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Verfahren zur Elektronenstrahlanalyse und Bildzerlegung Die Erfindung
betrifft Verfahren und Vorrichtungen zur Analyse von Elektronenstrahlen und bezieht
sich insbesondere auf Verfahren und Anordnungen zurZerlegung optischerBilder, bei.spielsw-cis@.-
in Fernsehsendern.
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Es ist bekannt, bei Kathodrenstrahlzerlegerröhren -°in optisches Bild
auf eine Fotokathode zu projizieren; der von der Kathode emittierte Elektronenstrahl
wird dann in einem gleichförmigen elektrostatischen Feld in vorwie-nd parallelen
Linien auf eine elektrische Blende hin beschleunigt. Der Strahl weist in jedem elemnentarenOuerschnittsbereich
eine Stromintensität auf, die proportional der Lichtintens?.tät des entspr.-chenden
emittierenden Elementarbereiches der fotoelektrischen Oberfläche ist. Diese Beziehung
der Querschnitte bezeichnet man zweckmäßig als elektrisches Bild; man kann sich
nämlich den Strahl in dem Raum so vorstellen, daß ein optisches Bild auf einem Fluoreszenzschirm
erscheinen würde, wenn es möglich wäre, einen solchen an eine beliebige Stelle zwischen
Fotooberfläche und Blende in den Weg des Strahles zu bringen, ohne dabei den Betrieb
-der Röhre zu stören. Der Elektronenstrahl wird dann über die Blendenöffnung am
besten in zwei Richtungen hin und her bewegt, um nacheinander Teile des Strahles
auszuwählen.
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In .den erwähnten Zenlegerröhn-n befindet sich ein Anodenschirm zwischen
.der Öffnung der Blendenelektrode und der Kathodenoberfläche. Der Anodenschirm
hat-
praktisch :die gleiche- Größe wie die Ka= thode und bewirkt daher nach Aufladung
eine Beschleunigung der Elektronen in einem praktisch. gleichförmi-en elektrostatischen.
Feld.: Die.. Elektronen bewegen sich somit während des Abtastens praktisch auf-parallelen:Bahnen,
und das elektrische Bild bleibt -während der Abtastperiode im wesentlichen unverzerrt.
Dabei muß entweder die Anode oder die Kathode aus einem lichtdurchlässigen Schirm
bestemen, damit .das optische Bild auf die Fotooberfläche einwirken kann. Derartige
Schirme beeinträchtigan Lichtintensität und Bildschärfe und vermindern die Wirksamkeit
der Anordnung.
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Es wurde nun festgestellt, daß es nicht notwendig ist, d@aß das elektrostatische
Fel:d'gleichförinig-,verläuft; man kann vielmehr auch dann nacheinander Bildelemente
erfolgreich abtasten, wenn: die Elektronenbahnennicht mehr alle parallel sind.
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Nach der Erfindung wird der von der Kathode emittierte Elektronenstrahl
in einem ungleichförmigen elektrostatischen Feld beschleunigt; der Strahl wird in
einem veränderlichen elektromagnetischen Feld abgelenkt, und es-werden nacheinander
.diejenigen Elektronen eines Teils der Entladung ausgewählt, welche einen im Mittel
geradlinigen Weg zwischen der Anode und der Abtastöffnung zurückgelegt haben. Dieser
geradlinige Weg kommt infolge der auf .die Elektronen einwirkenden Felder zustande
und unabhängig davon, daß ein Teil der Elektronen sich auf divergierenden Bahnen
bewegt und aufgefangen wird, wenn ein optisches Bild auf die Fotooberfläche der
Röhre projiziert wird. Die Zahl der geradlinig sich bewegenden Elektronen ist proportional
der Lichtintensität je Elementarbereich der Kathodenoberfläche, welche diese Elektronen
emittiert. Die auf nicht geradlinigen Bahnen wandernden Elektronen werden aufgefangen"
indem man .die Auffangelektrode abschirmt und die verbleibenden Elektronen auf diesem
Schirm auffängt.
