DE913367C

DE913367C - Anordnung zum Nachweis beschleunigter Bewegungen, zur Herstellung einer festen Ebene m Raum oder zur Richtungsanzeige

Info

Publication number: DE913367C
Application number: DEK13047A
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Guenther H Krawinkel
Original assignee: GUENTHER H KRAWINKEL DR ING
Current assignee: GUENTHER H KRAWINKEL DR ING
Priority date: 1951-02-01
Filing date: 1952-02-02
Publication date: 1954-06-10
Also published as: GB722917A; US2718610A

Description

AUSGEGEBEN AM 10. JUNI 1954

K 13047 IXb j 42

Die im folgenden beschriebenen Anordnungen dienen dem Nachweis der Beschleunigung eines Körpers bei einer geradlinigen Bewegung desselben und können auch zum Nachweis der Winkelgeschwindigkeit von Rotationsbewegungen benutzt werden. Wenn dabei als Rotationsbewegung die Drehung der Erde um die Erdachse betrachtet wird, vermag mit den erfindungsgemäßen Anordnungen und Einrichtungen eine feste Ebene im Raum in bezug auf die Erdachse bzw. eine feste Richtung im Raum in bezug auf die Erdachse festgelegt werden.

Das Prinzip der Erfindung beruht darauf, daß Elektronenstrahlen, Ionenstrahlen oder Strahlen von mit Masse behafteten elektrisch geladenen Teilchen, die in einem evakuierten Gefäß von einer Ursprungsstelle ausgehen und in freiem Flug zu einer Auftreff stelle gelangen, während ihrer Flugzeit zwischen Ursprungs- und Auftreffstelle infolge einer beschleunigten Bewegung der Gesamtanordnung eine Flugbahnabweichung gegenüber einem unbeschleunigten Zustand der Anordnung erfahren und daß diese Flugbahnabweichung der Strahlen zum Nachweis der beschleunigten Bewegung verwendet wird. Der grundsätzliche Vorteil solcher elektronischen Beschleunigungsmessung gegenüber den bekannten Beschleunigungsmessern liegt darin, daß auch bei zeitlicher Veränderung der elektrischen Bestimmungsstücke der Strahlen in der Anordnung die Richtung der Maximal beschleunigung der zu analysierenden Bewegung mit absoluter Genauigkeit festgelegt wird, so daß die Anordnungen von der Zeit unabhängige, absolute Richtungsdefinitionen liefern bzw. daß bei der möglichen

Festlegung der Grenzen, in denen sich die elektrischen Bestimmungsstücke der Strahlen der Anordnung zeitlich verändern können, eine wohldefinierte, von der Zeit unabhängige Meßgenauigkeit besteht. Ohne die Anwendung der Anordnung für den Beschleunigungsnachweis zu beschränken, soll die weitere Beschreibung am Sonderfall der Drehbewegung der Erde um die Erdachse durchgeführt werden. Die erfindungsgemäße Anordnung zur Richtungsanzeige bzw. zur Herstellung einer festen Ebene in bezug auf die Erdachse benutzt die Erscheinung, daß in zwei Punkten mit verschiedenem Abstand von der Erdachse, bei naturgemäß gleicher Winkelgeschwindigkeit der Erddrehung in diesen Punkten, unterschied-

V5 liehe Tangentialgeschwindigkeiten infolge der Erddrehung auftreten. Hierdurch hat z. B. eine Korpuskular- oder Wellenstrahlung, die auf dem Weg ihrer freien Fortpflanzung äußeren Feldeinflüssen entzogen ist, bei der Fortpflanzung zwischen zwei Punkten

ao unterschiedlichen Abstandes von der Erdachse, infolge der verschiedenen Tangentialgeschwindigkeiten in diesen Punkten auf Grund der Erddrehung eine scheinbare Abweichung von der geradlinigen Fortpflanzung. Die Größe dieser Abweichung hängt dabei von der Lage, d. h. vom Abstand von Ursprungs- und Auftreffpunkt der Strahlung von der Erdachse ab. Diese Abhängigkeit der Abweichung von der Lage der beiden Punkte zur Erdachse ist überall auf der Erde die gleiche, so daß die Erscheinung z. B. durch eine der in dieser Erfindung beschriebenen technischen Anordnungen zur Herstellung einer absoluten Richtungsanzeige bzw. einer zur Erdachse absolut festen Ebene dienen kann.

Das Grundsätzliche sowie die Anordnungen seien weiterhin an Hand der Abbildungen beschrieben.

Die Winkelgeschwindigkeit der Drehung der Erde um ihre Achse beträgt in Bogengrad pro Sekunde

2 π

π · ίο

R)* —

0,727 ■ IO

24 · 60 · 60 4,32

Hieraus folgen die Tangentialgeschwindigkeiten in den Punkten 1 und 2 der Fig. 1, die einen Schnitt durch die Erdkugel längs einer Meridianebene darstellt,

cos <r

cos?;

fcml \ secj

— L

wenn d der Abstand der Punkte 1 und 2 in Zentimetern ist. Die Differenz Δ ν dieser beiden Geschwindigkeiten beträgt

J ν =

= d ■ of

f— I

[sec J '

Bei einem Abstand der beiden Punkte 1 und 2 von z. B. d = 20 cm ergibt sich eine Geschwindigkeitsdifferenz

