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Fernseh- Elektronenstrahlröhre.
Die Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zur Verstärkung der Ströme in Fern- sehröhren.
Es sind z. B. aus der amerikanischen Patentschrift Nr. 1773980 Bildzerlegerröhren bekannt geworden, bei denen das zu übertragende Bild auf eine Photokathode geworfen wird und dort ein den
Helligkeitswerten des Bildes entsprechendes Emissionsbild erzeugt. Das durch die Photoelektronen gebildete, einen grossen Querschnitt aufweisende Elektronenbündel wird mittels Ablenkfedern über eine Abtastsonde hinweggezogen.
Ein Nachteil dieser Röhren besteht darin, dass die erhaltenen Signalströme sehr klein sind und einer sehr hohen nachträglichen Verstärkung bedürfen. Dabei besteht vor allem die Gefahr, dass sich die Signalströme nicht hinreichend vom Störpegel, der durch den Schroteffekt bedirgt ist, abheben.
Nach der Erfindung können Signalströme von wesentlich grösserer Stärke erhalten werden, so dass keine so hohe Verstärkung mehr erforderlich ist. Die Möglichkeit einer Beeinträchtigung der
Bildübertragung durch den Störpegel wird dadurch venrieden. und die nachfolgenden Verstärker- anordnungen können einfacher gehalten werden.
Das der Erfindung zugrundeliegende Prinzip zur Verhinderung der vorerwähnten Nachteile lässt sich auch bei Fernsehempfangsröhren verwenden, wodurch eine wesentlich grössere Bildhelligkeit erreicht bzw. eine hohe Vorverstärkung erspart wird. Der verstärkte Strom wird dann auf einen
Leuchtschirm gerichtet, so dass ein sichtbares Bild entsteht.
Gemäss der Erfindung wird in der Röhre eine Hilfskathode angeordnet, deren Strom durch eine den Helligkeitswerten des Bildes entsprechende Ladungsverteilung gesteuert wird. Vorzugsweise wird diese Ladungsverteilung auf einer Gitterelektrode erzeugt. Die Elektronen fliessen dann von der Hilfskathode durch dieses Gitter in Richtung auf die Anode, wobei noch die durch das Bild un- mittelbar erzeugten Photoelektronen hinzutreten können.
In der Zeichnung wird die Erfindung an Hand einiger Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Fig. 1 stellt einen Schnitt durch eine Bildzerlegerröhre gemäss der Erfindung dar. In Fig. 2 ist gezeigt, wie diese Röhre geschaltet ist. Die Fig. 3 und 4 stellen Schnitte durch Gitter dar, wie sie in der Röhre nach Fig. 1 verwendet werden können. Fig. 5 stellt eine andere Ausführungsform dar, während Fig. 6 einen Schnitt durch das Gitter der Röhre nach Fig. 5 und Fig. 7 die Schaltung dieser Röhre zeigen.
Fig. 8 zeigt eine Mosaikelektrode, welche mit der Einrichtung nach Fig. 9 hergestellt worden ist. Fig. 10 zeigt eine dritte Ausführungsform, in der ein Gitter entsprechend der Fig. 11 benutzt wird.
Das Vakuumgefäss 1 der Fig. 1 ist an einem Ende mit einem durchsichtigen Fenster 2 versehen, vor dem eine Optik 4 so angeordnet ist, dass sie auf der gitterförmigen, am andern Ende der Röhre angeordneten Speicherelektrode 5 ein Bild des zu übertragenden Gegenstandes entwirft. Hinter dieser befindet sich ein Elektrodensystem, welches ein sehr weit geöffnetes Elektronenbündel gleichmässiger Dichte erzeugt und eine kegelförmig geöffnete Anode 6, ein Steuergitter 7 und eine indirekt geheizte
Kathode 9 enthält. Unmittelbar am Lichteintrittsfenster befindet sich eine fingerförmige Anode 12 mit einer dem Gitter 5 zugewandten Öffnung 14. Innerhalb dieser Anode ist eine Sonde 16 angeordnet, die sich unmittelbar hinter dem Loch 14 befindet und mit einer Zuführung 17 versehen ist.
