DE751509C - Elektronenstrahloszillograph - Google Patents

Description

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Isiblioihe

r. Ina. Eiv;

REICHSPATENTAMT I 5 FEß.1954

PATENTSCHRIFT

KLASSE 21 e GRUPPE 1112 A 87051 VIIId 121 c

Manfred von Ardenne, Berlin ist als Erfinder genannt worden

Manfred von Ardenne, Berlin

Elektronenstrahloszillograph

(Ges. v._: 15. 7.51) Patenterteilung bekanntgemacht -am 15. Juni 1944

Bei vielen registrierenden Oszillographen hat die sogenannte mechanische Zeitablenkung eine große Bedeutung behalten. Dieses gilt besonders für diejenigen Oszillographentypen, bei denen ein schwingender Schreibneck über mechanisch bewegtes photographisches Material geführt wird. Gegenüber der sonst bei modernen Elektronenstrahloszillographen häufig bevorzugten elektrischen Zeitablenkung hat die mechanische Alethode den Vorteil, daß die Oszillogrammlänge gegenüber der maximalen· Osziilogrammbreite leicht sehr groß gemacht werden kann. Während nämlich bei elektrischer Zeitablenkung und Vorhandensein eines · normalen runden Leuchtschirm« die Oszillogrammlänge im allgemeinen gleich der maximalen Osziilogrammbreite ist, gelingt es, bei Trommelbetrieb die Oszillogrammlänge io- bis 2omal größer zu machen als die Osziilogrammbreite. Bei ablaufendem photographischem Material läßt sich dieses Verhältnis fast beliebig weiter vergrößern. Ein weiterer Vorteil der mechanischen Zeitablenkung besteht darin, daß der Zeitmaßstab durch bekannte und einfache Methoden mit großer Genauigkeit auf die Registrierung übertragen werden kann.

Ein Xachteil der mechanischen Zeitablenkung bestand bisher darin, daß infolge der Trägheit der mechanisch bewegten Massen nur verhältnismäßig kleine Zeitdehnungen möglich waren. Im allgemeinen liegen die

maximalen Vorschubgeschwindigkeiten des photographischen Materials in der Größenordnung von io m pro Sekunde. Bei Aufwendung großer Antriebsleistungen sind Vorschubgeschwiudigkeiten bis zu ioo m pro Sekunde, die etwa die Grenze darstellen, erzielt worden.

Bei größeren Oszillogrammlängen, also insbesondere bei fortlaufender Registrierung und bei großen A'orschubgeschwindigkeiten des photographischen Materials, kommt der weitere wichtige Xachteil hinzu, daß ein sehr erheblicher Verbrauch an photographischem !Material eintritt. Im folgenden soll nun ein neuer Elektronenoszillograph beschrieben werden, bei dem die mit mechanischen Mitteln erreichbare Schreibgeschwindigkeit auf mehr als das Hundertfache der bei den bekannten Geräten erreichbaren gesteigert und zugleich der Verbrauch von photographischem Material um einige Größenordnungen gesenkt wird. Die Erfindung besteht darin, daß durch eine elektronenoptische Sammellinse kurzer Brennweite eine Blende, auf deren öffnung ein Elektronenstrahl konzentriert wird, auf die in geringer Entfernung befindliche aufzeichnende Fläche derart abgebildet wird, daß auf dieser ein Brennfleck von etwa fünffacher Korngröße der aktiven Schicht der Fläche, z. B. von etwa 5 · io~³ mm, entsteht und daß die Ablenkplatten auf der der aktiven Schicht abgewandten Seite der Linse in geringem Abstand von ihr angeordnet sind.

