DE1473911B2 - Einrichtung zur Bestimmung der Winkellage eines Raumfahrzeuges in bezug auf eine Lichtquelle - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Bestimmung der Winkellage eines Raumfahrzeuges in bezug auf eine Lichtquelle, bei der ein Bild der Lichtquelle auf einer photoelektrisch empfindlichen Fläche erzeugt und die Lage des Bildes auf der Fläche abgetastet wird.

Es ist ein Sonnenfühler bekannt, der zwei Würfel mit jeweils fünf lichtempfindlichen Flächen aufweist. Entsprechend der Einfallsrichtung des Sonnenlichts werden von den jeweils beaufschlagten Flächen Si- ίο gnale erzeugt, so daß die Lage der Sonne gegenüber einem Raumfahrzeug ermittelt werden kann. Diese Lagebestimmung kann mit Hilfe eines derartigen Fühlers jedoch nur verhältnismäßig grob erfolgen. Auch kann ein mit einem solchen Fühler ausgestattetes Raumfahrzeug Lagen einnehmen, in denen sein Zustand unbestimmt ist, z. B. wenn die Sonne nur eine einzige Fläche eines Würfels beleuchtet.

Es ist ferner eine Einrichtung zur Bestimmung der Lage einer Lichtquelle in bezug auf ein vorgegebenes System bekannt, bei dem die Elektronen jeder Elementarfläche einer lichtempfindlichen, Elektronen emittierenden Fläche periodisch mittels einer steuerbaren Ablenkvorrichtung auf das Zentrum einer Meßeinrichtung gelenkt sind, in einem Elektronenvervielfächer verstärkt sind und nach dessen Durchlauf ein Ausgangssignal erzeugen. Des weiteren ist bekannt, dieses Ausgangssignal mit dem zur Steuerung der Ablenkeinrichtung dienenden Signal zu kombinieren, so daß ein Fehlersignal entsteht, welches der Winkellage der Lichtquelle gegenüber einem vorgegebenem System entspricht. Bei diesen Einrichtungen wird das Bild der Lichtquelle durch einen Elektronenstrahl niedriger Energie abgetastet. Hierzu werden Orthikon-Bildröhren verwendet, bei denen die einem Bild entsprechende Ladungsverteilung auf einer Speicherschicht abgetastet wird.

Schließlich ist zur Bestimmung der Winkellage von Lichtquellen bekannt, die Lichtquelle auf einer photoelektrischen Quelle, einem Halbleiter od. dgl. abzubilden. Bei der Verwendung eines lichtempfindlichen Halbleiters wird seine Eigenschaft ausgenutzt, daß die Zahl der von einem Elektronenstrahl erzeugten Sekundärelektronen an der Stelle herabgesetzt ist, auf die ein Lichtstrahl der Lichtquelle trifft.

Sämtliche bisher bekannten Einrichtungen haben den Nachteil, daß sie entweder zu ungenau oder zu aufwendig und empfindlich sind, um für Raumfahrtzwecke geeignet zu sein.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Einrichtung zur Bestimmung der Winkellage eines Raumfahrzeuges zu schaffen, die sowohl genau mißt als auch den Raumfahrtbedingungen angepaßt ist.

Bei einer Einrichtung der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß in der Einrichtung ein an sich bekannter Sekundärelektronenvervielfacher vorgesehen ist, mit dem die von dem Bild der Lichtquelle auf einer als photoelektrisch empfindliche Fläche dienenden Fotokathode ausgelösten Elektronen vervielfachbar sind, und daß zwischen der Fotokathode und dem Sekundärelektronenvervielfacher eine elektromagnetische Ablenkvorrichtung vorgesehen ist. mit der die aus der Fotokathode austretenden Elektronen nach einem Raster periodisch ablenkbar sind, und daß die von einem bestimmten Teilbereich der Fotokathode austretenden Elektronen bei bestimmten Werten der Ablenkspannungen dem Sekundärelektronenvervielfacher zuführbar sind.

