DE2359019A1

DE2359019A1 - Bildwandler- oder bildverstaerkervorrichtung

Info

Publication number: DE2359019A1
Application number: DE2359019A
Authority: DE
Inventors: Bertrand Driard; Lucien Guyot; Maurice Verat
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1972-11-28
Filing date: 1973-11-27
Publication date: 1974-06-06
Also published as: FR2208182B1; GB1427353A; JPS4984779A; FR2208182A1; US3894231A

Description

Unser Zeichen; T 1485

THOMSON-CSF

173 Bd.Haussmann

75008 Paris_f Frankreich

Bildwandler- oder Bildverstärkervorrichtung

Die Erfindung betrifft eine Bildwandler- oder Bildverstärkervorrichtung.

Die zur Umwandlung oder Verstärkung von Bildern verwendeten Vorrichtungen enthalten im allgemeinen eine am einen Ende eines Vakuumkolbens angeordnete''Photokatode, die der von einem Objekt oder einer Szene stammenden einfallenden Strahlung ausgesetzt ist und Elektronen (Photoelektronen) unter der Einwirkung dieser Strahlen emittiert, und einen am anderen Ende des Vakuumkolbens angeordneten Leuchtstoff— schirm, auf den diese Photoelektronen auftreffen. Elektronen optische Einrichtungen legen die Bedingungen dieses Auftreffens fest und gewährleisten insbesondere eine ausreichende Auftreffenergie, damit auf dem Leuchtstoffschirm eine sichtbare Lichtspur erzeugt wird. Somit entsteht auf dem Leuchtstoffschirm ein sichtbares Bild-des betreffenden Objekts bzw. der betreffenden Szene.

Lei/Ba

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Die von dem Objekt stammende Strahlung kann entweder eine Strahlung des sichtbaren Spektrums oder eine unsichtbare Strahlung, beispielsweise eine Röntgenstrahlung oder Gammastrahlung sein. Die Vorrichtung wird Bildwandler genannt, wenn die einfallende Strahlung nicht zum sichtbaren Spektrum gehört. Die Verstärkung ergibt sich aus der Beschleunigung, die den Elektronen mit Hilfe des elektronenoptischen Systems erteilt wird.

Die Abmessungen des Leuchtstoffschirms, auf dem das sichtbare Bild erzeugt wird, sind im allgemeinen sehr viel kleiner als die Abmessungen der Photokatode, so daß das elektronenoptische System Einrichtungen enthalten muß, welche das Elektronenbündel zum Leuchtstoffschirm hin konvergieren lassen.

Zur. Begünstigung dieser Konvergenz verwendet man in den Röhren bekannter Art Photokatoden, die auf der dem Leuchtstoff schirm zugewandten Seite eine konkave Fläche aufweisen. Die von den Photoelektronen beim Austritt aus der Photokatode durchquerten Äquipotentialflächen weisen dann ebenfalls diese konkave Form.auf und gewährleisten die Konvergenz des Bündels am Austritt der Photokatode.

Eine solche konkave Form ist jedoch nicht ohne Nachteile. Wenn es sich beispielsweise um Bildwandler für Röntgenstrahlen handelt, ergibt der punktförmige Charakter der Quelle infolge dieser konkaven Form eine Verzerrung an den Rändern des Bildes, das auf der Photokatode von dem durch das Objekt hindurchgehenden Strahlenbündel erzeugt wird, wobei diese Verzerrung umso stärker ist, je größer die Konkavität ist. Wenn es sich um eine Szintigraphie handelt, weist die Quelle, die im allgemeinen durch ein Organ des menschlichen Körpers gebildet ist, in das zuvor

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ein© . γ- radioaktive Substanz eingebracht worden ist, beträchtliche Abmessungen auf, und es ist erforderlich, den Szintillator der Röhre mit Abmessungen gleicher Größenordnung vorzusehen. Nun haben jedoch die Szintillatoren, die im allgemeinen Iodid-Sinkristalle sind, einen Herstellungspreis, der mit den Abmessungen des Szintillators schnell wächst, wenn eine Bearbeitung notwendig ist, um ihnen die zuvor erwähnte konkave Form zu erteilen. Deshalb sucht man in diesen Fällen nach Möglichkeit ebene Photokatoden anzuwenden.

