DE1187740B - Elektronenvervielfacherroehre - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

KOIj

Deutsche Kl.: 21g-13/19

Nummer: 1187 740

Aktenzeichen: W 28645 VIII c/21 g

Anmeldetag: 28. September 1960

Auslegetag: 25. Februar 1965

Die Erfindung betrifft eine Elektronenvervielfacherröhre, beispielsweise eine Bildverstärkerröhre oder Photovervielfacherröhre, mit im Entladungsraum zwischen Kathode und Anode angeordneten Sekundäremissionselektroden, die leitend mit je einem metallischen Umiangsring verbunden sind, derart, daß zwischen den aufeinanderfolgenden Elektroden getrennte Abteile gebildet sind, deren Umfang aus Isolierkörpern besteht, welche die metallischen Umfangsringe voneinander isolieren, wobei wenigstens die erste auf die Kathode unmittelbar folgende Sekundäremissionselektrode eine Folie aus Isolierstoff aufweist, die beim Auftreffen von Primärelcktronen auf ihre der Kathode zugekehrte Seite Sekundärelektronen auf der anderen Seite abgibt.

Der Elektronenvervielfacher in einer Elektronenröhre soll einen Impuls möglichst ohne Verbreiterung der Impulsbreite verstärken. Die besten bisher bekannten Vervielfacher sind imstande, eine Impulsimstiegszeit von bis zu 3 · 10~'^J Sekunden zu verarbeiten. Die Impulsanstiegszeit ist hierbei definiert als die Zeit, in der das Ausgangssignal von 10% auf 90 ⁰Zo seiner vollen Amplitude ansteigt, wenn ein Elektron die Kathode verläßt. Es ist aus geometrischen Gründen nicht angängig, die Anstiegszeit bei diesen Vorrichtungen noch weiter zu verkürzen.

Bei den bekannten Elektronenvervielfachern mit Sekundäremissionselektroden (Dynoden) vom Vorderflächentyp muß die geometrische Anordnung so getroffen werden, daß die Kathode gleichzeitig verlassende Elektronen zur ersten Dynode auf Bahnen gelangen, die wegen der kleinen Eintrittsöffnung verschiedene Längen aufweisen. Auch die Bahnen zwischen aufeinanderfolgenden Dynoden haben verschiedene Länge.

Eine günstigere geometrische Anordnung kann mit Hilfe von Vorderflächendynoden erreicht werden, die nach Art einer Jalousie oder als Netze ausgebildet sind, aber bei dieser Anordnung sind nur schwache Absaugfeldstärken für die Sekundärelektronen erreichbar, weshalb sich eine starke Impulsverbreiterung ergibt. Außerdem können wegen des oivenen Aufbau dieser bekannten Sekundäremlssionselektroden in den letzten Vervielfacherstufen gebildete Ionen zur Kathode zurückgelangen und dort starke Dunkelströme hervorrufen, die der Elektronenemission entgegenwirken. Dieser offene Aufbau gestattet auch Caesiumatomen oder anderen Photoemissionswerkstoffen von der Kathode eine Diffusion durch die ganze Röhre, so daß sie sich an den Dynoden oder den Röhrenwänden niederschlagen können und dort Elektronen durch Streustrahfcjektronenvervielfacherröhre

Anmelder:

Westinghouse Electric Corporation,

East Pittsburgh, Pa. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. G. Weinhausen, Patentanwalt,

München 22, Widenmayerstr. 46

Als Erfinder benannt:

Ernest J. Sternglass, Pittsburgh, Pa. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:
V. St. ν. Amerika vom 30. September 1959
(843 428)

lung emittieren, wodurch weitere Dunkelströme sowie eine Zerstörung der Kathode eingeleitet werden. Im vorliegenden Zusammenhang kann als Dunkelstrom jedes Ausgangssignal oder ein Teil desselben angesehen werden, das nicht unmittelbar von der Emission von Photoelektronen herrührt, die durch die zu verstärkende Strahlung hervorgerufen werden.

Die bekannten Vorderflächendynoden sind auch nicht für eine Anordnung geeignet, bei der eine koaxiale Ausgangsleitung angebracht werden kann. Derartige Anordnungen haben deshalb ein schlechtes Hochfrequenzverhalten wegen der Impedanzänderungen gegen die Außenseite des Glaskolbens. Bei Trioden ist bekanntlich ein gutes Plochfrequenzverhalten durch Anwendung der bekannten Leuchtturmkonstruktion erzielt worden, bei der die Elektronenübergangszeiten, die Kapazitäten zwischen den einzelnen Elektroden und die Leitungsinduktivitäten erheblich herabgesetzt oder neutralisiert werden konnten. Dieser Weg konnte bisher bei Bildröhren nicht eingeschlagen werden. Eine koaxiale Ausgangsleitung kann mit Hilfe von Sekundäremissionselektroden in Jalousieanordnung angeschlossen werden, aber hier verhindert die Impulsverbreiterung infolge der langen Elektronenlaufzeiten wie erwähnt einen Beirieb bei hohen Frequenzen wegen der verhältnismäßig langen Impulsanstiegszeit.

Es ist auch schwierig, eine Photovervielfacherröhre mit Vorderflächendynoden zu konstruieren, die

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keine starken Dunkelströme im Anodenkreis zuläßt. Ferner bewirkt die bei den bekannten Photovervielfachern angewandte Geometrie eine Nichtlinearität der Kennlinie bei hohen Elektronenstromstärken wegen der schädlichen Raumladungswirkungen, die durch diese hohen Ströme hervorgerufen werden.

