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Mehrstufiger Sekundärelektronenverstärker.
Die Erfindung betrifft einen Sekundärelektronenverstärker, insbesondere einen solchen für grosse Endleistungen. Sie geht von einer bekannten Konstruktion aus, bei der mehrere im wesentlichen parallel angeordnete elektronendurchlässige oder als Folien ausgebildete Auslöseelektroden in zur Elektrodenfläche senkrechter Richtung hintereinander liegen. Die primären Elektronen treffen bei dieser Konstruktion von der einen Seite auf die Elektrode auf, während die Sekundärelektronen nach der andern Seite abgesaugt werden.
Mit Sekundärelektronenverstärkern lassen sich bekanntlich sehr hohe Verstärkungen erzielen.
Dies hat jedoch zur Folge, dass bei gesteigerter Stufenzahl auch die Belastung der letzten Auslöseelektroden entsprechend zunimmt. Da die Auslöseelektroden aber nur auf eine bestimmte Höchsttemperatur erwärmt werden dürfen, wenn ihr Emissionsvermögen nicht leiden soll, ist durch diese höchstzulässige Belastung eine Grenze der Verstärkung gegeben.
Um nun bei einer bestimmten, nicht überschreitbaren Belastung einen möglichst grossen Strom in der betreffenden Stufe zu erhalten, wird man die Spannung so niedrig wie möglich wählen. Da aber die Zahl der je Primärelektron in einer Stufe ausgelösten Sekundärelektronen bei kleinen Spannungen absinkt und schliesslich kleiner als eins wird, ist man mit der Spannung an eine Grenze gebunden, die nicht unterschritten werden darf.
Bei Sekundärelektronenverstärkern mit fortlaufend hintereinander angeordneten Netzen betrug der Abstand zwischen den Netzen bisher in der Regel einige Millimeter. Die einzelnen Netze konnten dabei bequem von der Seite beobachtet werden, was bei der Formierung, die, wie üblich, an Hand der Färbung der Elektrode verfolgt werden kann, erwünscht ist. Treten jedoch in einem solchen Verstärker hohe Endströme auf, so bildet sich zwischen den Elektroden eine Raumladung, die bei der Verstärkung zeitlich schwankender Ströme zunächst eine Verzerrung verursacht und bei noch grösserer Dichte dazu führen kann, dass der durch diese Stufe fliessende Strom vollkommen unabhängig von dem Strom in der vorhergehenden Stufe, also von der Emission der Auslöseelektrode ist. Die Röhre ist dann natürlich nicht mehr brauchbar.
Der nächstliegende Weg, nämlich die Raumladung durch eine höhere Spannung abzusaugen, ist nicht gangbar, da dies ja eine Vergrösserung der Belastung bedeuten würde. Nach der Erfindung werden die beschriebenen Schwierigkeiten dadurch beseitigt, dass in den Stufen, wo sonst die Raumladung eine Verzerrung des ursprünglichen Stroms bewirken würde, der Elektrodenabstand so verkleinert wird, dass die Raumladung nicht mehr stört. Es ergeben sich hiedurch Elektrodenabstände von weniger als 2 mm.
Bei einer bestimmten Anordnung zweier Elektroden, zwischen denen ein Strom übergeht, nimmt bei zunehmender Emission der einen Elektrode der Strom zunächst stetig zu. Geht man aber hiebei bis in den Bereich der Raumladung, so wird schliesslich ein Punkt erreicht, wo der Strom unabhängig von der Emission der Quelle auf einem bestimmten Wert, dem sogenannten Raumladungsstrom, stehen bleibt. In diesem Bereich ergibt sich also auch bei einer zeitlich schwankenden Emission stets der gleiche Strom, so dass ein ursprünglich gesteuerter Strom einen konstanten Strom erzeugt.