Bei der erfindungsgemäßen Einrichtung wird also die Lichtquelle auf einer Fotokathode abgebildet, die periodisch abgetastet wird. Gleichzeitig werden die aus der Oberfläche der Fotokathode austretenden Elektronen so abgelenkt, daß sie eine Lage einnehmen, die ähnlich derjenigen ist, wie wenn sie aus einem mittleren Bereich der Fotokathode kommen würden. Das durch die Elektronen hervorgerufene Ausgangssignal wird mit einem entsprechenden Kursabweichungssignal verglichen, wobei ein Differenzsignal ein Ma^ für die Winkellage des Raumfahrzeuges in bezug auf die Lichtquelle ist. Im Gegensatz zu den bisher bekannten Einrichtungen wird bei der Erfindung das Bild der Lichtquelle nicht durch einen Elektronenstrahl niedriger Energie abgetastet, sondern es werden vielmehr die aus der Fotokathode austretenden Elektronen selbst durch Ablenkspannungen periodisch nach einem Raster abgelenkt.

Die erfindungsgemäße Einrichtung zeichnet sich in vorteilhafter Weise durch eine robuste Ausführung, eine einfache Bauweise und durch kleines Gewicht aus. Wegen dieser Eigenschaften ist die erfindungsgemäße Einrichtung daher besonders zur Verwendung in der Raumfahrttechnik geeignet.

Weitere Einzelheiten der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels an Hand von Zeichnungen hervor.

F i g. 1 zeigt einen Längsschnitt durch eine Bildaufnahmeröhre und einen Elektronenvervielfacher;

F i g. 2 zeigt einen Schnitt längs der Linie 2-2 durch die Anordnung nach F i g. 1.

In F i g. 1 ist ein Kolben 1 gezeigt, der luftleer und an seinen Enden 3 und 5 durch Wände verschlossen ist, die sich quer zur Längsachse 7 des Kolbens 1 erstrecken. Die Endwand 3 ist durchsichtig und so geschliffen, daß sie optische Eigenschaften hat. Eine Fotokathode 9 ist in Form einer Beschichtung der inneren Oberfläche der Endwand 3 hergestellt worden. Die Fotokathode 9 besteht aus einem feinen Niederschlag eines Stoffes mit fotoelektrischen Eigenschaften, wie z. B. eine Mischung von Antimon und Cäsium. Ein Lichtstrahl, der auf die Fotokathode 9 fällt, verursacht auf der inneren Oberfläche eine Elektronenemission. Hierdurch wird ein Elektronenbild an allen denjenigen Stellen erzeugt, die dem Lichtbild entsprechen, das auf die Oberfläche der Fotokathode durch die Lichtstrahlen geworfen worden ist.

Eine elektrostatische Linse umfaßt eine Ringkathode 11, die aus einer dünnen metallischen Schicht gebildet ist, welche auf der Innenwand des Kolbens 1 niedergeschlagen worden ist. Sein Randbereich grenzt an die Fotokathode 9 und ist elektrisch mit dieser verbunden. Es besteht elektrischer Kontakt mit der Ringkathode 11 und mit ihrer Hilfe auch mit der Fotokathode 9 über eine Leitung 12, die die Wand des Kolbens 1 mit Hilfe einer Durchführung durchquert. Die Ringkathode 11 ist mit der Leitung 12 mit Hilfe eines metallischen Lappens 13 verbunden, der mit der Ringkathode 11 einstückig zusammenhängt und in der Art einer Feder gegen die Leitung 12 drängt.

Die Elektronenoptik umfaßt darüber hinaus eine Ringanode 14, die sich koaxial über eine kurze Distanz im Inneren der Ringkathode 11 erstreckt. Die Ringanode 14 ist über eine Ausblendelektrode 20, einen metallischen Lappen 18 und einen Leiter 16 elektrisch angeschlossen. Der metallische Lappen 13 ist fest mit der Ausblcndelektrode 20 verbunden.

Letztere steht mit der Ringanode 14 an ihren Rändern in Verbindung und trägt eine Mittelöffnung, durch die ein Elektronenbündel, das aus dem mittleren Bereich der Fotokathode 9 stammt, hindurchtreten kann. Rippen 15 sorgen für eine starre Befestigung der Ringanode 14 an der Ausblendelektrode 20, die ihrerseits stoffschlüssig mit dem Inneren des Kolbens 1 verbunden ist. Ein Konus 22 ist starr im Inneren der Ringanode an dem der Ausblendelektrode 20 entfernten Ende befestigt. Dieser Konus weist an seiner Spitze eine Öffnung auf, die konzentrisch und ausgerichtet in bezug auf die Mittelöffnung 21 ist. Sie hat aber einen größeren Durchmesser als diese. Zwischen der Ringkathode 11 und der Ringanode 14 liegt eine Spannung von etwa 150 Volt, durch die ein konvergierendes Fokussierfeld für die Elektronenstrahlen entsteht. Man kann dadurch ein Elektronenbild großen Auflösungsvermögens des mittleren Bereiches der Fotokathode in die Ebene der Ausblendelektrode 20 werfen. Auf die Abmessungen und auf die Anordnung der Ringkathode 11 und der Ringanode 14 muß geachtet werden. Sie müssen experimentell bestimmt werden, damit man die erstrebten Ziele erreichen kann.

