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Anordnung zur Verstärkung bzw. Umwandlung einer Wellenstrahlung.
Die Erfindung bezieht sich auf die Umwandlung einer Wrllrnstrahlung in eine solche von anderer Frequenz, vorzugsweise auf die Umwandlung infraroter Strahlung in sichtbare. Die Hauptaufgabe
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einenverhältnismässigschlechtenWirkungsgradbesitzen.
Aus beiden Gründen ergibt sich die Aufgabe, eine Verstärkung der Elektronen vorzunehmen, ehe sie auf den Leuchtschirm gerichtet werden. Gemäss der Erfindung wird daher eine Vervielfachung durch Sekundärelektronenemission vorgenommen. Die verstärkten Elektronen können dann ent- weder in Form eines dauernden Stromes auf den Leuchtschirm gerichtet werden, oder es wird eine
Elektronenladung aufgebaut und dann plötzlich auf den Schirjn gerichtet. Danach wird eine zweite
Ladung aufgebaut, mit der der Vorgang wiederholt wird. Der Schirm wird also nur periodisch be- schossen. Dies wird zweckmässig mit solcher Häufigkeit vorgenommen, dass das Auge nichts davon bemerkt, z. B. mit einer Frequenz von 0#5#3 mHz.
In der Regel wird bei der Erfindung die auftreffende Wellenstrahlung in ein sogenanntes Elektronenbild umgesetzt, d. h. in einen Elektronenstrom, dessen örtliche Dichte an jeder Stelle der Intensität der Primärstrahlung entspri ht. Gegehenenfalls kann auch der Leuchtschirm selbst zur Sekundärelektronenvervielfachung ausgenutzt werden.
Die Röhre nach der Erfindung enthält beispielsweise an einem Ende eine infrarotempfindliche
Photokathode, Mittel zur Erzeugung eines Elektronenbündels und Mittel, um die Elektronen zwischen zwei einander gegenüberliegenden Flächen periodisch hin- und herzuführen. so dass sie nach jeder Durch- querung auf einer dieser Flächen Sekundärelektronen auslösen. Auf dem am andern Ende der Röhre
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die Erzeugung von Bildern beschränkt, sondern es kann auch ein einfaches Strahlenbündel auf die Photokathode geworfen werden, welches dann auf dem leuchtschirm für Mess- oder Kontrollzwecke beobachtet werden kann.
Die Zeichnung veranschaulicht einige Ausführungsbeispiele der Erfindung, u. zw. zeigen die Fig. 1 und 2 Schnitte durch Röhren nach der Erfindung. Fig. 3 das Schema einer Anordnung mit periodischer Unterbrechung der Verstärkung. Fig. 4 eine andere Möglichkeit zur Unterbrechung der Verstärkung und Fig. 5 die Empfindlichkeitskurve einer Caesium-Silberoxydsehicht.
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Die Kathode 6 kann z. B. in der Mitte der Röhre angeordnet werden. Vorzugsweise am andern Ende der Röhre ist dann der Fluoreszenzsehirm 73 vorgesehen, der durch das Lichtaustrittsfenster -1 beobachtet werden kann. Er besteht zweckmässig zunächst aus einer äusserst diinnen, durchsichtigen, jedoch noch leitenden Schicht 72, die am besten auf die Innenfläche des Fensters -1 aufgebracht und mit einer Stromzuführung 77 versehen wird. Darauf wird eine gleichmässige Schicht einer Leueht- substanz 73 aufgebracht, die praktisch sofort beim Bombardement mit Elektronen aufleuchtet. Unter den vielen hiefür bekannten Materialien seien Zink- oder Kalzium-Wolframat genannt.
Die Kathoden a und 6 sind an die Sekundärwicklung 15. eines Transformators angeschlossen, der primärseitig an einer Wechselspannungsquelle 76 liegt. Eine Mittelanzapfung 7/liegt an Erde.
