DE2160656A1 - Anordnung und Verfahren zur Wechselwirkung von Teilchen mit einer Lichtwelle - Google Patents

Description

3552-71/Dr.Ho/Ro.

Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung

der Wissenschaften e.V.
34) Göttingen, Bunsenstraße 10

Anordnung und Verfahren zur Wechselwirkung von Teilchen mit einer Lichtwelle.

Zusammenfassung

Anordnung und Verfahren für die Erzeugung einer Wechselwirkung zwischen einem Teilchenstrahl und einer elektromagnetischen Welle, insbesondere bei optischen Frequenzen, wobei ein Bündel von Teilchen hoher Geschwindigkeit z.B. von Elektronen, durch eine geeignete Wechselwirkungszone geschickt wird, z.B. in Form eines optisch transparenten dielektrischen Filmes, z.B. ein dünnes kristallines Plättchen, während der Film mit Laserlicht bestrahlt wird, welches im allgemeinen parallel zur Richtung des Teilchenstrahls polarisiert ist, wobei die Teilchen bei einem später erfolgenden Eintritt in ein geeignetes Medium z.B.

einem nichtlumineszierenden Schirm, ihr Licht in derselben Farbe i
!abgeben wie das Laserlicht ist. Die so erhaltene Wechselwirkung kann verschiedentlich angewandt werden, z.B. in Farbfernsehempfang sr öhr en und anderen elektronischen Bildschirmeinrichtungen 'oder Informationsspeichern.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf das Gebiet der Wechselwirkung elektromagnetischer Wellen und insbesondere auf ein Verfahren und eine Anordnung für die Erzeugung einer Wechselwirkung zwischen einem Bündel von Teilchen und elektromagnetischen Wellen, insbesondere bei optischen Frequenzen.

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M. O _

Der Gebrauch verschiedener elektronischer Anordnungen zur Erzeugung einer Wechselwirkung zwischen elektromagnetischen Wellen im niedrigeren Frequenzbereich des elektromagnetischen Spektrums ist lang bekannt und sichergestellt und wird in weitem Maße im Bereich der Amplitudenmodulation,Frequenzmodulation und des Fernsehns, sowie verschiedener Radar- und Mikrowellehanordnungen angewandt. Ferner wurde die Wechselwirkung beobachtet zwischen hochfrequenten elektromagnetischen Wellen und Teilchenwellen, z.B. bei der Beugung von Röntgenstrahlen an einem Kristallgitter, wobei das Gitter als eine stehende Teilchenwelle betrachtet werden kann. Der umgekehrte Fall wurde von P.L. Kapitza und P.A.M. Dirac bereits 1933 vermutet und in den Proceedings of the Cambridge Philosophical Society veröffentlicht, nämlich, daß eine stehende hochfrequente elektromagnetische Welle wie ein Beugungsgitter auf eine Teilchenwelle wirken sollte. Dieser Mechanismus wurde erst nach der Entwicklung des Lasers 1965 beobachtbar, wie Schwarz et al in Physics Letters 19, 202 (1965) berichtet haben. Diese weitere Bestätigung der Teilchenwellendualität führte die Erfinder zu der Betrachtung, ob Teilchenwellen z.B. ein Elektronenstrahl, ebenso mit einer fortschreitenden elektromagnetischen Welle wechselwirken kann, z.B. einem Laserstrahl um den Transfer von Impuls zu bewirken.

Diese Wechselwirkung war bis dahin ein unbeobachtetes Phänomen. Die Benutzung der Anordnung und des Verfahrens der vorliegenden Erfindung, wie sie in der Wechselwirkung zwischen Teilchenwellen und fortschreitenden elektromagnetischen Wellen erzielt wurde, erlaubt die Anwendung dieses Phänomens für eine ungeheuere Anzahl elektronischer und optischer Anordnungen.

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren für die Wechselwirkung eines Teilchenstrahls mit elektromagnetischen Wellen, insbesondere bei optischen Frequenzen, und besteht darin, daß ein Teilchenbündel hoher Geschwindigkeit durch eine geeignete Wechselwirkungszone tritt, z.B. einem optisch transparenten dielektrischen Film in der Form eines dünnen Ein- ! kristalle, während der Film gleichzeitig mit einem Bündel elektro-.

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magnetischer Wellen bestrahlt wird, welches vorzugsweise kohärent ist, z.B. von einem Laserstrahl, und dessen elektrischer Vektor im allgemeinen in der Richtung des Teilchenstrahls polarisiert ist. Wenn der Teilchenstrahl nach der Wechselwirkung mit dem Laser die Möglichkeit erhält auf ein nichtlumineszierendes Medium zu fallen, z.B. einen Aluminiumoxidschirm, so wird Licht derselben Wellenlänge emittiert wie es vorher durch den Laser auf den Elektronenstrahl eingeprägt wurde, so daß der. Elektronenstrahl auf dem Schirm sichtbar wird. Der Wechselwirkungsvorgang hängt offenbar damit zusammen, daß die Elektronen in dem Film eine kleinere Geschwindigkeit erhalten und dadurch eine Übertragung von Impuls erlauben, wie noch weiter beschrieben wird.

Die Wechselwirkung kann in einem weiten Beieich elektrischer Anordnungen angewandt werden, z.B. für die Radiotechnik, Kommunikationstechnik, Informationsspeicherung, Datenverarbeitung und i ähnlichen und ganz besonders als ein Beispiel in Farbfernsehempfang sr öhr en oder ähnlichen Bildschirmapparaturen wie noch beschrieben wird.

