DE2407592C2 - Bildverstärkerröhre und Verfahren zum Betrieb einer solchen Röhre - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Bildverstärkerröhre für elektronische Impulssteuerung zur Wahl von Sichtbeirieb und Sperrbetrieb mit einer, eine

J5 konkav gekrümmte Photokathode tragenden Kathodenelektrode, einer einen Leuchtschirm tragenden Leuchtschirmelektrode und einer zwischen diesen im Elektronenstrahlenweg angeordneten ersten Anode, deren photokathodenseitige Elektronenffurchtrittsöffnung ei nen wesentlich geringeren Querschnitt aufweist als die Photokathodenfläche.

Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betrieb einer Bildverstärkerröhre. Eine Bildverstärkerröhre der eingangs genannten Art

•15 ist z. B. aus der US-PS 37 33 492 bekannt. Bei solchen bekannten als Mehrelektrodenröhren ausgebildeten Bildverstärkerröhren für elektronische Impulssteuerung konnten bisher trotz relativ hoher Sperrspannungen (>1,5kV) keine befriedigenden Verschlußeigenschaf-

'* ten erhalten werden. Der sogenannte »Verschlußfaktor« (das ist der Quotient aus der am Bildschirm gemessenen Helligkeit vor und nach der Sperrung) beträgt in günstigen Fällen nur ca. 10⁴:1. Dieser Nachteil entsteht dadurch, daß es wegen des Durchgriffs der mit relativ hoher Spannung betriebenen Anode mit meist kegelförmiger Spitze durch die zwischen Kathode und dieser Anode liegende Fokussier-Sperrelektrode mit großem Durchmesser hindurch zur Kathode nicht gelingt, die Elektronenemission in Achsennähe völlig zu sperren, so daß eine Resthelligkeit auf dem Bildschirm verbleibt. Diese ist auch bei sehr hohen Sperrspannungen, die darüber hinaus wegen Isolationsschwierigkeiten und der Forderung nach Kurzzeitverschlußeigenschaften (Dauer der Umladung

f>5 der Sperrelektrode hängt von der hohen Sperrspannung und Kapazität ab!) für die Anwendung praktisch nicht in Frage kommen, nicht restlos zu beseitigen. Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe

zugrunde, eine Bildverstärkerröhre für elektronische Impulssteuerung der eingangs genannten Art anzugeben, die insbesondere hinsichtlich ihrer Kurzzeitverschlußeigenschafien verbessert ist sowie ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Röhre anzugeben.

Gemäß, der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß diekathodenseitige Elektronendurchtrittsöffnung der erstell Anode A\ von der Mitte der Photokathode, einen Abstand a aufweist, der kleiner als \h\mä größer als We der Elektronenstrahllänge ist, daß der Durchmesser der kathodenseitigen ElektronendurchVittsöffnung der ersten Anode A% kleiner als Vs und größer als '/io des Abstandes a beträgt und daß der Krümmungsradius der Photokathode höchstens Vi und mindestens ³Zs des Abstandes a beträgt

Ein wesentlicher Vorteil der beschriebenen Röhre besteht darin, daß sie mit verhältnismäßig geringen Spannungswerten in einen Sperrzustand mit hohem Verschlußfaktor, beispielsweise ungefähr 10⁶:1 und höher gebracht werden kann.

Anhand der in den Fig. 1 und 2 dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die ,Erfindung nachfolgend näher erläutert.

Die in F i g. 1 dargestellte Bildverstärkerröhre weist vier Elektroden auf, die in der Reihenfolge von der Photokathode 1 zum Leuchtschirm 10 als Kathodenelektrode 3 (K), erste Anode 4 (A₁), zweite Anode 8 (A₂) und Leuchtschirmelektrode 6 (A₃) bezeichnet werden, und die an unterschiedlichen Potentialen liegen.

Mit 5 sind vorzugsweise aus Glas bestehende Isolierringe bezeichnet, die vakuumdicht mit den Elektroden verbunden sind und Teile des Vakuumgefäßes der Röhre bilden. Die Photokathode 1 befindet sich auf einem Kathodenträger, z. B. einer Glasfaserscheibe und steht über einen Befestigungsring 2 mit der Kathodenelektrode 3 in elektrisch leitender Verbindung. In beiden Figuren sind gleiche Teile mit gleichen Ziffern versehen.

