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Elektronenvervielfacher.
Es sind Vervielfaeher bekannt, die in einem Vakuum gefäss zwei einander gegenüberliegende sekundäremittierende Platten und eine Auffanganode enthalten. Wird an die selundäremittierenden Auslöseelektroden eine Wechselspannung mit einer Frequenz in der Grössenordnung von z. B. 60 Megahertz gelegt, so fliegen die Elektronen zwischen den Auslöseelektroden hin und her und erzeugen nach jeder Durchquerung Sekundärelektronen.
Die Anode ist so ausgebildet und angeordnet, dass es unwahr-
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als 1, so ergibt sich jedesmal eine Vervielfachung. bis die Zahl der ausgelösten Elektronen der Zahl der an der Anode aufgefangenen Elektronen das Gleichgewicht hält oder bis der Vorgang unterbrochen wird.
Der Vervielfachung wirken zwei Faktoren entgegen. Der erste ist die Raumladung, die entsteht, wenn die Zahl der Elektronen sehr gross wird. Diese Raumladung treibt die äusseren Elektronen gegen . die Anode. Ein zweiter Faktor ist die Querkomponente des elektrostatischen Feldes in der Kammer.
Die Zahl der von der Anode aufgefangenen Elektronen hängt ferner davon ab, ob die Elektronen in der Mitte oder am Rande ausgelöst werden, ferner von der Querkomponente des elektrischen Feldes in der Kammer und von einer gegebenenfalls angelegten Vorspannung.
Je geringer die Wahrscheinlichkeit ist, dass das einzelne Elektron auf seinem Wege aufgefangen wird, um so grösser wird der sich einstellende Gleichgewichtsstrom sein. Dieser Strom wird daher stärker, wenn das Feld, das die Elektronen führt, verstärkt wird. Es ist jedoch dabei eine Grenze durch die
Raumladung gegeben, die bei grosser Dichte der Elektronen eine Sättigung hervorruft.
Dieser Gleichgewichts-oder Sättigungszustand hat nun zur Folge, dass der Ausgangsstrom nicht mehr der Zahl der Primärelektronen proportional ist, wenn nicht besondere Massnahmen getroffen werden. Bei einer andern Betriebsweise, bei der nicht die Zahl der Primärelektronen, sondern die
Wechselspannung an den Auslöseelektroden verändert wird, wird nach Eintritt der Sättigung der
Ausgangsstrom ebenfalls konstant, also unabhängig von der Wechselspannung.
Gemäss der Erfindung wird eine proportionale Vervielfachung dadurch erreicht, dass man die durchschnittliche Zahl der Hin-und Hergänge, denen ein einzelnes Elektron ausgesetzt ist, begrenzt, so dass der Ausgangsstrom unter dem Gleichgewichtszustand bleibt. Um dies zu erreichen, wird die Vervielfachung periodisch mit einer solchen Häufigkeit unterbrochen, dass der Grenzzustand nicht
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eintreten kann. Da die einzelnen Perioden zweckmässig stets dieselbe Zahl von Halbwellen enthalten, und da infolgedessen stets dieselbe Zahl von Auslösungen stattfindet, wird der Ausgangsstrom am Ende des Intervalls proportional die Zahl der Elektronen, die die Auslösung während des Intervalls einleiten.
Die periodische Unterbrechung kann auf verschiedenem Wege erreicht werden, z. B. dadurch, dass die Auslöseelektroden von einer Wechselstromquelle bestimmter Frequenz gespeist werden und dass diese Speisung mit einer niedrigeren Frequenz unterbrochen wird. Wird eine hohe Erregerfrequenz benutzt, so lässt sieh der Vervielfacher sehr klein ausführen, so dass er gegebenenfalls in das Innere einer photoelektrischen Röhre für Fernsehzwecke eingebaut werden kann. Bei einer solchen Kombination lassen sich Verstärkungen auf das Hunderttausend-bis Millionenfache leicht erreichen, und es wurde experimentell ein Eingangsstrom von 10-9 A bis auf den Wert von 1) 1 mA verstärkt.
