DE1174000B - Betriebsschaltung fuer eine Photoelektronen-Vervielfacherroehre - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Internat. Kl.: HOIj

Deutsche KL: 21 g - 29/20

Nummer: 1174 000

Aktenzeichen: P 27056 VIIIc/21g

Anmeldetag: 27. April 1961

Auslegetag: 16. Juli 1964

Die Erfindung betrifft eine Betriebsschaltung für eine Photoelektronen-Vervielfacherröhre, welche eine Photokathode, eine Anode und ein aus mehreren Dynoden bestehendes Vervielfachersystem aufweist, mit einer Gleichstrom-Vorspannungsquelle, deren Abgriffe über Kopplungsvorrichtungen mit den einzelnen Elektroden der Röhre verbunden sind, sowie mit Schaltungsmitteln im Anodenkreis der Röhre zur Bildung des Ausgangssignals,

Derartige Photoelektronen-Vervielfacher haben ίο neuerdings beispielsweise im Zusammenhang mit der Farbfemsehwiedergabe erhöhte Bedeutung gewonnen. In Verbindung mit Strahlindexsystemen bei der Farbfemsehwiedergabe werden Photoelektronen-Vervielfacherschaltungen als Verstärker zum Nachweis von UV-Indexsignalen (die im folgenden allgemein als Indexlichtsignale bezeichnet werden) verwendet, die durch geeignet auf dem Schirm der Bildröhre angeordnete Indexstreifen erzeugt werden. Hierbei kann die Intensität der auf die Photokathode auffallenden Lichtenergie je nach der Intensität des Kathodenstrahlbündels, dem jeweils abgetasteten Bereich des Schirms und anderen Faktoren, wie beispielsweise veränderliche Ausbeute des die Indexstreifen bildenden lichtemittierenden Materials, um einen Faktor von 100 :1 variieren. Für die richtige Wirkungsweise der auf dieses Indexsignal ansprechenden Indexschaltungen ist erforderlich, daß die Lichtenergie variabler Amplitude in ein elektrisches Signal von im wesentlichen konstanter Amplitude mit der Indexfrequenz umgewandelt wird. Die Begrenzung des elektrischen Indedexsignals muß dabei ohne nennenswerte Phasenverschiebung oder Zeitverzögerung erfolgen. In der Vergangenheit wurde dies durch auf die Photoelektronen-Vervielfacherröhre folgende Begrenzerschaltungen mit Elektronenröhren in Kaskadenschaltung erreicht. Derartige Begrenzerschaltungen sind verhältnismäßig kompliziert und kostspielig und außerdem nicht für alle Anwendungsfälle vollkommen befriedigend.

Ferner sind auch automatische Verstärkungsregelungsschaltungen zur Amplitudenregelung der Ausgangssignale von mehrstufigen Photoelektronen-Vervielfacher-Verstärkern an sich bereits bekannt. Man hat in der Vergangenheit darauf hingewiesen, daß eine gewisse Begrenzungswirkung bei Photoelektronen-Vervielfacher-Verstärkern durch Verwendung eines Spannungsteilers hoher Impedanz zur Zufuhr des Vorspannungspotentials an die in der Nähe der Anode liegenden Dynoden erzielt werden kann. Diese Maßnahmen zur Berenzung des dynamischen Bereichs des Ausgangssignals eines Photoelektronen-Verviel-Betriebsschaltung für eine
Photoelektronen-Vervielfacherröhre

Anmelder:

Philco Corporation,
eine Gesellschaft nach den Gesetzen
des Staates Delaware, Philadelphia, Pa.
(V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. C. Wallach, Patentanwalt,

München 2, Kaufingerstr. 8

Als Erfinder benannt:

John Brewer Chatten, Philadelphia, Pa.

