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Bildaufnahmeröhre mit einer Sekundärelektronen emittierenden halbleitenden
Speicherschicht Die Erfindung betrifft eine Bildaufnahmeröhre mit Elektronenstrahlabtastung
einer Speicherschicht, bei der die rückkehrenden Elektronen zur Auswertung der auf
der Speicherschicht befindlichen Information verwendet werden.
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Viele Bildaufnahrneröhren u. dgl. beruhen auf dem Prinzip, daß beim
Auftreffen einer elektromagnetischen Strahlung auf eine Schicht aus einem photoleitenden
Material die Leitfähigkeit desselben sich ändert. Demgemäß ändert sich auch die
Stärke des bei Anlegung einer Spannung fließenden Stromes gemäß der Strahlungsintensität.
Einige Photoleiter, insbesondere diejenigen mit Empfindlichkeit in einem breiten
Frequenzband, beispielsweise die Manganoxyde, haben einen geringen spezifischen
Widerstand. Der Widerstand ist also bereits ohne Bestrahlung der Schicht recht gering
und nimmt bei Bestrahlung noch weiter ab. Damit ergibt sich bei Spannungsanlegung
an der unbelichteten Schicht ein Dunkelstrom, der ziemlich hohe Werte annehmen kann.
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Wird auf der Schicht ein Bild entworfen, so ist die Widerstandsverringerung
an den einzelnen Stellen abhängig von der jeweiligen Bildhelligkeit. Die entsprechende
Stromstärkeverteilung auf der Schichtfläche führt zu einem Ladungsbild auf einer
Oberfläche der Schicht, das dem entworfenen Bild entspricht. Die Oberfläche wird
dann mit einem Elektronenstrahl abgetastet, um die in Form des Ladungsbildes gespeicherte
Information abzulesen. Die beiden Oberflächen der Schicht können dabei als Belegungen
eines Kondensators angesehen werden, die sich durch die Schicht entladen. Ist der
Widerstand gering, so kann die Zeitkonstante der Entladung so kurz sein, daß nicht
genügend Bildinformation gespeichert wird, bevor diese durch den Elektronenstrahl
abgelesen wird. Bei der bekannten Vidicon-Röhre lädt der ablesende Elektronenstrahl
die Schichtoberfläche auch wieder auf, so daß sie abermals neue Bildinformation
ansammeln und speichern kann. Wegen der verhältnismäßig hohen Amplitude des Dunkelstromes
können jedoch Schwankungen des Dunkelstromes den Nutzstrom überdecken und hierdurch
einen niedrigen Störabstand und damit eine geringe Empfindlichkeit hervorrufen.
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Es ist bekannt, daß eine zweite Elektronenstrahlquelle, die einen
gleichmäßig über die Speicherschicht verteilten Elektronenschauer (Flutstrahl) oder
einen zweiten gleichmäßigen Abtaststrahl erzeugt, zur Lieferung des Dunkelstromes
herangezogen werden kann. Die unkontrollierte Verwendung eines solchen zweiten Elektronenstrahls
kann jedoch unter ungünstigen Bedingungen zu sehr unerwünschten Ergebnissen führen.
Wenn nämlich der den Dunkelstrom liefernde Strahl nicht mit der richtigen Energie
auf die Speicherschicht auftrifft, so kann er das Ladungsbild zerstören. Auch kann
es vorkommen, daß der zweite Elektronenstrahl eine so starke Sekundäremission an
der Speicherschicht hervorruft, daß das hierdurch erzeugte Rauschen im Ausgangskreis
die Bildströme unkenntlich macht oder jedenfalls stark verschlechtert.