Δ ν = 1,454

„fern

10 ~³ —

[see

Betrachten wir nun eine Elektronenstrahlung, die im Punkt 1 von Fig. 1 ihren Ursprung hat und sich längs der Linie d zum Punkt 2 fortpflanzt, wobei das erzeugende und leitende Elektrodensystem so aus- 6g gebildet sein soll, daß die Strahlelektronen auf ihrem freien Flug von 1 nach 2 keiner Feldveränderung infolge der sich mit der Erde drehenden Elektroden begegnen, so erhalten diese Strahlelektronen in ihrem Ursprungspunkt 1 auf Grund der Erddrehung senkrecht zu ihrer Fortpflanzungsrichtung die Tangentialgeschwindigkeit V₁, die sie bis zu ihrem Auftreffpunkt 2 beibehalten. Da aber die Auftreffelektrode in 2 starr mit der Erde verbunden ist und sich während der Flugzeit der Elektronen von 1 nach 2 mit der Tangentialgeschwindigkeit V₂ weiterbewegt, ergibt sich bei dieser Fortbewegung der Elektronen senkrecht zur Erdachse eine scheinbare Abweichung von der geradlinigen Ausbreitung, die sich bei einer Flugzeit iM der Elektronen von 1 nach 2 zu

s = (Δ υ ■ i)[°^ml

errechnet.

Hingegen tritt keine derartige Abweichung von der geradlinigen Fortpflanzung auf, wenn die Fortpflanzungsstrecke der Elektronen (Flugweg) parallel zur Erdachse liegt. Die vorliegende Erfindung beschreibt im folgenden eine Anordnung, die aus der Abweichung von der geradlinigen Fortpflanzung in Abhängigkeit der Lage des Elektronenfhigweges zur Erdachse eine senkrechte bzw. eine parallele Richtung zur Erdachse eindeutig festlegt.

Bevor aber die technische Ausführung beschrieben werden kann, müssen die Werte der in Frage kommenden Größen betrachtet werden, da diesen Werten die technischen Anordnungen angepaßt sein müssen. Demgemäß ist zunächst die obenerwähnte Flugzeit t der Elektronen auf einem Weg der linearen Länge d zu behandeln.

Die Lineargeschwindigkeit u eines Elektrons, das eine Potentialdifferenz Ft^VoItl durchläuft, beträgt bekanntlich

6 · 10'

see

Allgemein beträgt die Elektronenlaufzeit t bei der Geschwindigkeit u und einem Flugweg d : t — —. Wählt

man z.B. d = 20cm, so ergibt sich für ti = 100 Volt eine Flugzeit t₁₀₀;

ι
3

10 ⁷sec.

Die oben beschriebene Abweichung von der geradlinigen Ausbreitung beträgt bei den Werten des bisher betrachteten Beispiels also

S=Av-I

1.454

100

10

,-10

cm.

Diese Abweichung von der geradlinigen Ausbreitung 12a liegt in der Größenordnung zwischen einem Atomkern- und einem Atomschalendurchmesser. Solche Größe ist nur mehr im Rahmen einer Ungenauigkeitsrelation zu definieren. Da aber im weiteren Verlauf der Beschreibung vervollkommnete Anordnungen mit um Größenordnungen stärkerer Abweichung von der

geradlinigen Ausbreitung beschrieben werden und die zunächst nachfolgenden beschriebenen Anordnungen zum Nachweis einer Abweichung von der geradlinigen Ausbreitung hochgradig empfindlich sind, soll zunächst weiterhin mit vorstehender Zahl als Beispiel gerechnet werden.

Eine erfindungsgemäße Einrichtung ist somit grundsätzlich derart aufgebaut, wie es in Fig. 2 dargestellt ist, in welcher G einen Kathodenstrahlerzeuger bedeutet, der aus einer Kathode und geeigneten Elektronenbeschleunigungs- und Elektronenfokussierungsmitteln besteht, und d den Weg bedeutet, den die Elektronen durchlaufen, ohne dabei irgendwelchen Ablenkfeldern zu unterliegen. Wenn die Einrichtung nach Fig. 2 in einer Ebene, die senkrecht auf der Erdachse steht, angebracht wird; und zwar derart, daß die Verlängerung der Strecke d die Erdachse schneidet, so schließt die Strecke d einen kleinen Winkel mit derjenigen Richtung ein, die von den

ao Elektronen durchlaufen werden würde, wenn die Richtung von d parallel zur Erdachse orientiert wäre. Wie oben angedeutet, treffen im ersteren Fall die Elektronen auf die Oberfläche eines Gerätes I auf dem punktiert gezeichneten Wege an einem etwas anderen Punkt auf, als es bei Orientierung von d parallel zur Erdachse der Fall wäre. Die Entfernung der beiden Punkte voneinander ist von der Größenordnung io~¹⁰ cm. Das Gerät I, das Ablenkungsverstärker genannt werden kann, bewirkt eine weit- gehende Vergrößerung des Ablenkungswinkels. Im folgenden wird eine Reihe von möglichen Anordnungen beschrieben, welche zur Vergrößerung eines Ablenkungswinkels, d. h. als Gerät I benutzt werden können. Die Elektronen, welche den Ablenkungsverstärker I auf der punktiert gezeichneten Bahn verlassen, schließen mit der Achse der Röhre einen erheblich größeren Winkel ein, als er vor dem Durchgang durch den Ablenkungsverstärker vorliegt, und treffen auf ein zweites Gerät II auf, welches als Ablenkungsanzeiger bezeichnet werden kann. Dieses Gerät II kann zwar in sehr verschiedenartiger Weise ausgeführt werden, soll aber vorzugsweise eine der weiter unten angegebenen Formen besitzen.