Vorzugsweise wird die Röhre innerhalb einer Konzentrationsspule 19 angeordnet, durch die ein regelbarer Gleichstrom fliesst. Es entsteht dann ein magnetisches Längsfeld zwischen dem Gitter 5
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und der Abtastöffnung-. Ferner sind Ablenkspulen 22 bzw. 23 ausserhalb der Röhre angeordnet, welche zwei senkrecht zueinander stehende Felder erzeugen und an je einem Schwingungserzeuger 24 bzw. 2. 5 angeschlossen sind.
Für die Speicherelektrode 5 kommen verschiedene Konstruktionen in Frage. Vorzugsweise wird jedoch ein Gitter benutzt, bei dem die den Öffnungen entsprechende Fläche ebenso gross ist wie die des stehenbleibenden Materials. In manchen Fällen kann das Gitter, so wie beispielsweise in Fig. 3 dargestellt, vollständig aus Isoliermaterial hergestellt werden. Der Isolator 26 ist hier mit Öffnungen 27 versehen und trägt ferner eine Schicht von Cäsium auf Silberoxyd. Diese, photoelektrische Schicht ist in bekannter Weise hergestellt, wobei das Silber in Form von Tröpfchen 29 niedergeschlagen ist.
Es ist also ein Photomosaik vorhanden, welches aus voneinander isolierten Rasterelektroden besteht.
Eine andere Gitterform ist in Fig. 4 dargestellt, wo das Grundmaterial. 30 ein Leiter ist, z. B. ein Nickelgewebe, auf das eine Schicht eines Isoliermaterials-M niedergeschlagen ist, die ihrerseits die Mosaikelektroden 29, die wie vorher aus Silberoxyd und Cäsium bestehen, trägt. Zur Herstellung eines solchen Gitters wird vorzugsweise ein Nickelnetz benutzt, welches im Verhältnis zu den Drähten ziemlich grosse Löcher aufweist. Dieses Netz wird als Ganzes über eine Magnesiumflamme gehalten, so dass es vollständig mit Magnesiumoxyd besehlägt, bis die verbleibenden Löcher etwa ebenso gross sind wie das Trägermaterial. Dann wird ein Mosaik von Silberoxyd-Cäsium-Elektroden aufgebracht.
Ein anderer Weg, um ein Mosaik auf einem isolierendem Netz zu erzeugen, stellte sieh als noch einfacher heraus. Diese Methode sei an Hand der Fig. 9 erläutert. Die Fig. 8 zeigt ein so hergestelltes Mosaik in der Ansicht, während Fig. 11 einen Schnitt darstellt. Dort ist das Gitter 5 wenigstens auf der dem Bild zugewandten Seite mit Isoliermaterial überzogen, z. B. indem es in einen Magnesiumoxydrauch gehalten wurde. Nunmehr wird Silber aufgedampft, u. zw. aus einer Verdampfungsquelle 50, die durch Wirbelströme erhitzt wird. Die Verdampfungsquelle besteht aus dem mit einem Loch M versehenen Behälter 53 und enthält metallisches Silber 55. Da das Silber im Hochvakuum geradlinig ausstrahlt, entstehen scharfe Schatten an den Stellen, die von der Strahlquelle aus gesehen verdeckt sind.
Das Netz besteht aus zahlreichen sich rechtwinklig überkreuzenden Drähten, wobei jeder Draht das unter ihm liegende Stück des andern Drahtes verdeckt. Diese verdeckten Stellen beschlagen sich nicht mit Silber, so dass zahlreiche voneinander isolierte rechteckige Leiterflächen 29 entstehen. Durch Wahl einer andern Maschenweite kann die Grösse dieser leitenden "Inseln" beliebig verändert werden.