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Die mit der Erfindung gelöste Aufgabe besteht darin, eine Bildaufnahmeröhre
mit einer Sekundärelektronen emittierenden halbleitenden Speicherschicht, die von
einem langsamen Elektronenstrahl abgetastet wird, wobei die von der Speicherschicht
rückkehrenden Elektronen in einer Auffangvorrichtung gesammelt und ausgewertet werden,
während der gesamte in der Speicherschicht fließende Dunkelstrom größtenteils von
einem zweiten Elektronenstrahl aufgebracht wird, derart zu verbessern, daß die aufgezeigten
Nachteile nicht auftreten.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Energie
des zweiten Elektronenstrahls so gewählt ist, daß der Arbeitspunkt im negativen
Widerstandsbereich der Sekundäremissionskurve des Schichtwerkstoffs liegt, sowie
daß eine Lochblende zwischen der Auffangvorrichtung und der Speicherschicht im Zusammenwirken
mit Ablenkelektroden einen kleinen Bereich der Speicherschicht um die Auftreffstelle
des Abtastelektronenstrahls ausblendet, so daß nur die rückkehrenden Primärelektronen
und
die in diesem Bereich emittierten Sekundärelektronen zur Auffangvorrichtung
gelangen können.
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Es ist eine Bildaufnahmeröhre bekannt, bei der sich zwischen der Auffangvorrichtung
der Speicherschicht eine Lochblende befindet. Die bekannte Lochblende dient aber
nur zur Abschirmung der Speicherschicht gegen die Strahlkathode und zur Trennung
der letzteren von der Auffangvorrichtung. Zu diesem Zweck sind auf der der Speicherschicht
abgewandten Seite der Lochblende Ablenkplatten vorgesehen, welche die rückkehrenden
Elektronen von den durch die Kathode emittierten Strahlelektronen trennen. Eine
Ausblendung eines kleinen, die AuftreffsteIle des Abtaststrahls umgebenden Schichtbereichs
ist mit dieser Anordnung nicht möglich und auch nicht angestrebt, denn ein Flutstrahl,
der die unerwünschte Elektronenmission an nicht abgetasteten Stellen hervorrufen
könnte, ist hier nicht vorhanden.
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Demgegenüber sind erfindungsgemäß die Ablenkplatten so angeordnet,
daß sie nicht von der ausgeblendeten Stelle der Schicht herkommende Elektronen derart
ablenken, daß diese nicht durch die Lochblende eintreten und von dort zur Auffangvorrichtung
gelangen können. Die Ablenkplatten befinden sich zu diesem Zweck zwischen Speicherschicht
und Lochblende.
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Durch den Betrieb im negativen Widerstandsbereich der Sekundäremissionskurve
wird gewährleistet, daß die Sekundäremission mit der Potentialdifferenz der betreffenden
Schichtstelle gegen die Strahlkathode zunimmt, so daß auch bei längerer Speicherzeit
keine Verschlechterung der gespeicherten Information eintreten kann. Unter Beachtung
dieses negativen Widerstandswertes läßt sich der Schichtwiderstand so einstellen,
daß die Zeitkonstante der Speicherschicht, d. h. das Produkt aus Schichtwiderstand
und Schichtkapazität, größer als die Zeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden Abtastungen
ist.
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In Wirklichkeit brauchen die Elektronenstrahlen nicht selbst den Dunkelstrom
oder Signalstrom zu liefern, sondern liefern die Elektronen, welche die durch diese
Ströme bewirkte Aufladung kompensieren. Der Einfachheit halber werden aber nachstehend
die Elektronenstrahlen so behandelt, als ob sie diese Ströme liefern würden.
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Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung erläutert. Hierin ist F i
g. 1 eine schematische Darstellung der Beziehung zwischen den verschiedenen Strömen
einer Bildröhre mit Strahlrückkehr, F i g. 2 ein Längsschnitt der erfindungsgemäßen
Röhre, F i g. 3 und 4 graphische Darstellungen typischer Sekundäremissionskurven
für verschiedene Speicherschichtwerkstoffe.
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Die Beziehung zwischen den verschiedenen Strömen in einer Bildröhre
mit StrahIrückkehr ergeben sich aus F i g. 1. Der spezifische Widerstand bzw. die
spezifische Leitfähigkeit der Speicherschicht 33 ändert sich entsprechend der Belichtungsintensität.
Ein Elektronenstrahl ib wird von einer Elektronenquelle (Strahlsystem) auf eine
Oberfläche der Speicherelektrode 33 gerichtet. Ist auf der Speicherplatte 33 kein
Bild vorhanden, so wird der Dunkelstrom id vom Elektronenstrahl ib geliefert, und
der Rest der Elektronen kehrt zu einem Ausgangskreis zurück. Dieser Rückkehrstrahl
oder Rückkehrstrom ist mit i,. bezeichnet.
