DE2131652B2 - Elektronenoptische Kurzzeitmeß-Bildwandlerröhre sowie Verfahren und Schaltungsanordnung zu ihrem Betrieb - Google Patents
Elektronenoptische Kurzzeitmeß-Bildwandlerröhre sowie Verfahren und Schaltungsanordnung zu ihrem BetriebInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine elektronenoptische Kurzzeitmeß-Bildwandlerröhre mit einer Photoelektronen
erzeugenden Kathode, einem der Photokathode nachgeschalteten Leuchtschirm, zwischen Photokathode und
Leuchtschirm angeordneter Ablenkelektrodenanordnung und einem zwischen der Photokathode und der
Ablenkelektrodcnanordnung nahe der Photokathode angeordneten Metallgitter,
Es sind eine Reihe von Verfahren zum Messen von Impulsen mit einer Impulsdauer im Picosekundenbereich bekannt Eine Gruppe dieser Verfahren benützt
nicht-lineare optische Metboden. Beispielsweise können
die zweiten oder dritten Oberschwingungen der
ίο Impulse erzeugt und Autokorrelationsmethoden zum
Messen der Impulsdauer verwendet werden. Auch können 2-Photonen und 3-Photonen-FluoreszenzabbiI-dungen erzeugt werden, die ebenfalls von der
Autokorrelation der Intensitäten Gebrauch machen.
Diese nicht-linearen optischen Methoden haben jedoch gewisse Nachteile. Die erzeugten Abbilder definieren
nicht eindeutig die Impulsform. Außerdem ist es mit diesen nicht-linearen Methoden nicht möglich, Impulse
geringer Intensität zu messen. Bei Laserstrahlen wird
μ ferner das Vorhandensein eines beträchtlichen Anteils
der Laserenergie außerhalb der ultrakurzen Impulse
nicht registriert, falls nicht ein linearer Detektor wie eine als »streak«-Röhre verwendete elektronenoptische
Kurzzeitmeß-Bildwandlerröhre der vorstehenden Art
verwendet wird.
Eine solche elektronenoptische Kuvzzeitmeß-Bildwandlerröhre ist aus der US-PS 31 77 390 bekannt
Bei der Messung sehr kurzer Impulse mit möglichst
großer Zeitauflösung tritt bei der bekannten Kurzzeit
meß-Bildwandlerröhre beim Auftreffen des den Impuls
darstellenden Lichtstrahls an der Photokathode eine Zeitdispersion auf. Wenn ein Lichtstrahl auf die
Photokathode auftrifft, emittiert die Photokathode Elektronen mit einer gewissen Geschwindigkeitsvertei
lung sowohl hinsichtlich der Richtung der Elektronenbe
wegung als auch des Betrags der Elektronengeschwindigkeit Die zeitliche Auflösung wird somit stets durch
die anfängliche Verteilung der kinetischen Energie der Elektronen bestimmt Unterschiedlich·1: kinetische Ener
gien führen dazu, daß zwischen gleichzeitig aus der
Photokathode austretenden Elektronen Laufzeitunterschiede beim Zurücklegen der Strecke zwischen
Photokathode und der Ablenkelektrodenanordnung auftreten. Die Zeitdispersion macht sich umso mehr
*5 hindernd bemerkbar, je kürzer die Impulse sind. Derzeit
lassen sich bereits mit Neodym-, Rubin- und Farbstoffla
sem Impulse mit so geringen Impulsdauern wie 2 oder
3 Picosekunden erreichen.
elektronenoptische Kurzzeitmeß-Bildwandlerröhre der im Oberbegriff des vorstehenden Anspruches 1
genannten Art zu schaffen, bei der die Einflüsse der zeitlichen Dispersion der aus der Photokathode
austretenden Elektronen verringert werden. Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das
Metallgitter in einem Abstand zwischen etwa 1 und 3 mm von der Photokathode angeordnet ist.
