DE1489172C3 - Bildwandler oder Bildverstärker mit einer der Elektronenvervielfachung dienenden Platte - Google Patents

Description

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Fig. 2/einen Schnitt in vergrößerter Darstellung durch die der Elektronenvervielfachung dienende dünne Platte,

Fig- 3 eine teilweise Schnittdarstellung ähnlich Fig. 2 mit der Fotokathode auf dem Metallbelag,

Fig. 4 eine, Darstellung wie nach Fig. 3, jedoch mit einer Fotokathode, die in die Kanalanfänge hineinreicht,

Fig. 5 eine Darstellung ähnlich Fig. 3 mit einer

in den Kanälen 18 ist durch die heraustretenden Pfeilbündel 19 angedeutet.

Das Feld an den Eingängen der Kanäle 18 hat keine Wirkung, wenn nach Fig. 5 die Fotokathode8 die Innenflächen der Kanäle 18 ganz abdeckt. Auch dann können die leitende Schicht 5 und die Spannungsquelle 13 weggelassen werden, weil das Feld nicht benötigt wird.

Eine Fotokathode 8, die sowohl den Metallbelag

Fotokathode, die die Innenflächen der Kanäle ganz io 11 als'auch die Innenflächen der Kanäle 18 mindebedeckt, stens teilweise abdeckt (s. F i g. 4), wird nachstehend

Fig. 6 einen Schnitt durch die dünne Platte, be- näher erläutert.

stehend aus nebeneinander angeordneten Glasrohr- Einige Einzelheiten können den Erscheinungen der

chen, Fotoemission entnommen werden, die wichtig sind

Fig. 7 einen Schnitt ähnlich Fig. 2 mit einer An- 15 für die Weise, in der ein möglichst großer Teil der zahl von Lichtstrahlen und deren Verlauf bei Re- einfallenden Lichtstrahlen in Fotoelektronen umgeflexion in und zwischen den Kanälen. wandelt wird. Die Umwandlung von Licht in Fotoin der stark vereinfacht dargestellten Ausführungs- emission bringt mit sich, daß aus der fotoelektrischen form eines elektrischen Bildwandlers nach Fig. 1 ist Schicht, also z. B. aus der Fotokathode 8, Fotoelekmit 1 eine aus Glas hergestellte Hülle bezeichnet,, die 20 tronen beim Eindringen der Lichtstrahlen in die zwei ebene Stirnwände 2 und 3 aufweist. Die Hülle 1 Schicht ausgelöst werden. Am meisten üblich sind umfaßt einen entlüfteten Raum, in dem die der Elek- Fotokathoden, die auf der Austrittsseite des Lichtes tronenvervielfachung dienende dünne Platte 4 ange- emittieren und auf einem durchsichtigen Glasträger ·· ordnet ist. Die Stirnwand2 der Hülle 1 ist mit einer aufgebracht sind. Sie weisen eine Dicke von einigen leitenden Schicht 5 überzogen, die für eine Strahlung 25 Hundert A auf. Eine derartige Fotokathode hat eine durchlässig ist, d. h. für sichtbares oder unsichtbares Quantenausbeute von etwa 10%, so daß viele Lichtstrahlen ungenutzt die Fotokathode verlassen. Eine Zunahme der Lichtabsorption durch Vergrößerung der Schichtdicke bietet wenig Vorteil, da weniger 30 Fotoelektronen mit einer zum Austreten ausreichenden Energie die Oberfläche erreichen.

Eine höhere Quantenausbeute ergibt sich jedoch dann, wenn die in die Fotokathode 8 eindringende Strahlung reflektiert und wieder durch die Eintrittsfläche geführt wird. Die Strahlen 20 und 21 in Fig. 3 lösen Fotoelektronen auf der Eintrittsfläche aus, der Lichtstrahl 22 hat die gleiche Folge, aber hat dann infolge der Reflexion an der Oberfläche des leitenden Metallbelages 11, auf der die Fotokathode 8 aufge-

Voh einer Spännungsquelle 13 her erhält der Me- 40 bracht ist, die Fotokathode 8 bereits zweimal durchtallbelag 11 ein höheres'Potential als die leitende quert.

