DE736536C

DE736536C - Arrangement to reduce or eliminate the influence of operating voltage fluctuations on the gain factor in secondary electron multipliers

Info

Publication number: DE736536C
Application number: DES130995D
Authority: DE
Inventors: Dr Herbert Schnitger
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1938-02-24
Filing date: 1938-02-25
Publication date: 1943-06-21

Description

Anordnung zur- Verminderung oder Beseitigung des Einflusses von Betriebsspannungsschwankungen auf den Verstärkungsfaktor bei Sekundärelektronenvervielfachern Bei Verstärkern, die von dem Prinzip der Elektronenvervielfachung durch Sekundärernission Gebrauch machen und bei welchen die Elektronenbahnen durch elektrische und magnetische oder sowohl elektrische als auch magnetische Felder bestimmt werden, hat der Verstärkungsfaktor in Abhängigkeit von der Elektrodenspannung und dem gegebenenfalls vorhandenen Magnetfeld etwa den in Fig. r dargestellten Verlauf. Man wählt die Elektrodenspannung oder die Betriebsspannung des Magnetfeldes so, daß das Maximum des Verstärkungsfaktors ;erzielt wird. Es zeigt sich, dag bei Abweichungen dieser Größen von ihrem Normalwert ein sehr starker Abfall des Verstärkungsfaktors eintritt. Man ist deshalb gezwungen, besondere Mittel zur Konstanthaltung der Elektrodenspannung und auch zur Konstanthaltun.g der Betriebsspannung des Magnetfeldes anzuwenden. Die Erfindung befaßt sich mit der Aufgabe, diese Spannungsabhüngigkeit zu vermindern und den Verstärker so weit spannungsunabhängig zu machen, daß er mit Spannungen betrieben werden kann, die betriebsmäßig in einem Bcreich von - z bis + 5 0;o schwanken, wie dies in normalen Energieverteilungsnetzen der Fall ist.Arrangement for reducing or eliminating the influence of operating voltage fluctuations on the amplification factor for secondary electron multipliers For amplifiers, which use the principle of electron multiplication through secondary emission make and in which the electron orbits by electrical and magnetic or Both electric and magnetic fields are determined, the gain factor has depending on the electrode voltage and the possibly existing magnetic field about the course shown in Fig. r. One chooses the electrode voltage or the operating voltage of the magnetic field so that the maximum of the gain factor ; is achieved. It turns out that if these values deviate from their normal value a very strong decrease in the gain factor occurs. One is therefore forced special means for keeping the electrode voltage constant and also for keeping the electrode constant the operating voltage of the magnetic field. The invention is concerned with the task of reducing this voltage dependence and the amplifier so far to make voltage independent that it can be operated with voltages that operationally fluctuate in a range from -z to + 50; o, as in normal Power distribution networks is the case.

