DE909377C

DE909377C - Phase lens for runtime devices

Info

Publication number: DE909377C
Application number: DEA5639D
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Ernst Brueche; Dr Phil Alfred Recknagel
Original assignee: AEG AG
Current assignee: AEG AG
Priority date: 1937-11-13
Filing date: 1937-11-13
Publication date: 1954-04-15

Description

Phasenlinse für Laufzeitgeräte Es sind Elektronenröhren und elektronenoptische Geräte bekannt, in denen die Ladungsträger (Elektronen oder Ionen) unter dem Einfluß hochfrequenter elektrischer oder magnetischer Wechselfelder so bewegt «erden, daß ihre Laufzeit in der Röhre oder im Gerät in der Größenordnung der Schwingungsdauer des Wechselfeldes liegt. Zu diesen sogenannten Laufzeitgeräten zählen z. B. der Pendelvervielfacher, der Schwingungserzeuger nach B a r k h a u s e n - K u r z, das Zyklotron, das Magnetron und eine mit einer Hochfrequenzspannung betriebene elektronenoptische Linse.Phase lens for time-of-flight devices There are electron tubes and electron optics Devices known in which the charge carriers (electrons or ions) are under the influence high-frequency electrical or magnetic alternating fields so moved that their running time in the tube or in the device is in the order of magnitude of the period of oscillation of the alternating field. These so-called runtime devices include z. B. the Pendulum multiplier, the vibration generator according to B a r k h a u s e n - K u r z, the cyclotron, the magnetron and one operated with a high frequency voltage electron optical lens.

Für die Wirkungsweise eines solchen Laufzeitgerätes ist es von Wichtigkeit, daß die Ladungsträger zu einer geeigneten Phase des Wechselfeldes einen optimalen Be«-egungszustand erreichen. Dieser günstigste Bewegungszustand besteht beispielsweise beim Pendelvervielfacher darin, daß ein Elektron zu der Phase, in der das Wechselfeld Null ist, auf einer der beiden Kathoden auftrifft. Bei einer mit Hochfrequenzspannung betriebenen elektronenoptischen Linse liegt ein günstiger Bewegungszustand eines Elektrons nur dann vor, wenn dieses in einer bestimmten Phase der Wechselspannung in die Linse eintritt.For such a runtime device to work, it is important that the charge carriers are optimal at a suitable phase of the alternating field Achieve a state of agitation. This most favorable state of motion exists, for example in the case of the pendulum multiplier, that an electron goes to the phase in which the alternating field Is zero, hits one of the two cathodes. For one with high frequency voltage operated electron-optical lens is a favorable state of motion of a Electrons only exist when this is in a certain phase of the alternating voltage enters the lens.

Zur Erhöhung des Wirkungsgrades solcher Laufzeitgeräte sind bereits Mittel vorgeschlagen worden, mit denen erreicht werden kann, daß nur solche Ladungsträger im Gerät laufen, deren Bewegungszustand in einem optimalen Verhältnis zur Phase des Wechselfeldes steht. So kann bei einer mit einer hochfrequenten Wechselspannung betriebenen elektronenoptischen Phasenlinse zweckmäßig eine Wechselspannung von geeigneter Form und zur Linsenspannung um eine geeignete Phase verschoben dafür sorgen, daß die Elektronen nur zu einer geeigneten Phase der Linsenspannung in die Linse eintreten. Ferner kann eine nach dem gleichen Prinzip arbeitende, als Blende bezeichnete Vorrichtung dazu dienen, von einem in das Laufzeitgerät fallenden Strom von Elektronen oder Ionen nur diejenigen Ladungsträger durchzulassen, die in das Laufzeitgerät mit einer geeigneten Phase eintreten.To increase the efficiency of such runtime devices are already Means have been proposed with which it can be achieved that only such charge carriers run in the device, their state of motion in an optimal relationship to the phase of the alternating field. So can one with a high frequency alternating voltage operated electron-optical phase lens expediently an alternating voltage of a suitable form and shifted by a suitable phase to the lens tension ensure that the Electrons only enter the lens at an appropriate phase of the lens voltage. Furthermore, a device which works on the same principle and is referred to as a diaphragm can be used are used by a falling stream of electrons or in the run-time device Ions only let through those charge carriers that are in the transit time device with a appropriate phase to enter.