Fig. 3 a zeigt das Grundsätzliche einer Anordnung, mit der sehr kleine Abweichungen der Strahlrichtung nachgewiesen werden können. Der Elektronenstrahl E, dessen Richtungsabweichung bestimmt werden soll, erhält von seinem Ursprung her eine rechteckige Intensitätsmodulation (Strahlunterbrechung) mit der Frequenz Ω, und zwar derart, daß der Strahl etwa während einer halben Periode der Schwingung mit der Frequenz Ω volle Intensität hat und während der folgenden Halbperiode unterdrückt ist. Eine sinusförmige Schwingung mit der gleichen Frequenz Ω liegt nun als Ablenkfeld an dem Kondensator C₁, den der Strahl E durchsetzt, wobei die Phasenbeziehung zwischen der Strahlmodulation und der Schwingung am Kondensator C₁ etwa wie in Fig. 3 b und 3 c dargestellt sein möge.' Durch die Schwingung am Ablenkkondensator erfährt der Strahl E eine Ablenkung bzw. eine Aufspreizung auf der Blende B auf den Betrag A. Durch das Loch der Öffnungsweite α tritt dabei ein kurzer Impuls aus dem Ursprungsstrahl E hindurch und pflanzt sich, da die Blendenöffnung in B in der Flucht der Mittellinie des Kondensators C₁ liegt, geradlinig weiter fort und tritt in das Ablenkfeld des Kondensators C₂ ein. An diesem Kondensator liegt eine Ablenkspannung mit einer Frequenz oj = m · Ω, das heißt, die Frequenz dieser Ablenkschwingung ist ein ganzzahliges Vielfaches der Frequenz der Ablenkschwingung am Kondensator C₁, und die Phasenlage der Schwingung an C₂ wird derart eingestellt, daß unter Berücksichtigung der Laufzeit der Elektronen des Strahls E die Elektronen, die beim Nulldurchgang der Ablenkschwingung an C₁ diesen ersten Kondensator durchsetzen, auch bei einem Nulldurchgang der Schwingung den Kondensator C₂ durchsetzen. In Fig. 3d ist die Spannung an C₂ für einen Wert m = 2 dargestellt. Im Ruheoder Normalfall der Anordnung wird deshalb der durch die Blende B ausgeblendete kurze Impuls des Strahls E auch wieder in der geradlinigen Flucht der Mittellinie der beiden Kondensatoren C₁ und C₂ aus dem Kondensator C₂ austreten. Erfährt nun der Strahl E vor seinem Eintritt in den Kondensator C₁ eine Richtungsablenkung, so erfährt die Strahlaufspreizung auf der Blende B eine entsprechende Verschiebung. In*Fig. 3 a ist diese Verschiebung mit der Größe S₁ eingezeichnet. Der Impuls aus dem aufgespreizten Strahl, der durch die Blendenöffnung von B hindurchtritt, besteht nun go aus Elektronen des Strahls E, die den Kondensator C₁ nicht mehr beim Nulldurchgang der Ablenkschwingung Ω durchsetzen, sondern bei einer Phasendrehung ρ der Schwingung Ω, die der Verschiebung S₁ entspricht. Da die Ablenkschwingung ω am Kondensator C₂ nun die w-fache Frequenz der Schwingung am Kondensator C₁ hat, tritt der die Blende B durchsetzende Elektronenstrahlimpuls jetzt in den Kondensator C₂ ein, wenn die an ihm liegende Ablenkschwingung den Phasenzustand m · ρ hat. Der Strahlimpuls wird dementsprechend im Kondensator C₂ abgelenkt und erreicht einen noch zu beschreibenden Auffänger mit einer Ablenkung s₂, die durch entsprechende Wahl der Abmessungen der Anordnung etwa mit S₂-M-S₁ angesetzt werden kann. Wählt man z. B.

Ω = — · 1O⁺²Hz und oj = 10⁹Hz, 2

so ist m = 2 · io⁷, und die Ablenkung S₂ ist 2 · io⁷mal größer als die Ursprungsablenkung S₁. Wenn, wie in dem oben gerechneten Beispiel angenommen, ^si *o,5 · io~~¹⁰ cm ist, so ergibt sich nun ein

S₂ s» · io~³cm = io~²mm.

In Fig. 3 a fällt der Elektronenstrahlimpuls E nach dem Austritt aus dem Ablenkkondensator C₂ zum Nachweis der Ablenkung auf eine Brückenanordnung, die in Fig. 4 noch einmal beispielhaft herausgezeichnet ist. Der Auffänger L ist als Brückenleiter geschaltet. Vor ihm befindet sich die Blende M, die gemäß Fig. 4 eine statische Vorspannung gegen L hat. Diese Vorspannung ist so gerichtet, daß M ein negatives Potential gegen L besitzt. Die Vorspannung ist so hoch bemessen, daß die Sekundärelektronen, die beim Auftreffen des Strahls E auf L entstehen, wieder auf L

zurückfallen, wodurch für die Messung der ganze Elektronenstrahlimpuls zur Verfugung steht. Die Kompensatoreinrichtung K weist nun die Abweichung des Auftreffens des Strahlimpulses E von der Mitte des Auffängers L nach. Dieser Kompensator hat also die Aufgabe, die Brückenanordnung, die beim Auftreffen des Elektronenstrahls auf die Mitte des Auffängers X abgeglichen ist und deren Gleichgewicht durch die Auswanderung des Strahls um die Strecke

ίο gestört ist, wieder in einen neuen Gleichgewichtszustand zu bringen. Die Verstellung des einen Widerstandes R₁ oder i?₂ der Brückenschaltung, die dazu nötig ist, hängt von der Größe der Strecke S₂ ab und kann daher als Maß für die Strahlablenkung S₂ betrachtet werden.

