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Zweiseitiger Kathodenstrahlbildabtaster mit photoelektrischem Mosaikschirm
Die Erfindung bezieht sich auf zweiseitige Kathodenstrahlbildabtaster mit einem
photoelektrischen Mosaikschirm. Darunter wird im folgenden ein speichernder Kathodenstrahlbildabtaster
verstanden, dessen Mosaikelemente auf der einen Seite photoelektrisch empfindlich
sind und infolgedessen bei Projektion des fernzuübertragenden Bildes auf dieser
Mosaikschirmseite Photoelektronen emittieren und somit positive Potentiale annehmen,
welche von der Helligkeit des betreffenden Bildelementes abhängig sind. Die andere
Seite der Mosaikelemente wird von dem abtastenden Kathodenstrahl getroffen. .
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Um den Inhalt der Erfindung erläutern zu können, sollen zunächst an
Hand der in Abb. i dargestellten Versuchsschaltung und dem Diagramm der Abb.2 die
Grundtatsachen der Sekundärelektronenemission zusammengefaßt werden.
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In der Kathodenstrahlröhre nach Abb. i, welche mit einem Kathodenstrahlbildabtaster
nichts zu tun hat, bedeutet io eine _Kathode, ii eine Anode und 12 eine Metallplatte.
Die Anodenspannung der Röhre wird durch eine Batterie V geliefert, und das Potential
der Platte 12 gegenüber der Anode ii wird durch die Batterie U bestimmt, deren Spannung
und Polarität im folgenden verändert werden wird. In der Zuleitung zur Kathode io,
zur Anode ii und zur Platte 12 liegt je ein Strommeßgerät Ibis III. Wenn man die
Emission der Kathode io und die Spannung V konstant hält, ferner voraussetzt, daß
der gesamte Kathodenstrom durch die Öffnung der Anode ii hindurchgehen soll, so
kann man die Sekundärelektronenemission der Platte 12 in Abhängigkeit von der Spannung
U untersuchen. Das Ergebnis dieser Untersuchung ist in der Abb. 2 dargestellt, in
welcher als Abszisse die Spannung U aufgetragen ist, wobei als positiver Wert von
U die in Abb. i eingezeichnete Polarität gelten möge. Die Ordinate ist der Strom
i in den Meßgeräten I bis III. Bei negativen Werten von U existiert lediglich ein
Elektronenstrom des mit A bezeichneten Verlaufs. Die Pfeilrichtung der geschlossenen
Kurve A ist gleich der Elektronenflugrichtung. Die Elektronen gehen von der Kathode
io aus, passieren voraussetzungsgemäß alle die Öffnung der Anode ii, landen auf
der Platte i2 und fließen über das Instrument III sowie über die beiden in Reihe
geschalteten Spannungsquellen U und V und schließlich über das Instrument I zur
Kathode io zurück,. Die Stärke dieses Stromes ist durch die Höhe der Spannung V
sowie außerdem durch die Kathodentemperatur bestimmt, ist jedoch von der Größe der
Spannung U nahezu unabhängig, solange U negativ ist. Man kann daher in Abb. 2 links
von der Ordinatenachse diesen Strom, der im Instrument I gemessen werden kann und
mit i. (Primärstrom) bezeichnet
werden möge, einzeichnen. Wenn
die Spannung U jedoch positiv wird und einen nicht zu kleinen -Wert besitzt (beispielsweise
größer ist als 15 V) und auch nicht größer wird als V, werden die Sekundärelektronen,
welche der Primärstrahl auf der Platte 12 frei macht, der gleichzeitig als Sekündäremissionsanode
dienenden Anode ii zufliegen und über das Instrument II, die Batterie U sowie das
Instrument III zur Platte 12 zurückkehren. Die Sekundärelektronen verlaufen also
in der mit B bezeichneten Strombahn, deren Pfeilrichtung ebenfalls mit der Elektronenflugrichtung
übereinstimmt. Wenn jedes Primärelektron des Kathodenstrahles zwei oder mehr Sekundärelektronen
erzeugt, ist die Stromrichtung im Instrument III,, welches ja die Differenz ii zwischen
dem Sekundärelektronenstrom i, und dem Primärstrom i., mißt, umgekehrt wie in dem
oben besprochenen Fall, bei welchem lediglich der Primärstrom i. auftritt. Im Instrument
Il kann der Sekundärelektronenstrom alleingemessen werden und im Instrument I auch
unter diesen Umständen der Primärelektronenstrom allein.. Die Ströme i, und i@t
sind unter der Voraussetzung, daß die Spannung U größer als etwa 15 V ist, jedoch
kleiner als die Spannung V, vom Werte U ebenfalls unabhängig, da dann sämtliche
auf der Platte 12 entstehenden Sekundärelektronen sofort abgeführt werden. Man kann
unter diesen Verhältnissen von einem Sekundäremissionssättigungsstrom sprechen.
