DE2353573B1 - Schaltungsanordnung fuer Sekundaerelektronenvervielfacher - Google Patents

Description

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verstärkung arbeiten, wobei das thermische Rauschen niedrigen Strombedarf im Dynodenspannungsteiler des Arbeitswiderstandes und das Rauschen und die auszeichnet.

Drift des Verstärkers das Nutzsignal unzulässig ver- Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1

schlechtem würden. gekennzeichnete Erfindung gelöst.

Herkömmliche Schaltungen mit Vervielfachern, bei 5 Ausführungsbeispiele der Erfindung und Weiter-

denen der Kathodenstrom mit einer größeren Zahl von bildungen werden an Hand der Zeichnungen beschrie-Dynodenstufen verstärkt wird, sind für die genannten ben. Es zeigt

Zwecke ebenfalls ungeeignet: Ströme der Größen- Fig. 1 eine Prinzipschaltung eines Sekundärelt k-

ordnung 100 μΑ sind im Dauerbetrieb gerade an der tronenvervielfachers mit Dynodenumschaltung naca

Anode zulässig, was bei einer 10⁵-fachen Verstärkung io der Erfindung.

einem Kathodenstrom von nur InA entsprechen Bürde. Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel einer Schaltungs-

Reduziert man aber die Verstärkung durch entsprechen- anordnung, insbesondere für Photovervielfacher mit

de Verringerung der Dynodenvorspannung, so ver- seitlichem Lichteintritt, mit Umschaltung als Photo-

schlechtern sich Linearität und Rauschverhalten, diode und als Vervielfacher mit 1 bis 5 aktiven Dyno-

während man bei zu hohen Strömen Driften und Er- 15 den.

müdung beobachtet. F i g. 3 ein Ausführungsbeispiel einer Schaltungs-

Zur Herabsetzung der Verstärkung eines Verviel- anordnung, insbesondere für Photovervielfacher mit

fachers ist es bekannt, die Zahl der aktiven Dynoden frontalem Lichteintritt, mit Umschaltung von 2 bis

dadurch zu verringern, daß man mehrere Dynoden 11 aktiven Dynoden.

fest mit der Anode zusammenschaltet. Gleichzeitig 20 F i g. 4 und 5 Weiterbildungen eines Teiles der

wird dadurch aber der Bereich, in dem man die Ver- Schaltungsanordnung gemäß F i g. 3 zur Erhöhung

Stärkung durch Ändern der Dynodenvorspannung der Potentialdifferenz zwischen Kathode und erster

regeln Jcann, stark eingeengt. Die Schwierigkeiten, die Dynode beim Betrieb mit niedrigster Dynodenzahl.

Verstärkung mit anderen Mitteln zu ändern, sind dann F i g. 6 Weiterbildung eines Teiles der Schaltungs-

die gleichen wie bei Photodioden. . 25 anordnung gemäß F i g. 3 als Überlastschutzschaltung

Es ist weiter bekannt, die Anzahl der aktiven für die Kathode.

Dynoden umzuschalten. In diesem Falle kann man F i g. 7, 8 und 10 Schaltungsanordnungen für Vermit konstantem Arbeitswiderstand arbeiten und muß vielfacher mit verkürzter Signal-Anstiegszeit, mit Ummit elektronischer Nachverstärküng nur noch ein schaltung von 1 bis 5 bzw. 3 bis 6 aktiven Dynoden. Verstärkungsintervall überbrücken, das der Stufen- 30 F i g. 9 eine Schaltungsanordnung eines Steckverstärkung ν des Vervielfachers entspricht (z. B. adapters zum Umrüsten einer Schaltung gemäß ν = 4 bis 5). Die Umschaltung der Dynoden erfolgte F i g. 2 in einer Schaltung ähnlich F i g. 8.
dabei meistens durch eine rein mechanische Umschal- F i g. 11 eine Weiterbildung der in den Schaltungstung der Vervielfacheranschlüsse gegenüber dem anordnungen gemäß F i g. 7, 8 und 10 benutzten Dynodenspannungsteiler und dem Signalausgang. 35 Operationsverstärkerschaltung mit verbesserter Signal-Der Aufwand für den Schalter wird jedoch sehr groß, auskopplung.

wenn man eine größere Zahl von Dynoden umschalt- F i g. 12 eine Schaltungsanordnung für Verviel-

bar machen will. Zugleich vergrößern sich die Streu- fächer mit sehr kurzer Signal-Anstiegszeit mit Um-

kapazitäten und damit die Anstiegszeit τχ>. schaltung von 3 bis 6 aktiven Dynoden und einem

Es ist ferner bekannt, die Umschaltung der Dynode 40 besonderen Differenzverstärker zur Signalauskopp-

mit Hilfe von Schaltdioden zu vereinfachen, die mit lung.

den Dynodenspannungsteilerwiderständen in Serie Fig. 12a eine Weiterbildung der in Fig. 12 be-

liegen und beim Herunterschalten der Dynodenzahl nutzten Umschaltvorrichtung.

stromlos werden. Hierdurch wird eine Abkoppelung Fig. 13 und 14 Schutzschaltüngen zum Einfügen

der als Anode dienenden Dynode und aller höheren 45 in die Stromversorgungsleitungen.

Dynoden vom Dynodenspannungsteiler erzielt. Die F i g. 15 eine mechanische Verriegelung der zum

Dynoden müssen aber bei gutem Kleinsignalverhalten Umschalten der Dynoden benutzten Umschaltvor-

sehr kapazitätsarm sein und können bei der Umschal- richtung.

tung der relativ hohen Dynodenpotentiale leicht zer- F i g. 16 ein Gehäuse für Photovervielfacher mit

stört werden. Die unbenutzten Dynoden liegen auf 50 seitlichem Lichteintritt in Schaltungen gemäß F i g. 2,

weitgehend unbestimmtem und ungünstigem Potential, 7 oder folgenden.

wodurch sich Linearität und Einschwingverhalten Einander entsprechende Schaltelemente sind in verschlechtern. Es ist bei dieser Schaltung ferner sehr allen Zeichnungen mit gleichen Symbolen bezeichnet, schwierig, zur Verbesserung des Hochfrequehzver- Mit einheitlichen Symbolen, ergänzt durch eine Laufhaltens die Dynodenspannungsteilerwiderstände in an 55 zahl als zweitem Index, der auf die Zuordnung zur sich bekannter Weise durch Kondensatoren zu über- jeweiligen Dynodenstufe usw. hinweist, sind Schaltbrücken. Ohne solche Kondensatoren werden bei elemente bezeichnet, die in ein- und derselben Schalkurzen Anstiegszeiten sehr hohe Querströme im Dyno- tung mehrfach auftreten und die im Regelfall in ihren denspannungsteiler erforderlich. elektrischen Werten übereinstimmen (z. B. Rj_n, i?&₂, · ·

Der Erfindung liegt also die Aufgabe zugrunde, eine 60 = Dynodenspannungsteilerwiderstand der ersten, zwei-Schaltung für Sekundärelektronenvervielfacher, deren ten usw. Dynodenstufe). Das gleiche Symbol ohne die Verstärkungsgrad durch. Umschaltung der Zahl der Lauf zahl bezeichnet die Gesamtheit dieser Schaltwirksamen Dynoden veränderbar ist, anzugeben, die elemente und in den Gleichungen ihren elektrischen eine einfache Umschaltung der Dynoden auch bei Wert. (Im Falle der Dynodenspannungsteilerwidereiner größeren Anzahl von Schaltstellungen ermög- 65 stände gilt also, soweit nicht im Einzelfall auf eine ■ licht, gute Lineartität und kurze Anstiegszeiten des abweichende Dimensionierung hingewiesen wird, Signals bei sauberen Einschwingvorgängen und hohem Rb = Rb₁ = Rb^ = Us₃ = ..., usw.)
Signal-Rausch-Verhältnis gewährleistet und sich durch In F i g. 1 ist zur Erläuterung des Erfindungsge-

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dankens, durch den die oben geschilderten Nachteile kung des Kathodenstromes Ih an den Dynoden D₁ des Standes der Technik vermieden werden, ein verein- bis D₃ ist durch Andeutung der Elektronenbahnen fachtes Prinzipschaltbild für einen Photo-Sekundär- schematisch dargestellt (Elektronenbahnen gestrichelt, elektronenvervielfacher (im folgenden kurz »Yerviel- StromfLußpfeile in konventioneller Darstellung entfacher«) PM mit einer Anode A, einer Photokathode K 5 gegengesetzt zur Elektronenflußrichtung). Mit der und nur vier Dynoden D₁ bis D₄ dargestellt. Das Aus- Stufenverstärkung ν wird der effektive Anodenstrora gangssignal kann vom Vervielfacher nicht nur an der I_a = v³ ■ /fc. Der Strom an der 3. Dynode ist
Anode A, sondern in bekannter Weise mit umgekehrter

Polarität auch, von der letzten aktiven Dynode abge- j __ ^v ~ 1 . j _ _ν2(_ν_]\ . /_fc n)

nommen werden. Die Anzahl der wirksamen Dynoden io ³ _v

ist durch eine mehrpolige Umschaltvorrichtung willkürlich einstellbar, so daß vier Empfindlichkeitsstufen Der Operationsverstärker OP bildet zusammen mit entsprechend 1 bis 4 aktiven Dynoden zur Verfugung dem fett eingezeichneten Arbeitswiderstand Ra^ der stehen. Der Dynodenspannungsteiler wird aus Wider- Dynode D₃ einen Strom-Spannungswandler, der das ständen Rb₁, ... i?»₄ = Rb gebildet und ist an seinem 15 Potential dieser Dynode konstant hält, während am der Kathode benachbarten Ende ein eine negative Ausgang des Operationsverstärkers die Signalspannung Versorgungsspannung — Üb angeschlossen. Zwischen

den Dynoden und dem Dynodenspannungsteiler sind {/ = — I R (3)

Arbeitswiderstände R_n, . ■ ■ R_ai = Ra eingefügt, die ^{s 3 a3} .

mit der aus mechanisch gekoppelten Schaltern S₁, S₂ 20 erhalten wird.

und S₃ bestehenden mehrpoligen Umschaltvorrichtung Das Verhältnis der ohmschen Dynodenspannungs-

verbunden sind. Über die Schalter S₁ und S₂ wird der teilerwiderstände Rb₁, ... i?&₄ = i?& zu den ohmschen Arbeitswiderstand der jeweils letzten aktiven Dynode Arbeitswiderständen Rau · · ·> R<u = -Ra sollte unge-(z. B. R_a3 an D₃) mit dem Eingang und Ausgang eines fähr gleich der Stufenverstärkung ν des Vervielfachers Operationsverstärkers OP verbunden, während die als 25 oder etwas kleiner als diese gewählt werden. In diesem effektive Anode wirksame nächst höhere Dynode Falle erhält man über den Dynodenspannungsteiler (z. B. D₄) über den Schalter S₃ an eine positive Ver- eine Spannungsgegenkopplung, die Spanmmgsändesorgungsspannung + U_c gelegt wird. In der höchsten rungen an den vorausgehenden Dynoden D₂ und D₁₃ Empfindlichkeitsstufe liegt nur die Anode A auf dem die durch den endlichen Dynodenstrom I₂ und J₁ verPotential + U_c; sie kann bei der Umschaltung der 3° ursacht werden, weitgehend ausgleicht. Um dies zu Dynoden fest mit diesem Potential verbunden bleiben. zeigen, sei die Anzahl gleicher Widerstände von der Ein gestrichelt eingezeichneter Widerstand Rb₅ = Rb Größe Rb, die zwischen dem Ausgang des Operationskann aus Symmetriegründen zwischen +U₀ und dem Verstärkers und der negativen Spannungsquelle— Ub oberen Ende des Dynodenspannungsteilers eingefügt liegen, mit η bezeichnet. (Bei den gezeigten Schalterwerden. 35 Stellungen in Fig. 1 η = 3, in Fig. 2 n = 5 mit Die in F i g. 1 gezeigte Schalterstellung entspricht A^₁, ... i?d!5 = Rb-) Die Spannungsänderung Δ U_z an der Empfindlichkeitsstufe »3 Dynoden«. Die Verstär- der 2. Dynode ist dann

^ ^ ^Is-^^Ra (4)

/₃ = v/₂ = v²-/₁ = v^a(v-l)-/fc (5)

erhält man:

A U₂ = — ΐΛ(ην-v-n + v-*) Rb-(nv-v-n)R_a\ (4a)

η [ (ν-I)² J

Setzt man stände R_a die zunächst der Vereinfachung der Dy-

RbIRa = (v — l)²/v (6) nodenumschaltung dienen, der Quellwiderstand des

Dynodenspannungsteilers an den Dynodenanschlüssen

dann wird AU₂ = O bis auf einen Fehler der Größe effektiv erhöht wird, ist es also möglich, alle Dynoden-

Us/n-v³. Das Gleiche gilt für die Spannungsände- 55 spannungen, die für die Verstärkung des Vervielfachers

rung AU₁ an der 1. Dynode. wesentlich sind, konstant zu halten. Dies ist deshalb

Ohne die Spannungsgegenkopplung wären die wichtig, weil belastungsabhängige Spannungsände-