Dieser Lösung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß infolge der Anordnung des Metallgitters in dem
angegebenen Abstandsbereich von der Photokathode bei Betrieb der Bildwandlerröhre eine zwischen der
Photokathode und dem als Saugelektrode wirkenden Metallgitter ein starkes elektrisches Feld aufgebaut
wird, so daß die zeitliche Auflösung nicht mehr durch
6' Laufzeitunterschiede begrenzt wird. In der Ablenkelektrodenanordnung werden die Elektronen durch ein
gepulstes elektrisches Feld mit schneller Anstiegszeit abgelenkt, um die sogenannte »streak«-Aufzeichnung
zu ermöglichen. Hierdurch wird eine zeitliche Meßgröße in eine Strecke umgewandelt, so daß sowohl die
Zeitdauer als auch jede rasche Änderung der Eigenschaften ultrakurzer Lichtquellen oder -vorgänge
unmittelbar sich messen lassen.
Durch die Anordnung des Metallgitters in dem angegebenen Bereich läßt sich nicht nur der Grenzwert
der zeitlichen Auflösung der Bildwandlerröhre einstellen, sondern auch die mit der Bildwandlerröhre
mögliche elektronenoptische Bildvergrößerung. ι ο
Die Erfindung richtet sich auch auf ein Verfahren zum Betrieb der elektronsnoptischen Kurzzeitmeß-Bildwandlerröhre.
Während bei der US-PS 31 77 390 an dem Metallgitter bei Betrieb der Bildwandlerröhre eine Spannung von
ungefähr 300VoIt anliegt, die während der Messung
konstant ist, wird beim Betrieb der erfindungsgemäßen Röhre das Metallgitter auf einem wenigstens während
der Messung konstanten Hochspannungspotential in der Größenordnung von 1 kV gehalten.
DierErfindung richtet sich auch auf eine Schaltungsanordnung
zum Betrieb einer elektronenoptis'.hen Kurzzeitmeß-Bildwandlerröhre
der angegebenen Art, bei der das Metallgitter in einem Abstand zwischen 1 und
3 ram von der Photokathode angeordnet ist und bei der
das Metallgitter während des Betriebs auf einem wenigstens während der Messung konstanten Hochspannungspotential
in der Größenordnung von 1 kV gehalten wird.
Diese Schaltungsanordnung ist erfindungsgemäß gekennzeichnet durch eine mit dem Metallgitter
verbundene Quelle positiver Spannung und einem mit der Ablenkelektrodenanordnung verbundenen Spannungsgenerator
zur Erzeugung einer Rampenspannung, die mit den zu beobachtenden Lichtimpulsen der
Lichtquelle synchronisiert ist
Vorzugsweise enthält der Spannungsgenerator eine Funkenstrecke, die durch die von der Lichtquelle
erzeugten Impulse schaltbar ist, um den Betrieb der KurzzeitmeB-Bildwandlerröhre mit dem Ereignis, welches
das zu messende Licht aussendet, zu synchronisieren.
Die Bildwandlerröhre enthält mindestens ein Paar Streifenleiterelektroden, um eine lineare Ablenkung zu
ermöglichen.
Falls dine kreis- oder spiralförmige Ablenkung
erwünscht ist, weist die Ablenkelektrodenanordnung zwei Streifenleiterelektrodenpaare auf, die zwei rechtwinklig
zueinander verlautende elektrische Ablenkfelder erzeugen. In diesen. Falle ist in der Schaltungsan- so
ordnuftg eine Phasensteuereinrichtung zwischen dem Spannungsgenerator und den Elektrodenpaaren angeordnet
Die Ablenkempfindlichkeit läßt sich durch Verwendung eines derartigen Ablenksystems mit verteiltem
elektrischem Feld verbessern.
Zwei Ausführungsformen der erfindungsgemäßen elektronen-optischen Kurzzeitmeß-Bildwandlerröhre
sollen im folgenden beschrieben werden. Es zeigt
F i g. I eine erste Ausführungsform der Kurzzeitmeß-Bildwandlerröhre
mit Beschattung,
Fig. 2 eine Schaltungsanordnung zum Betrieb der
Bildwandlerröhre nach F i g. 1 und
F i g. 3 eine ändere Ausführungsform der Kurzzeitmeß-BildwandK'rröhre
mit kontinuierlicher Abtastaufzeichnung.