Schicht 5 auf der Stirnwand 2 der Hülle 1. Die Span- Eine weitere Erhöhung der Ausbeute ergibt sich

nungsquelle 14 führt dem Metallbelag 12 ein gegen- dann, wenn sich ,die Fotokathode 8 bis in die Kanalüber dem andern Mctallbelag 11 stehenden Poten- öffnungen 18 (s.Fig. 4) hinein erstreckt. Von. dem tial höheres Potential zu. Zwischen dem Metallbelag 45 einfallenden Licht geht ein Teil in den Kanälen 18 12 und einer durchsichtigen leitenden Unterlage des verloren, und deren Innenwände werden auch von Leuchtschirmes 9 liegt eine Spannungsquelle 15. einer Vielzahl von Strahlen getroffen, die schräg ein-

In dem'Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 ist der fallen, was bei nahezu allen Strahlen zutrifft, die. leitende ■ Metallbelag 11 mit einer Fotokathode 8 durch eine Linse fokussiert, werden. Eine teilweise überzogen. Die Fotokathode 8 ist eine homogene 50 Abdeckung der Innenflächen der Kanäle 18 mit einer Schicht, die den Metallbelag 11 mit Ausnahme der Fotokathode 8 erhöhtt die Fotoemission erheblich, durch die Kanäle 18 gebildeten Öffnungen abdeckt. Ein wesentlicher Beitrag zur Erhöhung der fotö-

Die beim Projizieren eines Lichtbildes auf die Foto- elektrischen Ausbeute kann durch Erhöhung der Ankathode 8 an der Kathodenoberfläche ausgelösten zahl der Reflexionen erzielt werden. Lichtstrahlen, Fotoelektronen treten in einer Richtung hinaus, die 55 die nach Reflexion an der Trägerfläche . der Fotovon den Kanälen 18 äbgewandt ist. Auf dieser Seite kathode 8, also an der Fläche des leitenden Metallist aber auf die Fotokathode 8 ein elektrisches Feld belages 11 die Fotokathode 8 noch verlassen, gehen gerichtet, das die Fotoelektronen in Richtung auf die verloren. Zur Herabsetzung dieses Lichtverlustes Kanäle 18 ablenkt. , können bestimmte Vorkehrungen getroffen werden.

Wenn der durch die elektrische Spannung zwischen 60 Dies wird an Hand der F i g. ,5 näher erläutert.. den Metallbelägen 11 und 12 erzeugte Feldverlauf an In diesem Ausführungsbeispiel pflanzt sich das auf

Licht oder für eine andere bilderzeugende Strahlung. Die Strahlung des Gegenstandes 6 wird durch die Linse 7 gebündelt und auf eine Fotokathode 8 der Platte 4 geworfen.

Die andere Stirnwand 3 der Hülle 1 ist mit einem Leuchtschirm 9 überzogen, in dem Elektronenenergie in lumineszierendes Licht umgewandelt wird, das von der Außenseite her beobachtet werden kann, wie mit dem Pfeil 10 angedeutet.

Der mittlere Teil des Bildwandlers wird von der dünnen Platte 4 eingenommen, die auf ihren beiden Stirnseiten mit Metallbclägen 11 und 12 überzogen ist.

den Eingängen der Kanäle 18 ausreicht, um die Fotoelektronen abzulenken, können die leitende Schicht 5 auf der Stirnwand 2 und die Spannungsquelle 13 weggelassen werden.

