DE740925C

DE740925C - Elektronenvervielfacher mit Photokathoden und Leuchtschirmen

Info

Publication number: DE740925C
Application number: DEF85630D
Authority: DE
Inventors: Dr Fritz Michels
Original assignee: Fernseh GmbH
Current assignee: Robert Bosch Fernsehanlagen GmbH
Priority date: 1938-09-15
Filing date: 1938-09-16
Publication date: 1943-10-30
Also published as: FR860264A

Description

Elektranenvervielfacher mit Photokathoden und Leuchtschirmen Die Erfindung betrifft eine Verstärkeranordnung zur Vervielfachung eines z. B. von einer Photokathode ausgehenden Elektronenstromes, bei dem die Elektronen ad einen Leuchtschirm. beschleunigt werden und der entstehende Lichtstrom auf eine weitere Photokathode übertragen wird usf. Es ist bereits ein Leuchtschirmvervielfacher bekanntgeworden, bei dem ein Leuchtschirm ein-er Photokathode gegenübersteht und bei genügendier Höhe der Spannung des Leuchtschirmes eine Elektronenverstärkung durch eine optische Rückkopplung erhalten wird. Dabei werden die an der Photokathode ausgelösten Elektronen durch die Anodenspannung auf den Leuchtschirm beschleunigt und die dort entstehende Lichtenergle auf die Photokathode zurückgestrahlt, -wodurch neue Photoelektronen ausgelöst werden. Der Nachteil dieser Anordnung besteht darin, daß eine proportionale Verstärkung von in die Anordnung eingestrahlter Energie nicht erhalten werden kann, da die Vervielfachung bis zu einem Sättigungswert fortgesetzt wird, der unabhängig von der Primärenergie ist. Ein derartiger Vervielfacher läßt sich mit dem bekannten, nach dem Prinzip der SekundäreIcktronenvervielfachung arbeitenden PendelvervIelfacher vergleichen. Ferner ist ein Leuchtschirmverstärker bekanntgeworden, der nach dem Prinzip des Reihenvervielfachers arbeitet und bei dem die Photokathoden und Leuchtschirmelektroden als Folien ausgebildet und paarweise auf verschiedenen Seiten eines durchsichtigen Trägers, z. B. Glimmer, aufgebracht sind. Der Nachteil dieser Anordnung besteht darin, daß wegen der großen Lichtverluste, durch Absorption in den Folien der Leuchtschirme und Photokathoden sehr hohe Anodenspa#nungen zum Betrieb notwendig, sind. Aus diesem Grunde haben derartige Vervielfacher bisher noch keine praktische Bedeutung erlangt. Durch Berechnungen läßt sich zeig-en, daß sich mit einem nach dem pbigen Prinzip arbeitenden Vervielfacher durchaus erhebliche Verstärkun,<"qen erzielen lassen und daß man auch zu durchaus tragbaren Werten für die Anodenspannung gelangt, wenn man dafür Sorge trägt, daß der von .einem Leuchtschirm ausgehende Lichtstrom möglichst vollständig auf die Phowkathode, der nächsten Stufe gelangt und daß die Photoelektronen möglichst vollzählig auf die folgende Leuchtschirmelektrode fließen. In der vorliegenden Erfindung wird eine Anürdnung angegeben, bei der durch geeignete Ausbildung der Elektroden die Licht- und Elektronenverluste auf ein sehr geringes Maß herabgesetzt sind. Nach der Erfindung werden bei einem Elektronenvervielfacher mit Photokathoden und Leuchtschirmen, bei dem das Licht auf eine Photokathode fällt und die ausgelösten Photoelektronen auf einen Leuchtschirm beschleunigt werden, dessen Leuchtenergie auf eine zweite Photo-kathode gerichtet wird, deren Photoelektronen auf einen zweit-en Leuchtschirm treffen usw., alle Photokathoden auf gleiches Potential gelegt und auf einem Metallstreifen angeordnet und .ebenso alle auf gleichem Anodenpotential befindlichen Leuchtschirme auf einem zweiten Metallgtreifen aufgebracht, die beide mit ihren aktivierten Oberflächen einander gegenüberstehen, und die Photoelektronenströme, die von den einzelnen Kathoden ausgehen bzw. die Leuchtschirme treffen, und die Lichtström,e, die von den Leuchtschirmenausgehen bzw. die Photokathoden treffen, durch besondere Elektronen- bzw. Lichtleiteinrichtungen jeweils in einen Winkel miteinander bildenden Richtungen geführt.
Bei dem Elektronenvervielfacher nach der Erfindung werden keine lichtschwächenden Folien benötigt, und es treten nur geringfügige Elektronenverluste auf.
Einzelheiten des Erfindungsgegenst#andes werden an Hand der Ausführiingsbeispiele darstellenden Fig. i bis 3 erläutert.