Spannungsänderungen bei gleicher Dimensionierung rungen zu einer Verstärkungsänderung der Dynoden-

von der Größenordnung U₈ selbst. Die Spannung an stuf en führen, die sich in einer Nichtlinearität des Aus-

der Kathode K wird in F i g. 1 durch die Spannungs- 60 gangssignals äußern. Während normalerweise bei

quelle — Ub konstant gehalten. Liegen dagegen wie Vervielfacherschaltungen, von denen eine hohe Lüae-

in F i g. 2 zwischen der Kathode und der Spannungs- arität verlangt wird, entweder ein sehr hoher Quer-

quelle — Ub weitere Widerstände Ra von der Größe strom im Dynodenspannungsteiler oder eine geson-

der Widerstände Rb, dann läßt sich durch eine ge- derte Stabilisierung der Spannungsversorgung mehre-

eignete Dimensionierung, die im Zusammenhang mit 65 rer Dynodenstufen erforderlich ist, ist es bei der be-

F ig. 2 besprochen wird, auch die Spannung an der schriebenen Anordnung von Dynodenspannungsteiler-

Kathode konstant halten. widerständen und Arbeitswiderständen in Form eines

Obwohl durch die Einführung der Arbeitswider- Kettenleiters möglich, den Strombedarf der Schaltung

beträchtlich zu reduzieren und trotzdem bis zur beim Herunterschalten der Dynodenzahl leitend und

Grenze der Belastbarkeit des Vervielfachers eine sehr sorgen dafür, daß alle Dynoden, die oberhalb der letzten

gute Linearität des Ausgangssignals U₅ zu erhalten. aktiven Dynode liegen, mit möglichst geringem Quell-

In engen Grenzen variabel ist allein die Spannung an widerstand mit der Spannung + U_c verbunden werden,

der als Anode gehaltenen Dynode £>₄. Die hier auf- 5 Dies ist wichtig, weil bei linear oder zirkulär fokussier-

tretende Spannungsänderung hat aber, wenn die Ver- ter Dynodenanordnung die elektrostatischen Felder

sorgungs'spanmmg U₀ hinreichend groß ist, vernach- mehrerer aufeinanderfolgender Dynoden ineinander

lässigbaren Einfluß auf die Verstärkung und damit auf übergreifen. In diesem Falle müssen mindest zwei auf-

die Linearität. Die Spannung U_c soll mindestens gleich einanderfolgende Dynoden als effektive Anode zu-

der Stufenspannung zwischen den aktiven Dynoden io sammengeschaltet werden. Für die Dioden Db₂ . · · Db₅

sein. Durch eine gewisse Änderung des Widerstands- können robuste Netzgleichrichterdioden verwendet

Verhältnisses Rt/R_abzw. der Stufenverstärkung ν lassen werden, die bei der Umschaltung nicht gefährdet sind,

sich auch andere Nichtlinearitätsursachen kompensie- Eine weitere Verbesserung bringt in F i g. 2 die

ren. Bei extrem hoher Strombelastung ist durch unter- Einfügung von Vorwiderständen Ra (Ra₁ ■ ■ ■ Ras) in

schiedliche Wahl einzelner Widerstände eine indivi- 15 die Zuleitung der negativen Versorgungsspannung

duelle Optimalisierung für die einzelnen Empfindlich- — Ub, die über einen Schalter S_t gemeinsam mit den

keitsstufen möglich. Ein Beispiel — die Kompensation Schaltern S₁ bis S₃ umgeschaltet werden und be-

des Spannungsabfalles in der Photokathode — wird zwecken, daß die Stufenspannung zwischen den aktiven

an Hand von F i g. 3 besprochen. Dynoden beim Umschalten im wesentlichen konstant

Die bei der vorliegenden Schaltungsanordnung 20 bleibt (mit Ra₁ ... ,Ras — Rb)-

mögliche Herabsetzung des Querstromes im Dynoden- Diese Ausführung bringt nicht nur eine Bedienungsspannungsteiler vereinfacht die Stromversorgung, ver- Vereinfachung, sondern erlaubt es auch, mehrere Verbessert auch bei kompaktem Aufbau die Stabilität des vielfacher unabhängig von der individuell eingestellten Dynodenspannungsteilers und verringert die Wärme- Dynodenzahl mit der gleichen Versorgungsspannung entwicklung in unmittelbarer Nähe des wärme- 25 — Ub zu betreiben. Im Gegensatz zu üblichen Stromempfindlichen Vervielfachers PAf. Sie hat überdies den Versorgungen für Sekundärelektronenvervielfacher Vorteil, daß der Ausgang des Operationsverstärkers braucht die Spannung — Ub nicht variiert zu werden. OP nur wenig belastet wird. Der in F i g. 1 gestrichelte Wird jeweils nur ein Vervielfacher an einer Strom-Widerstand Rt₅ dient dazu, diese Belastung auch in Versorgungseinheit (Netzgerät) betrieben, dann kann der höchsten Empfindlichkeitsstufe gering zu halten. 30 man als Alternative auf die Vorwiderstände Ra ver-

Die Schaltung nach F i g. 1 kann auf Vervielfacher ziehten und über einen Schalter entsprechend S₁, der mit beliebig vielen Dynodenstufen erweitert werden. mit den Schaltern S₁ bis S₃ gekoppelt ist, eine Span-Wenn der verwendete Vervielfacher mehr Dynoden nungsprogrammierung der Stromversorgungseinheit hat, als maximal benötigt werden, werden die nicht vornehmen. Noch einfacher ist es, auch den Schalter S₄₁ benutzten Dynoden fest mit der Anode verbunden. 35 fortzulassen und für die Erzeugung der Spannung — Ub

Bei der praktischen Ausführung kann es zweck- an Stelle der üblichen Spannungskonstantquelle vormäßig sein, den verschiedenen Bauarten von Verviel- zusehen. Die Kompensation der Potentialärd;rungen fachern durch eine entsprechende Abwandlung der im Dynodenspannungsteiler sorgt dafür, daß auch, in Schaltung nach F i g. 1 Rechnung zu tragen, wie unten diesem Falle belastungsabhängige Spannungen erhalten erläutert werden wird. 40 werden, und beim Umschalten ändert sich die Ver-

F i g. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Schaltung sorgungsspannung entsprechend der Zahl der Dynoden-

für einen Photovervielfacher PM, die eine Photo- stufen.

kathode auf Metallsubstrat und eine Dynodenan- Eine von Gleichung (6) abweichende Ko apensaordnung mit linear oder zirkulär fokussierender tionsbedingung besteht für die Dimensionierung des Struktur hat. Zu diesen Vervielfachern, die schon an 45 Arbeitswiderstandes Rah in der Zuleitung zur Photoder Photokathode eine sehr hohe Strombelastbarkeit kathode K bzw. für die Dimensionierung des Dynodenaufweisen, gehören insbesondere die viel verwendeten Spannungsteilerwiderstandes Rb₁ der ersten Dynoden-Typen mit seitlichem Lichteintritt, z. B. die Typen RCA stufe. Setzt man R₆₁ = Rt, und läßt man eine in 1 P 28 und EMI 9781 mit 9 Dynoden und Äquivalenz- F i g. 2 eingezeichnete, in Reihe mit dem Widertypen. Um den Betrieb auch als Photodiode zu ermög- 50 stand Rt₁ liegende Zenerdiode Z₁ außer Betracht, liehen, wird in F i g. 2 ein mit R_ak bezeichneter Ar- dann lautet die Kompensationsbedingung für einen beitswiderstand in die Zuleitung zur Photokathode K idealen Photovervielfacher beim Betrieb mit einer gelegt und an die Schalter S₁ und S₂ angeschlossen. einzigen aktiven Dynode Es sind Photokathodenströme bis über 100 μΑ möglich. Die in F i g. 2 dargestellte Schaltung hat 6 Emp- 55 _n _ \ _v _ 1

findlichkeitsstufen: Photodiode, 1 bis 5 Dynoden. Die Rak — — —~ RaI (-Ro₁ = Rb) (7)

höheren Dynoden D₆ ... D₉ sind zusammen mit der

Anode A an die positive Spannung + U₀ angeschlossen,

doch kann die Anode zusammen mit den Dynoden D₈ Alternativ kann man Rak = Ra setzen und Rf₁₁ kleiner

und J)₉ auch auf Erdpotential gelegt werden. 60 wählen.

Eine wichtige Weiterbildung von F i g. 2 gegenüber Um nur den dynamischen Widerstandswert Rb₁ und

F i g. 1 besteht in der Überbrückung der Dynoden- nicht auch die Spannung an der ersten Dynodenstufe

spannungsteilerwiderstände Rb₂... Rb₅ durch parallele zu verkleinern, soll der Widerstand Rb₁ mit einer

Dioden Db₂ ... Db₅, deren Anode jeweils zur niedri- Zenerdiode Z₁ in Reihe geschaltet werden, die durch

geren Dynode zeigt, und in dem Widerstand R_c, der 65 einen Kondensator C_z (z. B. 0,5 μ¥) zu überbrücken

vom Dynodenspannungsteileranschluß der höchsten ist. Diese Ausführungsfonn der Erfindung ist beson- .

umschaltbaren Dynode nach Erde führt, wobei z. B. ders deshalb wichtig, weil der bei realen Vervielfachern

Rc = 3 Rb sein kann. Die Dioden (z. B. Db₅) werden von 1 abweichende Elektronensammelfaktor β an der

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ersten Dynode zu einer von Gleichung (7) verschiede- Unter Vernachlässigung des dynamischen Widerstannen Kompensationsbedingung führt, die im Falle des der Zenerdiode gilt beim Betrieb mit einer aktiven Rb₁ = Rb sogar negative Werte für R_aic liefern könnte. Dynode

)}_a;(_{ak a})

_1Ί ^{v 1} (8)

(v-1)² «-1

Verzichtet man hingegen auf die Möglichkeit, den io damit in jedem Fälle besser als das optische Signal Vervielfacher auch als Photodiode zu betreiben,, und Rausch-Verhältnis nach Gleichung (1). Diese Wert setzt Rah = 0, dann wird können als ungewöhnlich gut bezeichnet werden, ins-

n or,, i\ ρ . fn n\ fo\- ' besondere im Hinbh'ck darauf, daß preiswerte Stan-

dardvervielfacher verwendet werden können. Der

. Im Falle β = 0,8 und ν = 5 wird Rb₁ = Rb, und 15 Strombedarf der Schaltung liegt nur wenig höher als die Zenerdiode Z₁ kann ebenfalls entfallen. bei Schaltungen, die für statische Messungen verwendet

Eine andere Möglichkeit, die Kompensationsbe- werden. Die Verstärkungsvariation durch Umschalten dingung beim Betrieb mit einer einzigen aktiven Dy- der Dynoden beträgt etwal: 2000.
node zu erfüllen, besteht darin, in dieser Empfindlich- Für Kurzzeitmessungen ist das Einschwingverhalten

keitsstufe selektiv die Spannung an der ersten Dynode 20 der Schaltung gemäß F ig. 2 wichtig. Dieses wird, und damit die Verstärkung ν zu erhöhen. In F ig. 2 außer durch den Operationsverstärker OP selbst, inskann dies durch unterschiedliche Vorwiderstände er- besondere durch den ArbeitswiderstandR_a und die reicht werden, z. B. mit Ra₁ — 2 Rb, Ra₂ — 0, und Streukapazitäten zwischen den Dynoden, den Zu- Ra₃, · ·., Ai₅ = Rb· Weitere Maßnahmen werden an leitungen und den Schalterkontakten bestimmt. Bei Hand von F i g. 4 und 5 besprochen werden. Zur Opti- 25 dieser Ausführungsform erfüllen die Paralleldioden Db mierung der Linearität in allen Empfindlichkeits- im Dynodenspannungsteiler auch den Zweck, das Einstufen ist es dabei zweckmäßig, zunächst das Verhältnis schwingverhalten zu verbessern, indem die ÜC-Zeit- Rb/Ra gemäß Gleichung (6) bei drei und mehr aktiven konstanten in den Zuleitungen der als Anode arbeiten-Dynoden festzulegen, anschließend den Widerstand Rb₁ den Dynoden hinreichend klein gehalten werden. Zur für den Betrieb bei zwei aktiven Dynoden zu optimie- 30/ weiteren Korrektur des Einschwmgverhältens dienen ren und zur Linearisierung bei einer einzigen aktiven insbesondere Kondensatoren und Widerstände Cf j R/, Dynode den Widerstand Ra₂ zu variieren. Der Wider- C/, R/.

