DE896688C

DE896688C - Voltage or current controlled secondary electron multiplier

Info

Publication number: DE896688C
Application number: DEF4579D
Authority: DE
Inventors: Werner Dr Flechsig
Original assignee: Fernseh GmbH
Current assignee: Robert Bosch Fernsehanlagen GmbH
Priority date: 1939-01-20
Filing date: 1939-01-21
Publication date: 1953-11-16

Description

Spannungs- bzw. stromgesteuerter Sekundärelektronenvervielfacher Die Erfindung bezieht sich auf einen Vexvielfacher, bei dem der Ausgangsstrom durch eine einer Elektrode zugeführte, zeitlich schwankende Spannung oder einen schwankenden Strom gesteuert werden soll. Bisher wurde diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der auf die erste Prallelektrode gelangende Primärstrom gesteuert wurde. Bei diesem Verfahren kommt es in erster Linie darauf an, ein möglichst großes Verhältnis von Steilheit zu Ruhestrom in der Steuerstufe zu erzielen. Besonders günstig ist in dieser Hinsicht die sogenannte Anlaufsteuerung, bei der das der Kathode vorgelagerte ,Steuergitter derart vorgespannt isst, daß die Entladung im Bereich ,des Anlaufstromgebiets der Steuerkennlinie verläuft. Das im folgenden beschriebene Verfahren unterscheidet sich von den bisher gebräuchlichen grundsätzlich dadurch, daß nicht mehr nur der Primärstrom variiert wird, sondern erfindungsgemäß der Grad der Verstärkung von der Steuerspannung abhängig gemacht wird. Eine bevorzugte Form zur Durchführung dieses Gedankens besteht .darin, daß die Steuerspannung einem vorzugsweise elektrischen Ablenksystem zugeführt und ein gerichteter Elektronenstrahl über die erste Parallelelektrode hin und her gelenkt wird, von der die Elektronen auf eine vom Auftreffpunkt abhängige Anzahl von Prallstufen gelangen können. Weitere Einzelheiten ergeben sich aus der Zeichnung, in der die Fig. i bis 6 einige Ausführungsbeispiele von auf diesem Prinzip beruhenden Vervielfachern zeigen.Voltage or current controlled secondary electron multiplier Die Invention relates to a quadruple, in which the output current through a voltage that fluctuates over time or a voltage applied to an electrode Electricity is to be controlled. So far, this problem has been achieved in that the Primary current reaching the first impact electrode was controlled. With this one Procedure, it is primarily a question of the largest possible ratio of To achieve steepness to quiescent current in the control stage. In In this regard, the so-called start-up control, in which the one upstream of the cathode , Control grid is biased in such a way that the discharge in the area of the starting current area the control characteristic. The procedure described below differs differs from the previously used ones in that it is no longer just the Primary current is varied, but according to the invention the degree of amplification of the control voltage is made dependent. A preferred form of implementation this idea consists .darin that the control voltage is preferably an electrical one Deflection system supplied and a directed electron beam over the first parallel electrode is directed back and forth, from which the electrons are directed to a point dependent on the point of impact Number of impact steps can get. Further details can be found in the Drawing in which FIGS. I to 6 show some exemplary embodiments of on show multipliers based on this principle.