Ablenkspulen 27 und 29 werden von einem Ablenkgenerator 31 angesteuert, die mit dem Kolben 1 verbunden sind. Die Ablenkspulen 23 und 24 einerseits und die Ablenkspulen 27 und 29 andererseits erzeugen magnetische Felder, mit denen die Ablenkung der Elektronenstrahlen gesteuert werden kann, die aus der Fotokathode 9 austreten, wobei diese Felder längs der X-X- und Y-Y-Achsen gemäß F i g. 2 liegen. Die von den Ablenkspulen 23, 24, 27 und 29 erzeugten Felder lenken damit die von der Fotokathode 9 erzeugten Elektronenstrahlen so ab, daß sie nacheinander die Strahlen auf die Mittelöffnung 21 richten, die möglicherweise durch die verschiedenen Elementaroberflächen der Fotokathode entstanden sind. Ihre Oberfläche wird periodisch und vollständig abgetastet. Indem man durch die Mittelöffnung 21 nur Elektronen durchschickt, die einer Elementaroberfläche der Fotokathode entsprechen, verringert man wesentlich das Grundrauschen, und man erhält ein Nutzsignal, das über dem Rauschspiegel liegt und wesentlich bessere Eigenschaften aufweist.

Die Elektronen, die durch die Mittelöffnung 21 durchtreten, stellen ein relativ schwaches Signal dar. Daher wird eine Elektronenvervielfacherröhre 32 verwendet, um dieses Signal zu verstärken. Der Elektronenvervielfacher 32 kann von der Gestalt sein, wie in der französischen Patentschrift 1 295 026 beschrieben. Die Innenwand 33 des Elektronenvervielfachers 32 besitzt Widerstandseigenschaften und die Eigenschaften der Sekundäremission. Elektrische Kontakte sind mit der Innenwand 33 verbunden und bedecken die Stirnfläche der Elektronenvervielfacherröhre 32 mit einem elektrisch leitenden Anstrich, mit dem wiederum die Leiter 16 und 35 jeweils verbunden sind. Wenn man an die Enden der Elektronenvervielfacherröhre 32 eine Spannungsdifferenz von etwa 1000 bis 2000 Volt legt, so fließt in der Widerstandsschicht ein Strom, der ein elektrisches Axialfeld im Innenraum des Elektronenvervielfachers 32 erzeugt. Elektronen, die eine genügende Energie haben und die durch die Mittelöffnung 21 durch- und in den Elektronenvervielfacher 32 fliegen, werden durch Sekundäremission vervielfacht, ehe sie ihn verlassen.

Er ist leicht gekrümmt, so daß kein Elektron in ihm eine geradlinige Flugbahn einnehmen kann, ohne auf die Innnenwand 33 zu stoßen und damit eine Sekundäremission zu verursachen. Indem man den Durchmesser des Elektronenvervielfachers geeignet wählt, wird jedem Elektron ein genügender Energiebetrag mitgeteilt, so daß er im Mittel mehr als eine Sekundärelektronenemission verursacht, und zwar dadurch, daß er fortlaufend auf die Innenwand 33 trifft. Es

ίο wird dadurch eine lawinenartige Vervielfachung ausgelöst, die zu Elektronenverstärkungsfaktoren von 10° führen kann.