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Ferner kann ein fokussierendes Magnetfeld parallel, der mittleren
Elektronenbahn angelegt werden, welches den Elektronenstrahl in. der Ebene der Anode
oder des Empfängers scharf fokussiert. Die tatsächlich durchlaufene Bahn eines jeden
Elektrons, welches zu entweichen sucht, ist dann eine Spirale, deren Achse dem Magnetfeld
parallel ist. Die Elektronen eines Oberflächenelements erreichen wieder von Zeit
zu Zeit die gleiche räumliche Verteilung wie bei der Emission. Der fokussierende
Strom kann so einreguliert werden, daß die Elektronen in der Ebene der Anode fokussiert,
d. b. in .die gleiche räumliche Beziehung zueinander gebracht werden wie bei der
Emission. Die vorliegende Erfindung bezieht sich nicht auf die Fokussierung an sich,
sondern nur,auf das Zerlegen und Auffangen in einer gegebenen, von der Kathode entfernten
Ebene, und der Ausdruck mittlere Bahn besagt hier nur, daß die Elektronen eines
jeden Elementarbereiches in der Ebene der Abtastöffnung in der gleichen räumlichen
Beziehung eintreffen wie bei det-Ernission, unabhängig von der wirklich beschriebenen
Spiralbahn. Die magnetische Fokü@ssierung'gestaftet'ei@ne-schaife Abbildung@in der
Auffangebene, ändert jedoch im übrigen nicht das hier beschrielbene Verfahren..
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Das Verfahren kann- auch angewandt werden, wenn .die Elektronenduelle
nicht wie bei der im folgenden beschriebenen Anordnung aus einer Fotooberfläche
besteht. Es erlaubt die Analyse jedes Elektronenstrahles, unabhängig von der Art
seiner Erzeugung.
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Eine Antikathode oder Auffanganode wird am besten in Form eines Fingers
von einer Seite in die Röhre eingeführt und so angeordnet, d.aß sie mit Ausnahme
eines kleinen, vorher bestimmten Bereiches gegen die Emission der Kathode abgeschirmt
ist. Die Auffanganode wird am besten ,durch eine zweite, röhrenförmige Auffanganode
geschützt, welche :die Antikathode umgibt; sie ist mit einer nach der- emittierenden
Oberfläche gerichteten Öffnung versehen, die .die enkommenden Elektronen auffängt.
Die zusammengesetzte Anode kann einen verhältnismäßig kleinen Durchmesser haben;
sie ist zweckmäßi.gerwei:se in einiger Entfernung von der Fotokathode :angeordnet,
um :den regulierenden Feldern genügend Raum zum Einwirken auf den Strahl zu lassen.
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Durch Kippgeräte gespeiste Wicklungen werden. zweckmäßigerweise zur
magnetischen Ablenkung des Feldes benutzt, und es sind übliche Solenoide zur Erzeugung
des fokussierenden Feldes vorgesehen. -Der röhrenförmigeFinger wirkt als auswählendes
Organ für diejenigen Teile der Entladung, welche für die Zerlegung gewünscht werden;
er wirkt ferner .als Kollektor für die übrigen, nicht ausgewählten Elektronen:;
er dient im geladenen Zustand als einziges Mittel zur Erzeugung :des elektrostatischen
Feldes, in welchem die Elektronen: beschleunigt werden; dieses elektrostatische
Feld ist ,so verzerrt, daß das Elektronenbild ebenfalls verzerrt wird und räumlich
dem optischen Bild fast unmittelbar nach Austritt des Strahles aus der Kathode nicht
mehr entspricht.
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In :den. Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes
dargestellt. Es ist Fig. i ein Schnittlurch eine erfindungsgemäße Z,erlegungsrd!hre
sowie eine Darstellung der das Feld erzeugenden: Anordung, Fig. 2 eine Ansicht der
Röhre, Fi:g.3 ein vergrößerter Längsschnitt der zusammengesetzten Anode. der Röhre
der Fig. i, Fig. 4, 5 und 6 je eine graphische Darstellung der mittleren Elektronenbahnen,
welche von verschiedenen Teilen der Kathode während gewisser Stadien d--,r Abtastung
emittiert werden, Fig.7 eine Darstellung einer Schaltung, bei welcher die innere
Anode direkt die Elektronen auffängt.
