesammelt. Folglich wird, indem man den
Galvanometerspiegel 5 in dem einen Brennpunkt anordnet und einen elliptischen Siegel
in der Bahn des von dem Galvanometerspiegel reflektierten Lichtes verdreht, das
von diesem schwingenden elliptischen Spiegel wieder abgelenkte Licht in jedem Punkt
eines Bewegungsbereiches gleiche »Summen der Brennpunktradien« oder, mit anderen
Worten, gleiche Strahllängen aufweilsen. Außerdem wird der Ort der besten Punlh-tabibildung
mit dem Ort gleicher Strahllängen zusammenfallen, unkt beide Orte fallen auf eine
annähernd gerade Linie. Wenn, wie in Fig. I und 2 gezeigt, aus. Gründen der Ersparnis
der elliptische Spiegel zylindrisch ausgebildet wird, fallen diese beiden Orte nicht
auf dem gesamten Bewegungsbereich, sondern nur auf einem Teil zusammen, wie er mit
Z bezeichnet ist. Da dieser Bereich des Zusammenfallens der Strahllängen und der
Sammelpunkte annähernd linear ist, kann mit befriedigendem Ergebnis ein ebener Schirm
verwendet werden.
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Ein wichtiger Vorteil der Erfindung liegt darin, daß durch die besondere
Kombination des dargestellten optischen und mechanischen Gerätes eine äußerst lineare
Zeitbasisablenkung erreicht werden kann. Der Zuwachs der Zeitbasisablenkung auf
dem Schirm 6 für einen gegebenen Betrag der schwingenden Winkelverschiebung des
Spiegels 7 kann viel kleiner gemacht werden, als er durch eine Ibogenförmige Schwingbewegung
eines. Spiegels mit ebener Oberfläche erzeugt werden könnte. Obwohl der Neigungswinkel
des Spiegels selbst in bezug auf das einfallende Licht, der mit a bezeichnet ist,
während der ganzen Ablenkung des Spiegels 7 sich durch eine große Winkelverschiebung
verändern kann, ist die Änderung des jeweiligen Einfallswinkels i des einfallenden
Lichtes in bezug auf die gekrümmte Spiegelfläche verhältnismäßig gering.
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Folglich ist die Zeitbasisablenkung des Lichtfleckes auf einen viel
kleineren Bereich auf dem Schirm 6 begrenzt, mit zudem Erlebnis, daß ein viel größeres
Teil der Spiegelschwingung vorteilhaft ausgenutzt werden kann, und die Linearität
der Ablenkgeschwindigkeit ist viel leichter zu erreichen. Obwohl bei einer konstanten
Gschwindigkeit der schwingenden Winkelbewegung des Spiegels 7 der Einfallswinkel
i des einfallenden Lichtes auf der gekrümmten Spiegelfläche während der Ablenkung
kontinuierlich zunimmt, ist der jeweilige Zuwachs der Änderung in der Geschwindigkeit
der Zeitbasisablenkung auf dem Schirm 6 kontinuierlich abnehmend. Bei dem oben beschriebenen
optischen System ist jedoch die schwingendeWinkelgeschwindigkeit des Spiegels 7
nicht konstant, vielmehr wird sie durch die Kraft der Feder 13 auf seiner gekrümmten
Bahn kontinuierlich beschleunigt. Als Folge davon ist der Änderungszuwachs in der
Geschwindigkeit der Zeitbasisablenkung zunehmend.
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Durch geeignete Einstellung der Federkonstante der Feder I3 können
diese beiden Effekte leicht zur gegenseitigen Aufhebung gebracht werden, so daß
die Geschwindigkeit der Zeitbasisablenkung des Lichtstrahles über den lichtempfindlichen
Aufzeichnungsschirm 6 annähernd konstant gehalten werden kann.
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Obwohl eine Einrichtung gezeigt wurde, welche den Spiegel 7 auf einer
bogenförmigen Bahn im Uhrzeigersinn antreibt, kann der Spiegel wahlweise auch in
einer Richtung entgegen dem Uhrzeigersinn angetrieben werden, um über den Schirm
6 eine Zeitbasisablenkung in entgegengesetzter Richtung zu erzeugen. Es gelten dann
dieselben optischen und mechanischen Grundsätze, mit der Ausnahme, daß die Antriebskraft
der Schwerkraft entgegen arbeiten muß, anstatt von ihr unterstützt zu werden.