In einem praktischen Fall wurde eine völlig undurchsichtige Silberschicht auf einem Gitterabschnitt erzeugt, und für den Widerstand zwischen zwei Kontakten, die nur 1'5 mm voneinander entfernt waren, wurden Werte bis zu 1014 Ohm gemessen. Hieraus folgt die ausserordentlich gute Isolierung der Inseln. Vorzugsweise wird jedoch die Silberschicht nur dünn ausgebildet und bei der Formierung der Schicht vollständig durchoxydiert, wozu in bekannter Weise eine Hochfrequenzentladung in Sauerstoff verwendet wird.
Es ist zweckmässig, den Cäsiumüberschuss nach der Formierung restlos zu binden. Unter den zahlreichen Möglichkeiten hiefür wurde folgende als günstig gefunden. Innerhalb der Röhre, entweder an der Kathode oder an der Anode befestigt, wird eine relativ grosse reine Silberoberfläche angeordnet, welche mit einer ziemlich dicken Oxydschicht versehen wird. Diese Oberfläche ist nach Formierung der Röhre zur Aufnahme grosser Cäsiummengen fähig, selbst nachdem die dünne Silberschicht auf dem Gitter ihre Höchstempfindlichkeit angenommen hat.
Nachdem die Oberflächen ihre höchste Empfindlichkeit erreicht haben, wird die Röhre bei etwas niedrigerer Temperatur hinreichend lange ausgeheizt, bis der Cäsiumüberschuss in der Röhre vollständig durch die Silberoberfläche gebunden ist.
Die Röhre nach Fig. 1 sei wie in Fig. 2 dargestellt geschaltet und möge ein Gitter entsprechend der Fig. 3 besitzen. Die Anode 6 ist über eine Spannungsquelle 53 mit der Kathode verbunden, die in bekannter Weise geheizt wird, so dass das ganze Gitter 5 mit Elektronen von 100-300 Volt Geschwin- digkeit beschossen wird. Das Gitter wird dann eine negative Ladung annehmen, die gerade hinreicht, um weitere Elektronen vom Aufprall abzuhalten, so dass unmittelbar vor dem Gitter eine Raumladung entsteht. Das Gitterpotential wird dann einerseits von der Geschwindigkeit der schnellsten Elektronen und anderseits von der Ableitung innerhalb der Gitterkonstruktion, also vom Isolationswiderstand abhängen.
Bei der Anordnung nach Fig. 3, wo das Gitter vollständig aus Isoliermaterial besteht, wird das Gitterpotential etwas höher liegen, als bei der nach Fig. 4, wo die isolierende Schicht auf Unter- lagedrähten, 30 angeordnet ist, die in der Regel mit der Anode 6 über einen Leiter. 36 leitend verbunden sind.
Nachdem das Gitter sein Gleiehgewichtspotential angenommen hat und vor dem Gitter eine
Raumladung entstanden ist, wird ein Bild des Gegenstandes 37 mittels der Optik 4 auf die nicht von
Elektronen beschossen Seite des Gitters 5 geworfen. Es fällt also Licht auf das Photomosaik 29 und bewirkt dort eine Elektronenemission. Die Elektronen werden gegen die Anode 12 gezogen, einzelne von ihnen werden in die Öffnung 14 dringen und auf der Sonde 16 gesammelt werden. Die Anode 12 ist an den positiven Pol. einer Spannungsquelle 59 angeschlossen, während die Sonde 16 mittels der
Spannungsquelle 40 ein noch höheres Potential erhält.
Der auf die Sonde fallende Strom fliesst durch
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den Widerstand 41 und erzeugt an diesem ein Potential, welches mittels der Drähte 42 abgenommen und dann verstärkt wird.