Es ist auch möglich, die Auslöseelektroden direkt und ausschliesslich durch eine modulierte Trägerwelle zu erregen und diesen Vorgang zu unterbrechen, um eine hohe Verstärkung zu erzielen.
Die Vorrichtung kann auch selbst schwingen und sich selbst unterbrechen.
Wenn die Erregung der Auslöseelektroden periodisch unterbrochen werden soll, kann folgendermassen vorgegangen werden : DieAuslöseelektroden werden an eineWeehseIspannung von z. B. 200 Megahertz angeschlossen. Der Schwingungserzeuger kann ein Röhrengenerator oder auch eine Abwandlung des Vervielfachers selbst sein. Wird ein Glühkathodenoszillator benutzt, so wird er zweckmässig mit 1/3 oder der Anodenspannung über die Sekundärspule eines Transformators gespeist, der primärseitig an einem Niederfrequenzunterbrecher angeschlossen ist, der eine Frequenz bis zu 30 Megahertz oder bis herab zu 60 Hertz je nach dem Verwendungszweck haben kann.
Die Einstellung der Vervielfachung kann bequem durch Änderung der Anodenspannung für den Niederfrequenxunterbrecher vorgenommen werden. Wenn beide Schwingungserzeuger arbeiten, so werden die Auslöseelektroden abwechselnd zeitweise erregt. Der Niederfrequenzunterbreeher lässt jedcch nur eine periodische Erregung zu. Die von der Anode aufgefangenen Elektronen sind der Zahl der Primärelektronen proportional, da eine Sättigung nicht eintreten kann. Die Vervielfachung kann also voll ausgenutzt werden. Die Ausgangsspannung wird an einem Widerstand abgegriffen.
Weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt. Fig. 1 ist eine Schaltung des Vervielfachers für Rundfunkempfänger, Fig. 2 eine andere Ausführungsform, Fig. 3 ein Schnitt durch die Röhre der Fig. 2 in der Ebene 6-6, Fig. 4 eine Schaltung mit einer weiteren Ausführungsform und Fig. 5 ein Teilschnitt durch die Röhre der Fig. 4 in der Ebene -S.
Im folgendem wird eine Ausführung beschrieben, bei der die Anodenspannung des Vervielfachers unterbrochen wird, um das Sättigungsgebiet zu vermeiden. In den Schaltungen der Fig. 1, 2 und 4 wird der Vervielfaeher zum Empfang von Hochfrequenzsignalen verwendet. Die modulierte Hochfrequenz wird zur Erregung der Auslöseelektroden benutzt. Der Vervielfaeher benötigt daher keine weitere Hochfrequenzanregung. Die S ; gnalstärke, die notwendig ist, um eine Röhrein dieser Art arbeiten zu lassen, hängt hauptsächlich davon ab, wie empfindlieh die Oberflächen der Auslöseelektroden sind und wie gross der Wirkungsgrad bei der Übertragung der Energie der Elektronen ist. Werden diese beiden Faktoren erhöht, so steigt die Empfindlichkeit der Röhre, bis sie schliesslich schwingt.
Röhren, welche nicht zum Schwingen gebracht werden können und in denen den Auslöseelektroden nur die ankommenden Hochfrequenzsignale aufgedrückt werden, lassen sich als Gleichrichter betreiben bei einer Eingangsspannung von 0'1 Volt oder weniger.