Eine Anordnung zur Verminderung oder Beseitigung des Einflusses von Betri:ebsspannungsschwankungen .auf den Verstärkungsfaktor von Sekundärelektronenvervielfachern besteht gemäß der Erfindung darin, daß zwei je aus einer Einzelstufe oder mehreren Einzelstufen bestehende Vervielfacherteile in Rcilie oder parallel geschaltet sind und daß der eine Vervielfacherteil im ansteigenden, der andere im abfallenden Zweig der die Abhän= gigkeit des Verstärkungsfaktors von der Elektrod:eiispannung oder dem Magnetfeld darstel-1°ndcn Kurve arbeitet. Das bedeutet, daß man den einen Verstärkerteil in dein in Fig. i finit i bezeichneten Teil der Kurve 2, welche ;die Abhängigkeit des Verstärkungsfaktors von der Elektrodenspannung darstellt, arbeiten läßt, während der andere @'erstiirizerteil in dein mit 3 bezeichneten Teil der Kurve arbeitet. Auf diese Weise läßt sich erreichen, daß die Abnahme des Verstärkungsfaktors in dem einen Teil. durch die Zunahme des Verstärkungsfaktors im anderen Teil ausgeglichen irird. Es ist aber leicht einzusehen, daß die Kurve 2 hier die Abhängigkeit des Verstärkungsfaktors der beiden Vervielfacherteile darstellen soll. Wenn diese Systeme nicht völlig gleich sind, so muf ' man die Verschiedenheit der beiden Kurven berücksichtigen und dafür sorgen, daP, der eine Vervi,elfacherteil links vom Maximum, der andere Vervielfacherteil rechts vom Maximum der zugehörig:n Kurve arbeitet. Da die Abhängigkeit des Verstärkungsfaktors van der Spannung oder dein Magnetfeld darauf zurückzuführen ist, daß sich das mehr oder weniger ideale elektronenoptische Bild einer Elektrode auf der folgenden Elektrode derart verschiebt, daß diese zweite Elektrode bei Abweichungen der Betriebsspannungen von ihrem Sollwert nicht voll mit Elektronen beaufschlagt wird, so kann man zunächst in den ersten Stufen des Vervielfachers die Abhängigkeit des Vervielfachungsfaktors von Spannungsschwankungen dadurch vermindern, daß man durch geeignete Bemessung der Elektroden in den ersten Stufen des Vervielfachers dafür sor(Yt, daß die Elektroden dieser Stufen nur in ihrem mittleren Teil beaufschlagt -werden, so daß bei Änderungen der Betriebsspannungen das elektronenoptische Bild nicht außerhalb des Bereiches dieser Elektroden fällt. In den folgenden Stufen, in welchen die elektronenoptische Abbildung der Elektroden der Vorstufen sich schon so weit verbreitert hat, daß der erstgenannte Weg zu einer unbequemen Vergrößerung der Elektroden führen würde, kann man von der Anordnung nach der Erfindung Gebrauch machen.An order to reduce or eliminate the influence of Operating voltage fluctuations on the gain factor of secondary electron multipliers consists according to the invention in that two each from a single stage or several individual stages existing multiplier parts in straight line or in parallel are switched and that the one multiplier part in the rising, the other in the falling branch of the dependence of the gain factor on the electrode: egg voltage or the magnetic field represents 1 ° ndcn curve works. That means that you get the one Amplifier part in the part of curve 2 denoted finit i in FIG Dependence of the amplification factor on the electrode voltage, work leaves, while the other @ 'stimulates your part of the curve marked with 3 is working. In this way it can be achieved that the decrease in the gain factor in one part. compensated by the increase in the gain factor in the other part irird. But it is easy to see that curve 2 is the dependence of the Is to represent the gain factor of the two multiplier parts. If these systems are not exactly the same, one must take into account the difference between the two curves and ensure that daP, one vervi, elevenfold part to the left of the maximum, the other Multiplier part to the right of the maximum of the associated: n curve is working. Because the dependency the amplification factor of the voltage or your magnetic field due to it is that the more or less ideal electron-optical image of an electrode shifts on the following electrode in such a way that this second electrode in the event of deviations the operating voltages are not fully charged with electrons from their nominal value becomes, then one can first of all find the dependency in the first stages of the multiplier the multiplication factor of voltage fluctuations by reducing by properly dimensioning the electrodes in the first stages of the multiplier ensure that the electrodes of these steps are only applied in their central part -be, so that when the operating voltage changes, the electron-optical image does not fall outside the range of these electrodes. In the following stages, in which the electron-optical imaging of the electrodes of the preliminary stages is already has widened so far that the former way leads to an inconvenient enlargement of the electrodes, one can use the arrangement according to the invention do.