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Wird ein Strahlungsbild auf der Speicherplatte 33 entworfen, so verringert
sich der Plattenwiderstand, und der Strahlstrom ib liefert einen Signalstrom is,
der vom Rückkehrstrom i,. des unbelichteten Speicherschirms subtrahiert wird. Der
Signalstrom 1s, der sich entsprechend der Intensität der Belichtung der Speicherplatte
33 ändert, ist im Idealfall die einzige Variable in der Röhre und beeinflußt als
solche die Intensität des Rückkehrstromes i,., der ein auswertbares und reproduzierbares
Signal in der Ausgangsschaltung erzeugt.
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Bei den bekannten Bildabtaströhren ist der Dunkelstrom id groß im
Vergleich zum Signalstrom 1s und bildet als solcher einen großen Anteil des gesamten
Strahlstroms ib. Infolgedessen ergeben bereits kleine Schwankungen von id bzw. der
von der Elektrode 33 ausgehenden Sekundärelektronen, die zur Ausgangsschaltung gelangen,
die fälschlich als Nutzstrom angesehen werden können.
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Die hiergegen erfindungsgemäß getroffenen Maßnahmen sind aus F i g.
2 ersichtlich. Die dargestellte Bildaufnahmeröhre besteht aus einem evakuierten
Kolben 10 mit Abbildungsteil 11 größeren Durchmessers und Strahlerzeugungstei112
geringeren Durchmessers. Der Teil 11 ist mit einer Vorderplatte
13 abgeschlossen, die beispielsweise aus einem Stoff mit Durchlässigkeit
in einem breiten Frequenzband, wie Aluminiumoxyd, Calciumfluorid oder Bariumfluorid,
besteht und aus einem Stück mit dem Kolben 10 bestehen kann. Der Teil
12 ist angeschmolzen und kann mit einem Sockel 14 aus Kunststoff od.
dgl. versehen sein.
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Ein Strahlsystem 15 ist im Teil 12 nahe dem einen Ende
des Kolbens angebracht. Das Strahlsystem enthält eine Kathode 16, eine Steuerelektrode
17 und eine Anode 18. In bekannter Weise liegt die Kathode auf Erdpotential, die
Steuerelektrode 17 hat eine etwas geringere Spannung, und die Anode
18 hat eine Spannung von etwa 500 Volt gegen die Kathode. Weiter befinden
sich im Teil 12 mehrere Ablenkelektroden 19, 20 und 21, die mit entsprechenden
Spannungsquellen verbunden sind, um den Elektronenstrahl abzulenken, so daß
-er den Bildschirm 30 abtasten kann.
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Die Speicherelektrode befindet sich unmittelbar hinter der Vorderplatte
13. Er ist im dargestellten Ausführungsbeispiel empfindlich für sichtbare, ultraviolette
oder infrarote Strahlung und besteht aus einem Träger 31 aus einem durchsichtigen
Material, wie Glas oder Aluminiumoxyd. Auf der dem Strahlsystem 15 zugewandten
Seite des Trägers 31 befindet sich eine durchsichtige Elektrode, z. B. ein
sehr dünner überzug aus Aluminium, Gold oder Zinnoxyd. Auf der Elektrode
32 befindet sich eine Schicht 33 aus lichtempfindlichem Material, wie Antimontrisulfid,
Arsentrisulfid oder Arsentriselenid. Die Elektrode 32 ist über einen Anschluß 34
mit einer Spannungsquelle verbunden. Im vorliegenden Beispiel liegt die Elektrode
32 auf einem Potential von etwa 10 Volt gegen die Kathode. Gegebenenfalls
könnte auch die Vorderplatte 13 unter den entsprechenden Vorsichtsmaßnahmen
unmittelbar als Träger für die Schichten 32 und 33 dienen, wie es beim bekannten
Vidicon der Fall ist.
