DE758215C

DE758215C - Sekundaerelektronenvervielfacher

Info

Publication number: DE758215C
Application number: DEE47142D
Authority: DE
Original assignee: EMI Ltd
Current assignee: EMI Ltd
Priority date: 1934-07-05
Filing date: 1935-07-05
Publication date: 1952-05-15
Also published as: GB443777A; FR792249A; US2176221A

Description

AUSGEGEBEN AM 15. MAI 1952

REICHSPATENTAMT

PATENTSCHRIFT

KLASSE 21g GRUPPE 13i9

E 47142 VIII c/21g

Sekundärelektronenvervielfacher

Patentiert im Deutschen Reich vom 5. Juli 1935 an

Patenterteilung bekanntgemacht am 2. November 1944

Die Erfindung betrifft einen Sekundärelektronenvervielfacher. Man hat schon vorgeschlagen, die Sekundäremission von Elektronen zur Erzielung einer Verstärkung bei lichtelektrischer! Vorrichtungen zu benutzen. Zu diesem Zweck hat man in einer lichtelektrischen Zelle eine aus einem Gewebe bestehende Anode und eine Sekundärkathode vorgesehen, die auf der der lichtelektrischen Kathode abgekehrten Seite angeordnet war. Die Anode und die Sekundärkathode werden auf gegen die lichtelektrische Kathode positiven Potentialen gehalten, und zwar ist das Potential der Anode höher als das der Sekundärkathode. Die von der lichtelektrischer! Kathode ausgehenden Photoelektronen werden nach der Anode hin beschleunigt, gehen durch ihre Maschen hindurch und treffen auf die Sekundärkathode auf, wo sie Sekundärelektronen auslösen, von denen viele nach der Anode hingezogen werden. Es hat sich gezeigt, daß bei einer solchen Anordnung der zur Anode fließende Elektronenstrom größer ist als derjenige¹, den man mit einer undurch-

\nordnung werden Elektronen

lässigen Anode durch die Photoelektronen allein erhält.

Da bei dieser Anordnung die Sekundärelektronen sich von der Sekundärkathode zur Anode auf derselben Bahn wie die Photoelektronen bewegen, ist es nicht möglich, eine mehr als einstufige Verstärkung zu erhalten. Man hat auch schon einen mit Sekundäremission arbeitenden Verstärker vorgeschirr ίο gen, der die Anordnung" mehrerer Verstärkers tu fen ermöglicht. Zu diesem Zweck wurde eine Mehrzahl von koaxialen zylindrischen oder kegelstumpfförmigen Prallelektroden hintereinander angeordnet. Den Frallelektroden werden stufenweise von der mit ihnen zusammenarbeitenden Kathode ansteigende Spannungen gegeben. Im Fall von Kegelstumpfelektroden sind die weiten Enden der Kathode zugekehrt.
Bei dieser

von der Kathode nach der nächsten Prall· elektrode zu beschleunigt; einige von diesen Elektronen treffen auf die Prallelektrode auf und lösen von dieser Sekundärelektronen aus. Diese Sekundärelektronen werden nach der zweiten Prallelektrode hin beschleunigt und diejenigen, die auf diese au ft reffen, lösen von ihr Tertiärelektroden aus usw. Die letzte Elektrode kann ein geschlossenes Ende haben, so- daß sie dazu dient, die ankommenden Elektronen zu sammeln.

Diese bekannte Anordnung gestattet im Gegensatz zu der ersterwähnten eine mehrstufige Verstärkung, da die Sekundärelektronen, die in der einen Stufe erzeugt werden, aus der Bahn der Primärelektronen der früheren Stufe heraus in die nächste Stufe gezogen werden.

Das elektrostatische Feld zwischen den a uf ei η a η der f öl gendeη P r al lelekt rode η \v i rk t zwar zufriedenstellend als Beschleunigungsfeld, hat aber die Xeigung, die Elektronen nach der Achse der Prallelektroden hin zu sammeln und so die Zahl der auf die Prallelektroden auftreffenden" Elektronen zu verringern.

