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Elektronenvervielfacher Die Erfindung betrifft eine mit Sekundäremission
arbeitende elektrische Entladungsvorrichtung und hat insbesondere eine Vorrichtung
zum Gegenstand, bei der ein Anfangsstrom von Primärelektronen von Stufe zu Stufe
sich verstärkende Ströme von Sekundärelektronen steuert.
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Es sind bereits Sekundäremissionsröhren mit einer Anzahl von Elektroden
- Kathode, Anode undeine oder mehrerePrallelektrodenvorgeschlagen worden, bei denen
die von der Kathode ausgehenden Primärelektronen zu der zunächstliegenden Prallelektrode
und die dort gebildeten Sekundärelektronen zu einer anderen Prallelektrode mit höherem
Potential übergehen. Indem man den aufeinanderfolgenden Prallelektroden, von der
Kathode beginnend, der Reihe nach höhere Spannungen zuführt, erreicht man eine Verstärkung
der der Kathode zugeführten Steuerenergie auf eine Ausgangsleistung, die an der
am höchsten positiven Anode abgenommen werden kann.
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Die praktische Ausführung solcher Röhren war bisher durch Schwierigkeiten
beschränkt, die in der richtigen Trennung der Primär-und Sekundärelektronen lagen.
Es hat sich gezeigt, daß von der Kathode ausgehende Elektronen, welche die nächstliegende
Elektrode nicht erreichten oder aber über sie hinwegschossen, die Leistung der Vorrichtung
so verringerten, daß ihre Kennlinien als Verstärkerröhre den Kennlinien einer gewöhnlichen
Zweipol- oder Dreipolröhre nicht mehr überlegen waren. Es hat sich jedoch auch gezeigt,
daß man eine nahezu vollkommene Trennung zwischen Primär- und Sekundärelektronen
dadurch erreichen kann, daß man die Entladungsröhre in ein magnetisches Feld taucht
und ihre verschiedenen Elektroden konzentrisch zueinander und koaxial zu den Kraftlinien
?des magnetischen Feldes anordnet.
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Entladungsröhren dieser Art sind bereits bekannt, und zwar bestanden
bei den bekannten Röhren die zwischen Kathode und Anode angeordneten sekundäremissionsfähigen
Gitter aus einzelnen flachen Stäben, deren Flankenflächen in Richtung der Entladung,
d. h. im wesentlichen in radialer Richtung, eine gewisse Ausdehnung besaßen. Mit
Hilfe eines axial gerichteten Magnetfeldes war es infolgedessen leicht, die Primärelektronen
vollzählig auf diese Flankenflächen aufprallen zu lassen.
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Andererseits schlossen je zwei benachbarte Stäbe zwischen sich einen
abgeschirmten Raum ein, in den das Feld der nächstfolgenden positiven Elektrode,
zu der die von den
Primärelektronen an den Flankenflächen ausgelösten
Sekundärelektronen übergehen sollten, nur wenig eindringen konnte. Die für das Absaugen
der Sekundärelektronen zur Verfügung stehende Feldstärke war daher nur klein und
wurde gegebenenfalls noch weiter herabgesetzt durch Raumladungen, die sich zwischen
den benachbarten Stäben ausbildeten.
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Diese Nachteile beseitigt die Erfindung, gemäß der ein Elektronenvervielfacher
mit zylindrischen, koaxial ineinandergeschobenen Elektroden einer Primärkathode,
einer Anode und mindestens zwei zwischen diesen angeordneten Prallelektroden und
einem axial gerichteten Magnetfeld sich dadurch auszeichnet, daß die Prallelektroden
aus Maschenwerk bestehen und jeweils in einem solchen Abstand voneinander bzw. von
der Primärkathode angeordnet sind, daß die durch das Magnetfeld hervorgerufenen
Kreisbahnen der Elektronen die nächstfolgende Elektrode streifend berühren.