Photovervielfacher mit Vorderflächendynoden haben noch weitere Nachteile, nämlich insbesondere die Störanfälligkeit des Betriebs gegen äußere Magnetfelder, weil einfallende und ausgesandte Elektronen nicht in der gleichen Richtung fliegen. Ferner treten Störsignale und Dunkelströme auf, wenn Elektronen die Glaswände treffen und hierdurch Lichtblitze erzeugen, die auf die Kathode zurückwirken. Eine dadurch hervorgerufene Verstärkung von Dunkelstromimpulsen kann irrtümlich als Signalimpuls angesehen werden. Weiter entstehen Herstellungsschwierigkeiten wegen der schwierigen Aktivierung in der abgeschmolzenen Röhre. Die Betriebsspannungen müssen sehr gut stabilisiert werden, da die Ausbeute exponentiell mit der angelegten Spannung schwankt.

Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Elektronenvervielfacherröhre unter Verwendung von Sekundäremissionselektroden, mit deren Hilfe die obigen Nachteile weitgehend vermieden sind. Es wird hierbei ausgegangen von der bei Verwendung von Vorderflächendynoden bekannten Konstruktion mit im Entladungsraum zwischen Kathode und Anode angeordneten Sekundäremissionselektroden, die leitend mit je einem metallischen Umfangsring verbunden sind, derart, daß zwischen den aufeinanderfolgenden Elektroden getrennte Abteile gebildet sind, deren Umfang aus Isolierkörpern besteht, welche die metallischen Umfangsringe voneinander isolieren.

Statt einer Vorderflächendynode wird aber mindestens für die erste auf die Kathode unmittelbar folgende Sekundäremissionselektrode eine Folie aus Isolierstoff verwendet, die beim Auftreffen von Primärelektronen auf ihre der Kathode zugekehrten Seite Sekundärelektronen auf der anderen Seite abgibt.

Derartige Sekundäremissionselektroden sind an sich bekannt. Es ist auch bekannt, daß mit ihrer Hilfe der Raum, in dem die Primärelektronen erzeugt und gebraucht werden, vollkommen von dem Raum getrennt werden kann, in dem die Sekundärelektronen verwendet werden. Es hat sich gezeigt, daß derartige Sekundäremissionselektroden verschiedene Vorteile für die Zwecke von Photovervielfacherröhren, insbesondere für Bildverstärkerröhren bieten.

Die Nachteile werden bei Elektronenvervielfacherröhren der angegebenen Art erfindungsgemäß dadurch vermieden, daß die Kathode durch die erste Sekundäremissionselektrode von allen jenseits von ihr liegenden Teilen und Räumen der Röhre völlig abgeschirmt ist und daß die Isolierkörper zusammen mit den metallischen Umfangsringen der Sekundäremissionselektroden einen vakuumdicht den Entladungsraum umgebenden Kolben bilden.

Einzelheiten der beschriebenen Einrichtung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einiger Ausführungsbeispiele an Hand der Zeichnung. Hierin ist

F i g. 1 ein Schnitt einer beschriebenen Photovervielfacherröhre,

Fig. 2 ein Schrägbild eines Isolierringes in Fig. 1, Fig. 3 ein Schnitt der Sekundäremissionselektrode in Fig. 1,

F i g. 4 eine vergrößerte Schnittansicht des Drahtnetzes und des sekundäremittierenden Stoffes in Fig. 3,

F i g. 5 ein Schnitt einer anderen Ausführungsform der beschriebenen Röhre,

F i g. 6 ein Schnitt einer Ausführungsform der Einrichtung in Anwendung auf eine Bildverstärkeranordnung und

F i g. 7 ein Schnitt einer weiteren Ausführungsform der Einrichtung in Anwendung auf eine Bildverstärkeranordnung.

_ Die Photovervielfacherröhre nach F i g. 1 besitzt einen evakuierten Glaskolben 10, dessen eines Ende mit einer polierten Glasplatte 11 versehen ist, auf deren Innenseite sich eine Photokathode 12 befindet. Diese kann z. B. aus Caesiumantimonid bestehen. Die beschriebene Einrichtung kann aber nicht nur bei Röhren mit einer Photokathode verwendet werden, sondern kann ebensogut bei Röhren mit einer anderen Kathode, z. B. Glühkathode oder Kaltkathode, Verwendung finden.

Innerhalb des Kolbens 10 sind parallel zueinander und zur Photokathode 12 mehrere scheibenförmige Sekundäremissionselektroden 13 angeordnet, die in bekannter Weise beim Auftreffen von Elektronen auf ihre eine Seite Sekundäremissionen an der anderen Seite zeigen.