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Derartige ebene Photokatoden, wie sie in der Technik bekannt sind, weisen gemäß vorstehender Erläuterung den Nachteil auf, daß sie nicht die gewünschte Konvergenz des Photoelektronenbündels am Austritt der Photokatode ergeben: Die Äquipotentialflächen in derNähe der Photokatode sind nämlich in diesem Fall ebene Flächen, wie auch die Photokatoden selbst, und die Elektronenbahnen, die im Großen gesehen senkrecht zu diesen Äquipotentialflächen liegen, sind zueinander parallel.

Es sei daran erinnert, daß eine Photokatode schematisch zwei Schichten aufweist, nämlich eine Schicht aus einem Photoemissionsmaterial, d.h. aus einem Material, das die Eigenschaft hat, Elektronen zu emittieren, wenn es einem Photonenstrom ausgesetzt wird, und eine auf diese Photoemissionsschicht aufgebrachte und damit in elektrischem ,Kontakt stehende elektrisch leitende Schicht, durch die das Potential der Photokatode in der Röhre festgelegt ist, in der die Photokatode verwendet wird, wobei über diese elektrisch leitende Schicht die Rückführung der von der Photokatode emittierten Elektronen erfolgt. Diese beiden Schichten sind wiederum auf einen Träger aufgebracht,

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der aus einem Material besteht, das von derArt der einfallenden Photonen abhängt.

Ferner ist im allgemeinen die elektrisch leitende Schicht eine kontinuierliche Schicht, d.h. eine Schicht, welche die Photoemissionsschicht auf ihrer einen Fläche vollständig bedeckt. Manchmal sind die beiden Schichten auch zu einer einzigen Schicht zusammengefaßt.

Unabhängig davon ergeben die auf diese Weise gebildeten ebenen Photokatod ebene Äquipotentialflächen in der Nähe der emittierenden Fläche und Photoelektronenbündel mit ebenen Bahnen, wie zuvor erwähnt wurde.

In der Vergangenheit wurde bereits versucht, diesen Nachteil dadurch abzuschwächen, daß der kontinuierlichen leitenden Schicht eine veränderliche Dicke erteilt wurde und durch diese Schicht ein Strom geschickt wurde, damit vom Mittelpunkt zum Umfang dieser Schicht an deren Oberfläche eine gegebene Potentialverteilung erhalten wurde; vergleiche z.B. "Possibility of Reducing Image Defects in Electron-Optical Imaging Devices Using Electrostatic Lenses" von W.Heimann in der Zeitschrift "Advances in Electronics and Electron Physics" Vol.22, 1966, Seiten 601 bis 607. Man trifft jedoch bei der Ausbildung einer solchen Schicht auf technologische Schwierigkeiten, beispielsweise dann, wenn ihre Herstellung durch Vakuumauftrag erfolgt.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Bildwandler- oder Bildverstärkervorrichtung, die unter Verwendung einer ebenen Photo katode hinsichtlich der Konvergenz des Elektronenbündels die gleichen Eigenschaften wie die Bildwandler-oder Bildverstärkervorrichtungen mit kugelkalottenförmigen Photokatoden ergeben.

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Nach der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß die Photokatode eben ist und daß die leitende Schicht durch einen fadenförmigen Leiter in Form einer Spirale gebildet ist, von der das eine Ende in der Mitte der Photokatode liegt, während das andere Ende an deren Umfang liegt, und daß eine Einrichtung.zur Erzeugung einer Potentialdifferenz zwischen verschiedenen Punkten der Spirale vorgesehen ist.

