DE1219131B - Sekundaerelektronenvervielfacher - Google Patents

Description

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Deutsche Kl.: 21g-13/19

Nummer: BHHHH
Aktenzeichen: B 73425 VIII c/21 g
Anmeldetag: 7. September 1963

:etag:

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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Sekundärelektronenvervielfacher mit einem länglichen Rohr, auf dessen Innenseite sich eine sekundäremissionsfähige Widerstandsschicht befindet, die beim Hindurchleiten eines elektrischen Stromes einen Spannungsabfall aufweist, der ein beschleunigendes Feld für in das eine Ende des Rohres eintretende Primärelektronen und im Rohr erzeugte Sekundärelektronen in dem Rohr erzeugt.

Bei den bekannten Sekundärelektronenvervielfachern besteht eines der mit der Verwendung solcher Vorrichtungen zusammenhängenden Probleme darin, möglichst viele Primärteilchen in die Vervielfachungsröhre oder -röhren eintreten und auf die sekundäremissionsfähigen Flächen auftreffen zu lassen.

Es sind verschiedene Vorschläge bekanntgeworden, wie der Eintritt einer Höchstzahl von Primärteilchen sichergestellt werden soll. Als Beispiel sei auf die Anwendung eines parallel zur Längsausdehnung des Beschleunigungskanals liegenden elektrostatischen Feldes verwiesen, bei welcher die Primärteilchen auf der emissionsfähigen, seitlichen Oberfläche ausschließlich infolge der transversalen Komponenten ihrer Anfangsgeschwindigkeiten auftreffen, die ihnen senkrecht zur Längsrichtung des Kanals statisch erteilt werden. Es können noch verschiedene elektronenoptische Typen angeführt werden, die sich entweder bei einem schräg abgeschnittenen Eintrittsende des Beschleunigungskanals ergeben oder bei abgeschrägter Gestaltung des Endes der sekundäremissionsfähigen Innenauskleidung in Verbindung mit einem in bezug auf die Längsrichtung des Kanals geneigten elektrostatischen Feld, wobei die Wahrscheinlichkeit des Auftreffens der Primärteilchen auf die sekundäremissionsfähige Oberfläche gesteigert wird.

Eine größere Wirksamkeit und eine bemerkenswerte Einfachheit des Aufbaues des Sekundärelektronenvervielfachers der eingangs angegebenen Art wird dadurch erzielt, daß erfindungsgemäß das Rohr in wenigstens einem wesentlichen Teil seiner Länge konisch ist. Dadurch wird eine quer zur Rohrachse liegende Flächenkomponente der sekundäremissionsfähigen Schicht geschaffen, so daß die Auftreffwahrscheinlichkeit erhöht wird. Außerdem erhält man durch die konische Gestalt des Rohres eine Vergrößerung oder Verkleinerung des Elektronenstrahlquerschnittes, die bei Anwendung in elektronenoptischen Systemen zur Vergrößerung bzw. Verkleinerung eines Bildes ausgenutzt werden kann.

Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform enthält eine solche Vorrichtung ein Bündel aus einer Vielzahl dicht nebeneinander angeordneter Rohre, Sekundärelektronenvervielfacher

Anmelder:

The Bendix Corporation, Detroit, Mich.

(V. St. A.)

Vertreter:

Dr.-Ing. H. Negendank, Patentanwalt,

Hamburg 36, Neuer Wall 41

Als Erfinder benannt:

George W. Goodrich, Oak Park, Mich.;

James R. Ignatowski, Warren, Mich.;

James E. Norman, Blacksburg, Va. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 19. September 1962
(224742)

dem am einen Ende aus einer gemeinsamen Quelle Primärelektronen zugeführt werden, und das am anderen Ende den Strom der Elektronen an die Oberfläche eines gemeinsamen Kollektors abgibt. Der , dem am einen Ende aus einer gemeinsamen Quelle der Primärteilchen eine Photokathode sein. Es, zeigt ; F i g. 1 eine perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform,

F i g. 2 einen der Symmetrieebene folgenden Längsschnitt,

Fig. 3 eine Längsschnittansicht eines Röhrenbündels aus Röhren nach F i g. 1 und 2,

F i g. 4 ein Röhrenbündel, bei dem jedes Rohr nur in der Nähe seines Eingangs einen konischen. Teil aufweist,

F i g. 5 ein Diagramm, in dem die Verstärkung einer konischen Röhre, verglichen mit dem einer bekannten zylindrischen Röhre, dargestellt ist,

F i g. 6 eine Schnittansicht einer dritten Art der Ausführung.