Die Erfindung betrifft eine weitere Ausbildung der vorgeschlagenen Mittel, nämlich eine elektronenoptische Phasenlinse für ein Laufzeitgerät, die nach der Erfindung aus einer Steuervorrichtung besteht, die eine periodische Unterteilung des in die Linse eintretenden Stromes und eine zeitlich-räumliche Fokussierung der gleiche Bahnen beschreibenden Gruppen von Ladungsträgern zwischen zwei aufeinanderfolgenden Unterteilungen bewirkt.The invention relates to a further embodiment of the proposed Means, namely an electron-optical phase lens for a time-of-flight device, which according to of the invention consists of a control device which has a periodic division of the current entering the lens and a temporal-spatial focusing of the Groups of charge carriers describing the same paths between two consecutive ones Causes subdivisions.

Hierbei bezieht sich die Bezeichnung Phasenlinse auf ein Wechselfeld; sie soll andeuten, daß die Laufzeiterscheinungen in einem solchen Feld eine gewisseAnälogie zur Optik aufweisen. Man versteht dies an Hand der Abb. i.Here, the term phase lens refers to an alternating field; it is intended to indicate that the transit time phenomena in such a field have a certain analogy to show optics. This can be understood from Fig. I.

Hier stellen i und 2 Elektroden, beispielsweise Netzelektroden dar, die zur Erzeugung eines elektrischen Wechselfeldes dienen. Die folgenden Bemerkungen, bis auf die Formel, haben jedoch nicht nur für Felder zwischen Netzelektroden Gültigkeit, sondern lassen sich auch auf andere Felder, die etwa unter Verwendung von Blenden, Zylinderelektroden od. dgl. zustande kommen, übertragen. Zwischen i und 2 liegt eine zeitlich ansteigende Spannung. Mit 3, .4 und 5 sind Elektronen bezeichnet, die sich mit derselben Geschwindigkeit v, entsprechend einer Voltenergie U, in Richtung des Pfeiles auf i und 2 zu bewegen. Wird vorausgesetzt, daß die Länge des Feldes, d. h. der Abstand der beiden Elektroden, hinreichend klein ausfällt und daß die Elektronenreihe innerhalb eines so kleinen Zeitintervalls in das Feld eintritt, daß hierfür u. a. die Änderung des 'Feldes als linear anzusehen ist, so läßt sich zeigen, daß 3, 4 und 5 in einem Brennpunkt 6 zur gleichen Zeit eintreffen. Die Reihe der auf gleichen Bahnen laufenden Elektronen 3, 4, 5 ist also durch das Wechselfeld zeitlich fokussiert worden. Diese Fokussierung kommt dadurch zustande, daß z. B: das Elektron 5 in dem elektrischen Feld auf eine höhere Geschwindigkeit gebracht wird als seine Vorläufer 3 und 4, so daß es diese beiden Elektronen einholen kann. Die Brennweite f hängt dabei ab von der Voltenergie U, mit der die Elektronen auf die Elektrode i auftreffen, von der zwischen den Elektroden liegenden Spannung Y und von der Änderungsgeschwindigkeit dieser Spannung. Hiernach ist ein von einer Sinusspannung hervorgerufenes Wechselfeld eine Phasenlinse mit zeitlich veränderlicher, zeitweise negativer Brennweite.Here i and 2 represent electrodes, for example mesh electrodes, which are used to generate an alternating electrical field. The following remarks, apart from the formula, are not only valid for fields between grid electrodes, but can also be applied to other fields that come about using diaphragms, cylinder electrodes or the like. Between i and 2 there is a voltage that increases over time. 3, 4 and 5 denote electrons which move at the same speed v, corresponding to a volte energy U, in the direction of the arrow on i and 2. If it is assumed that the length of the field, ie the distance between the two electrodes, is sufficiently small and that the series of electrons enters the field within such a small time interval that the change in the field is to be regarded as linear, then it can be shown that 3, 4 and 5 arrive at a focal point 6 at the same time. The row of electrons 3, 4, 5 running on the same orbits has thus been focused in time by the alternating field. This focus is achieved in that, for. B: the electron 5 in the electric field is brought to a higher speed than its precursors 3 and 4, so that it can catch up with these two electrons. The focal length f depends on the voltage U with which the electrons hit the electrode i, on the voltage Y between the electrodes and on the rate of change of this voltage. According to this, an alternating field caused by a sinusoidal voltage is a phase lens with a temporally variable, temporarily negative focal length.