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung beispielshalber beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Fig.1 eine schematische Ansicht einer Bildverstärkerröhre bekannter Art,

Fig.2 eine schematische Vorderansicht und Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels der leitenden Schicht der Photokatode einer Bildwandlervörrichtung nach der Erfindung,

Fig.3 ein Diagramm zur Erläuterung der Anordnung von Fig.2,

Fig.4 die Vorderansicht einer anderen Ausführungsform der leitenden Schicht der Photokatode einer Vorrichtung nach der Erfindung,

Fig.5 ein Diagramm zur Erläuterung der Ausführungsform von Fig.4, .

Fig.6 eine schematische Schnittansicht der Ausführungsforn von Fig.4,

Fig.7 eine schematische Ansicht einer Bildwandlervorrichtung nach der Erfindung und

Fig.8 eine genauere Darstellung derPhotokatode der Bildwandle rvorrichtung von Fig.7.

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Fig.1 zeigt schematisch einen Schnitt durch eine Bildwandler- oder Bildverstärkerröhre bekannter Art. Bei dem betrachteten Beispiel ist die Röhre um die Achse X-X rotationssymmetrisch.

Die Zeichnung zeigt den Vakuumkolben 1 der Röhre, der beispielsweise vollständig aus Glas besteht und dessen Stirnfläche 2 die Photokatode 3 trägt, die schematisch durch eine dickere Linie angedeutet ist. Ferner sind Steuerelektroden 4, 5» 6 und 7 für das Photoelektronenbündel dargestellt, das die Photokatode 3 unter der Einwirkung des durch die Pfeile L dargestellten einfallenden Photonenstroms emittiert; die schraffierte Fläche ist der Querschnitt des auf einen Leuchtstoffschirm 8 gerichteten Elektronenbündels in der Zeichenebene. Die Elektroden 4, 5, 6 und 7 sind in der dargestellten Weise mit einer Spannungsquelle 9 über ein Potentiometer 10 verbunden, das aus Abschnitten 101, 102, 103, 104 besteht.

Die Photokatode 3 ist bei dem dargestellten Beispiel eine Kugelkalotte, deren konkave Seite dem Leuchtstoffschirm 8 zugewandt ist, und die (nicht dargestellten) Äquipotentialflächen sind Kugeln, die konzentrisch zu der Kugel liegen, aus der diese Kalotte ausgeschnitten ist; dabei wird das Potential von dem niedrigsten Potential aus gezählt, d.h. von dem Potential der Oberfläche der Photokatode. Das von der Photokatode 3 ausgehende Photoelektronenbündel wird durch das zuvor erwähnte Elektrodensystem zum Leuchtstoffschirm 8 hin beschleunigt; es hat einen Bündelknoten A und bildet dann auf dem Leuchtstoffschirm 8 ein Bild der verschiedenen durch den einfallenden Photonenstrom L beleuchteten Punkte der Photokatode 3.

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Bei dem dargestellten Beispiel ist die konkave Form der Photokatode 3 wesentlich für die Erzielung der gewünschten Konvergenz mit dem Elektrodensystem 4, 5, 6, 7 in der dargestellten Weise, wie sie bei Röhren dieser Art allgemein üblich ist. Es sind bereits einige der Nachteile zu erkennen gewesen, die sich aus der Notwendigkeit der Erzielung dieser konkaven Form ergeben»

Bei dem Beispiel von Fig.1 besteht die Photokatode 3, die im Zeichnungsmaßstab in Form eines dicken Strichs erscheint, in Wirklichkeit aus zwei zusammenhängenden Schichten, die aufeinander liegen und in allgemeinen dadurch erhalten werden,daß nacheinander auf die Stirnfläche. 2 des Kolbens ein elektrisch leitendes Material und dann ein photoemittierendes Material aufgebracht werden.

