DE2900619C2 - Elektronenoptischer Bildwandler zur Aufnahme schnellablaufender Vorgänge - Google Patents
Elektronenoptischer Bildwandler zur Aufnahme schnellablaufender VorgängeInfo
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Description
L | = ca, | 7,1 | VII | C, < 8,6 |
Sx | = c2d, | 0,1 | VII | C2 < 0,14 |
S2 | 0,08 | VII | C3 < 0,19 | |
= ca | 1,1 | VII | C4 < 1.45 | |
i | = ca, | 0,57 | ΙΙΛ | C5 < 0,77 |
e) die Blende (12) des Verschlusses (7) mit der Anodenblende (6) elektrisch verbunden ist,
f) jede Ablenkplatte (8, 9, 10, 11) des Verschlusses
(7) ein Element einer Zweidrahtlcitung darstellt, die am Kolben (1) zwei Anschlüsse
(21 und 22) aufweist, von denen ein Anschluß (21) zur Verbindung mit dem Verschlußimpulsgenerator
(24) und der andere (22) zum Anschalten eines Anpassungsgliedes (25) mit einem Abschlußwiderstand bestimmt
ist, dessen Widerstandswert dem Wellenwiderstand entspricht, und
g) das Ablenksystem (13) in der Art einer breitbandigen symmetrischen Leitung durch ein
Paar von Koaxialkabeln (29 und 30) mit gleichem Wellenwiderstand gebildet ist, deren
Außenleiter (31.) mit der Anodenblende (6) verbunden sind, während ihre Innenleiter
(32) das eigentliche Ablenksystem bilden, wobei die Koaxialkabel (29 und 30) an ihrem
Eingang und Ausgang mit Koaxial-Steckverbindungen (33, 34, 35 und 36) versehen sind,
von denen die eingangsseitigen Steckverbindungen (33 und 34) zum Anschluß des Ablenkimpulsgenerators
(37) bestimmt sind und die ausgangsseitigen Steckverbindungen (35 und 36) zum Anschluß von Koaxial-Anpassungsgliedern
(38 und 39) mit einem Abschlußwiderstand dienen, dessen Widerstandswert dem Wellenwiderstand der Koaxialkabel
(29 und 30) entspricht.
2. Elektronenoptischer Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektronenfalle (15) ein Element (16) in Form eines abgestumpften Kegels enthält, dessen größere Grundebene dem Leuchtschirm (14) zugewandt ist.
2. Elektronenoptischer Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektronenfalle (15) ein Element (16) in Form eines abgestumpften Kegels enthält, dessen größere Grundebene dem Leuchtschirm (14) zugewandt ist.
Die Erfindung betrifft einen elektronenoptischen Bildwandler zur Aufnahme schnellablaufender Vorgänge
gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ein derartiger elektronenoptischer Bildwandler ist
bekannt (US-PS 40 21 693). Hierbei wird die Zeitauf-
:<) lösung eines solchen Wandlers hauptsächlich durch
die Streuung der Elektronenflugzeit begrenzt. Diese Streuung kann zwar durch eine Erhöhung der Feldstärke
an der Fotokathode vermindert werden, jedoch hat dies wiederum eine Zunahme der elektronenoptisehen
Vergrößerung zur Folge. Mit Hilfe dieses Wandlers lassen sich Feldstärken bis etwa 6,6 kV/cm
erreichen, ohne daß es zu negativen Auswirkungen kommt.
Ferner ist es im Hinblick auf den oben genannten
.κι elektronenoptischen Verschluß bekannt, zum Anlegen
kurzer Impulse die Elektroden als Elemente von Zweidrahtleitungen auszubilden (FR-PS
20 86 762).
Ferner ist aus der GB-PS 13 29 977 ein elektronen-
Ferner ist aus der GB-PS 13 29 977 ein elektronen-
-'5 optischer Wandler bekannt, der abgesehen von der
Elektronenfalle ebenfalls alle im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale aufweist und
bei dem eine Herabsetzung der Streuung der Elektronenflugzeit durch Erhöhung der elektrischen FeIdstärke
in der Nähe der Fotokathode erzielt wird.