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Die Fig. 1, 2 und 3 zeigen eine Ausführungsform eines Bildzerlegers
zur Verwendung in einem Fernsehsystem. Die Wand I I ist mit einem durch--lässigen
Fenster 12 versehen, welches möglichst optisch plan sein soll. Am anderen Ende des
Rohres befindet sich ein Kathodenspiegel 14, welcher durch
Klammern
16 auf der Platte 15 gehalten wird. Die Kathodenteile sind mittels Halter i9, die
an die Klammer 2o angeschweißt sind, auf einem vorspringenden Ansatz 17 montiert.
Leitung 21 ist in den Ansatz eingeschmolzen und zum Zweck der Stromzuleitung für
die Kathode mit einem der Halter verbunden.
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Die Vorderseite des Spiegels muß möglichst eben sein; sie wird vor
dem Einbau in die Röhre versilbert. Daher stehen die Enden 22 der Klammern 16 mixt
der Silberschicht in Verbindung. Die Silberschicht bildet,die Unterlage, auf welche
später fotosensitive Substanzen, wie Caesium, Kalium oder ähnliche Metalle, aufgedampft
werden. Die so gebildete, zusammengesetzte Auflageschicht ist .die Kathode 24.
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Die fingerförmige Anode wird im Abstand von der Kathode, am besten
dicht hinter dem Planfenster 12, angeordnet. Sie besteht (Fig. 3) aus einer äußeren
röhrenförmigen Kollektoranode 25, welche mittels des Anod@enans,atzes 26 in die
Wand der Röhre eingeschmolzen ist; die Röhre weist hierbei zur Achse der Anordnung
hin.
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An der Stelle des Anodenrohres, an welcher die Hauptlängsachse .der
großen Röhre i i die Finderanode schneidet, ist eine Abtastöffnung 27 angebracht,
welche am besten nach der Kathode weist. Diese Öffnung legt einen begrenzten Teil
der Oberfläche einer inneren Anode oder Antikathode frei, welche als Selektiv- oder
Fanganode 29 bezeichnet wird, da von dieser Anode nacheinander diejenigen EI-lktronen
aufgefangen werden, welche zur Erzeugung von Fernsehzeichen ausgewählt werden.
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Die Fanganode wird mittels eines isolierten Halters 3o hinter der
Öffnung angeordnet; die Fanganodenleitung 31 ist in dem Halter 3o eingeschmolzen.
Dii°_se Anodenleitung geht durch das Ende des Anodenarmes 26 nach außen, so daß
an die Fanganode Spannung gelegt werden kann. Die Kollektoranode wird mittels der
Kollektorleitung 32 an die Spannungsquelle angeschlossen. Zweckmäßigerweise wird
die Zuleitung zur Fanganode auch noch außerhalb des Rohres :abgeschirmt und zu diesem
Zweck noch ein inneres Rohr 34 auf den Anodenarm aufgesetzt und .die Kollektorleitung
daran befestigt.
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Nachdem die Rdhre gründlich ausgepumpt und entgast worden ist, wird
die fotoelektrische Schicht aufgebracht und weiterbehandelt, falls dieses gewünscht
wird. Die Röhre wird dann von der Pumpe abgeschmolzen und so aufgestellt, daß sie
als Bildzerleger arbeitet.
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Eine Linse oder ein anderes optisches System 35 wird so angeordnet,
daß das Bild eines Gegenstandes auf die Fotokathode geworfen wird. Obwohl sich die
Fingeranode im Wege des Lichtes befindet, ist sie so weit vom Folcus des optischen
Systems entfernt, daß die Bildschärfe auf der Kathode nur unmerkbar beeinträchtigt
wird; die Helligkeit des Bildes wird auch nur unwesentlich vermindert, da der Finger
nur verhältnismäßig wenig Licht abhält.