(V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 2. Mai 1960 (25 981)

fachers sind zur Verwendung in Indexsystemen für Farbfernseh-Wiedergabevorrichtungen ungeeignet, da sie bei den für die Indexsysteme verwendeten verhältnismäßig hohen Frequenzen keine ausreichende Begrenzungswirkung ergeben können. Maßnahmen wie beispielsweise die Anordnung von Spannungsregelröhren in der Dynoden-Speiseschaltung ergeben keine ausreichende Verstärkungsregelung, komplizieren die Schaltung ungebührlich und/oder führen zu Instabilitäten oder Phasenverschiebungen, welche die bekannten Arten von Photoelektronen-Vervielfachern im allgemeinen für Servo-Regelschleifen der genannten Art ungeeignet machen.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher als Aufgabe die Schaffung einer Betriebsschaltung der eingangs genannten Art für eine Photoelektronen-Vervielfacherröhre zugrunde, welche Eingangssignale niedriger Amplitude nur sehr wenig verzehrt, die Verstärkung von Signalen hoher Amplitude jedoch begrenzt, wobei in das durchlaufende Signal nur verhältnismäßig kleine Phasenverschiebungen eingeführt werden, derart, daß die Schaltung insbesondere für die Verwendung in Strahlindexsystemen bei der Farbfemsehwiedergabe geeignet ist.

Zu diesem Zweck wird eine Betriebsschaltung der eingangs genannten Art für eine Photoelektronen-Vervielfacherröhre gemäß der Erfindung so ausgebil-

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det, daß zur Begrenzung des Ausgangsstroms der Photoelektronen-Vervielfacherröhre die Spannungsabgriffe so gewählt sind, daß die Potentialdifferenz zwischen der letzten Dynode und einer der beiden ihr benachbarten Elektroden verhältnismäßig klein im Vergleich zu den Potentialdifferenzen auf den übrigen Elektroden- bzw. Dynodenstrecken der Röhre ist.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen an Hand der Zeichnung; in dieser zeigt

F i g. 1 ein Schaltschema einer bevorzugten Ausführungsform eines Photoelektronen-Vervielfacher-Verstärkers gemäß der Erfindung,

F i g. 2 eine graphische Darstellung der Verstärkungscharakteristik des in Fig. 1 dargestellten Systems für große Signale,

F i g. 3 ein Teilschaltschema einer Schaltung zur Bildung zweier Signale mit verschiedenen Amplitudenpegeln und verschiedenen Frequenzen aus der gleichen Photoelektronen-Vervielfacherschaltung.

Die in Fig. 1 gezeigte Photoelektronen-Vervielfacherröhre 10 weist eine Photokathode 12, sechs Dynoden 13 bis 18 sowie eine Anode 20 auf. Die Vorspannungsquelle für die Verstärkerschaltung in F i g. 1 ist schematisch durch Batterien 22 und 24 angedeutet, wobei jedoch selbstverständlich bei der praktischen Anwendung der Schaltung nach Fig. 1 diese Potentiale üblicherweise von geeigneten Gleichrichtern geliefert werden. Nimmt man beispielshalber an, daß die Photoröhre 10 ein handelsüblicher Röhrentyp ist, so soll die Spannungsquelle 24 vorzugsweise ein Potential in der Größenordnung von 2000 Volt und die Spannungsquelle 22 vorzugsweise ein solches in der Größenordnung von 380 Volt liefern. Die gemeinsame Klemme 26 der Spannungsquellen 22 und 24 liegt an Masse, um das Potential

ίο der Anode 20 gegenüber Masse und die Strombelastung der Hochspannungs-Stromversorgung möglichst niedrig zu halten.