Die Elektroden 13 können auf verschiedene an sich bekannte Weise hergestellt werden. Beispielsweise wird ein organischer Film, z. B. Nitrocelluloselack, auf einem Gitter oder einem Drahtnetz niedergeschlagen, indem das Gitter mit Wasser überdeckt und dann das organische Material mit einem Lösungsmittel auf die Wasseroberfläche aufgebracht wird. Während die Lösung sich auf der Wasseroberfläche ausbreitet, verdampft das Lösungsmittel und läßt den organischen Film zurück. Das Wasser wird dann abgelassen, so daß der Film sich auf dem Gitter absetzt. Der Film wird getrocknet und ein elektrisch leitender Stoff, z. B. Aluminium oder Kohlenstoff, auf die freie Oberfläche des organischen Films aufgedampft. Dann wird der organische Film durch Erhitzen verdampft. Die sekundärelektronenemittierende Schicht eines Isoliermaterials wird dann auf den elektrisch leitenden Film aufgedampft. Vor dem Isolator kann eine dünne Schicht aus einem elektronenstreuenden Stoff, wie z. B. Gold, aufgedampft werden. Es wurde gefunden, daß bei Bildung einer Aluminiumschicht, die dicker als die kleinste für das Auftreten einer Leitfähigkeit erforderliche Dicke ist, der Effekt der gleiche bleibt. Es ist nur erforderlich, daß die Masse des leitenden Films je Flächeneinheit so groß ist, daß eine merkliche Streuung auftritt. Die elektrisch leitende Schicht auf dem Gitter und die Sekundärelektronenschicht auf der elektrisch leitenden Schicht stellt die eigentliche Sekundäremissionselektrode dar. Der gitterförmige Träger besteht vorzugsweise aus einer netzförmig geätzten Folie und nicht aus einem gewebten Drahtnetz, da im ersteren Falle zur Unterstützung der dünnen Schicht aus sekundärelektronenemittierendem Material eine ebene Fläche erhalten wird.

Ein anderes Herstellungsverfahren besteht darin, daß die sekundärelektronenemittierende Schicht auf einem bleibenden Film aus einem geeigneten Werkstoff niedergeschlagen wird. Als solches können SiO

oder Al oder Al₂O₃ in einer Dicke von einigen Hundertstel Angstrom dienen. Der Film kann in ähnlicher Weise wie der oben beschriebene organische Film ausgebildet werden. Wenn die Spannung zwischen den Sekundäremissionselektroden genügend hoch ist, kann man auch einen selbsttragenden dünnen Metallfilm an Stelle des Trägergitters und der Sekundäremissionsschicht verwenden. Es kann eine sehr dünne Sekundäremissionsschicht Verwendung finden, besonders wenn eine Elektronenstreuschicht aus einem Metall mit hoher Atomzahl vor der Sekundäremissionsschicht aufgebracht wird, so daß ein einfallendes Elektron einen verhältnismäßig langen Weg durch die Sekundäremissionsschicht zurücklegen muß und hierdurch viele Sekundärelektronen auslöst.

Eine andere Sekundäremissionselektrode ist in der USA.-Patentschrift 2 898 844 beschrieben. Hierbei wird eine dünne Platte aus einem zusammenhängenden Oxyd, z. B. Aluminiumoxyd oder Magnesiumoxyd, verwendet, auf der sich eine leitende Schicht ao und eine Sekundäremissionsschicht befinden.

Die Sekundäremissionselektroden 13 sind durch ringförmige Isolierstücke 14 voneinander getrennt und werden von diesen getragen. Diese Isolierstücke 14 werden an ihrem Umfang durch Isolierstäbe 13 und durch eine Stirnplatte 28 zusammengehalten. In den Zwischenstücken 14 befinden sich Löcher 16 (F i g. 2) zur Evakuierung der Räume zwischen den Elektroden 13 und auch zur Herstellung der elektrischen Anschlüsse zwischen den Elektroden. 13 und der äußeren Spannungsquelle mit Hilfe von Anschlußdrähten 26 und Durchführungen 27. Eine Grundplatte 17 ist mit der letzten Elektrode 13 leitend verbunden und ruht auf einem Flansch 19 auf. Der Flansch 19 bildet den Außenmantel einer koaxialen Ausgangsleitung, deren Innenteil aus der Anode 20 besteht, die vom Flansch durch eine Flanschdichtung 21 isoliert ist. Die Grundplatte 17 weist ein oder mehrere Pumplöcher 29 auf. Ein Kathodenschirm 22, der zur Abschirmung des Kathodenbereiches vom eigentlichen Elektronenvervielfachungsteil dient, ist ebenfalls mit einem Pumploch 23 versehen.

Der Kathodenschirm 22 dient dazu, um zu verhindern, daß größere Mengen des auf der Kathode befindlichen photoemittierenden Materials (Caesium) die übrigen Teile der Röhre erreichen und dort starke Feldemissionen und Dunkelströme hervorrufen könnten. Ferner dient der Kathodenschirm 22 zur Verhinderung des Eindringens gasförmiger Produkte des Sekundäremissionsteils 13 in den Kathodenraum. Das Loch 23 kann während der Aktivierung der Kathode mittels einer Kugel verschlossen werden, die durch einen seitlichen Ansatz 33 eingeführt wird. Der Ansatz 33 wird anschließend abgeschmolzen. Wenn eine vollständige Trennung vom Sekundäremissionsteil gewünscht wird, können der Kathodenschirm 22 und die erste Sekundäremissionselektrode 13 dicht miteinander verbunden werden, ohne daß ein Pumploch eine Verbindung mit der übrigen Röhre herstellt. Es muß dann ein getrennter Pumpstutzen zur Evakuierung des Raumes unterhalb der ersten Sekundäremissionselektrode Verwendung finden. Ein leitender Überzug 24 dient zur elektrischen Verbindung zwischen der Kathode 12 und einer Durchführung 25 im Glaskolben.

