DE2353573B1 - Schaltungsanordnung fuer Sekundaerelektronenvervielfacher - Google Patents
Schaltungsanordnung fuer SekundaerelektronenvervielfacherInfo
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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.
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. Rjn, 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-
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 Ia = v3 ■ /fc. Der Strom an der 3. Dynode ist
Anode A, sondern in bekannter Weise mit umgekehrter
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 Rn, . ■ ■ Rai = 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. Ra3 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
+ Uc 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
+ Uc; 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 Uz an
der Empfindlichkeitsstufe »3 Dynoden«. Die Verstär- der 2. Dynode ist dann
^ ^ ^Is-^^Ra (4)
/3 = v/2 = v2-/1 = va(v-l)-/fc (5)
erhält man:
A U2 = — ΐΛ(ην-v-n + v-*) Rb-(nv-v-n)Ra\ (4a)
η [
(ν-I)2 J
Setzt man stände Ra 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 + Uc 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 Uc 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/Rabzw. 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 St 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 Rak 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 Rc, der 65 einen Kondensator Cz (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
13 14
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 Raic 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
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 ArbeitswiderstandRa 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/ <^ Ra) 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 Ra 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 Cgi,. Äff4). Ohne die letztere Korrektur wurde bei
den, z. B. der bekannte Schaltkreis Fairchild 709. Die einem Arbeitswiderstand Ra == 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, +Uc — +130V, R0, = 27IsQ, schleichenden Übergängen im längeren Zeitbereich.
Rb = 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 + Uc nicht abgeschalüblichen
Operationsverstärkers bei 100 dB;'es liegt tet zu werden, wenn die Schalter S1 und S3 beim Um-
15 16
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 Rai2 (z. B. 9 Ra) und Rai3 (z. ß.
durch einen Schutzwiderstand Rs und Dioden D8 ge- 90 Ra) 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 Da und Da,
eine Stückzahlfrage. Bei der Auswahl der Schalter sind die in Reihe zwischen den Dioden Γ& [Dbn, D&10 usw.)
hohe Spannungsfestigkeit, gute Isolation und niedrige und dem Widerstand Rc liegen, werden jetzt von dem
Kapazitätswerte vorrangig. Geeignet sind z. B. Schal- 20 Strom/= Uc/Rc durchflossen und se. Ii ;ßendieWiderter
mit glasierter oder silikonierter Keramik. stände Rai2 und Rai3 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 Zin 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 Ra getragen werden.
(Ra1 ■.. Rd8), der Dioden Db (Db3 :.. Db11, Di11) 55 Die beschriebene Nichtlinearität läßt sich erheblich
und der Spannung + Uc 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 RSk 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-
RbZ einstellen, gegebenenfalls auch durch Reihenschal- elemente D^ und Rbx' 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.
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 τΒ:
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 RSk, 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 Ra' 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 τΒ zu verringert werden. Der Widerstand Ra' 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 Ra', 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 Ra' und damit die Anstiegszeit το umschaltbar
ringern. Dieses ist ohne Änderung der Arbeits- gemacht werden (z. B. R0! = Ra/9, Raß und co), wobei
widerstände Ra 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 Ra' <
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 Ctn, --., 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 Ra' 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 Cg 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 Rn' 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 Rn,' 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 Ra 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 Ds ... D5 angeschlossen
21 22
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. Rai 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. Dn 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 Ra, sondern über die zusatz- des schnellen Operationsverstärkers UP1 liegen ein
liehen Arbeitswiderstände Ra', 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 Ra', und die gestrichelt eingezeichneten EIesehr
ähnliche Schaltung, jedoch unter Verwendung mente R'an und Cbn an der letzten aktiven Dynode Dn
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 . <Raß.
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
Cjn ...,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 Us U8 1 ■
Schalterstellungen 3 und 4 aktive Dynoden von dem 4° ^n = ~Ξ~~—r~· , . ~
Strom durch den Widerstand Rc durchflossen und -^i Ki >.+7ωτι , r
sorgen dafür, daß auch die höheren Dynoden mit XJ8 R
niedriger Impedanz an die Spannung + Uc 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 Sn ίτ>
t vxin »n>
/io\
zu verzichten. In diesem Falle werden die den um- : .... ■-.:..
schaltbaren Dynoden zugeordnetenKondensatoren Cs 5° und T1 .= T2, dann wird Ur=;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, Ra = 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
23 24
maximal auftretende Impulsbelastung bei maximal stärkers OP im Zeitbereich %t>
< t < T2 am Widerzulässiger Linearitätsabweichung bestimmt. stand Rä der letzten aktiven Dynode (ζ. B. Rai) 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 JRao, 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. Ra' == 300 Ohm, strichelte Kondensator C6n, d. h. R^ liegt an Erde.
Ra = 10 kOhm. Wie in F i g. 10 ist eine Umschaltung Zweckmäßig ist Ra'
< R1 < 3 Ra'. 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 Ra' 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 Ra'.
zusätzlichen Arbeitswiderständen Ra' 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. Ra3) 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 Ra direkt a 1 die
stärkers OP ein weiterer Arbeitswiderstand Rao = Ra 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 Ra'\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, Ra'/Ra<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 Ra2. Der Widerstand Raz' 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 -\-Uc 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
509510/236
25 26
eine optimale Schutzfunktion erwünscht wäre. Es mit den Widerständen Rai' ... Rai'). 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 -\-Uc 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 Uco = 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 Dn
einem 8er oder 6er Teilkreis angeordnet sind. Es ent- leitend, die Basis-Emitter-Spannung des Transistors Te
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 Tc 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 Rai 4° diode D.Ci kann erforderlich werden, wenn die Zeit-(z.
B. gleich Ra) 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
< Jc < 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 ZenerdiodeZc und Diode D02; der
Charakteristik eines öffnenden Schalters, der aus- 50 Spannungsabfall A U0 — UCQ — U0 ist nahezu konschließlich
in den Rastpositionen Kontakt gibt. Bei stant gleich Uz. 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 Rcs 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 Rai ... Ra? (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 -{-Uc 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 Ra, Ra', Rb, Rd, die Dioden Db 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
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)
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 (Ra) 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 (+ Uc) 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/Ra) der Widerstandswerte
des Dynodenspannungsteilerwiderstandes (Rb) und des ohmschen Arbeitswiderstandes (Ra)
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/Ra) 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 (zvB. 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 Dk 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 (Ra),
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 (Ra r), die gleich oder kleiner
sind als die an den Dynodenspannungsteiler angeschlossenen Arbeitswiderstände (Ra) 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 (Ra'), die gleich oder kleiner
sind als die an den Dynodenspannungsteiler angeschlossenen Arbeitswiderstände (Ra) 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 (Rc) 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(Rc) 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 (Da, Da') 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 (Ra) 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).
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 (Dsjc) 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 = ]/2τΒ/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- Af = 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, ΓΒ) 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 τΏ führen ·
die Umschaltvorrichtung zusammen mit den elek- würden, oder man müßte bei kleinem Arbeitswidertronischen
Bauelementen in unmittelbarer Nähe stand mit entsprechend großer elektronischer Nach-
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