stand Ra₁ sorgt in der Betriebsstellung »Photodiode« Ohne den Widerstand Rf dient der Kondensator C/

für eine gleichmäßigere Belastung des Operationsver- in bekannter Weise als Stabilisierungskapazität für stärkers sowie der Spannungsquelle — Ub und ist un- 35 den Operationsverstärker^ Andererseits iann auch die kritisch. Die Linearität stimmt bei Photoyervielfachern Streukapazität zwischen der letzten aktiven Dynode gleichen Typs im allgemeinen gut überein, so daß eine und den höher liegenden Dynoden zur Stabilisierung individuelle Dimensionierung nur in Extremfällen ausgenutzt werden, indem über die ÄC-Kombierforderlich ist.' Diese Feststellung widerspricht nur nation C/ und R/ (mit R/ <^ R_a) eine phasenvorscheinbar der Erfährung, daß bei konventionellen 40 aneilende Frequenzgangkorrektur eingeführt wird. Die Vervielfacherschaltungen häufig ■ größere Exemplar- Schalterelemente Cj und 2?/ dienen dann zum optistreuungen gefunden werden. Solche Exemplarstreu- malen Abgleich des Einschwingverhaltens. Einekapaungen infolge von Fertigungstoleranzen beim Zusam- zitive Gegenkopplung erfolgt aber auch über den menbau dss Dynodensystems machen sich bei niedriger Dynodenspannungsteiler über die tief erliegenden Dy- und variabler Stufenspannüng an den Dynoden Und 45 noden. Wird eine möglichts kurze Einschwingzeit großer Dynodenzahl weit stärker bemerkbar als bei ohne Verringerung der Widerstände R_a und Rb verder hier vorliegenden Schaltung, wo mit weitgehend langte dann sind die hier auftretenden Zeitkonstanten konstanter hoher Stufenspannung und der geringst- zu groß. 'Zur; Korrektur können kleine Kondenmöglichen Anzahl von aktiven Dynoden gearbeitet satoren Q (z. B. lOpF). in Reihe mit Widerständen wird. " 50 Rg < Ra z. B. an die Dyiiodenspannungsteileran-

AIs Operationsverstärker OP können vorzugsweise Schlüsse der 2. und 4. Dynode gelegt werden (Q₂, Rg₂ moduläre oder integrierte Verstärker verwendet wer- und C_gi,. Ä_ff4). Ohne die letztere Korrektur wurde bei den, z. B. der bekannte Schaltkreis Fairchild 709. Die einem Arbeitswiderstand R_a == 27kOhm eine De-Eingangsstufe kann mit bipolaren oder Feldeffekt- tektorenzeitkonstante td = 0,3 (isec erzielt, mit dieser Transistoren bestückt sein. Bei Verstärkern mit Diffe- 55 Korrektur eine solche von nur 0,15 μβεσ., wobei ein renzeingang wird der nicht invertierende (+) Eingang Operationsverstärker mit einer Bändbreite von einigen an Schaltungsnull (Erde) gelegt. Die Auswahl richtet MHz verwendet wurde. Diese Werte zeigen, daß die sich, hauptsächlich nach der Bandbreite und der maxi- vorliegenden Schaltungen für Photovervielfacher hermalen Signalanstiegsgeschwindigkeit sowie nach Ein- kömmlichen Schaltungen ohne Dynodenumschaltung gangswiderstand, Drift und Rauschen des Verstärkers. 60 auch hinsichtlich des Einschwingverhältens nicht Typische Daten einer Schaltung nach Fig. 2 sind unterlegen sind. Das Einschwingverhalten ist frei von z.B. —Üb— —625V, +U_c — +130V, R₀, = 27IsQ, schleichenden Übergängen im längeren Zeitbereich. R_b = Rd = 82 kü, Rc = 390 kO,. Mit diesen Werten i?C-Siebmittel in den Stromversorgungsleitungen (Ca, wurde bei Strömen an der letzten aktiven Dynode bis Rd < Rb, Cc, Rc ^ Ra) haben bei geeigneter Di-150 μΑ eme Linearität von 1 % Ond besser gemessen. 65 mensionierung keinen Einfluß.

Das breitbaridige elektronische Signal-Rausch-Ver- Beim Umschalten der TJynoden brauchen die Verhältnis bis 300 kHz lag bei Verwendung eines handeis- sorgungsspannungen — Ub und + U_c nicht abgeschalüblichen Operationsverstärkers bei 100 dB;'es liegt tet zu werden, wenn die Schalter S₁ und S₃ beim Um-

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schalten öffnen. Die Schalter S₂ und S₄ können vom Ändern der Versorgungsspannung — Ub betrieben öffnenden oder nicht öffnenden Typ sein. Der Eingang werden kann, wobei der Empfindlichkeitsbc reich durch des Operationsverstärkers OP wird beim Umschalten Arbeitswiderstände R_ai2 (z. B. 9 R_a) und R_ai3 (z. ß. durch einen Schutzwiderstand R_s und Dioden D₈ ge- 90 R_a) in Reihe mit dem Widerstand Rau (= Ra) erschützt, die gegen Erde liegen oder durch eine geringe 5 weitert wird. Der Eingang des Operationsverstärkers Spannung in Sperrichtung vorgespannt sind. Dank des OP liegt dann über den Schalter S₁ direkt an der sehr geringen Querstromes im Dynodenspannungs- Dynode D₁₁, während der Arbeitswiderstand über den teiler und der Antiparallelschaltung der Dioden D₈ Schalter S₂ am Ausgang umgeschaltet wird. Auf eine können diese in keinem Falle beschädigt werden. Kompensation nach Gleichung (6) wird beim Betrieb

Durch Verwendung von Spezialschaltern läßt sich io mit 11 Dynoden verzichtet. Zur Verbessen ng der ein vereinfachter Schaltungsaufbau erzielen. Benutzt Linearität kann aber in bekannter Weise die Spannung man z. B. an Stelle des in F i g. 2 gezeigten Schalters S₃ zwischen vorletzter und letzter Dynode erhöht werden einen solchen in summierender Ausführung, der die (z. B. Ri₁₂, ..., Rb₁₀ — Rt,, Rd₁₁ = 1,8 i?e). Der obere Dynbdenspannungsteileranschlüsse aller Dynoden, die Punkt des Dynodenspannungsteilers wird über eine auf positivem Potential liegen sollen, gleichzeitig 15 Gleichrichterdiode D^₁₁ auf erdnahem Potential geerfaßt, dann können die Dioden D& entfallen. Die Ver- halten. Beim Herunterschalten der Dynodenzahl wird Wendung derartiger Spezialschalter ist unter anderem die Diode D'_bll stromlos. Signaldicdsn D_a und Da, eine Stückzahlfrage. Bei der Auswahl der Schalter sind die in Reihe zwischen den Dioden Γ& [Db_n, D&₁₀ usw.) hohe Spannungsfestigkeit, gute Isolation und niedrige und dem Widerstand R_c liegen, werden jetzt von dem Kapazitätswerte vorrangig. Geeignet sind z. B. Schal- 20 Strom/= U_c/R_c durchflossen und se. Ii ;ßendieWiderter mit glasierter oder silikonierter Keramik. stände R_ai2 und R_ai3 kurz, so daß in der Zuleitung zur

Die Schaltung F i g. 2 wird vervollständigt durch Dynode D₁₁ kein zu großer Spannungsabfall auftreten

eine Überlastanzeige, die aus einer Zenerdiode Zi_n kann.

einem Transistor Tl mit einem Basiswiderstand Rt Wird der Vervielfacher PM vorzugsweise bei niedri-

und einer Kontrollampe L besteht. 25 ger Dynodenzahl betrieben, dann ki na ein in der Zu-

F i g. 3 zeigt eine Schaltungsanordnung für Photo- leitung zur negativen Stromversorgung — Ub liegender

vervielfacher mit frontalem Lichteintritt, deren Photo- Schalter Sb geschlossen, die Spannung — Ub reduziert

kathode auf der Innenseite des Eintrittsfensters auf- und dadurch die Wärmeentwicklung in der Reihe der

gedampft ist. Die Dynodenstruktur kann beliebig sein. Vorwiderstände Ra₁ ..., Ra₈ = Rb vermindert werden.

Es handelt sich um eine besonders vielseitige Aus- 30 Durch Dioden Da₅ ... D^₇ wird dabei gewährleistet,

führung mit einer Verstärkungsvariation von 1:10⁶ daß bei geschlossenem Schalter Sb in allen höheren

und mehr. Der maximale Kathodenstrom kann einige Empfindlichkeitsstufen die Spannung — Ub direkt an

pA betragen, während seine untere Grenze bei weni- die Kathode K gelangt.

gen pA und darunter liegen kann, so daß dann zu Beim Betrieb mit niedriger Dynodenzahl tritt folseiner Erfassung die volle Verstärkung eines viel- 35 gende Schwierigkeit auf, die durch eine Weiterbildung stufigen Vervielfachers benötigt wird. Ein typisches der vorliegenden Schaltungen vermieden wird: Photo-Anwendungsgebiet sind dynamische und statische kathoden, die auf das Glas des Eintrittsfensters aufge-Fluoreszenzmessungen, Lichtabsorptionsmessungen dampft sind, haben infolge ihres Flächenwiderstandes mit maximaler Quantenausbeute usw. Ein typischer eine wesentlich geringere Strombelästbarkeit als Photo-Photovervielfacher ist der Typ EMI 9558 rmtTrialkyli- 40 kathoden auf Metallsubstrat. Der innere Widerstand (S 20)-Photokathode und 11 Dynoden (Jalousie-Dy- der Photoschicht führt bei hoher Strombelastüng zu noden). einem ortsabhängigen Spannungsabfall, der die elek-

Die Schaltung gemäß F i g. 3 ist für einen Betrieb trostätische Fokussierung der Photoelektronen auf die mit 2 bis 11 aktiven Dynoden ausgelegt. Die 5. bis erste Vervielfacherdynode und die Verstärkung der 8. Dynode und die zugehörigen Schaltelemente und 45 ersten Dynodenstufe beeinflußt und zu einer Nicht-Schalteranschlüsse sind aus Gründen der Übersicht- linearität des Ausgangssignals führt, auch wenn sämtlichkeit in Fig. 3 nicht eingezeichnet. Desgleichen liehe Vervielfacheranschlüsse auf konstanten Potensind Schaltelemente zur Korrektur des Einschwing- tialen gehalten werden. Günstig ist die Verwendung Verhaltens und zum Schutz des Operationsverstärkers von Photovervielfachern mit Triälkali-Photokathoden, beim Umschalten sowie ÄC-Siebmittel in den Strom- 50 die vergleichsweise niederohmig sind. Spezielle Hochversorgungsleitungen nicht dargestellt; sie können wie stromphotovervielf acher besitzen Leitfähigkeitsbahnen bei der Ausführungsform gemäß Fig.' 2 ausgebildet in der Photokäthode, doch muß auch in diesem Fall sein. Auch die Dimensionierung der Widerstandswerte dem Spannungsabfall in der Photokathode Rechnung Ra (Ra₂ ■ ■ ■ Ra₉, Rau), Rb (Rb₂-. ■ ■ Rbu), Rc und R_a getragen werden.

(Ra₁ ■.. Rd₈), der Dioden Db (Db₃ :.. Db₁₁, Di₁₁) 55 Die beschriebene Nichtlinearität läßt sich erheblich

und der Spannung + U_c kann den zu F i g. 2 gemach- verringern und dadurch die Anzahl nutzbarer Empfind-

ten Angaben entsprechen, während die Spannung -Ub lichkeitsstufen erweitern, wenn man die Spannung

wegen der größeren Zahl von Dynoden entsprechend zwischen Photokathode und erster Dynode über die

größer zu wählen ist. Die Dimensionierung des üblichen Spannungswerte hinaus erheblich vergrößert,

Dynodenspannungsteilers an der ersten Dynodenstufe 60 vorzugsweise mindestens um den Faktor 1,5 oder 2.

(Zenerdiode Z₁ größerer Spannung als in F ί g. 2 Hierdurch wird zunächst die Verstärkung der ersten

und Fortfall des Widerstandes Rb₁) wird weiter unten Dynodenstufe und die Fokussierung der Photoelek-

behandelt. " tronen auf die erste Dynode vorteilhaft beeinflußt, und

Auf eine Verstärkungsstellüng »10 Dynoden« wird man erhält günstigere Bedingungen, um die an Hand

verzichtet. Statt dessen sind drei Verstärkungsstellun- 6g von F i g. 1 beschriebene Kompensation von Potential- ■

gen »11 Dynoden« vorgesehen, in denen die Schaltung änderungen durch Spannungsgegenkopplung im Dy-

wie eine normale Vervielfacherschaltung ohne Dy- nodenspännungsteiler anwenden zu können. Um ein

nodenumschaltung mit Verstärkungsvariation durch sicheres Arbeiten in der Nähe des zulässigen Span-

