DE764838C - Sekundaerelektronenvervielfacher, bestehend aus einer Photokathode mit einer oder mehreren an steigenden Spannungen liegenden gitter-foermigen Prallelektroden, die aus hochkant gegen die Elektronen-stroemung gerichteten Prallplatten zusammengesetzt sind - Google Patents

Description

AUSGEGEBEN AM
18. OKTOBER 1954

REICHSPATENTAMT

PATENTSCHRIFT

KLASSE 21g GRUPPE 1319

vS 123013 VIII c 121 g

Siemens & Halske A. G., Berlin und München

Patentiert im Deutschen Reich vom 14. Juni 1936 an Patenterteilung bekanntgemacht am 18. Januar 1945

Zur Steigerung der von einer Kathode gelieferten Elektronenströme benutzt man in den bekannten Sekundäremissionsverstärkerröhren oder -vervielfachern die Fähigkeit schnell bewegter Elektronen, beim Auftreffen auf eine geeignet positiv vorgespannte und aktivierte Platte eine Auslösung von Sekundärelektronen zu bewirken, durch die ein verstärkter Emissionsstrom erzielt werden kann. Durch wiederholte Ausnutzung dieses Sekuudäremissionseffektes in mehreren aufeinanderfolgenden Stufen kann man bekanntlich in den Endstufen Elektronenströme erzeugen, die wesentlich größer sind als der ursprüngliche Kathodenstrom.

Um eine gute Wirkung in solchen mit Sekundäremission arbeitenden Verstärkerröhren zu erzielen, ist es wesentlich, den Elektronenstrahl derart zu beeinflussen, daß ein möglichst hoher Anteil der an den einzelnen Elektroden erzeugten Elektronen jeweils auf die nachfolgende Elektrode mit der höheren

*) Von der Patentsucherin ist als der Erfinder angegeben worden:

Otto Krenzien, Berlin

Spannung auftriftt und zur Erzeugung weiterer Sekundärelektronen führt.

Die Schwierigkeit, diesen Anforderungen zu genügen, hatte bei einigen bereits bekannten Verstärkerröhren dieser Art sogar schon zum Verzicht auf eine Vervielfachung in mehreren Stufen geführt, d. h. man begnügte sich mit der Ausnutzung der Sekundäremission an einer einzigen Elektrode, die ίο der Kathode gegenübersteht. Erst infolge Verwendung von besonders durchgebildeten elektrischen Feldern oder von elektrischen Feldern im Zusammenwirken mit einem Magnetfeld gelang es, die Elektronen auf solchen Bahnen zu führen, daß eine große Vervielfachung in mehreren; Stufen möglich wurde. Bei den bekanntgewordenen Verstärkerröhren, die mit mehrfacher Sekundäremission arbeiten, sind, soweit sie auf die ao Verwendung von Magnetfeldern verzichten, bisher ausschließlich rotationssymmetrische Potentialfelder zur Anwendung gebracht worden, wie sie durch Kombination von einfachen Strahlblenden geeigneten Potentials in der geometrischen Elektronenoptik zur Erzielung scharfer und verzerrungsfreier Abbildungen hergestellt werden.

Alle derartigen Verstärkereinrichtungen,

die Photoelektronenströme mit Hilfe von Sekundäremission vervielfachen, besitzen den wesentlichen Xachteil, daß ihre Bauteile sich gegenseitig beschatten. Insbesondere wird hiervon die Photokathode selbst betroffen, so daß Lichtstrahlen mit sehr großer Apertur, beispielsweise das Licht großer Scheinwerfer oder insbesondere auch das diffuse Tageslicht, nur unvollkommen ausgenutzt werden. Eine Verkleinerung der Apertur eines diffusen Lichtbündels durch optische Abbildung ist aber nicht möglich, ohne daß ein großer Teil der Strahlen verlorengeht.

Es ist bekannt, Sekundäremissionsverstärkerröhren mit drahtförmiger Kathode und konzentrischen Elektroden auszurüsten. Diese Röhren haben ein magnetisches Führungsfeld, was im allgemeinen Störungen des primären Elektronenstroms mit sich bringt. Außerdem sind diese bekannten Röhren nicht für großflächige Kathoden verwendbar, während bei der Erfindung darauf ausgegangen wird, großflächige Kathoden in vorteilhafter Weise benutzen zu können.