In Fig. i sind innerhalb der Röhre i ein Strahlerzeugungssystem 2 und ein Ablenkplattenpaar 3 vorgesehen, dem die Steuerspannung zugeführt wird. Durch diese wird der Strah14 über dem ersten Gitter 5 eines keilförmig aufgebauten Prällgittervervielfachers 6 hin und her gelenkt. Die Auftreffgeschwindigkeit beträgt z. B. io;o, Volt, so daß eine hohe Sekundärelektronenausbeute erzielt wird. Durch den etwa streifenden Einfall der Elektronen ergeben sich günstige Absaugbedingungen für die Sekundärelektronen. Es ist klar, daßdurch den schrägen Aufprall auch .die Empfindlichkeit gesteigert wird, da eine Ablenkung um einen bestimmten Winkel eine größere Verschiebung auf dem Gitter 5 bedeutet, als wenn der ,Strahl senkrecht auf dieses auftreffen würde. .In FIG. I, a beam generating system 2 is located inside the tube i and a pair of deflection plates 3 to which the control voltage is supplied. By this becomes the beam14 above the first grating 5 of a wedge-shaped impingement grid multiplier 6 steered back and forth. The impact speed is z. B. io; o, volts, so that a high secondary electron yield is achieved. By the roughly grazing Incidence of the electrons results in favorable suction conditions for the secondary electrons. It is clear that the oblique impact also increases the sensitivity becomes, since a deflection by a certain angle results in a larger displacement the grid 5 means as if the beam would impinge perpendicularly on this. .

Hinter dem Gitter 5 befindet sich eine Anzahl von weiteren Gittern, die jedoch auf der rechten Seite von Stufe zu Stufe kürzer ausgebildet sind. Da die Netze parallel zueinander liegen, verlaufen die Elektronenbahnen im Vervielfacher annäherndrechtwinklig zu den Netzen, woraus sich ergibt, daß die am weitesten rechts auf 5 ausgelösten Elektronen nur eine geringe Stufenzahl durchlaufen können, während die ganz links ausgelösten Elektronen nacheinander in sämtlichen Stufen vervielfacht werden müssen.Behind the grille 5 there is a number of further grids, which, however, are made shorter on the right-hand side from step to step. There If the networks are parallel to each other, the electron trajectories run in the multiplier approximately at right angles to the nets, which means that the one furthest to the right on 5 released electrons can only go through a small number of stages while the electrons released on the far left are multiplied one after the other in all stages Need to become.

Die außerordentliche Steuersteilheit, die sich mit dieser Anordnung erzielen läßt, ergibt,s.ich daraus, .daß mit z. B. zwanzig Netzen eine Vervielfachung um den Faktor ios erzielt werden kann, während die am weitesten rechts ,ankommenden Elektronen nur etwa um den Faktor 2-3 oder, wenn, man sie unmittelbar auf die oberste der Ausgangselektroden 7 richtet, überhaupt nicht verstärkt werden. Das bedeutet also, daß im Ausgangsstrom Schwankungen von i : i o6 erhalten werden- können,, während als Eingangsspannung nur Bruchteile eines Volts erforderlich sind, um den Strahl über die Fläche des Netzes 5 hin und her zu lenken.The extraordinary tax steepness that comes with this arrangement can be achieved, it follows from this, that with z. B. twenty networks a multiplication can be achieved by a factor of ios, while the rightmost, arriving Electrons only by a factor of 2-3 or, if so, they are placed directly on the top of the output electrodes 7 are not amplified at all. That means so that fluctuations of i: i o6 can be obtained in the output current, during as input voltage only fractions of a volt are required to power the beam to steer back and forth over the surface of the network 5.