17 18

nungsgrenzwertes zu ermöglichen, ohne diesen zu die das Kathodenpotential bei niedrigem Kathodenüberschreiten und gleichzeitig einen großen Innen- strom Ik konstant hält. Bei zu hohem Kathodenstrom widerstand der Kathode kompensieren zu können, wird die Diode Afc stromlos, der Spannungsabfall am wird bei der Ausführungsform gemäß Fig. 3 an Stelle Widerstand R_Sk nimmt zu und die Spannung zwischen eines ohmschen Widerstandes Rb₁ eine Impedanz in 5 Kathode und erster Dynode ab, wodurch die Belastung Form einer Zenerdiode Z₁ in den Dynodenspannungs- sowohl der Photokathode wie auch des Dynodenteiler eingefügt, der ein Kondensator C₂ parallel systems begrenzt wird. Durch Parallelschalten eines Hegt. Der Spannungsabfall an der Zenerdiode kann Kondensators Cbs zur ersten Dynodenstufe kann man z. B. 250 V betragen und ist wesentlich größer als in erreichen, daß dieser Effekt nur bei statischer Überder Schaltung gemäß F i g. 2. Die Linearität beim 10 lastung und nicht bei der Messung von kurzen Licht-Betrieb mit der niedrigsten Empfindlichkeitsstufe zwei impulsen eintritt, denen gegenüber eine wesentlich Dynoden läßt sich erforderlichenfalls durch eine von höhere Impulsbelastbarkeit angenommen werden kann. Rb abweichende Dimensionierung des Widerstandes Die in F i g. 6 gestrichelt eingezeichneten Schalt- Rb_Z einstellen, gegebenenfalls auch durch Reihenschal- elemente D^ und Rb_x' zeigen, wie die Schaltungen nach tung mit einer weiteren Zenerdiode. 15 F ig. 4 und Fig. 6 miteinander zu kombinieren sind. Durch Versuche wurde festgestellt, daß beim Be- Die Zuleitung zum Schleifer des Schalters S₄ ist an der trieb mit wenigen aktiven Dynoden eine größere Span- mit einem Kreuz bezeichneten Stelle zu unterbrechen. nung zwischen Photokathode und erster Dynode zu- Zur Kombination der Schaltungen Fig. 5 und 6 sind lässig ist als beim Betrieb mit vielen Dynoden. Beim die Elemente Aj₁ und Dk durch die Zenerdioden Z₁ Betrieb mit vielen Dynoden ist es außerdem erwünscht, ₂o und Z₁' zu ersetzen, wobei der Spannungsabfall an der die verfügbare Spannung — Ub gleichmäßiger auf die Zenerdiode Z₁ um den Spannungsabfall am Wider-Dynodenstufen zu verteilen. Ein Teil einer Schaltung, stand Rbic größer zu wählen ist als in F ig. 5.
die in der niedrigsten Empfindlichkeitsstufe selektiv Schaltungen ähnlich F i g. 2 und 3 eignen sich auch eine besonders starke Spannungserhöhung ermöglicht, für Sekundärelektronenvervielfacher, die zum Nachist in Fig. 4 dargestellt: In der niedrigsten Empfind- 25 weis von Ionen, Elektronen, kurzwelligen UV- oder lichkeitsstufe sind der Schalter S₁ und eine zwischen Röntgen-Quanten verwendet werden. Im Gegensatz dem Schalter und der Kathode hegende Diode Dk zu Photo vervielfachern ergeben sich bei derartigen stromlos. Die Spannung zwischen Photokathode und »Teilchenvervielf achern« folgende Unterschiede: Teil-Dynode D₁ wird allein durch den Spannungsabfall an chenvervielf acher besitzen in der Regel keine besondere dem Widerstand Rb₁. bestimmt. Beim Umschalten auf 30 Kathode; der nachzuweisende Teilchenstrom wird höhere Empfindlichkeit hegt dem Widerstand Rb₁ ein dann nach Durchtritt durch eine Blende direkt auf die Widerstand i?fti parallel, und der Spannungsabfall ist erste Dynode des Vervielfachersystems gelenkt und verringert. Unterbricht man an der mit einem Kreuz löst dort erst Elektronen aus. Zum Nachweis ist zubezeichneten Stelle die Zuleitung zum zweiten Schalter- nächst eine Vervielfachung der Elektronen in mehreren kontakt oder fügt man an dieser Stelle einen weiteren ₃₅ Dynodenstufen erforderlich. Die besonderen Pro-Widerstand der Größenordnung Rb ein, dann wird die bleme, die bei Photovervielfaehern beim Betrieb als Spannungserhöhung an der ersten Dynodenstufe auch Photodiode oder mit sehr wenigen aktiven Dynoden in der zweitniedrigsten Empfindlichkeitsstellung wirk- auftreten, können deshalb außer Betracht bleiben. sam. Geeignete Widerstandswerte sind z. B. Rb₁ = Ri₁ Der Einsatz einer Dynodenumschaltung beim Betrieb = 3 Rb, R'_dl und i?<j₂ = 0 bis Rb, Ra^ usw. = Rb. Eine 40 mit einer größeren Zahl von Dynoden kann trotzdem etwa vorhandene Fokussierelektrode F des Verviel- zweckmäßig sein, um bei höheren Teilchenstromfachers wird entweder mit der Photokathode oder mit dichten die bei herkömmlichen Schaltungen erfordereiner Anzapfung des Widerstandes Rb₁ verbunden. liehe Verringerung der Dynodenvorspannung zu ver-Durch geeignete Einstellung des Potentials an dieser meiden und hohe Linearität des Ausgangssignals zu Elektrode läßt sich die Linearität ebenfalls beeinflussen; 45 gewährleisten.

insbesondere kann man erreichen, daß sich das Emp- "«,,,. .... „ , ■,.. , , . ,, ,

findlichkeitsprofU der Photokathode in Abhängigkeit Schaltungen fur Sekundärelektronenvervielfacher

vom Kathodenstrom möglichst wenig ändert. mit verkürzter Anstiegszeit τ_Β:

Als Alternative zu Fig. 4 kann nach Fig. 5 die Die kürzeste Anstiegszeit Td, die sich mit Verviel-Spannung zwischen Photokathode und Dynode D₁ 50 facherschaltungen gemäß F i g. 1, 2 und 3 mit den auch umschaltbar durch Zenerdioden stabilisiert wer- derzeit verfügbaren Sekundärelektronenvervielfachern den. Eine Zenerdiode Z₁' arbeitet in der niedrigsten und Bauelementen erreichen läßt, ohne den Querstrom Empfindlichkeitsstufe als Zenerdiode in Serie mit der im Dynodenspannungsteiler über wenige Milliampere Zenerdiode Z₁ und in allen anderen Empfindhchkeits- hinaus zu steigern und eine spürbare Erwärmung in stufen als normale Diode in Vorwärtsrichtung. Ein 55 Kauf zu nehmen, liegt in der Größenordnung von etwa Widerstand Rbz sorgt für einen Minimalstrom durch 100 nsec. Bei vielen Aufgaben in Forschung und Techdie Diode Z₁' und kann z. B. Rbz = 10 Rb gewählt nik, bei denen der Einsatz eines Vervielfachers mit werden. Dynodenumschaltung zweckmäßig sein kann, be-F i g. 6 zeigt eine Schutzschaltung für die Photo- nötigt man jedoch kürzere Anstiegszeiten. Bei herkathode, mit der eine Überlastung des Photoverviel- 60 kömmlichen Schaltungen für derartige Kurzzeitfachers beim Experimentieren mit hohen Lichtströmen messungen, insbesondere bei der Messung von Lichtvermieden werden kann. In der Zuleitung zur Photo- impulsen, ist es üblich, die Dynodenspannungsteilerkathode liegt ein Schutzwiderstand R_Sk, der erheblich widerstände kapazitiv zu überbrücken und hierdurch größer ist als ein Widerstand Rbk, der zur Erzeugung den Strombedarf des Dynodenspannungsteüers trotz einer Vorspannung für den Widerstand J?sfc am unteren 65 hoher Impulsströme an der Anode zu begrenzen. An Ende des Dynodenspannungsteilers angefügt und z. B. der Anode selbst sind Arbeitswiderstände in der gleich Rb gewählt wird. Zwischen der Kathode und Größenordnung von 50 bis 1000 Ohm gebräuchlich. dem Dynodenspannungsteiler liegt eine Diode D₈*, Die Anode arbeitet häufig ohne Zwischenschaltung

eines Verstärkers direkt auf den Wellenwiderstand von der Größenordnung der Anstiegszeit td oder nur

eines Koaxialkabels. Ein Hauptnachteil solcher Schal- wenig größer gewählt wird, ζ. Β. τ& = 2 ... 20 · το.

tungen besteht darin, daß sich bei dichter Impulsfolge Dies entspricht in der Praxis einem Wert Cb = 10 ...

und stärkeren Impulsen die Dynodenpotentiale ändern. 500 pF. Die untere Grenze von C& ist nicht nur durch

Man erhält nichtlineare Einschwingvorgänge, die z. B. 5 die auftretenden Impulsbelastungen, sondern insbe-

bei Impulshöhenanalyse sehr unerwünscht sind. Ein sondere durch die Streukapazitäten zwischen den

weiterer Nachteil ist die geringe Verstärkungsvariation, Dynoden, den Zuleitungen und den Schaltelementen

die sich bei herkömmlichen Schaltungen für Kurzzeit- bestimmt, denen gegenüber C& hinreichend groß

messungen durch Ändern der Dynodenvorspannung bleiben muß.

erzielen läßt, weil sich die erforderlichen großen Aus- io Der zusätzliche Arbeitswiderstand R_a' in F i g. 7

gangsströme an kleinen Arbeitswiderständen nur bei kann mit einem Kondensator von der Größe C& in

hohen Dynodenspannungen erzielen lassen. Die Reihe gelegt werden, wodurch das niederfrequente

Stromanstiegszeit der Vervielfacher ist gleichfalls Rauschen und die Drift des Stromspannungswandlers

spannungsabhängig. Um kürzere Anstiegszeiten τ_Β zu verringert werden. Der Widerstand R_a' kann auch

erreichen, wird die vorliegende Schaltung wie folgt 15 zusammen mit diesem Kondensator in das Stabili-

weitergebildet: sierungsnetzwerk Rf₁, Cf₁, Cf₂ derart einbezogen werden, daß er äußerlich nicht mehr in Erscheinung tritt;

1. An der letzten aktiven Dynode, an der der Signal- in diesem Falle entspricht der Widerstand Rf₁ dem strom abgenommen wird, wird der wirksame Widerstand R_a', und der Kondensator Cf₁ hat die Arbeitswiderstand verkleinert, um den Einfluß 20 Größenordnung von Cb. Weiterhin können der Widerder Streukapazitäten auf die Anstiegszeit zu ver- stand R_a' und damit die Anstiegszeit το umschaltbar ringern. Dieses ist ohne Änderung der Arbeits- gemacht werden (z. B. R₀! = R_a/9, R_aß und co), wobei widerstände R_a und der Dynodenspannungsteiler- das Stabilisierungsnetzwerk zweckmäßig mit umgewiderstände Rt> und damit ohne Änderung der schaltet wird.

Kompensationsbedingung Gleichung (6) möglich, 25 In F i g. 8 ist eine Weiterbildung der Erfindung dar-

wenn man zwischen den Eingang des Operations- gestellt, die ohne den komplementär-summierenden

Verstärkers OP und Erde einen zusätzlichen Schalter ~S₀ auskommt. Hier ist zwischen jeder um-

Arbeitswiderstand R_a' < Ra einfügt. schaltbaren Dynode und Erde ein eigener zusätzlicher

2. Das Potential an den übrigen Dynoden wird Arbeitswiderstand Rax, ■ ■ ■ ■ Ras = Ra in Reihe mit während des Einschwingvorganges konstant ge- 30 den Kondensatoren Cb₁ ... Cb₅ angeordnet. Der halten, indem zwischen diesen Dynoden und Erde hochfrequente Quellenwiderstand der Schaltung läßt Kondensatoren Cb eingefügt werden. sich auch in diesem Falle an den Dynoden klein genug

halten, um erheblich verkürzte Anstiegszeiten τ ο zu

Eine solche Weiterentwicklung einer Schaltung nach erzielen. Die Dimensionierung wird entsprechend F i g. 2 ist in F i g. 7 dargestellt. Die Umschaltung 35 F i g. 7 vorgenommen.

erfaßt eine bis fünf aktive Dynoden. Zwischen Ka- Schaltungen nach F i g. 2 lassen sich in Schaltungen

thode und Erde ist ein Kondensator Cbk von der gemäß F i g. 8 umrüsten, wenn die zusätzlichen EIe-Größenordnung C& geschaltet. Von fünf Konden- mente Cbk, Cb₁ ■ ■. Cb₅ und Ra₁ ... R'_a5, ergänzt um satoren Ct_n, --., Cs₅ = C&, die an den Dynoden einen Widerstand R'_aic, in einem Adapter unterge- D₁ ... D₅ liegen, werden jeweils vier über einen 40 bracht werden, der in die Steckfassung des Vervielkomplementärsummierenden Schalter S₀, der mit den fachers PM eingesetzt wird und seinerseits den VerSchaltern S₁ ... S₄ mechanisch gekoppelt ist, an Erde vielfacher aufnimmt. Ein solcher Adapter ist in F i g. 9 gelegt. Der Schalter S₀ ist derart ausgeführt, daß der dargestellt. Bei einer entsprechenden Ausführung der Kontakt desjenigen Kondensators, der an der letzten Schaltung gemäß F i g. 7 ist auch der Schalter ~S₀ aktiven Dynode liegt (z. B. Cb₃ und D₃) offen bleibt, 45 Bestandteil des Adapters. Er wird durch eine Bohrung während alle anderen Kontakte geschlossen sind. Die der Steckfassung hindurch mit den Schaltern S₁ ... S₄ Anstiegszeit η» wird bestimmt durch die Streukapa- mechanisch gekoppelt, was besonders einfach auszuzitäten in Verbindung mit der Parallelschaltung der führen ist, wenn diese Schalter mit der Steckfassung Widerstände Ra und R_a' sowie durch den Operations- axial fluchtend angeordnet sind. Derartige Adapter Verstärker, der durch ein Netzwerk Cf₁, Cf₂ und Uy₁ 5° sind vorzugsweise dann zu verwenden, wenn Schalstabilisiert und in seinem Frequenzgang korrigiert tungen nach F i g. 2 in größerer Stückzahl hergestellt wird. Die Elemente Rg und C_g aus F i g. 2 werden werden. Der Einsatz von Adaptern vereinfacht dann nicht benötigt. die Lagerhaltung und erleichtert die optimale An-

