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Lichtelektrische Anordnung.
Die Erfindung betrifft lichtempfindliche Apparate und im besonderen Photozellen.
Die gebräuchlichen Photozellen lassen sich in zwei Gruppen einteilen, u. zw. danach, wie sich die Photoelektronen in der Nähe der positiven Elektrode bewegen. In die eine Gruppe fallen Zellen, die mit reiner Elektronenentladung und mit hohem Vakuum arbeiten. Die zweite Gruppe umfasst Zellen, deren Wirkung von der zwischen den Elektroden herrschenden Ionisierung abhängt und die deshalb eine bestimmte Gasmenge enthalten. Photozellen mit hohem Vakuum werden gewöhnlich dort verwendet, wo es auf gleichmässige Arbeit und rasches Ansprechen ankommt, z. B. bei starkem Liehtweehsel. Sie haben jedoch den Nachteil, dass die erzeugten Photoströme nur geringe Intensität besitzen und zur Erreichung praktisch brauchbare Stromstärken eine oder mehrere zusätzliche Verstärkerstufen erforderlich werden.
Zellen mit Gasfüllung dagegen liefern zwar grössere Photoströme als solche mit reiner Elektronenentladung, benötigen also, wenn überhaupt, eine geringere Verstärkung, sie haben jedoch den Nachteil, dass der Photostrom pro Einheit der Lichtintensität nicht linear von ihr abhängt. Ausserdem zeigen sich gewisse Verzögerungserscheinungen, m enn mit rasch wechselndem Licht, wie z. B. beim Fernsehen, gearbeitet wird. Überdies kann auch die lichtempfindliche Oberfläche durch das Bombardement der Positivionen zerstört werden, insbesondere dann, wenn die gasgefüllte Zelle bei Spannungen arbeitet, bei denen beträchtliche Ionisation auftritt.
Gegenstand der Erfindung ist eine Photozelle, die die Gleichmässigkeit und die Trägheitslosigkeit der reinen Elektronenzelle mit der verhältnismässig grossen Stromausbeute der Gaszellen verbindet, ohne jedoch die bekannten Nachteile der letzteren aufzuweisen. Es werden also die Vorzüge beider Typen vereinigt und die nicht gewünschten Eigenschaften beseitigt. Gemäss der Erfindung wird eine gasfreie Zelle benutzt und die Stromausbeute durch Benutzung einer Art Sekundäremission gesteigert. Die Erfindung wird an Hand der beiligenden Zeichnung erläutert. Die Zelle ist dabei der leichten Erklärung halber in einen Stromkreis eingeschaltet.
1 stellt ein hochvakuiertes Gefäss dar, das durch den hineinragenden Quetsehfuss 2 abgeschlossen ist. In diesem Fuss sind drei steife Drahteinführungen für mehrere Elektroden 3,4 und 5 eingeschmolzen.
Die Elektroden sind rechteckig geformt und in vertikalen Ebenen angeordnet. Die beiden äusseren Elektroden schliessen miteinander einen Winkel ein und liegen symmetrisch zu der Mittelelektrode. Die Elektroden 3 und 3, die Primär-und Sekundärkathode heissen mögen, sind aus massivem Material gebildet.
Die zentrale Elektrode dagegen, auch Kollektor oder Anode genannt, besteht aus einem feindrahtigen, verhältnismässig weitmaschigen Gitter. Die Kathoden 3 und 5 werden liehtelektrisch empfindlich gemacht, doch genügt es, wie später ausgeführt werden soll, für eine befriedigende Arbeitsweise nur auf der stärker negativen Kathode, d. h. auf der Elektrode 3. eine liehtelektrisch empfindliche Schicht aufzubringen.
Vorzugsweise werden die Kathoden aus Metall, z. B. Nickel oder Kupfer, hergestellt und dieses-zweckmässig ausserhalb des Zellengefässes-in bekannter Weise versilbert, z. B. galvanisch, durch Ausfällung oder durch elektrische Zerstäubung. Der Silberüberzug wird vor Aufbringung der lichtempfindlichen Substanz oxydiert. Man setzt deshalb die Platten einer oxydierenden Atmosphäre aus, vorzugsweise im Gefäss 1 oder in einem besonderen Behälter, und bringt die Elektroden durch Anlegen der Hochspannung eines Funkeninduktors zum Glühen. Statt dessen kann man auch hochgespannten Gleichstrom einem Kenotrongleichrichtersatz entnehmen. In beiden Fällen lässt sieh die Tiefe der Oxydschicht durch die
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Dauer und Intensität dieser Behandlung regeln.
