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'Photovervielfacherröhre".
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Die Erfindung bezieht sich auf eine schnell ansprechende Photovervielfacherröhre,
in uer innerhalb einer evakuierten Umhüllung eine Kathode, eine Anzahl aufeinander
folgender Dynoden und eine Anode angebracht sind, wobei eine gesonderte vakuumdicht
durch die Umhüllung geführte elektrische Zufuhrleitung von einem zugehörigen an
eine äussere Speiseschaltung anzuschliessenden Kontaktelenent ausserhalb der Umhüllung
zu jetler dieser Elektroden führt.
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ilne derartige Photovervielfacherröhre wurde z.B. in der französischen
Patentschrift 1,196,334 beschrieben. Die Elektronenoptik ist dabei derart eingerichtet,
dass eine äusserst geringe Dispersion in der
Laufzeit der Elektronen
in der Photovervielfacherröhre auftritt. Die Ansprechgeschwindigkeit ist dadurch
in vielen Fallen genü-gend, um eine genaue Analyse von Erscheinungen kurzer Dauer,
wie Durchgang aufeinander folgender schneller nuklearer Teilchen durch einen Szintillator,
zu ermöglichen. Wenn die Oberfläche der Photokathode von einem Lichtblitz praktisch
unendlich kurzer Dauer belichtet wird, hat der sich ergebende kurze Anodenstromimpulse
eine Anstiegzeit von nahezu 2 Nanosekunden.
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Die Abfallzeit des Anodenstromimpulses ist nahezu gleich der Anstiegzeit.
Die Rohre hat jedoch den Nachteil, dass, nach dem der Anodenstrom wieder den ursprünglichen
Pegel erreicht hat, oft Schwingungen sehr hoher Frequenz auftreten, deren Amplitude
ein Drittel der Amplitude--dea vorangehenden Impulses betragen kann. Die Rohre ist
dadurch nach einem kurzen Lichtimpuls nicht so schnell für eine störungsfreie Detektion
eines folgenden kurzen Lichtimpulses verfügbar als für einige Erscheinungen sehr
kurzer Dauer erwllnscht ist. Durch das Auftreten der erwähnten Schwingungen wird
z.B. die Moglichkeit verringert, mit Gewissheit in der Zeit zwischen den Impulsen
zu unterscheiden, die den DurchgSngen sehr schnell aufeinander folgender Teilchen
durch den-gleichen mit einer Photovervielfacherröhre verbundenen Szintillator entsprechen,
z-B. wird die Möglichkeit einer genauen Messung sehr kurzer Laufzeiten von Teilchen,
die zwei mit je einem Photovervielfacher verbundene Szintillatoren durchlaufen,
verringert.
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Die Erfindung hat den zweck, eine schnell ansprechende Photovervielfacherröhre
zu schafen, die den erwähnten Nachteilen auf zweckmässige Weise entgegenkommt.
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Nach der Erfindung ist in einer Photovervielfacherröhre der im ersten
Absatz erwähnten Art in der Zufuhrleitung mindestens einer der letzten Dynoden und/oder
der Anode mindestens ein Widerstandselement zur
DEmpfung Von Schwingungen
angebracht.
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Die Erfindung gründet sich auf folgende Erkenntnis: Die bei den bekannten
Rohren auftretenden Schwingungen sind, wie eine Analyse dieser Schwingungen ergeben
hat, der Tatsache zuzuschreiben, dass die langen Zufuhrleitungen der Dynoden und
die Interelektrodenkapazitäten schwingende Dynodenkreise bilden, deren Resonanzfrequenz
mehrere 100 MHz betragt. Wenn die hotokathode von einem kurzen Lichtimpuls belichtet
wird, ergibt sich ein kurzer Stromimpuls in jedem Dynodenkreis. Die Dynodenkreise
werden dann angeregt und in Schwingung versetzt. Die Amplitude der Schwingung ändert
sich mit uer Amplitude des Stromimpulses und Nächst somit von der ersten Dynode,
bei der der Effekt unmerkbar ist, zu der letzten Dynode und der Anode, bei denen
der Effekt maximal ist. Die Ströme von Sekundärelektronen, die von den unterschiedlichen
Dynoden emittiert werden, werden in gewissem Masse von den Spannungsschwankungen
infolge der Schwingungen beeinflusst, aber es ergeben sich Kompensationen, die diesen
Störungsmechanisnus vernachlässigbar machen. *)ies trifft jedoch nicht für die kapazitive
Kopplung zwischen er letzten Dynode und der Anode zu. Infol-edessen wird ein erheblicher
Teil einer Wechselspannung sehr hoher Frequenz über der letzten Dynode bei den bekannten
Röhren auf eine Belastungsimpedanz, im allgemeinen einen mit der Anotie verbundenen
ohm'schen Widerstand, ütertragen.