Entsprechend der in Fig. 1 und 2 veranschaulichten Ausführungsart ist ein im ganzen konisch gestaltetes Rohr 21 innen mit einer sekundäremissionsr

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fähigen Widerstandsschicht 22 ausgekleidet. Um einen Anhaltspunkt zu geben, beträgt der Oberflächenwiderstand der Schicht 22 beispielsweise 10⁹ Ohm/cm². Eine Spannung von mindestens 1000 Volt wird am Ende 23 der Schicht 22. angelegt. Das Ende 24 ist geerdet, und ein kreisförmiger Kollektor 25 unter einer Spannung von 100 Volt ist in unmittelbarer Nähe des Endes 24 angebracht, um die Sekundärelektronen aufzufangen. Die Anwendung dieser Spannung an deri Enden der' WiMrstandsschicht 22 erzeugt einen Potentialabfall entlang dieser Schicht. Man kann das Netz äquipotentialer Linien 26 und das Orthogonalnetz der Linien des elektrischen Feldes im Innern des Raumes, der durch das Rohr 21 umgrenzt ist, zeichnen. Die Linien gleichen Potentials 26 sind leicht einwärts gekrümmt infolge der Randeinwirkung und des Potentialgradienten, der nach Maßgabe der Annäherung an das Ende 24 des Rohres zunimmt, welches den schwächsten Querschnitt darstellt. Auf Grund der Tatsache, daß der Rohrquerschnitt mehr und mehr abnimmt, nach Maßgabe der Annäherung an die Ebene des Endes 24, wächst der Widerstand je Längeneinheit im Innern des Rohres mehr und mehr, und der Potentialgradient stellt einen immer steiler werdenden Abfall dar. Die Primärelektronen, die beispielsweise von der Photokathode eines Bildverstärkers emittiert werden, treten in das erweiterte Ende 23 des Rohres 21 ein und werden entlang der Linien des elektrischen Feldes 27 beschleunigt, bis sie auf die sekundäremissionsfähige Widerstandsschicht 22 auftreffen. Infolge der im Augenblick des Auftreffens auf die Schicht 22 frei werdenden Energie ruft jedes Primärelektron die Bildung einer gewissen Anzahl sekundärer Elektronen hervor.

Dank einer Ausführungsart, wie sie in den F i g. 1 und 2 veranschaulicht ist, ist im Vergleich zu einer zylindrischen Röhre die Wahrscheinlichkeit stark erhöht, daß die eintretenden Primärelektronen auf die Schicht 22 auftreffen. Die frei gewordenen Sekundärelektronen werden ihrerseits durch das elektrische Feld 27 in Richtung auf einen anderen Teil der Schicht 22 beschleunigt, um eine neue Vervielfachung hervorzurufen. Der Kollektor 25 nimmt die aus der Vervielfachung hervorgehenden Sekundärelektronen auf und führt sie einem Meß- oder Registrierinstrument zu. Im Fall eines Bildverstärkers ist der Kollektor 25 ein Fluoreszenzschirm, welcher die Energie der eintretenden Sekundärelektronen in Lichtenergie umwandelt.

Eine Herstellungsart eines konischen Rohres 21 ist wie folgt: Eine zylindrische Röhre wird erhitzt und über einem konischen Formklotz so lange unter Druck gepreßt, bis die gewünschte Form erhalten wird. Das zur Herstellung des Rohres 21 verwendete Glas hat einen erhöhten Bleianteil, beispielsweise 25 oder mehr Prozent an Bleioxyd, so daß, wenn die Röhre während mehrerer Stunden bei einer Temperatur im Bereich zwischen 345 und 375° C von einem Wasserstoffstrom durchflossen worden ist, sich eine Widerstandsschicht 22 gebildet hat. In der Ausführungsart nach F i g. 1 und 2 beträgt der Winkel α, der durch zwei diametral gegenüberliegende Mantellinien gebildet ist, etwa 16°; der Durchmesser des Endes 24 ist ungefähr 1 mm, der des Endes 23 ungefähr 1 cm; die Länge des Rohres beträgt etwa 3,3 cm.