Der Leuchtschirm 10 befindet sich ebenfalls auf einer Glasfiberschdbe und ist über den Haltering 7 elektrisch leitend mit der Leuchtschirmelektrode 6 verbunden.

Die auf die Kathodenelektrode 3 folgende erste Anode 4 (Ai) ist niit kleiner Elektronendurchtrittsöffnung 11 z. B. ^ 5 rom in relativ kurzer Entfernung von dieser etwa £'/3 bis ä¹/·» der Strahllänge angeordnet. Sie befindet sich auf niedrigem Potential, z. B. etwa 1,2 kV. Sie dient zugleich als Sperrelektrode, da die Felder der nachfolgenden zwecks Nachbeschleunigung auf höheren Potentialen liegende zweite Anoden 8 (A₂) und die Leuchtschirmelektrode 6 (A₃) nicht durch die kleine öffnung in der ersten Anode in den Kathodenraum durchgreifen können.

Da nun bei Gleichschaltung der Spannungen der ersten Anode und der Kathodenelektrode wegen des Potentialgefälles =0 keine Elektronen mehr beschleunigt werden, also auch nicht durch die erste Anode hindurchgelangen und in den Nachbeschleunigungsraum zwischen der ersten Anode und dem Leuchtschirm gelangen können, bedeutet das praktisch, daß die Höhe der Sperrspannung nur von der an der ersten Anode 4 liegenden Spannung bestimmt wird. Da nun bei dieser beschriebenen Anordnung der ersten Anode 4, wobei sich keine Fokussier-Elektrode zwischen Kathode und erster Anode befindet, der Strahlenverlauf und die Lage des Strahlenüberkreuzungspunktes (sog. Cross-over) praktisch fast unabhängig von der Größe der zwischen Kathode und erster Ano Je herrschenden Spannung ist, wird es möglich, mit sehr niedrigen Sperrspannungen zu

arbeiten. Die wegen der Nachbeschleunigung durch die Spannung- Ua₂ und Ua3> Ua ι zunehmende^ Verkleinerung mit sinkender Spannung Ua \ läßt jedoch ■keineswegs eine beliebig niedrige Betriebs- und Sperrspannung für A\ zu. Für einen Abbildungsmaßstab von ca. 1 :0,8 und eine Stnthllänge von ca. 85 mm, die aus praktischen Gründen angestrebt werden, liegt bei optimaler Dimensionierung des gesamten Elektrodensystems bezüglich Durchmesser, Länge und gegenseitigem Abstand der Elektroden K, Au A₂. und Az die niedrigste erreichbare Sperrspannung bei etwa I₁OkV. Bei dem in Fig. 1 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiel lagen folgende Werte zugrunde:

Entfernung K-Ai	= 20,0 mm
Länge Ai	= 20,0 mm
0Ai	= 4,0 mm
und	19,0 mm
Länge A2	= 20,0 mm
0A2	= 3* mm
Länge Az bis Schirm	= 2JmOi
0Az	= 35 mm.

An den Elektroden lagen im Sichtbetrieb folgende Spannungen:

K =	0,OkV
Ai =	1,OkV
A2 =	5,7 kV
A3 =	10,0 kV.

Der Verschlußfaktor war 10⁵ :1 im Sperrbetrieb bei Uk=UaI=OWV. Die Rauschäquivalenzbeleuchtungsstärke entsprach:

2·10-? kV

Vorteilhaft für das Rauschverhalten des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Systems ist die in¹ KatModenraum herrschende niedrige Feldstärke und die Tatsache, daß durch die kleine Öffnung der ersten Anode 4 praktisch kaum Alkaltmetalldämpfe bei der Photokaihodenherstellung in den Raum hoher Feldstärke (von Αχ bis A3) gelangen können.

Eine zweckmäßige Weiterbildung der Erfindung ist ein kegelförmiges Korrekturteil 9 auf der ersten Anode 4, durch das der Abbildungsmaßstab und die Strahllänge in der »Grundvergrößerung« (Diodenschaltung mit UaX = Ua₂=Ua₃) so groß gemacht werden können (> 10 :1 und entsprechende Strahllänge), daß trotz der starken Verkleinerung durch die hohe Nachbeschleunigung die oben gerrannten Werte von 1 :0,8 für den Abbildungsmaßstab und 85 mm für die Strahllänge erhalten werden. Die besondere Lage des Zusatzkegels ermöglicht im Gegensatz zu bekannten Anodenformen mit großem Durchmesser einen sehr günstigen Abstand (Überschlagstrecke) gegen die Kathodenelektrode.