Ein Ausführungsbeispiel dieser-Art ist schematisch in Fig.2 dargestellt. Mit i ist die Eingangselektrode bezeichnet, die beispielsweise photoelektrisch erregt wird. Diese Elektrode wird in bekannter Weise auf der Elekti-octL#2 abgebildet und die hier ausgelösten Sekundqi-ele:ctronen der Elektrode 3 zugeleitet. DiElektroden 2 und 3 sind so bemessen, daß keine wesentliche Veränderung ihrer Beaufschlagung durch Spannungs- oder Feldänderung entstehen kann. Die Elektrode ist nun derart gegenüber dem elektronenoptischen Bild 3' des sekundäremittierenden Teils der Elektrode 3 gelegt, daß die Elektrode 4. nicht voll beaufschlagt wird und daf.) bei Zunahme der Elektrodenspannungen die Beaufschlagung steigt. Der beaufschlagte Teil der Elektrode 4., der mit 3" bezeichnet ist, wird nun auf den Elektroden 5 und 6 und schließlich auch auf der Elektrode 7 nochmals abgebildet. Die Elektrode 7 ist nun derart angeordnet. daß das elektronenoptische Bild 6' des emittierenden Teils der Elektrode 6 auf3.erhalb der Elektrode 7 liegt, und zwar derart, daß die Beaufschlagung dieser Elektrode kleiner wird, wenn die Elektrodenspannung ansteigt oder das Magnetfeld schwächer wird. 8 ist die Endelektrode, vor der eine Gitterelektrode als Schirm angeordnet sein kann und welche die an der Elektrode 7 ausgelösten Elektronen auffängt. Treten bei der in Fib. 2 dargestellten Einrichtung Spannungs- oder Feldänderungen auf, so ändert sich die Beaufschlagung der Elektroden .1 und ,- im entgegengesetzten Sinne, so daß,auf diese Weise eine Kompensation des Einflusses dieser Änderungen auf den Verstärkungsfaktor der Vervielfacheranordnung zustande kommt.An embodiment of this kind is shown schematically in FIG. The input electrode is designated by i, which is photoelectrically excited, for example will. This electrode is shown in a known manner on the Elekti-octL # 2 and the here triggered secondary ele: ctrons are fed to the electrode 3. The electrodes 2 and 3 are dimensioned so that no significant change in their exposure can arise from voltage or field changes. The electrode is now like this compared to the electron-optical image 3 'of the secondary emitting part of the electrode 3 placed so that the electrode 4. is not fully applied and therefor.) When increasing of the electrode voltages the application increases. The exposed part of the electrode 4., which is labeled 3 ", is now on electrodes 5 and 6 and finally also shown again on the electrode 7. The electrode 7 is now arranged in this way. that the electron-optical image 6 'of the emitting part of the electrode 6 on 3. outside the electrode 7 is in such a way that the application of this electrode becomes smaller when the electrode voltage increases or the magnetic field becomes weaker will. 8 is the end electrode, in front of which a grid electrode is arranged as a screen can be and which catches the electrons released at the electrode 7. Step in the case of Fib. 2 device shows voltage or field changes, so changes the application of the electrodes .1 and, - in the opposite Sense, so that, in this way, a compensation for the influence of these changes comes about on the gain factor of the multiplier arrangement.

Bei der Einrichtung nach Fig.2 ist angenommen-, daß die elektronenoptischen Bilder der Zone 3" bei Spannungsänderungen nicht außerhalb des Bereiches der Elektrode 5 und 6 liegen. Man kann aber auch die Elektroden so anordnen, daß, ähnlich wie bei der Elektrode 7, schon dort ein Verlust an Elektronen auftritt, -wenn die Elektrodenspannung ansteigt oder das Magnetfeld schwächer wird. Im letzteren Falle kann man mehrere Elektroden, bei welchen sich die Beaufschlagung im gleichen Sinne ändert, gemeinsam betrachten und die durch diese Elektroden entstehende Veränderung des Vervielfachungsfaktors in Abhängigkeit von der Spannung oder vom Magnetfeld durch eine oder mehrere Elektroden aufheben, bei -welchen sich die Beaufschlagung im entgegengesetzten Sinne ändert. So kann man beispielsweise auch die Elektroden 2 und 3 so anordnen, daß sich die Beaufschlagung ähnlich ändert wie bei der Elektrode q..In the device according to Fig.2 it is assumed that the electron-optical Images of zone 3 "in the event of voltage changes not outside the area of the electrode 5 and 6 lie. But you can also arrange the electrodes so that, similar to at the electrode 7, there is already a loss of electrons there, if the electrode voltage increases or the magnetic field becomes weaker. In the latter case you can have several Electrodes in which the application changes in the same sense, together consider and the change in the multiplication factor caused by these electrodes depending on the voltage or the magnetic field through one or more electrodes cancel, at which the admission changes in the opposite sense. For example, you can also arrange the electrodes 2 and 3 so that the Application changes similarly to the electrode q ..