Fig. 1 ist eine schematische Wiedergabe eines Systems für die Wechselwirkung eines Elektronenstrahls mit hoher Geschwindig- ; keit mit elektromagnetischer Strahlung von optischen Frequenzen entsprechend der vorliegenden Erfindung; ,

Fig. 2 ist ein Kurvenbild für ein Ergebnis wie es mit einem i System der Fig. 1 erhalten wird, wobei die relative Intensität ι (I/Iq) für blaues Licht (λ=4480Α) von einem nichtlumineszierenden ^! Schirm gegeben wird als eine Funktion des Abstands r zwischen dem Film und dem Schirm, wenn der elektrische Vektor des Laserlichtes parallel zur Richtung des Elektronenstrahls gerichtet ist;

Fig. 3 ist ein Diagramm wie es mit einem System der Fig. 1 ' erhalten wird, wobei die relative Intensität (I/I_Q) von blauen ; Licht (X= 448OA) gegeben ist von einem nichtlumineszierenden ₍ Schirm als eine Funktion des Winkels θ zwischen elektrischem Vektor des Lasers und der Richtung des Elektronenstrahls bei einem Abstand r=15,3 cm und r=34,O cm zwischen dem Film und dem Schirm, wobei die Maxima in Übereinstimmung mit den Bedingungen

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der Fig. 2 erscheinen; und

Fig. 4 ist eine schematische Wiedergabe einer Farbfernsehempfangsröhre, in der die Prinzipien der vorliegenden Erfindung verwirklicht werden.

Die vorliegende Erfindung wird zuerst beschrieben im Zusammenhang mit einem grundsätzlichen System, welches benutzt werden kann, um das Wechselwirkungsphänomen zu erhalten und anschließend unter dem Gesichtspunkt einer besonderen Einbeziehung innerhalb einer Farbfernsehröhre. Der Term elektromagnetische Strahlung soll hier benutzt werdenf.ür Energie wie sie durch den Raum oder durch ein materielles Medium in Form elektromagnetischer Wellen transportiert wird, und der Term Teilchen soll sich auf solche Elementarteilchen mit nichtverschwindender Ruhemasse beziehen.

j Die Erscheinung kann ausgeführt werden mit einem System wie es im Schema der Fig. 1 gezeigt wird, wobei eine ültrahochvakuumkammer benutzt wird, die die Wechselwirkungszone umgibt. Die Kammer besteht aus rostfreiem Stahlmantel 1, der durch eine Ionenpumpe 2 evakuiert wird und vor welches zwei Sorptionspumpen

Ein
3 und 4 vorgeschaltet sind./140~Liter-pro-Sekunden-Vakuumionenpumpensystem, wie es von der Fa. Varian Associates, PaIo Alto, California, erhältlich ist, wurde für geeignetbefunden für diesen Zweck und irgendein Flüssigstickstoff-Sorptionspumpensystem kann als Vorpumpe benutzt werden. Das Ionenpumpensystern 2 ist mit dem Vakuumgefäß 1 mit einem geeigneten Kupferanschmelzstück 5 verbunden, welches ein Ausbacken bei höherer Temperatur erlaubt, so daß das System bis zu vollständig trockenem Vakuum/aer Größenordnung von 10 Torr und darunter evakuiert werden kann.

Die Wechselwirkungszone in dem System ist in der Form eines optisch transparenten dielektrischen Filmes 6 gegeben, der Kammer zwischen der Vorrichtung zur Erzeugung des Hochgeschwindigkeits-Teilchenstrahls, z.B. der Elektronenkanone 7 und der Vorrichtung für die Aufnahme des Teilchenstrahls nach Durchdringen des Filmes, wie dem fluoreszierenden Schirm 8 oder einem nichtlumineszierenden Schirm 9 angeordnet ist. Die Vorrichtung für die Erzeugung elektromagnetischer Wellen ist ein Laser 10, und optisch

ebene Fenster 11 und 12 erlauben das Eindringen der Laserstrahlung!

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13 durch das Vakuumgefäß 1 in dessen Inneres. Der Laserstrahl/selbst kann das Vakuumgefäß wieder verlassen . Ein weiteres optisch ebenes Fenster 14 kann benutzt werden zur Beobachtung des Detekitorschirmes 8 und 9.

Der Film 6 im besonderen ist ein dünner kristalliner Film, z.B. Siliciumdioxid (SiO₂), Aluminiumoxid (Al₂O₃) oder Strontiumfluorid (SrF₀). Die Dicke des Kristalles kann in der Größenordnung von 1000 Angström liegen, wobei lediglich die Wellenlänge des benutzten Laserlichtes zu beachten ist, die in dem vorliegenden System die blaue Linie von 4880 Ängström-Wellenlänge ist. Der Film 6 ist in der Kammer auf einem Netz von Wolfram montiert, welches einen Gittorabstand von 1 mal 1 mm im Quadrat hat. Dieses ¹ Trägersystem 15 erlaubt ein Offenliegen der entgegengesetzten Enden des Filmes derart, daß der Laserstrahl 13 durch den Film

ι parallel zur Oberfläche durchstrahlen kann. Um leichte Verunreinigungen der Filmoberfläche zu vermeiden, die eine zusätzliche

! Erwärmung durch Absorption in der relativ hohen Laserintensität hervorrufen könnten, muß der Kristallfilm sorgfältig vorbereitet sein, z.B. durch epitaxiale Vakuumverdampfung in einem besonderen

; Vakuumsystem von ίο" Torr. Der niedergeschlagene Film kann von seinem Substrat abgelöst werden in deionisiertem Wasser und von ^: dem Wolframkristallgitter aufgefangen werden. Ein kleines Flüssig-;

j stickstoff-Kühlsystem 16 kann benutzt werden, um die Temperatur ■ ider Filmunterlage während der Laserbestrahlung zu massigen.

Die Wechselwirkungszone, wie noch genauer beschrieben wird, .

' kann in verschiedener Weise eingerichtet werden, und verschiedene ; Substanzen und Materialien werden für geeignet gefunden, unabhängig von ihrem amorphen monokristallinen oder polykristallinen oder gasförmigen flüssigen oder festen Zustand, solange sie die geeignete Eigenschaft der Veränderung der Lichtgeschwindigkeit ^!