Eine andere Möglichkeit, die Ablenkstrecke S₂ zu messen, besteht darin, daß man den im Äquipotentialzweig der Brücke fließenden Strom durch einen Spannungsabfall am Widerstand R₃ beim Auftreten der Ablenkung s₂ als Maß für die Größe dieser Ablenkung in einem Röhrenvoltmesser mißt. Wenn diese Abweichung, wie im obigen Beispiel errechnet, mit

S₂ = io~²mm

auch recht klein ist, so ist sie durch die Stromverschiebung in der Kompensatoreinrichtung K jedoch durchaus meßbar. Die Empfindlichkeit dieses Verschiebungsnachweises hängt vom Verhältnis der absoluten Größe der Ruheströme in den beiden Briickenzweigen zur Veränderung der Brückenströme durch Verschiebung des Auftreffpunktes von E ab. Der Nachweis der Verschiebung läßt sich dabei dadurch in seiner Empfindlichkeit steigern, daß die Ruheströme weitgehend unterdrückt werden.

Im folgenden sei dazu noch eine Anordnung beschrieben, die es gestattet, den Ruheanteil weitgehend zu unterdrücken und praktisch nur die durch Ablenkung auftretende Strömveränderung nachzuweisen. Hierzu ist es allerdings erforderlich, daß der in seiner Ablenkung zu messende Elektronenstrahl als räumlich wohldefinierter Impuls auftritt. Das geschieht bei der Anordnung nach Fig. 3 noch nicht. Denn wenn auch das Verhältnis der Auslenkung A (auf der Blende B) zur Blendenöffnung α sehr groß gewählt wird, nämlich etwa A = 10 cm und a = 0,1mm

mit — = — = io³, so bedeutet ein Frequenzver a 0,1 ^

vielfachungsfaktor

O)

m = —^- = 2 · ίο⁷,

daß der durch die Blendenöffnung α hindurchtretende Impuls immer noch eine so lange Dauer hat, daß er im Kondensator C₂ einer Ablenkung durch mehrere aufeinanderfolgende Perioden der Schwingung ω unterliegt und damit auf dem Auffänger L zu einem Strich auseinandergezogen wird, dessen Ladungsschwerpunktverschiebung durch die Kompensatoreinrichtung gemessen wird. Um den auf einen Auffänger auftreffenden Strahl unter Verwendung des Prinzips der bisher beschriebenen Anordnung nun zu einem räumlich definierten Impuls zu machen, geht man von der Anordnung der Fig. 3 zu der in Fig. 5. dargestellten Anordnung über. Die Frequenzvervielfachung der Ablenkschwingungen erfolgt hierbei nicht in einem, sondern in mindestens zwei Abschnitten und könnte auch in einer noch größeren Zahl von Abschnitten durchgeführt werden. Das Prinzip der Anordnung von Fig. 5 jedoch entspricht dem von Fig. 3.

Der Elektronenstrahl E, dessen Ablenkung gemessen werden soll, wird durch die Schwingung Ω am Ablenkkondensator C₁ auseinandergezogen. Der durch die Blendenöffnung hinter C₁ hindurchfallende Impuls wird durch die Schwingung Co₁ = m ■ Ω am Ablenkkondensator C₂ erneut gespreizt.

Bei dieser Anordnung können nun die jeweiligen Verhältnisse von Impulsaufspreizung zu Blendenöffnung so gewählt-werden, daß der Strahlimpuls, der aus der Blendenöffnung hinter C₂ austritt, eine solche kurze Dauer hat, daß er nur noch einen Bruchteil einer Periode der Ablenkschwingung

ω₂ = η · M₁ = m · η · Ω

am Ablenkkondensator C₃ andauert. Wenn man die Amplitude der Ablenkschwingung co₂ am Kondensator C₃ etwa so bemißt, daß in der Ebene eines Auffängers eine gesamte Auslenkung von etwa 10 mm auftreten kann, und wenn man das Verhältnis der Aufspreizung zu der jeweils nachfolgenden Blendenöffnung an den Kondensatoren C₁ und C₂ so bemißt, daß der in den Ablenkkondensator C₃ eintretende Impuls eine Dauer von etwa ¹I₂₀ einer Periode der an C₃ liegenden Schwingung <w₂ hat, so kann der Elektronenimpulsfleck auf dem Auffänger etwa in der Längenausdehnung von 1 mm definiert werden. Die gegenseitige Phasenlage der Schwingungen Ω, Co₁ und Co₂ werden mit Beziehung auf die Geschwindigkeit der Elektronen des Strahls E so eingestellt, daß bei unabgelenkt in den Kondensator C₁ eintretendem Strahl E der aus C₃ austretende Impuls in Richtung der Mittellinie der Kondensatoren C₁, C₂, C₃ geradlinig weiterfliegt, während ein abgelenkt in den Kondensator C₁ eintretender Strahl E einen mindestens im Verhältnis der Frequenzvervielfachung in seiner Ablenkung vergrößerten, aus C₃ austretenden Elektronenstrahlimpuls ergibt.