Die Zahl der auf dem Photomosaik ausgelösten Elektronen wird in jedem Punkte der jeweiligen Lichtintensität entsprechen. Die photoelektrischen Inseln werden sich infolgedessen der auffallenden Lichtmenge entsprechend mehr oder weniger positiv aufladen. Die Mosaikelemente werden sich also auf ein neues weniger negatives Gleiehgewichtspotential einstellen, so dass eine Potentialverteilung auf dem Gitter entsteht, die überall dem Bildinhalt entspricht. Hiedurch wird es den die Raumladung hinter dem Gitter 5 bildenden Elektronen möglich, durch das Gitter hindurch auf die Anode 12 bzw. die Sonde 16 zu fliegen. Die so aus der Raumladung frei werdenden Elektronen entsprechen in ihrer Zahl wiederum der örtlichen Lichtintensität.
Sämtliche zwischen dem Gitter 5 und der Anode 12 fliegenden Elektronen werden durch die Konzentrationsspule 19 gebündelt und durch die Ablenkfelder über die Abtastöffnung 14 hin-und herbewegt.
Falls es gewünscht wird, kann die Ergiebigkeit der Elektrollenquelle 9 mittels des Gitters 7 hochfrequent moduliert werden, wobei die Modulation über einen Blockkondensator bei 44 zugeführt wird. Es wird dadurch eine Ausgangsverstärkung möglich und es kann die Gleichstromkomponente erhalten werden.
Durch die Speicherung der Elektronen in einer Raumladung wird ein "elektrisches Bild" erzeugt, dessen Intensität wesentlich grösser ist, als wenn es lediglich durch die Photoemission von dem Gitter 5 erzeugt wäre. Die am Widerstand 41 abgenommene Spannung ist nunmehr wesentlich grösser, so dass sie nur wesentlich weniger verstärkt zu werden braucht und nicht mehr in dem Masse von Störungen abhängt.
Eine andere Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 5 dargestellt. Als Elektronenquelle
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vorzugsweise als Silberoxyd-Cäsiumschicht ausgebildet, bis die höchste Empfindlichkeit erreicht worden ist. Diese Kathode braucht nicht als Mosaik ausgebildet sein. Sie wird dann aus den Lampen 46 mit rotem oder infrarotem Licht angestrahlt, bis die Kathode einen Strom von z. B. 100 Mikroampère erzeugt. Das Gitter 5 ist in diesem Fall nicht photoelektrisch, sondern vorzugsweise aus Nickeldrähten 30 aufgebaut, die eine oberflächliche Isolierung von z. B. Magnesiumoxyd erhalten.
Beim Betrieb wird der Gegenstand 37 nur mit Tageslicht oder durch künstliche Lichtquellen 47 belichtet, wobei darauf geachtet wird. dass kein weisses Licht direkt auf die Kathode. 32 fällt, ausgenommen dasjenige, welches von dem Gegenstand 37 ausgeht und durch die Optik 4 auf die Kathode gerichtet wird. Zu diesem Zweck werden die Lampen 47 mit Reflektoren 49 versehen. Da es auch erwünscht ist, dass kein rotes Licht auf den Gegenstand 37 trifft, werden die Lair pen 46 ebenfalls mit Reflektoren 50 versehen. Diese Reflektoren sind so aufgestellt, dass das Licht in dem einen Fall nur auf die Kathode ; im andern nur auf den Gegenstand fällt.
In der Schaltskizze nach Fig. 7 sind die Ablenk-und Konzentrationsspulen der Einfachheit halber fortgelassen. Auf die Kathode 32 fallen nun zwei verschiedene Lichtströme. Der eine, von den Lampen 46 ausgehende, stellt eine gleichmässige Strahlung von grosser Wellenlänge dar und erzeugt eine gleichmässige Emission von Elektronen geringer Geschwindigkeit. Der andere Lichtstrom entspricht der Lichtverteilung des Gegenstandes und enthält kürzere Wellenlängen, so dass auf der Kathode 32 Elektronen verschiedener und im Mittel höherer Geschwindigkeit ausgelöst werden. Es werden also von der Kathode 32 Elektronen zweier verschiedener Arten erzeugt.
