DE1238579B

DE1238579B - Elektronenvervielfacher mit einer konkav gekruemmten Flaeche aus einem sekundaeremissionsfaehigen Widerstandsmaterial

Info

Publication number: DE1238579B
Application number: DER35403A
Authority: DE
Inventors: Edward Granville Ramberg
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1962-06-26
Filing date: 1963-06-11
Publication date: 1967-04-13
Also published as: US3239709A; GB1033935A; NL294533A; BE633901A

Description

DEUTSCHES WTWWS PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Deutsche KL: 21 g -13/19

Nummer: 1238579

Aktenzeichen: R 35403 VIII c/21;

1238 579 Anmeldgtag: 11. Juni 1963

Auslegetag: 13. April 1967

Die Erfindung betrifft einen Elektronenvervielfacher mit einer konkav gekrümmten Fläche aus einem sekundäremissionsfähigen Widerstandsmaterial, deren längs der Krümmung beabstandete Enden im Betrieb zur Erzeugung eines Beschleunigungsfeldes auf verschiedenem Potential liegen, und mit einer feldformenden und die vervielfachten Elektronen sammelnden Elektrodenanordnung.

Ein Elektronenvervielfacher mit den oben angegebenen Merkmalen ist aus F i g. 3 der schweizerischen Patentschrift 234444 bekannt. Der bekannte Vervielfacher hat einen wendeiförmigen Kolben, indem eine in Achsrichtung verlaufende, streifenförmige vervielfachende Elektrode und eine ihr gegenüberliegende Absaugeelektrode eingebaut sind. Diese beiden Elektroden sind als Potentiometer geschaltete Platten, jedoch ist nur die vervielfachende Elektrode aktiviert, d. h. geeignet, Sekundärelektronen abzugeben. Die an die Elektroden angelegten Spannungen sind so gewählt, daß ein Punkt eines bestimmten Potentials auf der Absaugeelektrode nicht genau radial dem Punkt des entsprechenden Potentials auf der vervielfachenden Elektrode gegenüberliegt, sondern um ein kleines Maß diesem gegenüber verschoben ist.

Es ist aus dieser Patentschrift auch bekannt, den Kolben als kompliziert gekrümmtes, zusammengeknäueltes Rohr auszubilden, dessen ganze Innenwand aktiviert ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Elektronenvervielfacher der eingangs genannten Art anzugeben, die sich durch einen einfachen Aufbau auszeichnen, einen guten Wirkungsgrad haben und mit geringer Exemplarstreuung hergestellt werden können.

Dies wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß an den Enden der zylindrisch geformten Fläche zwei ebene feldformende Elektroden angeordnet sind, die von der Fläche in Richtung auf die Zylinderachse vorspringen und im Betrieb auf unterschiedlichen Potentialen liegen, die in Verbindung mit den an den Enden der zylindrischen Fläche liegenden Potentialen so bemessen sind, daß die Äquipotentialflächen des Beschleunigungsfeldes etwa radial zu der zylindrisch geformten Fläche verlaufen.

Vorzugsweise ist die am im Betrieb negativen Ende der sekundäremissionsfähigen Fläche angeordnete feldformende Elektrode elektrisch mit diesem Ende verbunden.

Nach einer weiteren Ausgestaltung des Elektronenvervielfachers ist die bei dem positiven Ende der sekundäremissionsfähigen Fläche angeordnete feld-Elektronenvervielfacher mit einer konkav
gekrümmten Fläche aus einem
sekundäremissionsfähigen Widerstandsmaterial

Anmelder:

Radio Corporation of America,
ίο New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter:

Dr.-Ing. Ε. Sommerfeld, Patentanwalt,
München 23, Dunantstr. 6

Als Erfinder benannt:
Edward Granville Ramberg,
Southampton, Pa. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 26. Juni 1962 (205 359)

formende Elektrode mit diesem Ende elektrisch verbunden, und vor dieser feldformenden Elektrode ist eine getrennte Kollektorelektrode angeordnet, die aus einem Netz bestehen kann.