Ein bemerkenswerter Unterschied zu herkömmlichen passung des zusätzlichen Arbeitswiderstandes R_n' und Vervielfacherschaltungen, bei denen die Dynoden- 55 der Anstiegszeit td an die jeweilige Aufgabenstellung, spannungsteilerwiderstände durch Kondensation über- Der Operationsverstärker OP muß gegebenenfalls, der brückt oder gegen Erde abgeblockt sind, besteht in kürzeren Anstiegszeit entsprechend, ausgetauscht der Möglichkeit, sehr kleine Kondensatoren C& zu werden.

verwenden. Voraussetzung hierfür ist die Kompen- Für Anwendungen, bei denen gleichzeitig kurze

sationsbedingung Gleichung (6), die von der Größe 60 Anstiegszeiten, hohe statische Belastbarkeit und höchste des zusätzlichen Arbeitswiderstandes R_n,' unabhängig Linearität gefordert werden, kann bei Schaltungen ist. Sobald nämlich der Operationsverstärker einge- nach F i g. 7 und 8 der statische Spannungsabfall an schwungen ist, stabilisiert sich die Spannung an allen den Widerständen R_a in den Zuleitungen zu den hochaktiven Dynoden auf Grund der Spannungsgegen- liegenden Dynoden, die als Anode arbeiten, stören, kopplung auf ihren ursprünglichen Wert. Es genügt 65 Dieser Spannungsabfall läßt sich vermeiden durch deshalb, daß die Zeitkonstante einen Schalter S₃ in summierender Ausführung (d. h.

einen Schalter mit mehreren benachbarten Schleifern), Tb = Cb' Ra (10) der direkt an die Dynoden D_s ... D₅ angeschlossen

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wird und der die hochliegenden Dynoden (z.B. D₄ lung dient, während der zweite Verstärker im Gegen-

und D₅) unter Umgehung der Arbeitswiderstände kopplungszweig des Dynodenspannungsteilers liegt

(z. B. R_ai und Ra₅) gleichzeitig mit dem Potential + U₀ und bei geringerer Bandbreite eine höhere Verstärkung

verbindet. Bei dieser Ausführung entfallen auch die ermöglicht. Dioden Dt₃ ... Db₅. 5 Eine derartige, zu den Ausführungsbeispielen gemäß

Ein Nachteil der zuletzt beschriebenen Anordnung F i g. 7 bis 10 passende Schaltung ist in F i g. 11 darist jedoch, ebenso wie im Falle des komplementär gestellt. D_n ist die jeweils gewählte, letzte aktive Dynode summierenden Schalters S₀ in F i g. 7, die Erhöhung des Vervielfachers PM, und es ist Ran = Ra, RL der .Streukapazitäten. Es ist möglich, für diesen Zweck = Rd, C^_n — Ct. Es sei das Verhältnis RdIRa kapazitätsarme Spezialschalter zu verwenden. Eine.-io =1/10... 1/3. Der Eingang des Operationsverstärandere Lösung besteht darin, die Schaltung F i g. 8 kers OP₁ liegt am Schleifer des Schalters S₁, der Ausweiterzuentwickeln und den Schalter S₃ derart änzu- gang des Operationsverstärkers OP₂ am Schleifer schließen, daß die hochliegenden Dynoden nicht über des Schalters S₂. Im direkten Gegerikopplungszweig die Arbeitswiderstände R_a, sondern über die zusatz- des schnellen Operationsverstärkers UP₁ liegen ein liehen Arbeitswiderstände R_a', die wesentlich nieder- 15 Widerstand A₁ und ein Kondensator C₁ in Reihe. Der ohmiger sein können, auf positives Potential gelegt Kondensator C₁ wird so groß bemessen, daß die Zeitwerden. Die Schalterkapazität, die dann parallel zu den konstante T₁ = R₁ ■ C₁ groß wird gegen die Anstiegs-Kondensatoren Cb liegt, ist unkritisch. Wird ein zeit tu. Im Fall der Fig. 7 übernimmt der Widersummierender Schalter S₃ verwendet, dann werden stand R₁ die Rolle des zusatzlichen Arbeitswiderauch die Dioden Db entbehrlich. Eine in der Funktion 20 Standes R_a', und die gestrichelt eingezeichneten EIesehr ähnliche Schaltung, jedoch unter Verwendung mente R'_an und Cbn an der letzten aktiven Dynode D_n handelsüblicher, nicht summierender Schalter, ist in entfallen. ImFaIl der Fig. 8 und^;9 (mitICrund Cbn Fig. 10 dargestellt. Die Umschaltung erfaßt drei in Serie) macht man zweckmäßig Rd-< R₁ . <R_aß. bis sechs aktive Dynoden; sie kann bei Bedarf nach Bei Anwendung auf Fig. 10, wo der Widerstand i?^ unten und oben erweitert werden. Die Kondensatoren 25 der letzten aktiven Dynode ohne den Kondensator Cbn Cj_n ...,CbB = Cb liegen miteinander in Reihe. Sie an Erde liegt, gilt für R₁ die gleiche Dimensionieverbinden die ersten, nicht umschaltbaren Dynoden rungsvorschrift. Die Ausgangsspannung JJ₈ des Opedirekt untereinander und anschließend die zusätzlichen rationsverstärkers OP₁ wird über einUC-GÜed R₂', C₂' Arbeitswiderstände R^₃, ... R'_?e = RJ auf der den dem nicht invertierenden Eingang des Operationsver-Dynoden abgewandten Seite. Diese Kette von Konden- 30 stärkers OP₂ zugeführt, derüber WiderständeR₂ und R₃ satpren wird gemeinsam mit dem zusätzlichen Arbeite- und einen Kondensator C₂ gegengekoppelt ist. Hierbei widerstand der jeweils letzten aktiven Dynode (z.B. soll sein: R₂ = R₂ ·R₃I(R₂ + R₃) und D₂=C₂. RaI an D₁) über den Schalter S₀ geerdet. Der zusatz- Unter Vernachlässigung des Frequenzganges der beiliche Arbeitswiderstand der nächsthöheren Dynode den Operationsverstärker im nicht gegengekoppelten (z. B. Ra₅ an D₅) wird über den Schalter S₃ und den 35 Zustand besteht dann zwischen dem.Signalstrom / an niederohmigen SiebwiderstandRa mit der Spannung der letzten aktiven Dynode.und der Ausgangsspan- -i-i/c verbunden. Die Dioden D$_ffund Ds₆, die zwischen, nung U₈ die Beziehung. : . den Anschlüssen des Schalters S₃ parallel zu den ■ · . Kondensatoren Cs₅ und Cb% Hegen, werden in den U_s U₈ 1 ■ Schalterstellungen 3 und 4 aktive Dynoden von dem 4° ^^{n =} ~Ξ~~—r~· , . ~ Strom durch den Widerstand R_c durchflossen und -^i ^Ki >.+7^ωτι , _r sorgen dafür, daß auch die höheren Dynoden mit XJ₈ R niedriger Impedanz an die Spannung + U_c gelegt +^~ werden. Zur Verbesserung der Kompensation bei ■ ... ■ J^a 3\ aktiven Dynoden liegt auch in der Zuleitung zur 45 ... . Dynode D₂ ein Widerstand J?o₂. ■ mit^: tt).= 23r/==.Kteisfrec[uenz und-.-TjJ = R₂■_· C₂.

Eine Vatiante.von Fig. 10 besteht darin, bei hin- Setzt man . . · ·

reichend leckstromarmen Dioden De, auf den Sehalter S_n ίτ> t vxin »n> /io\

zu verzichten. In diesem Falle werden die den um- _: .... ■-.:..

schaltbaren Dynoden zugeordnetenKondensatoren Cs 5° und T₁ .= T₂, dann wird U_r=^;Ia~ R₁. unabhängig nicht als Kette,,sondern wie in Fig. 8 direkt gegen von.ω. Bei Berücksichtigung der endlichen Signallauf-Erde liegend angeordnet. ,Auch von der Dynode JP₂ zeit T₀₂ im Verstärker OP₂ modifiziert sich diese Be^ soll ein Kondensator C& gegen Erde liegen; Es wird ein dingung zu T₁ = T₂ + T₀₂ mit T₂ > T₀₂. Am Ausgang Kondensator C&-mehr als in F i g. 10 benötigt. Die des Verstärkers OP₂ ist die Spannung I/g·,· {2?₂+i?₃)/i?₃ Sperrschichtkapazitätder Dioden Dßist auch bei dieser 55 = In* Ra, gefiltert mit der Zeitkonstanten T₁, verfüg-Ausführung unkritisch. . , ban Die Kondensatoren Ct .sollen, jetzt^so groß be- _ Bei Schaltungen mit verkürzter Anstiegszeit im, messen sein, daß die Zeitkonstante τ».= Äa* -.Cj, das nsec-Bereich nach F i g. 7 bis 10 kann die Auswahl des Mehrfache der .ZeitkonstanteT₁ beträgt, Als typische Operationsverstärkers OP Schwierigkeiten bereitem Je Daten für die Kombination der Schaltung F.i,g. H ■ kurzer die Signalanstiegszeit τχ> werden soll und je ßomit einer der Schaltungen F ig. 7 bis 10 sein genannt; kleiner das VerhältnisRdjRa gewählt wird, um so Verstärkung mal Bandbreite OPi>30.MHz, Ver-; größere Forderungen werden an das Produkt von Ver- Stärkung mal Bandbreite , ,OP₂ > 7 MHz. Stärkung und Bandbreite des Operationsverstärkers, R_a = 20 kOhm, Rd-. — 2 kOhm, Ji₁ == 3 kOhm, gestellt. - : Td = 15 nsec, T₁ = 2^seCj T& = 10 μββα Die. Drift;

Diese Schwierigkeiten lassen sich verringern, wenn 65 und das .niederfrequente Rauschen sind im ^vesent-

man statt, des einen Operationsverstärkers OP zwei liehen durch den Verstärker OP₂ bestimmt, das hochr^;-,

Verstärker benutzt, von denen der erste bei niedriger frequente Rauschen durch den Verstärker OP₁. Die

Verstärkung und hoher Bandbreite zur Signalauskopp-. untere Grenze des Verhältnisses τδ/% ist durch die

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maximal auftretende Impulsbelastung bei maximal stärkers OP im Zeitbereich %t> < t < T₂ am Widerzulässiger Linearitätsabweichung bestimmt. stand Rä der letzten aktiven Dynode (ζ. B. R_ai) kein

Man gewinnt durch die beschriebene Aufteilung zu großer Spannungsabfall auftritt. Ein solcher Span-

von Verstärkung und Frequenzgang auch den Vorteil, nungsabfall könnte bei typischen Hochstromverviel-

daß der Verstärker OP₁ an einem niederohmigen 5 fachern auftreten. Er läßt sich vermeiden, wenn zur

Signalausgang keine extrem hohe Leistung aufbringen Signalauskopplung an Stelle des Differenzverstär-

muß, während der Verstärker OP₂ die Kompensations- kers DA ein sehr schneller Stromspannungswandler

bedingungen gemäß Gleichung(6) erfüllt, ohne un- verwendet wird. Hierzu sind in Fig. 12 die beiden

nötig große hochfrequente Wechselspannungsampli- Verstärker OP und DA zusammen mit den Schalt-

tuden verarbeiten zu müssen. io elementen JR_ao, Rz, Rs, Ri und C₂ durch eine Schal-