Fig. 5 zeigt nun als Auffänger eine Elektrode L, die räumlich so bemessen sein soll, daß sie den unabgelenkt auf treffenden Elektronenstrahlimpuls voll auffängt. Vor ihr befindet sich wieder eine Blende M, die eine solche negative Vorspannung gegenüber L hat, daß die durch den auftreffenden Elektronenstrahl an L erzeugten Sekundärelektronen auf die Elektrode L zurückfallen. Erfährt nun durch Ablenkung von E der aus C₈ austretende Elektronenstrahlimpuls eine Ablenkung von der geradlinigen Fortpflanzungsrichtung, so fällt ein Teil des Elektronenstrahlimpulses am Auffänger X vorbei. Die Größe dieses am Auffänger L vorbeifallenden Strahlanteils ist ein Maß für die Ablenkung des aus C₃ austretenden Strahlimpulses und damit ein Maß für die Ablenkung des in die Anordnung eintretenden Strahls E. Da es sich bei den am Auffänger L durch Ablenkung vorbeifliegenden Elektronenströmen um sehr kleine Elektronenströme handelt, wird dieser die Ablenkung

kennzeichnende Elektronenstromanteil in der Anordnung der Fig. 5 in einem Elektronenvervielfacher verstärkt. In Fig. 5 ist dieser Vervielfacher als Gittervervielfacher mit den Gittern G₁, G₂ und G₃ dargestellt. Er kann natürlich auch als Plattenvervielfacher und in beliebiger Stufenzahl gebaut sein. An der Elektrode K' in Fig. 5 tritt dann der die Ablenkung des Ursprungsstrahls E kennzeichnende Elektronenstromanteil verstärkt und meßbar auf.

ίο Die Größenordnung der nachzuweisenden Elektronenströme, aus der die Meßgenauigkeit der Gesamtanordnung folgt, ergibt sich bei Verwendung der bisher beispielhaft benutzten Zahlenwerte wie folgt: Der in den letzten Ablenkkondensator C₃ eintretende Elektronenstrahlimpuls sollte eine Dauer von ¹Z₂₀ einer Periode der Schwingung <w₂ haben. Bei ω₂ = ίο⁸ Hz hat damit der auf den Auffänger L auffallende Elektronenimpuls eine Zeitdauer von

τ = — · io~¹⁰sec.

Die Intensität oder Stromstärke des Elektronenstrahls E kann bei noch ausreichender elektronenoptischer Konzentrationsfähigkeit des Strahls mit ιo~⁴ Amp. angesetzt werden. Damit enthält der auf den Auffänger L auftreffende einzelne Impuls eine Ladung von

- · io""¹⁴ Coulomb.
2
30·

Das eingangs benutzte Beispiel ergab eine Abweichung des in die Nachweisanordnung eintretenden Elektronenstrahls E von der geradlinigen Ausbreitung von 5 · io~¹⁰ mm. Bei einem erreichbaren Frequenzverhältnis

(M₂

ίο⁹
5 · ίο¹

10°

= 2 ■ ΙΟ⁷

(Frequenz Ω = 50 Hz, Frequenz α>₂ = ίο⁹ Hz)

vergrößert sich die Abweichung von der geradlinigen Ausbreitung auf

5 · 10

,-10 ·

2 · io⁷ = 10 ²mm.

Der Elektronenimpuls auf dem Auffänger L sollte bei der oben errechneten Ladung von

— · io~¹⁴Amp. see.
2

eine Längendefinition von 1 mm haben. Dies bestimmt auch die Längenausdehnung von L. Eine Impulsablenkung von io~² mm läßt demnach einen Ladungsanteil des Impulses von

ι
— · 10

~¹⁴ ■ io~² = — · 10 ¹⁶Amp. see.
2

am Auffänger L vorbei in den Elektronenvervielfacher fallen, in dem die Stromverstärkung auf meßbare

Werte erfolgt. Dieser Wert von — · icr^ieAmp.sec.

bedeutet für den die Ablenkung kennzeichnenden Elektroneneinzelimpuls dem Betrage nach die Zahl von rund 300 Elektronen.

Wie bekannt, ist ein Impuls mit dieser Elektronenzahl durch einen Elektronenvervielfacher ohne Schwierigkeit nachweisbar. Eine weitere Empfindlichkeitssteigerung der Gesamtanordnung ist nun noch dadurch möglich, daß die Abweichung von der geradlinigen Fortpflanzung des Elektronenstrahls E beim Eintritt in den ersten Ablenkkondensator C₁ der Fig. 5 vergrößert wird. Das Prinzip einer elektrischen Anordnung, die das ermöglicht, zeigt Fig. 6.

Der Elektronenstrahl E wird in einem Zylinderkondensator, bestehend aus den beiden Elektroden Z₁ und Z₂, abgelenkt. Der die Ablenkung bestimmende Gradient des Feldes zwischen den beiden Elektroden wächst bekanntlich mit Annäherung an die Elektrode mit dem kleineren Krümmungsradius an. Dieses Anwachsen des Gradienten kann bei entsprechender Wahl der Krümmungsradien der Elektrode so groß sein, daß ein Elektronenstrahl E, der einmal in der Lage 11 und dann in der Lage 12, das heißt mit einer Winkelabweichung Ct₁ in den Kondensator eintritt, mit einer Winkelabweichung a₂ zwischen den beiden Lagen aus dem Kondensator austritt, wobei eine ioofache Vergrößerung der Richtungsabweichung des Strahls zwischen Eintritt und Austritt erreicht werden kann. Schaltet man eine solche Anordnung der vorher beschriebenen Anordnung zum Nachweis der Strahlablenkung vor oder auch in den Strahlengang vor den Auffänger L der Fig. 5, so ist es möglich, bei auf Grund der Erddrehung abgelenktem Strahl E den aus der Anordnung austretenden Elektronenimpuls ganz am Auffänger L vorbeifliegen und in den Elektronenvervielfacher hereinfallen zu lassen. Die Elektronenzahl dieses Impulses vergrößert sich damit bei Maximalablenkung auf etwa 30000 Elektronen. Dieser Elektronenimpuls wird nun im Vervielfacher auf einen gut meßbaren Strom verstärkt. Der 30000-Elektronen-Impuls entspricht einer Winkeldrehung der Gesamtanordnung gegenüber der Erdachse von 90°. Da Änderungen von etwa 5 Elektronen im Impuls, der in den Vervielfacher einfällt, in dessen Ausgang nachweisbar sind, kann mit der Anordnung eine Richtungsbestimmung zur Erdachse auf etwa eine Winkelminute genau durchgeführt werden, wobei es gleichgültig ist, wo oder in welchem Abstand zur Erdachse sich die Anordnung befindet. Da nur Gebrauch von der Drehung der Erde um ihre Achse gemacht ist, ergibt sich ein von Raum und Zeit unabhängiger Richtungsnachweis in bezug auf die Erdachse. Voraussetzung ist nur, daß die Elektronenstrahlwege in der Anordnung gegen äußere elektrische oder magnetische Felder abgeschirmt sind. Die bisher mit Elektronenstrahlen durchgeführte Betrachtung kann ohne weiteres auf eine mit Ionenstrahl arbeitende Anordnung übertragen werden. In diesem Fall vergrößert sich die Grundablenkung des Strahls auf Grund der Erddrehung mit der Wurzel aus dem Verhältnis von Ionenmasse zu Elektronenmasse. Da dieses Wurzelverhältnis mindestens die Größe¹40 bis 50 hat, ergibt sich dabei eine entsprechende Vereinfachung der Anordnung zum Nachweis der Ablenkung.

