DE1908132A1

DE1908132A1 - Elektronenroehre zur Aufzeichnung von sehr schnellen Lichtaenderungen

Info

Publication number: DE1908132A1
Application number: DE19691908132
Authority: DE
Inventors: G Mayer; Guy Mayer; G Wendt
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1968-02-20
Filing date: 1969-02-19
Publication date: 1969-09-11
Also published as: US3796901A; GB1220663A; FR1564698A

Description

Unser Zeichen: C 2638

THOMSON-CSF
101, Boulevard Murat, Paris l6e/Frankreich

Elektronenröhre zur Aufzeichnung von sehr schnellen Lichtänderungen

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Untersuchung von schnellen Lichtänderungen. Unter schnellen Änderungen versteht man Änderungen, deren Dauer gleich oder unterhalb einer Nanosekunde liegt, wie beispielsweise die Änderungen eines Lasers.

Gegenwärtig verwendet man für eine solche Untersuchung im allgemeinen:

Bu/ku

entweder

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entweder eine Anordnung von zwei Röhren: In diesem Fall gibt eine erste Röhre, welche eine dem zu untersuchenden Licht ausgesetzte Photokathode enthält, ein elektrisches Signal ab, welches man in die Röhre eines Kathodenstrahloszillographen gibt, um auf dem Schirm desselben das gewünschte Bild zu erhalten;

oder eine einzige Röhre mit einer Photokathode, wobei das von der Photokathode unter der Wirkung des zu untersuchenden Lichtes abgestrahlte Bündel von Photoelektronen direkt zur Bildung des Bildes auf dem Schirm der Röhre verwendet wird.

In beiden Fällen liegt die zeitliche Auflösung der bekannten Vorrichtungen in der Größenordnung von einer Nanosekunde: Das erhaltene Bild gestattet nicht die Trennung zweier Lichtzustände, welche um weniger als eine Nanosekunde voneinander getrennt sind. Ziel der Erfindung ist die Verkürzung dieser Zeit.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht es daher, den Abstand zwischen den Zeitpunkten, in welchen zwei Elektronen mit anfänglich verschiedener Geschwindigkeit, die im gleichen Zeitpunkt von der Elektronenquelle ausgesandt werden, an der Beschleunigungselektrode und den folgenden ankommen, auf ein Minimum zu verringern.

Anhand der Figuren wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigen

Figur 1 eine schematische Darstellung einer Bildröhre mit Beschränkung auf den der Photoelektronenquelle benachbarten Bereich zur Untersuchung der Bewegung der Photoelektronen in diesem Bereich der Röhre, r

Figur 2 ' 909837/1056

Figur 2 eine schematische Darstellung, in welcher die wesentlichen Teile einer Bildröhre zur Untersuchung der Bewegung der Elektronen zwischen der Photoelektronenquelle und dem Schirm dargestellt sind,

Figur 3 einen schematischen Schnitt durch eine bekannte Röhre zur Untersuchung von schnellen Änderungen intensiven Lichtes,

Figuren ¹I, 5, 6, 7 schematische Schrägansichten von erfindungsgemäßen Röhren zur Untersuchung von schnellen Änderungen intensiven Lichtes,

Figur 8 eine schematische Schrägansicht einer erfindungsgemäßen Beschleunigungselektroden-Ablenkelektrodenanordnung,

Figur 9 einen vergrößerten Schnitt, in welchem der Aufbau einer für die erfindungsgemäßen Röhren bestimmten Photokathode dargestellt ist,

Figur 10 einen schematischen vergrößerten Schnitt eines elektrooptischen Systems, welches zwischen die Photokathode und die Beschleunigungselektrode in den erfindungsgemäßen Röhren eingesetzt ist, und

Figur 11 die Ansicht eines Bildes in wahrer Größe, welches mit den erfindungsgemäßen Röhren erhalten wird.

Figur 1 zeigt schematisch eine Bildröhre, beschränkt auf den die Photoelektronenquelle umgebenden Bereich. Es ist eine Photokathode 1, eine Beschleunigungselektrode 2, welche im Abstand d voneinander angeordnet sind, und eine Ablenkelektrode

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3 dargestellt. A ist die die Elektrode 2 auf der Seite der Photokathode begrenzende Ebene und B ist die die Elektrode auf ihrer entgegengesetzten Seite begrenzende Ebene, während C die äußerste Ebene der gegenüber der Ebene B angeordneten Ablenkelektrode 3 ist.