Während Schaltungen nach F i g. 7 bis 10 vor- tung gemäß F i g. 11 mit zwei Operationsverstärkern wiegend mit einem Widerstandsverhältnis Ra IRa OP₁ und OP₂ zu ersetzen, bei der der Kondensator C₁ = 1/10 ... < 1 auszuführen sind, ist die Schaltung entfällt und der Widerstand R₁ direkt zwischen Einnach F i g. 12 für kürzeste Anstiegszeiten td bis zu gang und Ausgang des Operationsverstärkers OP₁ wenigen nsec und extreme Widerstandsverhältnisse 15 liegt. Im Ersatzschaltbild entfällt außerdem der ge- Ra'IRa, < 1/10 vorgesehen, z. B. R_a' == 300 Ohm, strichelte Kondensator C_6n, d. h. R^ liegt an Erde. Ra = 10 kOhm. Wie in F i g. 10 ist eine Umschaltung Zweckmäßig ist R_a' < R₁ < 3 R_a'. Für die Dimansiomit drei bis sechs aktiven Dynoden dargestellt, die bei nierung der Widerstände R₂ und K₃ gilt Gleichung (12). Bedarf modifiziert werden kann. Außerdem werden Wie bereits erwähnt, kann es vorteilhaft sein, zwecks ähnlich F i g. 11 getrennte Verstärker zur Auskopp- 20 optimaler Anpassung an die Aufgabenstellung die lung der Signalspannung und zur Gegenkopplung im zusätzlichen Arbeitswiderstände R_a' mit Hilfe eines Dynodenspannungsteiler verwendet. Der Hauptunter- Adapters austauschbar zu machen. Schaltungen nach schied zu F i g. 10 besteht darin, daß die mit den Dy- F i g. 12 sind hierfür besonders geeignet, wenn der nodenspannungsteilerwiderständen Rt verbundenen Ar- Schalter S₁ ebenfalls Bestandteil eines solchen Adapters beitswiderstände R₀ nicht direkt an die umschaltbaren 25 wird. Die Streukapazitäten liegen dann kaum höher als Dynoden angeschlossen sind, sondern erst hinter den bei festem Einbau der Widerstände R_a'. zusätzlichen Arbeitswiderständen R_a' an den An- Eine besonders vielseitige Ausführungsform der Schlüssen des Schalters S₀. Weil hierbei der Arbeits- Erfindung besteht schließlich darin, als Grundauswiderstand der letzten aktiven Dynode (ζ. B. R_a3) führung eine Variante der Schaltung gemäß F i g. 2 gegen Erde kurzgeschlossen wird, muß zur Erfüllung 30 vorzusehen, bei der die hochliegen ien Dynoden über der Kompensationsbedingung gemäß Gleichung (6) einen kapazitätsarmen summierenden Schalter S₃ unter zwischen Eingang und Ausgang des Operationsver- Umgehung der Arbeitswiderstände R_a direkt a 1 die stärkers OP ein weiterer Arbeitswiderstand R_ao = R_a positive Spannung + U₀ gelegt werden und bei der die • eingefügt werden. Als schneller Verstärker zur Signal- Dioden Db entfallen. Zur Verkürzung der Anstiegsauskopplung dient ein Differenzverstärker DA, der 35 zeit %o können dann zwei Typen von Adaptern eingenicht notwendigerweise ein Operationsverstärker sein setzt werden: Der Adapter ersten Typs entspricht muß. Der eine Eingang des Verstärkers DA liegt über F i g. 9 und wird im Bereich R_a'\Ra > 1/10 verwendet, den Schalter S₁ direkt an der letzten aktiven Dynode. Beim Einsetzen des Adapters zweiten Typs mit Der andere Eingang liegt über den Spannungsteiler R₂, R_a'/R_a<yi0 wird zunächst der Schalter^ der R₃ am Ausgang des langsameren Operationsverstär- 40 Grundausführung an seinem Schleifer geerdet, wokers OP, wobei das Teilungsverhältnis des Spannungs- durch er die Funktion des Schalters 1S₀ aus Fig. 12 teilers gleich der reziproken Schleifenverstärkung des übernimmt; der Adapter selbst enthält aus Fig. 12 Operationsverstärkers zu wählen ist, d. h. in Fig. 12: einen neuen Schalter S₁, der mit den übrigen Schaltern

β KD λ. β \ λκλ Α- ώ ιώ ' λ- ώ tv \ r\v\ mechanisch gekoppelt wird, die Widerstände Ra und

K₃I(Ii₂ -f- A₃) = 1/(1 -f- Ka Ka -\- Ka K ₂) (Ii) , ,. _T, " , . η · tr ... _L 1. τ-\·

' ' ^/v ' ' " ^v ' 45 dazu die Kondensatoren Cb in Kettenschaltung. Die

Die Einschwingzeit T₂ des Operationsverstärkers OP Anzahl der umschaltbaren Dynodenstufen kann hier

wird festgelegt durch das .RC-Glied R₂', C₂: wie in den anderen Schaltungen nach oben und unten

,. — ρ >r η -L· β IB ' Α. β IB '\ πα\ erweitert werden. Die Verstärkeranordnung wird über

x₂ - R₂ C₂Cl + RaIRa +RaIR₂ ) (14) Steckkontakte austauschbar gemacht oder an den

Wegen der hohen Schleifverstärkung sind für den 50 Adapter angebaut.

Verstärker OP vorzugsweise extern kompensierte Ope- _o i. ^ r> *_ ι_·_ττ ^ , *. j ^ j _l,

rationsverstärker zu verwenden, ζ. B. der Schaltkreis Schutzmaßnahmen bei Umschalten der Dynodenzahl

Fairchild715. Um die Gegenkopplung über den Bei den Schaltungen gemäß Fig. 1 bis 3 sind der

Dynodenspannungsteiler in der Stellung 3 aktive in F ig. 2 gezeigte Schutzwiderstand Rg (z.B. 1,5 kOhm)

Dynoden zu verbessern, liegt wie in F i g. 10 auch in 55 und die Schutzdioden D₈ am Eingang des Operations-

der Zuleitung zur höchsten nicht umschaltbaren Verstärkers OP in Verbindung mit öffnenden Schal-

Dynode D₂ ein Widerstand R_a2. Der Widerstand R_az' tern S₁ ... S₁ ausreichend um Beschädigungen der

zwischen der Dynode D₂ und dem zugehörigen Kon- Schaltung zu vermeiden, wenn beim Umschalten der

densator Cb dient in an sich bekannter Weise dazu, Dynodenzahl die Versorgungsspannungen — Us und

Einschwingvorgänge zu dämpfen. Eine solche Dämp- 60 -\-U_c eingeschaltet bleiben. Die Schutzschaltung aus

fungsf unktion kommt auch allen anderen Wider- den Elementen R₈ und D₈ soll auch bei den Schaltungen

ständenRa zu, die nicht an der letzten aktiven mit verkürzter Anstiegszeit (Fig. 7 bis 12) am Ein-

Dynode liegen. gang des oder der Verstärker (OP, OP₁, DA) vorge-

Die Zeitkonstante r& = Ra C&inFig. 12 hängt ab sehen werden. Die Speicherung elektrischer Ladung

von der maximalen Impulsbelastung und soll mindest 65 in den Kondensatoren C» könnte aber beim Um-'

gleich T₂ gewählt werden. Bei stärkerer Belastung schalten leichter zu Beschädigungen führen, insbe-

durch Einzelimpulse muß ferner darauf geachtet wer- sondere dann, wenn der Widerstand R₈ im Interesse

den, daß während des Einschwingvorganges des Ver- einer kurzen Anstiegszeit gewählt werden muß, als für

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eine optimale Schutzfunktion erwünscht wäre. Es mit den Widerständen R_ai' ... R_ai'). Bei einem Widersind also zusätzliche Schutzmaßnahmen erforderlich. Standsverhältnis von z. B. Rb[Ra = 3 werden also die Die im folgenden unter den Punkten 1 bis 5 be- Umladungsströme auf das Dreifache des Querstromes sprochenen Maßnahmen können bei den Ausführungs- im Dynodenspannungsteiler begrenzt. Bei der prakformen gemäß F i g. 8 bis 12 einzeln und im Interesse 5 tischen Ausführung kann man bei den Schaltern S₀, S₁, möglichst hoher Betriebssicherheit auch miteinander S₂ und S₄ auf besondere Hilfskontakte verzichten, kombiniert angewandt werden. Bei F i g. 7 wird man wenn man diese Schalter mit verschieden breiten Konsich hauptsächlich auf die unter 5 beschriebene Maß- taktzungen ausrüstet, derart, das lange (S₀), kurze nähme beschränken. (S₁, S₂) bzw. keine Öffnungszeiten (S₄) beim Weiter-

1) Im einfachsten Falle sind außer dem Schutz des io schalten erhalten werden. Beim Schalter S₃ werden Verstärkereingangs folgende Maßnahmen anzuwen- je zwei Hilfskontakte zwischen den Hauptkontakten den; die Schalter S₀ und S₁ sollen in F i g. 8,10 und 12 benötigt, die in der angegebenen Weise mit den Anvom öffnenden Typ sein, in F i g. 10 und 12 auch der schlußpunkten des Dynodenspannungsteilers verbun-Schalter S₃. Die Schalter S₂ und S₄ sind vom nicht- den werden.

öffnenden Typ. Der Ausgang des Operationsverstär- 15 3) Unerwünschte Stromspitzen beim Umschalten kers wird mit leistungsfähigen Schutzdioden verbun- lassen sich völlig vermeiden, wenn man zusätzlich zu den, die gegen die Versorgungsspannungen des Ver- den Maßnahmen nach 1) oder 2) in die Zuleitung der stärkers gelegt werden. Als Schutzwiderstände in den positiven Versorgungsspannung -\-U_c einen strombe-Zuleitungen zu den Versorgungsspannungen—Ub grenzenden Zweipol oder Dreipol legt, der im Betriebsund + Uc sind jetzt die Siebwiderstände Ra und Rd 20 Strombereich einen niedrigen dynamischen Innenwiderwirksam, wenn diese nicht, wie in F i g. 2, jeweils durch stand besitzt. Geeignete Schaltungen unter Verweneinen eigenen Kondensator gegen Erde abgeblockt dung von Hochvolttransistoren T₀, die nur gering besind, lastet werden, sind in Fig. 13 gezeigt. In Fig. 13a

2) Einen besseren Schutz gegen Stromspitzen beim ist ein Dreipol dargestellt, der an eine erhöhte Ver-Umschalten erhält man, wenn man zwischen den 25 sorgungsspannung U_co = U₀ · (i?_C2 + RcailRcz ange-Hauptkontakten der Schalter S₀ bis S₄ Hilfskontakte schlossen wird. Im Betriebsstrombereich ist der Quellanordnen kann, über die die Kondensatoren C& beim widerstand am Anschlußpunkt +U₀ im wesentlichen Umschalten hochohmig umgeladen werden. Geeignet durch den Emittervorwiderstand i?_ci (z. B. 100 Ω) sind z. B. Schalter, bei denen die Kontaktpositionen gegeben. Bei Überschreitung des Betriebsstromes auf einem 24er Teilkreis und die Rastpositionen auf 30 werden die beiden in Reihe liegenden Dioden D_n einem 8er oder 6er Teilkreis angeordnet sind. Es ent- leitend, die Basis-Emitter-Spannung des Transistors T_e fallen dann auf jeden Hauptkontakt zwei bzw. drei wird stabilisiert, und die Schaltung arbeitet als Kon-Hilfskontaktpositionen, die beim Weiterschalten kurz- stantstromquelle.

zeitig berührt werden. Ein zu F i g. 12 passendes F i g. 13 b zeigt als Alternative eine Zweipolschal-Schalterdiagramm mit je 3 Hilfskontaktpositionen ist 35 tung, bei der der Transistor T_c in eine Brückenschalin F i g. 12a dargestellt. Die Reihenfolge der Schalter- tung aus strombegrenzenden Widerständen R₀₁ (z. B. anschlüsse von links nach rechts bzw. von unten nach 100 Ohm) und J?_?2 (z. B. 30kOhm) und spannungsoben entspricht Fig. 12; außerdem sind bei dem begrenzenden Dioden 2· Dc₁ und Z₀ (z.B. 6VoIt Schalter S₃ die Elemente Cs₄ ... C&₆, i?&₄ ... Rb₁, Zenerspannung) eingefügt ist. Eine Rückstromsperr- Rc, Ras · · ■ Rae und ein weiterer Widerstand R_ai 4° diode D._Ci kann erforderlich werden, wenn die Zeit-(z. B. gleich R_a) mit eingezeichnet, und bei dem Schal- konstante i?& · Cb des Dynodenspannungsteilers die terS₄ die WiderständeRa₁ ... Ra₃ und Ra'. Die Größenordnung von einigen Millisekunden über-Hauptkontakte der Schalter S₀ ... S₄ sind jeweils als schreitet/Die Strom-Spannungs-Charakteristik dieser Kreise und die Hilfskontakte als flache Striche dar- Schaltung ist in Fig. 13c dargestellt. Im Betriebsgestellt. Die Schleifer dieser Schalter sind derart aus- 45 Strombereich J₀₁ < J_c < Λ₂ ist der Transistor durchgebildet, daß die Schalter beim Weiterschalten zwischen geschaltet. Der Innenwiderstand ergibt sich aus dem unmittelbar benachbarten Kontakten nicht öffnen. Emittervorwiderstand Rc₁ in Serie mit dem Leistungs-Wie Fig. 12a zeigt, bleiben die Hilfskontakte des innenwiderstand des Transistors und dem dynamischen Schalters S₁ frei. Der Schalter S₁ erhält dadurch die Widerstand von ZenerdiodeZ_c und Diode D₀₂; der Charakteristik eines öffnenden Schalters, der aus- 50 Spannungsabfall A U₀ — U_CQ — U₀ ist nahezu konschließlich in den Rastpositionen Kontakt gibt. Bei stant gleich U_z. Beim Über- oder Unterschreiten des den Schaltern S₀ und S₂ bleiben nur die mittleren Betriebsstrombereiches wird der Innenwiderstand im Hilfskontakte frei, und die seitlichen Hilfskontakte wesentlichen durch den Widerstand R_cs bestimmt Ein werden paarweise an die jeweils benachbarten Haupt- Widerstandsverhältnis größer als 50:1 ist leicht erkontakte angeschlossen. Diese beiden Schalter öffnen 55 reichbar.

