-
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.