Das einfallende Lichtbündel ist mit 4 bezeichnet und das Elektronenbündel ist durch eines seiner Elektronen, das mittlere Elektron e_c dargestellt, welches mit der Anfangsgeschwindigkeit ν in Bewegung versetzt wird.

Die Besehleunigungselektrode 2 ist bezüglich der Photokathoded auf die Spannung U. gebracht.

Diese Spannung erzeugt zwischen den Elektroden 1 und 2 ein zeitlich konstantes elektrisches Feld, welches längs der Abszissenachse Ox gerichtet ist und im Folgenden mit E bezeichnet wird.

Wenn das Lichtbündel 4 auf die Photokathode 1 trifft, sendet dieselbe Photoelektronen mit einer in bestimmten Grenzen zwischen den einzelnen Elektronen in Größe und Richtung unterschiedlichen Geschwindigkeit ν aus. Es wird zunächst angenommen, daß diese Geschwindigkeit längs der Achse Ox gerichtet ist, wie in Figur 1 angegeben.

Unter diesen Bedingungen nimmt das Elektron e„ in dem Raum zwischen der Photokathode 1 und der Elektrode 2 eine geradlinige, gleichförmige, beschleunigte Bewegung längs Ox an, deren Gleichung lautet:

(1) χ = v_ot + -\-yt² ,

wobei 909837/1056

wobei χ die Abszisse des Elektrons auf der Achse Ox und t die Zeit bedeutet, und

e ^Ul
y = — £=— , worin e und m jeweils Ladung bzw. Masse

^Ul

des Elektrons und —g— ein Näherungsausdruck für die Feldstärke E ist.

Diese Gleichung gibt die Zeit an, welche das Elektron braucht, um den die Photokathode 1 von der Eintrittsebene A der Elektrode 2 trennenden Abstand d zu durchlaufen. Diese Zeit hängt von der Anfangsgeschwindigkeit ν des Elektrons ab und ist umso geringer, Je größer ν ist.

Die Peststellung, auf welcher die Erfindung beruht, besteht darin, daß mit der für die von einer Photokathode ausgesandten Elektronen allgemein anzunehmenden Geschwindigkeitsdispersion die Dispersion der Zeit, welche die von derselben im gleichen Zeitpunkt ausgesandten Elektronen brauchen, um die Ebene A zu erreichen, einen sehr kleinen Bruchteil einer Nanosekunde nicht übersteigt.

Um sich-darüber klar zu werden, genügt es, die Lösungen der Gleichung (l) für χ = d zu vergleichen, was den Extremwerten von ν , das heißt ο und ν , entspricht.

Diese Lösungen unterscheiden sich um einen Betrag /\t₃ welcher geschrieben werden kann:

¹ m

worin 909837/1056

_ 6 —

worin e £ die kinetische Energie des Elektrons bedeutet, welche der Anfangsgeschwindigkeit ν entspricht.

Da £ gegenüber U. sehr klein ist, läßt sich dieser Ausdruck mit guter Annäherung auch schreiben:

^Ul und indem man die Feldstärke E = ——— einsetzt

EVe
m

Diese letztere Formel ergibt die folgenden numerischen Werte für einen Wert von ν , welcher einer Energie e £ von 1 eV entspricht, welcher Wert im allgemeinen für die Dispersion der Photoelektronenemission angenommen wird:

e	ε	3·	1	eV;	1	IO²*	3·	1θ3	103	3-1Ο²	Volt/cm
E	-		io¹		3		IO	30	100	Picosekunden
t		1

Aus diesen Werten ist ersichtlich, daß für ein elektrisches Feld E zwischen Photokathode 1 und Beschleunigungselektrode 2, welches zwischen 3 · 10^ und 10^ Volt/cm beträgt, welches beim gegenwärtigen Stand der Technik der Röhren häufig erzielte Werte sind, der Abstand zwischen den Zeitpunkten, in welchen zwei gleichzeitig von der Photokathode ausgesandte Elektroden die Ebene A erreichen, maximal einige Picosekunden beträgt.

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Es ist daher bei der Untersuchung des einfallenden Lichtbündels möglich, zwei um 1/10 Nanosekunde voneinander getrennte Zeitpunkte zu unterscheiden, ohne durch den genannten Abstand gestört su werden, welcher bezüglich dieses Werts vernachlässigbar ist.