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bekanntlich kann ein Schwingkreis dadurch gedämpft werden, dass ein
Widerstand in dem Kreis in Reihe geschaltet oder ein Widerstand zu dem Kreis parallel
geschaltet wird, Wenn es sich um einen Kreis handelt, der bei verhältnismässig niedrigen
Frenuenzen schwingt und lokalisierte konstanten het (lumped circuit), wird die Wirkung
des Widerstandes durch die Lokalisierung des Dämpungswiderstandes nahezu nicht be
beeinträchtigt.
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Dies ist aber anders bei einer. Kreis, der bei sehr hohen Frequenzen
schwingt und wenigstens teilweise distribuie rte Konstanten hat(-distribute@ circuit)
und bei den; ein erheblicher Teil der Ersatzkapazität durch
Streukapazitäten und distribuierts Kapazitäten gebildet wird. Dabei
ist es wichtig, dass der Wert der Induktanz und der Kapazität des Ersatzkreises,
der Annahmeveise lokalieterte Konstanten hat, nicht vergrossert wird, damit bei
einem gegebenen reellen oder äquivalenten Dämpfungswiderstand ein maximaler Dämpfungseffekt
erzielt wird. Uebrigens ist es nicht stets möglich, Je nach der Art des betrachteten
Schkingkreises beliebig einen kleinen Dämpfungswiderstand mit dem Schwingkreis in
Reihe oder einen grösseren Dämpfungswiderstand zu diesem Kreis parallel zu schalten.
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Wenn bei einer bekannten Photovervielfacherr8hre ein DEmpfungswiderstand
dur Dämpfung der erwähnten Schwingungen in die mit den Kontaktelementen verbundene
äussere Speiseschaltung aufgenommen wird, wird die Wirkung des Widerstandes durch
das Vorhandensein der Streukapazität zwischen den Kontaktelementen, die durch Isolierma
terial an Stelle gehalten werden yerringert. Dabei nimmt der Dämpfungsfaktor des
Schwingkreises durch Erhöhung der Induktanz dieses Kreises gleichfalls ab.
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Das Widerstandselement, das bei der Rohre nach der Erfindung in der
Zufuhrleitung zwischen der betreffenden Elektrode und der zugehörigen Kontaktelement
angebracht ist, kann ausserdAb er evakuiChten Umhüllung in dem Teil der Zufuhrleitung
liegen, der sich zwischen dem betreffenden Kontaktelement und dem durch die Umhüllung
geführten Teil der Zufuhrleitung befindet. Das Widerstandselement kann auch innerhalb
der evakuierten Umhüllung in dem Teil der Zufuhrleitung angebracht werden, der sich
zwischen dem durch die Wand geführten Teil und der betreffenden Elektrode befindet.
Auch können sowohl innerhalb als auch ausserhalb der Umhüllung in der Zufuhrleitung
Widerstandselemente angebracht sein. Im allgemeinen ist es insbesondere erwünscht,
dass die Zufuhrleitung
der letzten Dynode ein Widerstandselement
enthält. Bei einer PhotovervielfacherrShre zur Anwendung bei einer Anodenbelastung
mit sehr niedrigem Widerstandswert ist es erwunscht, dass die Zufuhrleitung der
Anode ein Dämpfungswiderstandselement enthält.
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Die Erfindung wird nachstehend an Hand der beiliegenden Zeichnung
näher erläutert. S8 zeigen: Fig. 1 einen Längsechnitt durch eine Ausführungsform
einer bekannten schnell ansprechenden Photovervielfacherröhre; Fig. 2 eine Abwicklung
eines zylindrischen Teilschnittes durch die Kontaktelemente der Röhre nach Fig.