Die Charakteristiken des Rohres nach F i g. 1 und 2 sind in F i g. 5 veranschaulicht, in welcher die Verstärkung, d. h. das Verhältnis der von dem Rohr am Ausgang abgegebenen Leistung zu der Leistung, die ihr am Eingang zugeführt worden ist, auf der Ordinate in logarithmischem Maßstab aufgetragen ist, und die Potentialdifferenz zwischen den beiden Enden des Rohres auf der Abszisse. Die Kurvet stellt die Charakteristiken des konischen Rohres 21 mit einem Scheitelwinkel von 16°, die Kurve B die einer vergleicliter^^|piyiri§chen Röhre dar. Ein Vergleich der beiden kurven verdeutlicht den Vorteil der Anwendung eines konischen Rohres gegenüber einer bekannten zylindrischen Röhre.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsart kann eine Vielzahl von Röhren der beschriebenen Art, beispielsweise tausende, in einem in F i g. 3 veranschaulichten Bündel gruppiert werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsart liegen die Endflächen 33 und 34 in parallelen, zur Längsachse des Bündels senkrecht stehenden Ebenen, nachdem die einzelnen Rohre zu einem einheitlichen Bündel vereinigt worden sind. Es hat sich in einigen Fällen als nützlich erwiesen, daß die beiden Endflächen 33 und 34 die Form einer sphärischen Kalotte annehmen, so daß jedes Rohr mit Bezug auf seine individuelle Längsachse senkrechte Endflächen aufweist.

Eine leitfähige Auskleidung 33 a und 34 a ist in entsprechender Weise auf die Flächen 33 und 34 aufgebracht, und zwar in der Weise, daß alle nichtleitfähigen Auskleidungen untereinander elektrisch verbunden sind. Die leitfähige Auskleidung 33 a ist mit einer Quelle negativer Spannung von weniger als 1000 Volt verbunden und die Auskleidung 34 a geerdet. Da eine Quelle 35 von Primärelektronen gegenüber dem Ende 33 angebracht ist, während ein KoI-lektor 36 gegenüber dem Ende 34 der Einheit 31 angebracht ist, hat diese Einheit eine verkleinernde Wirkung. Wenn die Quelle 35 eine Photokathode und der Kollektor 36 ein phosphoreszierender Schirm ist, wird das von der Photokathode gelieferte Bild auf dem Schirm als Bild mit verkleinerten Dimensionen, aber sehr viel größerer Helligkeit wiedergegeben. Wenn man die Position von Quelle und Kollektor einerseits und die angelegten Spannungswerte andererseits auswechselt, wird das Bild von dem Kollektor im Vergleich zu dem primär gelieferten Bild vergrößert.

Gemäß einer in Fig. 4 veranschaulichten Ausführungsart werden Rohre 40 von im allgemeinen zylindrischer Gestaltung verwendet, welche eine konische Erweiterung in der Nähe ihres Eingangs aufweisen. Jedes Rohr 40 besteht aus einem äußeren Teil 41 aus einer isolierenden Substanz, welche im Innern mit einer Schicht 42 aus einer nichtleitenden, sekundäremissionsfähigen Substanz ausgekleidet ist, wobei der isolierende Teil 41 einen sich am Rohreingang nach außen zu erweiternden Kegel bildet. Eine Quelle von Primärelektronen 44 befindet sich parallel zu den Eingängen, und ein Kollektor 45 befindet sich parallel zu den Ausgängen. Ein solcher Vervielfacher hat eine beträchtlich erhöhte Wirksamkeit, da ein höherer Prozentsatz von Primärteilchen in die Vervielfachungsröhren eintritt, wie auch infolge der erhöhten Wahrscheinlichkeit, daß ein Primärteilchen auf die sekundäremissionsfähige Oberfläche auftrifft. Es ist nicht von entscheidender Bedeutung für die Festigkeit des Rohrbündels, daß die Stärke der zwei nebeneinanderliegende Rohre trennenden Wand am Eingang 43 sehr reduziert ist, so daß die Oberflächen, auf welchen