Bei diesem bekannten elektronenoptischen Wandler befinden sich in einem Vakuumkolben hintereinander
eine haibdurchlässige Fotokathode, eine Beschleunigungselektrode mit einem in der Nähe der
Fotokathode angeordneten feinmaschigen Netz, eine als abgeschnittener Kegel ausgebildete Fokussierelektrode,
eine Anodenblende, ein aus zwei Ablenkplattenpaaren bestehender elektronenoptischer Verschluß,
bei dem zwischen den Ablenkplattenpaaren eine Verschlußblende vorgesehen ist, ein Ablenksystem
und ein Leuchtschirm.
Das feinmaschige Netz weist über 300 Maschen pro mm2 auf, liegt im Abstand von 1 bis 3 mm von der
Fotokathode unter einem gegen diese positiven Potential von etwa 1 kV und bewirkt eine Erhöhung der
elektrischen Feldstärke in der Nähe der Fotokathode.
Bei Einführung dieses unter hohem Potential liegenden
Netzes steigt aber die elektronenoptische Vergrößerung um das Doppelte, wobei die Helligkeit des
Leuchtschirmes beim Einsatz des Wandlers zur Einzelbild-Registrierung viermal kleiner wird, während
beim Betrieb des Wandlers als Fotochronograf die Auflösung auf dem Bildschirm um die Hälfte herabgesetzt
wird.
Bei der Anwendung des Netzes muß außerdem die Fokussierelektrode zur Erzeugung des Bildes in der
Schirmebene auf niedrigem Potential liegen, wobei die
Elektronenbewegung im Raum zwischen dem Netz U1I.1 der Anodenblende verlangsamt wird.
Diese Verlangsamung der Elektronenbewegung führt ihrerseits zur höheren Streuung der EleKtronenflugzeit.
Außerdem ist die elektronenoptische Vergrößerung vom Potential an der Beschleunigungselektrode abhängig.
Demzufolge wird die Herabsetzung der Streuung der Elektronenflugzeit durch Steigerung der elektrischen
Feldstärke in der Kathodennähe nicht vollkommen realisiert, und die für den Subpikosekunden-Bereich
erforderliche Verminderung dieser Streuung wird bei solchen Wandlern nicht erreicht.
Dies wird durch die Analyse der Differenz At der
Laufzeiten to und t zweier Elektronen bestätigt, die in
dem bekannten Wandler beim Durchflug der Elektronen im Raum zwischen dem Netz und der Ablenkebene
des Elektronenbündels zustande kommt:
At=t-t =
TiT 2JU1,
Tc' E ''
Hierbei sind
η =
i,
At die Differenz der Flugzeiten zweier Elektronen,
m die Masse des Elektrons,
e die Ladurg des Elektrons,
E elektrischu Feldstärke,
e die Ladurg des Elektrons,
E elektrischu Feldstärke,
Un =
2e
V0. die Normalkomponente der Anfangsgeschwindigkeit
des Elektrons beim Austritt aus der Oberfläche der Fotokathode,
U(ζ) die Potentialverteilung längs der Achse z, t„ die Flugzeit des Elektrons mit einer Geschwindigkeit von V0. = 0,
/ die Flugzeit des Elektrons mit einer Geschwindigkeit von V0. Φ 0,
2, die Koordinate der Netzebene,
Z2 die Koordinate der Ablenkebene des Elektronenbündels.
U(ζ) die Potentialverteilung längs der Achse z, t„ die Flugzeit des Elektrons mit einer Geschwindigkeit von V0. = 0,
/ die Flugzeit des Elektrons mit einer Geschwindigkeit von V0. Φ 0,
2, die Koordinate der Netzebene,
Z2 die Koordinate der Ablenkebene des Elektronenbündels.
Der Kennwert η gibt an, um wieviel mal die Elektronenflugzeit-Differenz
At im Vergleich zu dem Fall größer wird, weiiii die Ablenkebene mit der Netzebene zusammenfällt.