Diese Nachteile können vermieden werden, wenn die Sekundäremissionselektroden gitterförmig ausgebildet werden, und zwar so, daß sie nur einen ganz geringen Flächenteil der Photokathode beschatten. Soll dies aber der Fall sein, dann geht ein verhältnismäßig großer Teil des primären Elektronenstromes für die Bildung der Sekundärelektronen verloren.

Die Anordnung nach der Erfindung erlaubt es, den genannten Bedingungen gerecht zu werden und den primären Elektronenstrom dabei weitgehend für die Erzeugung von Sekundärelektronen auszunutzen. Zu dem Zweck sind bei einem Sekundärelektronenvervielfacher, der aus einer Photokathode und einer oder mehreren an steigenden Spannungen liegenden gitterförmigen Prallelektroden besteht, die aus hochkant gegen die Elektronenströmung gerichteten Prallplatten zusammengesetzt sind, erfindungsgemäß in den Zwischenräumen zwischen den hochkant gestellten und gegen die Elektronenbewegung gerichteten plattenförmigen und im wesentlichen parallel zueinander verlaufenden Prallelektroden platten- oder drahtförmige Führungselektroden angeordnet, deren Lage gegenüber den Prallelektroden und deren Potentiale so gewählt sind, daß sie den das Elektronensystem durchfließenden Elektronenstrom gegen die Prallelektroden lenken.

Die Elektrodenplatten, an welchen die Sekundäremission stattfindet, stehen also hochkant zur Oberfläche der Kathode und beschatten diese daher nur in ganz geringem Maße. Andererseits wird aber dafür gesorgt, daß der ganze, von der großflächigen Photokathode ausgehende Elektronenstrom gegen die Sekundäremissionsplatten gelenkt wird, wobei natürlich nicht der gesamte Elektronenstrom über seinen ganzen Querschnitt einheitlich, sondern in einzelnen Bündeln gegen die entsprechenden Sekundäremissionselektroden gelenkt wird.

Die Führungsgitter, welche den Elektroneustrom gegen die Verstärkerelektrode lenken, können zweckmäßig aus hochkant gestellten flachen Streben gebildet werden, wobei die Streben der Führungsgitter teilweise zwischen den Streben der entsprechenden Verstärkergitter angeordnet und vorzugsweise nach der Kathodenseite zu gelegen sind. Im Interesse einer möglichst geringen Beschattung der Photokathode durch die Gitterelektroden kann es bei mehrstufigen Anordnungen vorteilhaft sein, alle Führungsgitter der verschiedenen Stufen und ebenso die entsprechende Serie von Verstärkergittern je hintereinander no anzuordnen, so daß die Öffnungen der betreffenden Gitterart sich decken. Die Potentialbemessung der aufeinanderfolgenden Elektroden muß so beschaffen sein sowie ferner der Durchgriff der Führungsgitter durch das zugehörige Verstärkergitter so klein sein, daß die ausgelösten Sekundärelektronen in Richtung zur nächsten Verstärkerstufe stets in einem beschleunigenden Felde verlaufen.

Eine Steigerung der lichtelektrischen Emp- 12a findlichkeit der erfindungsgemäßen \"erstärkerröhren wird weiterhin erzielt, wenn

man die negativ gegenüber ihrer Umgebung vorgespannten Führungsgitter mit derselben lichtelektrisch empfindlichen Oberfläche versieht wie die Photokathode. Die lichtelektrisch erzeugten Elektronen, die dann an den Stegen eines der Gitter zusätzlich entstehen, gelangen zusammen mit den erzeugten Sekundärelektronen zugleich zur nächsten Stufe bzw. zuletzt auch zu der am höchsten positiv geladenen,

ίο ebenfalls gitterförmigen Anode, d. h. sie verstärken die lichtelektrische Ausbeute der Röhre.

Da das Licht in der gewählten Anordnung durch sämtliche gitterförmig ausgebildeten Elektroden hindurch auf die Kathode fallen kann, so steht sowohl einer großflächigen Ausgestaltung der Kathode sowie auch der Nutzbarmachung der an ihr lichtelektrisch ausgelösten Elektronen für den Vervielfachungsvorgang kein Hindernis im Wege.