\ in dem Material und die Eigenschaften der geometrischen Ausdeh- ; ; nung, sowie der Transparenz bezüglich der elektromagnetischen ι

j j

Strahlung der einfallenden Lichtfrequenz besitzen, und solange 1 sie die Streuung der Teilchen klein halten.

Der Laserstrahl 13 wird durch das optisch ebene Fenster 11 in das Vakuumgefäß 1 geschickt, durchdringt den kristallinen Filmii

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und verläßt das Vakuumgefäß durch das Fenster 12 an der gegenüberliegenden Seite des Vakuumgefäßes. Die Laseroptiken, z.B. das Linsensystem Π kann innerhalb des Vakuumgefäßes angeordnet werden jenseits des Fensters 11, um den Laserstrahl auf einen Durchmesser von 10 bis 50 /um zu fokussieren. Um das Phänomen nach ver-Ischiedenen Eigenschaften zu studieren, wird das Lasersystem 10 •derart angeordnet, daß die Richtung des elektrischen Vektors gei ändert werden kann durch Rotation des Lasers 10 selbst oder mit I Hilfe einer Pockels-Zelle 18, welche im Strahlengang des Lasers 13 angeordnet ist bevor dieser das Vakuumgefäß 1 erreicht. Ein geeigneter Laser für dieses System ist ein 10-Watt-Argonionenlaser mit Brewster-Winkel, der ein blaues Licht der Wellenlänge von 4880 Angström erzeugt. Darüber hinaus können Laserstrahlen verschiedener Farbe oder Wellenlängen benutzt werden.

Der Schirm, wie vorher bemerkt wurde, kann ein fluoreszierendes oder nichtlumineszierendes Material besitzen. Für Be- \obachtungszwecke kann man auswechselbare Schirme beider Materia-

lien verwenden, die räumlich anpaßbar variabl verwendet werden ! in Bezug auf den Abstand vom Film. In solch einem Fall wird ein Durchfuhrungssystem 19 für ein Bewegungssystem verwendet, so daß \ z.B. der nichtlumines zierende Schirm 9 derart bewegt werden kann, daß er einmal den fluoreszierenden Schirm 8 deckt oder nicht bedeckt, während der Beobachtung des Phänomens. Der letztere Schirm j 8 kann von einem Zinksulfidfluoreszenzmaterial bedeckt sein, während der nlchtlumineszierende Schirm 9 aus einem üblichen Material wie Quarz oder Glas oder vielen anderen Substanzen bestehen kann, \ je nach dem besonderen Effekt den man beobachten will. Ein nicht- !lumineszenter Schirm der aus polykristallinem rauhen Aluminium-I oxidscheiben von 1 Zoll Durchmesser besteht, wie er normalerweise ι für mikroelektrische dünne Filme verwendet wird, hat sich als be-

sonders geeignet erwiesen. Die Schirmbewegung durch das System 19 kann sowohl magnetisch wie auch mechanisch vor sich gehen und zusätzlich durch eine seitliche Bewegungseinrichtung bestehen, derartig, daß man das Phänomen in Abstand von der Entfernung zwischen

Film und Schirm beobachten kann. ,

mit Der Film 6 ist nach der Seite des Schirms hin/einem dünnen

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metallischen Diaphragma 20 bedeckt, z.B. einer Schicht aus Tantal, ': welche sich über die ganze Breite des Vakuumgefäßes ausdehnt und eine kleine Öffnung von ungefähr 50 ,um Durchmesser besitzt.in der Gegend des Kristalles, durch welche der Elektronenstrahl 21 hini durchtreten kann. Diese Tantalschicht schirmt den Schirm 8 und 9 von gestreutem Laserlicht und irgendwelchen andern emittierten Licht von der heißen Kathode oder der Elektronenkanone 7 ab.

Zur weiteren Abschirmung des Schirms von der heißen Kathode der Elektronenkanone 7 wird der Kristallfilm 6 mit seinem Träger 15 in horizontaler Richtung angeordnet und die Elektronenkanone 7 in dem Vakuumgefäß 1 horizontal mit einem Varian-Flansch 22 mit einer Kupferverbindung. Geeignete Fokussierungsoptlken 23, z.B. magnetische und elektrostatische Linsen und verschiedene Diaphragmen können benutzt werden, um die Gestalt des Strahls 21, der in die vertikale Richtung umgebogen wird und durch Aperturen vor Erreichen des dünnen Kristallfilms 6 modifiziert wird. Der Elektronenstrahl 21 kann in dem gegenwärtig vorhandenen System auf 0,5 Mikroampere Stromstärke und wenige Mikrometer Durchmesser eingestellt werden, wobei eine hochstabilisierte Beschleunigungsspannung in der Größenordnung von 50 keV angewandt wird.

Für die geeignete Durchführung der Messungen an dem beschriebenen System wird folgende Prozedur gewählt um die Erscheinung des Phänomens in günstigster Weise beobachten zu können. Vor jedem Experiment wird die Elektronenoptik 23 justiert, so daß der Elektronenstrahl 21 senkrecht durch den Bereich des Kristallfilms 6 strahlt, um gute Laue-Diagramme 24 zu erhalten, wie sie mit dem anfänglich zu wählenden fluoreszierenden Schirm 8 beobachtet werden. Der Aluminiumoxidschirm 9 kann dann vor den fluoreszierenden Schirm 8 geschoben werden und muß dort gereinigt werden, z.B. durch Argonionenbeschuß, um das.Auftreten von Fluoreszenz an dem Aluminiumschirm 9 zu unterdrücken. Es kann sich

—9 auch als notwenig erweisen, daß das Vakuum unter 10 Torr gewählt werden muß, um diese Verunreinigungsprobleme und Fluoreszenzmechanismen vollständig auszuschließen. Der Aluminiumoxidschirm 9 kann dann durch ein optisches Fenster 14 beobachtet werden und wird klar erscheinen mit Ausnahme eines schwach fluoreszierenden

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zentralen Bereiches 25 des Beugungsbündels 24.

j Wenn so der geeignete Elektronenstrahl 21 aufgebaut wurde, j j kann der Laserstrahl 13 eingeschaltet werden derart, daß dieser durch den Film 6 geführt wird.