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Zwischen den Ablenkelektroden 21 und der Speicherelektrode
30 befinden sich mehrere zylindrische
Elektroden 35, 36 und 37,
die eine Konzentrationslinse bilden. Sie liegen z. B. an Spannungen von 0,5, 1 und
2 Kilovolt. Ein Bremsgitter 38, das auf dem gleichen Potential wie die Elektrode
37 liegen kann, ist unmittelbar vor dem Schirm 30 angeordnet. Das Bremsgitter 38
dient zur Aufnahme mindestens eines Teils der von der Speicherplatte 33 emittierten
Sekundärelektronen und zur Erzeugung eines gleichförmigen elektrischen Feldes an
der Oberfläche der Schicht 33, wodurch die Elektronengeschwindigkeit verringert
werden kann, ohne daß Richtung oder Durchmesser des Elektronenstrahls vor seinem
Auftreffen auf die Schicht 33 sich wesentlich ändern.
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Ein zweites Strahlsystem 40 befindet sich im Kolben 10 nahe
den Ablenkelektroden 21. Es besteht aus einer Kathode 41 und einem Steuergitter
42. Das Strahlsystem 40 erzeugt einen Flutstrahl, der also einen breiten Elektronenschauer
gleichmäßig über die ganze Oberfläche der Schicht 33 verteilt. Derartige Strahlsysteme
sind bekannt und brauchen deshalb nicht im einzelnen beschrieben zu werden. Die
Spannung der Kathode 41 gegen Erde beträgt z. B. - 30 Volt.
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Die relativen Spannungswerte zwischen der Speicherelektrode
30 und dem Strahlsystem 40 müssen so gewählt werden, daß die gleichmäßig
den Schirm treffenden Elektronen nicht das in der Speicherschicht 33 erzeugte Ladungsbild
zerstören. Dies läßt sich am besten an Hand der F i g. 3 und 4 erläutern. Diese
Figuren zeigen graphische Darstellungen der Sekundäremission für verschiedene Werkstoffe,
wobei die Speicherelektrodenspannung gegen Kathode als Abszisse und der Sekundärstrom
als Ordinate aufgezeichnet ist. Wenn die Spannung zwischen Flutsystem
40 und Schicht 33 sich im Bereich zwischen den Punkten A und
B der Kurven befindet, wobei B das Minimum bedeutet, so sinkt die Sekundäremission
mit zunehmender Spannung. Es landen also mehr Elektronen auf denjenigen Stellen
des Schirmes, die eine höhere Spannung aufweisen. In diesem Falle bewirkt offenbar
der Elektronenstrahl bald, daß der ganze Schirm ein gleichmäßiges Potential in der
Nähe des Kathodenpotentials annimmt, wodurch das gespeicherte Ladungsbild gelöscht
wird. Wenn dagegen die Spannung zwischen dem Flutsystem 40 und dem Schirm 30 sich
im richtigen Bereich befindet, d. h. zwischen den Punkten B und C der Kurven, so
nimmt die Sekundäremission mit der Spannungsdifferenz zu, so daß keine Verschlechterung
der gespeicherten Information eintreten kann.
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Die Steigung der Kurve kann als Anodenwiderstand des Flutstrahls gedeutet
werden. Dieser Widerstand hat einen fast konstanten positiven Wert zwischen
A und B und einen fast konstanten negativen Wert zwischen B und C.
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Bei einem entsprechenden Ersatzschaltbild liegt dieser Anodenwiderstand
parallel zum Widerstand der Speicherschicht. Faßt man eine kleine Fläche der Speicherschicht
und den diese Fläche treffenden Flutstrahl als Elementarwiderstände auf und betrachtet
sie zusammen mit der Elementarkapazität des Speicherschirms, so ist die Zeitkonstante,
d. h. das Produkt aus Widerstand und Kapazität des Schirms groß, wenn der bezeichnete
Anodenwiderstand negativ ist, und nimmt ab, wenn dieser Anodenwiderstand positiv
ist. Da die Flutstromstärke den Anodenwiderstand bestimmt, kann der gleichmäßige
Flutstrahl zur Einstellung der effektiven Zeitkonstante auf den besten Wert für
die jeweiligen Betriebsbedingungen benutzt werden.
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Zwischen dem Strahlsystem 15 und den Ablehkelektroden 19 befindet
sich ein Elektronenvervielfacher 50. Dieser enthält eine erste Sekundäremissionskathode
(Dynode) 47, die koaxial zum Abtastelektronenstrahl angeordnet ist und ein Mittelloch
aufweist. Ferner sind mehrere konkave ringförmige Elektroden 51, 52, 53 und 54 vorhanden,
die mit einer Spannung zwischen 0,5 bis 2 Kilovolt beaufschlagt sind, und schließlich
eine Auffangelektrode 55, die z. B. auf einer Spannung von etwa 2,0 Kilovolt liegt.