Fig. 7 zeigt die Gesamtanordnung schematisch. Von der Kathode D werden z. B. Elektronen emittiert. Die Steuerelektrode W erteilt dem Strahl die früher

erwähnte rechteckförmige Intensitätsmodulation, während die mit einer Aperturblende versehene Elektrode F den Strahl beschleunigt. Die Konzentration des Strahls, die in Fig. 7 nicht besonders dargestellt ist, kann mit bekannten elektrischen oder magnetischen Linsen oder auch vorzugsweise durch eine geringe Gasfüllung der Anordnung als Gaskonzentration erreicht werden. Mit solcher Gaskonzentration ist es bekanntlich möglich, den Strahl E zu einem Fadenstrahl von einem Bruchteil eines Millimeterdurchmessers zu machen. Versieht man hierbei die Aperturblende F mit ausreichend harten Blendenkanten, so wird der Strahl E in seinem Querschnitt völlig definiert. Nach Durchlaufen der Strecke d erreicht der Elektronenstrahl die oben beschriebenen Einrichtungen zum Nachweis der Ablenkung. Bei der Anordnung nach Fig. 7 wird also die Ablenkungskomponente von der geradlinigen Fortpflanzung nachgewiesen, die in der Zeichenebene der Fig. 7 der An-Ordnung auftritt. Von dieser Komponente wird weiter unten noch Gebrauch gemacht.

Bei der bisher dargestellten Anlage, die im Grundsatz aus zwei Räumen besteht, wo im ersten die Abweichung des Strahls von der geometrisch geradlinigen Fortpflanzung infolge der Erddrehung auftritt, während im zweiten Raum der Nachweis dieser Abweichung erfolgt, sind die apparativen Schwierigkeiten in diesen Nachweis, das heißt in den zweiten Raum verlegt.

Es ist nun auch möglich, die Anlage so zu gestalten, daß im ersten Raum, in dem die -Abweichung der Strahlrichtung von der geometrisch geradlinien Fortpflanzung infolge der Erddrehung auftritt, diese Ab- j weichung so groß werden zu lassen, daß der Nachweis dieser Abweichung keinen besonderen apparativen Aufwand mehr erfordert. Der Weg hierzu besteht in einer Verlängerung der Flugzeit der Strahlpartikel, z. B. Elektronen, so daß eine entsprechend größere Abweichung der Strahlenbahn infolge der Erddrehung auftritt. Die geradlinige Verlängerung des bisher betrachteten Flugweges stellt dabei keine Lösung dar, da die Gesamtanordnung unförmig groß und unhandlich würde. Es ist, wie in Fig. 8 a und 8 b prinzipiell gezeigt, aber z. B. mit magnetischen Mitteln möglieh, die Flugzeit, während der die Bahnabweichung infolge der Erddrehung auftritt, wesentlich zu erhöhen.

Das Prinzip, den Flugweg und damit die Flugzeit der Strahlpartikel zu vergrößern, besteht bei Ver-Wendung eines magnetischen Feldes darin, die Flugbahn zu einer Spirale aufzuwickeln, wie es Fig. 8 a und 8b schematisch zeigen. Die Strahlpartikel, z. B. Elektronen, treten aus der Elektrode e._x als definierter Einzelstrahl aus und werden durch ein elektrisches Feld in Richtung auf die Elektrode e_a hin beschleunigt. Der Gesamtraum ist von einem Magnetfeld durchsetzt, das in Fig. 8 a z. B. zwischen den Polschuhen N und S eines Elektromagneten aufgebaut wird. Die an sich geradlinige Strahlenbahn zwischen den Elektroden e_x und e₂ erfährt hierbei nach bekannten Gesetzen eine spiralige Aufwicklung, die den Flugweg und damit die Flugzeit t der Strahlpartikel um ein Vielfaches des geradlinigen Weges vergrößert. Die Flugzeit, die in dem eingangs gerechneten Beispiel mit Elektronen

t = — 3

io~⁷see

betrug, kann bei der Anordnung der Fig. 8 a und 8 b etwa auf das io⁴fache vergrößert werden, so daß mit einer Flugzeit

t* sa —
3

io~³ see

gerechnet werden kann. Wenn nun der Abstand zwischen den beiden Elektroden e_x und e₂ etwa 10 cm beträgt, so ergibt sich, wenn die Achse A-A der Anordnung so orientiert wird, daß sie die Erdachse schneidet, eine Geschwindigkeitsdifferenz zwischen den beiden Elektroden von

Δ υ* — 0,727 · ίο"

■f-1

[sec]

während, wenn die Achse A-A parallel zur Erdachse orientiert wird, keine Geschwindigkeitsdifferenz auftritt. Dieser Geschwindigkeitsdifferenz entspricht wegen der künstlich verlängerten Flugzeit zwischen e_x und e₂ eine Ablenkung beim Auftreffen auf e₂ von der Größe

S* — Zl Zl* · ί Rs 0,24 · ΙΟ"

"cm.

