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Elektronenstromverstärker für Spannungsankopplung.
Röhren, in denen ein Elektronenstrom durch Auslösung von Sekundärelektronen verstärkt wird, (Elektronenvervielfacher), sind in neuer Zeit sehr bekanntgeworden. Besonders bewährt haben sich in der Praxis die sogenannten Netzverstärker, bei denen ein elektronenoptisch unscharf gebündelter Kathodenstrahl nacheinander mehrere Netze durchlaufen muss, die meistens mit Caesium besonders aktiviert sind.
Man kann diese Sekundärstromverstärkung praktisch so weit treiben, dass am Ausgang mehrere Milliampere zur Verfügung stehen und dass der Stromverstärker direkt auf einen niederohmigen Abschlusswidertand arbeitet. Praktisch fast noch wichtiger ist aber der Fall, dass man nur eine Vorverstärkung mit dem Multiplier durchführt und den Ausgang an das Gitter eines Leistungsverstärkers legt, in dessen Anodenkreis dann der gewünschte niederohmige Arbeitswiderstand von einigen hundert Ohm angeordnet ist und von dem aus man mit breitem Frequenzumfang auf längere Kabelleitungen gehen kann. In diesem Fall hat also der Vervielfacher auf ein hochohmig abgeleitetes Gitter zu arbeiten und man will möglichst grosse Spannungsschwingungen gewinnen.
Ein wichtiger Punkt ist nun die richtige Spannungsanpassung von solchen Stromverstärkern.
Je kleiner man die Betriebskapazität der Abnahmeelektrode gegen Erde machen kann, desto höhere Ohmzahl kann man bei gegebenem Frequenzband an den Stromverstärker anlegen und desto höhere . Spannungsschwankungen stehen zur Verfügung. So lässt sich beispielsweise bei einem 400zeiligen Bilde mit einer Frequenzbandbreite von 2 Megahertz ein Abschlusswiderstand von zirka 20000 Ohm bei guter Bildschärfe verwenden, wenn es gelingt, die Betriebskapazität der Kombination Vervielfacher-Verstärkergitter unter 3 cm zu halten.
Die bisher entwickelten Röhrenanordnungen enthalten beim Netzverstärker eine verhältnismässig grossflächige aus einem grobmaschigen Netz bestehende Kollektorelektrode von etwa 5 cm Flächendurchmesser, welche sich zwischen zwei parallel stehenden Verstärkungsnetzen in einem Abstand von etwa 1 cm befindet. Eine derartige Anordnung stellt einen Doppelkondensator dar und hat eine schädliche Kapazität von etwa 20 cm, selbst wenn die Kollektorelektrode besonders herausgeführt wird.
Gegenstand der Erfindung ist eine besondere Ausgestaltung eines Kollektorsystems für Elektronenstromverstärker, welches sich durch eine schädliche Kapazität von weniger als 5 cm und gleichzeitig durch eine an zwei Stellen durchgeführte mehrstufige Verstärkung auszeichnet. Die Anordnung lässt sich mit Netzverstärkern kombinieren, die mit Oberflächen von etwa 5 cm Durchmesser arbeiten.
Die Erfindung möge an Hand der Zeichnung an Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.
In Fig. 1 ist, ein Netzverstärker mit einem erfindungsgemässen Kollektorsystem im Querschnitt dargestellt. In Fig. 2 ist dasselbe von der Seite gezeichnet. Die Fig. 3 zeigt eine Photoverstärkerröhre mit einem erfindungsgemässen Kollektorsystem.
Das erfindungsgemässe Kollektorsystem besteht aus einem Verstärkungsnetz 1, in welches die aus den vorhergehenden Netzen 2 kommenden Elektronen eintreten müssen. Ein das Kollektorsystem allseitig umgebender Schutzzylinder 3, der auf negativer Spannung gegenüber sämtlichen Elektroden des Kollektorsystems liegt, zwingt die Elektronen in das Eintrittsnetz 1 hinein. Das erfindungsgemässe Kollektorsystem ist zylindrisch aufgebaut und enthält weiters einen Reflektor 4 aus zusammenhängendem aktiviertem Blech, ferner einen Verstärkungsstift 5 und ein Kollektorgitter 6, welches nach einer besonderen Ausführungsform der Erfindung durch die Röhrenwand seitlich herausgeführt
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wird.