Der Elektronenvervielfaclier besteht im wesentlichen aus zwei treppenförmig ausgebildeten Metallstreifen, von denen der eine auf positivem Potential liegende, i, mit Leuchtschirminasse und der andere, 2, mit photoempfindlichem Stoff überzogen ist. Zweckmäßig werden nur die Flächen 5, 6, 7 usw. mit Leuchtstoff, dagegen auf der gegenüberliegenden Elektrode die Flächen 2, 9, 1 o I I sowie 12, 13, 14 mit photoempfindlichem Stoff überzogen. Läßt man zunächst die in der Fig. i dargestellten Netze 15, 16, 17, 18, ig und 2a außer Betracht, so werden die durch Bestrahlung der Fläche 2 oder durch Primärelektrone-n ausgelösten Elektronen auf den Leuchtschirm 5 gerichtet und bringen diesen zum Aufleuchten. Das ausgestrahlte Licht fällt in der Hauptsache auf die Photokathode 9, und die entstehenden Photoelektronen werden auf den Leuchtschirm 6 be- schleunigt. Auf diese Weise wird schließlich ein starker Elektronenstrom erhalten, der von dem Widerstand 8 abgenommen -werden kann. Der Wirkungsgrad einer solchen Anordnung würde aber noch verhältnismäßig ,gering sein, da die Bahnen der Elektronen ziemlich unbestimmt sind und Lichtverluste eintreten können. Nach der Erfindung werden daher die Bahnen der Elektronen auf folgende Weise beeinflußt. Es werden zwischen den einzelnen Stufen auf Anodenpotential. lie-Zende Netze 1 16, 17 sowie auf Kathodenpotential liegende Netze 18, ig und 2o an-eordnet. Dadurch wird erreicht, daß die von den Photokathoden -- -, 9, 1 o und i i ausgehenden Elektronen auf die Leuchtschirme 5, 6# 7 gelenkt werden. Eine Möglichkeit des Rückdiffundierens der Elektronen auf den vorher-"ehenden o- Leuchtschirm besteht nicht, da die Photokathode 9 gegen den Leuchtschirm 5 durch das Netz 18 abgeschirmt ist. Um zu vermeiden, daß einige Elektronen auf nicht mit Leuchtstoff überzogene Metallstreifenteile gelangen-, können die Flächen 21, 22 und 2,3 mit Isoliermaterial, z. B. Glimmer, überzogen -werden. Weiter besteht die Möglichkeit, durch eine konkave Krümmung der Photokatboden eine Fokussierungswirkung auf die Elektronen zu erreichen. Die Wirkung der Netze wird dann gegeb-,nenfallsi schon durch eine solche Formgebung der Elektroden erreicht, die die von der Photo- i kathode ausgehenden Elektronen vollständig auf die nächste Leuchtelektrode gelangen läßt. Bedin'-ung hierfür ist, daß vor der Photoel,ektrode ein Saugfeld besteht-, das die langsam#en Photoelektronen vollständig in Richtung auf die nächste Leuchtelektrode absaugt.
Um einen möglichst -roßen Bruchteil des von den Leuchtschirmflächen ausgestrahlten Lichtes auf den gegenüberliegenden Photokathodenflächen aufzufangen, besitzt die Anordnung nach Fig. i eine größere Ausdehnung in der zur Zeichenebene senkrechten Richtung als in der zwischen Leuchtschirm-und Photokathodenfläche. Zweckmäßig werz# den die zu den Leuchtschirmflächen 5, 6, 7 senkrechten Flächen 21, 22, 23 usw. sOwiC# die in der Zeichenebene liegenden Seitenflächen mit einer Verspiegelung versehen. Zur Vermeidung einer optischen Rückkopplung erstreckt sich die Verspiegelung der Flächen 21, 22-, 23 nur auf eine Hälfte der Flächen. Hierdurch wird erreicht, daß für keinen Punkt der Leuchtschirmoberfläche ein Lichtstrahl durch' Reflexion, an den Flächen 2 1 usw. auf die vorhergehende Photokathode gelangen kann. Durch Verspiegelung der den Leuchtstoff tragenden Unterlage 'kann die Lichtausbeute des Leuchtschirms weiter erhöht werden. Weiter istes möglich, die Lichtausbeute in der zum Leuchtschirm senkrechten Richtung dadurch zu- vergrößern, daß man die Richtungsverteflung der Strahlung durch geeignete Profilierung der Leuchtschirmunterlage, z.B. durch Einpressen von konkaven Rillen, beeinflußt.