Aus F i g. 2 ist ersichtlich, daß das Isolierstück 14 wie erwähnt Pumplöcher 16 aufweist sowie mit einer Nut 30 zur Aufnahme der Sekundäremissionselektrode versehen ist. Die Innenwand des Zwischenstückes, das z. B. aus einem keramischen Werkstoff bestehen kann, ist mit einem Anstrich 31 überzogen, der einen hohen Ohmschen Widerstand aufweist (z. B. Chromoxyd), um eine Aufladung der Wand möglichst klein zu halten. Zum gleichen Zweck sind die Stirnflächen des Zwischenstückes mit einem leitenden Stoff 32 (z. B. Platin) überzogen, der durch Aufdampfen im Vakuum, durch Aufsprühen oder Aufpinseln aufgebracht werden kann.

F i g. 3 zeigt einen vergrößerten Querschnitt einer Sekundäremissionselektrode 13. Auf ein Metallnetz 40, z. B. aus Nickel, sind die eigentlichen Elektrodenschichten 55 aufgebracht. Das Netz wird zwischen zwei Metallringen 41 und 42 gehalten, die ebenfalls aus Nickel bestehen. Ein dritter Ring 43 dient zur Herstellung eines elektrischen Anschlusses an die Leitung 26.

Fig. 4 zeigt einen stark vergrößerten Querschnitt des Metallnetzes 40 der F i g. 3 und der darauf angebrachten Schichten 55. Es handelt sich hier um eine der bereits vorher erwähnten geeigneten Elektrodenanordnungen. Das Netz 40 trägt eine Trägerschicht 50 von etwa 100 Angström Dicke, die aus einem stabilen Material, wie z. B. SiO, besteht. Hierauf befindet sich eine sehr dünne Schicht 51 mit einer Masse von etwa 0,01 mg/cm² aus einem Metall, das zur Streuung der von unten kommenden einfallenden Elektronen 52 und zur Erzielung einer Flächenleitfähigkeit dient. Für diese Leitungs- und Streuschicht kann Aluminium verwendet werden. Die einfallenden Elektronen bilden schließlich Sekundärelektronen 53 in einer Schicht 54 aus Isoliermaterial, die etwa 200 bis 2000 Angström dick ist. Für diesen Zweck hat sich Kaliumchlorid als geeignet erwiesen.

Wie erwähnt, sind auch andere Elektrodenkonstruktionen anwendbar. Die Trägerschicht 50 ist nicht immer erforderlich, da Verfahren erwähnt worden sind, mit deren Hilfe eine leitende Schicht unmittelbar auf dem Metallnetz gebildet werden kann. Auch kann die leitende Schicht selbsttragend sein.

Die in F i g. 1 dargestellte Anordnung ist ein Photovervielfacher, der in bekannter Weise betrieben werden kann. Beispielsweise erzeugt auf die Kathode 12 einfallendes Licht Elektronen, deren emittierte Anzahl proportional zur Intensität der einfallenden Strahlung ist, für welche die Photokathode empfindlich ist. Durch Anlegung fortlaufend höherer positiver Spannungen zwischen den Elektroden 12, 13 und 20 werden die Photoelektronen auf die erste Sekundäremissionselektrode hin beschleunigt. Dort werden an der der Kathode abgewandten Seite Sekundärelektronen in größerer Anzahl als die Anzahl der einfallenden Photoelektronen, aber proportional hierzu erzeugt. Die Sekundärelektronen werden zur zweiten Sekundäremissionselektrode weiter beschleunigt und erfahren dort eine weitere Vervielfachung. Dieser Prozeß wiederholt sich, bis die Elektronen die Anode 20 erreichen, an der ein Signal von viel größerer Intensität abgenommen werden kann, als durch die ursprünglichen Photoelektronen hervorgerufen werden könnte.

Die soeben beschriebene Ausführungsform verringert die Impulsverbreiterung zwischen den Sekundäremissionsstufen 13 sehr stark, da diese planparallel ausgeführt sind. Der Einfluß der anfänglichen

Geschwindigkeitsverteilung der Sekundärelektronen ist durch die höheren Spannungen zwischen den einzelnen Stufen stark verringert, die bei dieser Art von Sekundäremissionselektroden erforderlich sind. Diese betragen etwa 2 bis 4 kV anstatt 100 V je Stufe. Bei dieser Anordnung sind Anstiegszeiten von etwa 3 · 10 ~ⁿ Sekunden erreichbar, also etwa zwei Größenordnungen geringer als diejenigen Werte, die mit den bisher bekannten Röhren erzielbar waren.

Um eine weitere Verkürzung der Impulsanstiegszeit des Vervielfachers zu erzielen, kann die letzte Sekundäremissionselektrode 13 durch ein offenes Gitter ersetzt werden. Hierdurch werden die Elektronen von der vorhergehenden Sekundäremissionselektrode auf eine hohe Geschwindigkeit beschleunigt, und die Anode 20 wird elektrostatisch abgeschirmt, so daß die durch die Röhre wandernde Elektronenwolke von der vorhergehenden Sekundäremissionselektrode keine Ladung im Anodenkreis induzieren kann, bevor die Elektronen tatsächlich auf der Anode auftreffen. Das Gitter soll unmittelbar vor der Anode 20 angebracht, aber so weit von dieser getrennt sein, daß der Raum zwischen Anode und Gitter im wesentlichen feldfrei ist.