Eine Beugungsfigur deren Lichtflecken in derselben Farbe wie das Laserlicht erscheinen wird dann an dem nichtfluores- i

zierenden Schirm 9 beobachtet. Es kann ferner beobachtet werden, {daß die Lichtflecken 24 verschwinden, wenn der Laserstrahl 13 mit dem Elektronenstrahl außerhalb des kristallinen Films 6 ■ wechselwirkt. Ferner, ist die Helligkeit der Lichtflecken ver- ^l änderlich durch die veränderte Richtung des elektrischen Vektors ; des polarisierten Lichtes; die Flecken sind am hellsten, wenn der : elektrische Vektor parallel zum Elektronenstrahl orientiert ist. ^: Die Helligkeit kann ferner erhöht werden bei der Erhöhung des ι Elektronenstrahls und der Laserintensität. Die Entfernung des ; nichtlumineszierenden Schirms 9 erzeugt die Beugungsfigur auf dem fluoreszierenden Schirm in einer Farbe, die eine Kombination < der Farbe des Laserlichtes und des Lichtes des Schirmphosphors darstellt.

Die entstehenden Lichtfiguren können auch aufgenommen werden, hi4% in geeigneten Apparaturen außerhalb des Vakuumbehälters 1, welche vor dem Spiegel 26 angeordnet sind unter einem Winkel, ι so daß die Schirme 8 und 9 zur Beobachtungsrichtung des Fensters 14 geeignet gewählt werden. Eine Kamera 27a ebenso wie ein Photomultiplier 27 können an dem Fenster 14 angebracht werden. Ein geeigneter Photomultiplier der hier zu benützen ist, ist der RCA-Typ 681OA von 14 Stufen bei einer Spannung von 2400 V, die eine Spannungsversorgungseinrichtung 28 liefert. Wenn man so eine Röhre verwendet, findet man die Helligkeit der Lichtpunkte 24 auf dem nichtfluoreszierenden Schirm 9, derart, daß sie mindestens 10"¹⁰ Watt emittieren.

Um das Phänomen weiter zu studieren wird der Abstand r zwischen Kristallfilm 6 und dem Schirm 8 bzw. 9 mit Hilfe des Mechanismus 19 bewegt. Um die Intensitätsvariationen zu beobachten, wird ein geeigneter Schreiber 29 mit dem Photomultiplier 27 zur Registrierung der Helligkeit des nichtfluoreszierenden

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Schirmes 9 verbunden derart, daß der Motor 30 des Schreibers 29 und der Motor des Bewegungsmechanismus des Schirms 19 langsam und synchron gekoppelt sind. Es kann beobachtet werden, daß über einem Bereich von r=10 cm bis r=35 cm eine periodische Schwankung der Intensität entsteht, wobei die Intensitätsmaxima nahezu dieselben sind mit einer leichten Variation. Fig. 2 zeigt eine Kopie des Ergebnisses das man mit dem Schreiber erhält. Es kann angemerkt werden, daß die Maxima der Kurve im wesentlichen gleichen Abstand haben von einem Wert 1/2Λ der ungefähr gleich 0,85 cm ist. Der Abstand wird größer mit steigender Elektronenenergie ebenso mit steigender Wellenlänge des Laserlichtes.

Wenn die Richtung des elektrischen Vektors E variiert wird, z.B. mit Hilfe der Pockels-Zelle 18, wird das Maximum der Intensität der Lichtpunkte 24 auf dem nichtlumineszierenden Schirm 9 dann beobachtet, wenn der elektrische Vektor E in derselben Richtung wie der Elektronenstrahl 21 gerichtet ist. Die Intensität wird schneller abfallen als linear mit dem Kosinus des Winkels Θ zwischen der Richtung des elektrischen Vektors E und der des Elektronenstrahls 21. Fig. 3 illustriert die Situation durch verschiedene Messungen, die mit der Photomultiplier-Röhre 27 durchgeführt wurden wie, wie oben erwähnt wurde, in Abständen von r=15,3 cm und r=34,O cm zwischen Film 6 und Schirm 9. Letztere Abstandswerte wurden in Übereinstimmung mit den Maxima der Bedingungen der Fig. 2 gewählt, unter diesen Bedingungen sind die Maxima der Lichtintensität wesentlich dieselben, wenn Θ gleich null ist, d.h. wenn der elektrische Vektor E des Lichtes parallel zur Elektronenstrahlrichtung 21 gewählt ist, wie in Fig. 2. Das Verhältnis der Intensitäten I_rA_o für verschiedene Winkel θ zwischen Elektronenstrahl 21 und dem elektrischen Vektor E des Lichtes wird in Fig. 3 gezeigt. Es wird angemerkt, daß mit zunehmendem Abstand r das Maximum der Lichtintensitäten schärfer ausgeprägt ist.