Für das elektronenoptische System des bekannten elektronenoptischen Wandlers ist η = 1,75, was einer
Vergrößerung der Streuung der Elektronenflugzeit um 75% gleichkommt. Der Wert zeigt somit, um wieviel
mal die Zeitauflösung infolge des niedrigen Potentials an der Fokussierelektrode gegenüber der für
die jeweilige elektrische Feldstärke in der Kathodennähe berechneten Zeitauflösung kleiner wird.
Die Ablenkplatten des Anlenksystems funktionieren im Steuerkreis als kapazitive Abschlußwiderstände,
deren Durchlaßbandbicite durch ihre Resonanzfrequenz
begrenzt wird.
Im bekannten elektronenoptischen Wandler können infolgedessen die für eine sichere Registrierung
von Vorgängen mit einer Pikosekunden- und Subpikosekunden-Zeitauflösung
erforderlichen Ablenkgeschwindigkeit gleich einer bis zwei Lichtgeschwindigkeiten
nicht realisiert werden.
Bei Erhöhung der Ablenkgeschwindigkeit durch Vergrößerung der Impulsamplitude (über einen für
die Ablenkung auf der Schirmarbeitsfläche erforderlichen Wert) trifft das abgelenkte Elektronenbündel
auf die Wände des Vakuumkolbens des elektronenoptischen Wandlers.
Infolgedessen wird der Bildkontrast durch die von der Wand des Vakuumkolbens elastisch reflektierten
Elektronen herabgesetzt, wobei auch die Zeitauflösung des elektronenoptischen Wandlers vermindert
wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektronenoptischen Bildwandler der eingangs genannten
Art zu schaffen, bei dem die Ausführung der Beschleunigungselektrode und der Fokussierelektrode
eine minimale Streuung der Elektronenflugzeit gewährleistet, die zur Registrierung von Vorgängen
im Subpikosekunden-Auflösungsbereich bei Beibehaltung der vom Potential der Beschleunigungselektrode
unabhängigen, etwa zweifachen elektronenoptischen Vergrößerung erforderlich ist, und bei dem die
Ausführung des elektronenoptischen Verschlusses sowie des Ablenksystems eine sichere Registrierung derartiger
Vorgänge auf dem Bildschirm ermöglicht, wobei durch diese Maßnahme insgesamt eine Erhöhung
der Zeitauflösung zur Registrierung von Vorgängen im Subpikosekunden-Auflösungsbereich erzielt werden
soll.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst. Eine vorteilhafte
Ausgestaltung der Erfindung ist in einem weiteren Anspruch aufgeführt.
Der erfindungsgemäß elektronenoptische Wandler hat den Vorteil, daß die für die Registrierung von
Vorgängen im Subpikosekunden-Zeitauflösungsbereich erforderliche geringe Streuung der Elektronenflugzeit
durch eine Feldstärke von 30 kV/cm erreicht wird. Dabei bleibt die vom Potential der Beschleunigungselektrode
unabhängige, zweifache elektronenoptische Verstärkung bzw. Vergrößerung 2 beibehalten,
während sie bei dem gattungsgemäßen bekannten Wandler 3,6 beträgt und von der Spannung am Beschleunigungsgitter
abhängig ist. Als weiteren Vorteil besitzt das Ablenksystem einen Durchlaßbereich von
3 GHz. Durch dieses breitbandige Ablenksystem ist es möglich, Ablenkgeschwindigkeiten zu erreichen,
die höher als die Lichtgeschwindigkeit sind. Insgesamt ergeben die erwähnten Eigenschaften des elektronenoptischen
Wandlers die gewünschte Steigerung der Zeitauflösung beim Registrieren derartiger Vorgänge.
Die Erfindung wird anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieis näher erläutert.
Die Zeichnung zeigt den Längsschnitt eines elektronenoptischen Bildwandlers.