Diese gegenüber früher vergrößerte Anfangsabweichung liegt weit oberhalb jeder Ungenauigkeitsrelation und ist mit den beschriebenen Mitteln des Ablenknachweises, bei dem dann auch das Frequenzverhältnis der Ablenkschwingungen um mindestens zwei Größenordnungen verkleinert werden kann, einfach zu messen.

Eine ähnliche Vergrößerung der Flugzeit der Strahlpartikel kann auch auf elektrischem Wege erzielt werden.

Die Festlegung einer Ebene und einer Richtung in bezug auf die Erdachse ergibt sich schließlich aus einer Kombination, wie sie Fig. 9a und 9b darstellen. In Fig. 9 a sind drei vollständige Anordnungen X₁, x₂, x_a mit Strahlablenkung durch die Drehung der Erde um die Erdachse, wie sie vorstehend im einzelnen beschrieben wurden, in Form eines Dreibeins fest zusammengebaut und definieren die Ebene P. Die drei Röhren sind dabei alle so angeordnet, daß sie eine Anzeige infolge der Ost-West-Drehung der Erde liefern. Die Richtung y möge eine Senkrechte zur Erdachse sein. Offenbar hat nun bei solcher Orientierung der gesamten Kombination jede der Anordnungen x_v X₂, x₃ eine wohldefinierte Abweichung ihrer geradlinigen Strahlfortpflanzung infolge der Erddrehung. Eine Neigung der Ebene P bzw. der Richtung y gegenüber der Senkrechten zur Erdachse erzeugt Änderungen der Strahlabweichungen in den Nachweisorganen X₁, x₂, x_a, die in bekannter Weise mittels einer Einrichtung Q derart zur Nachsteuerung der Lage der Kombinationseinrichtung im Raum verwendet werden, daß die Ebene P und die Richtung y wieder in ihre vorgegebene Lage zur Erdachse zurückkehren. Eine Drehung der Ebene P um die Achse y dreht die parallel gestellten Richtungs-

Charakteristiken der Anordnungen X₁, x_%, x_a aus der die größte Strahlabweichung ergebenden Richtung O—W gleichmäßig heraus. Die gleichmäßige Verringerung der Strahlabweichung in allen drei An-5 Ordnungen X₁, X₂, X₃ ergibt dabei ein ausreichendes Kriterium, um mit bekannten Mitteln eine Rückgängigmachung der Drehung der Ebene P um die Achse y in die Lage zu bewirken, bei der die drei Richtungscharakteristiken der Anordnungen X₁, x₂,

ίο x₃ wieder in der Richtung O—W orientiert sind.

Nur wenn durch eine zusätzliche Bewegung die ganze Dreibeinanordnung um die Spitze des Dreibeins in der Ost-West-Richtung gedreht wird, werden alle drei einzelnen Anordnungen im entgegengesetzten Sinne der Erddrehung beeinflußt, und es tritt dieselbe gleichmäßige Abnahme aller drei Anzeigeströme ein, die bereits zur Aufrechterhaltung der Lage im Fall einer Drehung um die y-Achse benutzt wurde. Es muß daher ein weiteres erfindungsgemäßes Beschleuni-

ao gungsanzeigesystem zu der in Fig. 9 a dargestellten Anordnung hinzugefügt werden. Dieses zusätzliche Beschleunigungssystem soll vorzugsweise parallel zur Erdachse orientiert werden und zeigt für sich eine Drehung der Anordnung nach Fig. 9 a um die y-Achse an.

Die Fig. 9 b zeigt, wie die Ebene P gegenüber der Erdachse auf der Oberfläche der Erdkugel orientiert werden muß.
Die kombinierte Anordnung, die in Fig. 9 a dargestellt ist, legt somit die Ebene P und die Richtung O—W (Erddrehungsrichtung) eindeutig im Raum gegenüber der Erdachse fest.

Es sei noch darauf hingewiesen, daß die vorstehend beschriebene Einzelanordnung offenbar ein Beschleunigungsmesser bzw. ein Gerät zur Messung von Winkelgeschwindigkeiten ist, der die Beschleunigung von Bewegungen in einer bestimmten Richtung, und zwar in Fig. 7 in der horizontalen, in der Zeichenebene liegenden Richtung nachweist und zu messen gestattet.

