Schneller Analog-Digital-Converter für Frequenzen im Gigahertz-Bereich

Das TECHNIK FORUM WIEN untersucht gemeinsam mit dem TECHNIK FORUM STEIERMARK und mit der GESELLSCHAFT FÜR NATUR UND TECHNIK technische Lösungen für Hochfrequenz-Messgeräte. Ziel ist es, die Ausbreitung von Licht in Zeitlupe zu zeigen. Dazu soll eine Zeitlupenkamera entwickelt werden, die zumindest 600 Millionen Bilder pro Sekunde machen kann.

Die Idee ist einfach: Licht hat eine Ausbreitungsgeschwindigkeit von c = 300x10^6 m/s. Wenn ein Lichtstrahl (z.Bsp. ein Laserstrahl) sich an einer Kamera vorbei bewegt, die 300x10^6 Bilder pro Sekunde schafft, dann müsste sich dieser Lichtstrahl mit 1 m/s vom linken zum rechten Bildrand der Aufnahme bewegen. Schafft diese Kamera jedoch 600x10^6 B/s, dann müsste sich dieser Lichtstrahl nur noch mit einem halben Meter pro Sekunde durch den selben Bildausschnitt bewegen.

Wir glauben, dass in einem Lichtstrahl (genauer: einer neutralen Faser eines Lichtstrahls) unendlich viele Lichtstrahlen existieren, die sich gegenseitig überlagern aber sich betragsmässig um ein ganzzahliges Vielfaches in ihrer Geschwindigkeit unterscheiden. Das heisst, der erste Lichtstrahl in einer neutralen Lichtfaser hat eine Geschwindigkeit von c = 300x10^6 m/s. Der zweite überlagerte Lichtstrahl hat eine Geschwindigleit von 2c = 2x(300x10^6) m/s = 600x10^6 m/s, usw. Somit ergibt sich eine quantisierte Sicht der Dinge. Durch diese Anschauung entstehen automatisch unendlich viele Lichtstrahlen, die in einer einzigen neutralen Lichtfaser enthalten sind. Die erste Faser hat als Geschwindigkeit 1c, die zweite 2c, die dritte 3c, und die letzte neutrale Lichtfaser hat nc als Geschwindigkeit, wobei n gleich unendlich ist und als Quantisierungsfaktor zugleich die unendliche Geschwindigkeit beschreibt.

Nun soll durch Zeitlupenaufnahmen gezeigt werden, dass ein Lichtstrahl genauso beschaffen ist. Wenn das also wahr ist, dann müsste bei Betrachtung eines Lichtstrahls in Zeitlupe zu sehen sein, dass sich die Lichtfront eines Laserstrahls mit der ersten Lichtgeschwindigkeit am Bildausschnitt vorbei bewegt, und dass sich der zweite überlagerte Lichtstrahl der selben Lichtfaser mit der zweifachen, der dritte mit der dreifachen Geschwindigkeit (usw.) vorbei bewegt, wobei sich jede überlagerte neutrale Lichtfaser in die nächste hineinschiebt. Schafft die Zeitlupenkamera z.Bsp. 300x10^6 B/s, müsste somit die erste Lichtfront eine Zeitlupengeschwindigkeit von 1 m/s haben. Die zweite Lichtfront müsste 2 m/s, die dritte 3 m/s, usw., haben. Schafft die Zeitlupenkamera die doppelte Aufnahmegeschwindigkeit, müssten sich auch die Lichtgeschwindigkeiten der neutralen Lichtfasern entsprechend verringern und zugleich doppelt so viele Lichtfaserfronten beobachtbar sein.

So eine Zeitlupenkamera braucht natürlich auch entsprechend schnelle elektronische Bauelemente und Baugruppen. Es müssen schliesslich Abläufe erfasst werden, die sich theoretisch mit n-facher Lichtgeschwindigkeit bewegen. Zur Umwandlung der Lichtsignale in ein entsprechendes elektronisches Signal, wird auf jeden Fall ein Analog-Digital-Wandler benötigt, der schnell genug schalten kann. Im Folgenden soll eine Idee behandelt werden, wie aus schnell schaltenden Transistoren und Dioden so ein ADC aufgebaut werden kann.