Die vorstehenden Bemerkungen lassen erkennen, daß die Fokussierung einer längeren Elektronenreihe, bei der also das erste und das letzte Elektron innerhalb eines größeren Zeitintervalls in -die Phasenlinse eintreten, nur möglich ist, wenn die Brennweite der Phasenlinse während dieses Zeitintervalls konstant ist. Für die Spannung V muß dann in Abhängigkeit von der Zeit t in dem einfachen Fall eines dünnen homogenen Feldes gelten Hierbei stellt den Zeitpunkt der Fokussierung dar, wenn t = 0 die Zeit angibt, bei der das Feld zwischen den Elektroden i und 2 Null ist.The above remarks show that the focusing of a longer electron row, in which the first and the last electron enter the phase lens within a larger time interval, is only possible if the focal length of the phase lens is constant during this time interval. The voltage V must then apply as a function of time t in the simple case of a thin, homogeneous field Here represents represents the point in time of focusing if t = 0 indicates the time at which the field between electrodes i and 2 is zero.

Abb. 2 stellt den zeitlichen Verlauf der Spannung h schematisch dar.Fig. 2 shows the voltage h as a function of time.

Man erkennt, daß die Linsenspannung den Wert -Unicht unterschreitet, einen immer rascher ansteigenden Verlauf nimmt und zur Zeit der Fokussierung unendlich wird. In ihrem mittleren Teil weicht die Spannungskurve unerheblich von einem größeren geradlinigen Stück ab, so daß eine brauchbare Fokussierung auch durch ein geeignetes, linear ansteigendes Wechselfeld zustande kommen würde.It can be seen that the lens voltage does not fall below the value -U, takes an increasingly rapidly increasing course and is infinite at the time of focusing will. In its middle part, the voltage curve deviates insignificantly from a larger one straight piece, so that a usable focus can also be achieved by a suitable, linearly increasing alternating field would come about.

Nach der Erfindung soll nun eine Phasenlinse mit einer Kippspannung betrieben werden, die einen langsam ansteigenden und einen rasch abfallenden Verlauf nimmt, wie das in Abb. 3 schematisch dargestellt ist. Der ansteigende Teil soll hierbei die Fokussierung einer während des Anstiegs in die Linse gelangenden Elektronenreihe bewirken; er kann nach dem Vorstehenden geradlinig ausgebildet sein, immer rascher ansteigen oder zur exakten Fokussierung im Falle eines dünnen homogenen Feldes zeitlich linear von dem Ausdruck abhängen. Ein auf die Linse fallender Elektronenstrom wird durch eine so betriebene Phasenlinse periodisch unterteilt und der Strom zwischen zwei Unterteilungen zeitlich fokussiert.According to the invention, a phase lens is now to be operated with a breakover voltage which takes a slowly rising and a rapidly falling course, as is shown schematically in FIG. The rising part is supposed to bring about the focussing of a row of electrons entering the lens during the ascent; According to the above, it can be designed in a straight line, rise more and more rapidly or, for exact focusing in the case of a thin, homogeneous field, linear in time from the expression depend. A current of electrons falling on the lens is periodically subdivided by a phase lens operated in this way and the current is temporally focused between two subdivisions.