beim Weiterschalten ebenfalls, geben aber länger 4) Bei hohem Querstrom im Dynodenspannungs-Kontakt als der Schalter S₁. Der Schalter S₄, bei dem teiler kann ein Zweipol ähnlich Fi g. 13 b) auch in der auch die mittleren Hilfskontakte angeschlossen sind, Zuleitung zur negativen Spannungsquelle -Ub gelegt arbeitet als nichtöffhender Schalter. Die HUf skontakte werden. Nach F i g. 14 kann man zwei öder mehr des Schalters S₃ werden paarweise mit den Anschluß- 60 Hochvolttransistoren Tb in Reihe schalten. Die Schaltpunkten des Dynodenspanmmgsteilers verbunden, elemente entsprechen im übrigen, mit dem. Index B derart, daß zwischen jedem Hauptkontakt und den an Stelle c, den Schaltelementen der F i g. 13 b. benachbarten Hilfskontakten einer der Widerstände 5) Eine andersartige Schutzmaßnahme besteht da- Rai ■ ■ ■ Ra-i zu liegen kommt, wobei der Schalter S₃ rin, die Versorgungsspannungen -Ub und +U₀ über nicht öffnet. Die Umladung der Kondensatoren 65 einen Hilfsschalter abschaltbar zu machen, der bei Cbi -..Cb₆ beim Weiterschalten erfolgt jetzt über die eingeschalteten Versorgungsspannungen die Schalter S₀ Widerstände R_ai ... R_a? (bei entsprechender Anwen- bis S₄ mechanisch verriegelt. Eine besonders sinnfällige, dung auf Fig. 10 über diese Widerstände in Reihe in anderem Zusammenhang an sich bekannte Verriege-

27 28

lung ist in Fig. 15 dargestellt. Der gemeinsame Be-' nungs- und KontrollelementeP, Sn und L Steckan dienungsknopf P der Schalter S₀ bis S₄ erhält eine Schlüsse M und N für die Stromversorgung (M) bzw Skalenscheibe Q, in deren Aussparungen der Kipp- die Signalabnahme (N) angeordnet. Eine Fassung F schalter Sn eingreift. Der Knopf P kann nur weiter- für den Vervielfacher PM und ein oder zwei gedruckte gedreht werden, wenn sich der Kippschalter in »Aus«- 5 Schaltungsplatten G sind auf Haltestangen in kurzem Stellung befindet. Um ein direktes Schalten der Hoch- Abstand von der Umschaltvorrichtung S₀, S₁ ... S₄ spannung zu vermeiden, sollte das Versorgungsnetz- montiert. Ein zylindrisches Metallgehäuse Z mit einer gerät über eine Fernsteuerleitung abschaltbar sein. Lichteintrittsöffnung O wird mittels einer spannband-Es genügt auch, daß das Netzgerät eine elektronische artigen Klemmvorrichtung K in einem Halter H auf-Überlastsicherung mit Rückstell-Schalter besitzt, die io genommen, der einen Lichtschutztubus T trägt. Ein die Spannungen -Ub und -{-U_c gemeinsam abschaltet. Haltestift ST kann wahlweise in die Klemmvorrich-Die Überlastsicherung kann dann mit dem Schalter Sn tung K oder in einen Zylinderdeckel D eingeschraubt durch Auf schalten eines Lastwiderstandes auf die werden und erlaubt den hegenden bzw. stehenden Auf-Spannungsquelle + Uc ausgelöst werden. bau des Gehäuses auf einer optischen Bank. Nach

15 Lösen der Spannvorrichtung kann das Gehäuse längs

Mechanischer Aufbau und seitlich verschoben und die Photokathode optimal

auf dem Lichtstrahl justiert werden. Der Halter ist

Um die Streukapazitäten und damit die Anstiegs- hohl gedreht (hinterstochen), mit schwarzem Filz auszeit τD der Schaltungsanordnungen nach der Erfindung gelegt und liegt nur am Rande auf dem Gehäuse Z auf. niedrig zu halten, soll die aus den Schaltern S₀, S₁... S₄ 20 Hierdurch wird eine gute Abdichtung und ein guter bestehende Umschaltvorrichtung zusammen mit den elektrischer Kontakt gewährleistet, und der Lichtelektronischen Bauelementen in unmittelbarer Nähe schutztubus T übernimmt zugleich die Funktion, als der Fassung des Vervielfachers angeordnet werden. Hohlleiter unterhalb der Grenzfrequenz die Lichtein-Dies wird erleichtert durch die geringe Wärmebe- trittsöffnung O gegen äußere elektrische Störfelder lastung des Dynodenspannungsteilers. Die Wider- 25 abzuschirmen. Nicht eingezeichnet ist eine weitere, stände R_a, R_a', Rb, Rd, die Dioden D_b und die Konden- insbesondere magnetisch wirksame Abschirmung, die satoren Ct> werden vorzugsweise in Zickzackver- in üblicher Weise über den Glaskolben des Vervieldrahtung an den Schalteranschlüssen und zusätzlichen fachers PM geschoben wird; diese wird gleichspan-Stützebenen der Umschaltvorrichtung angelötet. Hier- nungsmäßig über einen sehr hochohmigen Widerstand durch ergeben sich optimal kurze Leitungen und beste 30 auf Kathodenpotential und wechselspannungsmäßig Isolationsbedingungen. Operationsverstärker und zu- über einen Kondensator an Erde gelegt.
sätzliche Schaltelemente finden auf einer kleinen ge- Ähnliche Gehäuse, jedoch mit einfacherem Halter druckten Platte neben der Umschaltvorrichtung Platz. und Innenaufbau werden für Photovervielfacher mit

Soweit solche Schaltungen nicht in größere Bauein- frontalem Lichteinfall verwendet, z. B. in Schaltungs-

heiten integriert werden, können sie vorteilhaft als 35 anordnungen gemäß Fig. 3. Solche »Photoverviel-

selbständige Einheiten aufgebaut werden. Dies erleich- facherköpfe« sind nur geringfügig größer als herkömm-

tert den vielseitigen Einsatz bei Meßgeräten der Serien- liehe Gehäuse für Photovervielfacher, herkömmlichen

produktion, die nach dem Baukastensystem zusam- Schaltungen aber im Anwendungsbereich und Be-

mengestellt werden, ebenso wie den Einsatz bei labor- dienungskomfort weit überlegen. Auch der Vorteil des

mäßigen Versuchsaufbauten. Eine bevorzugte mecha- 4° eingebauten Operationsverstärkers, Meßsignale zu

nische Ausführung benutzt ähnlich wie bei herkömm- liefern, deren Anstiegszeit Td von der Kabelkapazität

liehen Photovervielfachern ein zylindrisches Gehäuse der Verbindungsleitungen weitgehend unabhängig ist,

mit frontalem oder seitlichem Fenster für den Licht- kommt erst durch die Dynodenumschaltung voll zum

eintritt. Tragen, weil größere Verstärkungsänderungen ohne

Ein Gehäuse für Photovervielfacher mit seitlichem 45 Ändern des Arbeitswiderstandes möglich sind. Für Lichteintritt, und die zugehörige Schaltungsanordnung eine Vielzahl von Anwendungen, für die bisher Spezialgemäß F i g. 2, 7 oder folgenden ist in F i g. 16 darge- ausf ührungen benötigt wurden, genügen sehr wenige stellt. Auf der Rückseite E des Gehäuses sind Bedie- Ausführungsformen.

Hierzu 12 Blatt Zeichnungen

Claims (40)

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zum Ändern des Verstärkungsgrades eines mehrere Dynoden und eine Anode enthaltenden Sekundärelektronenvervielfachers (Vervielfacher) durch Umschalten der Anzahl der wirksamen Dynoden, mit einem in Reihe geschaltete Impedanzen enthaltenden, an eine elektrische Energiequelle anschließbaren Dynodenspannungsteiler, dessen Abgriffe mit den Dynoden gekoppelt sind, und mit einer Umschaltvorrichtung für die Dynoden, dadurch ge* kennzeichnet, daß zwischen jeder zu schaltenden Dynode (D₁, D₂, D₃, D₄ ...) und dem zügehörigen Spannungsteilerabgriff ein Arbeitswiderstand (R_a) angeordnet ist und daß die Umschaltvorrichtung (S₁, S₂, S₃ ...) es gestattet, die dynodenseitige bzw. spannungsteilerseitige Klemme jedes gewünschten Arbeitswiderstandes an den Eingang bzw. Ausgang einer mindestens einen Operationsverstärker enthaltenden Operationsverstärkerschaltung (OP; OP₁, OP₂ ...) anzuschließen und die auf die Dynode (z. B. D₁) mit dem an die Operationsverstärkerschaltung angeschlossenen Arbeitswiderstand folgende Dynode (z. B. D₂) mit einer bezüglich der Operationsverstärkerschaltung positiven Versorgungsspannung (+ U_c) zu verbinden.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere aufeinanderfolgende Dynoden (z. B. D₂, D₃, D₄) gemeinsam als effektive Anode an die bezüglich der Operationsverstärkerschaltung positive Versorgungsspannung (+ Uc) anschließbar sind.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil der Impedanzen des Dynodenspannungsteilers aus ohmschen Dynodenspannungsteilerwiderständen besteht und daß das Verhältnis (Rb/R_a) der Widerstandswerte des Dynodenspannungsteilerwiderstandes (Rb) und des ohmschen Arbeitswiderstandes (R_a) mehrerer aufeinanderfolgender Dynodenstufen ungefähr gleich der Stufenverstärkung (v) des Sekundärelektronenvervielfachers oder etwas kleiner als diese ist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Impedanzen (Rb, Z₁) des Dynodenspannungsteilers und die Arbeitswiderstände (Ra) in Form eines Kettenleiters ange- ordnet sind, daß mindestens ein Teil der Impedanzen des Dynodenspannungsteilers aus ohmschen Dynodenspannungsteilerwiderständen besteht und daß das Verhältnis (Rb/R_a) der Widerstandswerte des Dynodenspannungsteilerwiderstands und des Arbeits wider Standes für mehrere aufeinanderfolgende Dynodenstufen ungefähr gleich dem Quadrat der um Eins verminderten Stufenverstärkung (v) des Sekundärelektronenvervielfachers (PM), dividiert durch die Stufenverstärkung, ist.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die angegebene Dimensionierung des Dynodenspannungsteilerwiderstandes (Rb) nur für die zweite und die folgenden höheren. Dynodenstufen gilt.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die angegebene Dimensionierung des Dynodenspannungsteilerwiderstandes (Rb) nur für die dritte und die folgenden höheren Dynodenstufen gilt.

7. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche für einen Vervielfacher mit Photokathode, dadurch gekennzeichnet, daß der Potentialunterschied zwischen der Photokathode (K) und der ersten Dynode (D₁) erheblich größer ist als der Potentialunterschied aufeinanderfolgender aktiver Dynoden (D₂, D₃ ...).

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, 6 oder 7 für einen Vervielfacher mit einer Photokathode erheblichen Innenwiderstands, dadurch gekennzeichnet, daß die Impedanz des Dynodenspannungsteilers für die erste oder die ersten beiden Dynodenstufen (D₁; D₁, D₂) jeweils ganz oder teilweise aus einer Zenerdiöde (z_vB. Z₁) besteht und hinsichtlich einer Kompensation des inneren Widerstandes der Photokathode bemessen ist (F i g. 3 und 5).

9. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche für einen Vervielfacher mit Photokathode, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung (S₄; Rb₁' und D_k in F i g. 4 ,Z₁ in F i g. 5), durch die der Potentialunterschied zwischen der Photokathode (K) und erster Dynode (D₁) beim Betrieb mit der niedrigsten Zahl aktiver Dynoden erheblich vergrößert wird (F i g. 4 und 5).

10. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch umschaltbare Widerstände (Ra) in der Zuleitung der negativen Versorgungsspannung (— Ub) zum Dynodenspannungsteiler und eine zusätzliche Umschaltvorrichtung (S₄), die beim Umschalten der Zahl der aktiven Dynoden die Stufenspannung zwischen den aktiven Dynoden wenigstens annähernd konstant hält (F i g. 2).

11. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschaltvorrichtung die negative Versorgungsspannung (-Ub) derart ändert, daß beim Umschalten der Zahl der aktiven Dynoden die Stufenspannung zwischen den aktiven Dynoden wenigstens annähernd konstant bleibt.

12. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromversorgungseinheit für die negative Versorgungsspannung ■(— Ub) als Stromkonstantquelle ausgebildet ist.

13. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der Zuleitung zur Kathode ein weiterer, mit der Umschaltvorrichtung verbundener Arbeitswiderstand (Raic) eingefügt ist (F ig. 2).

14. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen zusätzlichen, zwischen den Eingang des Operationsverstärkers (OP) und Schaltungsnull geschalteten ohmschen Arbeitswiderstand (R₀,'), der gleich oder kleiner ist als die an den Dynodenspannungsteiler angeschlossenen ohmschen Arbeits wider stände (R_a), und durch jeweils einen Kondensator (Cb) zwischen jeder umschaltbaren Dynode und einem nach Schaltungsnull führenden komplementär-summierenden Schalter (S₀), der den Kontakt, desjenigen Kondensators (z. B. Cb₃), der an der letzten aktiven Dynode (z. B-. D₃) liegt, offenläßt und alle anderen Kontakte schließt (F i g. 7).