Bei den Bildwandler- oder Bildverstärkervorrichtungen nach der Erfindung wird die gleiche Konvergenz oder eine Konvergenz gleicher Größenordnung mit einer ebenen Photokatode erhalten. Diese Konvergenz wird auf der Grundlage von ebenen Photokatoden dadurch erzielt, daß der elektrisch leitenden Schicht der Photokatode eine geeignete Struktur erteilt wird. Diese Struktur gewährleistet Äquipotentialflächen in der Nähe der Photokatode, welche die gleiche sphärische Form haben wie im Fall einer Kugelkalottenförmigen Photokatode der in Fig.1 dargestellten Art.

Fig.2 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel einer solchen leitenden Schicht. Diese hat die Form eines fadenförmigen Leiters 31, der in Form einer Spirale auf einem ebenen Träger 21 angeordnet ist, welcher die Rolle des Trägers 2 bei dem vorhergehenden Beispiel übernimmt.

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Bei dem dargestellten Beispiel hat die Spirale, von der nur die ersten und letzten Windungen dargestellt sind, einen polaren Radius r, der vom Mittelpunkt O aus proportional zu dem Winkel zunimmt, den er mit der Ursprungsrichtung χ bildet (archimedische Spirale); der Querschnitt des Leiters ist von einem Ende zum anderen Ende im wesentlichen konstant.

Die Rechnung zeigt und die Erfahrung bestätigt, daß bei Aufrechterhaltung einer festen Potentialdifferenz zwischen dem Mittelpunkt O und dem Ende B der Spirale mit Hilfe einerSpannungsquelle 11 derWiderstand R zwischen dem Mittelpunkt 0 und einem Punkt, derin einem Abstand r vom Mittelpunkt 0 liegt, eine parabolische Funktion dieses Abstandes ist : Dies ist in Fig.3 dargestellt. Dagegen nimmt der Potentialabfall vom Mittelpunkt 0 zum Umfang der Spirale hin gleichfalls nach einem parabolischen Gesetz als Funktion des polaren Radius r ab; die Änderung des Potentialabfalls V ist gleichfalls im Diagramm von Fig.3 dargestellt.

Wenn unter diesen Bedingungen diese Photokatode in einer Bildwandler-oder Bildverstärkerröhre mit der Hochspannungs quelle 9 in der in Fig.1 gezeigten Weise verbunden wird, ändert sich die zwischen den Punkten der Photokatode und dem Leuchtstoffschirm 8 auftretende Potentialdifferenz von einem Punkt der Photokatode zum anderen. Demzufolge sind die Äquipotentialflächen zwischen der Photokatode und dem Leuchtstoff schirm in der Nähe der Photokatode keine ebenen Flächen, wie die Photokatode selbst, sondern gekrümmt, wie in der Schnittansicht von Fig.2 angegeben ist. Diese Flächen sind bei E₁, E₂, E,, E^, Ejj dargestellt, während die beiden vertikalen Striche in der gleichen Schnittansicht die Elektrode 4 von Fig.1

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darstellen. In der Schnittansicht von Fig.2 ist die ebene Photokatode schematisch durch einen verdickten Strich dargestellt.

Ein wichtiger Vorteil der dem fadenförmigen Leiter 31 erteilten Spiralform besteht darin, daß die auf diese Weise erhaltene Änderung der Größe V langsam und regelmässig ist, d.h. frei von Potentialsprüngen, wodurch eine befriedigende Konvergenz der Photoelektronen gewährleistet ist; deshalb ist es durch Einstellung des Potentialabfalls entlang der Spirale möglich, wie durch Versuche nachgewiesen wurde, mit einer ebenen Photokatode Äquipotentialflächen zu erhalten, die praktisch mit den Potentialflächen einer sphärischen Photokatode, beispielsweise derjenigen des Ausführungsbeispiels von Fig.1, zusammenfallen.

Nachstehend werden an Hand von Fig.8 die Bedingungen erläutert, unter denen eine ebene Photokatode der schematisch in Fig.2 dargestellten Art realisiert werden kann. In Fig.8 sind der deutlicheren Darstellung wegen die relativen Abmessungen der einzelnen Teile nicht eingehalten; aus den gleichen Gründen ist die Anzahl der Windungen der Spirale auf wenige Windungen verringert worden.