Das Prinzip des neuen Oszillographen ist in Abb. 1 dargestellt. Von der Kathode 1, die von dem Wehnelt-Zylinder 2 umgeben ist, wird mit Hilfe der Anode 3 ein gerichtetes Elektronenbündel zur Emission gebracht. Dieses Elektrodensystem, das ähnlich wie das System von Fernsehprojektionsröhren bemessen sein kann, liefert ein von einem kleinen, etwa in der Anodenebene liegenden Querschnitt ausgehendes Elektrouenbündel. Der erwähnte kleine Querschnitt läßt sich bei Anwendung von Anodenspannungen der Größenordnung von beispielsweise 5 bis 20 kV auf Durchmesser von etwa 0,1 mm bringen. Das Elektronenbündel 4 trifft nun auf eine die Randstrahlen abschneidende Blende 5. Es ist hierbei angenommen, daß die Elektronenoptik allein noch nicht ausreicht, um die Querschnitte des Bündels in dem nachfolgenden Ablenkraum zu begrenzen. Ein Teil des die Zwischenblende 5 durchsetzenden Elektronenbündeis gelangt durch die Blende 6 des kurzbrennweitigen Elektronenobjektivs 7. Dieses ist in dem vorliegenden Beispiel als magnetische l'olschuhlinse mit permanentem Feldmagneten gezeichnet. Durch die kurzbrennweitige Elektronenlinse wird der ol>enerwähnte, in der Anodenebene liegende kleine Querschnitt stark verkleinert auf der lichtempfindlichen Schicht S der angedeuteten Registriertrommel 9 abgebildet.

Untersuchungen haben nun gezeigt, daß sich auf diese Weise Elektronenilecke herstellen lassen, die erheblich kleiner sein können als 10—³ mm. Ferner konnte festgestellt werden, daß bei den weiter unten genannten Ekktronenfleckdurehmessem und bei den zur Zeit herstellbaren Strahlerzeugungssystemen sowie elektronenoptischen Mitteln die erreichbare Intensität des Elektronenfieckes bei allen mechanisch zu verwirklichenden Vorschubgeschwindigkeiten des photographischen Materials ausreicht, um eine vollkommene Schwärzung der von den Elektronen getroffenen Körner der photographischen Schicht zu ergeben. Hierbei ist angenommen, daß normales photographisches Material, eine dem zulässigen Öffnungsfehler zugeordnete Größe der Blende 6 und Anodenspannungen der Größenordnung 5000 Volt oder mehr benutzt werden.

Die Ablenkung des Elektronenstrahls S5 durch den zu messenden Vorgang erfolgt nun nicht wie bei einem normalen Oszillographen auf dem Wege zwischen Optik und Aufzeichnungsfläche, sondern durch ein Ablenkfeld, das sich unmittelbar vor dem Objektiv befindet. In Abb. 1 wird das MelJabknkfeld durch zwei schräg gestellte kleine Ablenkplatten 10 und 11 erzeugt. Auf welche Weise die Strahlablenkung zustande kommt, ist in der Zeichnung des Strahlenganges angedeutet. Man erkennt, daß die sehnige· Lage der Ablenkplatten wegen der geringen Öffnung der dicht davor liegenden Blende zweckmäßig ist. Die Ablenkplatten bzw. die vorgesehenen Ablenkspulen werden dicht an die Verkk-inerungsoptik herangebracht, und die letztere selbst wird zweckmäßig möglichst flach ausgeführt, damit die maximale Ablenkung der Elektronenstrahlen aus der Axiallage große Werte erreichen kann, d. h. damit eine tnögliehst große Oszillogrammbreite im Verhältnis zum Elektronenrleckdurchmesser erzielt werden kann.

Die bereits erwähnten Untersuchungen haben erkennen lassen, daß bei geeigneter no Ausgestaltung des elektronenoptischen Verkleiiierungssystems Fleckdurchmesser erzielbar werden, die kleiner sind als die Durchmesser einzelner Körner feinkörniger photographischer Schichten. Bei der Ik-messung des eTfindungsgemäßen neuen Oszillographen taucht die !''rage auf. welche Größe fies Fleckdurchmessers optimale Wirkung ergibt. Aus grundsätzlicher Erwägung heraus ist der Elektronenfleck stets noch größer zu halten als der mittlere Abstand der lichtempfindlichen Körner in normalen photogra-

pliischen Schichten. Man wünscht schließlich ein nicht aus einer Punktreihe bestehendes, sondern möglichst lückenlos aufgezeichnetes Oszillogramm. Korngröße und Kornabstaud normaler, hochempfindlicher photographischer Schichten liegen in der Größenordnung io—³ mm. Zur gleichmäßigen Oszillogrammniederschrift wird es daher genügen, wenn der Durchmesser des Aufzeichnungsfleckes die fünffache Korngröße, also die Größe 5 · io~³ mm, nicht überschreitet. Auch aus Intensitätsgründen, die ebenfalls schon vorweg besprochen worden sind, soll im wesent* liehen die Unterschreitung dieses genannten Fleckdurchmessers nicht erfolgen.