Zwischen ihr und der Anode 7 liegt eine Spannungsquelle 19. Der Leuchtschirm z erhält ein positives
Potential von der Spannungsquelle 20. Um die Elektronen durch die ganze Röhre in parallelen Bahnen zu führen, wird zweckmässig eine Sammelspule 21 angeordnet, durch die ein mit der Stromquelle 22
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feldes ist zweckmässig, jedoch nicht unbedingt erforderlich. Sie kann auch durch geeignete Ausbildung der Elektroden und der Felder ersetzt werden. Es gelten hier die gleichen Gesetzmässigkeiten wie bei dem bekannten dvnamischen Vervielfacher nach Farnsworth.
Zum Betrieb der Röhre wird mittels einer Optik 25 ein Bild auf die Kathode 5 geworfen. Die Kathoden 5 und 6 sind so formiert, dass sie Sekundärelektronen im Verhältnis grösser als 1 abgeben, wenn Elektronen geeigneter Geschwindigkeit auf sie treffen. Es können beispielsweise mit CaesiumSilberoxydschichten bis zu sechs Sekundärelektronen je Primärelektron entstehen. Eine solche Schicht
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faehungskammer ein. Durch die Spannung der Anode 7 werden sie gegen diese und wegen der grossen Öffnungsweite der Anode zum grössten Teil durch sie hindurch auf die Kathode 6 beschleunigt.
Gleichzeitig werden die Kathoden an Wechselspannung gelegt, so dass, wenn die Kathode 6 bei Annäherung der Elektronenwolke positiv ist, die Elektronen mit einer zur Erzeugung von Sekundärelektronen hinreichenden Geschwindigkeit auftreffen. Gleich danach vertauschen die Kathoden 5. und 6 ihre Potentiale, so dass die verstärkte Elektronenwolke zurückpendelt und durch die Anode zur ersten Kathode 5. fliesst. Dort wiederholt sich die Vervielfachung.
Die Elektronen schwingen besonders in dem Falle mehrfach hin und her, wenn die Anodenspannung so gewählt ist, dass die Laufzeit der Elektronen durch die Röhre mit der Frequenz der Spannungsquelle 16 übereinstimmt. Aus diesem Grunde wird zweckmässig eine Frequenz von 60-80 mHz benutzt. Von den Kathoden entziehen die in der richtigen Phase liegenden Elektronen infolge der Vervielfachung eine gewisse Energie. Die Elektronenwolke würde von sich aus nahezu mit der gleichen Frequenz wie die angelegte Wechselspannung schwingen, ausser wenn die Hochfrequenz die Wolke selbst beschleunigt und die Elektronen den Weg durch die Röhre in weniger als einer halben Periode des abgestimmten Kreises nehmen.
Die einfache Tatsache, dass die Elektronen so beschleunigt werden. gewährleistet, dass sie auf die Kathode treffen. Die zurückkehrenden Elektronen brauchen für die Durchquerung ebenfalls etwas weniger als eine halbe Periode. Infolgedessen geraten die schnellsten Elektronen sehr schnell aus dem Takt der angelegten Hochfrequenz.
Die Folge davon ist. dass Elektronen aus der Vervielfaelhungsphase in die entgegengesetzte Phase überführt werden, in der ein Elektron durch die Hochfrequenz mehr verzögert als beschleunigt wird. Die Elektronen dieser Phase treffen nicht mehr auf die Kathoden auf, schwingen jedoch zwischen ihnen weiter und liefern Energie in den äusseren Kreis, da sie durch die Hochfrequenz abgebremst werden. Wenn die Wahrscheinlichkeit, dass ein Elektron die Anode trifft, klein genug ist, entsteht
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erzeugten und in die Kammer geleiteten Elektronen ist.
Während des Hin-und Herschwingens der Elektronen bewirkt das starke Sammelfeld. dass der Elektronenquerschnitt überall der auf die Photokathode fallenden Helligkeitsverteilung entspricht.