Eine so betriebene Phasenlinse kann nach der Erfindung zur Verwendung für ein Laufzeitgerät dienen. Hierfür stellt Abb. 4 ein Beispiel dar. In Abb.4 bedeutet 7 einen Pendelvervielfacher mit den beiden Kathoden 3 und g und der Anode io. 8 enthält eine öffnung, durch die ein in der Pfeilrichtung fließender Elektronenstrom in den Vervielfacher gelangen kann. Mit ii ist die mit der Kippspannung betriebene Phasenlinse bezeichnet. Die Frequenz der Kippspannung soll gleich der Frequenz der Wechselspannung des Verv ielfachers sein. Die Phasenlinse unterteilt und fokussiert dann den Primärelektronenstrom synchron zur Wechselspannung des Vervielfachers. Liegen Linse-und Vervielfacherspannung noch um eine geeignete Phase verschoben, so läßt sich erreichen, daß in diesem Gerät nur solche Elektronen laufen, die sich an der Vervielfachung wirksam beteiligen, d. h. aber, daß eine Erhöhung des Wirkungsgrades des Vervielfachers gegenüber der bekannten Betriebsweise erzielt wird. Dieselbe Zuordnung von Phasenlinse und Vervielfacher ist bereits vorgeschlagen worden, jedoch mit dem Unterschied, daß bei der vorgeschlagenen Anordnung eine Phasenblende an Stelle der Phasenlinse angeordnet ist. Während die Blende eine Erhöhung des Wirkungsgrades dadurch bewirkt, daß sie aus dem Primärelektronenstrom die zu einer geeigneten Phase der Spannung des Vervielfacbers ankommenden Elektronen ausblendet, läßt die Phasenlinse praktisch den ganzen Elektronenstrom durch, unterteilt ihn jedoch und bewirkt eine zeitlich-räumliche Fokussierung des Stromes zwischen zwei Unterteilungen, derart, daß alle Elektronen zu einer geeigneten Phase in den Vervielfacher eintreten. Mittels des auf diese Weise völlig ausgenutzten Primärelektronenstromes-ergibt sich dann noch eine weitere beachtliche Steigerung des Wirkungsgrades des Laufzeitgerätes.A phase lens operated in this way can be used according to the invention serve for a runtime device. Fig. 4 shows an example of this. In Fig. 4 means 7 a pendulum multiplier with the two cathodes 3 and g and the anode io. 8th contains an opening through which a current of electrons flowing in the direction of the arrow can get into the multiplier. With ii is operated with the breakover voltage Phase lens called. The frequency of the breakover voltage should be equal to the frequency of the Be the alternating voltage of the multiplier. The phase lens divides and focuses then the primary electron current in synchronism with the alternating voltage of the multiplier. If the lens and multiplier voltages are still shifted by a suitable phase, in this way it can be achieved that in this device only those electrons run that are participate effectively in the multiplication, d. H. but that an increase in efficiency of the multiplier is achieved compared to the known mode of operation. Same Assignment of phase lens and multiplier has already been proposed, however with the difference that in the proposed arrangement a phase stop Place of the phase lens is arranged. While the aperture increases the efficiency thereby causes them to move from the primary electron current to a suitable phase the voltage of the multiplier fades out incoming electrons, leaves the phase lens practically the entire electron flow through, but divides it and causes a temporal-spatial focusing of the current between two subdivisions, such as that all electrons enter the multiplier at an appropriate phase. Means the primary electron current fully utilized in this way then results yet another considerable increase in the efficiency of the runtime device.

Mitunter wird es zweckmäßig sein, die Phasenlinse mit einer sinusförmigen Wechselspannung statt mit einer Kippspannung zu betreiben. Um jedoch die Wirkungsweise der Phasenlinse zu erhalten, muß in diesem Falle eine Phasenblende vor die Linse gesetzt werden, die den Primärelektronenstrom nur dann durchläßt, wenn die Wechselspannung das geradlinige Stück ihres ansteigenden Teiles durchläuft.Sometimes it will be useful to have the phase lens with a sinusoidal To operate alternating voltage instead of a breakover voltage. However, about the mode of action To get the phase lens, a phase stop must be placed in front of the lens in this case be set, which only lets through the primary electron current when the alternating voltage the straight piece of its ascending part passes through.