Zur Verwirklichung der Tatsache, daß das Phänomen als ein Ergebnis der Wechselwirkung zwischen Elektronenstrahl 21 und Laserlicht 13 entsteht, wurde ein gut abgeschirmter Magnet von ungefähr 300 Gauss angewandt und beobachtet, daß die Figur 24

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auf dem Schirm umgebogen wurde. Ferner wenn der diskutierte Laserstrahl 18 ausgestaltet wurde, wurde kein Licht auf dem nichtlumineszierenden Schirm beobachtet, obgleich der Elektronenstrahl für eine beträchtliche Zeit eingewirkt ist. Vielleicht kann ein besseres Verständnis der vorliegenden Erfindung gegeben werden, indem das Phänomen quantenmechanisch als ein Einzelelektronenprozeß betrachtet wird bei Annahme, daß die einfache Wellenfunktion

transformiert wird in eine überlagerung von Wellenfunktionen für ebene Wellen, deren Energie sich um die Photonenenergie ηω unterscheiden, nachdem die Elektronen durch den dielektrischen Film gegangen sind.

Eine genauere Analysis der Wellenfunktion in dieser Form,

liefert eine Erklärung der beobachteten Periodizität und eine Erklärung dafür, weshalb ein dielektrisches Material oder ein geeignetes Mittel in der Wechselwirkungszone notwendig ist und zur Erzeugung des Phänomens beiträgt. Die Wellenfunktion Ψ in Gleichung (2) beschreibt die überlagerung von drei Wellen, eine repräsentiert das unbeeinflußte Elektron mit der Energie E_Q; eine zweite repräsentiert Elektronen der Energie E +ωη, hervorgerufen durch ein absorbiertes Photon; und eine dritte repräsentiert Elektronen der Energie E -ωη, hervorgerufen durch die Emission eines Photons. Der Impuls eines Elektrons, das ein Photon absorbiert hat, wird um den Wert Δρ ansteigen; und der Impuls eines Elektrons, das ein Photon emittiert hat, wird um den Wert Δρ_absinken. Daher ergibt sich für die Wellenfunktion Ψ. für das Elektron mit der Energie Ε_ο+ωή eine Wellenfunktion der Form

(ρ+Δρ₊)·Γ - (E_o+u>h)t| (3)

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und die Wellenfunktion Ψ_ für"Elektronen mit der Energie E_Q-u)h ist:

_{ψ =} If

— O V

(ρ - Ap_)»r - (E -ü)h)t (4)

Die Beziehungen zwischen den Impulsen und der Energie der verschiedenen Zustände sind:

:m - ^Eo

(ρ ± Δρ±)²

= E_ ± iah (6, 7)

2m ο
Aus Gleichung (l)bis (4) findet man dann die Wellenfunktion

-» ia ₊a

0(0+

,8,

Zur Vereinfachung der Auswertung dieser Wellenfunktion betrachte man den Fall des elektrischen Vektors des Laserlichtes parallel zur Richtung der Fortschreitungsrichtung der Elektronen, so daß die inneren Produkte in der Gleichung (8) wie einfache Produktbildungen betrachtet werden können.

Die Gleichungen (5) bis (7) erlauben die Bestimmung des Impulsanstiegs Δρ₊ und des Impulsabfalls Δρ_ durch

Δρ_± = \ P (ε ±\ ε²+ ) (9)

wo ε=ωδ. ist das Verhältnis der Photonenenergie zur Elektronen-

^E 2

energie und die Elektronenenergie ist E_Q=: 5^ . Für die Werte, die in dem besonderen System benutzt wurden, ist ε ungefähr 5 χ 10 ,

4 die Photonenenergie 2.54 eV und die Elektronenenergie 5 χ 10 eV.

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Aus diesem Grunde kann die Reihenentwicklung in Gleichung (9) I nach dem zweiten Glied abgebrochen werden. Gleichung (9) zeigt, jdaß die Anwesenheit eines dritten Körpers oder irgendeines Mediums j für den Impulsübergang erfüllt ist, insofern als der maximale j Impulsübergang von einem Photon zu einem Elektron in der Richtung des Elektronenstrahls erfolgt, ohne den sonst nur die Wahrscheinlichkeit ήω/c wäre. Die Impulserhaltung in der Richtung des Elektronenstrahls kann mit Gleichung (9) ausgedrückt werden durch: !

2 — cos 0 = ρ (ε±4ε²+ )

(10)

!wo 0 wieder der Winkel zwischen Impulsänderung und Elektronenstrahlrichtung ist. Führt man p=mv und ε = 2 ήω/imv ) ein, so führt das unter Benutzung von ε<10~ :

g cos 0= 1 ±

(11)

was ausdrückt, daß der Impulsübergang in dem beschriebenen System nicht in einem Vakuum stattfinden kann, da im Vakuum — = 0,41 und der Wert von 1/4ε«10 ist. Die in der Wechselwirkungszone ; gegebenen Bedingungen erfüllen somit die für das Phänomen wichtige !Gleichung (11), d.h. ein Medium zur Verringerung der Lichtge- ' schwindigkeit in der Wechselwirkungszone zur Annäherung an die ^; IGeschwindigkeit des Teilchenstrahls ist erfüllt. Das dielektrijsche Material sorgt für die Erfüllung der in Gleichung (11) aus- I

! I

gedrückten Beziehung, wenn es im Vakuum lokalisiert ist und einem inhomogenen elektrischen Feld ausgesetzt ist, welches durch die Uneinheitlichkeit der Laserintensiät in dem nicht ideal parallelen Strahl und die Diskontinuitäten an den Grenzflächen zwischen Di- j elektrikum und Vakuum hervorgerufen wird.

Zur Bestimmung der Ladungsdichtefluktuation muß die Größe ■

φ j> i

Ψ Ψ aus Gleichung (9) bestimmt werden. Der Realteil von Ψ Ψ als ι eine Funktion von Raum und Zeit ist dann

y*i]/=A_o+2a_oa₊ cos

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il 1 2 1

+ 2a_ a_ cos U₅- (ε-^ε ) pr-u)ht

+ 2a, a cos (spr-2(üht)

2 2 2

iwo A = a + a, + a
,oo + -

'. Gleichung (12) kann beschrieben werden als

ε² ε u;*ii/ *~ ^Αλ ^{+ A}i ^cos (·ϊ5τγ pr) cos (^r pr - ωΐ

τ τ ^^ O X oll &ti\.