Für einige der unter der Wirkung der einfallenden Strahlung 16 ausgelösten Fotoelektronen sind die Bahnen 17 dargestellt. Die Elektronenvervielfachung

der Vorderseite einfallende Licht in der dünnen Platte 4 fort. Um das Innere der Platte 4 erreichen zu können, muß der leitende Metallbelag 11 auf der Eintrittsseite durchsichtig sein. Die Wirkung einer Fotokathode 8 auf dieser Seite, die durch Reflexion an dem leitenden Metallbelag 11 verstärkt wird, geht somit verloren. Demgegenüber können alle durch-

gehenden Lichtstrahlen zur Fotoemission beitragen. Zu diesem Zweck besteht die Platte 4 aus durchsichtigem Werkstoff, und die Innenflächen der Kanäle 18 sind über ihre ganze Länge mit der Fotokathode 8 überzogen. An allen Stellen, an denen die Fotokathode 8 von Lichtstrahlen getroffen wird, kann Fotoemission auftreten. Die Bahnen 24 der in den Figuren dargestellten Lichtstrahlen weisen eine oder mehrere Reflexionen auf.

Eine Erhöhung der mittleren Anzahl von Reflexionen pro Lichtstrahl bringt eine Streuung und einen Lichtverlust durch Absorption in dem Trägerwerkstoff mit sich. Die Stirnfläche, in die die Kanäle 18 münden, kann mit einem reflektierenden, leitenden Metallbelag 12 versehen werden, so daß die die ganze Dicke der Platte 4 durchquerenden Lichtstrahlen zurückgestrahlt werden, wodurch der Weg für die Auslösung von Foloelektronen weiter verlängert wird. In diesem Falle mui3 jedoch die Streuung etwas beschränkt werden. Dies kann durch ein bestimmtes Herstellungsverfahren der die Kanäle 18 aufweisenden Platte 4 erfolgen. Fig. 6 zeigt das Zusammenfügen einzelner Glasröhrchen 25, die je einen Kanal der Platte 4 bilden und durch ein niedrigschmelzendes Glas 26 zusammengeschmolzen sind. Fig. 7 zeigt diese Schicht zwischen den Wänden der Kanäle 18, und einige Linien 27 deuten den Verlauf der Lichtstrahlen an, die das Material an verschiedenen Stellen und in verschiedenen Richtungen durchdringen. Der leitende Belag 11 auf der Seite des einfallenden Lichtes ist durchsichtig und ist hier durch eine dicke gestrichelte Linie dargestellt. Die dünne gestrichelte Linie 8 stellt den Überzug mit dem fotoelektrischen Kathodenwerkstoff, also die Fotokathode 8, in den Kanälen 18 und auf dem leitenden Metallbelag 11 dar.

Das dazwischenliegende Glas 26 kann undurchsichtig sein. Dies" ist jedoch nicht günstig für die Erhöhung der Fotoelektronenemission in der Fotokathode 8 durch Reflexion. 1st dieses Glas 26 durchsichtig, kann durch geeignete Wahl der Brechungsindizes beider Glassorten (25, 26) der Wirkungsgrad günstig beeinflußt werden.

Wenn die Brechungszahl des Glases 26 höher ist als die der Glasröhrchen 25, werden die durch den Metallbelag 11 eintretenden Lichtstrahlen auf den Trennflächen reflektiert, so daß sie das dazwischenliegende Glas nicht verlassen und somit nicht zur Fotoemission beitragen können. Die Brechungszahl des dazwischenliegenden Glases 26 muß somit vorzugsweise niedriger als die der Glasröhrchen 25 sein. Dies kann insbesondere dann erreicht werden, wenn sich die Fotokathode 8 über die ganze Länge der Kanäle 18 erstreckt und außerdem als Widerstandsschicht benutzt wird, so daß an den Widerstand des Röhrchenwerkstoffes in Hinsicht auf eine gleichmäßige Spannungsverteilung an den Innenflächen der Kanäle 18 entlang keine besonderen Anfofderungen gestellt zu werden brauchen.'

