DE1237226B - Betriebsschaltung fuer einen Elektronen-vervielfacher als Signalverstaerker - Google Patents

Description

DEUTSCHES #Ä PATENTAMT DeutscheKI.: 21g-13/40 AUSLEGESCHRIFT

Nummer: 1237 226

Aktenzeichen: P 28310 VIII c/21 g

Anmeldetag: 27. November 1961

Auslegetag: 23. März 1967

Die Erfindung betrifft eine Betriebsschaltung für einen Elektronenvervielfacher als Signalverstärker mit einer Reihe aufeinanderfolgender Vervielfacherstufen, die jeweils von zwei aufeinanderfolgenden Dynoden gebildet werden, denen aus einer Vorspannungsquelle Beschleunigungsspannungen zugeführt werden, wobei in der Spannungszuführleitung zu einer der Dynoden (Regeldynode) ein Widerstand zur Erzielung einer automatischen Verstärkungsregelung vorgesehen ist, dessen Spannungsabfall sich zu der äußeren Vorspannung auf der der Regeldynode voraufgehenden Dynodenstrecke addiert und damit bei starken Eingangssignalen die Elektronenlaufzeit in dieser Dynodenstrecke verkürzt. Bei diesen Elektronen vervielfach ern treten unterschiedliche Elektronengeschwindigkeiten auf, so daß unterschiedliche Übergangslaufzeiten zwischen aufeinanderfolgenden Elektroden zu Phasenänderungen in dem Signal führen.

Bekanntlich weist ein Elektronenvervielfacher eine Kathode, welche Primärelektroden emittiert, sowie mehrere in Abständen angeordnete, Sekundärelektronen emittierende Elektroden auf, die als Dynoden bezeichnet werden und auf deren erste die von der Kathode kommenden Primärelektroden aufprallen; ferner ist eine Anode vorgesehen, welche die Sekundärelektronen emittierenden Elektrode aufnimmt und von welcher das Ausgangssignal abgeleitet wird. An den Sekundärelektronen emittierenden Elektroden, die aufeinanderfolgende Vervielfacherstufen darstellen, liegen Beschleunigungsspannungen.

Üblicherweise ist eine automatische Verstärkungsregelung in dem Elektronenvervielfacher erwünscht. Dies kann in der Weise geschehen, daß wenigstens ein Widerstand in Reihe mit einer der Sekundärelektronen emittierenden Elektroden vorgesehen wird, was jedoch eine Phasenverschiebung in dem Signal veranlaßt. In allen Fällen, in denen eine außerordentlich genaue Phasenlage des Signals erforderlich ist, ist diese Phasenverschiebung sehr unerwünscht.

Ein Beispiel für ein derartiges System, in welchem eine Phasenverschiebung des Signals äußerst unerwünscht ist, stellt ein Farbfernsehempfänger dar, bei welchem zur Farbbilderzeugung eine Kathodenstrahlröhre vom Indextyp Verwendung findet. Bei der bevorzugten Ausführungsform einer derartigen Röhre sind auf dem Schirm die das Farbbild erzeugenden Streifen sowie Indexstreifen vorgesehen, .auf welche die Elektronen im Verlauf der zeilenweisen Abtastung des Schirms quer über die Streifen hin auftreffen. Die Indexstreifen dienen der Erzeugung Betriebsschaltung für einen Elektronenvervielfacher als Signalverstärker

Anmelder:
PhiIco 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:

Melvin Leonard Erickson, Ivyland, Pa. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 29. November 1960
(72450)

eines Indexsignals, das zur zeitlichen Koordination zwischen Strahlstellung und -modulation dient; eine derartige Koordination ist für die richtige Farbwiedergabe bei der Erzeugung des Farbbildes wesentlich. In einem derartigen System gibt die Phase des Indexsignals die Strahlstellung wieder, und es kann daher keinerlei nennenswerte Phasenverschiebung des Indexsignals hingenommen werden, da sie einen merkbaren Fehler im Farbbild verursachen würde.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform eines derartigen Systems emittieren die Indexstreifen beim Auftreffen von Elektronen unsichtbare Strahlung, und zur Umwandlung dieser Strahlung in ein elektrisches Signal dient ein Elektronenvervielfacher mit Photokathode. Um ein Indexsignal von im wesentlichen konstanter Amplitude zu erhalten, ist — wie bereits erwähnt — eine automatische Verstärkungsregelung in dem Elektronenvervielfacher erwünscht. Dies führt jedoch zu einer Phasenänderung des Signals, die in diesem Falle äußerst unerwünscht ist.