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 -wird die Beaufschlagung der Elektrode ; mit steigender Spannung kleiner, -während die Beaufschlagung der Elektrode 4. zunimmt. Man kann auch in umgekehrter Weise vorgehen.In the embodiment according to FIG. 2, the application of the Electrode; with increasing voltage smaller, -during the application of the electrode 4. increases. You can also proceed in reverse.

Es ist auch möglich, die Verhältnisse so zti treffen, daß sich das elektronenoptische Bild der. Vorelektroden bei Änderung der Spannung oder des Feldes derart verschiebt, daß das Maximum der Beaufschlagung allmählich die eine Elektrode verläßt und die folgende Elektrode höherer Spannung trifft. Der Elektronenverlust, der dadurch entsteht, daß eine Verstärkerstufe ausfällt, wird zum Teil dadurch ausgeglichen, daß der Vervielfachungsfaktor der folgenden Stufe unter dem Einfluß der Spannungserhöhung steigt. Die hier vorliegenden Verhältnisse sind an Hand der Fig. 3 leicht zu übersehen. Die Zone g stellt das .elektronenoptische Abbild der Vorelektroden dar. Es liegt derart, daß z. T. die Elektrode i o, z. T. die Elektrode i i beaufschlagt wird. Der beaufschlagte Teil der Elektrode io wird bei io' -abgebildet, während der von der Bildzone g beaufschlagtre Teil der Elektrode i i unmittelbar Sekundärelektronen zur Hauptelektrode 12 übergehen läßt. Verschiebt sich nun das elektronenoptische Bild 9 in der einten oder andieren Richtung, dann wird eine Verkleinerung der Beaufschlagung der Elektrode io durch eine Vergrößerung der Beaufschlagung der Elektrode i i ausgeglichen, und umgekehrt. Die in Fig. 3 dargestellte B .aufschlagung der Elektroden io und i i kann durch geeignete Einstellung der Betriebsspannung der Elektroden herbeigeführt werden.It is also possible to meet the circumstances in such a way that the electron optical Image of. Pre-electrodes when the voltage changes or shifts the field in such a way that the maximum exposure gradually which leaves one electrode and meets the next higher voltage electrode. Of the Electron loss, which arises from the failure of an amplifier stage, is partially offset by the fact that the multiplication factor of the following stage increases under the influence of the increase in voltage. The conditions here can easily be overlooked with reference to FIG. 3. Zone g represents the electron-optical Image of the pre-electrodes. It is such that, for. T. the electrode i o, z. T. the electrode i i is applied. The acted upon part of the electrode becomes io at io '-imaged, while the part of the electrode acted upon by the image zone g i i allows secondary electrons to pass directly to the main electrode 12. Moves The electron-optical image 9 now moves in the one or other direction, then becomes a reduction in the application of the electrode io by an enlargement the application of the electrode i i balanced, and vice versa. The in Fig. 3 The illustrated B. impact of the electrodes io and i i can be achieved by suitable adjustment the operating voltage of the electrodes.

Anstatt die Beaufschlagung zweier Elektroden verschiedener Betriebsspannung im entgegengesetzten Sinne von der Elektroden-Z, oder dem Magnetfeld ,abhängig zu machen, kann man auch die Beaufschlagung zweier Elektroden der gleichen Vervielfacherstuf;2 oder, was dasselbe bedeutet, die Beaufschlagung der Elektroden zweier parallel geschalteter Systeme im .entgegengesetzten Sinne veränderlich machen.Instead of applying two electrodes with different operating voltages in the opposite sense of the electrode Z, or the magnetic field, dependent on you can also apply two electrodes of the same multiplier stage; 2 or, which means the same thing, the application of the electrodes to two parallel-connected electrodes Making systems changeable in the opposite sense.