In der Abb. 2 ist dieser Strom demgemäß über der positiven U-Achse ebenfalls als
horizontale Linie eingezeichnet. In dem Übergangsgebiet zwischen den beiden erwähnten
horizontalen Kurvenästen verläuft der in den Instrumenten II und III meßbare Strom
etwa in der punktiert dargestellten Weise. Das Zustandekommen des punktierten Kurventeiles
ist als das Auftreten von Sekündärelektronenraumladung zu verstehen. Diese hat man
sich ähnlich vorzustellen wie die Elektronenraumladung vor der Kathode einer gewöhnlichen
Glühkathodengleichrichterröhre, welche im sogenannten Langmuirschen Raumladungsgebiet,
d. h. im Gebiete geringer Anodenspannungen, vor der Kathode ja auch nicht mit dem
bei hohen Anodenspannungen auftretenden Sättigungsstrom arbeitet, sondern mit einem
von der Anodenspannung, der hier die Spannung U entspricht, abhängigen Strom: Für
die ganze in Abb. 2 dargestellte Kurve gilt, daß die je Primärelektron erzeugte
Anzahl von Sekundärelektronen 2 öder größer als 2 ist, d. h. es gilt ein Sekundäremissionsfaktor
von 2 oder mehr. (Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, daß eine Kurve vom
Charakter der besprochenen natürlich auch zu beobachten sein wird, wenn nur überhaupt
mehr Sekundärelektronen auf der Platte i2 entstehen als Primärelektronen auf .dieselbe
auftreffen, d. h. wenn beispielsweise nur jedes zweite Primärelektron zwei Sekundärelektronen
erzeugt, die anderen Primärelektronen jedoch nur je eines. Bei der Sekundärelektronenerzeugung
' handelt es sich ja stets um einen statistischen Effekt, so daß also auch Sekundäremissiönsfaktoren
von 1,5, d. h. Faktoren, die nur durch eine gebrochene Zähl auszudrücken sind, auftreten
können. Es ist also richtiger, bei der Kurve nach Abb. 2 von einem Sekundäremissionsfaktör,
der größer als i ist, zu sprechen.) Ein der gesamten erzeugten Sekundärelektronenmenge
entsprechender Strom i,r tritt jedoch nur auf, wenn die Spannung U groß genug ist,
um alle Sekundärelektronen sofort abzuführen (rechter waagerechter Ast der Kurve
in Abb. 2). Ist die Spannung U zwar von der richtigen Polarität, aber nicht von
ausreichender Größe (entsprechend dem obenerwähnten Beispiel eines Glühkäthodengleichrichters
mit geringer Anodenspannung), so bildet sich vor der Platte i2 eine Sekundärelektronenraumladung
aus, und der tatsächlich zu messende Sekundäremissionsstrom i,, ist kleiner als
der Sekundäremissionssättigungsstrom. Man kann ihn daher als Sekundäremissionsraumladungsstrom
bezeichnen (punktierter Kurventeil). Hat die Spannung U die umgekehrte Polarität
wie in Abb.-i eingezeichnet, so erzeugt zwar jedes Primärelektron ebenfalls seine
Sekundärelektronen; diese können jedoch wegen des positiven Potentials der Platte
12 gegenüber der Elektrqde ii diese letztere Elektrode überhaupt nicht erreichen,:
und im Instrument II tritt kein Strom auf (linker waagerechter Kurvenast). An demjenigen
Punkte P; an welchem der punktiert gezeichnete Kurvenast die Abszissenachse schneidet,
ist die tatsächlich im Kreise B fließende Sekündärelektronenmenge ebenso groß wie
der Primärelektronenstrom; welcher im Kreise A zirkuliert. Der Wert ii ist also
gleich Null, und das Instrument III ist stromlos. Wenn man die Spannung U auf den
Wert U einregelt, zeigen also die Instrumente I und II gleich große und entgegengesetzt
gerichtete Werte an, während das Instrument III den Wert Null anzeigt.