Die Ausgangselektrode 7 ist in dem gezeigten Beispiel unterteilt, um eine Anpassung der Absaugspannung an die ,Spannungen der dazugehörigen _Prallgitter zu ervielen. Infolgedessen sind die Elektroden 7 an verschiedene Punkte eines Spannungsteilers 8 angeschlossen. Der Ausgangswechselstrom wird bei den meisten der Elektroden 7 über Kondensatoren 9 abgenommen, auf eine gemeinsame Leitung gesammelt und dem Ausgangswiderstand io zugeführt, von dem bei iii die verstärkte Spannung abgenommen wird. Um das Abfließen der Wechselspannung über den Spannungsteiler 8 zu vermeiden, sind in die Spannungszuführungen Hochohmwiderstände 12 eingeschaltet. Die Gitter von 6 erhalten ein um so höheres Potential, je weiter unten sie in der Röhre liegen. Das Potential der Elektroden 7 wird stets um so viel höher als das der nächstliegenden Prallgitter gewählt, daß der Strom gesättigt ist und daß andererseits keine Verzerrungen. .des Feldes vor den benachbarten Absaugelektroden eintreten. Bei den Fig. 2 bis 6, die sich auf andere Ausführungsformen beziehen, sind der Einfachheit halber das Vakuumgefäß und die Spannungszuführungen fortgelassen. Der Primärstrahl 4 trifft bei den Fig. 2 bis 5 zunächst auf eine schräg stehende Prallptatte 13, von der die ,Sekundärelektronen durch ein weitmaschiges Beschleunigungsnetz, 14 nach unten abgesaugt werden. Die Anordnung der Fig. 2 unterscheidet sich gegenüber der Fig. ti da-.durch, daß nur eine einzige Anode 7 vorgesehen ist, die jedoch am oberen Ende einen wesentlich größeren Abstand vom Vervielfacher 6 besitzt als am unteren. Es wird .dadurch erreicht, daß die Absaugfeldstärke hinter den Prallnetzen trotz konstanten Potentials der Elektrode 7 dem Potential der Prallnetze angepaßt ist. Dieselbe Wirkung läßt sich nach Fig.-3 dadurch erreichen, daß die Anode 7 zwar in überall gleichem Abstand vom Vervielfacher angeordnet, jedoch ein Zwischengitter 15 vorgesehen ist, das eine nach unten zunehmende Öffnungsweite besitzt, so daß das Feld von 7 am oberen Ende stark abgeschirmt wird, am unteren. jedoch ungehindertdurch 15 hindurchgreift.The output electrode 7 is subdivided in the example shown, to adapt the suction voltage to the voltages of the associated impact grid to increase. As a result, the electrodes 7 are at different points of a voltage divider 8 connected. The output alternating current becomes 7 at most of the electrodes Taken via capacitors 9, collected on a common line and the output resistance io supplied, from which the amplified voltage is removed at iii. To the drainage to avoid the alternating voltage via the voltage divider 8, are in the voltage supplies High-ohmic resistors 12 switched on. The grids of Figure 6 get a higher one Potential the further down they are in the tube. The potential of the electrodes 7 is always chosen so much higher than that of the closest impact grille that the current is saturated and that on the other hand no distortion. .of the field enter the neighboring suction electrodes. In Figs. 2 to 6, which refer to refer to other embodiments, for the sake of simplicity, the vacuum vessel and the voltage leads omitted. The primary beam 4 strikes in FIG. 2 to 5 initially on an inclined baffle plate 13, from which the secondary electrons be sucked down by a wide-meshed acceleration network 14. the The arrangement of FIG. 2 differs from that of FIG a single anode 7 is provided, which, however, has a substantial upper end greater distance from the multiplier 6 than at the bottom. It is achieved by that the suction field strength behind the impact nets despite the constant potential of the Electrode 7 is adapted to the potential of the impact nets. The same effect can be achieved according to Fig. 3 in that the anode 7 is at the same distance everywhere arranged by the multiplier, but an intermediate grid 15 is provided, the one has increasing opening width downwards, so that the field of 7 at the top is heavily shielded, at the bottom. but reaches through 15 unhindered.