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In den Abbildungen ist die Erfindung näher erläutert: Abb. i ist ein
(Querschnitt durch eine Elektronenröhre mit senkrecht zur Projektionsebene liegender
Achse des Elektrodensystems.
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Abb. 2 ist ein Längsschnitt durch diese Röhre und die sie umgebende
Feldspule. Abb. 3 ist eine der Abb. 2 entsprechende Ansicht, die außerdem eine Einrichtung
zeigt, mittels welcher der Ausgang der Röhre durch die Steuerung des magnetischen
Flusses moduliert werden kann.
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Abb. q. zeigt schematisch die Konstruktion und Schaltung eines Elektronen-Verv
ielfachers, wenn die Kathode außerhalb der anderen Elektroden angeordnet ist.
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Abb.5 zeigt die Steuerung der Röhre durch einen Lichtstrahl.
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Abb. 6 veranschaulicht eine andere Arbeitsweise, bei der der Lichtstrahl
auf eine zentral angeordnete Kathode auftrifft.
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Abb.7 zeigt graphisch die Abhängigkeit des Ausgangsstromes von der
Feldstärke H. In Abb. i und 2 ist i ein entlüfteter Kolben und 3 die in dessen Achse
liegende Kathode. Die Beheizung dieser Kathode erfolgt durch eine Leitung 5, die
durch die Spitze der Röhre hindurch zum negativen Pol der Batterie 7 führt, während
die andere Klemme der Kathode durch eine Leitung g mit dem positiven Pol der Batterie
verbunden ist. Die Kathode umschließt mehrere zylindrische Elektroden 11, 13 und
15. Jede Elektrode ist des weiteren mit einem Zwischenpunkt oder mit der äußersten
positiven Klemme der Batterieabschnitte 17 verbunden; der Anschluß der Anode 15
erfolgt jedoch zweckmäßig über einen Widerstand ig. Diese Röhre i ist zweckmäßig
innerhalb einer Feldspule 21 angeordnet, deren Erregungsleistung von einer Gleichstromquelle
23 geliefert wird.
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Bei der Ausführungsforrn gemäß Abb. i und 2 wird zweckmäßig die Eingangsenergie
über einen Transformator 27 zugeführt. Die Sekundärwicklung dieses Transformators
liegt zwischen der Elektrode i i und dem positiven Pol desjenigen Batterieabschnittes
17, dessen negativer Pol mit der positiven Heizdrahtleitung 9 verbunden ist. Auf
diese Weise kann der Potentialunterschied zwischen der Kathode und der Elektrode
i i durch :Modulation verändert werden. Die anfängliche Stärke des Primärelektronenstromes
kann so in aufeinanderfolgenden Stufen, in denen Sekundäremission erzeugt wird,
verstärkt werden.
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Wie oben erwähnt, beschreiben die Elektronen einer in einem magnetischen
Feld liegenden Entladungsröhre gekrümmte Bahnen, wie sie durch die Pfeile 29 in
Abb. i angedeutet sind.
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Bei richtiger Einstellung der Feldstärke; der Potentialunterschiede
zwischen den Elektroden und der Länge der Elektronenbahnen von Elektrode zu Elektrode
ist es möglich, die Elektronenerzeugung von Elektrode zu Elektrode stark zu vervielfachen.
Die von einer solchen Elektronenvervielfachung gewonnene Energie wird zur Erzeugung
eines Spanungsabfalles an den Widerstand 1g benutzt. Wenn dann die in der Sekundärwicklung
des Transformators 27 induzierte Eingangsenergie für irgendeinen Zweck veränderlich
gemacht wird, können gleiche Veränderungen im Ausgangskreis als gegenphasige Ladungen
zwei Kondensatoren 31 aufgedrückt und dann in irgendeiner Weise nutzbar gemacht
werden.
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Abb.3 zeigt die Steuerung einer solchen Röhre durch Änderung der Feldstärke.