Zur Präzisierung des am Beispiel nach Abb. 4. dargelegten Sachverhaltes müßte die Phasenlinse i i als zusätzliche Phasenlinse bezeichnet werden; denn das Wechselfeld in einem Laufzeitgerät stellt nach den obigen Ausführungen auch schon eine Phasenlinse dar.To clarify the facts presented in the example according to Fig. 4 the phase lens i i would have to be referred to as an additional phase lens; because that Alternating field in a runtime device already represents according to the above explanations a phase lens.

Ebenso wie bei dem dargelegten Beispiel eines Pendelvervielfachers kann die Phasenlinse auch bei anderen Laufzeitgeräten mit Vorteil verwendet werden.Just as in the example given of a pendulum multiplier the phase lens can also be used with advantage in other time-of-flight devices.

Nach einem weiteren Erfindungsgedanken kann die Phasenlinse mit Vorteil auch innerhalb des Laufzeitgerätes statt der an sich im Gerät enthaltenen Phasenlinse oder zusätzlich zu dieser angeordnet «erden. Die Phasenlinse soll dann mit einer Kippwechselspannung betrieben werden, die eine zeitlich-räumliche Fokussierung der durch die Linse laufenden Ladungsträger bewirkt. Hierzu können zusätzlich Elektroden im Laufzeitgerät angeordnet sein, an die die Wechselspannung der Phasenlinse zu legen ist; es können aber auch im Laufzeitgerät bereits vorhandene Elektroden zur Ausübung der zusätzlichen Linsenwirkung mit einer Wechselspannung geeigneter Form verwendet werden. Die Wirkungsweise einer so angeordneten Phasenlinse soll an einem in Abb.5 dargestellten Ausführungsbeispiel erläutert werden.According to a further idea of the invention, the phase lens can advantageously also within the transit time device instead of the phase lens contained in the device itself or arranged in addition to this «earth. The phase lens should then with a Breakover alternating voltage are operated, which has a temporal-spatial focusing of the causes charge carriers running through the lens. Electrodes can also be used for this purpose be arranged in the transit time device to which the AC voltage of the phase lens to lay is; However, electrodes that are already present in the run-time device can also be used Exercise of the additional lens effect with an alternating voltage of a suitable form be used. The mode of action of a phase lens arranged in this way should be based on a The embodiment shown in Fig.5 will be explained.

Hier sind 12 und 13 die Kathoden eines Pendelvervielfachers, von denen mindestens 12 als Photokathode ausgebildet ist. Die Phasenlinse ist. das zwischen den Elektroden 14 und 15 erzeugte Wechselfeld. Die Elektrode 14 ist mit einer weiteren Elektrode 16 leitend verbunden, desgleichen 1,5 mit 17. Die Elektroden 16 und 17 liegen dicht vor den Kathoden 12 und 13, sind gegen diese mit einer positiven Vorspannung, etwa io bis ioo Volt, versehen und dienen dazu, den aus den Kathoden austretenden Sekundärelektronen eine wohldefinierte Geschwindigkeit zu erteilen. Zwischen 14 und 15 liegt die bereits beschriebene Kippspannung; jedoch sollen die einzelnen Impulse der Kippspannung mit entgegengesetzter Polarität aufeinanderfolgen, und die Spannung soll so groß sein, daß der fokussierte Elektronenstrom beim Auftreffen auf eine Kathode eine für die Auslösung von Sekundärelektronen günstige Geschwindigkeit aufweist. Der Brennpunkt der Linse liegt während des langsam ansteigenden Teiles der Kippspannung auf 13, während des langsam fallenden Teiles des nächsten Impulses auf 12.Here 12 and 13 are the cathodes of a pendulum multiplier, of which at least 12 is designed as a photocathode. The phase lens is. that between the electrodes 14 and 15 generated alternating field. The electrode 14 is connected to another Electrode 16 conductively connected, likewise 1.5 with 17. Electrodes 16 and 17 are close to the cathodes 12 and 13, are against them with a positive bias, about io to ioo volts, and serve to control the leakage from the cathodes To give secondary electrons a well-defined speed. Between 14 and 15 is the breakover voltage already described; however, the individual should Pulses of the breakover voltage follow one another with opposite polarity, and the voltage should be so great that the focused electron stream upon impact on a cathode a speed favorable for the release of secondary electrons having. The focal point of the lens lies during the slowly rising part the breakover voltage to 13, during the slowly falling part of the next pulse on 12.