Es ist nun ferner bereits bekannt, mit Hilfe van elektrischen und magnetischen Feldern die Elektronen jeweils auf die auf ihre Ursprungselektrode folgende Prallelektrode zu lenken. Dabei ergibt sich aber, daß der Strahlquerschnitt der aufprallenden Elektronen auf der Prallelektrode von Stufe zu Stufe zunimmt, so daß er sehr bald größer wird als die Fläche der Prallelektrode. Dann geht al*er wieder der Teil der Elektronen, der nicht auf der Prallfläche auftreffen kann, für die Verstärkung verloren. Dieser Übelstand wird erfindungsgemäß beseitigt durch einen Sekundärelektronenvervielfaeher mit mindestens zwei als undurchlässige Prallflächen ausgebil-

deten Prallelektroden, die auf zunehmenden Potentialen gegenüber der Elektronenquelle liegen, bei dem die von einer Primärquelle'erzeugten Elektronen zur ersten Prallelektrode, die dort erzeugten Sekundärelektronen zu einer zweiten Prallelektrode, die hier erzeugten Sekundärelektronen gegebenenfalls unter Zwischenschaltung noch weiterer Prall- : elektronen zur Auffangelektrode oder Anode gelangen und magnetische oder elektrische Felder zur Führung der Elektronen vorgej sehen sind, und der dadurch ausgezeichnet j ist, daß zwischen je zwei Prallelektroden eine : magnetische oder elektrische Sammellinse

vorgesehen ist, zum Zweck, die ausgesandten ; Elektronen gebündelt und praktisch vollj zählig zur nächstfolgenden Prallelektrode zu befördern.

Die Erfindung behandelt ferner einen Vervielfacher mit einer Elektronenquelle, einer Prallfläche, die Elektronen von dieser Quelle empfängt und l>eim Aufprall dieser Elektronen Sekundärelektronen abgibt, und einer Elektrode zur Aufnahme dieser Sekundärelektronen. Dabei ist die Anordnung so, daß die Elektronenquelle und die Auffangelektrode auf der einen Seite einer Ebene und die von den Primärelektronen getroffene Prallfläche auf der anderen Seite dieser Ebene angeordnet sind, so daß der Weg der Primärelektronen von der Quelle zur P rail fläche und der Weg der Sekundärelektronen von der Prallfläche zur Auffangelektrode zickzackförmig über die Ebene hin und her geht. ·

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung. Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung in zwei Abbildungen schematisch dargestellt.

Bei der Ausführungsform gemäß Abb. 1 ist ein entlüfteter Glaskolben 1 zickzackförmig gebogen und enthält an dem einen Ende eine mittelbar geheizte Kathode 2. An den Knickstellen der Röhre sind Prallflächen Ay .-/.„ A_s und A£ angeordnet, während am anderen Ende der Röhre eine Ausgangselektrode 3 angeordnet ist. Der Innenraum d*r Röhre ist nahezu vollständig mit Schirmen 4, 5, 6, 7 in Form von innerhalb der Röhren liegenden Metallzylindern oder von Metallbelegungen auf der Innenwand der Röhre

Die Prallflächen A₁ bis A₁ und die Ausgangselektrode 3 werden auf gegen die Kathode 2 stufenweise zunehmenden Potentialen gehalten. Die Schirme 4, 5, 6 und 7 sind mit · den neben ihren der Kathode abgekehrten Enden befindlichen Prallflächen verbunden, so daß der Schirm und die mit ihm verbundene Prallfläche dasselbe Potential lx?sitzen. Die Schirme können aber auch von den Prall-

flächen isoliert sein und auf anderen Potentialen gehalten werden, die zweckmäßig zwischen den Potentialen der zu ihren beiden Seiten liegenden Elektroden liegen. Die erfoir-S derlicheh Spannungen werden von einem Spannungsteiler 8 abgenommen, der eine Stromquelle 9 überbrückt. Um die Schirme 4, 5, 6 und 7 herum sind Spulen M angeordnet, die von einer nicht gezeichneten Stromquelle gespeist und durch dazwischenliegende Schirme 10 gegeneinander abgeschirmt werden.

Erforderlichenfalls können die Enden einiger oder aller Schirme 4, 5, 6 und 7 mit Gittern oder Drahtreihen G abgedeckt werden. Im Betrieb werden Primärelektronen von der Kathode 2 durch das elektrische Feld zwischen Elektrode A₁ und Schirm 4 (und Gitter G, falls vorhanden) einerseits und der Kathode2 (und der Elektroden, die später, noch beschrieben wirdj anderseits nach der Prallfläche A₁ hin beschleunigt. Des weiteren wird eine Sammelwirkung auf die Primärelektronen ausigeübt durch das magnetische Feld der Spule M, die ihren Weg umgibt, so daß die Bahnen etwas gekrümmt sind, wie durch die Linien E angedeutet. Durch die Konzentrierungseinrichtung in Form der Spulen M wird eine größere Zahl von Elektronen auf die Prallflächen gelenkt, und das Auftreffen von Elektronen auf die Röhrenwände verringert.

