DE881400C - Schaltanordnung fuer Elektronenvervielfacher - Google Patents

Schaltanordnung fuer Elektronenvervielfacher

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DE881400C
DE881400C DEB9905D DEB0009905D DE881400C DE 881400 C DE881400 C DE 881400C DE B9905 D DEB9905 D DE B9905D DE B0009905 D DEB0009905 D DE B0009905D DE 881400 C DE881400 C DE 881400C
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DE
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switching arrangement
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resistors
electrode
electrodes
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DEB9905D
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English (en)
Inventor
Georg Dr Maurer
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Robert Bosch GmbH
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Robert Bosch GmbH
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J43/00Secondary-emission tubes; Electron-multiplier tubes
    • H01J43/04Electron multipliers
    • H01J43/30Circuit arrangements not adapted to a particular application of the tube and not otherwise provided for

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  • Amplifiers (AREA)

Description

  • Schaltanordnung für Elektronenvervielfacher Die Erfindung betrifft eine Schaltanordnung für Elektronenvervielfacher.
  • Elektronenvervielfacher haben unter anderem den Vorzug, daß sie mit linearer und nichtlinearer Verstärkung in Abhängigkeit von der Eingangsintensität betrieben werden können.
  • Bei nichtlinearer Verstärkung wird erfindungsgemäß der Gang der Nichtlinearität durch Änderung der Ruhepotentiale der einzelnen Elektroden beeinflußt.
  • An Hand der Zeichnung werden Ausführungsbeispiele erläutert, die einige Verwendungsmöglichkeiten des Erfindungsgedankens herausgreifen.
  • Fig. i zeigt einen Vervielfacher mit Widerständen in Elektrodenzuleitungen; Fig. 2 zeigt die Abhängigkeit des Vervielfachungsfaktors s einer Stufe von der Stufenspannung U; Fig. 3 und 4 zeigen Vervielfacher, bei denen Widerstände parallel zu den Gleichspannungsquellen liegen; Fig. 5 zeigt einen Vervielfacher, bei dem die verschiedenen Stufenspannungen nur aus einem SpannungsteiIer entnommen werden.
  • Die Elektroden sind mit fortlaufenden Nummern bezeichnet, und die einzelnen zwischen ihnen liegenden Stufen sind jeweils mit denselben Nummern versehen wie die zugehörige Elektrode mit dem größeren Potential.
  • Zu Fig. i und ?,: b sei eine als Spannungsquelle dienende Batterie. In den Zuleitungen zu den Elektroden 3 und 8 liegen die Widerstände R, bzw. R,; R, ist der Abschlußwiderstand, an dem die verstärkte Endspannung abgegriffen wird. Zwischen je zwei benachbarten Elektroden liegt je ein Kondensator zum Abgleich von unerwünschten Spannungsschwankungen. Diese Kondensatoren haben auch auf die Geschwindigkeit Einfluß, mit der sich der stationäre Zustand bei Schwankungen der Eingangsintensität einstellt.
  • Die in Fig. 2 dargestellte Kurve zeigt die Abhängigkeit des Sekundäremissionskoeffizienten (Vervielfachungsfaktors einer Stufe) s von der Stufenspannung U. Aus der Kurve ist ersichtlich, daß der Vervielfachungsfaktor ungefähr bis 500 V Stufenspannung steigt, dann aber wieder langsam abnimmt. Bei U = 1:50 V ist s = 4,3. Sind alle Elektroden gleich beschaffen und wählt man. beispielsweise alle Stufenspannungen gleich groß, so ist der Vervielfachungsfaktor s für alle Stufen derselbe. Die Widerstände R, und Rs stören aber die regelmäßige Spannungsverteilung. Sobald ein Strom zu fließen beginnt, entsteht an den Widerständen R3 und R, ein Spannungsabfall. Der durch die Widerstände fließende Strom ist gleich der Differenz aus dem von der betreffenden Elektrode abfließenden und dem zur betreffenden Elektrode zufließenden Elektronenstrom. Der durch den Widerstand R, fließende Elektronenstrom ist daher gleich dem Elektronenstrom in der vierten Stufe vermindert um den in der dritten Stufe. Analog liegen die Verhältnisse beim Widerstand R8. Die Potentiale der Elektroden 3 und 8 werden daher ins Positive verlagert, der Spannungsunterschied steigt in der dritten und achten Stufe und sinkt in der vierten und neunten Stufe.