Wird die Vorrichtung als Vervielfacher benutzt, so erhält sie zweckmässig ein Paar gegenüberliegender Platten 60 und 61 als Auslöseelektroden und eine Ringanode 62. Ein abgestimmter Kreis 64 mit einer Induktivität und Kapazität ist a n die beiden Auslöseelektroden und in der Mitte bei 66 geerdet. Der abgestimmte Kreis erhält seine Energie von einer Primärspule 66, die den Ausgang eines Hochfrequenzverstärkers bilden kann, oder auch direkt im Antennenkreis zwischen der Antenne 67 und Erde 69 liegt. Würde die Anode 62 direkt an eine Anodenbatterie von z. B. 70 Volt angeschlossen, so würde die Hochfrequenzspannung zwischen den Auslöseelektroden infolge der Vervielfachung der E ! ektrcnen in der Röhre ausserordentlich gesteigert.
Die Laufzeit der Elektronen in der Röhre kann durch Veränderung der Anodenspannung auf die betreffende Wellenlänge abgestimmt werden, so dass sie wenigstens ungefähr den ankommenden Frequenzen entspricht. Die unter diesen Bedingungen arbeitende Röhre erhält die ersten Elektronen entweder dadurch, dass ein freies Elektron sich in dem Raum zwischen den Kathoden befindet oder durch Auslösung von Elektronen infolge des Auftreffens eines Metallions, z. B. eines Caesiumions, auf eine Auslöseelektrode.
In einer derartigen Schaltung können Verstärkungsfaktoren von 20-100 erhalten werden.
Eine weitere Verstärkung ist durch die oben angegebenen Sättigungserseheinungen begrenzt. Die Anodenspannung wird daher mit einer Zwischenfrequenz unterbrochen, die z. B. zweimal 106 Hertz beträgt, wenn 50-150 Megahertz empfangen werden. Die Unterbrechungsfrequenz wird durch einen abgestimmten Kreis 70, der an die Anode angeschlossen ist, gesteuert und von einem geeigneten Schwingungserzeuger geliefert. Da die in Fig. 1 dargestellte Röhre ebene Auslöseelektroden besitzt und infolgedessen zunächst kein Konzentrierfeld vorhanden ist, ist es wünschenswert, sie in den Bereich eines Magnetfeldes, das durch die Pfeile 71 angedeutet ist, zu bringen.
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Durch die Einführung der Unterbrechungsfrequenz kann eine weit grössere Verstärkung erhalten werden. Der Empfangskreis der Fig. 1 kann jedoch auch zusammen mit einer Gleichstromquelle benutzt werden.
Wird eine unterbrochene Anodenspannung benutzt, so kann die gleichgerichtete Komponente direkt am Anodenkreis abgenommen werden. Die Abnahme kann auch mit Unterbrechungsfrequenz erfolgen, wenn eine weitere Verstärkung mit Zwischenfrequenz erwünscht ist. Der Vervielfacher kann
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verstärkung erwünscht ist.
Ähnliche Ergebnisse lassen sich mit einer Röhre n, ch Fig. 2 erzielen. Die durch die Primärspule 66 eines Hochfrequenztransformators fliessenden Ströme erregen den abgestimmten Kreis 64, der in der Mitte bei 65 geerdet ist. An diesen Kreis sind die Auslöseelektroden angeschlossen. Die Anode besteht in diesem Fall aus einem axialen Stab 72, um den ein verhältnismässig weitmaschiges Gitter 74 gewickelt ist. In diesem Fall ist kein äusseres Feld notwendig, um die Elektronen auf die andere Auslöseelektrode zu konzentrieren, weil die beiden Auslöseelektroden halbzylindrische Form haben und das elektrische Feld zwischen ihnen genügt, um zu verhindern, dass sie sofort auf die Anode treffen. Die Anode mit dem Gitter wird benutzt, um die Wahrscheinlichkeit des Auftreffens zu vergrössern, d. h.
Elektronen, die den Raum zwischen den Gitterdrähten durchlaufen, werden mit grösserer W@hrscheinlichkeit aufgolangen infelge der Schrmwirkung des Gitters.