Nähere Einzelheiten über die zweckmäßige Ausbildung der Elektronensysteme gemäß der Erfindung sind aus den Fig. 1 bis 3 zu ersehen, in denen die Äquipotentiallinien für verschiedene Anordnungen und Spannungsbemessungen eingezeichnet sind. Die Zahlenwerte an den einzelnen Linien geben die Potentialerhöhungen in Volt an, die gegenüber einem Nullniveau für die betreffenden Stellen des elektrischen Feldes bestimmt wurden. Die Potentialverteilung wurde in bekannter Weise gewonnen durch Ausmessung der einzelnen Systeme im elektrolytischen Wassertrog. Von der Mitteilung einzelner berechneten Elektronenbahnen wurde abgesehen, da die Anfangsgeschwindigkeiten der Sekundärelektronen über zu breite Bereiche verteilt sind. Die elektrischen Feldlinien, denen die Elektronen nur streng folgen würden, falls sie keine Anfangsgeschwindigkeit besäßen, sind daher nicht besonders dargestellt; sie würden natürlich stets senkrecht zu den Äquipotentiallinien gelegen sein.

Das auf die Photokathode K fallende Licht-

+5 bündel ist bei allen Figuren von unten her kommend zu denken.

Aus der Lage der Äquipotentiallinien in Fig. ι ist erkennbar, welchen Vorteil man erzielt, wenn gemäß der Erfindung außer dem Sekundäremissionsgitter 6* noch eine gitterförmige Führungselektrode F vorhanden ist. Durch die zusätzliche Verwendung eines negativ vorgespannten Führungsgitters F wird eine gute Führung aller Primärelektronen zum Sekundäremissionsgitter S bewirkt und damit die Erzeugung einer großen Zahl von Sekundär elektronen gewährleistet. Wie aus der Fig. 1 aber gleichzeitig hervorgeht, ist hiermit noch nicht auf alle Fälle eine gute Vervielfachungs- bzw. Verstärkungswirkung verbunden, denn die aufgenommenen Potentiallinien lassen außerdem erkennen, daß die an .S ausgelösten Sekundärelektronen ein Gegenfeld zu überwinden haben, ehe sie in das beschleunigende Feld der Anode A gelangen, d. h. die Sekundärelektronen, die mit geringer Anfangsgeschwindigkeit von S kommen, werden abgebremst und können überhaupt nichts zu einer Verstärkung des lichtelektrischen Stromes beitragen. Bei einem solchen Sekundäremissionsverstärker ist daher hinsichtlich der Anordnung der Gitter dafür zu sorgen, daß bei vorgegebenen Spannungsdifferenzen zwischen den einzelnen Elektroden die Sekundär elektronen sofort nach ihrer Entstehung in ein beschleunigendes Feld gelangen. Dies kann geschehen, indem man die Durchgriffe derjenigen Elektroden entsprechend wählt, die am Aufbau der Potentialfelder vor den betreffenden Elektroden beteiligt sind.

In verstärktem Maße ist natürlich der Potentialverteilung zwischen den einzelnen Elektroden Beachtung zu schenken, wenn der erzeugte Sekundäremiesionsstrom nicht sogleich zur Anode geleitet wird, sondern seinerseits als Primärstrom an einer weiteren Gitterelektrode zur Auslösung von Sekundärelektronen dienen soll. In den Fig. 2 und 3 sind derartige als mehrstufige Verstärker dienende go Elektrodenanordnungen mit den ausgemessenen Potentiallinien wiedergegeben. Während bei der Anordnung in Fig. 2 noch in Richtung zur nächsten Verstärkerstufe die schädlichen Potentiallinien auftreten, die negativer sind als die Sekundäremissionselektroden und eine Abbremsung der Sekundärelektronen hervorrufen (vgl. beispielsweise die eingezeichnete Äquipotentiallinie für 130 Volt zwischen dem Gitter JT₂ mit 150 Volt Spannung und dem Gitter S₃ mit 220 Volt Spannung) ist in Fig. 3 infolge Wahl eines geringeren Durchgriffes der negativen Führungsgitter F₁ ... F₄ keine solche Potentialschwelle für die Sekundärelektronen mehr vorhanden, d.h. die Sekundär elektronen finden sogleich bei ihrem Austritt ein nach der nächsten Sekundäremissionsstufe beschleunigendes Feld vor.

In den Fig. 2 und 3 sind vier aufeinanderfolgende Sekundäremissionsverstärkerstufen angenommen. Die Kathode K ist als Hohlkörper mit im Innern aktivierter Oberfläche ausgebildet, so daß sie für Lichtstrahlen ähnlich wie ein schwarzer Körper zu wirken vermag, d. h. eine größtmögliche Ausnutzung des auftreffenden Lichtes ist gewährleistet.