Im elektronenoptischen Wandler befinden sich im Vakuuinkolben 1 hintereinander eine Fotokathode 2,
eine Beschleunigungselektrode 3 mit einem Netz 4, eine Fokussierelektrode S, eine Anodenblende 6, ein
elektronenoptischer Verschluß 7 mit Ablenkplatten 8, 9,10, 11 und einer Blende 12 sowie ein Ablenksystem
13 und ein Leuchtschirm 14.
Der Wandler enthält eine Elektronenfalle 15 mit einem
als abgestumpfter Kegel ausgebildeten Element 16, dessen größere Grundebene dem Leuchtschirm 14
zugewandt ist. Die Elektronenfalle 15 ist mit der Anodenblende 6 elektrisch verbunden und zwischen dem
Ablenksystem 13 und dem Leuchtschirm 14 eingebaui.
Die Beschleunigungselektrode 3 des Wandlers enthält einen Hohlzylinder 17, in dessen Innenraum ein
Halter 18 mit dem Netz 4 angeordnet ist, das sich an der zur Fotokathode 2 hin liegenden Stirnseite des
Halters 18 befindet.
Außerdem weist die Beschleunigungselektrode 3 an dem kathodenseitigen Ende des Zylinders 17 einen
Ring 19 sowie Federn 20 auf, die an der Seitenfläche des Zylinders 17 zur Fixierung des Halters 18 mit dem
Netz am Ring 19 befestigt sind.
Die Fokussierelektrode 5 ist ebenfalls als Hohlzylinder
ausgeführt, dessen Durchmesser dem Durchmesser d des Hohlzylinders 17 der Beschleunigungselektrode 3 gleich ist.
Der elektronenoptische Verschluß 7 stellt eine durchgehende Zweidrahtleitung dar, wobei jede
Platte 8, 9, 10, 11 des Verschlusses 7 als Element der
entsprechenden Zweidrahtleitung dient und am Kolben 1 zwei Anschlüsse 21 und 22 hat. Der Anschluß
21 wird über eine Steckverbindung 23 mit dem Verschlußimpulsgenerator
24 verbunden, während der Anschluß 22 zum Anschluß eines Anpassungsgliedes 25 dient, dessen Länge so gewählt ist, daß die doppelte
Signallaufzeit in diesem Glied 25 größer als die Maximaldauer der Verschlußimpulse ist.
Der Abschlußwiderstand des Anpassungsgliedes 25 besteht aus einem Kondensator 26 und einem Widerstand
27, die mit Hilfe einer Steckverbindung 28 angeschlossen sind.
Der Widerstandswert des Abschiußwiderstands entspricht dem Wellenwiderstand des Anpassungsgliedes 25.
Die Blende 12 des elektronenoptischen Verschlusses 7 befindet sich zwischen den Plattenpaaren 8, 9
und 10, 11 und ist mit der Anodenblende 6 elektrisch
verbunden.
Das Ablenksystem 13 ist in der Art einer breitbandigen symmetrischen Leitung ausgeführt, die durch
ein Paar von Koaxialkabeln 29 und 30 mit gleichem Wellenwiderstand gebildet ist.
Die Außenleiter 31 der Leitungen 29 und 30 sind mit der Anodenblende 6 elektrisch verbunden, und
die Innenleiter 32 bilden das eigentliche Ablenksystem.
Die Leitungen 29 und 30 sind mit eingangsseitigen und ausgangsseitigen Koaxial-Steckverbindungen 33,
34 bzw. 35 und 36 versehen.
Die eingangsseitigen Steckverbindungen 33 und 34 sind zum Anschluß des Ablenkimpulsgenerators 37
bestimmt, während die ausgangsseitigen Steckverbindungen 35 und 36 zum Anschluß von Koaxial-Anpassungsgliedem
38 und 39 dienen, deren Länge so gewählt ist, daß die doppelte Signallaufzeit in diesen
Gliedern 38 und 39 größer als die Maximaldauer der Ablenkimpulse ist.
Jeder Abschlußwiderstand der Anpassungsglieder und 39 besteht aus einem Kondensator 40 und einem
Widerstand 41.
Der Widerstandswert jedes Abschlußwiderstands entspricht dem Wellenwiderstand der Koaxialkabel
bzw. 30.