Die Fig. 4 unterscheidet sich von den bisherigen Anordnungen zunächst dadurch"daß,die Fläche der Prallgitter nach den höheren Stufen hin nicht ab-, sondern zunimmt. Die Wirkungsweise ist grundsätzlich die gleiche. Der Vorteil besteht darin, daß die Stufen, in denen die Belastung infolge des starken fließenden Stromes groß werden kann, auch eine größere Fläche besitzen und dieser Belastung daher besser gewachsen sind. Außerdem findet bei dieser Ausführungsform zum Schluß noch eine vom Ort unabhängige, also für alle Elektronen gleichmäßige Vervielfachung durch die Prallstufen 16 statt. Die Anordnung stellt in dieser Hinsicht also eine Kombination des ursprünglichen Systems mit einem nachgeschalteten normalenVervielfacher dar. Schließlich sind bei dieser Figur noch einige Beschleunigungsnetze 17 vorgesehen, die zweckmäßig weitmaschig ausgebildet sind und dazu dienen, die Feldverteilung annähernd homogen zu halten und dadurch die Elektronen in möglichst senkrechten Bahnen nach unten zu führen. Diese Beschleunigungselektroden können als einfache Fortsetzungen der in der gleichen Ebene liegenden Prallnetze ausgebildet werden und mit diesen auf gleichem Potential liegen.4 initially differs from the previous arrangements in that "the surface of the impact grille does not decrease towards the higher levels, but rather increases. The mode of action is basically the same. The advantage is that the stages in which the load due to the strong flowing current is great can be, also have a larger area and therefore better this load have grown. In addition, there is another one at the end of this embodiment multiplication independent of the location, i.e. uniform multiplication for all electrons the impact steps 16 instead. In this respect, the arrangement represents a combination of the original system with a downstream normal multiplier. Finally, some acceleration networks 17 are provided in this figure, which are expediently designed with a wide mesh and serve to control the field distribution to keep approximately homogeneous and thereby keep the electrons as perpendicular as possible To lead lanes downwards. These acceleration electrodes can be used as simple Continuations of the impingement nets lying in the same plane are formed and are on the same potential as these.

Bei -der Anordnung der - Fig. 5 ist die rechte Begrenzungslinie des Vervielfachers 6 nicht geradlinig, :sondern gekrümmt ausgebildet. Es läßt sich hierdurch der Verlauf der Steuerkennlinie weitgehend willkürlich beeinflussen. Bei der dargestellten Anordnung wird eine zumindest teilweise Lirearisierung ,der Kennlinie erzielt. Während die zuerst beschriebenen Anordnungen eine etwa einer Exponentialkurve entsprechende Kennlinie ergeben, die bei kleinen Strömen flach und bei hohen Strömen steil verläuft, wirkt die Anordnung der Fig.5 dem insofern entgegen, als die Änderung des Verstärkungsgrades gerade für die schwachen Ströme groß, für die hohen dagegen geringer ist. Dasselbe kann dadurch erreicht werden, daß die wirksame Sekundäremission in den Stufen größerer Oberfläche große Unterschiede aufweist, in denen geringer Fläche dagegen nur kleine. Zu diesem Zweck können die Spannungsdifferenzen zwischen aufeinanderfolgenden Stufen entsprechend ungleich gewählt werden.In the arrangement of FIG. 5, the right boundary line of the Multiplier 6 is not straight, but curved. It can be done through this influence the course of the control characteristic largely arbitrarily. In the case of the Arrangement, an at least partial linearization of the characteristic is achieved. While the arrangements described first correspond approximately to an exponential curve Result in a characteristic curve that is flat for small currents and steep for high currents, the arrangement of Figure 5 counteracts this insofar as the change in the degree of gain large for the weak currents, but lower for the high currents. The same thing can be achieved in that the effective secondary emission shows great differences in the steps with larger surface areas, in those with less On the other hand, only small areas. For this purpose, the voltage differences between successive stages are chosen to be unequal.

Die Fig. 6 schließlich stellt eine Anordnung mit undurchlässigen Prallplatten 18 dar. Alle auf gleicher Höhe liegenden Platten sind auf beiden Seiten formiert und untereinander und gegebenenfalls mit je einem ihnen vorgelagerten Beschleunigungsnetz ig leitend verbunden. Die Beschleunigungsnetze sind wie bei den Fig. q. und 5 auf der einen Seite derart verlängert, daß das Feld auch für die Elektronen, die nur einmal vervielfacht werden, homogen bleibt und alle Elektronen nach unten gesaugt werden. Am Schluß der Anordnung ist noch eine Prallplatte 2o vorgesehen, während ,die Anode 21 durchbrochen ausgebildet ist und von den auf die Prallplatte 2o gelangenden Elektronen durchsetzt wird.Finally, FIG. 6 shows an arrangement with impermeable baffles 18. All of the panels lying at the same height are formed on both sides and with each other and, if necessary, with an acceleration network each upstream of them ig conductively connected. The acceleration networks are as in Fig. Q. and 5 on the one side so extended that the field also for the electrons, which only be multiplied once, remains homogeneous and all electrons are sucked down will. At the end of the arrangement, a baffle plate 2o is provided while , the anode 21 is perforated and from the reaching the baffle plate 2o Electrons is penetrated.