Elektrcnen, die auf kurzen Sehnen des gitterraumes laufen, werden nicht aufgefangen, während die auf längeren Sehnen oder dem Darchmesser fliegenden Elektronen gesammelt werden. Durch ent-
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da das elektrostatiche Feld geändert wird, und durch die An-rdnung eines Gitters um die Anode ist man in der Loge, die Wahrscheinlichkeit des Auftreffens zu vergrössern. Diese beiden Arten der Ver- änderung der Wahrscheinlichkeit sind voneinander umbhängig. Die Wahrscheinlichkeit kann daher mchWunsch gercgcltwerdcn, ohne dass daselektrischeFeld geändertwird. Oder es kann das elektrische Feld geändert werden und diese Änderung durch das Gitter wieder kompensiert werden.
Die Schaltung nach F : g. 2 krnn als Gleichrichter verwendet werden, es ist daher eine Hochfrequenzquelle 75 für die Anode ?, 14 vorgesehen. Diese Anregung ist jedoch nicht notwendig, wenn
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frequenzanregung wgMIen. Der Vervielfaeher ist daher nicht nur ein guter Gleichrichter, sondern er ka nn auch als Übcrh gerungsempfänger betrieben werden, der sich selbst mit einer Frequenz unterbricht, die durch eine Induktivität 76 gogeben ist, welche in Reihe mit der Belastung 17 und einer veränderlichen Spanmungsquelle 78 liegt. Die Spannung ist regelbar, um die Laufzeit der Elektronen auf da s eintreffende Signal abstimmen zu können.
Umbhäng''g davon, ob eine getrennte Hochfrequenz- anregung vorgesehen ist oder nicht, ist es zweckmässig, die Röhre mit 60-100 Megahertz zu betreiben, wenn die Signalfrequenz 30-60 Megahertz beträgt.
Die Anordnung arbeitet als äusserst empfindlicher und zuverlässiger Detektor. Die hohe Emp- finllichkeit ist ohne schwierige Einstellung zu erhalten. Die Unterbrechungswirkung des Resonanzkreises, der in Reihe mit der Anode liegt, lässt sich entweder in dem Teil der Vervielfachercharakteristik erhalten, der einem negativen Widerstand entspricht, oder bei einer Differenzfrequenz zwischen der Elektronenlaufzeit und der Signalfrequenz oder bei der Differenzfrequenz zwischen der erregenden Hochfrequenz und der Signalfrequenz.
Die Röhre kann auch als Photoionenröhre ausgebildet werden, wobei sich eine Verdoppelung der Wirkung gegenüber der Röhre nach Fig. 2 ergibt. In der Röhre gemäss Fig. 4 und 5 wird die Unterbrechung durch eine Schwebung zwischen der Signalfrequenz und der Elektronenfrequenz erhalten.
Den Auslöseelektroden wirdauch hier nur der Signalstromaus den Kreisen 66und 64zugeführt, während die Anode als verhältnismässig engmaschiges Gitter 79 ausgebildet ist. Im Innern des Gitters liegt ein Heizfaden 86, der jedoch keine Elektronen aussendet, sondern nur als Lichtquelle dient, so dass die photoempfindlichen Auslöseelektroden eine Anfangsanregung zur Aussendung von Photoelektronen erhalten. Dies ist zweckmässig, weil praktisch alle Oberflächen, die sekundäremittieren, auch photoempfindlich sind. Die Zahl der Hin-und Hergänge, die zum Aufbau des Vervielfacherstromes notwendig sind, wird hiedurch verringert. Der abgestimmte Kreis 70 ist an die Anode angeschlossen und enthält eine Belastung 77 und eine Anodenspannungsquelle 78.
PATENT-ANSPRUCHE :
1. Verfahren zur Vervielfachung von Elektronenströmen zwischen zwei einander gegenüberliegenden sekundäremittierenden Auslöseelektroden, dadurch gekennzeichnet, dass das unter der Einwirkung eines Wechselfeldes stattfindende wiederholte und abwechselnde Auftreffen der Elektronen auf den Auslöseelektroden periodisch unterbrochen wird.