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Zwei Paare von Ablenkspulen 36 und 39 sind zur Steuerung des Elektronenstrahles
in den zwei Richtungn vorgesehen, die mit den Kippgeräten 37 und 40 zusammenarbeiten.
Die Magnetfelder, welche in diesen Wicklungen durch die oszillierenden Ströme erzeugt
werden, sind derart abgestimmt und so gewählt, daß der gesamte Elektrone@ns:trahlquerschnitt
nacheinander über die Abtastöffnung 27 geführt wird. Beispielsweise möge ein Kippgerät
so bemessen sein, daß es eine Ablenkfrequenz von iooo bis 5ooo Hz besitzt, das andere
16 bis 6o Hz.
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Ein fokussierendes Feld wird durch eine Foleussierspul-e@4i erzeugt,
welche durch eine Batterie 42 gespeist wird und durch einen Regelwiderstand 44 reguliert
wird. Durch geeignete Einstellung dieses Widerstandes werden die Elektronen in .der
Ebene der Öffnung 27 fokussiert.
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Die Fig. 7 zeigt eine Möglichkeit, wie die Anode an Spannung gelie,gt
werden kann. Fig. 7 stellt eine Schaltung dar, in welcher der negative Pol einer
Anodenbatterie 46 mit der Kathode verbunden ist; hierbei ist die positive Seite
47 mit der inneren Fanganode 29 über den Widerstand 48 verbunden. Die Kol@lektoranode
25 wird dann durch eine Abzweigung 5o mit der Spannungsquelle derart verbunden,
d@aß sie eine niedrigere positive Spannung hat als die Fanganode. In .diesem Fall
werden die die Öffnung durchlaufenden Elektronen direkt von der Fanganode aufgefangen,
und der durch den Widerstand 48 gehende Strom ist eine Funktion der Differenz der
Anzahl von Elektronen, welche von der Fanganode 29 und von der Kollektoranode 25
aufgefangen werden. Die Verbindungen 49 führen von den Enden des Widerstandes 48
zu dem üblichen Verstärkerkreis.
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Die Fig@4, 5 und 6 stellen die mittleren Elektronenba'h@nen dar, wie
sie unter Einwirkung der resultierenden Felder in bestimmten Stufen des Abtastvorgangs
verlaufen. Es werden drei Ansichten .gezeigt: in Fig. 5 das Abtasten eines
mittleeren Bildpunktes und in den beiden anderen, Figuren .das Abtasten von gegenüberliegenden
Randpunkten. Die Figuren zeigen nur die Verzerrung der Elektronenbahnen in der einen
dargestellten Ebene; die Verzerrungen .dürften infolge der unsymmetrischen Anordnung
der Fingeranode in anderen Ebenen aber noch größer sein:. Die Figuren stellen jedoch
den Vorgang völlig dar, da in allen Fällen die abzutastenden Elektronen sich von
ihrem Ursprungsort auf der Kathode auf im Mittel geradlinigen Bahnen zu dem Auffangort,
d. h. derAbtastöffnung, bewegen, unabhängig von der Verzerrung des übrigen Teils
des Strahles in beliebigen Ebenen.
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Die Finger anale .erzeugt, wenn sie auf Spannung liegst, eine unsymmetrisches,
ungleichförmiges elektrostatisches Feld" und tdie Elektroneni worden versuchen,
cen!tlang der iKraftd;ini,edieses Felldes nach der (Fingerano de zu konvergieren.