Die bei dem im Betrieb positiven Ende der sekundäremissionsfähigen Fläche angeordnete feldformende Elektrode kann auch von diesem Ende isoliert und als Kollektorelektrode geschaltet sein.

Es kann zumindest der Teil der Fläche, der an das im Betrieb negative Ende angrenzt, als Photokathode ausgebildet sein.

Der spezifische Flächenwiderstand der sekundäremissionsfähigen Fläche liegt vorzugsweise zwischen IO³ und IO¹⁰ Ohm.

Bei einem Elektronenvervielfacher mit einem zylindrischen Kolben, dessen Innenwand die sekundäremissionsfähige Fläche in Form einer Schicht aufgebracht ist, springt ein Teil der Kolbenwand keilförmig bis etwa zur Kolbenachse nach innen vor, und die feldformenden Elektroden sind auf den beiden Seiten des keilförmig nach innen vorspringenden Kolbenteils angeordnet.

Der beschriebene Elektronenvervielfacher wird an Hand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt

709 549/327

Fig. 1 eine Querschnittsansicht durch eine Elektronenvervielfacherröhre mit Photokathode,

Fig. 2 ein Axialschnitt in einer Ebene 2-2 der Fig.l,

Fig. 3, 4 und 5 Schnittansichten anderer Ausführungsformen von Vervielfacherröhren und

Fig. 6 eine Schnittansicht einer anderen Ausführungsform einer sekundäremissionsfähigen Oberfläche für den beschriebenen Elektronenvervielfacher.

F i g. 1 zeigt eine Vervielfacherröhre 10, die einen annähernd zylindrischen Kolben 12, der beispielsweise aus Glas bestehen kann, enthält.

Auf die Innenfläche des Kolbens 12 ist eine sekundäremissionsfähige Schicht 14 aufgebracht, für die der Glaskolben als Träger dient. Selbstverständlich können auch andere Trägerteile als der Kolben verwendet werden. Die sekundäremissionsfähige Schicht 14 ist eine Widerstandsschicht und soll einen Flächenwiderstand von mindestens IO⁵Ohm besitzen, um die Verlustleistung klein zu halten. Außerdem soll der Gesamtwiderstand kleiner sein als das Verhältnis der an die Dynodenschicht angelegten Spannung, geteilt durch den gewünschten Ausgangsstrom. Der maximale spezifische Flächenwiderstand beträgt daher etwa IO¹⁰ Ohm.

Die Größe des spezifischen Widerstandes ist dadurch nach oben begrenzt, daß der Spannungsabfall an der Widerstandsschicht, der durch den Querstrom verursacht wird, größer sein soll als der Spannungsabfall, der durch den in der Widerstandsschicht fließenden Emissionsstrom verursacht wird. Der Emissionsstrom soll also die Feldverteilung nicht stören.

Die Widerstandsschicht 14 kann sowohl strahlungsempfindlich als auch sekundäremissionsfähig sein. Sie kann beispielsweise aus einer Caesiumantimonidschicht bestehen. Man kann auch Widerstandsschichten verwenden, die keine Photoemission zeigen, z. B. die Kombination einer Magnesiumoxydschicht auf einer Widerstandsschicht aus Zinnoxyd, die einen hohen Sekundäremissionsfaktor hat.

Innerhalb des Kolbens 12 befinden sich zwei ebene feldformende Elektroden 16, 18. Die feldformenden Elektroden 16, 18 bestehen aus einem leitenden Werkstoff, z. B. aus Nickel. Die Zeichnung zeigt, daß sich die Elektroden 16, 18 jeweils von der Kolbenwand bis fast zur Mittelachse der zylindrischen Widerstandsschicht 14 radial nach innen erstrecken und daß die äußeren Enden der beiden Elektroden 16, 18 bei den beiden Enden der Widerstandsschicht 14 liegen. Zwischen den beiden feldformenden Elektroden 16, 18 auf der Wand des Kolbens befindet sich ein isolierender Bereich 20. Die Widerstandsschicht 14 bedeckt also nicht die ganze Innenfläche des Kolbens 12.