Es sollen nunmehr die Vorgänge an und hinter der Kathode 6 erläutert werden. Wenn ihre Fläche zu etwa gleichen Teilen bedeckt ist bzw. aus Löchern besteht, so fliesst die Hälfte der Elektronen jedesmal, wenn sieh die Elektronenwolke der Kathode 6 nähert, hindurch. Da. aber jedes auftreffende Elektron mehr als zwei Sekundärelektronen auslöst, geht der Vervielfachungsvorgang in der Kammer J bis 6 weiter, obwohl jedesmal die Hälfte der Elektronen verlorengeht. In die Kammer rechte von der Kathode 6 tritt also dauernd ein verstärkter Elektronenstrom, der infolge der am Leuchtschirm herrschenden Saugspannung auf die Abschlusswand der Röhre fällt und dort die Leuchtsubstanz anregt.
Auch in dem Raum hinter der Kathode 6 wirkt das Sammelfeld, so dass auf dem Leuchtschirm immer noch die ursprüngliche Diehteverteilung der Elektronen vorhanden ist.
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Auf diese Weise kann auch bei sehr schwacher Primärstrahlung noch ein gutes Bild erhalten werden.
Da die Kathoden 5 und 6 beide photoelektrisch und sekundärelektronenemittierend sind, könnten Störungen dadurch eintreten, dass auf die Kathode 6 eine diffuse Lichtstrahlung fällt, die vom Leuchtschirm 13 herrührt. Dies kann jedoch die Wirkungsweise der Röhre nicht wesentlich beeinträchtigen.
Der Photostrom, der durch das vom Schirm kommende Licht erzeugt ist, ist immer mindestens hundertmal kleiner als der Strom, der dieses Licht selbst erzeugte. Es werden also keine Störungen eintreten, wenn der Schirm genügend trägheitslos ist, so dass kein Licht von ihm ausgeht, wenn der Elektronenstrom gering ist. Ausserdem kann die Rückwirkung durch geeignete Massnahmen unterdrückt werden.
Das Leuchtmaterial kann so gewählt werden, dass es nur Licht ausstrahlt, für welches die
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Minimum bei etwa 5000 Angström aufweist. Es wird daher zweckmässig ein Schirmmaterial benutzt, welches am stärksten in der Nähe dieser Wellenlänge strahlt.
Bei der Anordnung nach Fig. 2 sind die Vervielfachungskathoden an den Enden der Röhre angebracht, so dass sie dicht vor den Fenstern 2 und 4 liegen. Das Fenster 2 kann beispielsweise mit einer photoelektrischen Schicht 26 belegt werden, die zugleich sekundäremittierend und durchscheinend ist. Manche Alkalimetallsehichten erfüllen diese Anforderungen. Die Leuchtschicht M kann in diesem Falle selbst sekundäremittierend ausgebildet werden, z. B. durch nachträgliche Aufbringung einer geringen Menge von Alkalimetall. Die Schaltung der Röhre ist im wesentlichen dieselbe wie bei der Anordnung der Fig. l. Es ist jedoch keine besondere Spannungsquelle 20 mehr erforderlich, da der Leuchtschirm direkt an das Schwingungspotential angeschlossen ist.
Ein Teil der Elektronenenergie wird auf dem Schirm K, 13 zur Lichterzeugung ausgenutzt, während der andere Teil Sekundärelektronen erzeugt.
Die Fig. 3 und 4 erläutern eine etwas andere Arbeitsweise, bei der die Vervielfachung periodisch unterbrochen wird. In beiden Fällen ist die Röhre genau so wie in Fig. 1 aufgebaut. In Fig. 3 ist ein Zeitkonstantenkreis in den Anodenkreis eingefügt, während bei Fig. 4 ein Schwingungserzeuger 29 benutzt wird, um den Leuchtschirm periodisch an Spannung zu legen. In beiden Fällen kann an den
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unterbrochen wird.
Die Unterbrechung kommt bei der Fig. 3 dadurch zustande, dass die Anodenspannung periodisch fortfällt, so dass die Elektronen in der Vervielfachungskammer sofort unter den Einfluss des am Schirm 12 liegenden Potentials geraten und aus der Kammer heraus gegen den Schirm gezogen werden. Der Kreis 27 baut dann die Spannung an der Anode 6 wieder auf, so dass die Vervielfachung von neuem beginnt, bis sich der Vorgang wiederholt. Ein nachleuchtfreier Sehirm leuchtet dann nur in den Zeitintervallen, während welcher die Vervielfachung nicht eintritt. Es kann also keine Rückwirkung vom Leuchtschirm auf die Kathoden eintreten.