1; Figuren 3 und 4 entsprechende zylindrische Teilschnitte durch Ausführungsformen
der Röhre gemäss der Erfindung; Fig. 5 einen Teil einer üblichen Speiseschaltung;
Fig. 6 eine Abänderung der Speiseschaltung nach Fig. 5; Fig. 7 ein Ersatzschaltbild
eines Teiles des elektrischen Kreises einer mit einer Speiseschaltung nach Fig.
6 versehenen Röhre nach den Figuren 1 und 2; Fig. 8 ein Ersatzschaltbild eines Teiles
des elektrischen Kreises der mit einer Speiseschaltung nach Fig. 5 versehenen Röhre
nach Fig.
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3; Fig. 9 ein mit einer bekannten Photover Vielfacherröhre nach den
Figuren 1 und 2 und einer Speiseschaltung nach Fig. 5 erhaltenes Oszillogramm; Fi;.
10 ein mit einer Photovervielfacherröhre nach der Erfinding und einer Speiseschaltung
nach Fig. 5 erhaltenes Oszillogramm.
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In Fi&. 1 bezeichnet 1 die evakuierte Glasumhüllung einer bekonnten
Photovervielfacherröhre. Innerhalb der Umhüllung befindet sich die halbdurchlässige
Photokathode 2, die Photoelektronen emittiert, wenn
sie von z.B.
von einem nicht dargestellten auf der VorderflEche 11 befestigten Szintillator herrührenden
Photonen getroffen wird. Innerhalb der Umhüllung befinden sich weiterhin vierzehn
aufeinander folgenden Dynoden D1, D2. . .D14. Die Dynode D1 emittiert Sekundärelektronen,
wenn sie von der Photokathode herrührenden Photoelektronen getroffen wird. Die Anzahl
von D1 emittierter Sekundarelektronen ist grsser als die Anzahl auf D1 auffallender
Photoelektronen, so dass der Elektronenstrom durch die Dynode D1 vervielfacht wird.
Jede folgende Dynode vervielfacht auf gleiche Weise den auffallenden von der vorangehenden
Dynode herrithrenden Elektronenstrom. Zwischen der Photokathode 2 und der ersten
Dynode D1 befindet sich ein elektrostatisches Lins ensystem, das aus den Linsenelementen
3, 4 und 5 besteht und mit dem die Dispersion der Laufzeit der Photoelektronen auf
ein Mindestmaß beschränkt wird. Mittels eines Deflektors 6 wird eine befriedigende
Verteilung der von D1 herrührenden Elektronen erhalten.
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Zwischen den Dynoden befinden sich stabformige Elektroden, eine von
denen mit 7 bezeichnet ist und die zu einer guten Fokussierung der Elektronen beitragen.
Vorder letzten Dynode D14 ist die Anode A angebracht, die aus einem Gitter 8 und
einem massiven Teil 9 besteht. Die von der zweite letzten Dynode D13 herrührenden
Elektronen passieren das Gitter G und werden von der letzten Dynode D14 vervielfacht.
Die von D14 herrührenden Elektronen werden auf dem Gitter 8 der Anode A aufgefangen,
dem ein Ausgangssignal entnommen wird. Der massive Teil 9 der Anode A verhindert
das Auftreten einer unerwünschten Raumladung. Die Umhüllung 1 ist auf einem Röhrensockel
10 befestigt, der mit stiftförmigen Kontaktelementen (u.a. 16, 17, 18 und 19) versehen
ist, die in mit einer Speiseschaltung verbundenen Kontaktklemmen in einer Rohrenfassung
festgeklemmt werden Die Speiseschaltung ist in Fig. 1 nicht dargestellt, während
die Röhren
fassung mit den Kontaktklemmen gar nicht dargestellt
ist. Die Elektroden in der Rohre sind mittels je einer vakuumdicht durch die Umhüllung
gefuhrten elektrischen Zufuhrleitung mit einem zugehorigen Kontaktstift verbunde'.