Die Elektronen treffen auf die Prallfläche A₁ mit einer Geschwindigkeit V₁ auf, die gleich der Potentialdifferenz zwischen der Fläche ^₁ und der Kathode 2 ist. Diese Geschwindigkeit ist mit Rücksicht auf den Stoff, aus dem die Prallfläche besteht, so> gewählt, daß jedes Primärelektron eine Mehrzahl von Sekundärelektronen auslöst. Diese Sekundärelektronen werden aus der Bahn der Primärelektronen heraus durch das elektrische Feld zwischen der Fläche A₁ und dem Schirm 5 und der Fläche A₂ zur Prallfläche A₂ hin beschleunigt.Die Prallfläche A₁ bildet somit eine Elektronenquelle für die Prallfläche A₂, und es spielt sich derselbe Vorgang ab, wie für die Primärelektronen beschrieben.

Die von der Prallfläche A_i ausgelösten Elektronen werden nach der Auslgangselektrode 3 hin beschleunigt und von dieser aufgenommen; sie ist als Faradayscher Käfig ausgebildet, so· daß keine Sekundärelektronen aus ihr entweichen können. Der zu dieser Ausgang'selektrode übergehende Elektronenstrom, der viel größer gemacht werden kann als der ursprüngliche Primäremissionsstrom der Kathode 2, fließt durch eine Ausgarigsimpedanz 12.

Wenn man diese Vorrichtung dazu verwenden will, um Änderungen elektrischer Größen zu verstärken, können diese Schwankungen einer Steuerelektrode 11 zugeführt werden, welche die Zahl der Primärelektronen, die zur Prallfläche A₁ hingehen, entsprechend den angelegten Potentialschwankungen steuert. An der Ausgangs impedanz 12 treten dann verstärkte und entsprechende Potentialänderungen auf.

Man erkennt, daß der Elektronenweg von der Kathode 2 nach der Ausgangselektrode 3 zickzackförmig verläuft und die Mittelebene 13 der Röhre mehrmals durchstößt. Man kann deshalb mit dieser Anordnung jede gewünschte Zahl von Verstärkerstufen erhalten und die Konzentrierungseinrichtung so anordnen, daß ein großer Teil der Elektronen in jeder Stufe auf ihre Prallfläche auf trifft.

Die Prallflächen können aus einem Alkalimetall bestehen, das etwa auf eine Silberoxydschicht aufgebracht ist. Bei einem Ausführungsbeispiel wird Cäsium verwendet; in diesem Fall verläuft die Sekundäremissionskurve so, daß das Verhältnis der ,Sekundäremission zur Primäremission mit von Null ansteigender Aufprallgeschwindigkeit von Null anwächst, bis dieses Verhältnis bei einer Geschwindigkeit von 20 bis 30 Volt gleich 1 geworden ist. Wenn die Geschwindigkeit weiter zunimmt, wird das Verhältnis größer als ι und erreicht bei einer Geschwindigkeit von etwa 200 Volt einen Wert, der nicht wesentlich zunimmt, wenn die Geschwindigkeit weiter vergrößert wird. Das Verhältnis beginnt erst wieder abzunehmen, wenn die Geschwindigkeit von der Größenordnung von ⁹^ 2000 bis 5000 \^Aolt ist. Deshalb werden die Potentialunterschiede zwischen den Elektronenquellen und den Prallflächen vorteilhafterweisebei diesem Ausführungsbeispiel etwa· gleich 200 Volt gemacht. So können bei einem Kathodenpotential, von ο Volt die Potentiale der Prallflächen A₁, A₂, A₃ und A_i gleich 200, 400, 600 und 800 Volt sein.

Wichtig ist, daß an der Oberfläche jeder Prallfläche ein Feld von genügender Stärke besteht, um den von dieser Oberfläche ausgelösten Sekundärelektronen eine dazu möglichst genau lotrecht stehende Beschleunigung zu erteilen. Offenbar müssen die an dieser Oberfläche ankommenden Primärelektronen durch dieses Feld hindurchgehen, welches sie zu verzögern und abzulenken trachtet. Daher muß dieses Feld schwach sein gegen das Feld, das die Primärelektronen beschleunigt. Zu beachten ist, daß bei der Vorrichtung gemäß Abb. ι die von der Kathode 2 kommenden Primärelektronen in einem beträchtlichen Abstand von der Prallfläche A₁ auf ihre größte Geschwindigkeit beschleunigt werden, weil der Schirm 4 dasselbe Potential hat wie A₁: diese Primärelektronen bewegen sich von dem Punkt, an dem sie ihre größte Geschwindig-

keit erhalten, vermöge der ihnen erteilten Bewegungsenergie weiter zur Prallfläche.