A₁ A» 4a„a, = 4a„a und Ά, » a,a 1 O+ O"~ 1 " + -

In Hinblick darauf kann angenommen werden, daß die Wahrscheinlichkeit für die Erhöhung des Impulses des Elektrons durch Δρ_Α während der Absorption des Photons ω!ί nahezu von derselben Wahrscheinlichkeit ist wie die für die Erniedrigung des Impulses des Elektrons um Δρ_ während der stimulierten Emission eines Photons ωή. Auch kann angenommen werden, daß der Wirkungsquerschnitt für Photonabsorption und Elektronenemission klein ist, was bedeutet

^a ₊ ^a»

— «1 und -—- «1 . Gleichung (13) kann auch in folgender Weise ^ao ^ao

geschrieben v/erden s

Ψ*Ψ * κ + a, cos CA) oos j ü)(~-t)

Ol k ^ V

Hieraus folgt, daß sich das Phänomen in Wellenpaketen mitteilt, deren Gruppengeschwindigkeit wie zu erwarten ist, gleich der Elektronengeschwindigkeit ist %

Die Amplitude der Wellenpakete wird durch Gleichung (15) beschrieiben und zeigt eine periodische Variation mit der Länge r des

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Elektronenstrahls, wobei r der Abstand des Elektrons vom kristallinen Film darstellt. Die Maxima in Abhängigkeit von.r sind, wie von Fig. 2 bekannt ist, durch gleiche Abstände getrennt:

Ia = ⁸*" = ° - (I)²X fl7\

2 1 2- *e' e ^K '

* ρε² ρω^ίι ^{ε e}

^!λ_ ist dabei die Wellenlänge des Elektrons. Benützt man die Werte

-5 -17 -1

für ε=5,1 χ 10 und p=l,24 χ 10 g cm see und Planck's Kon-

— 27
stante ή = 1,055 χ 10 erg sec, so erhält man aus Gleichung (17) den Wert 1/2Λ=Ο,82 cm, was im wesentlichen gleich dem Abstand zwischen den Maxima der Kurve in Fig. 2 ist.

Für die Effizienz der Wechselwirkung ist ein bestimmter Grad der Kohärenz erforderlich, wenn es auch nicht notwendig ist, daß eine vollständige Kohärenz vorhanden ist. Nachdem jetzigen Stand der Kenntnis erscheint es sicher, daß elektromagnetische Strahlung im Bereich vom Ultraviolett bis zum Infrarot und zum j Mikrowellenbereich benutzt werden kann, wobei selbstverständlich das sichtbare Spektrum mit einbezogen ist. Ähnlich ist hervorzuheben, daß die größte Wirkung erzielt wird, wenn der Vektor der Strahlung in derselben Richtung wie die Fortschreitungsrichtung der Teilchen polarisiert ist.

Es kann in Bedacht gezogen werden, daß auch andere Teilchen als Elektronen zur Verwirklichung der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, indem geeignete Medien für den Wechselwirkungsfilm verwendet werden, wobei die Eigenschaften die oben angegebenen Bedingungen und Beziehungen erfüllen.

Wenn die in Gleichung (11) definierten Bedingungen erfüllt sind für die einzelnen Strahlen, kann die erfindungsgemäße Wechselwirkung von einer ganzen Anzahl von Teilchen und elektromagnetischen Energiestrahlen verwirklicht werden.

Die besondere Einbeziehung des in der vorliegenden Erfindung beschriebenen Vorgangs in einer Farbfernsehröhre ist schematisch in Fig. 4 beschrieben. Die Röhre kann im wesentlichen in derselben; Art wie eine übliche Schwarsweiß-Fernsehröhre gebaut sein und kann

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aus einem üblichen Glaskörper 40 bestehen, dessen Inneres evakuiert ist bis zu einem Vakuum von mindestens 10 Torr. Das ; Äußere der Röhre kann überzogen sein mit einem nichttransparenten !Material, mit Ausnahme der Front des Schirms 41, welche licht- ^: ι durchlässig sein muß, und ferner an den Stellen, an denen der ; Laserstrahl anhand der Fenster 42 in die Röhre eindringt. Eine ^! übliche Elektronenkanone 43 ist an dem einen Ende der Röhre ange- : ordnet, die den Elektronenstrahl 44 liefert, welcher durch einen ■ Wehnelt-Zylinder 45 fokussiert und in seiner Intensität variiert j wird. Ein weiteres elektronenoptisches System 47 ist vorgesehen für die Erzeugung eines ihm geeigneten Abtastvorgang—s des Elektronenstrahls 44 über die ganze Oberfläche des Bildschirms 41 der Röhre. i

Eine Abwandlung der Struktur im Hinblick auf die vorliegen- ; de Erfindung besteht in dem Bereich zwischen der Intensitäts-und Abtastregelung 45 und 47. Ein dünner Film 46 ist in der Fortschreitungsrichtung des Elektronenstrahls 44 angeordnet und wird ,

aus einem optisch transparenten elektrischen Material herzustellen sein, wie z.B. monokristallines oder polykristallines SiO_, Al₂O₃, SrTiO₄, BaTiO₄ und ähnlichem. Da der Elektronenstrahl 44 bei seinem Durchgang durch den Film 47 gestreut wird, muß entweder ein weiteres elektronenoptisches Linsensystem 48 angewandt werden, um den Elektronenstrahl bis zum Schirm hin zu fokussieren oder anstelle von diesem Linsensystem müßte ein Diaphragma angewandt werden, ähnlich dem Tantaldiaphragma in der vorher beschriebenen Anordnung, so daß nur der zentrale Teil des Elektronenj-,Strahls zum Schirm gelangt.

i Die Laser 49, 50 und 51 sind in geeigneter Weise angeordnet,! wobei ihre Strahlrichtungen beziehentlich durch die drei Sätze J

ι der durchlässigen Fenster 42 hindurchgehen und dann den Film 46 ^! durchsetzen. Natürlich ist die Zahl der Laser, die zu verwenden ι ist, abhängig von den Farbeffekten, welche man erreichen will, j so daß ein nur in einer Frequenz modulierter Laser genügen könnte und wie zu sehen ist, die Verschiedenheit der Farben durch geeignete Ausblendung erreicht wird. In den üblichen Film wird man drei Farben wählen, z.B. die Farbe eines Helium-Neon-Lasers 4?