Dieser Raumladungsstrom ist bei gleicher Spannung um so grösser, je kleiner der Abstand zwischen den Elektroden ist. Nach der Erfindung wird der Abstand so gewählt, dass der diesem Abstand ent-
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sprechend Raumladungsstrom grösser (u. zw. wenigstens doppelt so gross) ist als der tatsächlich in der Stufe fliessende Strom.
Die Konstruktion eines Vervielfachers ist daher dann nach folgenden Gesichtspunkten vor- zunehmen : Vorgegeben sei der pro Quadratzentimeter Elektrodenfläche fliessende Strom. In der
Gleichung, die den für die Abmessungen bestimmenden Wert des Raumladestromes definiert, sind als Parameter noch die Elektrodenspannung und der Abstand frei. Die Spannung wird man so wählen, dass die maximal zulässige thermische Belastbarkeit der Elektroden nicht überschritten wird. Nunmehr wird der Abstand der Elektroden aus der Angabe berechnet, dass der Raumladestrom bei vorgegebener
Spannung mindestens doppelt so gross wie der Betriebsstrom sein soll.
Bei einer Anordnung mit ebenen, einander parallelen Elektroden und 2 mm Abstand beträgt der Raumladestrom bei 30 Volt nur etwa 10 mA je Quadratzentimeter der Fläche. Dann lassen sich nur Ströme von höchstens 4-5 wA/cm2 verzerrungsfrei ausnutzen. Durch Verkleinerung des Elektroden- abstandes auf 0'5 mm lassen sich der Raumladestrom und der ausnutzbare Strom auf das 16fache steigern.
Zur Erreichung einer einigermassen grossen Sekundärelektronenausbeute muss die Spannung zwischen den Auslöseelektroden wenigstens etwa 30 Volt betragen. Um in den hochbelasteten End- stufen einen grossen Strom zu erhalten, ist es bei der beanspruchten Röhre unter Umständen zweckmässig, in den ersten Stufen, wo die Belastung noch klein ist, höhere Spannungen zu verwenden, dagegen in den Endstufen auf etwa 30 Volt herunterzugehen. Eine noch bessere Anpassung wird erhalten, wenn die Spannung zwischen zwei Auslöseelektroden in den letzten Stufen von Stufe zu Stufe kleiner gewählt wird.
Während die letzten Stufen bei der beschriebenen Röhre etwa parallel liegen und elektronen- durchlässig oder als Folien ausgebildet sind, ist dies bei den ersten Stufen naturgemäss nicht notwendig. Man gelangt dann zu einer Röhre, bei der die von der Kathode emittierenden Elektronen zunächst irgendeine der bekannten Vervielfachungsanordnungen, z. B. einen Sprungbogen"-Verstärker mit Magnetfeld (Slepian) oder einen Verstärker vom L-oder T-Typ (Zworykin) durchlaufen und erst später in eine Netz-oder Folienanordnung gemäss der Erfindung zu gelangen.
Die beste Anpassung an die jeweilige Raumladung wird erhalten, wenn der Abstand zwischen den letzten Auslöseelektroden von Stufe zu Stufe kleiner gewählt wird. Dieser Sonderfall ist der ein schematisches Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellenden Zeichnung zugrunde gelegt. Mit 1 ist dabei die im vorliegenden Fall als thermische Kathode ausgebildete Elektronenquelle bezeichnet, an deren Stelle selbstverständlich auch eine Photokathode treten kann. 2-11 sind die Auslöseelektroden, während 12 die Endanode bezeichnet. Die Auslöseelektroden (Netze), insbesondere die mit grösserem gegenseitigem Abstand, sind dabei zweckmässig mit einem zylindrischen Ansatz x versehen, der auf das nächstfolgende Netz weist und eine Konzentration der Elektronen bewirkt.
An
Stelle der gezeichneten ebenen Anordnung ist selbstverständlich auch eine solche von sich konzentrisch umschliessenden Zylinderelektroden oder eine geeignete andere Kombination möglich. Die Abstandsverringerung, die in jeder weiteren Stufe erforderlich ist, lässt sich aus dem Vervielfachungsfaktor leicht ermitteln.