Ist der gewünschte Oxydationsgrad erreicht, dann werden die Elektroden, sofern sie sich nicht bereits in ihrer Stellung befinden, zugleich mit der Gitteranode in das Gefäss 1 eingesetzt. Das Silberoxyd-oder eine sonstige Metall-Oxyd-Unterlage-wird in bekannter Weise lichtempfindlich gemacht, indem man Cäsium oder einen andern geeigneten Alkalidampf in die Zelle einführt, z. B. aus einem Nachbargefäss eindestilliert oder Metallkügelchen durch Hochfrequenz erhitzt usw. Der Cäsiumdampf schlägt sich auf beiden Kathoden und auf der Anode nieder, haftet jedoch nur auf dem-als Bindemittel wirkenden-Oxydüberzug der Kathoden.
Besteht die Anode aus Nickel, das nicht leicht oxydiert, oder aus Molybdän, das zwar oxydiert, dessen Oxyd sich aber mit dem Cäsium der Anodenoberfläehe im wesentlichen nicht verbindet, dann bleibt die Anodenoberfläche gegen Licht praktisch unempfindlich. Das überschüssige Alkalimaterial wird zweckmässig in bekannter Weise aus dem Gefäss entfernt, z. B. durch Destillieren und Evakuieren des überschüssigen Dampfes nach ver- schiedenen Methoden.
Die Primärkathode 3 und die Anode 4 kann man mit einer Gleichstromquelle 6 verbinden, wobei das Element 4 an dem positiven Pol liegt. Die Sekundärkathode 5 ist an einer dazwischenliegenden Klemme 7 der Spannungsquelle angeschlossen. Die Potentialdifferenz zwischen den Elektroden 3 und 4 soll dabei zweckmässig ein Vielfaches der zwischen den Elektroden 4 und 5 herrschenden Spannung betragen, z. B. zehnmal so gross sein. Die Kathoden 3 und 5 sind also gegen die Anode oder den Kollektor 4 negativ. Wird nun die Primärkathode 3 von einer äusseren Lichtquelle 8 erregt, dann emittiert sie Elektronen ; diese werden in dem elektrostatischen Feld zwischen Kathode 3 und Anode entsprechend derz. B. einige hundert Volt betragenden-Gesamtspannung der Batterie 6 beschleunigt.
Ein wesentlicher Teil dieser Elektronen passiert die Maschen der Anode 4 und stösst auf die Sekundäranode 5 so stark auf, dass sich von der Oberfläche dieser Elektrode eine beträchtliche Anzahl von Sekundärelektronen loslösen. Diese Elektronen werden unter dem Einfluss des elektrostatischen Feldes zwischen Sekundär- kathode und positiven Kollektor 4 dem letzteren zugetrieben. Dieses Feld ist zwar dem zwischen den Elektroden 3 und 4 herrschenden Feld entgegengesetzt gerichtet. Seine verzögernde Wirkung auf die von der Kathode kommenden Primärelektronen ist aber gering, da die Potentialdifferenz zwischen den Kathoden 3 und 4 ein Vielfaches der Potentialdifferenz des Besehleunigungsfeldes zwischen den Elektroden 4 und 5 beträgt.
Die an den verschiedenen Elektroden angelegten Potentiale können dabei so gewählt werden, dass an der Oberfläche der Sekundärkathode die Sekundärelektronen gegenüber den an der Primärkathode lichtelektrisch erregten Primärelektronen stark überwiegen. Dieser Zustand wird in einem Arbeitskreise zur Entnahme verstärkter Photoströme zweckmässig ausgenutzt. Den Arbeitskreis legt man normalerweise zwischen die Elektroden 4 und 5, z. B. an das in der Figur offen gezeichnete Klemmenpaar. In jeder Elektrodenleitung kann man Strommesser 9, 10 und 11 einschalten und feststellen, wann und bei welchen Elektrodenspannungen der Photostrom seine grösste Betriebsempfindlichkeit erreicht.