Zwischen dem elektronenoptischen Verschluß 7 und dem Ablenksystem 13 ist eine Trennblende 42
angeordnet.
An der Außenseite des Leuchtschirmes 14 liegt eine fiberoptische Scheibe 43 .
Der gegenseitige Abstand L der Ebenen der Fotokathode 2 und des Leuchtschirmes 14, der Abstand 5,
der Beschleunigungselektrode 3 von der Fokussierelektrode 5, der Abstand S2 der Fokussierelektrode 5
κι von der Anodenblende 6 sowie die Längen /, und /,
der Zylinder der Beschleunigungselektrode 3 bzw. der Fokussierelektrode 5 sind mit dem Durchmesser der
Elektroden 3 und 5 durch folgende Beziehungen verknüpft:
L = C,d, 7,1 g C-, g 8,6
S, = Cd, 0,1 S t\ 5 0,14
S2 = C}d, 0,08 ^ C3 S 0,19
/, = C4</, 1,1 ^ C4 g 1,45
,() I2 = C5d, 0,57 g C5 ^ 0,77
Der so ausgeführte elektronenoptische Wandler funktioniert wie folgt.
Die auf die Fotokathode 2 einfallende Strahlung ruft die Emission der Fotoelektronen hervor, die
durch Einwirkung des im Raum zwischen der Fotokathode 2 und der Beschleunigungselektrode 3 wirksamen
elektrischen Feldes beschleunigt werden und mit Hilfe der durch die Beschleunigungselektrode 3,
die Fokussierelektrode 5 und die Anodenblende 6 ge-
v bildeten Elektronenlinse am Schirm 14 fokussiert werden.
Vom Leuchtschirm 14 wird das erzeugte Bild auf die in bezug auf den Wandler äußere Fläche der fiberoptischen
Scheibe 43 übertragen, von der es auf einem
Film oder mit Hilfe eines anderen Detektors registriert werden kann.
Beim Ausbleiben des von dem zu untersuchenden Vorgang hergeleiteten Signals an der Fotokathode 2
ist der Wandler infolge der an den Platten 8,9,10 und
11 des elektronenoptischen Verschlusses 7 liegenden Sperrspannung £, gesperrt.
Das Öffnendes Wandlers erfolgt durch Anlegen eines vom Verschlußimpulsgenerator 24 gelieferten
öffnungsspannungsimpulses an die Platten 8, 9, 10 und 11 des elektronenoptischen Verschlusses 7, wobei
das Fotoelektronenbündel in bezug auf die Öffnung der Verschlußblende 12 verschoben wird.
Am Leuchtschirm 14 erscheint das Bild in dem Zeitpunkt, in dem das Elektronenbündel in die Öffnung
der Verschlußblende 12 gerät. Der vom Verschlußimpulsgenerator 24 erzeugte Spannungsimpuls
passiert die Platten 8,9, iö und ί i des eiektronenoptischen
Verschlusses 7 und läuft weiter durch das Hochfrequenz-Anpassungsglied 25 bis zum Ab-
schlußwiderstand. Der von diesem Widerstand infolge der nichtidealen Anpassung in einem breiten
Frequenzbereich reflektierte Spannungsimpuls durchläuft das Hochfrequenz-Anpassungsglied 25 bis zu
den Platten 8, 9, 10 und 11 nach Ablauf der doppelten Durchlaufzeit der Spannungswelle im Anpassungsglied
25. Da die elektrische Länge des Anpassungsgliedes 25 der doppelten Signallaufzeit entspricht,
die größer als die maximale Dauer des Verschluß-Spannungsimpulses ist, kehrt das reflektierte
Signal zu den Platten 8, 9, 10 und 11 nach der Bildsperrung
im Wandler zurück und ruft keine Bildverzerrungen hervor, die zur Verminderung der Zeitauflösung
des elektronenoptischen Wandlers führen.