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Dieser Betriebszustand ist derjenige, auf-welchen sich in einem Kathodenstrahlbildabtaster
mit einseitigem oder zweiseitigem Mosaikschirm die Mosaikelemente unter der Wirkung
des Abtasterstrahles einstellen. 'Wenn nämlich das Potential eines Mosaikelementes,
welches ja bekanntlich von. den anderen Mosaikelementen und von der sogenannten
Signalplatte (bzw. der entsprechenden netzförmigen, allen Elementarkondensatoren
gemeinsamen Belegung) isoliert ist, vor dem Auftreffen des .Kathodenstrahles näher
am Potential der Anode ii liegt als der Punkt P; so bedeutet das, daß der tatsächlich
auftretende Sekundäremissionsstrom kleiner ist als bei der Spannung U., und es gelangen
daher
mehr Primärelektronen auf das Mosaikelement, als es selbst
Sekundärelektronen abgibt. Das Potential des Mosaikelementes muß also sinken, und
die Spannung zwischen ihm und der Elektrode =i muß sich auf den Wert U, vergrößern,
bei welchem der Sekundärelektronenstrom ebenso groß ist wie der Primärstrom und
das Mosaikelementenpotential infolgedessen in Ruhe bleiben muß. Wenn das Potential
des Mosaikelementes jedoch weiter vom Potential der Anode =i entfernt ist, als der
Spannung U, entspricht, ist der Sekundärelektronenstrom größer als der Primärstrom,
und das Mosaikelementenpotential wandert daher in positiver Richtung, d. h. es vermindert
sich die Spannungsdifferenz zwischen dem Element und der Elektrode =i, bis der Wert
U, erreicht ist, wo der Sekundärelektronenstrom wieder gleich dem Primärelektronenstrom
wird. Unter diesen Wert hinunter kann sich die Spannungsdifferenz nicht mehr vermindern,
so daß also in jedem Falle die Spannung U, dem Ruhepotential der Mosaikelemente
entspricht und dabei, was mit Rücksicht auf das Nachfolgende festgehalten werden
soll, als ein im Sekundäremissionsraumladungsgebiet liegendes Ruhepotential zu bezeichnen
ist. -Bei Kathodenstrahlbildabtastern der bisher bekannten Art hat man durchweg
auf dem Schnittpunkt P, d. h. mit dem Sekundäremissionsgleichgewicht im Raumladungsgebiet
gearbeitet. Eine gewisse Grenze für die Leistungsfähigkeit dieser Kathodenstrahlbildabtaster
ist aber nun durch den Innenwiderstand der Sekundäremissionsstrecke gegeben, d.
h. durch die Kotangens der punktiert gezeichneten Kurve im Punkte P. Diese Kotangens
ist ja gleich dem Differentialquotienten dU/di,s, d. h. sie hat die Dimension eines
Widerstandes. Verläuft die punktiert gezeichnete Kurve im Punkt P steil, so ist
der erwähnte Differentialquotient und somit der Innenwiderstand der Sekundäremissionsstrecke
klein, verläuft sie flach, so liegt ein großer Innenwiderstand vor: Auf den Innenwiderstand
kommt es beim speichernden Kathodenstrahlbildabtaster insofern an, als die Abweichung
vom Ruhepotential ja durch die Intensität des erzeugten Ladungsbildes gegeben ist
und die Sekundärelektronenmenge, welche bis zur Erreichung des Ruhepotentials überhaupt
auftritt, bei einer vorgegebenen Abweichung vom Ruhepotential um so größer ist,
je steiler die punktiert gezeichnete Kurve im Schnittpunkt P ist. , Gemäß der Erfindung
wird nun ein anderer Weg vorgeschlagen, um zu einem Ruhepotential der Mosaikelemente
zu gelangen, und zwar soll die Abhängigkeit des Sekundäremissionsfaktors von der
Spannung, die den Abtaststrahl beschleunigt, benutzt werden. Für die Abhängigkeit
des Sekundäremissionsfaktors SEF von der Spannung des Abtaststrahles, d, h. von
der Spannung V in der Versuchsschaltung gemäß Abb. i, besteht der in Abb. 3 veranschaulichte