auftreffende Primärteilchen verlorengehen können, auf ein Minimum reduziert sind. Die Stärke der Trennwand im zylindrischen Bereich der Rohre genügt, um der Gesamtvorrichtung die erforderliche Festigkeit zu vermitteln. Die leitenden Auskleidungen 43 α und 44 a sind auf den Endflächen der Rohrbündel angebracht. Sie sind mit den entsprechenden Spannungsquellen verbunden. In der durch F i g. 4 veranschaulichten Ausführungsart sind die Längsachsen der Rohre untereinander parallel.

Gemäß der in F i g. 6 veranschaulichten Ausführungsart besteht das röhrenartige Verstärkerelement

50 aus den beiden konischen Teilen 51 und 52, die sich in ihrem Scheitel derart gegenüberstehen, daß die Röhre eine Art Einschnürung als Zwischenstück aufweist. Hierbei kann ein beliebiges der beiden Enden als Eingang genommen werden. Die beiden konischen Teile sind von ungleicher Länge, wobei der Teil 52 entsprechend der Darstellung in F i g. 6 größer ist als der Teil 51. Eine Spannungsquelle 53, welche mit den Enden einer nichtleitenden und sekundäremissionsf ähigen Auskleidung 54 verbunden und dauerhaft mit dem Innern der Röhre 50 verbunden angebracht ist, stellt das erforderliche Potentialgefälle längs dieser Auskleidung her. Primärelektronen 55 treffen auf die Wände des konischen Röhrenteils 51 auf. Die Vervielfachungswirkung setzt sich längs des zweiten konischen Teils 52 fort. Da letzterer eine größere Öffnung als der konische Teil

51 aufweist, ergibt sich ein Vergrößerungseffekt in dem Bild.

Der beschriebene Vervielfacher kann auch für die Verbesserung der Übertragungsbedingungen für Signale benutzt werden. Unter Benutzung eines konisch erweiterten Ausgangs, wie ihn F i g. 6 zeigt, wird die dem Auftreffen der Elektronen sich anbietende Oberfläche bedeutend vergrößert. Es ergibt sich daraus, daß die Dichte der Elektronen in Nähe der Auffallfläche reduziert wird und die Vervielfachungsvorgänge unter günstigeren Bedingungen stattfinden.

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Sekundärelektronenvervielfacher mit einem länglichen Rohr, auf dessen Innenseite sich eine sekundäremissionsfähige Widerstandsschicht befindet, die beim Hindurchleiten eines elektrischen Stromes einen Spannungsabfall aufweist, der ein beschleunigendes Feld für in das eine Ende des Rohres eintretende Primärelektronen und im Rohr erzeugte Sekundärelektronen in dem Rohr erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (21, 40, 50) in wenigstens einem wesentlichen Teil seiner Länge konisch ist.

2. Sekundärelektronenvervielfacher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Rohres vom Eintrittsende der Primärelektronen aus abnimmt (F i g. 1).

3. Sekundärelektronenvervielfacher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Rohres vom Eintrittsende der Primärelektronen aus zunimmt.

4. Sekundärelektronenvervielfacher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Rohres vom Eintrittsende der Primärelektronen aus zunächst abnimmt und zum Austrittsende der Elektronen hin zunimmt.

5. Sekundärelektronenvervielfacher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Bündel aus einer Vielzahl dicht nebeneinander angeordneter Rohre (21, 40) vorgesehen ist, dem an einem Ende aus einer gemeinsamen Quelle Primärelektronen zugeführt werden und das am anderen Ende den Strom der Elektronen an die Oberfläche eines gemeinsamen Kollektors (36,45) abgibt.

6. Sekundäremissionsvervielfacher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollektor ein Fluoreszenzschirm ist.

7. Sekundäremissionsvervielfacher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektronenquelle eine Photokathode (35, 44) ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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