Bei einem Schreibfleckdurchmesser der Größe 5 ■ io— ³ mm ergeben sich bereits erstaunliche Möglichkeiten im A'ergleich zu den normalen Elektronenstrahloszillographen, deren Fleckdurchmesser auf der photographischen Schicht in der Regel etwa ieomal so groß ist. Bei gleicher Vorschubgeschwindigkeit des lichtempfindlichen Materials ergibt z. B. der erfindungsgemäße Mikrooszillograph die hundertfache Meßgenauigkeit und das hundertfache Ablösungsvermögen auf der Zeitachse. Mit den erwähnten Yorschubgeschwindigkeiten des photographischen Materials werden Zeiten von io~" Sekunden und weniger meßbar. Außerdem lassen sich Frequenzen ι o⁶ bzw. ι o⁷ Hz. nodi auflösen. Bei optischer Nachvergrößerung der so erhaltenen Mikrooszillogramme auf die normale Oszillogrammstrichbreite (z. B. 0,5 mm) erreicht die zugeordnete Zeitablenkgeschwindigkeit Werte von ι km bzw. 10 km pro Sekunde, so daß die mit diesen Zeitablenkiuigen erzielbaren wirksamen Schreibgeschwindigkeiten Werte von bis zu 1000 km annehmen können, ohne daß wegen· des hohen Nutzeffektes der Innenaufnahme die Schwärzung des Oszillogrammstriches kritisch kleine Werte annimmt. Trotz dieser für mechanisch angetriebene Registriertrommeln bisher als völlig unmög-Hch erschienenen Zeitdehnungen bleibt der Verbrauch an photographischem Material außerordentlich klein. Bei geschickter Oszillogrammführung über die photographische Schicht verhalten sich die benötigten Aufzeichnungsflächen wie die Flächen der Schreibflecke. Der Materialverbrauch des Mikrooszillographen braucht daher bei gleicher Leistung nur V_10Ooo des Materialverbrauches normaler Registrieroszillographen anzunehmen. Der einzige Nachteil des Mikrooszillographenbildes besteht darin, daß zu seiner Beobachtung und Auswertung ein einfaches lichtmikroskopisches Hilfsinstrument notwendig ist.

Der Vorteil der besseren Ausnutzung des photographischen Materials läßt sich auch dahingehend kennzeichnen, daß bei gleichem Materialaufwand die Oszillogrammlänge 10 ooomal so groß ist. Es gelingt also schließlich viel leichter, beispielsweise' einen unwillkürzlichen Meßvorgang der oszillographischen Untersuchung zugänglich zu machen als bei den bisherigen Schleifen- oder Elektronenstrahloszillographen.

Zur Erläuterung der Oszillogrammführung auf der photographischen Schicht sei wieder auf die Abb. 1 zurückgegriffen. Hier wird die Registriertrommel 9, die im Vakuum läuft und daher ohne Luftreibung besonders hohe Umlaufgeschwindigkeit erreichen kann, mit gleichmäßiger Geschwindigkeit gedreht. Außerdem ist jedoch durch eine in Richtung der Trommelachse vorgesehene Bewegung in an sich bekannter Weise ein Trommelvorschub möglich, der eine wendeiförmige Aufzeichnung der Zeitachse ergibt. Zur guten Materialausnutzung empfiehlt es sich, den Vorschub je Trommelumdrehung nicht unnötig groß zu wählen. Ein Vorschub von 0,5 bis ι mm genügt, um bei dem angegebenen Fleckdurchmesser und den diesen zugeordneten Oszillogrammbreiten (angenähert 100 Fleckdurchmesser) ein kritisches Ineinanderschreiben der Oszillogramme zu vermeiden·.