Die vorteilhafte Wirkung der Phasenlinse beim Pendelvervielfacher liegt darin, daß die aus einer Kathode ausgelösten Elektronen zu einer geeigneten Phase der Spannung auf die andere Kathode gebracht werden. .Es können also fast alle während der positiven Halbperiode aus der Photokathode ausgelösten Elektronen auf der anderen Kathode fokussiert und für die Vervielfachung wirksam gemacht werden. Dadurch wird ein um das Dreifache größerer Wirkungsgrad gegenüber dem bekannten, mit einer sinusförmigen Wechselspannung betriebenen Verv ielfacher erreicht.The beneficial effect of the phase lens in the pendulum multiplier lies in the fact that the electrons released from a cathode to a suitable one Phase of the voltage to be brought to the other cathode. So it can almost all electrons released from the photocathode during the positive half cycle focused on the other cathode and made effective for the multiplication. This results in an efficiency that is three times greater than that of the known Achieved a multiplier operated with a sinusoidal alternating voltage.

Claims

PATENT CLAIMS: i. Electron-optical phase lens for a time-of-flight device, especially for a pendulum multiplier, a tube according to B a r k h a u s e n-K u r z, a magnetron, a cyclotron or one with high-frequency alternating voltage operated electron-optical imaging device, characterized by a control device, the periodic division of the electron stream entering the lens and a temporal-spatial focusing of the electron groups describing the same orbits caused between two successive subdivisions.

2. phase lens according to claim i, characterized in that it is used as an additional phase lens outside of the on A phase lens containing time-of-flight device is arranged and for subdivision and focussing a primary electron stream directed at the time of flight device serves.

3. phase lens according to claim 2, characterized in that the control device the phase lens consists of two electrodes, to which a breakover voltage with a slowly rising and a rapidly falling part is placed, such that the The electron flow is subdivided in the falling part of the breakover voltage. q ..

Phase lens according to Claim 3, characterized in that the rising part the breakover voltage is linear with time.

5. Phase lens after Claim 3, characterized in that the breakover voltage is always in the rising part grows faster.

6. phase lens according to claim 3, characterized in that the breakover voltage for the exact temporal-spatial focusing of the same orbits descriptive electron groups in its increasing part linearly from the expression in which the constant T means the time of focusing.

7. Phase lens according to claim 2, characterized in that it is connected to a sinusoidal alternating voltage is placed and that a phase stop is arranged in front of her so that the aperture is the primary electron current entering the lens synchronous with the alternating voltage fades out so that the electrons passed through the lens are within a Time interval, which is a linearly increasing part of the sinusoidal alternating voltage is equivalent to. B. phase lens according to claim i, characterized in that the phase lens within the time-of-flight device instead of the phase lens contained per se a time-of-flight device or is arranged in addition to this. G. Phase lens according to claim 8, characterized characterized in that its control device contains electrodes to which such AC voltage is applied, that the subdivision of the electron stream entering the lens takes place with every voltage change. ok Phase lens according to claim g, characterized in that that the lens voltage during all half-periods except for the polarity as a breakover voltage according to claims q., 5 or 6 is formed.