Da die Streben der einzelnen Gitter gleichfalls photoelektrisch aktiviert sind, so werden auch an ihnen Photoelektronen ausgelöst, die gegebenenfalls auch mit in die einzelnen Verstärkerstufen gelangen und auf alle Fälle zu

einer Vergrößerung des Endstromes beitragen, so daß die Beschattung der Kathode durch die einzelnen Gitterstreben noch in ihrer Bedeutung wesentlich vermindert ist. Die Potentialbemessungen für die einzelnen aufeinanderfolgenden Stufen sind natürlich dem mit der Annäherung an die Anode zunehmenden allgemeinen Potentialniveau angepaßt und sind aus den eingezeichneten ίο Äquipotentiallinien in ihren Einzelheiten den Figuren zahlenmäßig zu entnehmen.

Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Elektrodenanordnung liegt ferner darin, daß die Sekundäremissionselektroden eine relativ große Oberfläche besitzen. Mit dieser großen Oberfläche ist einerseits eine höhere thermische Belastbarkeit verbunden, was um so mehr ins Gewicht fällt, als nämlich derartige aktivierte Elektroden nur geringe ao Temperaturerhöhungen vertragen (70 bis 2oo° C), wenn sie ihre hohe Sekundärelektronenemissionsfähigkeit nicht verlieren sollen. Andererseits wirkt sich die große Oberfläche insofern auch günstig aus, als die Emissionsdichte selbst für die Sekundäremissionselektrode der letzten Stufe erst bei höheren Stromstärken Werte erreicht, bei denen der Elektronentransport durch negative Raumladungen begrenzt wird. Diese Vorzüge der Anordnungen werden natürlich nicht nur bei einer Vervielfachung von Photoelektronenströmen wirksam, sondern können auch für irgendwelche anderen Elektronenströme, beispielsweise für Glühelektronenströme, nutzbar gemacht werden. Die Anordnungen nach der Erfindung zeichnen sich weiterhin dadurch günstig aus, daß sie beim Aktivierungsverfahren durch Aufdampfen eine Aufbringung der aktiven Schicht auf die einzelnen Elektroden ohne besondere Mühe gestatten. Da der zur Aktivierung benutzte Metalldampf, vorzugsweise Alkalimetalldampf, nur einen niedrigen Dampfdruck (etwa io~~³ mm Hg) besitzt, so ist es bei den bekannten Röhren schwierig, den Dampf in genügenden Mengen durch die engen Schlitze zwischen den Zylinderelektroden zu bringen, damit die Innenflächen mit aktivem Metall bedeckt werden. Diese Schwierigkeiten kommen bei den Gitter-So elektroden in Fortfall, da der Metalldampf überall unbehindert zu den einzelnen Gitterteilen gelangen kann.

Claims (6)

1. Patentansprüche:

   i. Sekundärelektronenvervielfacher, bestehend aus einer Photokathode mit einer oder mehreren an steigenden Spannungen liegenden gitterförmigen Prallelektroden, die aus hochkant gegen die Elektronenströmung gerichteten Prallplatten zusammengesetzt sind, dadurch gekennzeichnet, daß in den Zwischenräumen zwischen den hochkant gestellten und gegen die Elektronenbewegung gerichteten plattenförmigen und im wesentlichen parallel zueinander verlaufenden Prallelektroden platten- oder drahtförmige Führungselektroden angeordnet sind, deren Lage gegenüber den Prallelektroden und deren Potentiale so gewählt sind, daß sie den das Elektrodensystem durchfließenden Elektronenstrom gegen die Prallelektroden lenken.
2. 2. Sekundärelektronenvervielfacher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Führungsgitter in den Zwischenräumen zwischen den Platten des Prallgitters oder in der Elektronenflugrichtung gesehen kurz vor diesem angeordnet ist.
3. 3. Sekundärelektronenvervielfacher nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungsgitter der verschiedenen Stufen und ebenso die entsprechenden Prallgitter je hintereinanderliegen und derart ausgebildet sind, daß sich die Öffnungen der betreffenden Gitter decken.
4. 4. Sekundärelektronenvervielfacher nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode als Hohlkathode ausgebildet ist und eine aktivierte Innenfläche hat.
5. 5. Sekundärelektronenvervielfacher nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Streben der Gitter aktiviert sind.
6. 6. Sekundärelektronenvervielfacher nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungsgitter aus flachen Streben bestehen, die hochkant angeordnet sind.

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

   Deutsche Patentschrift Nr. 584 305:

   französische Patentschrift Xr. 779 724;

   britische Patentschriften Xr. 180655, 352588;

   Zemeck und Rukop, »Lehrbuch der drahtlosen Telegraphier 1925, S.605 Abb. 544.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

   © 9563 10.