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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.
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Bei dem Elektronenvervielfacher nach der Erfindung werden keine lichtschwächenden
Folien benötigt, und es treten nur geringfügige Elektronenverluste auf.
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Einzelheiten des Erfindungsgegenst#andes werden an Hand der Ausführiingsbeispiele
darstellenden Fig. i bis 3 erläutert.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.