Zwischen der letzten Auslöseelektrode 11 und der Anode 12 kann wieder ein grösserer Abstand vorgesehen werden, wenn die letztere eine wesentlich höhere Belastung verträgt. In diesem Fall wird die Raumladung zweckmässig durch eine höhere Spannung abgesaugt. Zugleich wird der Vorteil einer geringeren Kapazität der Anode gewonnen.
Bei hohen Belastungen ist es zweckmässig, die Auslöseelektroden aus einem Material von grösserer Temperaturbeständigkeit als die jetzt üblichen Cäsiumelektroden herzustellen. Hiezu können z. B.
Elektroden mit Barium als Emissionsstoff dienen, die unbedenklich auf Temperaturen von etwa 4000 erhitzt werden können. Die Verwendung von Elektroden mit geringerer Sekundäremission als Cäsium in den letzten Stufen kommt der beschriebenen Röhre insofern entgegen, als es oft zweckmässig sein wird, in den letzten Stufen mit dem Vervielfachungsfaktor etwas herunterzugehen, um nicht zu ungleiche Abstände zu erhalten. Es können auch Legierungselektroden verwendet werden, bei denen also nicht nur eine oberflächliche Schicht, sondern das Material als solches emissionsfähig ist. Solche Legierungen enthalten z. B. Nickel, Kupfer und gegebenenfalls Chrom, wozu ein Metall geringer Austrittsarbeit wie Barium oder auch Cäsium tritt. Solche Elektroden besitzen zugleich den Vorteil, dass sich ein besonderer Formierungsprozess erübrigt.
Die Elektroden erhalten durch die natürliche Erwärmung im Betrieb ganz von selbst ihre günstigen Emissionseigenschaften.
Die Erfindung ist nicht auf eine Röhre zur Verstärkung eines zeitlich schwankenden Stroms beschränkt, sondern kann auch bei der Erzeugung einer konstanten hohen Emission angewendet werden.
In diesem Fall kann mit der Stromstärke bis an den jeweiligen Raumladestrom herangegangen werden.
Der Sekundärverstärker nach der Erfindung stellt dann gewissermassen die Kathode einer solchen Röhre dar. Wird als Primärkathode des Sekundärverstärkers eine thermische Kathode verwendet, so erfordert diese jetzt nur noch einen sehr viel geringeren Heizstrom.
Die Erfindung kann auch in Röhren zur Schwingungserzeugung, z. B. wassergekühlten Senderöhren angewendet werden. Die Steuerung wird dann zweckmässig an der Primärkathode vorgenommen,
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so dass also das Steuergitter zwischen der Kathode und den Auslöseelektroden liegt. Auch hier kann dann mit einer kleinen Kathode und sehr geringer Heizung gearbeitet werden, während bisher für Hochleistungssenderöhren Heizströme von mehreren 100 Ampere erforderlich waren. Selbstverständlich kann der Verstärker nach der Erfindung auch mit andern Vakuumeinrichtungen in einer Röhre vereinigt werden.
Bei einer ebenen Anordnung (oder einer praktisch gleichwertigen Zylinderanordnung mit verhältnismässig grossem Halbmesser) muss, wenn gleiche Spannungsdifferenzen je Stufe und eine Verstärkung auf jedesmal das Doppelte zugrunde gelegt werden, der Abstand in jeder Stufe im Verhältnis 1 : V'i verkleinert werden.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Mehrstufiger Sekundärelektronenverstärker, vorzugsweise mit mehreren im wesentlichen parallel angeordneten elektronendurchlässigen oder als Folien ausgebildeten, hintereinanderliegenden Auslöseelektroden, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden der bis in die Grössenordnung der thermisch zulässigen Leistung belasteten letzten Stufe bzw. Stufen senkrecht zur Elektrodenfläche im Abstand von weniger als 2 mm angeordnet sind.