Was für den Eintritt A der Beschleunigungselektrode 2 gilt, gilt auch noch für den Austritt B derselben, wobei der Abstand zwischen den Durchgangszeiten durch den Raum A B zweier Elektronen mit anfänglich verschiedener Geschwindigkeit, welche im gleichen Zeitpunkt von der Photokathode ausgesandt wurden, bezüglich des Abstands zwischen den Zeitpunkten, in welchen diese beiden Elektronen bei A ankommen, vernachlässigbar ist.

Diese Überlegungen bleiben die gleichen für Elektronen, deren Anfangsgeschwindigkeit eine Komponente senkrecht zu Ox aufweist, da diese Komponente nicht in die obigen Berechnungen eingeht.

Figur 2, welche schematisch die wesentlichen Teile einer erfindungsgemäß verwendeten Bildröhre zeigt, ermöglicht es, die Bewegung eines Photoelektrons von der Photokathode bis zum Schirm zu verfolgen.

In dieser Figur ist außer den in Figur 1 gezeigten Teilen eine mit der Elektrode 2 verbundene Elektrode 2¹ und der Schirm 5 dargestellt, welcher mit dem höchsten Potential bezüglich der Photokathode 1 verbunden ist (die Verbindung ist nicht dargestellt). F ist die die Elektrode 3 auf der Seite des Schirms 5 begrenzende Ebene. L ist der Abstand zwischen der Ebene C und der Ebene F, L₁ ist der Abstand des Schirms

von 909837/1056

von der Mittelebene m der Ablenkplatten. Die Elektrode 3
besteht aus zwei ebenen, parallelen Teilen 3a und 3b, welche im Abstand 2 D voneinander angeordnet sind und zwischen welchen eine zeitlich veränderliche Potentialdifferenz U,
aufrechterhalten wird. Diese Potentialdifferenz wird symme-

Ud U_d
trisch in der Form + —75— und ^=- derart erzeugt, daß in

der Achse eine feste Beschleunigungsspannung U. aufrechterhalten wird.

Diese Spannung erzeugt zwischen den Teilen 3a und 3b ein
praktisch gleichförmiges Feld E_d, welches zeitlich veränderlich ist und senkrecht zur Achse Ox gerichtet isi.

Die von der Photokathode 1 ausgesandten Elektroden kommen, nach Durchsetzen der Elektrode 2 in der Ebene C an, wo sie in die Elektrode 3 eindringen.

Unter der Wirkung des elektrischen Feldes E,, welches zwischen den diese Elektrode bildenden Teilen 3a und 3b herrscht, erfahren sie eine Ablenkung, deren Amplitude TOm zeltlich veränderlichen Wert der Spannung U, in dem Zeitpunkt abhängt, in dem sie die Ebene G erreichen.

Die von der Photokathode 1 während der Dauer eines Lichtblitzes ausgesandten Elektronen ergeben daher auf dem Schirm 5 nach Durchsetzen der Elektrode 3 einen Aufprall, dessen Abstand von der Achse Ox sich mit dem Zeitpunkt ändert, in welchem dieselben von der Photokathode ausgesandt wurden. Man
erhält so auf dem Schirm 5 ein ausgebreitetes Bild des von
der Photokathode empfangenen Lichtblitzes.

Die von einem Photoelektron beim Durchsetzen der Elektrode 3

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erlittene Ablenkung erhält man aus den Gleichungen seiner Bewegung im Feld E^, welches zwischen den Teilen 3a und 3b herrscht. Wenn man ein Feld E_d in Sägezahnform annimmt, welches sich linear mit der Zeit t nach dem Ausdruck E^ = E _E-ändert, wobei E eine Konstante und % die praktisch von den Schwankungen der Anfangsgeschwindigkeit ν nicht beeinflußte Zeit ist, welche ein die Beschleunigungselektrode 2 verlassendes Elektron braucht, um die Elektrode 3 zu durchsetzen, lassen sich diese Gleichungen bezüglich der Achse O₁X und O₁Jr

d^{2 E}

schreiben: χ = vt und \~ = ~- —j=— t, wobei ν die Ge-

dt °

schwindigkeit des Elektrons in dem Zeitpunkt bedeutet, in dem es in der Ebene G der Ablenkelektrode 3 ankommt.