Zwischen der positiven Klemme der Spannungsquelle 22 und Masse liegt ein Spannungsteiler mit Widerständen 28 bis 31. Die Widerstandswerte dieser Widerstände 28 bis 31 sind so gewählt, daß der durch diese Widerstände fließende Ruhestrom wesentlich größer als der maximale Dynodenstrom ist. Der aus den Widerständen 28 bis 31 gebildete Spannungsteiler

ao kann daher als »steifer« Spannungsteiler bezeichnet werden, d. h. als ein Spannungsteiler, bei welchem die Potentiale an den einzelnen Anzapfungen im wesentlichen unabhängig von Änderungen der Dynodenströme sind. Zwischen der Klemme 26 und der negativen Klemme der Spannungsquelle 24 liegt ein zweiter Spannungsteiler aus Widerständen 35 bis 39. In der folgenden Tabelle sind typische Werte für die Widerstände in diesen beiden Spannungsteilern aufgeführt:

Widerstand	Widerstandswert
28	1,5 kQ
29	6kQ
30	10 kΩ
31	22 kQ
35	82OkQ
36	820 kQ
37	82OkQ
38	1,2 kQ
39	47OkQ

Die Kathode 12 und sämtliche Dynoden mit Ausnahme der Dynode 16 sind durch einen der Kondensatoren 42 gegen Masse überbrückt. Die Kondensatoren 42 können für ein Eingangssignal der Frequenz 9 MHz sämtlich einen Wert in der Größenordnung von 0,002μΡ besitzen. Die Dynode 16 liegt direkt an Masse und benötigt daher keinen Nebenschlußkondensator. Das Potentiometer einschließlich der beiden Spannungsquellen kann auch durch eine Spannungsquelle mit mehreren Anzapfungen, welche potentialmäßig den Anzapfungen des Spannungsteilers entsprechen, ersetzt werden.

Das intensitätsmodulierte Licht-Eingangssignal des Verstärkers nach Fig. 1 ist schematisch durch den Pfeil 48 angedeutet. Die Anode 20 ist mit der Verbindungsstelle der Widerstände 28 und 29 über die Primärwicklung 44 eines Zwischenkopplungstransformators verbunden. Das Ausgangssignal der Verstärkerstufe wird an der Sekundärwicklung 46 dieses Transformators abgenommen.

Die allgemeinen Grundlagen der Wirkungsweise einer Photoelektronen-Vervielfacher-Verstärkerschaltung sind bekannt und brauchen daher nicht eigens beschrieben zu werden. Die bisher beschriebene Schaltung unterscheidet sich von herkömmlichen Photoelektronen-Vervielfacher-Verstärkerschaltungen dadurch, daß die Spannung zwischen der letzten Dynode und der Anode wesentlich geringer als die Spannung zwischen aufeinanderfolgenden Dynoden ist. Ferner ist diese Spannung im wesentlichen unabhängig vom Anoden- oder Dynodenstrom. Dies wird dadurch erreicht, daß man dem über die Niederspannungsquelle 22 liegenden Spannungsteiler einen verhältnismäßig niedrigen Widerstand gibt, derart, daß der durch den Spannungsteiler 28, 29, 30 und 31 fließende Ruhestrom verhältnismäßig groß ist im Vergleich zu dem maximalen Dynodenstrom durch die Dynode 18. In dem oben angegebenen Beispiel liegt die Spannung zwischen der Dynode 18 und der Anode 20 in der Größenordnung von 50 Volt. Die Spannung zwischen aufeinanderfolgenden Dynoden liegt in der Größenordnung von 100 Volt. Die Spannung zwischen der Kathode 12 und der ersten Dynode 13 ist etwas größer als 100 Volt.

Die vorstehend beschriebene Photoelektronen-Vervielfacherschaltung hat die in F i g. 2 dargestellte nichtlineare Übertragungscharakteristik. Für Eingangssignalamplituden, d. h. Lichtintensitäten, bis zu dem Wert A₁ ist die Verstärkung des Photoelektronen-

Vervielfacher-Verstärkers verhältnismäßig hoch, wie durch den Anstieg der Kurve 52 wiedergegeben. Im Bereich 54 der Kennlinie ist der Anstieg wesentlich

niedriger als im Bereich 52. Signale mit einer Amplitude von beispielsweise A_t werden daher durch diese riichtiineare Charakteristik beschnitten bzw. in ihrem Scheitelwert begrenzt. Man darf annehmen, daß die für große Signale auftretende Begrenzung durch eine Raumladungsbegrenzung des Stroms in den letzten Zwischenelektrodenstrecken hervorgerufen wird. Jedoch soll diesem Versuch einer Erklärung der beobachteten Wirkungsweise dieser Schaltung keinerlei einschränkende Bedeutung zukommen.