Selbstverständlich braucht nur eine relative Bewegung der mittleren Strahllage gegenüber der photographischen Schicht bewirkt zu werden, d. h. es ist ebenso gut möglich, von der Bewegung der Trommel in Achsenrichtung abzusehen und das übrige System, zweckmäßig sogar nur dessen unteren Teil, gegenüber der Trommel gleichmäßig zu bewegen. Damit das Oszillogramm mit stets gleichbleibender großer Schärfe geschrieben wird, muß, wie Betrachtungen über die Tiefenschärfe ergeben haben, dafür gesorgt werden, daß die photographische Schicht mit einer Ge- ' nauigkeit von etwa V20 mm ihre Ebene beibehält. Bei starker Beanspruchung des photographischen Materials und bei präziser Trommellagerung dürfte dieser Wert noch erreichbar sein. Die schon obenerwähnte Intensitätsreserve gestattet jedoch noch kleinere Objektivöffnungen und dadurch eine ausreichende Abschwächung der Bedeutung dieser Fehlerquelle.

Zur Vereinfachung der Bedienung des Mikrooszillographen soll bei der Apparatur, die für Innenaufnahmen stets an der Pumpe arbeiten muß, in an sich bekannter Weise der gesamte Vakuumraum unterteilt werden, und zwar soll der schwer evakuierbare Teil mit der Registriertrommel, bei dem ein geringes Vakuum genügt, nur auf ein Vorvakuum oder ein anderes schnell erreichbares Vakuum gebracht werden, während der auf der anderen Seite der Blende 6 befindliche Teil auf mög-

liehst hohes Vakuum gebracht werden soll, damit eine gute Kathodenlebensdauer besteht. Als Kathode eignen sich normale Oxyd- oder Wolframkathoden. Ist die Konstruktion so ausgeführt, daß die beiden Vakuumräume nur über die Bohrung der Blende 6 kommunizieren, so ist bei der Saugleistung moderner • Hochvakuumpumpen ein ausreichend niedriger Druck im Entladungsraum zu erzielen, ίο auch dann, wenn im Registrierraum sehr viel schlechteres Vakuum besteht. Der Strömungswiderstand von Blendlöchern der Größenordnung Vio mm und weniger hat, wie praktische Versuche gezeigt haben, ausreichend hohe Werte.

Auch bei den Mikrooszillographen wird man bestrebt sein, vor Beginn einer Aufnahme den Oszillogrammcharakter und die Scharfstellung des Fleckes selbst in der Aufzeichnungsebene zu prüfen. Diese Prüfung kann nach der weiteren ernndungsgemäßen, in Abb. 2 angedeuteten Methode erfolgen. Hier ist beispielsweise am Anfang oder Ende der Trommel 12 ein kleines Prisma 13 eingebaut, das auf der einen in der Ebene der photographischen Schicht liegenden Seite einen feinkörnigen Leuchtschirm 14 trägt. Dieser Leuchtschirm wird über das lichtmikroskopische Objektiv 15 und den in dem Strahlengang eingebauten Drehspiegel 16 durch das Okular 17 beobachtet. Die Scharfeinstellung des Leuchtrleckes ül>er das Beobachtungsmikroskop gelingt bereits ohne Drehspiegel oder bei ruhendem Drehspiegel, und zwar in der bekannten Weise durch Veränderung der Feldstärke im Verkleinerungsobjektiv oder der Anodenspannung. Der Oszillogrammcharakter wird, wenn auch mit geringerer Zeitdehnung als später, bei Antrieb des Drehspiegels sichtbar.