Für ein die Ebene C im Zeitpunkt t mit einer Geschwindigkeit ν praktisch parallel zu Ox verlassendes Elektron wird aus diesen Gleichungen, indem man das Feld E, in zwei Ausdrücke zerlegt, deren einer E_n —~— von t unabhängig 1st und der andere

O U

- (t - to) lautet:
x = v (t - to) und y = -S₅- -3?- |_to(_t . _to)2 ₊ /

Aus diesen Gleichungen kann man durch Berechnung von ■ die von einem Elektron in der Elektrode 3 zwischen der Eintrittsebene C und der Austrittsebene F, welche im Abstand L voneinander angeordnet sind, erlittene Ablenkung herleiten.

Die Tangente des Ablenkwinkels o< wird durch den Wert von -g- in der Ebene F₅ das heißt durch {-ff-1 _{p wledergegeben}.

Wenn 909837/1056

Wenn man annimmt, daß unabhängig von dem Zeitpunkt, in welchem das betrachtete Elektron die Ebene C verläßt, die Spannung U_d zwischen den Teilen 3a und 3b während der ganzen Zeit, in der dieses Elektron die Elektrode 3 durchläuft, angelegt bleibt, was bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung der Fall ist, so erhält man:

^dy I - -ι- Λ* - e τ, L j 2 to . _Λ

l- L - *β« - Τ5Γ E₀ -j

Die von dem Bündel in der Elektrode 3 erlittene Ablenkung setzt sich daher aus zwei Ausdrücken zusammen:

Der eine Eo —5— ist von dem Zeitpunkt t , in dem das din ά ο

Elektron die Ebene C verläßt, unabhängig und der andere, von diesem Zeitpunkt abhängige Ausdruck ist gleich

e _E L to
m ο _V2 %

Die dem ersten Ausdruck entsprechende Ablenkung, welche von einem Ende bis zum anderen Ende der Erscheinung konstant ist, ist für die Erfindung ohne Interesse, da dieselbe auf dem Unterschied zwischen den Amplituden der von zwei in zwei verschiedenen Zeitpunkten der Lichterseheinung ausgesandten Elektronen auf ihrer Laufbahn zum Schirm erlittenen Ablenkungen beruht. Sie kann durch Bildeinstellung ausgeschaltet werden.

Was die dem zweiten Ausdruck entsprechende Ablenkung betrifft, so zeigt der Ausdruck (4), daß er sich für ein zeitlich linear veränderliches Feld E, linear mit dem Zeitpunkt t_ ändert, in welchem das betrachtete Elektron die Eintrittsebene C des Ablenksystems verlassen hat. Die Formel (¹I) gestattet eine Be-- ^; rechnung der den verschiedenen Werten von t entsprechenden Ablenkung.

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Dies

Dies führt dazu, nach der zeitlichen Auflösung die räumliche Auflösung der Vorrichtung zu betrachten. Wenn man sich zur Erzielung eines guten Kontrastes auf 5 Linien je mm des Bildschirms beschränkt, wobei man 200 Phasen in der Untersuchung der Erscheinung unterscheiden möchte, das heißt wenn man eine räumliche Auflösung von 200 Linien wünscht, so muß man das Bild auf eine Höhe von 40 mm aufspreizen.

Dieser Wert ist leicht mit den allgemein bei den erfindungsgemäßen Röhren gewählten Abmessungen und den an dieselben angelegten Spannungen erzielbar.

Um diesen Gedankengang zu stützen, wird nachfolgend ein Zahlenbeispiel angegeben.

Der Abstand 6t zwischen den Zeitpunkten, in denen zwei gleichzeitig von der Photokathode ausgesandte Photoelektronen die Ebene A (Figuren 1 und 2) erreichen, wird durch die Formel (2) gegeben, aus welcher man für E=I Volt und eine Spannung U₁ = 5000 Volt zwischen der Photokathode und der derselben in einem Abstand von d = 1 cm unmittelbar gegenüberliegenden Elektrode, was eine Feldstärke von 5000 V/cm ergibt, erhält j Δ. t = 6,8 · 10-12 Sekunden.

Dieser Abstand ist wenigstens bis auf einige Prozent gleich demjenigen, mit welchem die beiden Photoelektronen die Eintrittsebene C der Ablenkplatten 3ä und 3b der erfindungsgemäßen Vorrichtung erreichen (Abstand A B von einigen cm und Elektroden auf einem Potential in der Größenordnung von 5 kV).