Von diesen Zufuhrleitungen sind nur die die Dynode D12 mit dem Stift 16 verbindende
Zufuhrleitung 12, die die Dynode D13 mit dem Stift 17 verbindende Zufuhrleitung
13, die die Dynode D14 mit dem Stift 18 verbindende Zufuhrleitung 14 und die die
Anode A Lit dem Stift 19 verbindende Zufuhrleitung 15 dargestellt, Fig. 2 zeigt
einen Teil der Röhre nach Fig. 1, wobei die letzten Dynoden und die Anode mit zugehörigen
Zufuhrleitungen schematisch dargestellt sind. Die Ausführungsformen der Röhre nach
der Erfindung, von der Figuren 3 und 4 die gleichen Teile wie Fig. 2 zeigen entsprechend,
abgesehen von den in Figuren 3 und 4 angegebenen Unterschieden, der Rohre nach Figuren
1 und 2, Gleiche und entsprechende Eleniente sind in den Figuren mit den gleichen
Bezugsziffern bezeichnet, Bei der Ausführungsform nach Fig. 3 sind Widerstandselemente
2i und 21 in die Zufuhrleitungen 13 und 14 aufgenommen. Bei dieser Ausführungsform
liegt das Widerstandselement 20 innerhalb und das Widerstandselement 21 ausserhalb
der Umhüllung 1. Bei der Ausführungsform nach Fig.
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4 sind die Dämpfungswiderstände 20 und 21 beide innerhalb der Umhüllung
angebracht. Bei dieser Ausführungsform enthält die Zufuhrleitung der Anode einen
Dämpfungswiderstand 22.
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Fig. 5 ei-t einen Teil einer üblichen äusseren Speiseschaltung.
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Die @peiseschaltung enthält einen Spannungsteiler, der durch Widerstände
23, 4 und 25 gebildet wird. Die stifte 16, 17, 18 und 19 werden mit den Kontaktele
enten 16, 17, 18 und 19 verbunden (siehe Fig. 2), die den leteten Dynoien und der
Anode einer Photovervielfacherröhre entsprechen.
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jer Punkt ist über eine Anzahl nicht dargestellter Widerstände , die
einen
Spannungsteiler zur Speisung der frigen Elektroden der Photovervielfacherrhre bilden,
mit einer negativen Klemme einer nicht dargestellten Hochspannungsquelle verbunden.
Der Punkt 30 liegt an der Masse 31. Zwischen den Punkten 19 und 30 befindet sich
der Anodenbelastungswiderstand 32. Die Punkte 27, 28 und 29 sind für hohe Frequenzen
durch Entkopplungskondensatoren 33, 34 und 35 mit vernachlässigbarer Induktanz an
der Lasse gelegt.
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Die in Fig. 6 dargestellte auf der Aussenseite der Photovervielfacherröhre
anzubringende Speiseschaltung enthält die Dämpungswiderstände 36 zwischen den Punkten
17 und 28 und 37 zwischen den Punkten 18 und 29.
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Im in Fig. 7 dargestellten elektrischen Schaltbild der mit einer
Speiseschaltung nach Fig. 6 versehenen Röhre nuch den Figuren 1 und 2 bezeichnet
38 die direkte Kapazität und die Streukapazitäten zwischen den Dynoden D12 und D13.
39 bezeichnet die Kapazität zwischen den Dynoden D13 und D14. Mit 40 wird die Kopplungskapazität
zwischen der letzten Dynode D14 und der Anode A bezeichnet. Mit 41,. 42, 43 und
44 werden die Induktanzen der Zufuhrleitungen der Elektroden D12, D13,D14 und A
bezeichnet. 45, 46 und 47 bezeichnen die Streukspazitäten zwischen den Stiften des
Röhrensockels und zwischen den entsprechenden Klemmen der Röhrenfassung. Wenn kurze
Lichtimpulse auf der~Kathode kurze Stromimpulse mit einer steilen Front in der Induktanzen
41, 42, 43 und 44 zur Folge haben, führen diese Stromimpulse Schwingungen in den
Komplexen durch diese Induktanzen und durch die Kapazitäten 38,39 und 40 gebildeten
Schwingkreisen herbei Die Wirkung der Widerstände 36 und 37 zur Dämpfung der Schwingungen
li durch das Vorhandensein der Streukapazitäten 45, 46 und 47 gering. Die Induktanz
der Kreise der von den kurzen Stromimpulsen
durchlaufenen Verbindungen
ist durch Anwendung der Widerstände 36 und 37 in bezug auf die Induktanz der Zufuhrleitungen
12, 13, 14 und 15 der Fig. 2 infolge der Tatsache vergrössert, dass für hohe Frequenzen
die Punkte 17 und 18 nicht an-der Masse liegen. Die Zunahme der Gesamtlänge der
Verbindungen, in denen Schwingungen auftreten, (einschliesslich-der Länge der Widerstände
36 und 37) kann nicht vernachlässigt werden.