Die Spannungsverteilung dieses Vierelektrodensystems ist folgende : Nimmt man die Spannung des letzten Verstärkernetzes 2 als Bezugspunkt mit Null Volt an, so hat das Eintrittsnetz (1) 100 Volt,
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Die umgebende Hülle. 3 hat null Volt oder eine negative Spannung. Die angegebenen Voltzahlen sollen nur die Reihenfolge der Spannungsstufen bezeichnen, nicht aber absolute Vorschriften fiir die Vorspannung sein. Die absolute Betriebsspannung hängt von den Durchgriffsdimensionen des Systems ab und wird im einzelnen optimal eingestellt.
Die Wirkungsweise der Anordnung ist folgende : Die von 2 kommenden Elektronen treffen, mit
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Sie werden durch die Maschen desselben (zirka 3000 Maschen auf den Quadratzentimeter) unter der Einwirkung der durchwegs positiveren Potentiale des Stifts 5, des Gitters 6 und des unteren Halb- zylinders. J hindurchgesaugt. Nur ein geringer Bruchteil bleibt auf dem Kollektorgitter 6 hängen, weil
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meisten Elektronen treffen den Reflektor 4, weil dieser die zweithöchste positive Spannung des ganzen Systems hat. Das Gitter 6 spielt dabei aber eine wichtige elektronenaptische Rolle.
Da es einen konzentrischen Zylinder zu dem zylindrischen Aussenkörper, gebildet aus Verstärkungsnetzl und Reflektor 4,
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Elektronen auf und daher erreichen sämtliche Elektronen die gegenüberliegende Reflektorsehale auf Bahnen, welche nahe am Mittelpunkt des Systems vorbeiführen. Alle Elektronen, die auf die aktivierte Innenseite von J auffallen, lösen dort eine vervielfacht Zahl von Sekundärelektronen aus. Diese werden rückwärts vom Kollektorgitter 6 angesaugt.
Nun stellt sich als neuartiges Stromverteilungsphänomen, welches nur bei Sekundärelektronen grosser Anfangsgeschwindigkeit verständlich ist, folgendes heraus : Eine grosse Anzahl des einmal verstärkten Sekundärstroms von 4 ist imstande, den Stift 5 im Innern des Kollektorgitters 6 zu erreichen, obwohl das Potential dieses Stiftes5 negativer ist als das Potential der Sekundärkathode 4. Ein solches Phänomen wäre undenkbar, wenn etwa die Schale 4 eine Glühkathode wäre. Dann würde keine der Glühelektronen den Verstärkungs stift 5 erreichen. Durch Versuche an erfindungsgemässen Röhren wurde festgestellt, dass dagegen bei Sekundäremission sich an dem Stift 5 zum zweiten Male eine beachtliche Sekundärstromverstärkung vollzieht.
Die an diesem Stift ausgelösten Sekundärelektronen werden nunmehr vollzählig vom Gitter 6 abgefangen.
Die erfindungsgemässe Anordnung leistet also insgesamt eine dreimalige Sekundärstromverstärkung. Die erste findet am Eintrittsnetz 1 statt, die zweite am Reflektor 4 und die dritte am Zentralstift 5. Der gesamte Gewinn ist dabei etwa zehnfach und steigt, wie bekannt ist, mit einer Steigerung der gesamten Betriebsspannung 7 (Fig. 1) mindestens verhältnisgleich an.
Die kleine Betriebskapazität kann man mit dem erfindungsgemässen System durch folgende Massnahmen erreichen : Erstens braucht das System nur eine kleine axiale Länge zu erhalten, weil der negative Wandzylinder 3 die Elektronen von allen Seiten auf das System konzentriert. Die axiale Länge kann weniger als die Hälfte des Durchmessers der Verstärkungsnetze 2 betragen, praktisch also etwa 20 mm bei Netzen 2 von 50 mm Durchmesser.