Wenn man annimmt, daß Ot (Gleichung (3)) klein ist, was in der

erfindungsgemäßen 909837/1056

erfindungsgemäßen Röhre stets der Fall ist, um die chromatischen Aberrationen zu vermeiden, so kann man überlegen, daß die dem ersten Ausdruck (4) der Gleichung (3) entsprechende Ablenkung ß gegeben wird durch

tg ß = E„

2U₁

und daß die Differenz Atg ß der von den zwei Photoelektro nen erlittenen Ablenkungen gegeben wird durch:

* = E₀ -ψ- -jSj- (5)

worin At gleich dem Abstand zwischen den Zeitpunkten 1st, in denen die beiden Photoelektronen in der Eintrittsebene C der Ablenkplatten ankommen.

Für L = 2 cm, X- °₃ ¹*7 Nanosekunden ergibt die Gleichung (5) sodann für einen Wert von &t_Q gleich dem obigen Abstand Δt:

ß ϊ E₀ V/cm

und eine Höhenaufspreizung <f des Bildes zwischen dem Aufprallen dieser beiden Photoelektronen auf einem Schirm 5» welcher in einem Abstand L. (Figur 2) von 20 cm angeordnet ist,

cm = Eo V/cm 10⁶

oder 909837/1056

oder für die oben betrachtete räumliche Auflösung von 5 Linien Je mm, das heißt für X - 0,2 mm: E_Q = 350 Volt, welcher Wert während der Zeit ^ t einer Änderung der Amplitude E, des Ablenkfeldes von

350 £~- # 5 V/cm

entspricht, wobei das vollständige Bild mit ^O mm Höhe mit einer maximal 200 mal größeren Änderung von E., das heißt ungefähr 1000 V/cm, erhalten wird und wobei dieses Bild einem Lichtblitz mit einer Dauer von ungefähr 1,36 Nanosekunden entspricht. Die entsprechende Spannung Z, max zwischen den beiden Platten 3a und 3b (Figur 2) gleich E_d max χ 2 D beträgt für 2 D = 0,6 cm ungefähr U^ max = 600 Volt.

Die Begrenzung der zeitlichen Auflösung beruht, wie oben ausgeführt, auf der Dispersion der anfänglichen kinetischen Energie der Photoelektronen in der Größenordnung eines Elektronenvolts, welche einen Unterschied zwischen den Zeiten hervorruft, welche zwei gleichzeitig ausgesandte Elektronen brauchen, um den Abstand zwischen der Photokathode und der Ablenkelektrode zu durchlaufen.

Das obige Beispiel zeigt, daß für eine vorbestimmte photoelektronische Bnissionsenergie (1 eV) bei Erzeugung eines ausreichenden elektrischen Feldes zwischen der Photokathode und der ersten Beschleunigungselektrode diese Begrenzung auf 6,8 · 10-12 Sekunden verringert werden kann. Diese Verringerung ist umso größer, je höher das betreffende elektrische Feld bei gegebener Dispersion ist. Es ist daher wichtig,die Elektroden ab ihrem Austritt aus der Photokathode auf ihre Höchstgeschwindigkeit zu beschleunigen.

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Dies ist bei der im schematischen Schnitt in Figur 3 dargestellten erwähnten Röhre nach dem Stand der Technik nicht möglich. Figur 3, welche sich auf den Fall einer drehsymmetrischen Röhre bezieht, zeigt einen schmalen Spalt 10, welcher in einer in der Bahn des Lichtbündels 4 angeordneten Blende 10' ausgebildet ist, ein Objektiv 11, welches das Lichtbündel 12 bei 10" im Mittelpunkt der Photokathode 1 konzentriert, das Bündel der Photoelektronen 13 sowie eine Kamera c, welche zum Photographieren des.auf dem Schirm 5 erzeugten Bildes derart verwendet wird, daß man k durch die Remanenz desselben nicht beschränkt wird.

Außerdem weist diese Röhre zwischen der Photokathode 1 und der Beschleunigungselektrode oder Anode 2 eine Fokussierelektrode 9 und unter Umständen eine Blendenelektrode 8 auf.

Der zur Unterbringung dieser beiden Elektroden erforderliche Platz führt zu unzulässigen Spannungen an der Besehleunigungselektrode, um das gewünschte starkfe elektrische Feld in der Umgebung der Photokathode zu erzeugen.

Bei der erfindungsgemäßen Röhre wird dagegen die erste Elektrode, welche gegenüber der Photokathode in der Bewegungs-' bahn der Photoelektronen angeordnet ist, auf das höchste Potential gebracht, welches mit ihrem Abstand zur Photokathode verträglich ist, während die die Rolle der Elektroden 9 und 8, wenn erforderlich, spielenden Elektroden an anderer Stelle in der Röhre vorgesehen werden.