Empirisch wurde festgestellt, daß die besondere nichtlineare Übertragungscharakteristik des Verstärkers bis zu einem gewissen Grade durch Wahl der Zwischenelektrodenspannungen zwischen den Dynoden 16,17 und 18 sowie zwischen der Dynode 18 und der Anode 20 beeinflußt werden kann. Tests an Photoelektronen-Vervielfacherröhren haben ergeben, daß man eine brauchbare nichtlineare Charakteristik für einen Wert der Spannung zwischen der letzten Dynode und der Anode im Bereich zwischen 30 bis 60 Volt erhält, wobei die beste Betriebsweise sich für etwa 50 Volt ergab. Es ergab sich, daß durch einen Photo-Verstärker mit den vorstehend beschriebenen Kenngrößen und Eigenschaften der dynamische Bereich der übertragenen Signale um einen Faktor von mehr als zehn verringert werden kann.

F i g. 3 zeigt ein der F i g. 1 entsprechendes Schaltschema einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, welche Ausgangssignale mit zwei verschiedenen Frequenzen liefert. Die den gleichen Teilen in F i g. 1 entsprechenden Teile sind in F i g. 3 mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Die Vorspannungsquellen 22 bzw. 24 in F i g. 1 sind in F i g. 3 schematisch durch Klemmen 62 bzw. 64 wiedergegeben. In der Schaltung nach F i g. 3 ist die Anode 20 mit der Verbindungsstelle der Widerstände 28 und 29 durch einen frequenzselektiven Kreis verbunden, der schematisch durch die Wicklung 72 und die in Nebenschluß zu dieser liegende Schaltungskapazität 68 wiedergegeben ist. Ein Widerstand 66 ergibt eine ausreichende Dämpfung zur Erzielung der gewünschten Bandbreite. Zur Gewinnung eines Ausgangssignals der Schaltung ist mit der Primärwicklung 72 eine Sekundärwicklung 74 gekoppelt. Der Ausgangskreis 66-72-74 kann auf Resonanz bei einer Frequenzkomponente des schematisch durch den Pfeil 48 angedeuteten Lichtsignals abgestimmt sein. Beispielsweise kann er auf Resonanz bei einer Frequenz von 9 MHz abgestimmt sein. Selbstverständlich kann in der Praxis der Ausgangskreis ein doppelt abgestimmter Kopplungskreis oder dergleichen sein.

Die direkte Verbindung der Dynode 17 mit der Verbindungsstelle der Widerstände 30 und 31 ist in der Schaltung nach F i g. 3 durch einen zweiten Kopplungskreis der vorstehend beschriebenen Art ersetzt. Dieser zweite Kopplungskreis weist einen Widerstand 76, eine Schaltungskapazität 78, eine Primärwicklung 82 und eine Sekundärwicklung 84 auf. Dieser zweite Kopplungskreis kann auf eine andere Frequenz abgestimmt sein als der erstgenannte Kopplungskreis. Beispielsweise kann er auf eine Frequenz von 6 MHz abgestimmt sein.

Die Wirkungsweise der Schaltung nach F i g. 3 ergibt sich wohl unmittelbar aus der Beschreibung der Wirkungsweise der Schaltung nach Fig. 1. Es sei noch bemerkt, daß Ausgangssignale mit den beiden verschiedenen Frequenzen nur dann erhalten werden können, wenn die genannten Frequenzkomponenten in dem der Kathode 12 zugeführten Lichtsignal vorhanden sind. Wählt man das Potential zwischen den Dynoden 16 und 17 im wesentlichen gleich den jeweils zwischen den Dynoden 13 bis 16 anliegenden Potentialen, so erhält man für das an der Transformatorwicklung 84 auftretende Signal keine nennenswerte Begrenzungswirkung.