  • i. Zahlenbeispiel: Sämtliche Stufenspannungen seien gleich U = i5o V, der Sekundäremmissionskoeffizient betrage daher in allen Stufen s = 4,3. Die Widerstände R, und R, seien so bemessen, daß das Potential der dritten und achten Elektrode bei bestimmter Eingangsintensität um 5o V steigt. Die Spannungsdifferenz in der dritten und achten Stufe ist daher U, = U8 = 2oo V, der Vervielfachungsfaktor an der dritten und achten Elektrode s, = S8 = 5. Die Stufenspannung der vierten und neunten Stufe sinkt auf U, = U, = ioo V; die neunte Elektrode ist die Sammelanode, daher ändert sich nur noch der Vervielfachungsfaktor in der vierten Stufe auf s" # 3. Der Gesamtverstärkungsfaktor ist V = SI * S2 * S3 ' S4 * S5 * S6 * S7 - S, und beträgt demnach v # (4,3)5 - 5 2 . 3 = 1, 1 . 05; da Sl=S2=S5=S6=S7 =4,3; s.#s,=5 und S, # 3 ist. Ohne die Widerstände R, und R, oder mit den Widerständen in stromlosem Zustand wäre v # KV = 1,2 - 10'.
  • Der Widerstand R, bewirkt für sich ein Absinken, der Widerstand R, für sich ein Ansteigen des Verstärkungsfaktors, insgesamt sinkt der Verstärkungsfaktor im Verhältnis 1,2 zu i,i bei einer bestimmten Eingangsintensität. Der Verstärkungsfaktor wird also verkehrt proportional von der Eingangsintensität gesteuert. Die Anordnung wirkt dynamikverflachend. Der Widerstand R, allein würde eine stärkere Verflachung, der Widerstand R8 allein eine Vergrößerung der Dynamik bewirken.
  • 2. Zahlenbeispiel: Die Spannung in der dritten Stufe sei U, = 25 V, in der vierten Stufe U, 275 V und in sämtlichen -übrigen Stufen U, = U2 = U5 = U. = U7 = Us = Ug 150 V. Ohne die Widerstände R3 und Rs oder mit den Widerständen in stromlosem Zustand wäre der Verstärkungsfaktor v = (4,3)' - i - 6,3 = 4 - 04; da V # Si * s2 * s3 * s4 * S. . s6 . S 7 - ss; Sl # S2 # %- = s, = s-, = s. = 4,3; s, = i und s4 = 6,3 ist, wie man aus der Kurve ablesen kann. Die Widerstände R3 und R, seien so bemessen, daß bei einer bestimmten Eingangsintensität der Spannungsabfall 125 V betrage. Die Spannungen in den ersten sechs Stufen sind dann gleich (i5o V); es wird U8 = 275 V, U, = 25 V -und damit v = (4,3)' - 6,3 #- 1,7 - 10', da si = S2 = S3 = S4 = S5 = S6 = S7 = 4,3 und S8 = 6,3 wird. Der Verstärkungsfaktor v ist also ungefähr auf den vierfachen Wert gestiegen. Ohne den Widerstand R, wäre die Vergrößerung des Verstärkungsfaktors etwas geringer. Steigt die Eingangsintensität noch weiter an, so daß die Stufenspannungen der dritten und -vierten Stufe wieder ungleich werden, dann beginnt der Verstärkungsfaktor durch die Wirkung von R, zu sinken, während R, im entgegengesetzten Sinn weiter wirkt.
  • 3. Zahlenbeispiel: Als wichtiges Anwendungsbeispiel sei noch auf eine Schaltanordnung zur Vernichtung einer Gleichlichtkomponente hingewiesen, wie sie mit Vorteil bei einer Tonfilmwiedergabe mittels eines Vervielfachers verwendet werden kann. Der mittlere Lichtstrom, der durch eine bestimmte Tonspur auf die Fotokathode fällt, sei ungefähr 1 = 5 - io-1 Lumen. Mit einem 13stufigen Vervielfacher mit mittleren Stufenspannungen von U = 150 V sei der durchschnittliche Strom in der Endstufe i # 2o mA- Dies ist der Fall, wenn die Empfindlichkeit der Fotokathode etwa a # iouA/Lumen, der Vervielfachungsfaktor jeder einzelnen Stufe s = 4,3 und der gesamte Verstärkungsfaktor daher v = (s) 11 4 - 10' ist; der Endsttom errechnet sich aus ,07 = 2 J - a - v = 5 - 10-" - 10-' - 4 - 0 . io-1 A 2o mA. Mit der achten Elektrode liege ein Widerstand R" = 5 - io5 Ohm in Serie, durch den bei einem Endstrom i = 2o mA ein Strom i, = 0,05 mA fließt. Die Spannungsquelle sei so bemessen, daß mit dem durch i, an R, bewirkten Spannungsabfall die Stufenspannungen zu beiden Seiten der achten Elektrode (achte und neunte Stufe) gerade U, = Ug = i5o V betragen.
  • .. In Form einer Tabelle wird nun gezeigt, wie sich die einzelnen Größen bei Änderung der Eingangsintensität verhalten.
  • Die Tabelle ist insofern nicht ganz exakt, als i, direkt proportional der Eingangsintensität J angenommen ist. Tatsächlich wird aber mit zunehmender Eingangsintensität der Verstärkungsfaktor der achten Elektrode größer, daher nimmt i, noch in Abhängigkeit vom Verstärkungsfaktor ebenfalls zu. Die Werte AU, = i" - R, werden also j eweils etwas höher sein, als sie in der Tabelle angegeben sind.
    J Ju=i'-R, S, S, V i=J-a-v
    4 - SU
    Lumen Volt Volt Volt - - - - -mA
    0 0 125 175 3,8 4,7 18,- 3,9- 07 0
    5 10-5 10' 20
    25 150 150 4,3 4,3 18,5 4 '
    10-4 50 175 125 4,7 3,8 18,- 3,9.10 7 39
    2 - io-4 WO 225 75 5,6 2,6 14,5 3,1 . 07 62
    3. 10-4 150 275 25 6,3 1'- 6,3 1,4- 07 42
    4-10-4 200 32-5 -25 6,6 - -