Das oben angegebene numerische Beispiel zeigt, daß es mit dieser erfindungsgemäßen Anordnung im Gegensatz zum Verhalten der bekannten Röhren infolge der zwischen der Photokathode

und 909837/1056

und der ersten Beschleunigungselektrode in geringem Abstand (d) zwischen diesen Elektroden, welcher gleich dem mit dem Spannungsverhalten verträglichen Minimum gewählt ist, angelegten hohen Spannung (IL) und infolge des hohen

U₁

Betrages des elektrischen Feldes ( ) _y welcher sich daraus ergibt, möglich ist, Lichtblitze aufzuzeichnen, deren Gesamtdauer 1,36 Nanosekunden nicht übersteigt, und zwar mit einer räumlichen Auflösung von 5 Linien je mm des Schirms.

Diese Aufzeichnung gestattet leicht die Trennung zweier Er-

7
elgnlsse, welche beispielsweise ——^ Nanosekunden voneinander getrennt sind, welcher Wert 10 mal höher ist als derjenige der auf der Photoelektronenemission beruhenden Dispersion.

Die gleiche Vorrichtung ermöglicht mit den gleichen Bildabmessungen die Untersuchung von Erscheinungen längerer Dauer, beispielsweise 10 Nanosekunden, mittels der gleichen Ablenkspannung U, max, aber mit einer weniger guten zeitlichen Auflösung von 50 Picosekunden statt 6,8 Picosekunden. Lediglich das Bildformat ändert sich von einem Fall zum anderen.

Verschiedene Ausführungsformen der Erfindung sind schematisch in den Figuren 4, 5, 6 und 7 dargestellt. In allen diesen Figuren ist eine Photokathode und ein Leuchtschirm an den beiden Enden eines dichten drehsymmetrischen Gehäuses 50 angeordnet. Mit 4 ist das Liehtbündel, mit 10 ein schmaler Spalt in der Blende 10', welche vom Liehtbündel *i beleuchtet wird, und mit 11 ein optisches System bezeichnet, welches das vom Spalt 10 ausgesandte Liehtbündel 12 in ein Bild 10" in der

Mitte 909837/1056

Mitte der Photokathode fokussiert. Zur besseren Übersichtlichkeit sind die in diesen Figuren dargestellten Anschlüsse und Durchführungen nicht mit Bezugszeichen versehen. Der Schirm, dessen Anschluß nicht dargestellt ist, ist mit dem höchsten Potential verbunden, welches im wesentlichen gleich demjenigen der ersten, der Photokathode gegenüberliegenden Elektrode 15 (Figur ¹I) bzw. 20 (Figuren 5, 6 und 7) ist, Eine nicht dargestellte Kamera gestattet die Aufnahme eines Films von dem auf dem Schirm erzeugten Bild. Die Schwärzung des Films wird mittels eines Mikroschwärzungsmessers gemessen.

Bei einer ersten, in Figur 4 dargestellten AusfUhrungsform der Erfindung werden die Photoelektronen von der Photokathode

14 auf ein hohes Potential in der Größenordnung von 5 kV bis etwa 10 kV mittels der Beschleunigungselektrode beschleunigt, welche aus zwei um die Achse des Gehäuses 50 drehsymmetrischen Zylindern 15 und 15* mit dem gleichen Radius besteht, die auf das gleiche Potential gebracht sind. Die Elektrode 17 ist drehzylindrisch mit dem gleichen Radius und der gleichen Achse wie die Zylinder 15 und 15'» ist zwischen diesen beiden Zylindern angeordnet und mittels der Photokathode auf ein positives Potential gebracht, das unterhalb demjenigen der Teile

15 und 15' liegt, jedoch wenigstens gleich der oder größer als die Hälfte dieses Potentials ist. Die Anordnung 15, 17, 15' bildet daher eine Elektronenlinse mit drei Elektroden, welche die Fokussierung des Photoelektronenbündels gewährleistet. Die Verwendung einer solchen Linse ist deswegen erforderlich, weil, so schmal der Spalt 10 und sein Bild 10" auf der Photokathode auch gemacht werden, das von der Photokathode ausjesandte Photoelektronenbündel eine bestimmte Dicke aufweist, welche eine Fokussierung senkrecht zur Fortpflanzungsachse