Vorstehend wurden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben, wobei dem Fachmann jedoch verschiedene Abänderungen dieser Ausführungsbeispiele ohne weiteres geläufig sind, die innerhalb des Schutzbereichs der vorliegenden Erfindung liegen. Den Einzelheiten der Ausführungsbeispiele soll daher keine einschränkende Bedeutung zukommen.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Betriebsschaltung für eine Photoelektronen-Vervielfacherröhre, welche eine Photokathode, eine Anode und ein aus mehreren Dynoden bestehendes Vervielfachersystem aufweist, mit einer Gleichstrom-Vorspannungsquelle, deren Abgriffe über Kopplungsvorrichtungen mit den einzelnen Elektroden der Röhre verbunden sind, sowie mit Schaltungsmitteln im Anodenkreis der Röhre zur Bildung des Ausgangssignals, dadurch gekennzeichnet, daß zur Begrenzung des Ausgangsstroms der Photoelektronen-Vervielfacherröhre die Spannungsabgriffe so gewählt sind, daß die Potentialdifferenz zwischen der letzten Dynode (18) und einer der beiden ihr benachbarten Elektroden (20 bzw. 17) verhältnismäßig klein im Vergleich zu den Potentialdifferenzen auf den übrigen Elektroden- bzw. Dynodenstrecken der Röhre ist.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als die eine benachbarte Elektrode die Anode (20) dient.

3. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als die eine benachbarte Elektrode die vorletzte Dynode (17) dient.

4. Schaltung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Vorspannungsquelle ein an Gleichspannung (22, 24) liegender Spannungsteiler (28 bis 31, 35 bis 39) vorgesehen ist.

5. Schaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Impedanz des Spannungsteilers (28 bis 31, 35 bis 38) so ausgelegt ist, daß die Ruhestromkomponente des Spannungsteilerstroms wesentlich größer als der maximale Dynodenstromanteil in der Nachbarschaft der Anode ist.

6. Schaltung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach den Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Vorspannungsquelle zwei Spannungsteiler (28 bis 31 bzw. 35 bis 39, Fig. 1) vorgesehen sind, die an je einer Speisespannungsquelle (22 bzw. 24) liegen und miteinander in Reihe verbunden sind, daß eine (16) der Dynoden mit der Verbindungsstelle (26) der beiden Spannungsteiler und der beiden Speisespannungsquellen verbunden ist und daß der anodenseitige Spannungsteiler (28 bis 31) impedanzmäßig so ausgelegt ist, daß in diesem Spannungsteiler die Ruhestromkomponente groß im Vergleich zur maximalen Dynodenstromkomponente ist.

7. Schaltung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

daß in der Verbindungsleitung der Anode (20) mit dem zugehörigen Abgriff (28) der Vorspannungsquelle ein Ausgangsübertrager (44, 46, Fig. 1; 72,74, Fig. 3) zur Entnahme des Ausgangssignals vorgesehen ist.

8. Schaltung nach den Ansprüchen 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine (17, Fig. 3) der Dynoden, welche zwischen der mit der Verbindungsstelle (26) der beiden Spannungsteiler verbundenen Dynode (16) und der Anode (20) liegt, mit dem zugehörigen Abgriff des Spannungsteilers

über eine Kopplungsvorrichtung verbunden ist, welche einen zweiten Ausgangsübertrager (82, 84, F i g. 3) aufweist, und daß der erste (72, 74) und der zweite Ausgangsübertrager (82, 84) zur Resonanz bei verschiedenen Frequenzen abgestimmt sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Valvo-Firmendurchschrift 56 AVD vom 25. März 1960, 3. Blatt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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