Zwischen dem Elektronenvervielfacher 50 und den Ablenkelektroden 19 befindet sich
eine Elektrode 46 in Form einer Lochscheibe. Die Scheibe ist so angeordnet, daß
der Primärelektronenstrahl durch das Loch auf die Speicherplatte 33 gerichtet werden
kann.
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Das Loch in der Elektrode 46 kann als Selektionsblende bezeichnet
werden und bewirkt das selektive Auffangen der von dem Schirm 30 zurückkehrenden
Elektronen. Mit dem Ausdruck »selektives Auffangen« ist gemeint, daß nur diejenigen
Elektronen (primär reflektiert oder sekundär emittiert) zum Elektronenvervielfacher
durchgelassen werden, die jeweils von einer kleinen Stelle der Speicherplatte 33
herkommen.
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Das Prinzip des selektiven Auffangens kann dadurch angewandt werden,
daß man die Elektronenoptik so anordnet, daß der modulierte Rückkehrstrahl den Ablenkbereich
durchquert, bevor er von der Auffangelektrode aufgenommen wird. Innerhalb der Grenzen
der elektronenoptischen Systemfehler kann die abgetastete Stelle durch Wahl der
Lochgröße in der Elektrode 46 beliebig klein gemacht werden. Die selektiv durchgelassenen
Elektronen müssen von einer Fläche kommen, die die Auftreffstelle des Abtaststrahls
umschließt. Um dies zu erleichtern, können die gleichen Ablenkmittel sowohl zum
Ablenken des Abtaststrahls als auch zur Wahl der Sammelstelle verwendet werden.
Wegen der Toleranzen und Abbildungsfehler ist es praktisch unmöglich, daß das Loch
in der Scheibe 46 den gleichen Durchmesser wie der Abtastfleck hat und trotzdem
den Rückkehrstrahl bei allen Ablenkwinkeln durchläßt. Praktisch kann der Durchmesser
der jeweils vom Auffangsystem erfaßten Fläche in der Größenordnung von 1% des Durchmessers
dei gesamten Speicherelektrode 33 liegen, wobei der Lochdurchmesser etwa 10mal so
groß wie der Durchmesser des Abtastflecks ist. Unter diesen Umständen ist der maximale
Anteil des Flutstrahls, der reflektiert und aufgefangen wird, proportional zum Verhältnis
der Flächen des Abtastflecks und der Speicherplatte und beträgt nur 1 Zehntausendstel
des durch den gesamten Flutstrahl hervorgerufenen maximalen Rückkehrelektronenstroms.
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Da nun der durch die Schwankungen der Flutstrahlstärke erzeugte Beitrag
zum Rauschen sich wie die Quadratwurzel dieses Faktors verhält, beträgt er nur 1%
des ohne die Lochscheibe 46 erzeugten Rauschens. Da trotzdem das gesamte vom Abtaststrahl
erzeugte Nutzsignal durch das Loch in der Elektrode 46 hindurchgelassen wird, wird
der Störabstand um den Faktor 100 verbessert. Das selektive Auffangen macht es also
möglich, einen Flutstrahl zur Lieferung des Hauptanteils des Dunkelstromes
oder
zur Verstärkung des gespeicherten Signals zu verwenden, ohne daß die Information
im Ausgangssignal durch das Flutstrahlrauschen verschlechtert wird.
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Diese Verhältnisse werden nachstehend noch näher an Hand der F i g.
2 erläutert. Das Strahlsystem 15 erzeugt einen Primärstrahl ib, der nach dem Ablenken
durch die Ablenkelektroden 19, 20 und 21 und nach Konzentration durch die Elektronenoptik
35, 36 und 37 auf der Speicherelektrode 30 landet. Ein auf der Elektrode 30 durch
die Vorderplatte 13 erzeugtes Strahlungsbild bewirkt örtliche Widerstandsänderungen
der Speicherschicht, wodurch ein Teil der Strahjstromstärke ib als Signalstrom zurückkehrt.