Unter Umständen kann die Steilheit der beschriebenen Anordnungen noch dadurch erhöht werden, daß gleichzeitig in bekannter Weise eine Steuerung des Primärstromes z. B. durch einen Wehneltzylinder vorgenommen wird. Es kann ferner zweckmäßig sein, die Röhre, und zwar besonders den Bereich zwischen Kathode und erster Prallelektrode, innerhalb einer magnetischen Abschirmung anzuordnen, um unregelmäßige Störfelder fernzuhalten.Under certain circumstances, the steepness of the arrangements described can still can be increased by simultaneously controlling the primary current in a known manner z. B. is made by a Wehnelt cylinder. It can also be useful the tube, especially the area between the cathode and the first impact electrode, to be arranged within a magnetic shield to avoid irregular interference fields keep away.

Zur Vermeidung von Störungen durch die Primärelektronen, z. B. auf der oder den Elektroden 7, können diese ganz oder teilweise als Faradaykäfig ausgebildet werden. Dies kann besonders bei der obersten Anode 7 der Fig. i eine Rolle spielen, so daß auf diese fliegende Elektronen weder elastisch reflektiert werden, noch störende Sekundärelektronen auslösen können.To avoid interference from the primary electrons, e.g. B. on the electrode or electrodes 7, these can be designed entirely or partially as a Faraday cage will. This can play a role especially in the case of the top anode 7 in FIG. so that electrons in flight are neither elastically reflected nor disruptive ones Can trigger secondary electrons.

Die Anordnung der Fig. 6 besitzt im Gegensatz zu den vorher beschriebenen nur wenige Stufen. Besonders in diesem Fall kann es zweckmäßig sein, Maßnahmen zu treffen, um Unstetigkeiten der Kennlinie infolge sprunghafter Änderungen der Verstärkung zu vermeiden. Bei der Fig. 6 wird dies dadurch erreicht, daß das Primärelektronenbündel relativ breit ausgebildet ist, so daß es in der Regel in zwei oder mehr Anteile zerfällt, die verschieden verstärkt werden.The arrangement of Fig. 6 has in contrast to those previously described only a few steps. In this case, in particular, it can be useful to take measures meet to avoid discontinuities in the characteristic curve as a result of sudden changes in the gain to avoid. In FIG. 6, this is achieved in that the primary electron beam is made relatively wide, so that it is usually in two or more parts disintegrates, which are amplified differently.

Schließlich kann es zweckmäßig sein, den Strahlengang zwischen Kathode und erster Prallelektrode durch eine zusätzliche konstante Ablenkung abzuknicken: Dadurch lassen sich .Störungen infolge der Wärme- und Lichtstrahlung der Glühkathode vermeiden und ferner aus der Kathode austretende Ionen von den Elektronen trennen.Finally, it can be useful to place the beam path between the cathode and bend the first impact electrode by an additional constant deflection: This can be. Malfunctions due to the heat and light radiation of the hot cathode avoid and also separate ions emerging from the cathode from the electrons.

Claims

PATRNT CLAIM: i. Voltage or current controlled secondary electron multiplier, characterized in that the degree of multiplication on the strength of the control voltage or the control current depends.

2. Multiplier according to claim i, characterized in that that the electrons pass through a number of amplification stages depending on the control field.