,Ein Vakuumkolben 20 mit einem zylindrischen Teil 24 und einem scheibenförmigen Teil 21 ist in derMitte dieses scheibenförmigen Teils mit einem Durchführungsleiter ausgestattet, der mittels eines Einschlußmaterials 23 vakuumdicht eingesetzt ist. Auf die Innenfläche des scheibenförmigen Teils 21 des Kolbens ist mit Hilfe einer Feder mit einem Platinsalz eine Spirale 31 gezeichnet, welche die zuvor beschriebene Struktur hat und in ihrer Mitte mit der Durchführung 22 in Kontakt steht. Das Platinsalz wird durch-Erhitzen auf .eine geeignete Temperatur

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getrocknet, beispielsweise im Verlauf des dichten Verbindens der Teile 21 und 24, wenn diese aus zwei getrennten Teilen bestehen, die zur Bildung des Kolbens 20 miteinander verbunden werden. Nach dem Trocknen bleibt eine auf der Scheibe 21 haftende Spirale aus kolloidalem Platin zurück, welche die leitende Schicht der Photokatode der erfindungsgemäßen Vorrichtung bildet. Entsprechend der üblichen Praxis auf dem Gebiet der Elektronenröhren werden die erforderlichen Maßnahmen getroffen, um das Ende B der Spirale mit einem (nicht dargestellten) Durchführungsleiter zu verbinden, der dicht in dem Kolben eingeschlossen ist , und um einen leichten Anschluß für die Durchführung 22 zu ermöglichen, damit im Betrieb eine Potentialdifferenz zwischen den beiden Enden der Spirale 31 angelegt werden kann. Es kann sich hierbei insbesondere einerseits um einen leitenden Überzug handeln, der gleichzeitig mit der Spirale auf die innerhalb des Kolben? liegende Fläche der Scheibe 21 mit dem gleichen Platinsalz aufgebracht wird und das Ende B mit dem Durchführungsleiter verbindet, und andrerseits um ein durchsichtiges Leiterband, das in der Zeichnung nicht sichtbar ist und auf die Aussenseite der Scheibe 21 so aufgebracht wird, daß es sich von dem Durchführungsleiter 22, mit dem es in Kontakt steht, bis zum Rand des Kolbens 20 erstreckt.

Nachdem diese Anordnung in eine Vakuumanlage eingebracht worden ist, erfolgt nach der üblichen Technik, beispielsweise durch Aufdampfen, das Aufbringen der photoemittierenden Schicht 32. Diese Schicht ist aus einem in der Technik bekannten Material gebildet. Die Teile 21 und 32 bilden zusammen die Photokatode 30 der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Falls erforderlich, wird auf die Scheibe 21 ein plattenförmiger Szintillator 25 aufgebracht.

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Bei einem praktischen Ausführungsbeispiel, bei welchem die Scheibe 21 einen Durchmesser von 300 mm hatte, wurde eine Spirale mit einer gleichförmigen Fadenbreite (Abmessung der Rechtecke 31 in Fig.8 in der radialen Richtung)von etwa 5/10 mm und mit einer. Teilung, d.h. mit einem Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Windungen von 4 mm hergestellt. Diese Spirale hatte zwischen dem Mittelpunkt und dem Rand einen Gesamtwiderstand von einigen Megohm.

Die photoemittierende Schicht 32 mit einer Dicke von einigen 100 Angström hatte einen unvergleichlich größeren Widerstand in der Größenordnung von einigen 10 Megohm pro Quadrat bei der üblicherweise zur Messung des Widerstands von dünnen Schichten angewendeten Einheit des Flächenwiderstands.