Im vorstehenden wurde die Erhöhung des fotoelektrischen Wirkungsgrades beschrieben, "bei der außerdem die Elektronenvervielfachung durch Sekundäremission vergrößert wird. In jedem Kanall8 werden durch Fotoemission ausgelöste Elektronen unter der Wirkung des elektrischen Feldes, dessen Feldlinien praktisch parallel zu den Kanalächsen verlaufen, zwischen den leitenden Belägen 11 lind 12 an den beiden Stirnflächen der Platte 4 in Richtung auf die Ausgänge beschleunigt. Sie durchlaufen Zickzackbahnen, wodurch die Elektronen die Stellen 28 auf den Innenflächen der Kanäle 18 treffen und Sekundärelektronen erzeugen. Wenn die Innenflächen

nur teilweise mit einer Fotokathode 8 überzogen sind, ist ihr übriger Teil mit Sekundärelektronen emittie- ^: rendem Werkstoff abgedeckt. Die Erhöhung des fotoelektrischen Wirkungsgrades wird aber überwiegend durch den Überzugsteil der Innenfläche der Kanäle 18 auf der Eintrittsseite der Lichtstrahlen geliefert, der sich über etwa 20% der Kanallänge erstreckt. Die vorstehend geschilderte, der Elektronenvervielfachung dienende Platte 4 kann dadurch hergestellt werden, daß als Platte 4 mit den Kanälen 18 ein Glas mit einem verhältnismäßig großen Anteil an Blei, etwa 40 bis 50 Gewichtsprozent, benutzt wird. Der leitende Belag 11 auf der Eintrittsseite kann durch Aufdampfen von Zinnsulfid unter einem kleinen Winkel zur Fläche erhalten werden, so daß kaum Werkstoff in die Öffnungen der Kanäle 18 gelangt.

Auf der Austrittsseite kann auf der Oberfläche Chrom niedergeschlagen werden. Das Aufdampfen kann unter einem kleinen Winkel zur Fläche erfoV gen. Wird dieser Winkel hinreichend groß gewählt, so bildet sich in den Öffnungen an den Rändern ein schmaler Kragen aufgedampften Metalls, der in einem umlaufenden Überzug endet, wenn die Quelle des Metalldampfes um eine in der Mitte der Platte 4 senkrechte Achse gedreht wird.

Das Zinnsulfid wird darauf durch Erwärmung in Luft bis zu der gerade unterhalb der Erweichungstemperatur des Glases liegenden Temperatur in Zinnoxyd umgewandelt.
Nach dem Anbringen der leitenden Beläge 11 und 12 wird die Anbringung der Fotokathode 8 angefangen. Es wird Antimon aus einer Dampfquelle verdampft, die einen Winkel mit der zur Oberfläche senkrechten Achse in der Mitte der Trägers auf der Eintrittsseite einschließt. Dieser Winkel wird derart gewählt, daß der Dampfstrahl, nicht nur die Oberfläche bestreicht, sondern auch bis zu einer gewissen Tiefe in die Kanäle 18 eindringt, z. B. über 20% der Kanallänge.'. . . . . .

Die erforderliche Aktivierung des Antimons mit Cäsium erfolgt im Vakuum. Zu diesem Zweck wird die Platte 4 in eine Hülle eingebracht. Im Innern der Hülle wird Cäsium, verdampft, wodurch nicht nur das Antimon zum Erzielen, einer effektiven Fotokathode 8 aktiviert wird, sondern auch die dann noch nicht bedeckten Teile der Innenflächen der Kanäle 18 durch Cäsium abgedeckt werden, wobei ein Überzug

. hohen elektrischen Widerstandes und hinreichender Leitfähigkeit entsteht, wodurch auch eine gleichmäßigePotentialverteilung an den Innenflächen beim Anlegen einer elektrischen Spannung an die leitenden Beläge 11 und 12 auf der Ein- und der Austrittsseite der Platte 4 erzielt wird. Der Cäsiumniederschlag auf den Innenflächen weist einen hohen Sekundärelektronen-Emissions-Koeffizienten auf.

