Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung von Elektronenbündeln in Elektronenvervielfacherröhren. Bekanntlich ist es möglich, elektrische Signale auf Grund des Prinzipes der Sekun- däremissionsvervielfachung zu verstärken. Notwendig hierzu ist die Anwendung von Vervielfachungselektroden mit guten Sekun- däremissionseigenschaften. Eine Verviel fachung kommt dadurch zustande, dass ein auf die Vervielfachungselektrode aufprallen des Elektron im Mittel mehr als ein Sekun därelektron auslöst.
Wenn die Anzahl der pro Primärelektron ausgelösten Sekundärelek tronen mit K bezeichnet und<I>in</I> Verviel fachungsstufen benutzt werden, dann ist die Vervielfachung des Stromes<I>Km.</I>
Voraussetzung hierbei ist, dass jede Ver vielfachungselektrode den Sekundärstrom der vorhergehenden Vervielfachungselektrode Fe vollständig aufnimmt, und so jede Stufe voll ausgenutzt wird. Diese Bedingung kann durch verschiedene Anordnungen erfüllt wer den, bei welchen nach den Gesetzen der Elek tronenoptik der Sekundärstrom jeder 'Pe auf die nächste Ve fokussiert wird.
Dies ist mög lich entweder mit Hilfe elektrischer Felder allein oder durch ]Kombination von elek trischen und magnetischen Feldern. Die vor liegende Erfindung bezieht sich auf ein Ver fahren und eine Vorrichtung zur Steuerung von Elektronenbündeln in Elektronenverviel- facherröhren. Das erfindungsgemässe Ver fahren kennzeichnet sich dadurch,
dass die aus einer Kathode heraustretenden Primär elektronen des Bündels mit Hilfe mindestens einer Blende in einer Richtung nach aus gesiebt und einer Steuerung ausgesetzt wer den, wodurch eine Ablenkung der Flugbahn von der ursprünglichen eintritt, so dass die Zahl der zur Vervielfachung gelangenden Elektronen sich nach,
der Beeinflussung des Steuerorganes ändert.
Im folgenden sei das :erfindungsgemässe, Verfahren zur Steuerung von Elektronen bündeln in einigen, Ausführungsbeispielen ausgehend von einer -bekannten Ausfüh rungsform des magnetischen Elektronenver- vielfachers (F'ig. 1) erläutert.
Bisher ist .das Prinzip deT Elektronen vervielfachung hauptsächlich zur Verstär kung von Photoströmen verwendet worden. Hierbei erhält man ausser dem Vorteil einer grossen Gesamtverstärkung innerhalb einer Röhre noch einen prinzipiellen Vorteil ge genüber einer Verstärkung mit den gewöhn lichen Verstärkerröhren. Bei einer Verstär- kung von kleinen Wechselspannungen mit
Verstärkerröhren ist der Anodengleichstrom der ersten Röhre sehr gross im Verhältnis zu dem Wechselstrom. Demzufolge ist die Stör spannung, die das Röhrenrauschen verursacht und durch den Schroteffekt bedingt ist,
oft grösser als die zu verstärkende Wechsel- spannung. Bei einem schwankenden Licht- signal eines Photostromvervielfachers da gegen ist der mittlere Gleichstrom von glei cher Grössenordnung wie der Signalwechsel- strom, und das Rausehen kommt weniger zur Geltung.
Um die Vorzüge des E.lektronenverviel- fachungsprinzipes zur Verstärkung elektri scher Spannungen auszunützen, wäre es wün- schenawert, den Primärstrom eines mit einer primären Glühkathode versehenen Verviel- faehers so zu beeinflussen, dass ähnlich einer Lichtbeeinflussung der dem Signalstrom überlagerte Gleichstrom gering gehalten wird.
Sucht man die erste Stufe des Verviel- fachers in der Art von Elektronenröhren durch Raumladungssteuerung mittels eines Gitters zu beeinflussen, so lässt es sieh zeigen, dass der Bestwert des Verhältnisses von Wechselstrom zum Gleichstrom durch die Geschwindigkeitsverteilung der primären, thermisch ausgelösten Elektronen bedingt ist.
Der Bestwert des Verhältnisses von Wechselstrom zu Gleichstrom wird erreicht für kleine Anodenströme (Anfangsknie der Kennlinie), wo im Idealfall homogener Feld- verhältnisse die Anlaufstromformel gilt:
EMI0002.0067
wo J8 der Anodengleichstrom, <I>U</I> die Anoden- spannung, UT die Temperaturspannung der Glühkathode und Ja der Strom bei U = U Volt bedeutet. UT =
EMI0002.0079
Volt (T absolute Temperatur).
Die Steilheit der Kennlinie ergibt sieh aus:
EMI0002.0084
Für eine Wechselspannung U",, wird:
EMI0002.0087
woraus sich ergibt:
EMI0002.0089
Die Temperaturspannung üblicher Oxyd- kathoden beträgt ungefähr ',/"o Volt.
Eine Verbesserung dieses Verhältnisses ist denkbar durch eine Ablenkungssteuerung des primären Elektronenbündels; sorgt man durch Ablenkungselektroden dafür, dass die Bahn des Elektronenbündels durch Änderung der Krümmung periodisch hin- und her bewegt wird, so lässt sich ein Wechselstrom durch die auf der nächsten Vervielfachungs elektrode (Ve)
ausgelösten Sekundärelektro nen dadurch erzeugen, dass das Primärelek- tronenbündel so an eine Kante der Ve fo kussiert wird, dass die Menage der auf der Ve auftreffenden und zur Vervielfachung gelangenden Elektronen sieh in der Periode der Beeinflussung des Steuerorganes ändert.
Je schärfer das auftreffende Bündel seitlich begrenzt ist, umso schärfer lässt sieh die Fokussierung an die Kante erreichen und umso besser lässt sich der erstrebte Zustand annähern, in welchem der Strom um einen kleinen %hewert schwankt.
Die Schärfe der Begrenzung des Elek tronenbündels hängt nun in erster Linie von der Geschwindigkeitsverteilung der Elektro nen ab. Eine gerade Laie auf der primären Kathode wird bei Fig. 1 auf die erste Ve zu einem diffusen Streifen verschmiert, weil ,
die aus der primären Kathode austretenden Elektronen, je nach Richtung und Grösse ihrer Anfangsgeschwindigkeit auf verschie denen Punktender ersten Ve auftreffen. In Fig. .2; wird schematisch gezeigt, wie ein emittierender Punkt auf der Ve als diffuser Fleck abgebildet wird.
Die Streuung entsteht aus zwei Gründen: 1. wegen der Winkel- verteilung der Anfangsgeschwindigkeit, 2. wegen der .Streuung im Absolutwert der Austrittsgeschwindigkeit. Betrachtet man zu erst nur Elektronen mit der mittleren An- fangsgeschwindigkeit vo, so entsteht .die Streuung aus dem Grunde, dass die nach links ,
gerichteten Elektronen infolge der Wirkung des Magnetfeldes eine längere Bahn beschreiben und die Ve in grösserer Entfernung treffen;
die nach rechts austre- tenden Elektronen hingegen werden in etwae kürzerer Entfernung auftreffen, als die senk recht austretenden (Fig. 2a). Fig. 2b zeigt die Kurve der Elektronenverteilung auf der T'e für diejenigen Elektronen, .deren Cle- schwindigkeit v" beträgt.
Für jede andere Geschwindigkeit ergibt sich eine ähnliche, jedoch, entsprechend der Geschwindigkeits grösse verlagerte Verteilungskurve, deren Höhe entsprechend der geringeren Zahl der diese Geschwindigkeit aufweisenden Elektro nen abnimmt. Dadurch entsteht eine re sultierende Elektronenverteilungskurve, die nicht in endlicher Entfernung abschneidet.
Es lässt sich eine scharfe Kante in der Ab bildung einer geraden Linie erzeugen, wenn man dafür sorgt, dass die seitlich austreten- den Elektronen ausgesiebt werden. Betrachtet man nämlich nur solche Elektronen, deren Anfangegeschwindigkeit senkrecht zur Ka thode gerichtet ist, so werden die Bahren je nach der Grösse der Anfangsgeschwindig keit nach -dem, .Schema der Fig. 3a verlaufen.
Die entsprechende Kurve der Elektronen verteilung auf der Ye zeigt, im Gegensatz zu Fig. 2b, eine scharfe Begrenzung bei der zur Kathode gewendeten. .Seite. Diese Seite nämlich ist begrenzt durch die Elektronen mit der Anfaa-gsgeschwintligkeit null.
Die noch vorhandene :Streuung ist in diesem Falle allein. durch die Geschwindigkeitsverteilung der Elektronen bedingt. Aus .diesem Grunde ist es günstig, die Ablenkungssteuerung für kleine Eingangssignale anschliessend an eine primäre Glühkathode niedriger Temperatur oder hinter einer homogenen,
mit mono- chromatischem Licht beleuchteten Photo kathode auszuführen. Um eine genügende Anzahl von Primärelektronen zu erhalten, werden eine oder mehrere mit je einer läng lichen, ,s.chlitzfärmigenÜffnung versehene Blenden benützt, ,
deren Schlitze senkrecht zur Zeichenebene der Fig. .3a stehen. Die Siebblenden sind mit der Kathode verbun den.
Der wesentliche Unterschied bei Be nutzung dieser Ausblendung des Primärbün dels ist, dass die in Fig. 3b gezeichnete Ver teilungskurve im Gegensatz zum allgemeinen Fall, wie er oben beschrieben wurde, in end licher Entfernung abschneidet. Dies hat zur Folge"dag#die Kennlinien, welche den :
Strom zur Ve in Abhängngkeit von der Spannung des Steuerorganes darstellt, nicht nach einem Egponenealgesetz verschwindet (Fig. 2c), wie es auch, bei gewöhnlichen Elektronen- xöhren der Fall ist, sondern einen scharfen Knick aufweist (Fig. 3e)
. Besitzt man aber eine Kennlinie mit einem scharfen untern Knick, so lässt sich bei jedem beliebig kleinen Signal der Arbeitspunkt so wählen, dass der Gleichstrom bis, zu der Grössenordnung des ihm überlagerten Wechselstromes unterdrückt wird.
Wenn dadurch auch die Ströme der ersten Verstärkungsstufe klein werden, so lässt sich immer eine ausreichende Gesamt steilheit durch hinreichende Vervielfachung mit einer grösseren Anzahl von Stufen er reichen. Für die Ausführung des geschilder ten Verfahrens ist es notwendig, dass der jenige Teil des Elektronenbündels, welcher die Ve nicht trifft, auch tatsächlich absor biert wird und am Vervielfachungsprozess nicht teilnimmt.
Die Elektronen müssen also durch eine Elektrode derart aufgefangen werden, dassf keine wesentliche Anzahl von Sekundärelektronen erzeugt wird, welche zur nächsten Ve kommen können.
Zu diesem Zwecke können zwei Wege eingeschlagen erden. Bei der vorliegenden Anordnung wird eine Hilfselektrode im Wege der Flug bahn der Elektronen so angeordnet, dass ein Teil des Bündels aufgehalten wird.
Es ist zweckmässig, die Hilfselektrode an einer Stelle anzuordnen., wo die eventuell auf ihr erzeugten Sekundärelektronen nicht mehr in den Vervielfachungsraum treten können (zum Beispiel in Fig. 4 in der Nähe der Beschleu- nigrungselektrode). Das Potential der Hilfs elektrode soll so gewählt werden, dass es die Potentialverteilung der Hauptelektroden nicht wesentlich stört. Eine andere Möglich keit ist in Fig. 5 dargestellt.
Hier wird die Fe, auf welche das durch Ablenkung ge- steuerte Elektronenbündel trifft, aus zwei Teilen hergestellt, und zwar aus der eigent lichen Ve mit starker Sekundäremission und aus der Hilfselektrode mit schlechten Sekun- däremissionseigenschaften. Die Hilfselek trode kann ausserdem auf geringerem Poten tial gehalten werden, welches zwar ausreicht, um die Primärelektronen aufzunehmen,
aber infolge der geringen Auftreffgesehwindigkeit wenig Sekundärelektronen abgibt. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, diese Hilfselektrode mit einem Fanggitter (Fg in Fig. 6) zu versehen. ähnlich wie es bei Pen- thoden der Verstärkertechnik geschieht, um vollständig zu verhindern,
dass Sekundär elektronen die Hilfselektrode verlassen. Das Potential des Fanggitters ist zweckmässig niedriger als das Potential der Hilfselektrode.
Eine weitere zweckmässige Vereinfachung ist es, wenn die in Fig. 5 und 6 gezeichnete Hilfselektrode konstruktionsmässig mit der Ve identisch und nur durch eine verschie dene Sekundäremission der Olxgrfläehe von dem eigentlichen sekundäraktiven Teil der Ve verschieden ist. Es muss in diesem Falle die
Oberflächenbehandlung so vorgenommen werden, dass längs einer scharfen Kante der Sekundäremissionsfaktor der Oberfläche von einem grossen Wert zu einem möglichst kleinen Wert springt.
Um die Oberfläche mit schwa cher Sekundäremissionseigenschaft auszu- statten, ;kann beispielsweise der betreffende Teil der Elektrode mit einer Kohlenstoff- schicht überzogen werden (Fig. <B>7).</B> Es be steht auch die Möglichkeit, vor dem in Fig. 7 mit B bezeichneten Teil der Ve ein Fang gitter zu setzen,
dessen Potential niedriger ist als das Potential der Ve, um die auf diesen Teil noch erzeugten Sekundärelektro- nen wieder zur zu zwingen. Selbst verständlich lasen sich die beiden Mass nahmen kombinieren. Will man den Steuer- bereich für die Ablenkungssteuerung ver- <RTI
ID="0004.0101"> grössern, so wird man zweckmässigerweise eine schiefe Kante zur Begrenzung zwischen dem vervielfachenden und absorbierenden Teil der Ve herstellen (Fig. 7a). Die gleiche Massnahme lässt sich auch verwenden, in der Ausführungsform der Fig. 4, 5 und 6.
Die Ausfühsnng der Ablenkungssteue- rung ist in zwei Arten möglich; entweder beeinflusst man die Bahn der Elektronen durch eine zusätzliche elektrische Feldstärke mittels der in der Kathodenstrahlröhren technik bekannten, elektrostatischen Ablenk- platten;
diese müssen so ausgebildet werden (Fig. 8), da & sie keine Elektronen auffan gen.
Die Ablenkung muss, so erfolgen, dass die Ablenkkraft möglichst senkrecht zur Flugbahn der Elektronen liegt. Da die Flug bahn (vergl. Fig. 8) sich in einer Ebene be findet (Zeichenebene), die die elektrische Feldstärke enthält und senkrecht zur mag netischen Feldstärke ist,
muss die Ebene der Ablenkplatte so angeordnet sein, dass sie so wohldie Richtung der elektrischen, wie die der magnetischen Feldatärke enthält.
Eine andere Möglichkeit besteht in der Änderung der Beschleunigungsfeldebä,rke der Beschleu nigungselektroden (B.E.) und dadurch in einer Steuerung der Fluggeschwindigkeit der Elektronen. Dies kann entsprechend Mg.
9 zweckmässigerweise durch ein negativ vor gespanntes Steuergitter (S.G.) erreicht wer den, wobei die zu verstärkende Signalspan nung zwischen Gitter und Primärkathode angelegt wird.
Wird die Ve in der in Fig. 9 geschilderten Weise angebracht, so erreicht man mit negativem Gitter eine Erhöhung des Stromes und demzufolge eine negative Steil- heit des Verstärkers; ein bei Verstärkern un gewohnter, aber nicht nachteiliger Zustand.
Vertauscht man die Rollen der Ve und Hilfs- elektrode (Fig. 9), so wird die Steilheit posi tiv. In diesem Falle wird aber der Vor teil der Ausblendung der Primärelektronen, der im scharfen untern Knick der Kennlinie besteht, nicht ausgenutzt werden können.
Beim .Überla@gerungse mpfänger ist es er wünscht, den Elektronenstrom einer Ver- stärkerröhre einer zweifachen Steuerung aus zusetzen,
um auf diese Weise eine Mischung der Empfangsfrequenz mit einer Überlage- rungsfrequenz herbeizuführen. Dies kann ohne weiteres mit dem geschilderten Steue- rungsverfuhren mit dem Elektronenverviel- faeher erreicht werden., indem die Ab- lenkungssteuerung zweimal angewandt wird,
einmal nach der Primärkathode und das zweite Mal nach einer der<I>V</I> e-n. Die Ab lenkungssteuerung durch ,das schwache Emp fangssignal wird in der geschilderten Weise nach der Primärkathode durchgeführt, um den primären Gleichstrom möglichst gut aus- steuern. zu können.
Die Überlagerungsfre- quenz lässt sich dagegen mit genügender Am plitude herstellen, und es besteht keine Schwierigkeit, eine hinreichend wirksame Ab lenkungssteuerung durch die Überlagerungs- frequenz nach einer der Ve auszuführen.
Es be steht auch die Möglichkeit ,die Überla,gerungs- schwingung mit dem Vervielfacherrohr selbst herzustellen., indem mit einer Hilfsanode auf das Steuerorgan der Überlagerungsfrequenz rückgekoppelt wird. Die Steuerung durch die Empfangsfrequenz an dem Eingangsteil der Röhre wird .dadurch nicht beeinflusst.