Gemäß Figil entti.lt eine Streak-Kamera 1 eine
Bildwandlerröhre 2 mit einer Photokathode 3, auf die im wesentlichen linien- oder punktförmige Lichtimpulse
fokussiert werden. Die Photokathode 3 spricht auf das auffallende Licht unmittelbar durch eine Emission von
Elektronen an, die von der Photokathode 3 mit Geschwindigkeiten unterschiedlicher Größe und Richtung
emittiert werden.
Mit Abstand von der Phoiokathode 3 ist eine
Saugelektrode 4 angeordnet, die ein starkes elektrisches Feld erzeugt und die Elektronen von der Photokathode
3 fort beschleunigt Die Saugelektrode 4 wird von einem feinen Metallgitter gebildet, das in einem Abstand
zwischen etwa 1 bis 3 mm von der Photokathode 3 angeordnet ist Eine Saugelektrode 4 mit 300 Maschen/cm
hat sich für diesen Zweck als geeignet erwiesen. Ein positives elektrisches Potential bis zu
1 Kilovolt oder mehr wird an die Saugelektrode 4 angelegt, um die Photoelektronfin rasch von der
Photokathode 3 abzusaugen. Durch diese Maßnahme läßt sich die auf die Schwankungen der Größe und der
Richtung der Anfangsgeschwindigkeit der Photoelektronen zurückzuführende Dispersion der Elektronenlaufzeit
durch die Bildröhre auf etwsr 1 Picosekunde
oder weniger verringern, so daß jetzt auch ultrakurze Impulse im Bereich unter 20 Picosekunden gemessen
werden können.
Die auf diese Weise beschleunigten Elektronen werden dann durch eine konische Fokussierelektrode 5
fokussiert und durchwandern die Anode 6 der Bildröhre 2. In der Röhre sind ferner Verschlußelektroden 7
angeordnet Der Elektronenstrahl durchläuft dann ablenkende Streifenelektroden 8, an denen eine lineare
Rampenspannung rascher Anstiegszeit anliegt, wenn die Elektronen durch die Platten 8 wandern. Die
Erzeugung der Rampenspannung wird weiter unten im einzelnen erklärt
Nach dem Durchwandern des Ablenkfeldes zwischen den Streifenelektroden 8 treffen die abgelenkten
Photoelektronen auf einen Leuchtschirm 9 am Ende der Bildröhre 2 und erzeugen dadurch auf dem Schirm 9
senkrecht zur Strahlrichtung ein Leuchtstreifenbild. Das dvrch die Elektronen auf dem Schirm 9 erzeugte
Leuchtstreifenbild wird mittels einer Bildverstärkerröhre verstärkt und photographiert Zu diesem Zweck ist
eine Linse 10 vorgesehen, die das Abbild des Streifens auf dem Schirm 9 auf die Bildverstärkerröhre 11,
beispielsweise eine vierstufige Kaskaden-Bildverstärkerröhre, fokussiert Durch diese Bildverstärkung
wird eine Bildverzerrung und ein Verlust der Raumauflösung vermieden, die sich bei hohen Photostromdichten
ergeben, die erforderlich wären, wenn der Leuchtschirm unmittelbar photographiert wird.
Die Lichtquelle für die Bildwandlerröhre 2 kann ein Laserstrahl von einem Neodym- oder Farbstofflaser,
eine Plasmaentladung oder ein l-aserstreulicht sein. Bei
dem in F i g. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel tot die Lichtquelle ein Impulszug eines Neodym-Lasers 13.
Vorzugsweise wird die zweite Oberschwingungsfrequenz benutzt und die impulse der zweiten Oberschwingung
werden in einem nicht gezeigten geeigneten Kristall erzeugt Die Impulse durchwandern eine
optische Verzögerungseinrichtung 14, beispielsweise eine Anordnung aus Strahlteilern, um U'iterimpulse mit
genau bekannten dazwischenliegenden Verzögerungen zu schaffen. Diese Unterimpulse werden auf einen
hochdurchlässigen StrahUeiler 15 gegeben, beispielsweise eine Glasplatte. Jeder Impuls durchwandert den
Teiler 15 und wird zum Umschalten eines Spannungsgenerators 16 benutzt, und jeder Impuls wird ferner
reflektiert und durch eine Fokussierlinse 17 zu einem
durchllssigen Diffusorschirm 18 und einem Schlitz 19
geleitet. Der Schirm 18 ist unmittelbar vor dem Schlitz 19 angeordnet, wobei der Schlitz eine Breite von
beispielsweise 50 μιη haben kann. Eine weitere Linse 20
fokussiert das schlitzförmige Bild auf die Photokathode 3 der Bildröhre 2.