Das Amperemeter 9 zeigt dabei den gesamten von der Kathode 3 ausgehenden Primärelektronenstrom an, das Amperemeter 10 die Kombination von Sekundärströmen und einem Teil der Primärphotoströme, der von der Feinheit des Gitters und andern Faktoren abhängt. Das Amperemeter 11 muss die Differenz zwischen dem Rest des Primärelektronenstromes, der die Oberfläche 5 erreicht, und der Kombination von Sekundärelektronen-und Photostrom, der diese Oberfläche verlässt. Um Primärund Sekundärelektronenstrom noch weiter zu steigern, sind die Platten 3 und 5 unter einem Winkel angeordnet. Das Licht wird dann zwischen den Platten mehrmals reflektiert. Das von der Primärkathode auf die Sekundärkathode reflektierte Licht erzeugt Sekundärelektronen.
Sie wirken mit den auf der Kathode 3 gebildeten Elektronen zusammen und vergrössern in bestimmtem Ausmasse die Zahl der Elektronen, die von der Kathode 5 zur Anode 4 wandern.
Die Erfindung ergibt also eine neue Photozelle mit reiner Elektronenentladung und allen damit verbundenen Vorzügen. An Grösse der Stromamplitude ist sie den bisher bekannten, mit Elektronenentladung arbeitenden Photozellen um ein Vielfaches überlegen. Die Stromstärke lässt sich durch geeignete Zellenformen unter Regelung der angewendeten Spannungen so weit steigern, dass die Grössenordnung der Ströme von gasgefüllten Zellen erreicht wird ; dabei sind jedoch die Nachteile, die mit gashaltigen Zellen gewöhnlich verbunden sind, vermieden.
Die Entstehung der Sekundärelektronen auf der Oberfläche der Sekundärkathode 5 hängt von dem Aufprall der von der Kathode 3 erzeugten Primärelektronen ab. Da nun die Primärelektronen ihrerseits von Lichtstrahlen gesteuert sind, werden auch die Sekundärphotoströme zwangläufig vom Licht gesteuert.
Versuche haben ergeben, dass die Sekundärkathode keine hoehlichtempfindliche Oberfläche zu besitzen braucht. Sie kann auch einfach aus gewöhnlichem Metall hergestellt sein. Die Stromsteigerung infolge vielfacher Reflexionen wird dann nicht ganz so stark. hervortreten ; unter bestimmten Umständen jedoch, z. B. dann, wenn die Sekundärkathode hohe Reflexionsfähigkeit besitzt, kann der tatsächliche Arbeitsstrom noch grösser sein als bei Verwendung von Sekundärkathoden mit verhältnismässig hochlichtempfindlicher Oberfläche.
Wird nämlich die Kathode spiegeln und nichtlichtempfindlich ausgebildet, dann wird das darauf auffallende Licht von der Oberfläche grösstenteils reflektiert, ohne Photoelektronen
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elektronen, die zusammen mit den durch das direkte Licht erregten Lichtelektronen den im Kreise 10 gemessenen Gesamtstrom steigern können. Nichtliehtempfindliehe Sekundärkathoden bringen bei der Auswahl des Materials gewisse Vorteile. da die Sekundäremission nicht auf lichtelektrisch hoehempfindliche Substanzen beschränkt ist. Für die Sekundäremission geeignet erweisen sich Barium-Oxyd oder metallisches Barium, die als Überzug auf das Grundmetall aufgebracht werden.
Die Erfindung ist jedoch nicht auf ein besonderes Material für das Sekundärkathodenelement 5 beschränkt. Es fallen vielmehr sämtliche einer sekundären Emission fähigen Oberflächen in den Rahmen der Erfindung, mögen sie nun lichtelektriseh hochempfindlich sein oder nicht. Ebenso können die Elektroden 3, 4 und 5 verschieden geformt und angeordnet sein. Die Primärkathode kann z. B. als Halbzylinder ausgebildet sein, die Sekundärkathode als Zylinder kleineren Durchmessers, der von einer schraubenförmigen Anode gitterartig umgeben ist, und es können sämtliche Elemente konzentrisch angeordnet sein.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Lichtelektrisehe Anordnung, gekennzeichnet durch zwei Kathoden, von denen mindestens eine zur lichtelektrischen Emission, die andere zur Erregung einer sekundären Elektronenemission dient.