Die Anordnung der Fig. 4 erreicht dasselbe Ziel auf etwas andere Weise. Hier ist die Spannung am Schirm 12 grösser als die der Vervielfachungskammer zugeführte oder in ihr entstehende Spannung.
Wenn daher der Schirm das höchste Potential besitzt, so werden die meisten Elektronen aus der Kammer heraus gegen den Schirm beschleunigt werden. Sobald die Spannung in der Kammer wieder überwiegt, beginnt die Vervielfachung, bis der Schirm abermals von Elektronen getroffen wird.
Das auf dem Leuchtschirm entstehende Bild folgt natürlich allen zeitlichen Änderungen des auf die Photokathode geworfenen Bildes. Da die Umwandlung innerhalb einer einzigen Röhre vorgenommen wird, sind keine verwickelten Apparaturen erforderlich. Selbstverständlich kann der Leuchtschirm grösser als die Photokathode ausgebildet werden. Die Röhre kann z. B. hinter der Kathode 6 erweitert werden, so dass die Leuchtschirmfläehe ein Mehrfaches der Kathodenfläche 5 beträgt. Das Sammelfeld muss dann divergent sein, so dass das Elektronenbild sich von links nach rechts stetig vergrössert. In diesem Falle wird natürlich die Energiedichte auf dem Leuchtschirm geringer.
Statt die Röhre mit einem Hochfrequenzerzeuger 16 zu versehen, kann auch eine selbstschwingende Röhre verwendet werden, bei der sich also die Schwingungen infolge der Vervielfachung von allein aufschaukeln. Ein solcher Generator kann auch so ausgebildet werden, dass er sich selbst periodisch mit einer langsameren Frequenz unterbricht. Die hiebei erforderlichen Schaltungen und Massnahmen sind an sich bekannt.
Auch bei Verwendung der Röhre ohne Bilderzeugung bieten sich zahlreiehe Anwendungs- möglichkeiten. Sie kann z. B. benutzt werden, um einen Infrarotstrahler anzupeilen, ähnlich wie es bei der Funkpeilung auf See geschieht. Der Strahler kann dabei nach Art der Leuchttürme periodisch aufblitzen, so dass der Leuchtschirm der Röhre entsprechend aufleuchtet. Mit der Röhre kann dann die genaue Richtung des Strahlers ermittelt werden. Sie liefert ferner nach Massgabe der Liehtstärke auf dem Schirm einen Anhalt über die Entfernung des Strahlers und sie gestattet, ihn an Hand seiner Kennung (Dauer, zeitlicher Abstand und Folge der Lichtblitze) zu identifizieren.
Selbstverständlich kann ein und dieselbe Röhre sowohl zur Bildverstärkung als auch zur Verstärkung diffuser Strahlung benutzt werden. Die Erfindung ist auch nicht auf die Umwandlung infraroter Strahlung beschränkt, sondern sie kann ebensogut zur Umwandlung von ultravioletten oder
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Röntgenstrahlen benutzt werden. Die Umwandlung braucht auch nicht in sichtbare Strahlung zu geschehen, sondern es kann umgekehrt beispielsweise sichtbare Strahlung in infrarote verwandelt werden. Schliesslich ist es möglich, die Röhre auch als reinen Lichtverstärker, also ohne Änderung der Wellenlänge zu benutzen. Es kann an Stelle des Fluoreszenzschirmes auch ein Glühschirm benutzt werden.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Verstärkung und bzw. oder Umwandlung einer Wellenstrahlung, bei dem diese Strahlung in bildmässiger Verteilung auf eine Elektronen aussendende Kathode (. 5) geworfen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronen durch Sekundärelektronenerzeugung vervielfacht werden, wobei ihre räumliche Diehteverteilung durch Anwendung eines vorzugsweise magnetischen Konzentrierfeldes erhalten bleibt, und dass sie alsdann auf einen Leuchtschirm (13) gelangen.