Zusammenhang. Der Sekundäremissionsfaktor ist bei kleineren Anodenspannungen im
Abtaststrahlrohr als V1 kleiner als i, erhebt sich dann über den Wert i und ist
bei größeren Anodenspannungen als Wert V2 wieder kleiner als i. Wenn man nun, wie
es gemäß der Erfindung vorgeschlagen wird, in einem Kathödenstrahlbildabtaster den
Abtaststrahl mit einer größeren Anodenspännung als dem Werte V, beschleunigt, werden
auf dem Mosaikelement weniger Sekundärelektronen erzeugt, als Primärelektronen auf
das Element auftreffen. Das Mosaikelement nimmt also ein negatives Potential an,
so daß die Primärelektronen, welche auf dieses Element zufliegen, eine gewisse Abbremsung
erfahren. Die tatsächliche Geschwindigkeit, mit welcher die Primärelektronen das
Mosaikelement erreichen, ist somit kleiner, als es der Anodenspannung, welche den
Abtaststrahl beschleunigt hat, entspricht. Die Kurve in Abb. 3 läßt erkennen, daß
das Ruhepotential der Elemente unter diesen Umständen dem Werte V2 entsprechen muß.
Bei diesem Werte wird nämlich der Sekundäremissionsfaktor gleich i, und das Potential
des Mosaikelementes kann sich dann nicht mehr weiter ändern.
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Durch die Photoemission der Mosaikelemente wird das Elementenpotential
in positiver Richtung verschoben, d. h. sich dem Potential der letzten von dem Abtaststrahl
durchsetzten Anode annähern. Die Sekundäremission, welche der Kathodenstrahl dann
auslöst, ist kleiner als der auf das Element auffallende Primärstrom, und das Elementenpotential
wandert daher auf den Wert V2 zurück, bei welchem der Primärstrom und der Sekundärelektronenstrom
sich das Gleichgewicht halten.
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Diese gemäß der Erfindung vorgeschlagene Arbeitsweise, welche durch
entsprechende Bemessung der Anodenspannung des Abtaststrahlrohres herbeigeführt
wird, ergibt eine neue Möglichkeit, Kathodenstrahlbildabtaster zu betreiben, ohne
von dem Verlauf der in Abb. 2 dargestellten, durch die Raumladungsverhältnisse vor
dem Mosaikschirm bestimmten Kurve abhängig zu sein. Durch die Erfindung ist somit
ein neuer Weg gewiesen, um den Innenwiderstand der Sekundäremissionsstrecke zu verkleinern.
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Es soll noch darauf hingewiesen werden, daß bei der Spannung V1, bei
welcher die Kurve in Abb.3 die waagerechte punktiert gezeichnete Gerade, welche
dem Sekundäremissionsfaktor i entspricht, ebenfalls schneidet, nicht gearbeitet
werden kann. Das positive Potential, welches die Mosaikelemente durch die Photoemission
annehmen, würde nämlich eine Vergrößerung des Sekundäremissionsfaktors gegenüber
dem Werte i bedingen, und es würde infolgedessen
keine Zurückführung
der Elementenpötentiale auf den Wert V" stattfinden können.
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Um die durch die Erfindung ermöglichte Verkleinerung des Innenwiderstandes
der Sekundäremissionsstrecke in möglichst hohem Maße zu erreichen, soll der Sekundäremissionsfaktor
der Mosaikelemente sich bei der dem Ruhepotential entsprechenden Spannung V2 um
o,ooo2 oder mehr je Volt ändern. Es empfiehlt sich ferner, die Kapazität zweier
Mosaikelemente gegeneinander geringer zu halten als die Kapazität zwischen einem
der Elemente und der allen Elementen gemeinsamen Gegenelektrode, und schließlich
kann man auch, um den Innenwiderstand der Sekundäremissionsstrecke noch weiter herabzusetzen,
die Sekundäremissionsanode getrennt von der Anode des Abtaststrahlrohres anordnen
und näher an dem Mosaikschirm anbringen als diese Anode.