Die Bilderzeugung auf dem Leuchtschirm 14 erfolgt mit Hilfe der breitbandigen Koaxialkabel 29
und 30 des Ablenksystems 13, indem an diese Kabel
29 und 30 Spannungsimpulse vom Ablenkimpulsgenerator 37 angelegt werden. Dabei kann die Ablenkgeschwindigkeit
auf dem Schirm 14 mehrere Lichtgeschwindigkeiten betragen, was für eine sichere Registrierung
des Bildes mit einer Pikosekunden- und Subpikosekunden-Zeitauflösung erforderlich ist.
Nach dem Durchgang der breitbandigen Koaxialkabel 29 und 30 des Ablenksystems 13 durchlaufen
die Ablenkimpulse die Anpassungsglieder 38 und 39 mit den Abschlußwiderständen. Das an dem Abschlußwiderstand
infolge der unvollkommenen Anpassung der Leitungen 29 und 30 in einem breiten Frequenzbereich entstehende rcilektierte Ablenkimpulssignal
durchläuft die Anpassungsglieder 38 und 39 und gelangt nach Ablauf der doppelten Durchlaufzeit
in diesen Gliedern zu den Koaxialkabeln 29 und
30 des Ablenksystems_ 13, wo dieser reflektierte Impuls
eine sprunghafte Änderung der Ablenkgeschwin-
digkeit bewirkt.
Ist die elektrische Länge der Anpassungsglieder 38 und 39 so gewählt, daß die Signallaufzeit in diesen
Gliedern vom Ablenksystem 13 bis zum Abschlußwiderstand
und zurück größer als die maximale Dauer des Ablenkimpulses ist, so kehrt das reflektierte Signal
zum Ablenksystem 13 erst nach Beendigung des Ablenk vorganges auf dem Schirm 14 zurück und ruft
keine Beeinträchtigung der sicheren Registrierung hervor.
Die Elektronenbündel, die nach dem Durchgang des Ablenksystems 13 um einen Winkel ausgelenkt
werden, der größer als die erforderliche Ablenkung auf der ganzen Arbeitsfläche des Leuchtschirmes 14
ist, gelangen hinter das kegelförmige Element 16 der Elektronenfalle 15, die unter dem Potential der Anodenblende
6 liegt. Infolgedessen ergibt sich im Wandler keine Kontrastverminderung auf dem Leuchtschirm
14 unter Einwirkung von Elektronen, die von den Wänden des Vakuumkolbens 1 elastisch reflektiert
werden.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (1)
1. Elektronenoptischer Bildwandler zur Aufnahme schnellablaufender Vorgänge, in dessen
Vakuumkolben (1) eine Fotokathode (2), eine Beschleunigungselektrode (3) mit einem Netz (4),
eine Fokussierelektrode (5), eine Anodenblende (6), ein elektronenoptischer Verschluß (7) mit zwei
Paaren von Ablenkplatten (8, 9; 10,11) und einer dazwischenliegenden Blende (12), ein Ablenksystem
(13), eine Elektronenfalle (15) und ein Leuchtschirm (14) hintereinander angeordnet
sind, dadurch gekennzeichnet,daß
a) die Elektronenfalle (15) mit der Anodenblende (6) elektrisch verbunden ist,
b) die Beschleunigungselektrode (3) einen Hohlzylinder (17) enthält, in dem eine Halterung
(18) mit dem Netz (4) vorgesehen ist, das an der zur Fotokathode (2) hin gerichteten Stirnseite
der Halterung (18) liegt,
c) die Fokussierelektrode (5) als Hohlzylinder ausgebildet ist, dessen Durchmesser dem des
Hohlzylinders (17) der Beschleunigungselektrode (3) gleich ist,
d) der Abstand L der Fotokathode (2) vom Leuchtschirm (14), der Abstand S1 der Beschleunigungselektrode
(3) von der Fokussierelektrode (5), den Abstand S2 der Fokussierelektrode
(5) von der Anodenblende (6) blende (6) sowie die Längen /, und I2 der Zy-Beschleunigungselektrode
(3) bzw. der Fokussierelektrode (5) rait dem Durchmesser d der Fokussierelektrode (5) durch folgende
Beziehungen verknüpft sind:
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