Angenommen, dass kein Bild auf die Kathode fällt, wird das Gitter eine negative Ladung annehmen, da die Elektronen, die dort auffallen, sieh auf der Isolierschieht sammeln und allmählich auf den leitenden Träger ab- fliessen, bis ein Gleichgewichtszustand in der Nähe von etwa 3/4 Volt erreicht ist. Es entsteht so eine Raumladung vor dem Gitter. Wird ein optisches Bild auf die Kathode projiziert, so werden Elektronen höherer Geschwindigkeit ausgelöst, welche infolge dieser höheren Geschwindigkeit das Gitter erreichen können und die bisher gleichmässige Ladungsverteilung derart stören, dass das Gitter an jedem Punkt um so viel negativer wird, wie es der dort vorhandenen Helligkeit entspricht.
Es entsteht so eine Ladungsverteilung auf dem Gitter, die die Zahl der durch das Gitter fliegenden, durch die Anode 12 angezogenen Elektronen entsprechend dem Bildinhalt steuert. Es entsteht so ein "elektrisches Bild" von grösserer Intensität als bei Verwendung lediglich einer Photokathode. Die Fokussierung der Elektronen und die Abtastung erfolgt in bekannter Weise.
Es wurde gefunden, dass durch die vor dem Gitter aufgebaute Raumladung und ihre Ausnutzung zur Verstärkung des elektrischen Bildes die Empfindlichkeit der Röhre auf das mehr als tausendfach gesteigert werden konnte. Infolgedessen kann mit wesentlich geringerer nachfolgender Verstärkung gearbeitet werden.
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Die Erfindung bezieht sich ferner auf eine in gleicher Weise arbeitende Verbundkathode, bei der Kathode und Gitter zu einer Einheit zusammengefasst sind. Wird ein feines isolierendes Pulver unmittelbar auf die Kathode aufgebracht, so dass zwischen den Körnchen Zwischenräume bestehen, so würden theoretisch auch in diesem Falle Ladungen in den oberen Teilen entstehen, welche imstande wären, langsame Elektronen, die durch eine langwellige Strahlung ausgelöst werden, zu modulieren.
Es würde jedoch in der Praxis sehr schwierig sein, die Kathode so zu formieren, und das isolierende Pulver würde Cäsium aufnehmen und vielleicht leitend werden. Es konnte jedoch eine Verbundkathode unter Verwendung einer äusserst dünnen Schicht eines isolierenden Pulvers aufgebaut werden, indem die zusammengesetzte Oberfläche mittels einer Glimmentladung in Argon nach Formierung der Cäsiumoberfläche oxydiert wurde, um alles leitende Material, welches das Isoliermaterial überdeckte, zu beseitigen. Bei Verwendung einer solchen zusammengesetzten Kathode wird vorzugsweise eine geringe Hochfrequenzspannung an die Kathode gelegt, um die Zahl der auf den Isolator fallenden Elektronen zu vergrössern.
Ein anderes Verfahren zur Herstellung einer Verbund-Kathode besteht in der Verwendung von Cäsium-Monoxyd als Isolator auf der Kathode. Wenn eine eine Monoxydschicht aufweisende Silberplatte zur Photokathode formiert wird, so ergibt das auf sie destillierte Cäsium mit dem Cäsiummonoxyd Cäsiumtrioxyd, welches ebenfalls ein guter Isolator ist.
In beiden Fällen entsteht eine Photokathode mit zahlreichen isolierenden "Inseln" zwischen denen Abstände bestehen, so dass Elektronen hindurchtreten können. Auf den isolierenden Inseln entstehen infolge der Emission Ladungen, die den Fluss der Elektronen steuern, wie früher beschrieben.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 10 dargestellt. Hier sind die Photokathode und das Gitter zu einer Einheit vereinigt, die als Ganzes auf dem Schirm 5 untergebracht ist. Fig. 11 zeigt diesen Teil im Querschnitt. Die Röhre erhält in diesem Fall einen Wandbelag 60, der aus Nickel bestehen kann und vorzugsweise mit der Anode 12 verbunden ist. Die Röhre weist ferner ein zweites durchsichtiges Fenster 61 auf, um den von einer Quelle 62 ausgehenden Lichtstrom auf den Schirm 5 treten zu lassen. Die Drähte. 30 der Fig. 11 sind auf der einen Seite beispielsweise mittels Magnesiumoxyd 64 isolierend gemacht, wobei vorzugsweise Silberdraht als Unterlage verwendet wird.