15. Schaltungsanordnung nach Anspruch 14, da

durch gekennzeichnet, daß dem zusätzlichen Arbeitswiderstand (Ra) zwischen dem Eingang des Operationsverstärkers (OP) und Schaltungsnull ein weiterer Kondensator gleicher Größenordnung (Ci) wie die mit dem komplementär-summierenden Schalter (S₀) verbundenen Kondensatoren in Reihe geschaltet ist.

16. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, gekennzeichnet durch zusätzliche Arbeitswiderstände (R_a ^r), die gleich oder kleiner sind als die an den Dynodenspannungsteiler angeschlossenen Arbeitswiderstände (R_a) und die in Reihe mit Kondensatoren (Cb) zwischen den Dynoden und Schaltungsnull liegen (F i g. 8).

17. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, gekennzeichnet durch zusätzliche Arbeitswiderstände (R_a'), die gleich oder kleiner sind als die an den Dynodenspannungsteiler angeschlossenen Arbeitswiderstände (R_a) und deren eines Ende mit den Dynoden und deren anderes Ende mit einer Kette von in Reihe liegenden Kondensatoren (Cb) verbunden ist, und durch einen mit der Umschaltvorrichtung mechanisch gekoppelten Schalter (SO) zum Verbinden des Verbindungspunktes zwischen dem zusätzlichen Arbeitswider- stand der letzten aktiven Dynode und der Kette von Kondensatoren mit Schaltungsnull (F i g. 10 und 12).

18. Schaltungsanordnung nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß die mit dem Dynodenspannungsteiler verbundenen Arbeitswiderstände (R₁₁) und die zusätzlichen Arbeitswiderstände (Ra) gemeinsam an die Dynoden angeschlossen sind (F i g. 8 und 10).

19. Schaltungsanordnung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die mit dem Dynodenspannungsteiler verbundenen Arbeitswiderstände (Ra) und die zusätzlichen Arbeitswiderstände (Ra) gemeinsam an die in Reihe liegenden Kondensatoren (Cs) angeschlossen sind und daß Eingang und Ausgang der Operationsverstärkerschaltung (OP) durch einen weiteren Arbeitswiderstand (Ra₀ = Ra) verbunden sind (F i g. 12).

20. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 14 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die zusätzlichen Arbeitswiderstände (Ra) und die Kondensatoren (Cb) in einem Adapter untergebracht sind, der in eine Steckfassung für den Sekundärelektronenvervielfacher (PM) einsetzbar ist (F i g. 9).

21. Schaltungsanordnung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Adapter einen Schalter enthält, der bei in die Steckfassung eingesetztem Adapter mit der Umschaltvorrichtung mechanisch gekoppelt ist.

22. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 14 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitkonstante (τ&) des oder der zusätzlichen Arbeitswiderstände (Ra) mit den Kondensatoren (Cb) nur wenig größer ist als die Anstiegszeit des Signals am Ausgang der Operationsverstärkerschaltung (OP).

23. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Dynodenspannungsteileranschluß der niedrigsten als Anode wirksamen Dynode an einer positiven Versorgungsspannung (+ U₀) liegt, die ungefähr gleich oder größer ist als die Stufenspannung zwischen den aktiven Dynoden, daß die Dynodenspannungsteileranschlüsse durch Dioden (Db) verbunden sind, deren Anode jeweils zur nächst niedrigeren Dynode zeigt und daß der Dynodenspannungsteileranschluß der höchsten umschaltbaren Dynode über einen Widerstand (R_c) mit Nullpotential verbunden ist (F i g. 2, 3, 7 und 8).

24. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 17 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß der zusätzliche Arbeitswiderstand(Ra) der niedrigsten als Anode wirksamen Dynode an einer positiven Versorgungsspannung(+Uc) liegt, de ungefähr gleich oder größer ist als die Stufe !spannung zwischen den aktiven Dynoden, daß de Kondensatoren (Cb) durch Dioden (Db) überb rückt sind, deren Anode jeweils zur nächst nier riger m Dynode zeigt, und daß der zusätzliche A rbeits widerstand der höchsten umschaltbaren Dyrode über einen Widerstand(R_c) mit Nullpotentnl verbunden ist (F i g. 10 und 12).

25. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Reihenschaltung mehrerer Arbeits widerstände (Ran<Rai2<Rai₃) in der Zuleitung zur letzten Dynode (F i g. 3).

26. Schaltungsanordnung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß der Dynodenspannungsteilerwiderstand (Ä&_u) der letzten Dynodenstufe größer ist als der der vorangehenden Stufen und daß die Dynodenspannungsteilerwiderstände aller Stufen mit Ausnahme der letzten durch die Umschaltvorrichtung (S₂) an den Ausgang der Operationsverstärkerschaltung (OP) anschließbar sind (Fig. 3).

27. Schaltungsanordnung nach Anspruch 25 oder 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitswiderstände in der Zuleitung zur letzten Dynode ganz oder teilweise durch Dioden (D_a, D_a') überbrückt sind, die mit den Dioden (Db) im Dynodenspannungsteiler in Reihe liegen und beim Herunterschalten der Zahl der aktiven Dynoden leitend werden (F i g. 3).

28. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Operationsverstärkerschaltung getrennte Verstärker (OP₁, OP₂; OP, DA) zur Signalauskopplung bzw. zur Gegenkopplung im Dynodenspannungsteiler enthält, von denen, durch angeschlossene iiC-Glieder bestimmt, der erste Verstärker (OP₁, DA) bei niedriger Verstärkung eine große Bandbreite und der zweite Verstärker (OP₂, OP) bei größerer Verstärkung eine geringere Bandbreite aufweist (F i g. 11 und 12.)

29. Schaltungsanordnung nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß die Operationsverstärkerschaltung eine Reihenschaltung zweier Operationsverstärker (OP₁, OP₂) enthält, daß der Ausgang des ersten Verstärkers (OP₁) mit dem Signalausgang und der Ausgang des nachgeschalteten zweiten Verstärkers (OP₂) mit dem Dynodenspannungsteiler verbunden ist und daß der Verstärkungsfaktor des zweiten Verstärkers mit Widerständen (R₂, R₃) auf einen Wert eingestellt wird, der dem Verhältnis von Arbeitswiderstand (R_a) zum Widerstand (R₁) im Gegenkopplungszweig des ersten Verstärkers entspricht (F i g. 11).

30. Schaltungsanordnung nach Anspruch 29, gekennzeichnet durch einen Kondensator (C₁) in Reihe mit dem Widerstand (R₁) im Gegenkopp-

5 6

lungszweig des ersten Verstärkers (OP₁), wobei die einer Steckfassung für den Vervielfacher angeordnet Zeitkonstante dieses i?C-Gliedes der Tiefpaßzeit- ist und daß Arbeitswiderstände, Dynodenspankonstanten des gegengekoppelten zweiten Ver- nungsteilerwiderstände und Dioden in Zickzackstärkers (OP₂) entspricht (F i g. 11). verdrahtung an den Schalteranschlüssen der Um-

31. Schaltungsanordnung nach Anspruch 28, ge- 5 schaltvorrichtung befestigt sind, kennzeichnet durch einen schnellen Differenzver- 41. Schaltungsanordnung nach einem der voran-

. stärker (DA) zur Signalauskopplung, dessen einer gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß

Eingang an der letzten aktiven Dynode und dessen der Vervielfacher, die Umschaltvorrichtung und

anderer Eingang über einen Spannungsteiler (R₂, die elektronischen Bauelemente als komplette

R₃) am Ausgang eines langsameren Operationsver- io Baueinheit in einem vorzugsweise zylindrischen

stärkers (OP) liegt, wobei das Teilungsverhältnis Gehäuse mit einem Vielfachsteckanschluß für die

des Spannungsteilers gleich der reziproken Schlei- Stromversorgung zusammengefaßt sind, fenverstärkung des Operationsverstärkers gewählt
ist (F ig. 12).

32. Schaltungsanordnung nach einem der voran- 15 ———-gehenden Ansprüche für einen Vervielfacher mit

Photokathode, gekennzeichnet durch einen Strombegrenzungswiderstand (i?gfc) in der Zuleitung der Gegenstand der Erfindung ist eine Schaltungsan-Photokathode (K), dessen Spannungsabfall im Ordnung für Sekundärelektronenvervielfacher, insbe-Betriebsstrombereich über eine Diode (D_sjc) und 20 sondere für lichtoptische Messungen, die die Messung Mittel zur Vorspannungserzeugung (z.B. Rt,ie) hoher Intensitäten bei hoher Linearität, kurzen Ankonstant gehalten wird (F i g. 6). Stiegszeiten und optimalem Signal-Rausch-Verhältnis

33. Schaltungsanordnung nach einem der voran- ermöglicht.

gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Das Signal-Rausch-Verhältnis am Ausgang eines

in der Zuleitung zum Eingang des Operationsver- 25 Sekundärelektronenvervielfachers, im folgenden kurz

stärkers ein Schutzwiderstand (Rs) und Schutz- als »Vervielfacher« bezeichnet, ist gegeben durch die

dioden (D₈) gegen Erde oder erdnahes Potential Gleichung

gelegt sind. _/— — . :

34. Schaltungsanordnung nach einem der voran- ^S/^N = l/hßoceAf = ]/2τ_Β/_Λ/«ε (1) gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, 30 mit h = Kathodenstrom in [A],

daß die Umschaltvorrichtung mit öffnenden und e = 1,6 · 10~^u [A see] ·

nichtöffnenden Kontakten derart ausgebildet ist, α = Leistungsrauschfaktor (etwa 1,4),

daß beim Umschalten am Eingang des Operations- A_f = Leistungsbandbreite und

Verstärkers keine Spannungsspitzen auftreten. _TD = Detektorzeitkonstante, kurz als »Anstiegs-

35. Schaltungsanordnung nach Anspruch 34, ge- 35 zeit« bezeichnet, kennzeichnet durch zwei oder mehr Hilfskontakte ~ . ■

zwischen den Arbeitskontakten, die derart ange- Zeitvorgänge, die sich im nsec- und μΒεο-ΒβΓβϊοΙι

ordnet und beschaltet sind, daß mit der Umschalt- abspielen, können wegen der erforderlichen kleinen

vorrichtung verbundene Kondensatoren (Cb) beim Anstiegszeit το nur dann mit ausreichendem Signal-

Umschaltenhochohmigentladenwerden(Fig. 12a). 40 Rausch-Verhältnis untersucht werden, wenn man mit

36. Schaltungsanordnung nach einem der voran- hohen Kathodenströmen h arbeitet Das gilt insbesongehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine dere dann, wenn keine Mittelwertbildung über .eine strombegrenzende Vorrichtung in der Zuleitung größere Anzahl von Einzelvorgängen möglich ist. der positiven und/oder der negativen Versorgungs- Typisch für solche Anwendungen ist die lichtoptische spannung (Fi g. 13 und 14). 45 Untersuchung schneller chemischer Reaktionen, z. B.

37. Schaltungsanordnung nach Anspruch 36, da- nach dem Temperatursprung-Relaxationsverfahren, durch gekennzeichnet, daß die strombegrenzende Hier soll das Signal-Rausch-Verhältnis bei einer AnVorrichtung ein Zweipol mit einem oder mehreren stiegszeit von z. B. 0,3 μβεο in der Größenordnung 10* Hochvolttransistoren (T₀, Γ_Β) in einer Brücken- liegen. Dies entspricht Photoströmen 7* bis 100 μΑ schaltung mit Spannungsstabilisierenden Dioden 50 und darüber. Außerdem wird eine sehr hohe Linearität (D₀₁, Z₀, Dsi, Zb) und Strombegrenzungswider- und ein bis in die Nähe der Grenzfrequenz absolut ständen (Rc₁, R^Rb₁, Ub₂) ist (F i_g. 13b und 14). konstanter Frequenzgang verlangt, ferner muß der

38. Schaltungsanordnung nach einem der voran- Einschwingvorgang möglichst rasch abidingen und gehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine darf auch im längeren Zeitbereich keine schleichenden mechanische Verriegelung der Umschaltvorrich- 55 Übergänge und driftähnliche Effekte aufweisen. tang (S₀, S₁, ...,S₄) mit einem Hilf sschalter (Sjyr), Hohe Kathodenströme bei guter Linearität sind der ein Umschalten nur nach Abschaltung der insbesondere mit Halbleiter- und Vakuumphotopositiven und der negativen Versorgungsspannung dioden erreichbar. Schwierigkeiten entstehen jedoch des Sekundärelektronenvervielfachers zuläßt daraus, daß man bei den gleichen Meßapparaturen (Fig. 15). 60 häufig auch mit geringeren Lichtintensitäten arbeiten

39. Schaltungsanordnung nach, einem der voran- muß. Bei monochromatischen Messungen im sichtgehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine baren und ultravioletten Spektralbereich können die Überlastanzeige am Ausgang der Operationsver- maximal erreichbaren Kathodenströme um den Faktor Stärkerschaltung (F i g. 2). 1000 und mehr variieren. Bei Photodioden müßte man

40. Schaltungsanordnung nach einem der voran- 65 dann zum Teil sehr größe Arbeitswiderstände begehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß nutzen, die zu einer langen Anstiegszeit τ_Ώ führen · die Umschaltvorrichtung zusammen mit den elek- würden, oder man müßte bei kleinem Arbeitswidertronischen Bauelementen in unmittelbarer Nähe stand mit entsprechend großer elektronischer Nach-