Die Kathode 12 kann eine große Oberfläche haben, so daß ihre wirksame Fläche nicht kleiner als die Eintrittsfläche des Photovervielfachers sein muß. Hierdurch wird das Problem der Erzielung einer gleichförmigen Laufzeit von verschiedenen Stellen der Photokathode in eine kleine Eintrittsöffnung des Photovervielfachers vermieden.

Hohe Absaugfeldstärken an der Emissionsfläche der Photokathode 12 und an jeder Sekundäremissionselektrode 13 helfen mit, um die Laufzeitverbreiterung zu verringern. Die kontinuierliche Natur der Elektroden 13 im Gegensatz z. B. zu den Jalousieelektroden gewährleistet die Gleichmäßigkeit dieser hohen Feldstärken und vermeidet die Schwankungen in dem Vervielfachungsgrad von Punkt zu Punkt.

Eine Ionenrückkopplung wird durch die vollständige Isolation der einzelnen Stufen voneinander praktisch ausgeschaltet. Weil bei gegebener Spannung Ionen eine geringere Eindringkraft als Elektronen haben, sind in den letzten Stufen erzeugte Ionen nicht imstande, durch die Elektrodenschichten hindurchzudringen, da die Sekundäremissionselektroden 13 zusammenhängend sind und die isolierenden Zwischenstücke jedenfalls keinen Austritt der Ionen ermöglichen. Ionen können also nicht seitlich entweichen und sind nicht imstande, die Photokathode 12 zu erreichen.

Die Anordnung ist für eine koaxiale Ausgangsleitung geeignet, da die letzte Sekundäremissionselektrode 13, die leitend mit dem Flansch 19 verbunden ist, und die Sammelanode 20 einen Teil einer koaxialen Leitung bilden, die ohne Impedanzänderung außerhalb des Glaskolbens fortgesetzt werden kann. Auf diese Weise werden elektrische Reflexionen vermieden, die zu schlechten Anstiegszeiten führen, und es kann die Eigenschaft der raschen Anstiegszeit der Anordnung voll ausgenutzt werden.

Die Nichtlinearität bei hohen Stromstärken ist infolge der geringen Abstände und hohen Spannungen zwischen den einzelnen Stufen stark verringert. Die bekannten Vervielfacher zeigen bereits Sättigungserscheinungen infolge der Raumladung bei etwa 10 bis 100 mA Scheitelstrom, während die beschriebene Anordnung so ausgeführt werden kann, daß Scheitelströme in der Größenordnung von 1 bis 10 A ohne Nichtlinearität zulässig sind.

Ein langer Kriechstromweg zwischen der Anode 20 und der letzten Sekundäremissionselektrode 13 wird durch die Anordnung der koaxialen Ausgangsleitung automatisch hervorgerufen. Die Grundplatte 17 dient ebenfalls zur Steigerung des Dunkelstromwiderstandes, da hierdurch weniger photoemittierendes Material

ίο von der Kathode 12 die Abschmelzung 21 erreichen kann.

Der Kathodenschirm 22 und die Grundplatte 17 unterstützen beide die Beschränkung des photoemittierenden Werkmaterials auf dem Kathodenraum.

Außerdem verhindern die isolierenden Zwischenstücke 14, daß photoemittierendes Material die Flächen der Sekundäremissionselektroden erreicht, und tragen dadurch dazu bei, daß der Dunkelstrom infolge Elektronenemission von den Elektroden 13 sehr gering gehalten wird. Wie bereits erwähnt wurde, kann der von der Stirnseite 11 der Röhre, dem Kathodenschirm 22 und der Sekundäremissionselektrode 13 begrenzte Kathodenraum vollständig abgeschlossen und getrennt evakuiert werden, um den Dunkelstrom, der durch Niederschlag von photoemittierendem Material auf den Sekundäremissionselektroden entsteht, weiter zu verringern.

Da sowohl die einfallenden als auch die befreiten Elektronen sich in Axialrichtung der Anordnung bewegen, kann auch der Einfluß sehr starker Magnetfelder ausgeschaltet werden, indem einfach die Röhrenachse parallel zu den Kraftlinien orientiert wird. Wenn ein Szintillationszähler in oder in der Nähe starker magnetischer Felder verwendet werden soll, die von Teilchenbeschleunigern erzeugt werden, stellt dies einen sehr wesentlichen Vorteil dar, der bei allen anderen bekannten Elektronenvervielfachern nicht vorhanden ist.

Es kann kaum vorkommen, daß Elektronen die Glaswände des Kolbens 10 erreichen, da sie durch die isolierenden Zwischenstücke 14 bzw. im Anodenraum zusammengehalten werden. Störende Lichtblitze in den Glaswänden, die eine Elektronenemission aus der Photokathode hervorrufen könnten, sind also selten.

Da die Anstiegszeit und damit die Auflösung der Anordnung in der Größenordnung von 5 · 10~ⁿ Sekunden liegt, ist es sehr unwahrscheinlich, daß mehr als ein einziges Dunkelstromelektron von der Kathode 12 in einem Zeitintervall emittiert wird, das gleich der Auflösezeit ist. Infolgedessen können fast keine Dunkelstromimpulse einen starken Impuls bilden, der fälschlich für einen Signalimpuls angesehen werden könnte.