3. Multiplier according to claim i or 2, characterized in that a preferably bundled primary electron beam is guided back and forth over the first impact electrode by deflection fields. q .. Multiplier according to claim 3, characterized in that the control voltage is fed to a pair of deflection plates. 5. Multiplier according to claim i or 3, characterized. characterized in that the various sections of the first impact electrode are assigned an increasing or decreasing number of impact steps. 6. Multiplier according to claim i, 3 or 5, characterized in that the multiplier in a manner known per se consists of impact grids, networks or the like. 7. Multiplier according to claim i, characterized by a subdivided anode, from the sections of which the output alternating voltage is taken off via capacitors and a common output resistance. B. Multiplier according to claim 7, characterized in that the anode sections, preferably via a voltage divider, receive a voltage which is adapted to the potential of the parallel electrodes lying next to them. G. Multiplier according to Claim 7 or 8, characterized in that the voltage supply lines to the anode sections are connected in with high-ohmic resistances. ok Multiplier according to claim i, characterized in that .the electrons impinge on the first impact electrode at a flat angle 12. Multiplier according to claim i, characterized in that only one anode is provided, which has a large distance from the first impact stages and a small distance from the last. 13. Multiplier according to claim i, characterized in that only one anode is provided which has the same distance from all impact stages, and that a grid of unequal penetration is arranged between it and the impact stages.1q .. Multiplier according to claim i, characterized in that the electrons which only pass through one or a few stages, with the help of be conducted by one or more acceleration grids to an anode common to all stages Multiplier according to claim 1q., characterized in that .the acceleration networks are at the same potential with the associated impact electrodes and are optionally arranged in the same plane. 16. Multiplier according to claim i, characterized in that the first impact stages have one, small and the last impact stages have a large impact cross-section. 17. Multiplier according to claim i, characterized in that behind the last impact electrode of the multiplier working with variable gain a multiplication which is uniform for all electrons is carried out. 18. Multiplier according to claim i, characterized in that the dependence of the gain on the point of impact of the electrons is a non-linear function. ig. Multiplier according to Claim 18, characterized in that the dependency is selected such that an at least partial linearization of the control characteristic is achieved. 2o. Multiplier according to claim 1, 8 or 1, characterized in that the surfaces of the impact electrodes lying one behind the other have only slight differences in the steps with a larger surface and, on the other hand, great differences in the steps with a smaller surface. 21. Multiplier according to claim i8 or ig, characterized in that the effective secondary emission of the impact electrodes lying one behind the other in the .Stufen larger surface has large, in which the smaller area has small differences, in particular by unequal choice of voltage differences. 22. Multiplier according to claim i, characterized in that the primary electrons are directed onto a plurality of baffle plate multipliers of unequal number of stages connected in parallel. 23. Multiplier according to claim 22, characterized in that preferably wide-meshed acceleration networks are arranged between the baffle plates, which can be at the same potential with the next baffle plate. 2q .. Multiplier according to claim 22, characterized in that the intermediate networks are lengthened in such a way that they also serve as acceleration networks for the electrons which are no longer multiplied. 25. Multiplier according to claim 22, characterized in that the plates are formed on both sides for high secondary emission. 26 .. Multiplier according to claim i, characterized in that the speed of impact of the electrons on the first impact electrode is approximately 100 to 400 volts. 27. Multiplier according to claim i, characterized in that the electrons are sucked off through a perforated first impact electrode on the side facing away from the primary cathode. 28. Multiplier according to claim i, characterized in that the primary electron bundle has such a wide impact cross section that irregularities in the characteristic curve as a result of sudden changes in the gain are compensated for. 29. Multiplier according to claim i, characterized in that the primary beam path, particularly in the area of the deflection fields, is enclosed by a magnetic shield. 30. Multiplier according to claim i, characterized in that disruptive primary beam electrons are captured in a Faraday cage. 31. Multiplier according to claim i, characterized in that the beam path between the primary cathode and the first impact electrode is bent or kinked so that there is no straight free connection between the two.