Zweitens wird das Gitter 6 zweckmässig aus feinstem Draht, u. zw. vorteilhafterweise inaktivem Nickeldraht, in wenigen Windungen grosser Ganghöhe ausgeführt, also in zirka vier Windungen mit Steigung 3-4 mm.
Drittens wird zwischen den Radien des Stiftes 5 der Zylindermantelteile 4 und 1 des Kollektorgitters 6 die an sich bekannte Minimumsbeziehung durchgeführt, wonach r. = also das geometrische Mittel von Aussen-und Innenradius ist. Macht man also z. B. den Stiftradius gleich 1 mm, den Aussenradius gleich 16 mm, so ergibt sich der Gitterradius gleich 4 mm.
Viertens wird, wie erwähnt, das Gitter auf kürzestem Wege durch die Glaswand herausgeführt.
Eine solche Anordnung erreicht bei den genannten Dimensionen die genannte-Kapazität von weniger
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Es ist selbstverständlich, dass die aussen angeschlossene Verstärkerröhre 11 mit dem Eingangsarbeitswiderstand 8 ihrerseits als Röhre mit kleinster Gitter-Kathoden-Kapazität ausgeführt werden muss. Derartige Röhren sind mit Steilheiten bis zu 6 mA pro Volt und Eingangskapazitäten von wenigen Zentimetern bereits im Handel. Dann kann der Arbeitswiderstand in der Tat Grössenordnungen von mehr als 10000 Ohm bei den höchsten Zeilenzahlen erreichen.
Das erfindungsgemässe zylindrische Kollektorsystem kann prinzipiell mit, jeder Elektronenstrahlröhre kombiniert werden, in der ein freier Kathodenstrahl vorkommt und in der dieser Strahl mit einem Verstärkergitter gekoppelt werden. soll. Besondere Bedeutung hat zur Zeit die Verstärkung schwacher Lichter. Eine derartige Photoverstärkerröhre, in der das erfindungsgemässe Kollektorsystem verwendet wird, ist in Fig. 3 dargestellt. Sie hat den Vorteil, dass der Eintritt des Lichts durch das elektronenoptische Verstärkungssystem nicht behindert wird, denn das letztere befindet sich im Hals des Rohres und die Photokathode 9 hat eine ganz grossflächige Apertur im oberen kugeligen Teil des Kolbens.
Gezeichnet ist die erfindungsgemässe Photozelle mit nur zwei Verstärkungsnetzen 2, hinter denen sieh dann gleich das erfindungsgemässe zylindrische Kollektorsystem 1, 4, 5, 6 befindet. Selbstverständlich können auch mehrere Verstärkungsnetze 2 verwendet werden. Der Aussenmantel 3 ist
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mit der Kathode elektrisch verbunden. Das erste Netz 2 liegt an der ersten Spannungsstufe des Spannungsteilers 10. Sämtliche Photoelektronen fliegen daher nur auf das Netz 2. Nach einstufiger Verstärkung erreichen sie das zweite Verstärkungsnetz 2 und so fort. Schliesslich werden sie auf das Eintrittsnetz 1 des erfindungsgemässen Kollektorsystems gesaugt und hinter demselben von dem
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PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Elektrische Entladungsröhre mit Sekundärelektronenstromverstärker für Spannungsankopplung, gekennzeichnet durch ein Kollektorsystem, bestehend aus einer gitterförmigen, zweckmässig zylindrischen Abnahmeelektrode (6), zwei diese umgebende, einander gegenübergestellte halbzylindrische Sekundäremissionselektroden (1, 4), von denen eine (1) gitterförmig und die andere (4) aus vollem Material ausgeführt ist, und einer stiftförmigen, zweckmässig in der Achse des Kollektorsystems angeordneten Sekundäremissionselektrode (5).
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