    Bei einer Eingangsintensität J zwischen o und 10-4 ZD b Lumen ändert sich der Verstärkungsfaktor nur um 21 i.01'. bezogen auf seinen Wert bei 5 . JO-5 Lumen. Steigt die Eingangsintensität über 10-4 Lumen, so sinkt der Verstärkungsfaktor rasch ab. Aus der Tabelle ist ersichtlich, daß der Endstrom nicht viel über i = 62 mA (auch im ungünstigsten Fall) steigen kann. Da aber diese Höchstbelastung keinesfalls eine Dauerbelastung ist, so ist damit das gesteckte Ziel b ZD erreicht. Eine Belastung von 62 mA ist ohne weiteres für den Vervielfacher tragbar, sogar für längere Zeit als für den praktischen Fall in Frage kommt. Sinkt die Spannung einer Stufe (z. B. U, ,) unter einen bestimmten Betrag, dann verändern sich die elektronenoptischen Verhältnisse, so daß der Verstärkungsfaktor nicht mehr einfach zu ermitteln ist. Für eine Eingangsintensität J = 4 - 10-4 wird U, bereits negativ und setzt den Verstärkungsfaktor außerordentlich herab. Auch für kleine positive Stufenspannungen tritt bereits eine Abhängigkeit vom elektronenoptischen Wirkungsgrad ein, die aber in der obigen Tabelle nicht berücksichtigt ist.
  • Der dem Beispiel zugrunde gelegte mittlere Sekundäremissionskoeffizient von s = 4,3 gilt nur für Kastenelektroden. In den Endstufen verwendet man aber mit Vorteil Netzelektroden, die zwar einen geringeren Sekundäremissionskoeffizienten, aber eine höhere Belastbarkeit aufweisen. Man wird daher zweckmäßigerweise die letzteren Stufen durch Netzelektroden ersetzen und um so viel mehr Stufen anbringen, daß der gewünschte Gesamtverstärkungsfaktor erzielt wird.
  • Durch geeignete Kombinationen kann man beliebige Dynamikabhängigkeiten erzielen. Besonders starke Intensitätsabhängigkeit der Verstärkung wird erreicht, wenn man in jeder zweiten Elektrodenzuleitung einen Widerstand anbringt. Zu beachten ist die Wirkung eines Widerstandes in der Zuleitung zur letzten vervielfachenden Elektrode. Während ein Widerstand in allen übrigen Stufen ein Steigen des Vervielfachungsfaktors an der betreffenden Elektrode selbst und ein Sinken des Vervielfachungsfaktors an der nachfolgenden Elektrode bewirkt, verursacht ein Widerstand in der Zuleitung zur letzten vervielfachenden Elektrode nur einen Anstieg des Vervielfachungsfaktors an dieser Elektrode, da die nachfolgende Stufe überhaupt nicht sekundär emittiert. Mit dem Ansteigen des Vervielfachungsfaktors an einer Elek# trode ist auch eine vorteilhafte Verminderung der Raumladung in der unmittelbar vorhergehenden Stufe verknüpft. Zu Fig. 3: Die Elektroden 2, 4 und 5 werden hier nicht direkt aus der Batterie b, sondern über Spannungsteiler gespeist, die gleichzeitig die erfindungsgemäße Wirkung ausüben. Die Widerstände R" R3, R4, R" und R, wirken als Spannungsteiler und versorgen die als Netzelektroden dienenden Elektroden2, 4 und 5 mit Potential. Die Widerstände R, und R, bestimmen z. B. das Ruhepotential der Elektrode 2 und gleichzeitig seine Intensitätsabhängigkeit.
  • Zu Fig. 4: Die letzte Stufe wird von einer besonderen Spannungsquelle gespeist, während die übrigen Stufen über ein Netzgerät mit Spannungsteilern mit Energie versorgt werden. Die Wirkungsweise ist ähnlich wie bei der Schaltung nach Fig. 3.
  • Zu Fig. 5 - Die Stufenspannungen werden aus einem Spannungsteiler entnommen, dessen Einzelwiderstände so bemessen sind, daß die erfindungsgemäße Nichtlinearität erzielt wird.
  • Durch geeignete Wahl der Spannungen und Widerstände kann man vielerlei Effekte erzielen. Man kann für eine bestimmte Eingangsintensität einen maximalen Verstärkungsfaktor einstellen, dann sinkt die Verstärkung für jede beliebige andere Eingangsintensität. Man kann auch z. B. in einer Stufe eine Stufenspannung von 6oo V wählen, dann ist eine Potentialänderung einer Elektrode um -# ioo V für diese Stufe nahezu einflußlos, wie aus der Kurve nach Abb. :z ersichtlich ist. Für eine benachbarte Stufe mit niederer Stufenspannung wird jedoch diePotentialänderung einer Elektrode um -', ioo V sehr ins Gewicht fallen. je nachdem ob man den -Widerstand an dem niederpotentialigen oder an dem hochpotentialigen Ende der hochgespannten Stufe anbringt, erhält man bei Zunahme der Eingangsintensität eine Zunahme oder Abnahme des Verstärkungsfaktors bzw. bei Abnahme der Eingangsintensität eine Ab- nahme oder Zunahme des Verstärkungsfaktors.
  • Bei einem Vergleich der Fig. i und 3 sieht man, daß der Widerstand R, in Serie mit der Elektrode 3 nach Fig. i in seiner Wirkung den Parallelwiderständen R, und R, nach Fig. 3 analog ist.
  • Besonders vorteilhafte Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung bestehen überall dort, wo große Änderungen des Verstärkungsfaktors erwünscht sind. Bei Dämmerungsschaltungen, Signalanlagen mit lichtelektrischer Auslösung oder Tonfilm-,viedergabegeräten soll z. B. bei großer Gleichlichtkomponente der Verstärkungsfaktor und damit die Empfindlichkeit gering sein. Bei Tonfilmwiedergabegeräten ist es von besonderem Vorteil, wenn bei Reißen des Films die Empfindlichkeit plötzlich sinkt. Ebenso ist bei Dämmerungsschaltungen im halbdunklen Zustand eine höhere Verstärkung zweckmäßiger als bei Tageslicht.