Wie oben bereits erwähnt, werden in einem Elektronenvervielfacher als Signalverstärker an die aufeinanderfolgenden Elektroden Beschleunigungsspannungen gelegt. Diese Spannungen werden in einfacher Weise von Anzapfungen eines Spannungsteilers ab-

709 520/30+

genommen, der an einer Gleichspannungsquelle liegt. Legt man zur Erzielung einer automatischen Verstärkungsregelung einen Widerstand in Reihe mit einer der Sekundärelektronen emittierenden Elektroden, d. h. zwischen diese Elektrode und ihre zugehörige Spannungsteileranzapfung, so erhöht der Spannungsabfall an diesem Widerstand die Potentialdifferenz zwischen dieser Elektrode und der vorhergehenden Elektrode und verringert den Potentialunterschied zwischen dieser Elektrode und der nächstfolgenden Elektrode. Hierdurch erzielt man zwar eine automatische Verstärkungsregelung, jedoch tritt eine Laufzeitänderung auf, die eine entsprechende Änderung der Phase des Signals bewirkt.

Bei der Betriebsschaltung werden die erwähnten unerwünschten, mit einer automatischen Verstärkungsregelung bei Elektronenvervielfachern verbundenen Phasenänderungen im wesentlichen vermieden, wenn gemäß der Erfindung eine solche Bemessung der Schaltmittel vorgenommen wird, daß die in der zo der Regelsynode voraufgehenden Dynodenstrecke auftretende Laufzeitverkürzung in den nachfolgenden Entladungsstrecken bis zur Anode im wesentlichen ausgeglichen wird.

Durch diese einfache Maßnahme wird erreicht, daß die mit einer automatischen Verstärkungsregelung bei Elektronenvervielfachern bisher verbundenen Phasenänderungen des verstärkten Signals zuverlässig vermieden werden.

Dabei kann gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorgesehen sein, daß zur Vermeidung von Phasenänderungen des zu verstärkenden Signals die Parameter des Elektronenvervielfachers, der Vorspannungsschaltung und des an der Regeldynode liegenden Widerstands so gewählt sind, daß sich für die beiden Verstärkungsstufen bzw. Dynodenstrecken, welchen die Regeldynode gemeinsam ist, gleiche Elektronenlaufzeiten ergeben.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung für einen Elektronenvervielfacher mit wenigstens drei in Abständen angeordneten Dynoden, deren mittlere die Regeldynode darstellt, mit welcher der Widerstand verbunden ist, ist die Betriebsschaltung dabei so bemessen, daß die Parameter des Elektronenvervielf achers, der Vorspannungsschaltung und des Widerstands die Beziehung

d± ₌ f ^Ei + ^IR
d₂ ]/E₂ - IR

50

erfüllen, worin d₁ den Abstand zwischen der ersten und der zweiten oder Regeldynode, d₂ den Abstand zwischen der zweiten oder Regeldynode und der dritten Dynode, E₁ die äußere Vorspannung zwischen der ersten und der zweiten Dynode, E₂ die äußere Vorspannung zwischen der zweiten und der dritten Dynode, / den Nennwert des durch den Widerstand fließenden Stroms und R den Wert dieses Widerstands bedeutet.

Bei einem Elektronenvervielfacher der genannten Art, bei welchem die drei genannten Dynoden in gleichen Abständen voneinander angeordnet sind und die äußere Vorspannung an der der Regeldynode voraufgehenden Dynodenstrecke kleiner als die an der auf die Regeldynode folgenden Dynodenstrecke liegende äußere Vorspannung ist, kann dabei gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung die Bemessung so getroffen sein, daß die

Parameter der Vorspannungsschaltung und des Widerstands die Bedingung

erfüllen, worin E₁ die äußere Vorspannung der der Regeldynode voraufgehenden Dynodenstrecke, E₂ die äußere Vorspannung an der auf die Regeldynode folgenden Dynodenstrecke, / den Nennwert des Stromflusses durch den Widerstand und R den Wert dieses Widerstandes bedeutet.

Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann auch vorgesehen sein, daß im Anodenkreis ein zusätzlicher Widerstand vorgesehen ist, welcher die Vorspannung der Anode im Sinne einer Verlängerung der Laufzeit der auf die Anode auftreffenden Elektronen zur Kompensation der durch den Widerstand zur Erzielung der automatischen Verstärkungsregelung verursachten vorhergehenden Laufzeitverkürzung bewirkt.

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

F i g. 1 ein Schaltschema eines Signalverstärkers gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,

F i g. 2 eine erläuternde schematische Darstellung,

F i g. 3 ein Schaltschema eines Signalverstärkers gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung.