Fig. 2 zeigt -(ein weiter-es Ausführungsbeispiel der Erfindung in perspektivischer Darstellung. Hierin sind die Gitter 24 und 25 mit sekundäremissionsfähigem Material übierzogen und an eine Spannung gelegt, bei der ein Max* mum der Sekundäremission eintritt. Diese Spannung beträgt z.B. bei Silber-Oxyd-C.äsium -etwa 400V- Mit einer derartigen, gegenüberderAnodenspannungverhältnismäßig -niedrigen Spannung kann eine Zwischenverstärkung der Photoelektronen um etwa das 5- bis 6fache pro Stufe -erhaltenwerden. In diesem Fall werden die Gitter vorteilhaft aus im Verhältnis zu den Abständen voneinander dicken Drähten oder als Jalousie aus flachen Streifen hergestellt, so daß das Licht in Richtung auf die vorhergehende Stufe abgeblendet wird. Dieser letztere Fall ist in Fig. 2 gezeigt. Hierdurch wird erreicht, daß -eine gute Schattenwirkung gegenüber dem von dem Leuchtschirm ausgestrahlten Licht besteht und #somit eine optische Rückkopplung in störendem Umfange nicht eintreten kann. Vorteilhaft wird der sekundäremittierende Stoff auf der der Photokathode zugewandten Seite der Drähte oder Streifen aufgebracht.
Fig. 3 zeigt eine Röhrenkonstruktion mit einem Leuchtschirmvervielfacher nach der Erfindung. Hierin bestehen- die Leuchtschirmanode und die Photokathode aus zwei treppenförmigen Blechstrpifen 28 und 29, die je an einem gleich-zeitig als Zuführung dienenden Drahtstück oder Stab befestigt sind. Die beiden Stäbe sind an einem Quetschfuß befestigt und oberhalb des Vervielfachers; durch eine Glasbrücke starr miteinander verbunden. Die Sieitenwände des von den beiden Elektroden umschlosstenen Raumes werden durch auf Kathodenpotential liegende und mit der Kathode verbundene Blechstreifen.3o gebildet. Um beide Elektroden auf Abstand zu halten, ist zwischen diese an den -nicht von Leuchtschirnunaterial bedeckten Stellen der Leuchtschirmelektrode ein Glimmier- oder Glasstreifen geschoben. Diese Streifen Eaben gleichzeitig die Aufgabe, durch. negative Aufladung die Bahneil der Elektronen so zu beeinflussen, daß diese vollzählig auf die Leuchtschirme gelangen. Die ganze Anordnung ist in -ein Vakuumgefäß 3 4 eingeschlossen und mit einem SOC1e136 und Kontaktstiften35 versehen.
über die zum Betrieb der Röhre erforderliche Anodenspannung gibt folgende Rechnung Aufschluß. Die Ergiebigkeit einer Photos:chlicht beträgt nach dem heutigen'- Stand der Technik etwa 5ouA/Lm. Ein Leuchtschirm aus z.B. Zn-Cd-S benötigt ietwa o,o2Watt/Lrrl. Um nun mit den auf der .ersten Photokathode durch iLm ausgelösten Elektronen einen Leuchtschirmzu einer Hielligkeit von iLm anzuregen, bedarf #es einer Spannung von für den Fall, daß sämtliche Elektronen auf den Leuchtschinn gelangen. Zu ieiner Verdopplung der Helligkeit auf -- Lm sind also 8oo V erforderlich. Wemi man annimmt, daß das vom Leuchtschirm ausgestrahlte Licht nur zu 1/4 auf die gegenüberliegende Photokathode gelangt, so errechnet sich eine Anodenspannung von 32ooV für eine Verstärkung um den Faktor 2 pro Stufe. Der Berechnung wurde die Tatsache zugrunde gelegt, daß die Helligkeitsausbeute einer auf einer spiegelnden Metallfläche aufgebrachten Fluoreszenzschicht wesentlich größer ist als die einer auf durchsichtigem Träger aufgebrachten und von der Rückseite her betrachteten Schicht. Der Faktor 1/4 ergibt sich auf Grund des Lambertschen Strahlungsgesetzes, wenn man die Lichtmenge hcrechnet, die in einem langgestreckten Raum mit quadratischem _Querschnitt von einer rechteckigen Seite zur gegenüberliegenden ausgestrahlt wird. Mit der oben angegebenen Spannung kann nun eine nahezu unbegrenzte Vervielfachung erzielt werden, da beliebig vieleVerstärkungsstufen hintereinander angeordnet werden -können, z. B. mit 2o Stufen eine millionenfache Verstärkung. Bei Verwendung von sekundäremittierenden Netzen, wie in Fi-. 2, .erniedrigt sich die benötigte Anodenspannung um etwa die Hälfte und mehr, da eine Vervielfachung um mindestens -den Faktor 2 pro Stufe auch dann erhalten werden kann,wen'n durch den Leuchtschirm selbst keine weitere Verstärkung erfolgt. Bei größeren Strombelastungen können die Flächen der Photokathoden und Leuchtschirme -entsprechend vergrößert werden, z. B. indem man die Anordnung rotationssynimetlisch ausbildet.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: i. Elektronenvervielfacher mit Photokathoden und Leuchtschirmen, bei dem das Licht aufeine Photokathode fällt und die ausgelösten Photoelektronen auf einen Leuchtschirrn beschleunigt werden, dessen Leuchtenergie auf -eine zweite Photokathode gerichtet wird, deren Photoelektronen auf einen zweiten Leuchtschirm treffen usw., dadurch gekennzeichnet, daß alle auf gleichem Kathodenpotential befindlichen Photokathoden aufeinemMetallstr4fen und alle auf gleichem Anodenpotential befindlichen Leuchtschirme auf einem zweiten Metallstreifen, die sich beide nüt ihren aktivierten Oberflächen einander gegenüberstehen, aufgebracht sind und daß die Photoelektronenströme, die von den Kathoden ausgehen bzw. die Leuchtschirme treffen, und die Lichtströme, die von den Leuchtschirmen ausgehen bzw. die Photokathoden treffen, durch besondere Elektronen- bzw. Lichtleiteinrichtungen jeweils in einen Winkel miteinander bildenden Richtungen geführt werden.