Die Aufteilung jedes einzelnen Impulses durch die optische Verzögerungseinrichtung 14 kann insbesondere
beim Kalibrieren der Kamera von Vorteil sein, da die Zeitverzögerung zwischen den erzeugten Unterimpulsen
genau berechnet werden kann.
Um die lineare Rampenspannung an den Ablenkelektroden 8 zu erzeugen, die rasch ansteigt, wenn die
Photoelektronen die Elektroden 8 passieren und um sicherzustellen, daß die Spannung mit dem Durchgang
der Elektronen synchronisiert ist, ist der Spannungsgenerator 16 vorgesehen. Die Ansteigszeit der Rampenspannung
liegt in der Größenordnung von I Nanosekunde
oder weniger.
Der Spannungsgenerator 16 enthält vorzugsweise eine Funkenstrecke, die auf bekannte Weise durch die
Impulse des Laserstrahls geschaltet wird (siehe Fig.!).
Wie gezeigt, werden die elektrischen Ausgangsimpulse den Streifenelektroden 8 zugeführt.
Der Spannungsgenerator 16 kann wahlweise einen elektronischen Taktgeber enthalten, der erforderlichenfalls
eine durch eine irgend geeignete Vorrichtung erzeugte lineare Rampenspannung in die Schaltung
eingibt.
Eine wahlweise mögliche Ausführungsform des Spannungsgenerators 16 ist in F i g. 2 gezeigt. Bei dieser
Schaltung werden die von dem Strahlenteiler 15 ankommenden Impulse einem Transistor BSX6i
zugeführt, bei dem eine Diode zwischen dem Emitter und der Basis liegt. Der Transistor arbeitet im
Lawinen-Betrieb, und die Ausgangssignale an seinem Emitter sind induktiv an eine Kryptonröhre KN22
gekoppelt, die eine Vier-Element-Kaltkathoden-Gasentladungs-Schaitröhre
ist. Die den Ablenkelektroden 8 von der Schaltung zugeführten Ausgangsimpulse
werden durch Kurzschließen eines 50 pF-Kondensators über eine geringe Induktanz erhalten, um die Entladung
der Kryptonröhre zu linearisieren. Die am Transistor BSX 61 geschaltete Diode ist eine Begrenzungsdiode,
die verhindert, daß vom Gitter der Kryptonröhre ein Rückimpuls in den Transistor gelangt, wenn sich die
Kryptonröhre entlädt.
Eine wahlweise Ausführungsform der Bildwandlerröhre,
wie sie zur Herstellung einer kontinuierlichen kreisförmigen Abtastaufzeichnunf; geeignet ist, ist in
Fig.3 gezeigt, wobei in den Fig. 1 und 3 zur Bezeichnung gleicher oder äquivalenter Bauteile der
beiden Bildwandlerröhren die gleichen Bezugszeichen
ίο verwendet werden. Wie F i g. 3 zeigt, hat die Bildwandlerröhre
eine abgewandelte Bauweise der Anode und die Verschlußelektrode ist fortgelassen. Es sind zwei
Ablenkelektrodenpaare 80a und 80b vorgesehen, die zwei unter rechtem Winkel zueinander verlaufende
elektrische Ablenkfelder erzeugen, wobei in der Zeichnung lediglich ein Elektrodenpaar 80a sichtbar ist.