111 Fig. ¢ sind zwei derartige Elektroden dargestellt und mit 13, 14 bezeichnet. Die dreieckförmige Kurve über den Elektroden 13 und 1 ¢ stellt die In:tensitätsverteil'unb über den Querschnitt des den Elektroden 13 und 14 zugeleiteten Elektronenstromes dar. Es ist der Übersichtlichkeit halber angenommen, daß diese Kurve die Form eines gleichschenkligen Dreiecks hat. In der. Praxis wird diese Kurve annähernd glockenförmig. In der dargestellten Lage dies durch das Dreieck 15 gekennzeichneten Elektronenbildes werden die Elektroden 13 und 14 gleich stark beaufschlagt und liefern im gleichen Maße Sekundärelektronen zu der folgenden Elektrode, welche die Endelektrode sein kann. Man wird die Spannungen so wählen, daß diescr Fall bei der normalen Spannung und dem normalen Magnetfeld :eintritt. Verschiebt sich nun infolge von Spannungs- oder Feldänderungen die Lage des Dreiecks 15 parallel zu seiner Grundlinie, so wird die Beaufschlagung der einen Elektrode vermindert, die der anderen erhöht, und zwar derart, daß die Gesamtbeaufschlagung der beiden Elektroden 13 und 14 gleichbleibt. Die Sekundäremission der einen Elektrode bzw. des einen Systems i_3 wird also um den gleichen Betrag zu- oder abnehmen, um den sich die Beaufschlagung der Elektrode 14 im entgegengesetzten Sinne ändert. Weicht die Kurve, welche die Intensität der Kurve darstellt, von der Dreieckform ab, so wird die beschriebene Kompensation nicht ganz vollständig sein, entsprechend den verschiedenen Krümmungen der Beaufschlagungskurve. Man kann diese Differenz noch weiter verkleinern, wenn man die Form der Elektroden 13 und 14 von der Rechteckform abweichen läßt und derart wählt, daß eine Verschiebung der Beaufschlagun.gskurve eine solche Änderung der Sekundäremission jeder einzelnen der Elektroden 13 und 14 herbeiführt, daß sich die beiden Änderungen aufheben.111 Fig. ¢ are shown two such electrodes and with 13, 14 designated. The triangular curve above electrodes 13 and 1 ¢ represents the In: intensity distribution over the cross section of that which is fed to electrodes 13 and 14 Electron stream. It is assumed for the sake of clarity that this Curve has the shape of an isosceles triangle. In the. Practice becomes this curve approximately bell-shaped. This is indicated by the triangle 15 in the position shown Electron image are applied to the electrodes 13 and 14 equally strong and deliver in the same amount secondary electrons to the following electrode, which is the end electrode can be. The voltages will be chosen so that this is the case with the normal voltage and the normal magnetic field: occurs. Now shifts due to tension or field changes the position of the triangle 15 parallel to its base line, so becomes the loading of one electrode is reduced, that of the other increases, namely in such a way that the total loading of the two electrodes 13 and 14 remains the same. The secondary emission of one electrode or one system i_3 is therefore reduced increase or decrease by the same amount as the application of the electrode 14 changes in the opposite sense. Deviates the curve showing the intensity of the Curve, from the triangular shape onwards, the compensation described does not apply be completely complete, according to the different curvatures of the application curve. You can reduce this difference even further if you change the shape of the electrodes 13 and 14 can deviate from the rectangular shape and selects such that a shift the loading curve such a change in the secondary emission of each individual of electrodes 13 and 14 causes the two changes to cancel each other out.

Die Form der die Beaufschlagung der Elektroden darstellenden Kurve hat natürlich auch auf die Güte. der Kompensation bei der Ausführungsform nach Fig. 2 und 3 einen Einfluß. Man kann auch hier gegebenenfalls durch geeignete Formgebung der Elektroden den Grad der Kompensation verbessern.The shape of the curve representing the application of the electrodes of course also has to the goodness. the compensation in the embodiment according to Fig. 2 and 3 have an influence. Here, too, if appropriate, by suitable shaping the electrodes improve the degree of compensation.