Derartige Platten 4 werden in Bildwandlern, Bildverstärkern oder für den Bildwandlungsteil in Fernsehaufnahmeröhren verwendet. Andere Anwendungsmöglichkeiten liegen vor, bei denen die Anforderungen in bezug auf Bildpunktschärfe weniger hoch und damit dann weniger Kanäle erforderlich sind, z. B. bei Lichtverstärkern und Elektronenröhren, oder z. B. für Fotozellen, Fotovervielfachungsröhren u. dgl., bei denen nur ein einziger Kanal ausreicht.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

nung aus einem- Bündel nahe aneinanderliegender Patentansprüche: enger und parallel zueinander verlaufender Kanäle, die auf ihrer Eingangs-und ihrer Ausgangsseite eine

1. Bildwandler oder Bildverstärker mit einer elektrisch leitende Fläche aufweisen. Im Abstand vor eine größere Anzahl eng benachbarter und regel- 5 diesem der Elektronenvervielfachung dienenden Bünmäßig angeordneter, der Elektronenvervielfachung del ist eine Fotokathode angeordnet und im Abstand dienender Kanäle aufweisenden dünnen Platte dahinter ein Leuchtschirm, die beide ebenfalls mit aus Glas oder einem anderen Werkstoff mit einer elektrischen Spannungsquelle verbunden sind, hohem elektrischen Widerstand, auf deren beiden Auf Seite 3, linke Spalte, Absatz 3, dieser französi-Stirnflächen elektrisch leitende Metallbeläge an- io sehen Patentschrift ist darauf hingewiesen, daß die geordnet sind, d a d u rc h gekennzeichnet, Fotokathode völlig wegfallen kann und daß das abdaß eine Fotokathode (8) unmittelbar auf dem zubildende Objekt direkt auf den Eingang der Ka-Metallbelag (11) auf der Lichteintrittsseite der näle abgebildet werden kann. Die ausgelösten Pho-Kanäle (18) aufgebracht ist. tonen werden dann in dem Bündel verstärkt. Die

2. Bildwandler oder Bildverstärker nach An- 15 Anordnung wirkt dann aber als reiner Lichtverstärker Spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Foto- und nicht als Elektronenvervielfacher. ~ kathode (8) die Innenflächen der Kanäle (18) Wie insbesondere F i g. 6 der französischen Patentmindestens teilweise abdeckt. . schrift 1 295 026 zeigt, kann das in F i g. 4 dieser

3. Bildwandler oder Bildverstärker nach An- Patentschrift sehr lang ausgebildete Bündel auch ,als Spruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der 20 kurze Platte, und zwar kurz in der axialen Ausdeh-Metallbelag (11) auf der Lichteintrittsseite eine nung, ausgebildet werden.

lichtreflektierende Schicht ist. Die Aufgabe der Erfindung bestand darin, diese

4. Bildwandler oder Bildverstärker nach einem bekannte Anordnung derart auszubilden, daß eine der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, kompaktere Bauart und damit gleichzeitig eine Verdaß die dünne Platte (4) aus einem für Licht 25 einfachung des Herstellungsverfahrens erreicht wird, durchlässigen Werkstoff besteht. Dies wird bei einem Bildwandler oder Bildverstär-

5. Bildwandler oder Bildverstärker nach einem ker der eingangs genannten Art nach der Erfindung der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dadurch erreicht, daß eine Fotokathode unmittelbar daß die dünne Platte (4) aus Glasröhrchen (25) auf dem Metallbelag auf der Lichteintrittsseite der besteht und ein Werkstoff zwischen diesen einen 30 Kanäle aufgebracht ist.