Das erfindungsgemäße neue Oszillographenprinzip läßt sich auch vorzüglich dazu benutzen, um Mehrfachoszillographen zu bauen. Ein entsprechendes Objektivsystem, das an die Stelle der Teile 5, 6, γ, ίο und 11 der Abb. ι tritt, ist in Abb. 2 gezeichnet. Einfach durch Vervielfachung der Polschuhsysteme und der Ablenksysteme wird hier ein Vielfachoszillograph erhalten. Im Interesse eines geringen photographischen Materialverbrauchs sind gemäß der Erfindung die Abmessungen des Ablenk- und Objektivsystems möglichst klein gehalten worden, weil nur dann der Abstand zwischen den verschiedenen Oszillogrammen nicht übermäßig groß gegenüber der Oszillogramm- I breite wird. Zweckmäßig werden die Pol- < schuhstreiien 18 und iq durch einen gemeinsamen Magneten erregt. Die Ablenkplatten- o sätze-20. 21 und 22 für die Aufzeichnung der verschiedenen Oszillogramme werden zweck- 1 ' mäßig durch abschirmende Zwischenwände 23 ; und 24 voneinander getrennt. Aus Gründen der Belastungssymmetrie empfiehlt es sich, auch auf der Außenseite diese Wände 25 und 26 zu wiederholen. Selbstverständlich sind auch die Zuleitungen zu den relativ kleinen und daher kapazitätsarmen Ablenkplatten gegeneinander abzuschirmen,

Bei der Ausrichtung der Ablenkplattensätze oder allgemeiner des Meßablenkfeldes ist die bekannte Tatsache zu berücksichtigen, daß in magnetischen Ob jektiveneine Bäldfelddrehung erfolgt.

Beim Vielfachoszillographen ist darauf zu achten, daß die Mehrfachpol schuhsysteme so ausgeführt werden, daß ein möglichst geringer magnetischer Nebenschluß durch diejenigen Bereiche verursacht wird, deren Kraftlinienfluß nicht zum eigentlichen Fokussierfeld beiträgt. Durch Materialaussparungen läßt sich der schädliche magnetische Nebenschluß im allgemeinen hinreichend klein halten.

Eine weitere zweckmäßige Ausführungsform des Polschuhsystems für einen Vielfach- S5 Oszillographen ist in Abb. 4 dargestellt, die auch mehr als die gezeichneten drei Polschuhsysteme (27, 28, 29) enthalten kann. Die einzelnen Polschuhsysteme sind an einer gemeinsamen Schiene befestigt. Die Polschuhe sind im Fokussierfeld völlig rotationssymmetrisch ausgeführt. Die Zeichnung selbst ist nicht maßstäblich.

Zum Schluß sei noch eine weitere Ausführungsmöglichkeit angegeben, die dann erhebliehe Vorteile besitzt, wenn die verlangten Schreibgeschwindigkeiten klein bleiben und daher Intensitätsverluste in Kauf genommen werden können. Diese Möglichkeit besteht darin, daß an die Stelle der Registrierfläche 8 ico in Abb. 1 ein möglichst feinkörniger oder kornloser und photographisch wirksamer Leuchtschirm gebracht wird, der seinerseits über eine lichtstarke Mikroskopoptik auf einer bewegten photographischen Schicht abgebildet wird. Die Linsen des Objektivs bilden bei dieser Konstruktionsform zweckmäßig gleichzeitig die Trennwand zwischen Vakuum und Luftraum. Bei dieser Bauweise gewinnt man also den Vorteil, daß das photographische Aufzeichnungsmaterial mit seinen Antriebseinrichtungen sich außerhalb des Vakuumraumes befindet. Dieses ist insofern von Ix;-sonderer Bedeutung, weil das Aufzeichnungssystem dann als angeschmolzene Einheit aus- gebildet sein kann.

Eine weitere sehr wichtige Au'sführungsform, die die Vorteile der Innenaufnahme mit flen Vorteilen der zuletzt erwähnten Methode vereinigt, besteht darin, daß in .111 sich hc-Limiter Weise ein Lenard-Fenster vorgesehen wird und die registrierende photographische

Schicht unmittelbar hinter dem Lenard-Fenster im Außenraum vorbeigeführt wird.

Claims (20)

1. PATENTANSPRÜCHE:

   i. Elektronenstrahloszillograph, bei dem das Oszillogramm auf einer im Vakuum oder einem Vorvakuumraum der Kathodenstrahlröhre befindlichen. Fläche aufgezeichnet und mittelbar oder unmittelbar