Aus den oben durchgerechneten Beispielen ergibt sich für die beschriebene Anordnung eine geringste meßbare Beschleunigung von 7,5 ■—j-. Hierbei ist die

Beschleunigungsmessung keiner Störanfälligkeit unterworfen, die jeder mechanischen Einrichtung anhaftet. Die Anordnung besitzt eine von der Zeit unabhängige zu definierende Meßgenauigkeit.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

i. Anordnung zum Nachweis beschleunigter Bewegungen, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkung, welche Elektronenstrahlen, Ionenstrahlen oder andere mit Masse behaftete geladene Teilchen, die in einem evakuierten Gefäß von einer Ursprungsstelle ausgehen, in freiem Flug zu einer Auftreffstelle gelangen und während ihrer Flugzeit zwischen Ursprungs- und Auftreffstelle infolge der beschleunigten Bewegung der Anordnung eine Bahnabweichung gegenüber einem unbeschleunigten Zustand der Anordnung erfahren, gemessen wird.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die verwendeten Strahlen durch elektrische und/oder magnetische Felder geführt werden und daß die Elektroden bzw. Magnetpole, zwischen denen diese Felder erzeugt werden, derart ausgebildet sind, daß in einer Ebene eine Verschiebung der Flugbahn der Strahlteilchen infolge einer Beschleunigungsbewegung der Röhre und der mit ihr verbundenen Elektroden bzw. Magnetpole erfolgen kann, ohne daß eine Änderung der Feldeinwirkungen auf die Strahlteilchen stattfindet.
3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die geladenen Teilchen nach ihrem Austritt aus der Teilchenquelle in ein magnetisches Feld eintreten, das senkrecht zur erwähnten Austrittsrichtung und parallel zu derjenigen Ebene verläuft, in der die zu messende Bahnabweichung der Teilchen liegt.
4. Anordnung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentration der Strahlen mittels elektrischer und/oder magnetischer Linsen bzw. bei Verwendung einer Gasfüllung des evakuierten Gefäßes als Gaskonzentration erfolgt.
5. Anordnung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß den Strahlen eine Intensitätsmodulation erteilt wird.
6. Anordnung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Bahnabweichung der Strahlen während ihrer Flugzeit infolge der beschleunigten Bewegung der Anordnung aus der Verschiebung der Auftreffstelle der Strahlen auf einer Auffangelektrode ermittelt wird.
7. Anordnung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Auffangelektrode Teil einer Kompensatoreinrichtung ist, die eine Verschiebung der Auftreffstelle der Strahlen als Abweichung vom Gleichgewichtszustand nachweist.
8. Anordnung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Auffangelektrode je nach Auftreffstelle des Strahls einen mehr oder minder großen Teil des Strahls ausblendet und der jeweils an der Elektrode vorbeifallende Strahlanteil durch Sekundäremissionsvervielfachung verstärkt wird.
9. Anordnung nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Elektronen- oder Ionenstrahl, der während seiner Flugzeit eine Verschiebung seiner Flugbahn infolge beschleunigter Bewegung der Anordnung erfährt, ein quer zur Strahlrichtung räumlich veränderliches Ablenkfeld durchläuft.
10. Anordnung nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Nachweis der infolge beschleunigter Bewegung der Anordnung auftretenden Bahnabweichung eines Elektronen- oder Ionenstrahls derart erfolgt, daß der Strahl in einem Ablenkkondensator mit einer Schwingung der Frequenz Ω auf einer Blende aufgespreizt wird iao und der hierbei durch die Blendenöffnung fallende Strahlimpuls in einen zweiten Ablenkkondensator eintritt, an dem eine Schwingung liegt, deren Frequenz ein ganzzahliges Vielfaches der Frequenz Ω der Schwingung am ersten Ablenkkondensator ist, wodurch dem durchtretenden Strahlirnpuls

eine der Frequenzerhöhung proportionale Vergrößerung der Bahnabweichung erteilt wird.
11. Anordnung nach Anspruch ι bis io, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Stufen von Ablenkkondensatoren mit Ablenkschwingungen, deren Frequenz in ganzzahligem Verhältnis steigt, nebst Strahlimpulse ausblendenden Zwischenschirmen im Strahlengang des Elektronen- oder Ionenstrahls, dessen Flugbahnabweichung infolge beschleunigter Bewegung der Anordnung nachgewiesen werden soll, hintereinander angeordnet sind.
12. Anordnung nach Anspruch ι bis ii, dadurch gekennzeichnet, daß an Stelle elektrischer Ablenkfelder magnetische Ablenkfelder verwendet werden.
13. Anordnung nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Richtung der Ablenkfelder, die dem Nachweis der Strahlenbahnabweichung infolge der beschleunigten Bewegung der Anordnung dienen, ebenengleich oder ebenenparallel mit der Ebene der Anordnung ist, in der eine Verschiebung der Strahlbahn stattfinden kann, ohne daß eine Änderung der Einwirkung der elektrischen oder magnetischen Strahlführungsfelder auf die Strahlpartikel erfolgt.
14. Anordnung nach Anspruch 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Nachweis der Beschleunigung zum Nachweis der Richtung einer Drehbewegung verwendet wird.
15. Anordnung nach Anspruch 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegung, deren Richtung durch Beschleunigungsnachweis festgestellt wird, die Drehung der Erde um die Erdachse ist.
16. Anordnung nach Anspruch 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß drei vollständige Einzelanordnungen derart mechanisch verbunden sind, daß sie eine Ebene im Raum definieren und daß die Lage dieser Ebene im Raum mittels des Beschleunigungsnachweises bzw. des hieraus abgeleiteten Richtungsnachweises der Bewegung der drei im gleichen Beschleunigungsfeld gemeinsam bewegten Einzelanordnungen mit bekannten Steuerungsmitteln festgehalten wird.
17. Anordnung nach Anspruch 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Beschleunigungsnachweis durch Eichung der Anordnung zur Messung der Beschleunigung einer Linearbewegung oder zur Messung der Winkelgeschwindigkeit einer Rotationsbewegung in Einheiten der Beschleunigung oder der Winkelgeschwindigkeit dient.
18. Anordnung nach Anspruch 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Beschleunigungsnachweis dazu dient, eine Vorrichtung in der Richtung der maximalen oder minimalen Beschleunigung der Bewegung im Raum zu orientieren.

Hierzu ι Blatt Zeichnungen

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