Wenngleich in dem letzten Absatz auf Primär- und Sekundärelektronen in der ersten Stufe Bezug genommen ist, gelten dieselben Ausführungen natürlich auch für die folgenden Stufen; so können die an der Prallfläche A₁ ausgelösten Sekundärelektronen als die Primärelektronen für die zweite Stufe l>etrachtet werden usw.

Es ist natürlich nicht notwendig, daß die Beschleunigung in jeder Stufe durch nur ein einziges Paar von zusammenarbeitenden Elektroden bewirkt wird. Erforderlichenfalls können zwischen der Elektronenquelle und der Prallfläche eine oder mehrere zusätzliche Elektroden vorgesehen werden, die vorzugsweise auf Spannungen gehalten werden, die mit zunehmendem Abstand von der Elektronenquelle stufenweise zunehmen, so daß die Elektronen stufenweiise auf die gewünschte Geschwindigkeit beschleunigt werden.

Die Gitter G können erforderlichenfalls von den Schirmen, mit denen sie in Abb. ι vera5 bunden sind, getrennt sein und auf anderen Potentialen als die Schirme gehalten werden. Die Elektroden können auch in bekannter Weise als Elektronenlinsen ausgebildet werden, die auf die Elektronen eine konzentrierende Wirkung· ausüben. Sie können dazu verwendet werden, die Spulen M zu unterstützen, oder es können diese Spulen dann auch weggelassen werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem die konzentrierende Wirkung vollständig durch elektrostatische Felder erzeugt wird, ist in Abb. 2 dargestellt.

In dieser Abbildung hat der Kolben 14 nicht Zickzackform, sondern diei Form einer einfachen Röhre. Die lichtelektrische Kathode 15 dient als Elektronenquelle. Das durch die Linien 16 dargestellte Licht fällt auf diese Kathode und löst Photoelektronen aus, die durch eine Elektrode 17 beschleunigt werden, die zwischen der Kathode 15 und dem Schirm 4 angeordnet ist. Die Elektronen werden durch das punktiert angegebene Feld zwischen der Elektrode 17 und dem, Schirm 4 gebündelt und weiter beschleunigt und treffen die Prallfläche A₁ und lösen aus letzterer Sekundärelektronen aus. Die Elektroden 17 und 4 bilden eine Elektronenlinse für die erste Stufe; ähnliche Linsen 18 und 5, 19 und 6, 20 und 7 sind in den anderen Stufen vorgesehen. Über den Enden der Elektroden 17, 18, 19, 20 und 3 können Gitter G angeordnet werden.

Die Potentiale, die den verschiedenen

Elektroden zugeführt werden, sind in der Zeichnung angegeben, und zwar sind sie negativ gegen Erde. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Aufprallgeschwindigkeit der Primärelektronen auf die Prallfläche in jeder Stufe 500 Volt.

Die Elektroden 17 und4 wirken als elektrostatische Schirme, die die erste Stufe gegen die folgenden Stufen abschirmen. Entsprechende Elektroden in den anderen Stufen wirken in derselben Weise.

Die Vorrichtung von Abb. 2 gestattet es, durch die Belichtung bei 3 einen viel größeren Elektronenstrom zu erhalten, als es mit einer einfachen lichtelektrischen Zelle möglich ist. Erforderlichenfalls kann die Vorrichtung als Verstärker von Lichtschwankungen verwendet werden, wobei Änderungen des Lichtes 16 durch verhältnismäßig größere Potentialänderungen an der Ausgangsimpedanz 12 wiedergegeben werden.