Die Röhre kann bei so hohen Spannungen betrieben werden, daß eine maximale Sekundäremissionsausbeute erreicht wird. In diesem Bereich rufen Spannungsschwankungen keine wesentliche Ausbeuteschwankung hervor, im Gegensatz zu der raschen Ausbeuteschwankung an anderen Stellen der Ausbeutekurve. Bei den bekannten Elektronenvervielfachern treten schon Dunkelströme ein, bevor das Maximum der Ausbeutekurve erreicht werden kann, so daß ihre gesamte Ausbeute sehr empfindlich gegen Schwankungen der Speisespannung ist.

Die Herstellung der beschriebenen Anordnung wird noch dadurch erleichtert, daß Sekundäremissionselektroden der hier verwendeten Art keine For-

mierung in der abgeschmolzenen Röhre benötigen, wie es bei den meisten anderen Sekundäremissionselektroden erforderlich ist.

Selbstverständlich können die Durchführungen 27 in Fig. 1 auch am Röhrenfuß ausgeführt werden.

Eine andere Ausführungsform ist in Fig. 5 dargestellt. Hier sind die Sekundäremissionselektroden 65 in einer metallkeramischen Röhre angeordnet, bei der jede Elektrode 65 von leitenden Trägern 60 gehalten wird, die dicht mit Isolierringen 62 verbunden sind. Die Träger 60 weisen Ringe 61 aus einem Material, das mit Glas oder Keramik verschmolzen werden kann, auf. Als solches kann eine Legierung von etwa 20 % Ni, 17 % Co, 0,2 °/o Mn und Rest Eisen dienen. Die Ringe 61 aus dieser Legierung sind mit Isolierringen 62 aus Glas oder Keramik verschmolzen, die eine Isolierung zwischen den Elektroden bewirken und gleichzeitig den Vakuumskolben bilden. Für die Isolierringe 62 kann ein keramisches Material vom Typ des Aluminiumoxyds dienen. Da die obenerwähnte Legierung magnetisch ist, müssen die Ringe 61 durch unmagnetische Zwischenstücke 63 in einem geringen Abstand von den Sekundäremissionselektroden 65 behalten werden, um zu verhindern, daß sie die Elektronenbahnen beeinflussen. Die nichtmagnetischen Zwischenstücke 63 können z. B. aus einer Nickel-Chrom-Eisen-Legierung oder aus einem Isoliermaterial bestehen, das mit einem Metallfilm überzogen ist. Die nichtmagnetischen Zwischenstücke 63 und die Metallringe 61 können zu einem einzigen Teil aus einem nichtmagnetischen Werkstoff vereinigt sein, das mit Isolatoren aus Glas oder Keramik verschmolzen ist. Diese Zwischenstücke 63 sind mit gestaffelten Pumplöchern 68 ausgestattet, die eine Evakuierung des Kolbens erlauben, aber den ungehinderten Durchtritt photoemittierender Dämpfe von der Kathode 64 durch die Röhre verhindern. Wenn sehr niedrige Dunkelströme erzielt werden sollen, können auch wieder die ersten Halterungen 61 und 63 ununterbrochen gestaltet werden, so daß der Raum zwischen der Kathode 64 und der ersten Sekundäremissionselektrode 65 vollständig abgeschlossen ist, wobei dann für jeden Teil der Röhre ein gesonderter Pumpstutzen vorgesehen ist.

Die Anordnung nach Fig. 5 kann so hergestellt werden, daß durch Lichtbogenspeisung die abwerftselnd aufeinandergelegten Isolierteile 62 und Metallringe 61 miteinander verschweißt werden, wobei die beiden Enden der Röhre offen sind. Die leitenden Ringe 61 können je aus zwei zusammengeschweißten Ringen bestehen, zwischen denen eine Nut 76 zur Aufnahme der Zwischenstücke 63 frei bleibt. Die vorzugsweise ringförmigen Teile 61 können an ihrer Innenkante mit kleinen Kerben versehen sein, durch die die zusammengebauten Sekundäremissionselektroden 65 und Zwischenstücke 63 eingeführt werden können, wobei an den Zwischenstücken 63 entsprechende kleine Vorsprünge vorhanden sind. Wenn die Elektrode sich in der richtigen Lage in der Röhre befindet, gelangt sie durch eine kleine Drehung in ihre Endlage. Es sind verschiedene Mittel zur Verriegelung der Elektrode und zur Erzielung einer guten leitenden Verbindung denkbar.

Die Photokathode kann dadurch gebildet werden, daß der photoemittierende Stoff auf die den Sekundäremissionselektroden abgekehrte Fläche einer lose aufgelegten Glasplatte aufgedampft wird und daß eine Federvorrichtung vorgesehen ist, die das Glas umklappt und so die Kathode in die Endstellung bringt. Auf diese Weise kann das Kathodenmaterial keine Flächen in der Röhre erreichen, die eine unerwünschte Feldemission hervorrufen könnten. Auch ist eine Feldverzerrung durch Aufdampfeinrichtungen vermieden.

Die Ausgangsanode 61 ist ebenfalls an einen Isolierteil angeschweißt, der einen Teil des Vakuumkolbens bildet. Die Anode 69 gehört zum Innenleiter einer Koaxialleitung, deren Außenleiter mit dem Haltering 61 der letzten Sekundäremissionselektrode verbunden ist.