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um einen roten Lichtstrahl zu erzeugen, einen Argon-Laser 50, um j einen grünen Lichtstrahl zu erzeugen und einen Argon-Ionen-Laser j 51, um einen geeigneten blauen Lichtstrahl zu erzeugen. ·

Die Intensität von jedem der gefärbten Strahlen kann geregelt werden durch geeignete konventionelle elektronische oder * jelektrooptische Systeme 52, 53 und 54, welche dem Fachmann nach !dem Stand der Technik bekannt sind. Jeder Strahl wird in geeignei
ter Weise mit üblichen optischen Linsensystemen 55, 56 und 57 derart fokussiert, daß der dünne Film 47 derart durchstrahlt wird, daß eine Kreuzung mit dem Elektronenstrahl erreicht wird und die jRichtung der elektrischen Vektoren der Laserstrahlen in die Rieh- ; ^!tung des Elektronenstrahls orientiert sind. Weitere Vorrichtungen 'müssen vorgesehen werden, um die austretenden Laserstrahlen nach ! i '

jDurchschreiten des Filmes abzuleiten. ί

Nach der vorausgehenden Analysis des Phänomens und dem Er- J

gebnis von Fig. 2 werden die Maximalintensitäten für die drei | verschiedenen Farben jeweils eine andere Abhängigkeit von der Ent-J fernung r zwischen Schirm und Film haben. Dementsprechend ist der Schirm in einer solchen Entfernung zu wählen, in der eine optimale Mischung der Intensitäten entsprechend der Wellenlänge Λ gegeben ist. Eine Farbmischung ist auch in der Weise möglich, indem der geeignete Wert der Elektronenenergie E gewählt wird, ausgehend ; von Gleichung (17) mit Hilfe folgender Beziehung: '

Λ«Ε_ο ²/ρω² = E₀ ³^⁴X - a konstant, (18) j

wobei E die Energie der Elektronen in Kilovolt und λ die Lasero

Wellenlänge in Angström ist. Um die gewünschten Bedingungen zu erfüllen, kann die Gleichspannungsbeschleunigung mit der schnell wechselnden Elektronen-Beschleunigungsspannung Angegeben werden oder drei dünne Filme können benutzt werden, wobei beziehentlich die Lage in Übereinstimmung mit der Relation

κ = η Α (19)

zu erfüllen ist, wo η eine ganze Zahl und Λ eine Funktion der Farbe des durch den Film fortschreitenden Laserlichtes ist.

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Im Betrieb kann man die Röhre in derselben Weise benützen j wie eine Schwarzweiß-Empfängerröhre mit der üblichen Raster- \ elektronik, wie sie durch die Elektronenoptik 47 gesteuert wird. Das Bildinformationssignal wird durch das Laser-Regelungssystem ' 52, 53 und 54 erzeugt. Daher wird dann der Elektronenstrahl moduliert entsprechend der Modulation der drei Laserstrahlen durch ■ das Bildsignal, so daß jeder beleuchtete Punkt auf dem Bildschirm der Röhre jede geeignete Mischung der drei Farben wiedergibt. j

Wie der Fachmann leicht sehen kann, kann man dieses System auch leicht für eine farbige Kathodenröhreneinrichtung benutzen oder in ähnlichen Farbbildanordnungen. Ferner kann man dieses System für die Codierung oder Decodierung elektronischer Signale ^! benutzen, wie sie bei der Datenverarbeitung oder Datenspeicherung sowie in den verschiedensten Anwendungen der Kommunikation vor- j kommen. [

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Claims (1)

1. 7.Dezember 1971 8552-71/Dr.v.B/Elf

   -18-

   Patentansprüche

   1.)) Verfahren zum Erzeugen einer Wechselwirkung zwischen einem Teilchenstrahlungsbündel und einem Bündel elektromagnetischer Strahlung in einer Wechselwirkungszone, dadurch gekennzeichnet , daß das Teilchenstrahlungsbündel (21) und das Bündel (13) elektromagnetischer Strahlung so durch die Wechselwirkungszone geleitet werden, daß sie sich in einem in der Wechselwirkungszone angeordneten Medium, das eine Impulsübertragung zwischen sich und den Strahlungsbündeln ermöglicht, schneiden und die Richtung des elektrischen Vektors des Bündels elektromagnetischer Strahlung im wesentlichen in der Fortpflanzungsrichtung des Teilchenstrahlungsbündels polarisiert ist.

   2.) Verfahren nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet , daß ein kohärentes Bündel elektromagnetischer Strahlung verwendet wird.

   3.) Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,dadurch gekennzeichnet , daß eine elektromagnetische Strahlung verwendet wird, deren Frequenz im optischen Bereich liegt.

   4.) Verfahren nach Anspruch 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet , daß als Teilchenstrahlungsbündel ein Elektronenstrahlbündel verwendet wird.

   5.) Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a dur <fa gekennzeichnet, daß ein Teilchenstrahl verwendet wird, dessen Geschwindigkeit im wesentlichen gleich der Lichtgeschwindigkeit in dem in der Wechselwirkungszone angeordneten Medium ist.

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   6.) Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch "gekennzeichnet, daß ein Medium verwendet wird, das für die verwendete elektromagnetische Strahlung transparent ist.