niedrigeren Brechungsindex aufweist. Bei einem nach der Erfindung hergestellten Bild

wandler oder Bildverstärker besteht der Vorteil, daß

^^_____ gegenüber den bekannten Anordnungen die axiale

Ausdehnung wesentlich verringert werden kann. 35 Auch kann das Herstellungsverfahren wesentlich ver-

Die Erfindung bezieht sich auf einen Bildwandler einfacht werden, weil nämlich für die Fotokathode oder Bildverstärker mit einer eine größere Anzahl keine besonderen Anschlüsse und insbesondere auch eng benachbarter und regelmäßig angeordneter, der keine besondere mechanische Halterung mehr er-Elektronenvervielfachung dienender Kanäle aufwei- forderlich ist. Dadurch, daß die Fotokathode nunsenden dünnen Platte aus Glas oder einem· anderen 40 mehr unmittelbar auf der Lichteintrittsseite der Ka-Werkstoff mit hohem elektrischen Widerstand, auf näle aufgebracht ist, erreichen auch mehr Fotoelekderen beiden Stirnflächen elektrisch leitende Metall- tronen ohne Schwierigkeiten die Kanäle und verbeläge angeordnet sind. bessern somit den Wirkungsgrad der bekannten

Die Elektronenvervielfachung in einer derartigen Anordnung in fotoelektrischer Hinsicht.
Platte erfolgt in den Kanälen und wird bei größerer.45 Um die Ausbeute an Fotoelektronen noch weiter j Elektronengeschwindigkeit und durch Sekundär- zu vergrößern, kann in einer Weiterbildung der Er- ' emission an den Innenflächen der Kanäle erhöht. Die findung die Fotokathode die Innenflächen der Kanäle \ Sekundärelektrodenemission kann durch Anbringung mindestens teilweise abdecken. Auch kann der Me- ; eines sekundäremittierenden Werkstoffes auf den tallbelag auf der Lichteintrittsseite eine lichtreflektie- j Innenflächen der Kanäle weiter erhöht werden. 50 rende Schicht sein.

Aus der schweizerischen Patentschrift 227 257 ist ' Durch diese Maßnahmen der Erfindung ist also eine Ausführung einer Doppelschichtfotokathode be- eine noch größere Ausbeute möglich, denn die An- ! kannt. In der einen Schicht werden durch Neutronen zahl primärer Fotoelektronen bedingt eine größere .! oder Röntgenstrahlen geladene Teilchen oder Garn- Anzahl von Sekundärelektronen und schafft damit j mastrahlen erzeugt, jedoch keine Elektronen ausge- 55 die Voraussetzung für eine erhebliche Steigerung der löst. Erst durch die auf diese Weise erhaltene Strah- Elektronenvervielfachung.

lung werden in der zweiten anliegenden Schicht Se- In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann die

kundärelektronen ausgelöst. In bekannter Weise wird dünne Platte aus einem für Licht durchlässigen also die auffallende, von der abbildenden Strahlen- Werkstoff bestehen. Auch kann die dünne Platte aus quelle herrührende Strahlung in einer Doppelschicht 60. Glasröhrchen bestehen und ein Werkstoff zwischen in Elektronen umgewandelt, ohne daß dabei jedoch diesen einen niedrigeren Brechungsindex aufweisen, eine Elektronenvervielfachurig stattfindet. Die An- Die Vorteile dieser Anordnungen werden in der

zahl der ausgelösten Elektronen ist schließlich ab- Figurenbeschreibung näher auseinandergesetzt,
hängig von der Energie der primären Strahlung. Ausführungsbeispiele nach der Erfindung sind in

Aus der französischen Patentschrift 1 295 026 ist 65 den Zeichnungen dargestellt und werden im folgeneine Anordnung bekannt, die der Elektronenverviel- den näher beschrieben. Es zeigt
fachung dient. Wie insbesondere F i g. 4 dieser Pa- F i g. 1 einen Bildwandler in schematischer Dar-

tentschrift zeigt, besteht die Vervielfachungsanord- stellung,