Ein Teil der Oberfläche einer der feldformenden Elektroden 16, z. B. der Teil, der an die Kolbenwand angrenzt, kann mit einer photoemissionsfähigen Schicht 22 überzogen sein, wenn die Schicht 14 nicht photoemissionsfähig ist. Die photoemissionsfähige Fläche 22 kann hinsichtlich ihrer Empfindlichkeit in einem speziellen Wellenlängenbereich geeignet gewählt werden. Eine weitere Alternative besteht darin, ein photoempfindliches Material auf einem kurzen Stück der Kolbenwand 12 angrenzend an die negative feldformende Elektrode 16 aufzubringen, während der Rest der Schicht 14 aus einem

Material besteht, das hinsichtlich seiner Sekundäremissionseigenschaften ausgewählt wurde.

Im Betrieb der Röhre 10 wird durch eine äußere Spannungsquelle 23 zwischen den Enden der Widerstandsschicht 14 angrenzend an die beiden feldformenden Elektroden 16, 18 eine Potentialdifferenz in der Größenordnung von einem oder mehreren tausend Volt aufrechterhalten. Das an die Elektrode 16 angrenzende Ende der Widerstandsschicht 14 wird also negativ und das an die Elektrode 18 angrenzende Ende positiv vorgespannt. Das negative Ende der Widerstandsschicht 14 kann elektrisch mit der angrenzenden feldformenden Elektrode verbunden sein, ebenso bei bestimmten Ausführungsformen die photoemissionsfähige Fläche 22. Das positiv vorgespannte Ende der Widerstandsschicht 14 endet bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform nahe vor der benachbarten feldformenden Elektrode 18. Im Betrieb arbeitet die Elektrode 18 als Elektronenkollektor, der mit einem Arbeitswiderstand 24 verbunden ist. Der Kollektor ist bezüglich Masse vorgespannt, vorzugsweise über eine Gleichspannungsquelle 25.

Die beschriebene Vervielfacherröhre arbeitet folgendermaßen: die photoemissionsfähige Fläche 22 emittiert Elektronen, wenn sie von einer Strahlung 26 getroffen wird. Die von der Photokathode ausgehenden Elektronen gelangen in den Einfluß eines elektrischen Feldes, das bei der angegebenen Form der feldformenden Platten 16, 18 und bei gleichförmigem Flächenwiderstand der Schicht 14 an allen Punkten tangential gerichtet ist. Die radial verlaufenden Äquipotentialflächen dieses Feldes sind in F i g. 1 durch die gestrichelten Linien 28 dargestellt. Das elektrische Feld lenkt die Elektronen in Richtung längs der Röhrenwand zum positiven Ende der sekundäremissionsfähigen Widerstandsschicht 14 ab. Der Elektronenweg 30 ist in F i g. 1 eingezeichnet.

Der mittlere Winkelabstand zwischen dem Emissionspunkt und dem Auftreffpunkt eines Elektrons auf der Wand ist bei einer angelegten Gesamtspannung in der Größenordnung von 1000 Volt etwa 0,5 rad. Da sich die Schicht über 5 rad, nämlich über etwa vier Fünftel des Röhrenumfanges erstreckt, beträgt die Auftreffenergie jeweils etwa 100 eV. Bei dieser Auftreffenergie erzeugt jedes Primärelektron etwa vier Sekundärelektronen, wenn eine gute sekundäremissionsfähige Schicht verwendet wird. Diese vier Sekundärelektronen laufen im Mittel wieder 0,5 rad in Richtung auf die Kollektorelektrode 18, bevor sie wieder auf die Schicht 14 auftreffen und insgesamt etwa 16 Sekundärelektronen erzeugen. Bei den angegebenen Verhältnissen ergeben sich auf diese Weise etwa zehn Vervielfacherstufen, so daß die Stromverstärkung insgesamt etwa IO⁶ beträgt, bevor die Elektronen die Kollektorelektrode 16 erreichen. Wenn der Sekundäremissionsfaktor der Widerstandsschicht 14 kleiner als 4 ist, ergibt sich natürlich ein entsprechend kleinerer Verstärkungsgrad der Röhre. Die Verstärkung kann andererseit durch Erhöhung der zwischen die Enden der Widerstandsschicht 14 angelegten Potentialdifferenz vergrößert werden, da dann sowohl die Auftreffenergie als auch die Anzahl der Vervielfacherstufer größer werden.