Häufig wird man die Kompensation dadurch noch vervollkommneter gestalten können, daß man mehr als zwei Verstärkerteile vorsieht, die hinsichtlich ihrer Betriebsbedingungen derart gegeneinander versetzt sind, daß ein Abfall der Verstärkung in einem oder mehreren Systemen durch einen Anstieg des Verstärkungsfaktors in einem oder weiteren Systemen ausgeglichen wird. Ergeben zwei Verstärkersysteme beispielsweise ein zwischen zwei Maxima liegendes Minimum der Verstärkung, so kann man dieses Minimum teilweise dadurch beseitigen, daß man einen weiteren Verstärkerteil verwendet, dessen maximaler Verstärkungsfaktor sich. mit dem Minimum deckt.Often the compensation will be made even more perfect can that one provides more than two amplifier parts, which with regard to their operating conditions are offset from one another in such a way that a decrease in gain in one or multiple systems by increasing the gain in one or more Systems is balanced. For example, two amplifier systems result in an intermediate two maxima lying minimum of the amplification, then this minimum can be partially eliminate by using a further amplifier part, its maximum Gain itself. with the minimum covers.

Es ist nicht erforderlich, die an Hand der Fig.2, 3 und 4 dargestellten Methoden getrennt anzuwenden. Man kann vielmehr diese Methoden auch kombinierten in der Weise, daß in einem bestimmten Spannungs-oder Feldbereich die Verringerung der Abhängigkeit von Änderungen dieser Größen durch je eines der angegebenen Verfahren oder auch durch das Zusammenwirken mehrerer dieser Verfahren zustande kommt. Es kann dabei vorkommen, daß es nicht ohne weiteres gelingt, das Wirken dieser Verfahren lückenlos aneinanderzufügen, so daß man kleine Abfälle des Verstärkungsfaktors in Kauf nehmen muß. Es gelingt aber, Abhängigkeiten des Vervielfachungsfaktors herbeizuführen, wie sie in Fig.5 dargestellt sind. Die gestrichelten Kurven stellen dabei den grundsätzlichen Verlauf des Verstärkungsfaktors in Abhängigkeit von der Spannung dar. wie er jeweils nur durch einen einzigen Verstärkerteil erzielt werden würde.It is not necessary to use the methods shown in FIGS. 2, 3 and 4 separately. Rather, these methods can also be combined in such a way that, in a specific voltage or field range, the dependence on changes in these variables is reduced by one of the specified methods or by the interaction of several of these methods. It can happen that it is not possible without further ado to combine the effects of these processes without gaps, so that one has to accept small reductions in the gain factor. However, it is possible to bring about dependencies of the multiplication factor, as shown in FIG. The dashed curves represent the basic course of the amplification factor as a function of the voltage, as would be achieved in each case by only a single amplifier part.

Claims

PATENT CLAIMS: i. Order to reduce or eliminate the Influence of operating voltage fluctuations on the gain factor of secondary electron multipliers, characterized in that two each consist of a single stage or several individual stages existing multiplexing parts are connected in series or in parallel, and that the one multiplier part in the ascending branch, the other in the descending branch of the die Dependence of the amplification factor on the electrode voltage or the magnetic field performing curve is working. z. Arrangement according to claim i, characterized in that that the magnetic or electric fields that determine the path of the electrons, the electrode spacing and the surface boundaries of the electrodes are dimensioned in this way are that in a case of changes in the electrode voltages or the magnetic field The change caused is the size of the area acted upon by the electrons at least one impact electrode simultaneously the size of the acted upon by the electrons Area of another impact electrode changes in the opposite sense. 3. Arrangement according to claim z with two individual stages connected in parallel, characterized in that that those lying one behind the other in the discharge direction have the same potential Impact electrodes of these individual stages. through a transverse to the direction of discharge Gap are separated.