Die Halteringe 61, die teilweise durch den Vakuumkolben hindurchreichen, dienen zur induktionsannen Verbindung zwischen den Elektroden 65 und einem außerhalb angebrachten Spannungsteiler 58. Diese Anordnung ist kompakt und kann leicht hergestellt werden. Da nur die Außenkanten der Ringe 61 verschweißt werden, brauchen die Elektroden selbst nicht erhitzt zu werden. Es ist auch kein besonderer äußerer Vakuumkolben wie in F i g. 1 nötig.

Wie man leicht sieht, können der Raum zwischen der Kathode 64 und der ersten Sekundäremissionselektrode 65 und die Räume zwischen den nachfolgenden Sekundäremissionselektroden vollständig voneinander getrennt werden. Die Evakuierungslöcher 68 können sehr klein sein. Der Kathodenraum braucht nicht einmal mit einem Evakuierungsloch versehen zu sein, das mit den zwischen den Elektroden befindlichen Räumen in Verbindung steht, sondern kann getrennt ausgepumpt werden. Auch hier läßt sich also eine vollständige Unterteilung der Röhre in einzelne Räume erzielen, wobei gleichzeitig das Erfordernis eines gesonderten Vakuumkolbens weggefallen ist. Eine Abschirmung gegen magnetische Streufelder, die senkrecht zur Röhrenachse verlaufen, wird automatisch durch die beschriebenen Ringe aus ferromagnetischem Material gebildet.

F i g. 6 zeigt einen Photovervielfacher, der sich in

einer Bildverstärkerröhre befindet. Die Anordnung entspricht im allgemeinen derjenigen nach Fig. 5. Auch die Anordnung nach F i g. 1 kann zur Verwendung in einen Bildverstärker herangezogen werden. Die Sekundäremissionselektroden 65 werden von einem oder mehreren Metallringen 60 getragen, die mit isolierenden Zwischenstücken 62 verschmolzen sind. Der Bildverstärker hat ein ebenes Wiedergabefenster 70, an dessen Innenseite sich ein Leuchtschirm befindet, der z. B. aus aluminisiertem Phosphor 71 bestehen kann. Das Bild wird mittels einer Linse 73 auf der Kathode 64 entworfen. Die Bildverstärkeranordnung befindet sich in einer Fokussierungsspule 72, die ein homogenes Magnetfeld erzeugt.

Die Anordnung kann mit einer Spannung von 2,5 kV zwischen den einzelnen Sekundäremissionselektroden 65 und 10 kV zwischen der letzten Elektrode 65 und dem Leuchtschirm 71 betrieben werden. Bei einer praktisch ausprobierten Ausführungsform betrug der Abstand zwischen den einzelnen Sekundäremissionselektroden 7,5 mm, während die Kathode 64 und der Leuchtschirm 71 einen Abstand von 15 mm von der ersten bzw. letzten Sekundäremissionselektrode hatten. Die Photokathode war mit Gold belegt. Mit dieser Anordnung wurde einen Elektronengewinn von 1500 erreicht.

Die angegebenen Spannungen und Abstände sind nicht kritisch. Zum Beispiel war bei anderen Röhren

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ein Betrieb mit Spannungen zwischen etwa 2 und 5 kV zwischen den Sekundäremissionselektroden und etwa 7 bis 15 kV zwischen der letzten Sekundäremissionselektrode und der Ausgangselektrode möglich. Bei weiteren Abständen der Elemente werden Vorzugsweise höhere Spannungen verwendet. Ein Magnetfeld von etwa 500 bis 1000 Gauß war ausreichend zur Fokussierung der Elektronen.

Zwischen der ersten und der zweiten Sekundäremissionselektrode 65 befindet sich ein Steuergitter 74 aus dünnem Draht, das eine sehr rasch ansprechende Blendenwirkung besitzt. Das Steuergitter 74 ist für gewöhnliche Bildverstärkeranwendungen nicht erforderlich. Um aber sich rasch bewegende Objekte zu photographieren, sind sehr kurze Belichtungszeiten erforderlich. Dies trifft z. B. bei der Untersuchung elektrischer Entladungen, Stoßwellen und mikroskopischer Brüche zu, bei denen Ereignisse schon photographiert wurden, die sich mit mehr als 10* MHz bewegten. Dies gelang aber bisher nur unter Verlust von Lichtstärke sowie unter Verwendung von Hochspannungsimpulsen bzw. einer hohen Kapazität des Steuerelements. Eine weitere Verringerung der Belichtungszeit wurde durch diese Faktoren verhindert. Mittels des Steuergitters 74 aus dünnem Draht und einer koaxialen Eingangsleitung, die mit der erfindungsgemäßen Scheibenanordnung möglich geworden sind, läßt sich die Belichtungszeit auf etwa 5 · 10~¹⁰ Sekunden herabdrücken. Gegebenenfalls können natürlich weitere Gitter vorgesehen sein.

Die Herstellung einer Anordnung nach F i g. 5 unter Zwischenfügung eines oder mehrerer Steuergitter nach F i g. 6 kann leicht dadurch geschehen, daß Isolierstücke 62 von etwa der halben Dicke des gewünschten Elektrodenabstandes verwendet werden. Es wird dann nur nach jedem zweiten Isolierring eine Sekundäremissionselektrode eingesetzt, während an den Zwischenstellen ein Steuergitter oder eine Ersatzanordnung eingefügt wird.