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Fig. 8 veranschaulicht die mit Hilfe der in Fig. 3 dargestellten-Röhre
nach der Erfindung erzielte Verbesserung. Im in Fig. 8 dargestellten Schaltbild
der-mit einer Speiseschaltung nach Fig. 5 versehenen-Röhre nach Fig. 3 sind die
Punkte 17 und 18 für hohe Frequenzen an der @asse @elegt. Die Gesamtlänge der die
induktiven Elemente von Schwingkreisen bildenden Verbindungen ist nicht durch Anwendung
der Widerstandselemente 2N, und 2t vergrössert. Die-die induktiven Elemente der
Schwingkreise bildenden Verbindungen haben die minimale Länge, die durch die Struktur
de-r Photovervielfacherröhre bestimmt wird. Die Elemente 45 und 46 sind in Fig.
8 nicht dargestellt, da die durch diese Elemente repräsentierten Streukapazitäten
die Wirkung des Kreises und der Widerstandsverbindungen 20, 21 nicht beeinträchtigen,
weil die Punkte 17 und 18 für hohe Frequenzen an der Masse gelegt sind.
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Beim in-Fi-g. 9 dargestellten mit der bekannten Photovervielfacherröhre
nach Figuren 1 und 2 und der Speiseschaltung nach Fig. 5 erhaltenen Oszillogramm
wird die Zeit in Einheiten von 1 Nanosekunde als-A bszisse aufgetrage#. Das Oszillogram
gibt an, das ein Spannungsimpuls 51, @@@r einem sehr kurzen Lichtimpuls entspricht,
von einer Anzahl Fol@e@m@ul@e 52, 53, 54, 55 usw. begleitet wird, die durch schwingende
@yno@@kr@@@e, insbesondere durch den schwingenden Kreis der letzten D@ole @@rbei
efihrt werden. Erst einige zehn Nanosekunden (in diesem
Falle etwa
40 Nano-sekunden) nach dem-Auftreten des Maximums des Impulses 51 wird das durch
die Schwingungen herbeigeführte Streusignal vernachläs sigbar.
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Das in Fig. 10 dargestellte Oszillogram wird unter den gleichen Bedingungen
wie in Fig. 9, aber mit einer Speiseschaltung nach Fig. 5 versehenen Photovervielfacherröhre
nach der Erfindung erhalten, die in der Zufuhrleitung der letzten Dynode einen Dämpfungswiderstand-von
etwa 50@@ enthält. Die Induktivität der Zufuhrleitung unterscheidet sich-nicht merklic-h
von dem Falle, in dem kein Dämpfungswiderstand vorgesehen ist. Fig.-10 zeigt eine
erhebliche Verbesserung der Form des Signals. Ein neuer Lichtimpuls, der- 12 Nanosekunden
nach dem vorangehenden Impuls auftritt, kann nahezu ohne störende Wirkung analysiert
werden. Die Anodenbelastung 32 im Anodenkreis ist bei cier Vorrichtung, mit der
dieses Oszillogramm erhalten ist, 50 und beteiligt sich mit infolge von Streukapazitten,wie
3a 47 in Fig. 8, und der komplementaren Induktanz des Widerstandes @@ und deren
Verbindungen verringerter Wirkung an der Dämpfung des Anodenkreises.
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Für eine Vorrichtung, die mit einer noch schwächeren Anodenbelastung,
z-B. nit einem Wiie-rstand 32 von 5 bis 25 , wirken muss, wird vorzugsweise eine
Ausführungsform einer Photovervielfacherr8hre nach der Erfindung vervrendet wie
die in Fig. 4 dargestellte. Dabei wird die Dämpfung des Anodenkreises durch das
Widerstandselement 22 (Fig. 4) in der Zufuhrleitung der Anode vervollständigt.