In F i g. 1 ist ein Signalverstärker mit einem Elektronenvervielfacher mit Photokathode 10 dargestellt, wie er beispielsweise in einem Farbfernsehsystem der beschriebenen Art Anwendung finden kann. Der Elektronenvervielfacher weist eine Photokathode 11, eine Anode 12 sowie eine Reihe von Sekundärelektronen emittierenden Elektroden, d. h. Dynoden, auf; im gezeigten Ausführungsbeispiel sind sechs derartige Elektroden vorhanden und mit 1 bis 6 bezeichnet. An den Dynoden liegen Beschleunigungsspannungen, die von den Anzapfpunkten eines Spannungsteilers abgenommen werden, welcher die in Reihe liegenden Widerstände 13 bis 19 umfaßt. Der Spannungsteiler liegt in Reihe mit einer Gleichspannungsquelle, welche durch die Batterie 20 wiedergegeben ist.

Im Betrieb emittiert die Photokathode 11 beim Auftreffen von Licht Primärelektronen. Infolge der räumlichen Anordnung der ersten Dynode 1 und der an dieser liegenden Beschleunigungsspannung treffen die Primärelektronen auf diese Dynode auf und veranlassen sie zur Emission einer vervielfachten Anzahl von Sekundärelektronen. Diese Sekundärelektronen werden aufeinanderfolgend unter der Wirkung der an den anderen Dynoden liegenden Beschleunigungsspannungen auf diese gezogen. In jeder Dynodenstufe findet eine Vervielfachung statt, derart, daß der Gesamtvorgang aus einer Reihe von Vervielfachungen je nach der Anzahl der Dynodenstufen besteht. Das verstärkte Signal wird an der mit der Anode 12 verbundenen Induktivität 21 abgenommen.

Zur Erzielung einer automatischen Verstärkungsregelung ist in der zu der Dynode 5 führenden Anzapfleitung ein Widerstand 22 vorgesehen. Dies bewirkt, wie ohne weiteres ersichtlich, eine automatische Verstärkungsregelung durch Änderung der zwischen den Dynoden 5 und 6 liegenden Beschleunigungsspannungen. Hier wird aber auch die er-

Claims (1)

1. 5 6

   wähnte unerwünschte Phasenverschiebung in das Si- Zur Abgleichung der Laufzeiten zwischen den

   gnal eingeführt, wie nun im folgenden beschrieben Dynoden 4 und 5 einerseits und den Dynoden 5

   werden soll. und 6 andererseits gibt man den Widerständen 17

   Normalerweise sind die an dem Spannungsteiler und 18 solche Werte, daß E₁ kleiner als E₂ wird,

   abgenommenen Spannungen im wesentlichen gleich, 5 Sodann wählt man den Widerstand 22 für den Nenn-

   um gleiche Potentialdifferenzen zwischen den aufein- wert des Stroms I, so daß die an ihm abfallende

   anderfolgenden Dynoden zu erhalten. Bei Einbe- Spannung IR gleich der Hälfte aus der Differenz der

   Ziehung des Widerstandes 22 jedoch werden die Spannungen E₂ und E₁ wird.

   Potentialunterschiede zwischen den Dynoden 4 und 5 In F i g. 3 ist eine andere Ausführungsform darge- und zwischen den Dynoden 5 und 6 durch die an dem io stellt, bei welcher die unerwünschte Phasenverschie-Widerstand 22 abfallende Gleichspannung verändert. bung auf andere Weise im wesentlichen ausgeschal-Diese letztgenannte Spannung setzt sich mit der an tet wird. Die an dem Widerstand 22 a abfallende dem Widerstand 17 liegenden Spannung additiv, mit Spannung verringert die Laufzeit zwischen den der an dem Widerstand 18 liegenden jedoch subtrak- Dynoden 4 und 5 und verursacht eine Phasenvertiv zusammen; sie erhöht daher die Potentialdifferenz 15 Schiebung. In diesem Fall wird nun jedoch der zwischen den Dynoden 4 und 5 und verringert die Widerstand 18 a wesentlich kleiner als der Wider-Potentialdifferenz zwischen den Dynoden 5 und 6. stand 17 a, beispielsweise etwa halb so groß wie der Dies bewirkt eine Abnahme der Laufzeit zwischen Widerstand 17 a, gewählt. Die Spannung an dem den Dynoden 4 und 5 und eine Zunahme der Lauf- Widerstand 18 α ist daher so klein, daß, nach Abzug zeit zwischen den Dynoden 5 und 6. Die Laufzeit 20 der an dem Widerstand 22 a abfallenden Spannung, zwischen zwei aufeinanderfolgenden Dynoden ist die an der Dynode 6 liegende Spannung so klein wird, durch die Beziehung daß sie die Elektronen nicht mehr anzuziehen ver-

   d mag; diese werden vielmehr, an der Dynode 6 vorbei,

   t = K .—. (1) direkt zu der Anode 12 gezogen.