Es wird dann von der einen Seite Silber 29 aufgedampft, so dass ein Mosaik auf den isolierenden Schichten entsteht. Die Oberfläche wird dann formiert wie früher beschrieben. Gleichzeitig wird die Silberober- fläche auf der andern Seite des Gitters ebenfalls formiert. Es entsteht so ein Gitter, welches zwei völlig voneinander getrennte photoelektrische Oberflächen aufweist. Die eine ist der Lichtquelle 62 zugewandt und stellt eine zusammenhängende Schicht dar, während die andere dem Finger 12 zugewandt ist und als Mosaik ausgebildet ist.
Bei dieser Ausführungsform erhält das Gitter 5 vorzugsweise einen zylindrischen Ansatz 60', welcher sich dem Wandbelag 60 entgegenstreckt, diesen jedoch nicht berührt. Beide bilden zusammen eine elektrische Linse, welche die Fokussierung der Elektronen unterstützt. Es kann vorteilhaft sein, eine entsprechende Anordnung auch bei den andern Ausführungsformen zu verwenden.
Wird die die Hilfskathode darstellende, durchgehende leitende Fläche beleuchtet, wobei das Licht in diesem Falle nicht von anderer Wellenlänge als das zur Bildbeleuchtung zu sein braucht, so werden auf der Rückseite des Gitters Elektronen ausgelöst, u. zw. gleichmässig über die ganze Oberfläche, so dass hinter dem Gitter eine Raumladung entsteht. Auf der Vorderseite dagegen, wo auf die Photooberfläche der Gegenstand abgebildet wird, entsteht ein Ladungsbild, in dem die Ladungsverteilung dem Bild entspricht. Dieses Ladungsbild steuert den Elektronendurchtritt von der hinteren Oberfläche, wobei die dutchgelassenen Elektronen durch die Zugspannung am Anodenfinger 12 beschleunigt werden.
Diese Ausführungsform ist aus mehreren Gründen vorteilhaft. Es wird eine hohe Verstärkung erreicht, und es werden praktisch von allen Teilen des Mosaiks gleichviel Elektronen der Raumladung gesteuert. Es braucht kein infrarotes Licht verwendet zu werden, da das Licht der beiden Quellen auf verschiedene Seiten der lichtempfindlichen Elektrode fällt. Ein besonderer Vorteil dieser Anordnung ist, dass die Mosaikelektroden nur einen sehr kleinen Strom aus der Raumladung absaugen, da sie auf der dem Ursprung dieser Elektronen abgewandten Seite angeordnet sind.
Die Zeit, während der die Ladung auf den. Mosaikelektroden abfliesst, kann auf verschiedene Weise geregelt werden. Reines Magnesiumoxyd isoliert so gut, dass es wünschenswert ist, die Entladezeit durch Zusätze, welche das Isoliervermögen verschlechtern, zu verkürzen. Es kann auch ein geringer Restgasdruck in der Röhre belassen werden, der die Entladezeit der Mosaikelektroden regelt.
Es wurde gefunden, dass durch eine solche Gasfüllung von sehr geringem Druck keine Beeinträchtigung der Bildsignale bewirkt wird, wenn die Entladezeit innerhalb der Grenzen der Bildfrequenz liegt.
In jedem der beschriebenen Fälle wird ein Ladungsbild, welches dem optischen Bild entspricht, aufgebaut, welches seinerseits einen gleichmässigen Elektronenstrom steuert. Der Gesamtstrom wird dann in bekannter Weise zerlegt, um ein Fernsehsignal zu erhalten. Naturgemäss können die beschriebenen Ausführungsbeispiele auch abgeändert und z. B. Elemente der einen Anordnung mit solchen einer andern Anordnung kombiniert werden.