Wegen der Unvollkommenheit der z. Z. zur Verfügung stehenden Spannungsimpulsgeber für solche Röhren, die statt ei'ies Rechteckimpulses nur solche mit mehr oder weniger steilen Flanken erzeugen, können während des Sperrvorganges wegen des von der Kapazität des Elektrodensystems und Impulserzeuger zeitlich abhängigen Spannungs-An- und Abstiegs gegebenenfalls noch Aufhellungen auftreten.

Diese Aufhellungen entstehen wegen der bei Spannungsänderungen von K—A\ praktisch fast unverändert bleibenden Lage des Cross-over, der sich bei den bekannten Systemen, die eine zwischen K und A\ auf

schwach positivem Potential liegende Fokussierelektrode haben, die zugleich als Sperrelektrode verwendet wird, bei Spannungsänderungen zwischen K, Fokussierungselektrode und A stärker verschiebt, so daß es zur Ausblendung der Randpartien kommt. Während des Sperrvorganges nimmt ja wegen der immer kleiner werdenden Elektronengeschwindigkeit im Bereich K-Ai die Verkleinerung des Abbildungsmaßstabes, also die Leuchtdichteverstärkung, zu und verschwindet erst bei Uk= Ua ι wieder. So war z. B. der Abbildungsmaßstab während der Sperrung bei nur noch 0,1 kV Differenzspannung zwischen K und A\ 0,14 : 1 gegen 0,8 :1 bei I kV. Die Verkleinerung betrug also 5,7 :1. Das ergibt eine Zunahme der Leuchtdichte von (5,7J² »32 :1. Durch Ausblenden der Randpartien wird dieser Faktor verringert, ergab aber bei den bekannten Ausführungen von Systemen Aufhellungen im gesperrten Zustand.

in einer Weiterbildung der Erfändung geling: es, den Vorteil des bisher beschriebenen Ausführungsbeispiels der Erfindung gegenüber bekannten Ausführungen, nämlich die Erzielung eines hohen Verschlußfaktors von ca. 10⁶ :1 und völlige Beseitigung von Aufhellungen im gesperrten Zustand durch Trennung des elektrischen Feldes im Kathodenraum (K-Ai) von den Feldern im Nachbeschleunigungsraum (A\— Ai-Aj), mit einer Anordnung von 3 Elektroden (K\, Ki und A) als Sperrsystem in einer verbesserten, besonders einfachen Weise zu ergänzen. Dabei wird keine zusätzliche Spannung für die dritte Elektrode benötigt. Diese dient beim Gegenstand der Weiterbildung der Erfindung auch nicht als Fokussierungselektrode im bekannten Sinne.

Wie in F i g. 2 dargestellt besteht die Kathodenelektrode aus zwei getrennten, von einander isolierten Teilen 31 (K₁) und 32 (K₂), die beim normalen Betrieb, Lichtbetrieb oder Auftastphase beide auf Kathodenpotential liegen, so daß also nach wie vor elektronenoptisch ein 2-Pol-lmmersionsobjektiv vorliegt. Indem nun beim Sperren das eine Kathodenelektrodenteilstück auf Nullpotential bleibt und nur das andere auf ein von Null verschiedenes Potential gelegt wird, entsteht ohne eine zusätzliche Spannung (die Sperrspannung wird nicht gezählt, da sie bei Schaltvorgängen derartiger Röhren immer erforderlich ist) ein kurzbrennweitiges Immersionsobjektiv, das wegen der kleinen öffnung der ersten Anode Ai bei genügend niedriger Elektronengeschwindigkeit zwischen den Elektrodenteilen K\ und K₂ als Elektronenspiegel wirkt.

Dabei kann U_K2<Uk\<Ua\ mit Ukι =0 sein oder Uk\> Uk2<Ua2 mit L^₂=O sein. Für die Schaltungs-Variante mit i/jci *0 wird eine niedrigere Sperrspannung benötigt

Bei einer Betriebsspannung von 1,5 kV an At genügte z. B. zum Sperren eine Erhöhung des Kathodenpotentials an Ki von 0,0 auf +03 kV mit U_K2=0. Bei der Sperrung nach beiden Verfahren erfolgt eine starke Verschiebung des Cross-over, womit wegen der kleinen öffnung von Ai eine entsprechend starke Ausblendung der Randpartien verbunden ist So war z. B. bei 0,5 kV an Kt (kurz vor der vollständigen Sperrung) und 1,0 kV an Ai der Cross-over nur noch 11 mm von Ki entfernt, während er bei Uk ι =0 bei 21 mm, also 1 mm innerhalb der Ai lag. Bei +0,6 kV von K₂ erfolgte die vollständige

Sperrung.