.Selbst ohne magnetdische Fokussierung wird die natürliche Divergenz des Strahles
diese Konvergenz zum Teil wieder ausgleichen" so. (daß1 in Abwesenheit von Abtas-tfeldern
ein Bletriebszust!and ähnlich @äie!m in Mig. 5 dargestellfen auftreten wird. Es
ist jedoch. besser, ein fokussierendes Feld zu benutizen, die mittleren ßiahnen
so parallel wie möglich zu machen und, iso
die Konvergenz der Elektronen
unter :dem Einfiuß dies konvergierenden statischen Feldas zu verhindiern. Wenn weiter
angenommen wird, :daß keüve Abtastfelder vorhanden sind, so werden die mittleren
Elektronenbahnen nach Einschalten des fokussilerenden Feldfes im allgemeinen dein
Darstellung in Fig. 5 -folgen; die Elektronen bewegen sich auf mittleren Bahnen,
welche durch das Zusammenwirken der fokussdierenden und statischen: Felder zustande
kommen; die Elektronen bewegen sich auf parallelen Bahnen bis dicht an die Fingeranode;
diejenigen Elektronen, :deren Blahnen nicht gerardlin,ig sind, bewegen such dann
mach- innen zu dem Finger hiin und werden: dort gesammelt. Elektronen, welche von
einem Elementiarbeireich in Nähe des Mittelpunktes der I"'-!athoide emittiert werden,
bewegen- sich auf einer im Milttel geradlimi:gen ,Bahn, treten in die Abtastöffnung
27 ein und landen auf der Faniganoide, während alle übrigen Elektronen schließlich
auf -der äußeren Oberfläche der Kollektoranode ankommen.
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Wenn untor dien obigen Bedingungen ein Ablemkfeld auf den Strahl wirkt,
so verschiebt sich der Strahl nach der einen oder der anderen Seite, wie die Fig.
q. und 5 zeigen. Durch die Verschlebung des Strahles werden die der Außenwand am
nächsten "-legeren Teile des tStrahiles auf die Wand gerichtet. Die Elektronen in
:diesen, Teilen des Strahles vermögen :den Kraftlinien des resultierenden Felldes
nicht zu folgen; sie wandern längs der Wandoberfläche und werden in der Nähe der
Fingeranode immer enger zusammeng--drängt. Sie machen eiinen Bogen 51 auf einer
Seite des Fingers und bie-ge nach innen um, um schließlich: an der Kollektora,nodie
aufzutreffen. Die innere Wand edier Röhe lädt sich auf, sobald das Abtasten beginnt,
und bleibt während des ganzen Vorgangs auf einem konstanten Potential, ohne das
Abtasten irgendwie zu beeinflussen. Da .indieser Anordnung :die Beschleunigungspotentiale
hoch und die Stromstärken verh,ältnisni`äß4g gering sind, können bei der Bestimmung
der Elektronenbahnen Raumladungseffekte vernachlässigt werden.
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Bei der Ablenkung gelangen nur solche Teeile des Strahles in die Abtas:töffnung,
:deren mittlere Biahn vom Ursprungsort auf der iKathade bis zu :deir Abtastöffnung
geradlinig isst. Auf diese Weise wird erreicht, daß der ausgelöste Strom proportional
der Beleuchtung der einzelnen nacheinander folgenden Bereiche ist, von denen die
gewählten Elektronen ausgehen.
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Bei dieser Art der Bildzerlegung besitzen die von den Elementarbereichen
der- Kathode emittierten Elektronen während ihrer Bewegung auf die Fanganode zu
keine räumlich uriverzerrte Beziehung, die der Beleuchtungsintensität der Elementarbereiche
des -Bildes-proportional ist, vielmehr ist die iElektronenintensität aller Teile
des Strahles, welche zum Auslösen des Fernsehimpulses aufgefangen werden, proportional
der Beleuchtungsintensität desjenigen: FlächenflVilchens - der Kathode, das die
aufgefa,nk'e-nenl Elektronen emittiert. Die Erfindung bedeutet eine große Vereinfachung
in der Konstruktion der Kathadenstrahlzerlegunglsu6hre ohne Einba!&e an Zerliegungsschärfie;
darüber hinaus, ergibt sich eine Verbesserung der optlischen Ausbeute, da kenne
Schirme verwandt wenden.