Claims (2)

  1. PATENTANSPRÜCHE: i. Schaltanordnung für Elektronenvervielfacher, wobei beliebige Elektroden durch Nichtlinearitäten erzeugende beliebige Widerstände miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Gang der Nichtlinearität durch Änderung der Ruhepotentiale der einzelnen Elektroden beeinflußt wird.
  2. 2. Schaltanordnung nach Anspruchi, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstände parallel zur GleichspannungsqueUe liegen, wobei sie als Spannungsteiler wirken und das Potential der Regelelektroden bestimmen. 3. Schaltanordnung nach Anspruch i:, dadurch gekennzeichnet, daß alle Gleichspannungen aus einem Spannungsteiler entnommen werden, wobei die Widerstände durch entsprechende Einstellung des Spannungsteilers gebildet werden. 4. Schaltanordnung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß in jeder zweiten Elektrodenzuleitung ein Widerstand liegt. 5. Schaltanordnung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß ein Widerstand nur in der Zuleitung zur letzten vervielfachenden Elektrode liegt. 6. Schaltanordnung nach Ansprach i oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß sie bei Tonfrequenzen zur -wahlweisen Änderung der Verstärkung in Abhängigkeit von der Eingangsintensität dient. 7. Schaltanordnung nach Anspruch i oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß sie zur Einstellung eines maximalen Verstärkungsfaktors bei vorgegebener Eingangsintensität dient. 8. Schaltanordnung nach Anspruch 1, 2, 3, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß sie bei Tonfilmgeräten verwendet ist und zu einer Herabsetzung der Verstärkung bei Reißen des Films dient. g. Schaltanordnung nach Anspruch 1, 2, 3, 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß sie bei einer Dämmerungsschaltung verwendet ist. Angezogene Druckschriften: Österreichische Patentschriften Nr. 152 265, 149 210; französische Patentschriften Nr. 841765, 838 gog.
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