Das Ausführungsbeispiel der Erfindung nach Fig. 2 besitzt einen weiteren, besonders wertvollen Vorteil.

Wegen der auf fast die Hälfte herabgesetzten Sperrspannung des beschriebenen System ist es möglich, die Spannung an der ersten Anode 4 bei unverändert niedriger Sperrspannung zu erhöhen, also z.B. auf 1,8 kV für 1,0 kV Sperrspannung. Wegen der nun höheren Elektronengeschwindigkeit bei der ersten Anode 4 unterliegen die Elektronen nicht mehr so starken Ablenkungskräften im Nachbeschleunigungssystem. Das bedeutet aber eine Erhöhung des Abbildungsmaßstabes. Ebenso ist es aber möglich, die Spannung Ua ι an der Leuchtschirmelektrode zu erhöhen.

Eine nach der Weiterbildung der Erfindung ausgeführte Bildverstärkerröhre besteht dann aus einer zweiteiligen Kathodenelektrode mit den Teilen 31 und 32 mit bei Sichtbetrieb gemeinsamen Potential, wovon ein Teil beim Sperren als »Hilfselektrode« ohne zusätzliche Spannung wirkt, einer ersten Anode 4 (Ai), deren Spannung z. B. 1,8 kV ist, mit kleiner Elektronendurchtrittsöffnung und einer zweiten Anode 6 mit großem Durchmesser, die elektrisch mit dem Leuchtschirm verbunden ist, also auf der für die Röhre geltenden Höchstspannung liegt Es ist also mechanisch eine Tetrode, zu deren Betrieb aber 3 Potentiale genügen, also elektrisch eine Triode, wobei die Sperrspannung wie üblich nicht mitzählt. Um eine möglichst große Ausblendung der Randpartien beim Sperren zu erhalten, wird vorgeschlagen, den Krümmungsradius der Fhotokathodeniläche so zu wählen, daß der Cross-over in der »Auftastphase« in die Ebene der kleinen Eintrittsöffnung von Ai oder wenig darüber (ca. 1 mm) zu liegen kommt. Dann setzt die Ausblendung beim Sperrvorgang (Ukι-^ U_A\) wegen des zu Ki vorrückenden Cross-over sofort ein und nimmt während des gesamten Sperrvorganges zu.

An einem Ausführungsbeispiel mit 25 mm nutzbarem Kathodendurchmesser soll der Gegenstand der weitergebildeten Erfindung schematisch gezeigt werden.

Mit 2 sind der die Photokathode 1 tragende Kathodenträger, eine Fiberglasscheibe und der die Scheibe tragende Kathodenring bezeichnet

31 ist der eine Teil der Kathodenelektrode (ATi) der mit 1 elektrisch leitend verbunden ist

32 ist der zweite Teil K₂ der Kathodenelektrode, der von Ki durch ein Isolierstück 5, z. B. ein Glasrohr, getrennt ist und zugleich die für die Kathodenherstellung vorgesehenen Einrichtungen aufnimmt Die erste Anode Ai mit kegelförmigem Korrekturteil 9 ist mit 4 bezeichnet und von K₂ durch ein Glasrohr 5 isoliert Schließlich folgt die zweite Anode (A₂) 6 mit Anoden- und Schirmscheibenhalteringen 7 sowie Leuchtschirm 10, der mit den Teilen 6 und 7 elektrisch leitend verbunden ist

Die Gesamtlänge der Röhre betrug ca. 92 mm, die Strahllänge ca. 85 mm. Diese ist wie folgt aufgeteilt:

Kathode^,)-/!,	= 20 mm
Länge/Ii	= 20 mm
Abstand Ai-A2	= 10 mm
Länge A2 —Leuchtschirm	= 35 mm
Strahllänge	= 85 mm

Hierzu 1 Biatt Zeichnungen

Claims (11)

Patentansprüche:

1. Bildverstärkerröhre für elektronische Impulssteuerung zur Wahl von Sichtbeirieb'und Sperrbetrieb mit einer, eine konkav gekrümmte Photpkathode tragenden Kathodenelektrode, einer einen Leuchtschirm tragenden Leuchtschirmelektrode und