Von der Kathode 64 werden Photoelektronen frei gemacht und durch ein planparalleles Feld beschleunigt, das von der Fokussierungsspule 72 geliefert wird. Sie gelangen so auf die erste Sekundäremissionselektrode 50 und befreien auf deren anderer Seite Sekundärelektronen. Wenn das Gitter 74 genügend stark negativ gegen die erste Sekundäremissionselektrode ist, also gegen diese eine Spannung von etwa 10 bis 20 V hat, werden die Sekundärelektronen zur Umkehr gezwungen, und es erscheint kein Bild auf dem Bildschirm 71. Durch Anlegung eines positiven Spannungsimpulses von etwa 20 bis 50 V an das Gitter 74 können die Elektronen von der ersten Elektrode 65 während jeder gewünschten Zeitdauer durchgelassen werden und erzeugen durch nachfolgende Multiplikation ein verstärktes Bild auf dem Bildschirm 71. Dieses Bild kann dann photographiert oder in anderer Weise ausgewertet werden, z. B. durch eine Fernsehkamera aufgenommen oder auf einem Nachleuchtschirm unmittelbar beobachtet werden.

F i g. 7 zeigt eine Anordnung, die ähnlich wie diejenige nach F i g. 5 und 6 konstruiert ist. Hierbei sind jedoch die Sekundäremissionselektroden 65, die Photokathode 64 und der Leuchtschirm 71 nicht mehr eben, sondern gekrümmt, verlaufen aber nach wie vor parallel. Hierdurch wird erreicht, daß immer noch die Elektronenbahnen zwischen aufeinanderfolgenden Stufen gleich lange gerade Linien darstellen. Ferner erhält man für einige Anwendungen besondere Vorteile Da nämlich die aufeinanderfolgenden Stufen eine immer größere Fläche haben, läßt sich hierdurch eine Bildvergrößerung sowie eine Helligkeitssteigerung erreichen. Auch kann eine solche Anordnung leicht bei gewissen optischen Systemen, z. B. einem Schmidtsystem, verwendet werden, die ein gekrümmtes Bild erzeugen, das auf der gekrümmten Kathode entworfen werden kann. Zur Verwendung als Bildverstärker wird man ein solches optisches System verwenden und auch eine Magnetspule vorsehen, die eine entsprechende Feldgestalt erzeugt. Die aufeinanderfolgenden Sekundäremissionselektroden erhalten dann Abstände, die den Fokussierungsbedingungen eines ungleichförmigen Magnetfeldes entsprechen. Meist ist hierbei ein größerer Abstand zwischen den späteren Stufen an Stelle der gleichmäßigen in Fig. 7 gezeigten Abstände erforderlich. Natürlich sind auch hierbei die einzelnen Elektroden nach wie vor parallel zueinander angeordnet. Das optische System und die Fokussierungsspule sind in F i g. 7 nicht dargestellt. Die Tatsache, daß die einzelnen Teile der Anordnung hier gekrümmt sind, bedeutet keine Schwierigkeit in der Herstellung, und die oben für ebene Teile angegebenen Herstellungsverfahren sind im allgemeinen auch hier anwendbar. Die Tragringe 61 und können entweder eben oder gewölbt sein.

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Elektronenvervielfacherröhre mit im Entladungsraum zwischen Kathode und Anode angeordneten Sekundäremissionselektroden, die leitend mit je einem metallischen Umfangsring verbunden sind, derart, daß zwischen den aufeinanderfolgenden Elektroden getrennte Abteile gebildet sind, deren Umfang aus Isolierkörpern besteht, welche die metallischen Umfangsringe voneinander isolieren, wobei wenigstens die erste auf die Kathode unmittelbar folgende Sekundäremissionselektrode eine Folie aus Isolierstoff aufweist, die beim Auftreffen von Primärelektronen auf ihre der Kathode zugekehrte Seite Sekundärelektronen auf der anderen Seite abgibt, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode (64) durch die erste Sekundäremissionselektrode von allen jenseits von ihr liegenden Teilen und Räumen der Röhre völlig abgeschirmt ist und daß die Isolierkörper (62) zusammen mit den metallischen Umfangsringen (61) der Sekundäremissionselektroden (65) einen vakuumdicht den Entladungsraum umgebenden Kolben bilden.

2. Vervielfacherröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die metallischen Umfangsringe (61) teilweise durch den Kolben nach außen ragen.

3. Vervielfacherröhre nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Umfangsring (61) aus einem vakuumdicht mit den Isolierringen verbundenen ferromagnetischen Ring besteht, der von der zugehörigen Sekundäremissionselektrode (65) durch ein unmagnetisches leitendes Zwischenstück (63) getrennt ist.

4. Vervielfacherröhre nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode, die Sekundäremissionselektroden und die Anode gekrümmt sind.

5. Vervielfacherröhre nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen zwei Sekundäremissionselektroden ein aus einem Drahtnetz bestehendes Steuergitter (74) angeordnet ist.

6. Vervielfacherröhre nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode (69) koaxial zu den Sekundäremissionselektroden angeordnet ist und aus einem leitenden Teil besteht, der den Innenleiter einer

koaxialen Ausgangsleitung bildet, während mit der letzten Sekundäremissionselektrode ein leitender Teil (66) verbunden ist, der den Außenleiter der koaxialen Leitung bildet.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Patentschriften Nr. 735 552, 875 840; deutsche Auslegeschrift Nr. 1062 355; Handbuch der Physik, Bd. XXI (1956), S. 232.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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