   ίο auf einer gegenüber dem Strahl relativ sich bewegenden photographischen Schicht festgehalten wird, dadurch, gekennzeichnet, daß durch eine elektronenoptische Sammellinse kurzer Brennweite eine Blende, auf deren Öffnung ein Elektronenstrahl konzentriert wird, auf die in geringer Entfernung befindliche aufzeichnende Fläche derart abgebildet wird, daß auf dieser ein Brennneck von etwa fünffacher Korngröße der aktiven Schicht der Fläche, z. B. von etwa 5 · ro~³ mm, entsteht und daß die Ablenkplatten auf der der aktiven Schicht abgewandten Seite der Linse in geringem Abstand von ihr angeordnet sind.
2. 2. Oszillograph nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der abzubildenden Blende und der kurzbrennweitigen elektronenoptischen Sammellinse eine die Randstrahlen abschneidende Blende angeordnet ist.
3. 3. Oszillograph nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die kurzbrennweitige elektronenoptische Satnmellinse aus z. B. von permanenten FeIdmagneten erregten magnetischen Polschuhlinsen besteht.
4. 4. Oszillograph nach Anspruch 3, da-" durch gekennzeichnet, daß die Polschuhe zugespitzt und in die hierdurch entstehende Ausnehmung der Ablenkplatten gebracht sind.
5. 5. Oszillograph nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in dem PoI-schuhlinsensystem eine weitere den Strahl begrenzende Blende vorgesehen ist.
6. 6. Oszillograph nach den Ansprüchen 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kathodenstrahl in mehrere Strahlen unterteilt ist, die von z. B. von einem gemeinsamen Magneten erregten Polschuhlinsen und Ablenksystemen beeinflußt werden.
7. 7. Oszillograph nach Anspruch e>, dadurch gekennzeichnet, daß zur Halterung eier Polichuhlinsensysteme eine gemeinsame Schiene dient.
8. 8. Oszillograph nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vermeidung von magnetischen Xel>enschlüss:.Mi zwischen den einzelnen Polschuhlinsensystemen Materialaussparungen vorgesehen sind.
9. 9. Oszillograph nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Platten einen Winkel einschließen, dessen Scheitel 65 ' auf das Polschuhlinsensystem gerichtet ist.
10. 10. Oszillograph nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß außer den Ablenkmitteln selbst auch die Zuleitungen zu ihnen gegeneinander abgeschirmt sind.
11. ir. Oszillograph nach Anspruchs, dadurch gekennzeichnet, daß das Polschuhlinsensystem zur Trennung des Vorvakuums vom Hauptvakuum dient.
12. 12. Oszillograph nach einem der An-Sprüche ι bis 11 mit Trommelregistrierung, dadurch gekennzeichnet, daß die Registriertrommel neben ihrer Drehbewegung eine Axialbewegung ausführt.
13. 13. Oszillograph nach einem der Anspräche ι bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das System der Röhre gegenüber der Registriereinrichtung bewegbar angeordnet ist.
14. 14. Oszillograph nach einem der An- S5 sprüche ι bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß nur der untere Teil des Systems der Röhre gegenüber der Registriereinrichtung bewegbar ist.
15. 15. Oszillograph nach Anspruch 1, da- go durch gekennzeichnet, daß an der zum Tragen bzw. Führen des photographischen Materials bestimmten Trommel ein kleines, mit einem feinkörnigen Leuchtschirm versehenes lichtoptisches Prisma angebracht ist. und daß eine lichtoptischmikroskopische Optik zur Beobachtung des von dem Prisma z. B. tangential zur Trommel abgelenkten, gegebenenfalls über einen Polygonspiegel geführten Lichtstrahlenbündeis vorgesehen ist.
16. 16. Oszillograph nach Anspruch 1, da-' durch gekennzeichnet, daß als Auffangfiäche ein feinkörniger oder kornloser photographisch wirksamer Leuchtschirm dient, der über eine lichtstarke Mikroskopoptik auf der photographischen Registrierfläche abgebildet wird.
17. Zur Abgrenzung des Erfindungsgegenstands vom Stand der Technik sind im Erteilungsverfahren folgende Druckschriften in Betracht gezogen worden:
18. Schweizerische Patentschrift Xr. 15S401: britische Patentschrift Xr. 4S1660;
19. Journ. of the Americ. Inst, of Eleetr. Eng., IuIy 10.
20. 20. S. 534 ff. inslx?$ondere S. =;30, Abi>. 3.

    Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

    O 5702 1.54