Eine Phasensteuereinrichtung 81 ist mit den Ablenkelektrodenpaaren 80a und 80b derart verbunden, daß
es durch Fhasensteuerung der den Elektroden ^ugeführten
Spannung möglich ist, auf dem Leuchtschirm 9 ein kontinuierliches, kreisförmigen oder spiralförmiges
Ablenkmuster zu erzeugen. Jede Elektrode 80a, 80b ist vorzugsweise als Streifenleiter ausgebildet, um eine
rasche elektronische Ansprechzeit zu erhalten, und es sind Einrichtungen zur richtigen elektronischen Anpassung
auf beiden Seiten vorgesehen. Streifenelektroden können auch bei dem in F i g. 1 gezeigten einzelnen
Streifeii,:5ektrodenpaar 8 verwendet werden. Bei dieser
Art der Bildwandlerröhre wird anstelle eines Schlitzbildes an der Photokathode vorzugsweise eine punktförmige
Quelle verwendet.
Während der kontinuierlichen Betriebsweise der Bildröhre, bei der auf dem Leuchtschirm ein kreis- oder
spiralförmiges Ablenkmuster erzeugt wird, können
r> kontinuierlich arbeitende Laser- oder andersartige Lichtquellen aufgezeichnet und dadurch zeitliche
Änderungen festgestellt werden. In anderen Anwendungsfällen können beispielsweise Lichtimpulse, die bei
Entfernungsbestimmung, bei Messungen an der Atmo-Sphäre, optischen Kommunikations-, Lese- und Schreibsystemen
verwendet werden, überprüft und ermittelt werden. Ein besonderer Anwendungsfall ist die
Überprüfung und Ermittlung »mode-locked«-Lasern, die bei optoelektronischen Zeichenlesegeräten und für
Faksimile-Wiedergabegeräte verwendet werden.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (9)
1. Elektronenoptische Kurzzeitmeß-Bildwandlerröhre mit einer Photoelektronen erzeugenden
Kathode, einem der Photokathode nachgeschalteten Leuchtschirm, zwischen Photokathode und Leuchtschirm angeordneter Ablenkelektrodenanordnung
und einem zwischen der Photokathode und der Ablenkelektrodenanordnung nahe der Photokathode angeordneten Metallgitter, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallgitter (4) in einem
Abstand zwischen etwa 1 und 3 mm von der Photokathode (3) angeordnet ist.
2. Röhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkelektrodenanordnung mindestens ein Paar Streifenleiterelektroden (8) enthält
3. Röhre nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkelektrodenanordnung zwei
Streifenleiterelektrodenpaare (80a, SOb) aufweist,
die zwei( »echtwinklig zueinander verlaufende elektrische Äbienkfelder erzeugen.
4. Verfahren zum Betrieb einer elektronenoptischen Kurzzeitmeß-Bildwandlerröhre nach einem
der Ansprüche 1—3, dadurch gekennzeichnet, daß
das Metallgitter (4) auf einem wenigstens während der Messung konstanten Hochspannungspotential in
der Größenordnung von 1 kV gehalten wird.
5. Schaltangsanordnung zum Betrieb einer elektronenoptischen Kurzzeitmeß-Bildwandlerröhre
nach einem der Ansprüche 1—3 unter Anwendung des Verfahre;^ nach Anspruch 4, gekennzeichnet
durch eine mit dem Metallgitter (4) verbundene Quelle positiver Spannung und einem mit der
AblenkelektrodenanordnuFig (8u°0a, SOb) verbundenen Spannungsgenerator (16) zur Erzeugung einer
Rampenspannung, die mit den zu beobachtenden Lichtimpulsen einer Lichtquelle synchronisiert ist
6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsgenerator (16)
eine Funkenstrecke enthält, die durch die von der Lichtquelle erzeugten Impulse schaltbar ist
7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsgenerator (16)
eine Schaltstufe mit einer Gasentladungsröhre enthält die durch die Steuerimpulse eines Transistors schaltbar ist der im Avalanche-Betrieb arbeitet
und die von der Lichtquelle (13) erzeugten Impulse empfängt
8. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 5—7, dadurch gekennzeichnet, daß die Rampenspannung eine Anstiegszeit in der Größenordnung
einer Nanosekunde hat
9. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 5—8, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer
Ablenkelektrodenanordnung mit zwei rechtwinklig zueinander zugeordneten Elektrodenpaaren (80a,
80b) eine Phasensteuereinrichtung (81) zwischen dem Spannungsgenerator (16) und den Elektroden·
paaren angeordnet ist, so daß sieh eine kreis- oder spiralförmige Ablenkung ergibt
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C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) |