Die Feldspule 21 wird durch die Quelle 23 über einen Schiebewiderstand 25 und die
Sekundärspule 33 eines Transformators 35 erregt. Die Eingangsenergie wird der Primärspule
dieses Transformators 35 zugeführt, so daß in der Spule 21 Spannungsänderungen erzeugt
werden und dadurch die Feldstärke verändert wird. Die Arbeitsweise der Röhre selbst
ist dieselbe wie in Abb. i und 2.
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Bei der Ausführungsform gemäß Abb..I wird das am meisten negative
Potential der äußersten Elektrode 37 zugeführt, wodurch diese zur Kathode wird.
In diesem Falle ist die Kathode zweckmäßig ein Drahtnetz, das durch Sensibilisierung
photoelektrisch gemacht ist. Die anderen Elektroden liegen mit zunehmenden Spannungen
konzentrisch innerhalb der Kathode, so daß die- innerste
Elektrode
39 die Anode ist und das höchste Potential hat, wie man auch aus den Verbindungen
zu der Batterie 4a erkennt. Der Ausgangskreis enthält ebenso wie in Abb.2 einen
Widerstand ig und Kondensatoren 3i.
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Die Steuerung dieser Röhre gemäß Abb. q. kann nach den Schaltungen
gemäß Abb.5 oder 6 erfolgen. In Abb. 5 trifft ein Lichtstrahl durch den Zwischenraum
zwischen den beiden Spulen 21 und Zia auf die Kathode auf. Diese Spulen müssen jedoch
so nahe beisammen angeordnet werden, daß die Kraftlinien innerhalb der Röhre i so
gerade wie möglich und koaxial zu der Achse der Elektroden verlaufen.
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Wenn die Röhre i als Photozelle arbeiten soll, wird sie zweckmäßig
so angeordnet, daß ein Lichtstrahl auf die innen oder außen liegende Kathode der
Röhre i unter dem in Abb. 6 dargestellten Winkel auftrifft. Auf diese Weise wird
die Kathode nicht gegen den Lichtstrahl durch die undurchsichtige Feldspule 2i abgeschirmt.
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Abb.7 läßt erkennen, wie der Ausgangsstrom I sich mit Änderungen der
Feldstärke H ändert. Wenn die Feldstärke von Null auf einen gewissen Wert zunimmt,
nimmt der Krümmungsradius der Elektronen zu derselben Zeit allmählich ab, bis die
Elektronen die innere Oberfläche der zylindrischen Elektroden gerade streifen, wie
in Abb. i gezeigt, bzw. bei außenliegender Kathode die äußere Oberfläche der Elektroden
streifen, wie in Abb. q. gezeigt. Eine weitere Zunahme der Feldstärke bewirkt dann
eine solche Verkürzung des Krümmungshalbmessers der Elektronenbahn, daß die Elektronen
nicht auf die Elektrodenflächen auftreffen, wie sie es sollten. Daher nimmt der
Verstärkungsfaktor ab, wie der rechte abfallende Teil der Kurve 43 anzeigt.
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Für ein zufriedenstellendes Arbeiten der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist es wesentlich, daß die Abstände zwischen den. Elektroden genau eingestellt werden,
damit für eine gegebene Feldstärke die Elektronenbahnen in der einen Stufe eine
maximale sekundäre Emission in einer darauffolgenden Stufe erzeugen. Wenn diese
Elektroden in einem Fall nahe beieinander sind als in einem anderen Fall, erhält
man unbefriedigende Resultate, da die magnetische Felddichte, wenn sie in einem
Teil des Feldes verändert wird, entsprechend auch in einem anderen Teil des Feldes
verändert werden muß. Ferner ist es erwünscht, daß die Maschen der zylindrischen
Elektroden hinreichend weit sind, so daß beim Auftreffen von Primärelektronen auf
die eine Seite derselben die Sekundärelektronen durch das Maschenwerk hindurch nach
einer Elektrode mit höherem Potential gezogen werden können.