, einer zwischen diesen im Elektrbnenstrahlenweg angeordneten ersten Anode, deren photokathodensehige ElektronendurchtrittsSfTnung einen wesentlich geringeren Querschnitt aufweist als die Photokathodenfläche, d a d u r c h g e k e η η ζ e ic h η e t, daß die . kathodenseitige Elektronendurchtrittsöffnung(ll) der ersten Anode A\ (4) von der Mitte der Photokathode (1) einen Abstand a aufweist, der kleiner als '/3 und größer^;als Ve der Elektronenstrahllänge ist, daß der Durchmesser der kathodenseitigeri Elektronendurchtrittsöffnung (il) dar ersten Anode A_x (4) kleiner als >/s und größer als Vio des Abstafides a beträgt und daß der Krümmungsradius der Photokathode (1) höchstens Vt und mindestens ³/s des Abstandes a beträgt

2. Bildverstärkerröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß bei Sichtbetrieb an die erste Anode A_x (4) eine Spannung angelegt ist die höchstens Ά» und mindestens '/20, vorzugsweise etwa '/ίο der an die Röhre angelegten Gesamtbeschleunigungsspannung, beträgt

3. Bildverstärkerröhre nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet daß in Elektronenstrahlrichtung zwischen der ersten Anode A\ (4) und der Leuciitschirmelektrode (6) wenigstens noch eine weitere Anodenelektrode (8) angeordnet ist

4. Bildverstärkerröhre nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Anode A_x (4) kegelstumpfmantelförmig und sich zur Photokathode (1) hin verjüngend ausgebildet ist

5. Bildverstärkerröhre nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet daß an der Außenfläche und in Elektronenstrahlrichtung betrachtet an der photokathodenseitigen Hälfte der ersten Anode A\ (4) ein kegelstumpfmantelförmiges metallisches Korrekturteil (9) so angeordnet ist, daß es sich zur Photokathode (1) hin erweitert und die erste Anode At (4) zur Photokathode (1) hin nicht überragt.

6. Bildverstärkerröhre nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet daß die Kathodenelektrode aus zwei elektrisch voneinander isolierten, in Elektronenstrahlrichtung aufeinanderfolgenden Elektrodenteilen K_x (31) und K₁ (32) besteht (F i g. 2).

7. Verfahren zum Betrieb einer Bildverstärkerröhre nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei welchem bei Sichtbetrieb die Kathodenelektrode K (3) auf einem gegenüber der ersten Anode A_x (4) negativen Potential liegt und bei Sperrbetrieb, d.h. zur Erzielung einer Sperrung des Elektronendurchtritts durch die erste Anode A\ (4), entweder das Potential der Kathodenelektrode K (3) maximal bis auf den Potentialwert der ersten Anode At (4) erhöht wird oder das Potential der ersten Anode Ai (4) maximal bis auf den Potentialwert der Kathodenelektrode K (3) erniedrigt wird.

8. Verfahren zum Betrieb einer Bildverstärkerröhre nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei Sichtbetrieb die beiden Elektrodenteite ATi (31) und Ki (32) auf ein gemeinsames gegenüber der ersten Anode A_t (4) niedriges Potential gelegt werden und daß bei Sperrbetrieb das Potential des von der ersten Anode A_x (4) weiter entfernten Elektroderiteils K\ (31) erhöht, jedoch höchstens auf den Potentialwert der ersten Anode Ai (4) erhöht wird.

9. Verfahren zum Betrieb einer Bildverstärkerröhre ngch Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet daß bei Sichtbetrieb die beiden Elektrodenteik ^i (31)

und K₂ (32) auf ein gemeinsames gegenüber der ersten Anöde A_x (4) niedrigeres Potential gelegt werden und daß hei Sperrbetrieb das Potential der ersten Anode Ai (4) näher gelegenen Elektrodenteils Kx (32) auf einen P.otentialwert erniedrigt wird, der kleiner ist als der Potentialwert des von der ersten Anode A_x (4) weiter entfernten Elektrodenteils K_t (31).

10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet daß bei Sichtbetrieb und bei Sperrbetrieb das Potential des der ersten Anode A_t (4) näher gelegenen Elektrodenteils Kz (32) unverändert bleibt

11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß bei Sichtbetrieb und bei Sperrbetrieb das Potential des von der ersten Anode A_x (4) weiter entfernten Elektrodenteils K_x (31) unverändert bleibt