   ι 25 Zur Kompensation bzw. Aufhebung der durch den gegeben, worin t die Laufzeit, K eine Konstante, d Widerstand 22 a bewirkten Phasenverschiebung ist den Abstand zwischen den Dynoden und V die zwischen Anode 12 und Masse ein Widerstand 23 Potentialdifferenz zwischen den Dynoden bedeutet. vorgesehen. Dieser Widerstand beeinträchtigt die Da d konstant ist, ist die Laufzeit umgekehrt propor- Wirkung der automatischen Verstärkungsregelung tional der Quadratwurzel aus der Potentialdifferenz 30 nicht. Die an dem Widerstand 23 infolge des diesen zwischen den Dynoden veränderlich. Die Laufzeiten durchfließenden Stroms abfallende Spannung stellt zwischen den Dynoden 4 und 5 einerseits und den eine negative Vorspannung für die Anode dar und Dynoden 5 und 6 andererseits sind daher umgekehrt erhöht dadurch die Laufzeit zwischen der Dynode 5 proportional zu der Quadratwurzel aus den betref- und der Anode, wodurch die Verringerung der Laufenden Potentialdifferenzen veränderlich. Als Ergeb- 35 zeit zwischen den Dynoden 4 und 5 kompensiert nis dieser Laufzeitänderungen gelangt eine Phasen- wird. Der Widerstand 23 ergibt somit eine Kompenverschiebung in das Signal. sation, ohne die automatische Verstärkungsregelung Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform zu beeinflussen. Durch geeignete Wahl der Widerwird diese unerwünschte Phasenänderung im wesent- stände 22 α und 23 kann erreicht werden, daß die liehen durch Wahl geeigneter bestimmter Werte für 40 durch sie bewirkten Phasenverschiebungen einander diejenigen Schaltungselemente, welche der geregelten aufheben.

   Dynode 5 zugeordnet sind, vermieden. Dies wird im _ . . , . , * r-, 1 · ^ - ^

   folgenden an Hand von F i g. 2 erläutert, in welcher ^B? ^eme* Praktischen Ausführung des m F1 g. 3

   nur der hier interessierende Teil des Systems darge- gezeigten Ausfuhrungsbeispiels hatten die emzelen

   stellt ist 45 Schaltelemente folgende Werte:

   Wie aus Fig. 2 ersichtlich, werden sich dann Widerstand 13a 30kOhm

   gleiche Laufzeiten zwischen den Dynoden 4 und 5 widerstände 14a bis 17a 15 kOhm

   einerseits und den Dynoden 5 und 6 .andererseits er- nrunu

   geben, wenn das Verhältnis der Entfernungen d_± und Widerstand 18 a /,5 kUnm

   d₂ gleich dem Verhältnis der Quadratwurzel aus den 50 Widerstand 19 a 10 kOhm

   Potentialdifferenzen zwischen den Dynoden 4 und 5 Widerstand 22 a 150 kOhm

   einerseits und die Dynoden 5 und 6 andererseits Widerstand 23 47kOhm

   ist. Gibt man die an dem Widerstand 22 liegende

   Spannung durch IR wieder, wobei / der durch diesen Man erkennt, daß bei der Ausführungsform nach

   Widerstand fließende Strom und R sein Widerstands- 55 Fig. 3, in welcher die Elektrode 6 übergangen wird,

   wert ist, so beträgt die Potentialdifferenz zwischen diese als Vervielfacherstufe unwirksam wird. Man

   den Dynoden 4 und 5 E₁+IR, die zwischen den könnte daher fragen, ob es nicht besser wäre, den

   Dynoden 5 und 6 E₂-IR. Für gleiche Laufzeiten Widerstand 22a in Reihe mit der Elektrode 6 zu

   muß daher die folgende Bedingung erfüllt sein: legen und den Widerstand 18 a gleich groß wie den

   Λ V ⁶⁰ Widerstand 17 a zu wählen. Eine derartige Ausfüh-

   —L _ _1 ¹^" (2) rung ist jedoch, wie nicht näher ausgeführt wird,

   d₂ }'E₂ - IR ' weniger vorteilhaft als die Ausführung nach Fig. 3.

   Sind, wie dies normalerweise der Fall ist, d_x und Patentansprüche:
   d, gleich, so ergibt die Auflösung der vorstehenden „ „ _x . , , . ... . „, , ^

   Gleichung nach IR ^{65 1-} Betnebsschaltung fur einen Elektronenver-

   vielfacher als Signalverstärker mit einer Reihe IR = g ~ 1 . (3) aufeinanderfolgender Vervielfacherstufen, die je-

   2 weils von zwei aufeinanderfolgenden Dynoden ge-