Der Bündelstrom betrug bei den durchgeführten Versuchen etwa 100 Nanoampere bei Anlegen einer Spannung von 3Ö 000 Volt zvrischen der Elektrode 7 und der Photokatode. Die Quelle lieferte eine Gleichspannung von 50 Volt.

Unter diesen Bedingungen zeigten die erhaltenen Testbilder eine sehr geringe Verzerrung, welche die Verzerrungen nicht überstiegen, die mit den Vorrichtungen mit sphärischer Photokatode erhalten werden.

Fig.7 zeigt die bekannte Röhre von Fig.1 nach Abänderung entsprechend dem Ausführungsbeispiel von Fig.8.

In dieser Figur ist die Spannungsquelle 11 zu erkennen, deren positive Klemme mit dem Durchführungsleiter 22 verbunden ist, der in der Figur übertrieben groß dargestellt

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ist, und deren negative Klemme mit dem (in der Zeichnung nicht bezeichneten) Ende B der Spirale verbunden ist. Bei 100 ist der Verbindungspunkt zwischen den Spannungsquellen 9 und 11 dargestellt.

In den Figuren 4, 5 und 6 ist ein anderes Beispiel für die Ausbildung und Anwendung der Photokatode der erfindungsgemäßen Vorrichtungen dargestellt.

Fig.6 zeigt schematisch die Photokatode 50 in Form eines dicken Strichs auf ihrem Träger 21 und Fig.4 zeigt den Verlauf der Leiterschicht 51 der Photokatode 50, der wieder spiralförmig ist. Im Gegensatz zu den Maßnahmen des zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiels ist die Spirale 51 hier an verschiedenen Punkten mit mehreren Spannungsquellen 110, 111, 112, 113 verbunden, wie die unterbrochen gezeichneten Bezugslinien zeigen.

Fig.5 zeigt die Potentialabfälle V, die in den verschiedenen Abschnitten der Spirale 51 erhalten werden.

Ganz allgemein eignet sich die Erfindung auch noch für andere Ausführungsformen und Anwendungen.

Patentansprüche

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Claims

Patentansprüche

1.)Bildwandler- oder Bildverstärkervorrichtung mit einem Vakuumkolben, in dem eine Photokatode angeordnet ist, die dadurch gebildet ist, daß eine elektrisch leitende Schicht und eine Photoemissionsschicht aufeinander angeordnet sind, wobei die Photoemissionss.chicht unter der Einwirkung eines einfallenden Photonenstroms Photoelektronen emittiert, und mit einer in dem Vaküumkolben angeordneten Beschleunigungseinrichtung zur Beschleunigung der Photoelektronen zu einem Leuchtstoffschirm, auf welchem die erzeugte Lichtspur das Bild der verschiedenen von dem Photonenstrom beleuchteten Punkte der Photokatode wiedergibt, dadurch gekennzeichnet, daß die Photokatode eben ist und daß die .leitende Schicht durch einen fadenförmigen Leiter in Form einer Spirale gebildet ist,von der das eine Ende in der . Mitte der Photokatode liegt, während das andere Ende an deren Umfang liegt , und daß eine Einrichtung zur Erzeugung einer Potentialdifferenz zwischen verschiedenen Punkten der Spirale vorgesehen ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spirale eine archimedische Spirale ist.

3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschleunigungseinrichtung eine, erste Gleichspannungsquelle enthält, die zwischen der elektrisch leitenden Schicht und dem Leuchtstoffschirm angeschlossen ist, und daß die die Potentialdifferenz erzeugende Einrichtung eine zweite Gleichspannungsquelle enthält, deren positive Klemme mit dem ersten Ende der Spirale verbunden ist, und deren negative Klemme einerseits mit dem zweiten Ende der Spirale und andrerseits mit der negative-n Klemme der ersten Gleichspannungsquelle verbunden ist.

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Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die· die Potentialdifferenz erzeugende Einrichtung mehrere Gleichspannungsquellen enthält, die es ermöglichen, mehrere Punkte der Spirale auf verschiedene Potentiale zu legen.

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