909637/1056 _des

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des Bündels erforderlich macht. Auf seiner Bahn zum 16 längs der Achse der Röhre läuft dasselbe zwischen zwei Platten 18 durch, welche die Ablenkelektrode bilden«

Figur 5 zeigt eine zweite Ausführungsform der Erfindung, welche sich von der in Figur 4 dargestellten durch die Form der die Elektronenlinse bildenden Teile unterscheidet. Die drehsymmetrischen Teile 15, 15' und 17 sind jeweils durch ein Paar von Platten 20, 20' und 21 ersetzt. Mit 19, 22 und 23 ist jeweils die Photokathode, der Schirm bzw. das Plattenpaar bezeichnet, welches die Ablenkelektrode bildet. Dieser Aufbau wird bei flachen Bündeln in Form von Bändern angewendet, in deren Innerem die gegenseitige Abstoßung der Elektronen weniger stark ist und welche infolgedessen leichter zu fokussieren sind, als die zylindrischen Bündel.

Figur 6 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, welche sich von der vorangehenden dadurch unterscheidet, daß die Platte 20' der Beschleunigungselektrode in der unmittelbaren Umgebung der Ablenkelektrode 23 durch die Platten 24 ersetzt sind, welche nicht mehr parallel zur Achse der Röhre, sondern senkrecht zu derselben angeordnet sind. Diese Anordnung bezweckt bei Beibehaltung aller übrigen Bedingungen eine Verringerung des Abstandes Photokathode - Ablenkelektrode und infolgedessen, was in einem geringen Ausmaß nach den obigen Berechnungen gilt, der Ungleichheiten zwischen den Durchgangszeiten von zwei Elektronen mit verschiedener Anfangsgeschwindigkeit zwischen diesen zwei Elektroden.

Bei einer anderen, in Figur 7 dargestellten Ausführungsform der Erfindung werden die Ablenkplatten als Teile der Elektronenlinsen verwendet. In diesem Fall spielen die zwischen den

Plattenpaaren 909837/105 6

Plattenpaaren 20 und 20^r angeordneten Platten 25 gleichzeitig die Rolle der Ablenkelektrode (Elektrode 18 in Pigur 4 und 23 in den Figuren 5 und 6) und der Fokussierungselektrode (Elektrode 17 in Pigur 4 und Elektrode 21 in den Figuren 5 und 6). Man legt an dieselben einerseits eine Gleichspannung U über Widerstände 26 und eine zeitlich in Sägezahnform veränderliche Spannung U, über Kondensatoren 27 an·

Die Anordnung gemäß Figur 7 ist in besonders gedrängter Form herstellbar, deren Festigkeit eine große mechanische Präzision ermöglicht. Diese Form ist in Figur 8 dargestellt. Die Platten 20, 20* bilden dabei eine Art Kasten, wobei ein Teil der Wände desselben von den Platten 25 eingenommen wird, die mit den Platten 20 und 20· durch Klammern 28 und isolierende Perlen 28' verbunden sind. An den Rändern des Kastens auf der Seite der Photokathode sind kleine Zylinder 40 an den Platten 20 angeschweißt, um deren Spannungsverhalten durch Verminderung der Coroaawirkung zu verbessern.

Um den Bildkontrast auf dem Schirm zu verbessern, wird bei einer anderen, in Figur 9 dargestellten Ausführungform der Erfindung dem optischen System zwischen dem Lichtbündel und der Photokathode (Teile 10, 10' und 11 in den Figuren 4, 5, 6, 7) die folgende Form gegeben:

Auf einem durchsichtigen Träger 29, welcher einen Teil der Röhre 50 darstellt und dem Lichtbündel 4 ausgesetzt ist, bringt man eine durchsichtige leitende Schicht 30 (beispielsweise Sb dotiert mit Sn O₂) auf, auf welche man eine Metallschicht 31 aufdampft, wobei in der Mitte ein Fenster 32 mit einer Höhe von einigen 10 Mikron freibleibt, und sodann wird auf die Schicht 31 die photoemittierende Schicht 33 gegenüber

der

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der Beschleunigungselektrode 20 aufgebracht. Das Fenster 32 wird daher direkt durch das zu untersuchende Licht ohne Zwischenschaltung des Spalts 10 und des Objektivs 11 gemäß den Figuren 4, 5, 6, 7 beleuchtet. Man erhält so eine bessere Begrenzung des Lichtbildes auf der Fhotokathode.