Ferner kann ein sehr kleiner Anteil des Abtaststromes den Rest des Dunkelstromes
liefern, da der Flutstrahl vorzugsweise etwa 99 % des erforderlichen Dunkelstromes
zur Verfügung stellt. Der verbleibende Anteil des Primärstrahls kehrt zurück und
wird als Ausgangssignal verwertet. Im Rückkehrstrahl befinden sich ferner sekundäremittierte
Elektronen durch den Aufprall des Primärstrahls 'b sowie die durch den Flutstrahl
ausgelösten Sekundärelektronen. Die Summe all dieser Elektronenströme ist in F i
g. 2 mit i, bezeichnet. Da der Primärstrahl mit einer Energie von wenigen Volt auf
den Schirm 30 auftrifft und auch der Rückkehrstrahl i, den Schirm mit einer Energie
von wenigen Volt verläßt, werden auf den Rückkehrstrahl i, die gleichen Kräfte ausgeübt,
die anfangs auf den Primärstrahl 'b eingewirkt haben, so daß die Bahn von i, in
umgekehrter Richtung im wesentlichen mit derjenigen des Primärstrahls ib übereinstimmt
(abgesehen von Bildfehlern). Infolgedessen geht der Strahl i, ohne weiteres durch
das Loch in der Lochscheibe 46 hindurch. Dieses Rückkehrsignal trifft dann auf die
Sekundärelektrode 47 und erzeugt Sekundärelektronen im Elektronenvervielfacher 50,
die in bekannter Weise von der Auffangelektrode 55 gesammelt werden.
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Die Linien if und i, in F i g. 2 bedeuten einen Strahl aus der Flutelektronenquelle,
der nicht auf eine dem Primärstrahl unmittelbar benachbarte Stelle der Speicherelektrode
auftrifft. Der auftreffende Teilstrahl 1f erzeugt einen reflektierten und sekundären
Strom i", der in Richtung zur Ausgangsschaltung rückkehrt. Da jedoch der Strom is
an einer anderen Stelle der Elektrode 30 erzeugt wird, wirken auf ihn andere Kräfte
als diejenigen ein, die den Primärstrahl ib beeinflussen. Der Rückkehrstrahl is
wird somit in andere Richtung abgelenkt und landet z. B. auf den Ablenkelektroden
21, 20 und 19. Je mehr sich der Teilstrahl if der jeweiligen Auftreffstelle des
Primärstrahls nähert, . desto mehr folgt der Strom is der Bahn des Rückkehrstrahls
i,. Der Strom i, wird somit von verschiedenen Bauelementen der Röhre aufgenommen,
bis schließlich die Lochscheibe 46 die endgültige Trennung vornimmt. Wenn das Flutsystem
beispielsweise 99 % des erforderlichen Dunkelstromes liefert, so kann die Stromstärke
des Abtaststrahls um den gleichen Betrag verringert werden, ohne daß das Ausgangssignal
absinkt. Das vom Abtaststrahl erzeugte Rauschen wird aber gleichzeitig um die Quadratwurzel
von Hundert, d. h. den Faktor 10 verringert und damit der Störabstand um den gleichen
Faktor verbessert. Die Grenze dieser Verbesserung ist durch die zufällige räumliche
Verteilung der Flutelektronen und durch die kleinste praktisch erreichbare Abtaststrahlstärke
gegeben. Es kann erwartet werden, daß eine Verbesserung des Störabstandes um den
Faktor 10 erreichbar ist. Damit ergibt sich eine erhebliche Verbesserung der Empfindlichkeit
der Kameraröhre.
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Das Ladungsbild auf der Speicherplatte 33 wird dadurch gelöscht, daß
die Abtaststrahlstromstärke groß genug gewählt wird, um die Speicherplatte 33 auf
Kathodenpotential zu entladen. Die Ablesung ist also in bekannter Weise mit gleichzeitiger
Löschung verknüpft.
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Das Flutstrahlsystem kann offenbar durch einen zweiten Abtaststrahl
ersetzt werden, der die gleiche Fläche wie der Primärstrahl bestreicht, aber nicht
gleichzeitig mit diesem die gleichen Stellen erfaßt.