DE939645C - Schaltung und Prallelektrodenanordnung bei einem Prallgittervervielfacher - Google Patents

Description

(WiGBl. S. 175)

AUSGEGEBEN AM 1. MÄRZ 1956

Aio?opVIIIc/2ig

(Ges. v. 15. 7. 1951)

Die Erfindung betrifft Prallgittervervielfacher nach dem zuerst von Zworykin für die Verstärkung eines zeitlich veränderlichen Elektronenstroms in Fernsehröhren verwendeten Prinzips (britische Patentschrift 381 306). Zworykin verwendete zu diesem Zweck vor dem Leuchtschirm eine Reihe von aufeinanderfolgenden, an steigendem Potential liegenden gitternetz- oder siebförmigen Prallelektroden, an denen 'durch die ankommenden Elektronen Sekundärelektronen ausgelöst werden. Über die Abstände der Prallelektroden voneinander sind hier keine besonderen Angaben gemacht. Es sind nach dem beschriebenen Prinzip später Photozellen und Verstärkerröhren beschrieben worden, in denen der Photostrom oder der gesteuerte Glühkathodenstrom an aufeinanderfolgenden elektronendurchlässigen Prallelektroden vervielfacht wurde. Die Prallelektroden sind dabei entweder wie bei Zworykin als Gitter, Netze oder Siebe oder aber in ebenfalls bekannter Weise als Folien ausgebildet. Der Fall von Folien soll in den folgenden Betrachtungen ausgeschlossen werden; interessant sind hier nur Netze, Gitter ' oder Siebe, d.h. solche Prallelektroden, die zwar auch zum Teil elektronendurchlässig sind, aber in der Weise, daß definierte Stellen, nämlich die Öffnungen, durchlässig, andere Stellen, nämlich die von dem Gitter-, Netz- oder Siebmaterial ein-

genommenen Raumstellen, vollkommen undurchlässig sind. Gegenüber den "Folien," bei denen, die Sekundärelektronenauslösung im Innern der Folie stattfindet und die Sekundärelektronen die restliehe Dicke der Folie durchsetzen, liegt hier der 'Fall so, daß die Primärelektronen auf die eine Seite der Prallelektrode auftreffen, die wir im folgenden als Vorderseite bezeichnen wollen, wobei dann die Sekundärekktronen zunächst in »falscher« ίο Richtung austreten und durch das am der Rückseite der Elektrode angreifende Beschleunigungsfeld abgesaugt werden müssen. Man hat auch Betrachtungen darüber angestellt, wie groß die Öffnungen eines Netzes im Verhältnis zu der von den NetziS drähten bedeckten Fläche sein müssen, d. h·., wie groß höchstens der Bedeckungsgrad sein darf, damit noch eine hinreichende Absaugung der Sekundärelektronen stattfindet. Bs ist ausgesprochen worden^ daß der Bedeckungsgrad nicht so groß sein darf, damit noch ein hinreichender Durchgriff des an der Rückseite ansetzenden Beschleunigungsfeldes auf die Vorderseite vorhanden ist. Es ist. schließlich auch bekanntgeworden, diesen Durchgriff dadurch zu erhöhen, daß vor jeder Prallelektrode eine HjIf sag elektrode angebracht wird, die sich z. B. auf -gleichenL-PotentiaLmit der Pxalklektxode befindet und die das von der vorhergehenden Elektrode kommende, auf die Sekundärelektronen bremsend wirkende Feld abschirmt und daher-einen höheren 30, Durchgriff des folgenden Beschleunigungsfeldes ermöglicht. Diese Anordnung hat verschiedene Nachteile,, einmal den erhöhten ,Auf wand in Form zweier Netze statt eines Netzes, dann die unvermeidliche Absorption der Primärelektronen an den Drähten der Hilfselektrode. ■·.-.-" .i

Die Erfindung geht von einem ganz anderen Gesichtspunkt- aus. Ihr liegt die Erkenntnis zugrunde, daß, wenn die Prallelektroden in gleichem - Abstand voneinander angebracht sind und wenn gleiche Potentialdifferenzen zwischen zwei aufeinanderfolgenden Elektroden herrschen, gar kein Durchgriff des Beschleunigungsfeldes zwischen einer Elektrode und der folgenden Elektrode auf die Vorderseite der ersten Elektrode, zu erwarten ist. Ein solcher Durchgriff kann erst eintreten, wenn das Feld zwischen zwei Elektroden größer ist als das Feld zwischen den beiden vorhergehenr den. Um' diesen Zustand zu verwirklichen, ist bei einem Sekundärelektronenvervielfacher mit hintereinanderliegenden parallelen, vielfach durchbrochenen Prallelektroden, bei dem aufeinanderfolgende Vervielfachungsstufen ausreichendeelektrische Feldstärken aufweisen,, nach der Erfindung eine Schaltung und Prallelektrodenanordnung derart vocgesehen, daß im jeder der vorzugsweise aus gitter- oder netzförmigen Parallelelektroden gebildeten Vervielfachungsstufen eine größere elektrische Feldstärke vorhanden ist als in der ihr vorangehenden und daß die Feldstärke einer jeden Vervielfachungsstufe um so viel größer bemessen ist als die der ihr vorangehenden Stufe, daß infolge des Durchgriffs des Potentialfeldes auf der den ankommenden Primärelektronen 'zugewendeten Seite jeder Parallelelektrode in deren unmittelbaren Umgebung ein'die an ihr ausgelösten Sekundär- 6g elektronen von der Parallelelektrode fort beschleunigendes Feld entsteht.