Claims

80 Patentansprüche:

i. Sekundärelektronenvervielfacher mit mindestens zwei als undurchlässige Prallflächen ausgebildeten Prallelektroden, die auf zunehmenden Potentialen gegenüber der Elektronenquelle liegen, l>ei dem die von einer Primärquelle erzeugten Elektronen zur ersten Prallelektrode, die dort erzeugten Sekundärelektronen zu einer zweiten Prallelektrode, die hier erzeugten Sekundärelektronen gegebenenfalls unter Zwischenschaltung noch weiterer Prallelektroden, zur Auffangelektrode oder Anode gelangen und magnetische oder elektrische Felder zur Führung der Elektronen vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen je zwei Prallelektroden eine magnetische oder elektrische Sammellinse vorgesehen ist, zum Zweck, die ausgesandten Elektronen gebündelt und praktisch vollzählig zur nächstfolgenden Prallelektrode zu befördern.
2. Vervielfacher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für jede Vervielfachungsstufe eine Magnetspule (M) vorgesehen ist, die durch Schirme (10) gegeneinander abgeschirmt sind.
3. Vervielfacher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektronenbahnen seitlich nahezu vollständig no mit leitenden Schirmen umgeben sind.
4. Vervielfacher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die leitenden Schirme aus innerhalb des Vakuumgefäßes angeordneten Metallzylindern oder aus Metallbelegungen auf der Innenwand des Vakuumgefäßes l>estehen.
5. Vervielfacher nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Schirm mit der neben seinem kathoden fernen Ende befindlichen Prallfläche leitend verbunden ist.
6. Vervielfacher nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schirme von den Prallflächen isoliert und auf einem anderen Potential als die Prallflächen, vorzugsweise auf einem zwischen den Potentialen der Prallflächen, zwischen denen sie sich erstrecken, liegenden Potentaal gehalten sind.
7. Vervielfacher nach Anspruch. 3 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß alle Schirme oder ein Teil von ihnen mit einem Gitter abgedeckt sind.
8. Vervielfacher nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Gitter von den Schirmen isoliert und auf anderen Potentialen als letztere gehalten sind.
9. Vervielfacher nach Anspruch 1 oder folgenden, gekennzeichnet durch eine solche Anordnung der Elektroden, daß die Elektronenbahn zwischen der Kathode und der Ausgangselektrode zickzackförmig verläuft (Abb. 1).
10. Vervielfacher nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Vakuumgefäß selbst ziekzackförmig ausgebildet ist.
11. Vervielfacher nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode und die Ausgangselektrode auf derselben Seite einer Ebene und die von den Primärelektronen getroffene Prallfläche auf der anderen Seite derselben angeordnet sind.
12. Vervielfacher nach Anspruch 1 oder folgenden, gekennzeichnet durch eine derartige Ausbildung der Elektroden, daß zwischen der Primärkathode und der ersten Prallfläche bzw. zwischen zwei aufeinanderfolgenden Prallflächen bzw. zwischen der letzten Prallfläche und der Ausgangselektrode eine elektrostatische

4.0 Sammellinsenwirkung zustande kommt.
13. Vervielfacher nach Anspruch 3 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Schirme so angeordnet und ausgebildet sind, daß sie die Elektronen konzentrieren.
14. Vervielfacher nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Elektronenlinse erzeugenden Elektroden aus einem Paar von durch einen Spalt getrennten Schirmen (4, 17; 5, 18; 6, 19; 7, 20) bestehen.
15. Vervielfacher nach Anspruch 14, .dadurch gekennzeichnet, daß der von der Elelctironenursprungskathode weiter entfernte Schirm mit der folgenden Prallfläche leitend verbunden ist, während der der Elektronenursprungskathodei nähere Schirm ein Potential, welches zwischen dem der Ursprungselektrode und der folgenden Prallfläche liegt, besitzt.
16. Vervielfacher nach Anspruch 1 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet:, daß zwischen der Kathode und der ersten Prallfläche eine innerhalb eines Schirmes befindliche Steuerelektrode (11) angeordnet ist. 6g
17. Vervielfacher nach Anspruch 1 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangselektrode (3) derart als , Faradayscher Käfig ausgebildet, vorzugsweise vorn durch ein Gitter abgedeckt und hinten verschlossen ist, daß keine Elektronen aus ihr entweichen können.
18. Vervielfacher nach Anspruch 1 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Elektronenquelle und der auf sie folgenden Prallfläche eine oder mehrere zusätzliche, auf steigenden positiven Potentialen gehaltene Elektroden zur Erzielung einer stufenweisen Beschleunigung vorgesehen sind.

Zur Abgrenzung des Erfindungsgegenstands vom Stand der Technik sind im Erteilungsverfahren folgende Druckschriften in Betracht gezogen worden:

Deutsche Patentschriften Nr. 421 581, 527444, 581499;

französische Patentschrift Nr. 582 428;

britische Patentschrift Nr. 381 306;

USA.-Patentschriften Nr. 1 450 265,
ι 559 460, ι 903 569, ι 920 863.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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