2. Elektronenvervielfacher nach, Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Photokathoden gegen die gegenüberliegenden Leuchtschirmanoden durch auf Kathodenpotential liegende Netze ab,-eschirmt sind. 3. Elektronenvervielfacher nach, Anspruch i und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die photoempfindlichen Flächen auf einer treppenförmigen Elektrode angebracht und die Leuchtschirme den Stirnflächen der einzelnenTreppenstufengegenüb#ergestellt sind und dieselbe Größe wie diese haben. 4., Elektronenvervielfacher nach Anspruch i bis 3, dadurch, gekennzeichnet, daß die Photoelektronen durch auf positivem, vorzugsweise dem Potential der Anode liegende Netze von den Photokathoden abgesaugt und auf die Leuchtschirmanoden der jeweils folgenden Stufe gerichtet werden. 5. Elektronenvervielfacher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Netze mit leicht sekundäremittierendem Material überzogen sind. 6. Elektronenvervielfacher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die sekundäremittierenden Elektroden vorzugsweise auf das. Potential maximaler Sekundäremission, jedoch auf niedrigeres Potential als die Leuchtschirmelektroden legt mind. 7. Elektronenvervielfacher nach Anspruch i bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Photokathode und der folgenden Leuchtschirmanode ein Sekundärelektronenvervielfacher angeordnet ist. 8. Elektronenvervielfacher nach Anspruchi bis 5, dadurch, gekennzeichnet, daß jede Vervielfacherstufe aus zwei an-.einand,erstoßenden Räumen niit quadratischem oder rechteckigem Querschnitt besteht, von denen der eine durch zwei rechtwinklig zueinander stehende photoempfindliche Flächen, ein auf positivem Potential und ein auf Kathodenpo-tential liegendes Netz und zwei photoempfindliche Seitenflächen, der andere Raum durcheine Leuchtschirmelektrode, eine auf Anodenpotential liegende Fläche, das obenerwähnte, auf Kathodenpotential liegende ,Netz, ein auf positivem Potential liegendes Netz und zwei optisch reflektierende Seitenflächen begrenzt wird. g. Elektronenvervielfacher nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der einzelnen Kammern in der Hauptfortpflanzungsrichtung der Lichtstrahlen kleiner ist als in der dazu senkrechten Bewegungsrichtung der Elektranen. io. Elektronenvervielfacher nach Anspruch i bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die an die Leuchtschirmflächen angrenzenden Flächen ganz oder teilweise verspiegelt sind. ii. Elektronenvervielfacher nach Anspruch i 'bis io, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, durch di#eeine bevorzugte Lichtausstrahlung in der zur Leuchtsch#irmebe-ne senkrechten Richtung erreicht wird. 12. Elektronenvervielfacher nach Anspruch i bis i i, dadurch gekennzeichnet, daß die Leuchtschirmmasse auf einer spiegelnden Metallfläche aufgebracht ist. Zur Abgrenzung des Alimeldungsgegenstandes vom Stand der Technik sind im Erteilungsverfahren folgende Druckschriften in Betracht gezogen worden: deutsche Patentschrift ....... Nr. 579 6So; französische Patentschrift -,79-62, 792 249, 802 492; britische Patentschrift Nr. 444 998, 471 365. "Elektrische Nachrichtentechnik« (ENT), Bd. 135 1936, S. 23o bis :234; »Zeitschrift f. techn. Physik«, 193Q- Nr. 6, S. 18 1, AbS. 27 und 28.