Der Elektronenvervielfacher ersetzt die vielen Prallelektroden, die sonst in den bekannten Detektoren vorhanden sind. Bei diesen Detektoren müssen unterschiedliche Spannungen an jede Prallelektrode gelegt werden. Der Elektronenvervielfacher 32 beseitigt diesen Nachteil und benötigt auch keinen zugehörigen Spannungsteiler. Man vermeidet außerdem die vielen Glas-, Metalldurchführungen, die unbedingt notwendig sind, wenn man durch die Wand des Kolbens 1 verschiedene elektrische Verbindungen ' herstellen muß. Der aus dem Elektronenvervielfacher 32 austretende Elektronenstrahl trifft auf eine Sammelelektrode 41, die über einen Leiter 43 und einen Lastwiderstand 47 an Erde gelegt ist. Das Ausgangssignal, das an den Klemmen des Lastwiderstandes 47 abgenommen wird, wird einer Signalverarbeitungsvorrichtung 49 zugeführt, die es mit dem Bezugssignal vereint, das z. B. vom Ablenkgenerator 29 kommt. Diese Signale werden in der Signalverarbeitungsvorrichtung 49 so verarbeitet, daß ein Differenzsignal E₀ entsteht, dessen Polarität und Amplitude der Richtung und dem Betrag der Abweichung des Lichtbildes in bezug auf die Y-Y-Achse entspricht. Dieses Differenzsignal kannn dazu verwendet werden, eine die Lage des Fahrzeugs steuernde Vorrichtung anzusteuern, die es ermöglicht, die Stellung des Fahrzeuges so zu ändern, daß das Lichtbild auf den Ursprung der X-X-A.cb.st fällt, und eine der Achsen des Fahrzeuges in eine Lage zu bringen, wie sie im Hinblick auf die feste Lichtquelle erforderlich ist.

Gemäß anderen Anwendungsverfahren werden die Differenzsignale in geeigneter Weise verstärkt und steuern Servomotoren an, die Halterahmen so bewegen, daß die optische Achse der Einstellvorrichtung in Richtung der Lichtquelle weist.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung spricht auf Ortsveränderungen in einer Ebene an. Wenn man daher gleichzeitig die Bezugssignale aus dem Ablenkgenerator 31 verwendet, so kann die Vorrichtung dazu verwendet werden, eine Stabilisation in bezug auf zwei Achsen herbeizuführen. Will man eine Stabilisation in einem Bezugssystem mit drei Achsen erreichen, so muß man noch eine Ausrichtung verwenden.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Bestimmung der Winkellage eines Raumfahrzeuges in bezug auf eine Lichtquelle, bei der ein Bild der Lichtquelle auf einer photoelektrisch empfindlichen Fläche erzeugt und die Lage des Bildes auf der Fläche abgetastet wird, dadurch gekennnzeichnet, daß in der Einrichtung ein an sich bekannter Sekundärelektronenvervielfacher (32) vorgesehen ist, mit dem die von dem Bild der Lichtquelle auf einer als photoelektrisch empfindliche Fläche dienenden

Fotokathode (9) ausgelösten Elektronen vervielfachbar sind, und daß zwischen der Fotokathode (9) und dem Sekundärelektronenvervielfacher (32) eine elektromagnetische Ablenkvorrichtung (23, 24, 25, 27, 29, 31) vorgesehen ist, mit der die aus der Fotokathode (9) austretenden Elektronen nach einem Raster periodisch ablenkbar sind, und daß die von einem bestimmten Teilbereich der Fotokathode (9) austretenden Elektronen bei bestimmten Werten der Ablenkspannungen dem Sekundärelektronenvervielfacher (32) zuführbar sind.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Fotokathode (9) und dem Sekundärelektronenvervielfacher (32) eine elektrostatische Linse (11,14) vorgesehen ist, die den mittleren Bereich der Fotokathode (9) in die Ebene einer Ausblendelektrode (20) mit einer mittigen Öffnung (21) abbildet, die mit der Eintrittsöffnung des Sekundärelektronenvervielfachers (32) fluchtet.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkvorrichtung (23, 24, 25, 27, 29, 31) außerhalb des evakuierten Kolbens (1) angeordnet ist, der die Fotokathode (9), die elektrostatische Linse (11,14) und den Sekundärelektronenvervielfacher umschließt, und daß die Ablenkvorrichtung zwei Gruppen magnetischer Ablenkspulen (23, 24; 27, 29) enthält, die unter einem Winkel von 90° versetzt um den Kolben angeordnet und paarweise an je einen Tastgenerator (25, 31) angeschlossen sind.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Sekundärelektronenvervielfacher ein leicht gekrümmtes, auf der Innenseite mit einer photoelektrischen Widerstandsschicht (33) versehenes Rohr (32) aufweist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen