DE1018145B

DE1018145B - Praezisions-Elektronenstrahloszillograph

Info

Publication number: DE1018145B
Application number: DEA22708A
Authority: DE
Inventors: Manfred Von Ardenne
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1955-05-20
Filing date: 1955-05-20
Publication date: 1957-10-24
Also published as: GB794603A; CH335756A; US2898467A; NL197896A

Description

Die neuzeitliche Forschung und die sich immer höher entwickelnde Technik erfordern immer häufiger Untersuchungen der Feinstrukturen von Oszillogrammen und der Feinstruktur von Kennlinien. Ein Weg hierzu wurde durch die Entwicklung des Elektronen-Mikrooszillographen erschlossen. Das Prinzip des Mikrooszillographen besteht darin, das Oszillogramm von mikroskopischer Kleinheit durch einen äußerst feinen Elektronenschreibfleck (etwa 10 μ Durchmesser) auf feinkörniges photographisches Material zu schreiben und später mit Hilfe eines Meßmikroskops und Meßtisches auszuwerten. Mit dem Mikrooszillographen ist die Registrierung einmaliger Vorgänge mit Frequenzkomponenten von über 10¹⁰ Hz erreicht worden.

Die für die Aufzeichnung so hoher Frequenzen erforderliche Schreibgeschwindigkeit ließ sich nur durch die gleichzeitige Anwendung hoher Anodenspannung (etwa 30 bis 50 kV), der Innenphotographie (Einbringung der Photoplatte in das Vakuum) und der Anwendung einer relativ großen Strahlapertur a_L auf der Schreibfleckseite (äs 2 · 10—²) erreichen.

Bei den handelsüblichen Elektronenstrahloszillographen beträgt das Verhältnis von Schreibfleckdurchmesser zur Seitenlänge der Schreibfläche etwa 1 :300 bzw. bei quadratischer Schreibfläche das Verhältnis von Schreibfleckfläche zu Schreibfläche 1 :10⁵. Demgegenüber betragt bei dem Präzisionsoszillographen gemäß der Erfindung das Verhältnis von Schreibfleckdurchmesser zu Kantenlänge der Schreibfläche beispielsweise 3 · 10-⁴ cm zu 10 cm = 1 :30000. Das entspricht bei quadratischer Schreibfläche einem Verhältnis von Schreibfleckfläche zu Schreibfläche von 1 :10⁹ (10⁹ Bildpunkte). Dieses Verhältnis liegt damit um vier Größenordnungen über dem Verhältnis der handelsüblichen Elektronenstrahloszillographen.

Die Forderung, das Verhältnis von Schreibfläche zu Schreibfleckfläche in der angegebenen Weise zu vergrößern, ist durch reine Maßänderungen an den Elektronenstrahlröhren nicht erfüllbar. Bei einer Vergrößerung der Schreibflächenbreite allein durch Vergrößerung der Strahllänge wird der Fleckdurchmesser im gleichen Verhältnis mit vergrößert, so daß das Verhältnis von Schreibfläche zu Schreibfleckfläche unverändert bleibt.

Es ist bereits ein Elektronenstrahloszillograph bekanntgeworden, bei dem ein feiner Schreib- bzw. Brennfleck von z. B. 5 μ Durchmesser durch eine elektronenoptische Sammellinse kurzer Brennweite hergestellt wird (deutsches Patent 751 509). Die Sammellinse befindet sich dabei in verhältnismäßig großem Abstand von der Elektronenquelle, um die erforderliche elektronenoptische Verkleinerung zu erhalten. Bei dieser Anordnung handelt es sich um einen Fein-Präzisions-Elektronenstrahloszillograph

Anmelder:

Manfred von Ardenne,
Dresden-Weißer Hirsch, Plattleite 27-31

Manfred von Ardenne, Dresden-Weißer Hirsch,
ist als Erfinder genannt worden

Strahloszillographen, der jedoch den durch die Erfindung herzustellenden großen Bildinhalt nicht aufweist. Bei diesem Feinstrahloszillographen, der eine Brennweite bzw. Zeigerlänge der Größenordnung von 1 cm aufweist, können niemals Bilder der Größe von 9 · 12 cm² erreicht werden, wie dies bei der Erfindung möglich ist, wenn man einen Schreibfleck in der Größenordnung von etwa 5 μ Durchmesser voraussetzt.

Es ist weiterhin eine Kathodenstrahlröhre bekanntgeworden, bei der durch eine elektrostatische Vorsammellinse ein Strahlüberkreuzungspunkt erhalten wird, der durch eine zweite Linse auf dem Leuchtschirm abgebildet werden kann (deutsches Patent 895 811). In der erwähnten Patentschrift ist die Möglichkeit der Erzeugung eines 600-Zeilen-Rasters erwähnt. Unter der Annahme einer Bildhöhe von größenordnungsmäßig 100 mm würde sich bei der bekannten Röhre bei 600 Zeilen ein Zeilenabstand von 0,167 mm ergeben. Der Schreibfleckdurchmesser dürfte etwas geringer, etwa größenordnungsmäßig mit 0,1 mm anzunehmen sein. Die durch die Erfindung zu erzielende Fleckschärfe liegt ein bis zwei Größenordnungen über der Fleckschärfe des bekannten Gerätes. Ein kleinerer Brennflecke als 0,1 mm Durchmesser kann mit der bekannten Einrichtung nicht erhalten werden.

Die vorliegende Erfindung schafft einen Oszillographentyp, bei welchem der äußerst feine Schreibfleck beibehalten bzw. der Durchmesser des Schreibflecks sogar noch kleiner als bei dem Mikrooszillographen gewählt (2 bis 5 μ) wird und ebenso auch die »Innenphotographie« und eine Anodenspannung der obengenannten Höhe. Der wesentliche Unterschied zu dem bekannten Mikrooszillographen besteht darin, daß das Oszillogramm nicht mehr mit mikroskopischer Kleinheit, sondern mit den Amplituden üblicher Oszillographen geschrieben, wird.

709' 757/116

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Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß der Hauptlinse des Oszillographen. Diese starke Abdurch verkleinernde elektronenoptische -Abbildung des blendung bewirkt, daß der öffnungsfehler der Haupt-Anfangsstrahlquerschnitts einer Elektronenquelle in linse vernachlässigbar klein wird. Die starke Abbleneinem Oszillographen für Innenaufnahme ein Schreib- dung allein sichert in der Regel jedoch noch nicht den fleck von 1 bis 10 μ Durchmesser hergestellt wird, wo- 5 kleinen Fleckdurchmesser von wenigen μ, was an der bei durch in kurzem Abstand^hinter der langbrenn- hohen Empfindlichkeit des Strahlenganges minimaler weitigen Endlinse des genannten elektronenoptischen Apertur gegen Strahlauslenkungen durch schwache Verkleinerungssystems angeordnete Ablenksysteme Ablenkfelder liegt. Solche störenden Strahlabeine Schreibfläche von größer als 5 · 10⁶fachen Wert lenkungen ergeben sich bei der Hauptlinsenabblender Schreibfleckfläche erzeugt wird. 10 dung mit normalen Mitteln der Technik durch die auf-

Das Verkleinerungssystem besteht aus zwei elek- tretenden Polarisationsladungen an den Rändern der tronenoptischen Linsen, einer kurzbrennweitigen Blende. Wie Versuche gezeigt haben, führen diese ersten Linse, die ein stark verkleinertes Zwischenbild Polarisationsladungen, die sehr Undefiniert sind und des Anfangsquerschnittes erzeugt, und einer lang- sich auch zeitlich ändern, zu Brennfleckverzerrungen, brennweitigen Endlinse, die das Zwischenbild mit 15 welche die Größe des Brennflecks beträchtlich verschwacher Vergrößerung auf die Schreibfläche ab- größern und die Form des Brennflecks aus der Kreisbildet oder im Abbildungsmaß stab etwa 1:1. flächenform in eine nicht rotationssymmetrische Form Die Endlinse weist eine Bildweite und Ablenk- überführen. Es gelingt daher in der Regel erst dann, zeigerlänge von mehr als 10 cm auf. Schreibflecke von wenigen μ Durchmesser zu erzielen, Die Forderung nach Kleinhaltung des Ablenk- 20 wenn die Abblendung der Hauptlinse und eventuell astigmatismus bedingt die Verwendung einer ver- auch der Vorlinse durch polarisationsladungsfreie hältnismäßig kleinen Aperturblende in der zweiten, Blenden erfolgt. Solche Blenden können z. B. durch langbrennweitigen Abbildungslinse und damit einen heizbare oder geheizte Platinblenden hergestellt Verzicht auf Intensität. Nur durch Verwendung der werden, bei denen die Bildung isolierender Schichten Innenaufnahme läßt sich aber bei der kleinen bildsei- 25 und damit die Bildung von Polarisationsladungen tigen Apertur bzw. Intensität des Präzisions-Oszillo- vermieden wird. (Überführung von isolierenden Kongraphen gemäß der Erfindung eine ausreichende densaten organischer Restdämpfe in genügend leitende Schreibgeschwindigkeit erreichen. Es ist bekannt, daß Kohleschichten bei Temperaturen über etwa 500° C schon bei einem gewöhnlichen Oszillographen die sowie Abdampfung isolierender Platinoxydschichten Schreibgeschwindigkeit bei Außenaufnahmen wesent- 30 bei diesen Temperaturen.)

Hch geringer ist als bei Innenaufnahmen. Im vor- Um die große Schreibfläche mit normalen Ablenkliegenden Fall kommt erschwerend hinzu, daß für winkeln überstreichen zu können, muß eine Ablenk-Außenaufnahmen ein Feinkorn-Leuchtschirm ver- zeigerlänge L zur Anwendung kommen, welche unwendet werden müßte, der für Elektronenstrahlen etwa gefahr die Größe der Diagonalen der Schreibfläche das gleiche Auflösungsvermögen aufweist wie eine 35 hat. Diese im Verhältnis zum Fleckdurchmesser außer-Photoplatte. Ein solcher Schirm in der heute bekannten gewöhnlich große Ablenkzeigerlänge gibt dem Präzi-Art würde aber eine wesentlich schlechtere Lichtaus- sions-Oszillographen eine große Ablenkempfindlichbeute (Apostilb pro Watt Elektronenstrahlleistung keit, auf den Fleckdurchmesser bezogen, und cm²) aufweisen als ein normaler Leuchtschirm. Die Größenordnung der erzielten Ablenkempfind-

Außerdem könnte bei der Außenaufnahme eines 40 Henkelten ist aus der Tabelle 2 für das System eines Präzisions-Oszillogramms unter Annahme etwa gleich der Praxis entnommenen Beispiels ersichtlich: großerAuflösungderPhotoschichtfürlnnenaufnahmen Da der Wert der Bildweite der Hauptlinse eines

(Elektronen) und Außenaufnahme (Licht) nicht eine Oszillographen stets größer sein muß als die Ablenkaus Intensitätsgründen wünschenswerte lichtoptische zeigerlänge, ist mit der Festlegung der Ablenkzeiger-Verkleinerung, sondern nur eine Abbildung etwa im 45 länge auch das Mindestmaß für die Bildweite der Verhältnis 1 : 1 verwendet werden, woraus wieder Hauptlinse vorgeschrieben. Um in den Elektronenein starker Verlust an Intensität bzw. Schreib- schreibstrahl mit der angegebenen kleinen Strahlgeschwindigkeit resultiert. apertur und der besprochenen relativ großen Bildweite ■ Hinzu kommen noch die Abbildungsfehler des für im Interesse hoher Schreibgeschwindigkeit einen mögdie Außenaufnahme benötigten lichtstarken Objektivs 50 liehst hohen Elektronenstrom hineinzubringen, hat bei einer 1 :1-Abbildung des großen Formats des Prä- sich die folgende elektronenoptische Anordnung gut zisions-Oszillographen, die eine Abbildung gleicher bewährt: ~: Schärfe wie bei der Innenaufnahme verhindern. Es wird ein Standard-Elektronenstrahler mit ther-Damit bei einer Schreibfläche von etwa 10 · 10 cm² mischer Kathode, Wehneltzylinder und Anode mit 20 der Elektronenbrennfleck" den kleinen Durchmesser 55 bis 50 kV Anodenspannung betrieben. Der Anodenvon wenigen μ auch in den Randgebieten beibehält, strom wird durch entsprechende Einstellung der negawird gemäß der Erfindung abweichend vom oben- tiven Wehneltzylindervorspannung auf etwa 30 bis erwähnten Mikrooszillographen eine sehr kleine 100//A eingeregelt. Der dann in der Nähe der Anodenschreibfleckseitige Strahlapertur angewendet von etwa blende entstehende kleinste Strahlquerschnitt bzw. a_L = 5 · 10—⁵ bis 2 · 10-r⁴. Bei dieser Bemessung 60 Strahldurchmesser von etwa 100 μ Durchmesser wird können bei dem zugeordneten größen Ablenkwinkel durch eine oder auch mehrere Verkleinerungsstufen die Ablenkfehler δ in der Größenordnung von mit kurzbrennweitigen magnetischen Objektiven (Polwenigen μ gehalten werden: Eine zahlenmäßige Über- schuhlinsen) oder elektrostatischen Objektiven auf sieht über die Größe des Ablenkfehlers δ in Ab- etwa 1 bis 3 μ Durchmesser verkleinert (Verkleinehängigkeit von der brennfleckseitigen Strahlapertur a_L 65 rungsverhältnis also 1 :100 bis 1 :33). gibt die Tabelle 1 für elektrostatische Ablenkung und Im Interesse geringer Baulänge kommt dann in der für magnetische Ablenkung sowie für die Systemgeo- Hauptlinsenstufe eine Anordnung zur Anwendung, metrie eines der Praxis entnommenen Beispiels: die etwa l,5fache Vergrößerung ergibt. Die insgesamt ■ Die Herstellung der ungewöhnlich kleinen Strahl- resultierende Verkleinerung des Strahlquerschnittes apertur a_L erfolgt durch sehr weitgehende Abblendung 7° bzw. Strahldurchmessers beträgt damit 1 : 66 bis 1:22i.

Bei einem praktisch ausgeführten Gerät wurde mit einer einzigen Verkleinerungsstufe mit kurzbrennweitiger magnetischer Polschuhlinse gearbeitet. (Gegenstandsweite Strahlquerschnitt bzw. Strahldurchmesser über Polschuhlinse etwa 210 mm, Brennweite der Polschuhlinse 4 bis 6 mm.) Bei dem gleichen Gerät wurde als Hauptlinse eine eisengekapselte magnetische Linse verwendet mit 120 mm Brennweite und einem Vergrößerungsverhältnis 1,5 :1 (Radius des inneren Polschuhdurchmessers 20 mm). Die Länge / des Ablenkfeldes hinter der Hauptlinse wurde bei dem ausgeführten Gerät zur Kleinhaltung der Ablenkfehler relativ groß gewählt (50 bzw. 70 mm, s. Tabelle 1).

Zur Erleichterung der Zentrierung und Scharfstellung des Oszillographen diente bei dem ausgeführten Gerät ein durch Aufdampfung hergestellter kornloser Zinksulfid-Leuchtschirm mit sehr hohem Auflösungsvermögen (etwa 3 μ), der über ein Lichtmikroskop visuell beobachtet werden konnte. Die auf den Schreibneckdurchmesser bezogene Schreibgeschwindigkeit betrug bei dem ausgeführten Gerät für eine photographische Schreibstrichschwärzung 5 = 0,1 etwa 2 · 10⁷ pro Sekunde. Das ist etwa der gleiche Wert, der bei normalen Oszillographentypen des Handels besteht (z. B. Du Mont-Oszillographen 5 LP 7 und Außenaufnahme).

Claims

Patentansprüche:

1. Präzisions-Elektronenstrahloszillograph, dadurch gekennzeichnet, daß durch verkleinernde elektronenoptische Abbildung des Anfangsstrahlquerschnittes einer Elektronenquelle in einem Oszillographen für Innenaufnahme ein Schreibfleck von 1 bis 10 μ Durchmesser hergestellt wird, wobei durch in kurzem Abstand hinter der langbrennweitigen Endlinse des genannten elektronenoptischen Verkleinerungssystems angeordnete Ablenksysteme eine Schreibfläche von größer als dem 5 · 10⁶fachen Wert der Schreibfleckfläche erzeugt wird.

2. Präzisions-Elektronenstrahloszillograph nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verkleinerungssystem aus zwei elektronenoptischen Linsen besteht, einer kurzbrennweitigen ersten Linse, die ein stark verkleinertes Zwischenbild des Anfangsstrahlquerschnitts der Elektronenquelle erzeugt und einer langbrennweitigen Endlinse, die das Zwischenbild mit schwacher Vergrößerung auf die Schreibfläche abbildet.

3. Präzisions-Elektronenstrahloszillograph nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Endlinse eine Bildweite und Ablenkzeigerlänge von mehr als 10 cm aufweist.

4. Präzisions-Elektronenstrahloszillograph nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Linsenschwerpunkt der Endlinse oder in seiner Nähe eine Aperturblende mit einer Strahlapertur kleiner als ott — 5 · 10—⁴ angeordnet ist.

5. Präzisions-Elektronenstrahloszillograph nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine polarisationsladungsfreie Aperturblende, insbesondere aus hoch heizbarem Platin.

6. Präzisions-Elektronenstrahloszillograph nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Zentrierung des Strahlenganges und Scharfstellung des Schreibfleckes ein feinkörniger oder kornloser Fluoreszenzschirm mit Betrachtungs-Lichtmikroskop oder -lupe verwendet wird.

7. Präzisions-Elektronenstrahloszillograph nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des elektrischen oder magnetischen Ablenkfeldes mehr als 15% der Ablenkzeigerlänge beträgt.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 751 509, 895 811;
v. Ardenne: »Hochfrequenztechnik und Elektroakustik«, 54, S. 181 (1939).

Hierzu 1 Blatt Tabellen