   7.) Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die folgende Bedingung erfüllt ist

   - cos Θ = 1 - Ιο -4-

   wobei ν die Teilchengeschwindigkeit , c die Lichtgeschwindigkeit im Medium, e das Verhältnis der Energie der elektromagnetischen Strahlung zur Energie der Teilchen und kleiner als 10 , und Θ der Winkel zwischen der Richtung des geänderten Impulses und der ursprünglichen Richtung bedeuten.

   8.) Verfahren nach Anspruch 1 zum Erzeugen eines elektrisch steuerbaren farbigen Bildes, bei welchem ein Elektronenstrahl erzeugt und rasterartig über eine Bildschirmfläche abgelenkt . wird, dadurch gekennzeichnet, daß im Wege des Elektronenstrahls im Abstand vom Bildschirm ein optisch transparentes dielektrisches Material (46) angeordnet wird i und daß man durch dieses Material mindestens ein kohärentes ' Lichtstrahlungsbündel fallen lässt, das den Elektronenstrahl kreuzt und dessen elektrischer Vektor im wesentlichen parallel '

   zur Fortpflanzungsrichtung des Elektronenstrahls (44) verläuft, und daß der Lichtstrahl zur Änderung des vom Bildschirm emit- i tierten Lichtes gesteuert.wird. I

   9.) Verfahren nach Anspruch 8,dadurch gekennzeichnet , daß die Intensität des Lichtstrahles gesteuert wird.

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   10.) Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß die Wellenlänge des Lichtstrahls gesteuert wird.

   11.) Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Medium verwendet wird, in dem die Lichtgeschwindigkeit kleiner als die Vakuumlichtgeschwindigkeit ist.

   12.) Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch !,gekennzeichnet durch Vorrichtungen (7,10) zum Erzeugen des Teilchenstrahlungsbündels (21) und des dieses in der Wechselwirkungszone schneidenden Bündels (13) elektromagnetischer Strahlung, deren elektrischer Vektor im wesentlichen in Fortpflanzungsrichtung des Teilchenstrahlungsbündels polarisiert ist, und durch ein im Kreuzungsbereich der Strahlungsbündel angeordnetes Medium, das eine Impulsübertragung zwischen den beiden Bündeln ermöglicht.

   13.) Einrichtung nach Anspruch 12,dadurch gekennzeichnet , daß das Medium ein für die elektromagnetische Strahlung transparentes dielektrisches Material enthält.

   14.) Einrichtung nach Anspruch 12 oder 13,dadurch gekennzeichnet , daß die die elektrische Strahlung erzeugende Vorrichtung (10) ein kohärentes Strahlungsbündel (13) liefert, dessen Frequenz im optischen Spektralbereich liegt.

   15.) Einrichtung nach Anspruch 12,dadurch gekenn zeichnet , daß die den Teilchenstrahl (21) liefernde Vorrichtung (7) ein Elektronenbündel (21) liefert.

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   16.) Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Wege des Teilchenstrahles, der das die Wechselwirkung ermöglichende Medium (6) durchsetzt hat, mindestens ein Körper (8 oder 9) aus einem nichtlumineszierenden Material angeordnet ist.

   17.) Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Parameter der Einrichtung so gewählt sind, daß die folgende Gleichung erfüllt ist:

   § cos θ - 1 - f

   18.) Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet; daß das in der Wechselwirkungszone angeordnete Medium einen solchen Brechungsindex hat und die Geschwindigkeit der Teilchen des Teilehen- j Strahles so gewählt ist, daß die Geschwindigkeit der Teilchen ! im Medium im wesentlichen gleich der Ausbr@itungsgeschwindigk@±%

   der elektromagnetischen Strahlung im Medium ist. ^:

   19.) Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 8,

   mit einer Vorrichtimg surrt Ersaugen mid Ablenken eines Elektronenstrahls über einen Bildschirm, da du roh gekann- ί zeichnet , daß im Weg© des Elektronenstrahls (44) ein optisch transparentes dielektrisches Medium (46) angeordnet ist, daß eine Vorrichtung zum Erzeugen mindestens eines j Bündels elektromagnetischer Strahlung vorgesehen ist, das den j elektronenstrahl im Medium schneidet und so polarisiert ist, ι daß der elektrische Vektor im wesentlichen parallel zur Fortpflanzungsrichtung des Elektronenstrahls verläuft und daß eine Steuervorrichtung für den aus dem Medium (46) austretenden Elektronenstrahl (44) vorgesehen ist.

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   20.) Einrichtung nach Anspruch 19,dadurch gekennzeichnet, daß die Steuervorrichtung die Intensität des Lichtstrahlungsbündels zu steuern gestattet.

   21.) Einrichtung nach Anspruch 19,dadurch gekennzeichnet , daß die Steuervorrichtung die Wellenlänge des Lichtbündels zu beeinflussen gestattet.

   22.) Einrichtung nach Anspruch 19, 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet , daß im Weg des aus dem als Beschußkörper ausgebildeten Medium ausgetretenen Elektronenstrahls (44) ein nichtlumineszierender Bildschirm (41) angeordnet ist.

   23.) Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie als Farbfernsehbildröhre (Figur 4) ausgebildet ist und Vorrichtungen zum Erzeugen mindestens zwei verschiedenfarbiger Strahlungsbündel enthält.

   24.) Einrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekenn zeichnet , daß die Vorrichtung zum Erzeugen der Strahlungsbündel einen rot emittierenden Laser (49) , einen grün emittierenden Laser (50) und einen blau emittierenden Laser (51) enthält und daß zwischen rudern Laser und dem als Beschußkörper (46) ausgebildeten, vom Elektronenstrahl (44) durchsetzten Medium eine Intensitätssteuervorrichtung (52,53 bzw. 54) angeordnet ist.

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