Um schließlich die zeitliche Auflösung noch zu verbessern, ordnet man bef einer weiteren Ausfuhrungsform der Erfindung im Inneren des Gehäuses 50 (In vergrößertem Haßstab in Figur 10 dargestellt) zwei Elektronenspektrographen oder B-Spektrographen 35a und 35b zwischen der Photokathode, welche wie bei dem in Figur 9 dargestellten Ausführungsbeispiel aus Schichten 29, 30, 31 und 33 besteht, und der Beschleunigungselektrode 20 an, welcher die Elektroden 25 und 20* folgen.

Die vom Spalt 32 ausgesandten Photoelektroden werden durch die Elektroden 38 und 39 auf den Spalt 36 derart fokussiert, daß diejenigen unter ihnen, deren Anfangsgeschwindigkeit die wahrscheinlichste ist, ein Bild auf dem Spalt 36 des Spektrographen 35a bilden, wobei die übrigen von der Blende 36a aufgefangen werden. Der zweite Spektrograph 35b gestattet darüberhinaus eine vorteilhafte Vereinheitlichung der Energien der Elektronen, welche den in der Blende 37a desselben vorgesehenen Spalt 37 verlassen. Ab der Photoelektronenquelle, welche von dem Spalt 37 gebildet wird, ist die Arbeitsweise der Röhre die gleiche, wie sie oben beschrieben wurde.

Figur 11 zeigt die Anordnung eines Bildes in wahrer Größe, welches mit den erfindungsgemäßen Röhren erhalten wird (ein Rechteck von 20 χ *40 mm).

Patentansprüche 909837/1056

Claims

Patentansprüche

.) Elektronenröhre zur Aufzeichnung von sehr schnellen Lichtänderungen, gekennzeichnet durch eine Photoelektronenquelle, welche dieses Licht empfängt, einen die Photoelektronen empfangenden Bildschirm, auf der Bewegungsbahn der Phötoelektronen zwischen der Photoelektronenquelle und dem Bildschirm Einrichtungen zur ausreichenden Beschleunigung der Photoelektronen unmittelbar nach deren Emission, damit die mit dieser Emission verbundene Energiedispersion gegenüber der Energie vernachlässigbar wird, welche denselben von den genannten Einrichtungen erteilt wird, sowie durch Einrichtungen zur Aufprägung einer periodischen Ablenkung auf die Photoelektronen bei deren Bewegung zum Bildschirm senkrecht zu deren Fortbewegungsrichtung.
2. Elektronenröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschleunigungseinrichtungen aus einer Beschleunigungselektrode bestehen, welche in der unmittelbaren Umgebung der Photoelektronenquelle angeordnet ist, wobei leine andere Elektrode zwischen der Beschleunigungselektrode und der Photoelektronenquelle angeordnet ist.
3. Elektronenröhre nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschleunigungselektrode unter allen Elektroden der Röhre diejenige ist, welche bezüglich der Photoelektronenquelle auf das höchste Potential gebracht ist.
4. Elektronenröhre nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine

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Fokussierungselektrode, welche unmittelbar nach der Beschleunigungselektrode an der Bewegungsbahn der Photoelektronen angeordnet ist.
5. Elektronenröhre nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine zweite Beschleunigungselektrode, welche nach der Fokussierungselektrode an der Bewegungsbahn der Photoelektronen angeordnet ist, sowie durch Einrichtungen, durch welche diese zweite Beschleunigungselektrode auf das gleiche Potential gebracht werden kann wie die erste Beschleunigungselektrode.
6. Elektronenröhre nach den Ansprüchen 2 bis 5> dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Elektroden Drehzylinder mit der gleichen Achse sind.
7. Elektronenröhre nach den Ansprüchen 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Elektroden jeweils von einem Plattenpaar gebildet sind.
8. Elektronenröhre nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Beschleunigungselektrode senkrecht zur ersten Beschleunigungselektrode und zur Fortbewegungsrichtung der Photoelektronen angeordnet ist.
9. Elektronenröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkeinrichtungen Einrichtungen zur Ausübung einer Fokus sierungswirkung auf die Photoelektronen umfassen.
10. Elektronenröhre nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Anordnung von Spektrographen, welche zwischen der Photoelektronenquelle und den Beschleunigungseinrichtungen angeordnet sind, um die Dispersion der der genannten Beschleunigung unterworfenen Photoelektronen zu verringern.

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