Die Vervielfacherröhre erfordert drei nach außen geführte Anschlüsse, nämlich einen negativen Kathodenanschluß, einen Anschluß an das positive Ende der Widerstandsschicht 14 (Anodenanschluß)

Claims

und einen Anschluß an die Kollektorelektrode 18. Diese Anschlüsse können in bekannter Weise vakuumdicht zu einer Sockelkonstruktion herausgeführt sein. Die Einführungen können auch direkt durch die Seitenwand des Kolbens 12 durchgeführt werden. An Stelle der aus Blech bestehenden feldformenden Elektroden 16, 18 kann man auch leitende Schichten verwenden, die von isolierenden Platten getragen werden. Wenn die Elektrodenstruktur am Ende offen ist, sollte ihre Länge in Richtung der Achse der Röhre 10 mindestens gleich dem Durchmesser der Anordnung sein. Der Grund hierfür liegt darin, daß gewährleistet sein soll, daß die elektrischen Felder in der Nähe des Mittelteiles der Anordnung ausreichend durch die feldformenden Elektroden 16, 18 und die Widerstandsschicht 14 bestimmt werden. Wenn sich das obere und untere Ende der Widerstandsschicht 14 bis zu einem Punkt nahe der Achse ao der Röhre 10 erstreckt, d. h., wenn die Schicht sich auch auf der Oberfläche der oberen und unteren Stirnseite des Kolbens fortsetzt, wie in F i g. 2 gezeigt ist, kann die Höhe der Anordnung beträchtlich kleiner gehalten werden. F i g. 3 zeigt eine andere Ausführungsform des Elektronenvervielfachers. Die hier dargestellte Röhre 40 unterscheidet sich von der in F i g. 1 dargestellten Ausführungsform darin, daß vor der positiven Feldelektrode 44 eine Elektrode 42 aus einem feinen Netz vorgesehen ist. Die Feldelektrode 44 kann mit dem positiven Ende der sekundäremissionsfähigen Widerstandsschicht 14 verbunden werden. Bei Anschluß an einen Arbeitswiderstand und eine Vorspannungsquelle + V1 arbeitet die Netzelektrode 42 im Betrieb der Röhre als Kollektor. Die in F i g. 4 dargestellte Röhre enthält eine massive Kollektorelektrode 50. Die Kollektorelektrode 50 ist direkt vor der positiven Feldelektrode 52 angeordnet. Bei dieser Ausführungsform ist die positive feldformende Elektrode direkt an das positive Ende der sekundäremissionsfähigen Widerstandsschicht 14 angeschlossen. F i g. 5 zeigt eine Ausführungsform, bei der die Kolbenwand nach innen gedrückt ist und einen V-förmigen Keil 58 bildet. Die Feldelektroden 60, 62 bestehen aus getrennten leitenden Schichten, z. B. aus Zinnoxyd, auf der keilförmigen Einbuchtung 58. Wie aus der Zeichnung ersichtlich ist, kann sich anschließend an die negative Feldelektrode 60 eine Photokathode 64 befinden, die aus einem anderen Material besteht als die sekundäremissionsfähige Schicht 66. F i g. 6 zeigt eine weitere Ausführungsform, die ein Mosaik 70 aus winzigen leitenden sekundäremissionsfähigen Elementen enthält, die auf einer Widerstandsschicht 72 niedergeschlagen sind. Ein Vorteil einer solchen Anordnung besteht darin, daß innerhalb der sekundäremissionsfähigen Elemente des Mosaiks 70 kein Potentialgradient herrscht, d. h., der Potentialgradient ist auf die Widerstandsschicht 72 begrenzt. Ein Beispiel eines sowohl sekundäremissionsfähigen als auch photoemissionsfähigen Mosaiks ist z. B. das übliche Mosaik der Speicherplatte einer Ikonoskop-Fernsehaufnahmeröhre. Ein solches Mosaik besteht gewöhnlich aus Kügelchen aus oxydiertem Silber, die mit Caesium aktiviert sind. Die Widerstandsschicht kann auch ein aus mit Caesium akti- viertem Antimon bestehendes Mosaik sein, das durch ein feines Netz aufgedampft worden ist. Selbstverständlich kann die in F i g. 6 schematisch dargestellte Widerstands- und Mosaikschicht auch bei den in Verbindung mit F i g. 1 bis 5 dargestellten Ausführungsbeispielen Verwendung finden. Ein Magnetfeld und/oder eine Spannungsquelle wechselnder Polarität sind im Betrieb dieser Röhren nicht erforderlich. Die beschriebenen Röhren besitzen einen höheren Wirkungsgrad als Röhren, die mit Magnetfeldern arbeiten. Patentansprüche:

1. Elektronenvervielfacher mit einer konkav gekrümmten Fläche aus einem sekundäremissionsfähigen Widerstandsmaterial, deren längs der Krümmung beabstandete Enden im Betrieb zur Erzeugung eines Beschleunigungsfeldes auf verschiedenem Potential liegen, und mit einer feldformenden und die vervielfachten Elektronen sammelnden Elektrodenanordnung, dadurch gekennzeichnet, daß an den Enden der zylindrisch geformten Fläche (14; 66; 70, 72) zwei ebene feldformende Elektroden (22, 60 bzw. 18, 44, 52, 62) angeordnet sind, die von der Fläche in Richtung auf die Zylinderachse vorspringen und im Betrieb auf unterschiedlichen Potentialen liegen, die in Verbindung mit den an den Enden der zylindrischen Fläche liegenden Potentialen so bemessen sind, daß die Äquipotentialflächen des Beschleunigungsfeldes etwa radial zu der zylindrisch geformten Fläche verlaufen.

2. Elektronenvervielfacher nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die am im Betrieb negativen Ende der sekundäremissionsfähigen Fläche angeordnete feldformende Elektrode (22, 60) elektrisch mit diesem Ende verbunden ist.

3. Elektronenvervielfacher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die bei dem positiven Ende der sekundäremissionsfähigen Fläche angeordnete feldformende Elektrode (44, 52) mit diesem Ende elektrisch verbunden ist und daß vor dieser feldformenden Elektrode eine getrennte Kollektorelektrode (42, 50) angeordnet ist.

4. Elektronenvervielfacher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kollektorelektrode aus einem Netz (42) besteht (F i g. 3).

5. Elektronenvervielfacher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die bei dem im Betrieb positiven Ende der sekundäremissionsfähigen Fläche angeordnete feldformende Elektrode (18, 62) von diesem Ende isoliert und als KoI-lektorelektrode geschaltet ist.

6. Elektronenvervielfacher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest der Teil der Fläche, der an das im Betrieb negative Ende angrenzt, als Photokathode ausgebildet ist.

7. Elektronenvervielfacher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der spezifische Flächenwiderstand der sekundäremissionsfähigen Fläche zwischen IO⁵ und IO¹⁰ Ohm liegt.

8. Elektronenvervielfacher nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem zylindrischen Kolben, auf dessen Innenwand die sekun-