Die dann auftretenden Feldverhältnisse seien zunächst an Hand der Abbildungen prinzipiell erläutert. In Abb." ι ist der an sich bekannte Teil einer unendlich ausgedehnten blendenförmigen Elektrode B mit einer MLttelöffnung von Halbmesser r₀ eingezeichnet, zu deren beiden Seiten verschiedene Feldstärken E₁ und E₂ herrschen. Die beiden Felder sollen gleichgerichtet sein, d. h., E₁ und E₂ haben gleiches Vorzeichen, das der Einfachheit halber positiv angenommen wird. Ferner soll das obere Feld E₂ größer sein als- das untere Feld E₁. In diesem Falle bildet sich im Potentialfeld eine singuläre Fläche 6* aus, die ein Rotationsellipsoid darstellt, welches die Blende im einem Kreis schneidet, von dem in,· der Zeichnung die beiden Fußpunkte F zu erkennen sind. Zwischen dem Halbmesser R dieses Kreises und dem der Blendenöffnung r₀ besteht dabei eine von dem Ver- 8g hälttniis der Feldstärken E₂ und E₁ abhängige Beziehung. Auf der singulären Fläche herrscht dabei das gleiche Potential wie auf der Blende, unterhalb .dieser. Fläche ^eAn niedrigere.s_P.ate.n.tial_J..jQberhalb__.. dieser Fläche ein höheres Potential. Obwohl also go an der Blende bei fehknder Öffnung nach unten ein bremsendes, nach oben ein beschleunigendes Feld liegen würde, bewirkt- die Blendenöffnung, daß innerhalb des durch die Fußpunkte P angedeuteten Kreises auch unten ein beschleunigendes Feld angreift. In Abb. 2 ist dieser an sich bekannte Sachverhalt auf den Fall mehrerer Blendenöffnungen· vom Halbmesser r₀ mit dem Mindestabstaiid d übertragen. In Abb. 2 ist also eine siebförmige Elektrode dargestellt, zu deren beiden Seiten wieder verschiedene Felder herrschen sollen. Für einen Spezialfall des Verhältnisses E₂ZE₁ der Felder sind dabei die singulären Flächen 8 eingezeichnet, nämlich für einen solchen Fall, daß der Fußpunkt F für zwei · von verschiedenen ^vöffnungen berührende Flächen der gleiche ist; es ist also hier der Fall gezeichnet, daß gerade an der ganz unteren Seite der siebförmigen Elektrode ein. Beschleunigungsfeld angreift. Die Übertragung auf netz- oder gitterförmige Elektroden ist dann nach Abb. 3, in der die Drähte des Netzes oder Gitters mit N bezeichnet sind, offensichtlich.

In Abb. 4 ist nun das P'otentialfeld- einer Netzanordnung der bekannten Vervielfacher ischematisch. dargestellt. Zwischen den einzelnen Netzen N soll eine Potentialdifferenz von je 150 V liegen; die Potentialflächen sind von 50 zu 50 V eingetragen. Betrachtet man das auf 300 V liegende Netz, so erkennt man, daß, da. die Felder zu beiden Seiten gleich groß sind und infolgedessen auch kein Durchgriff herrscht, an der Vorderseite eines Drahtes ein die Elektronen auf das Netz zu beschleunigendes, also. die Elektronen bremsendes, auf der Rückseite ein die Elektronen vom Netz fort beschleunigendes Feld Hegt. Wie sich die Feld-Verhältnisse ändern, .wenn das. Feld zwischen .zwei

Netzen von Stufe zu Stufe zunimmt, zeigt Abb. 5. Hier ist wieder speziell das auf 300 V liegende Netz betrachtet. Während das folgende Netz wie vorher auf 450 V liegt, soll das vorhergehende Netz nicht auf 150, sondern auf 200 V liegen. Die Felder beeinflussen sich jetzt derart, daß die Flächen von 40a und 350 V wesentlich näher an die betrachtete Elektrode heranrücken, so daß die Fläche von 300 V nach unten gerückt und sogar von den Netzdrähten völlig abgelöst ist, die ihrerseits sogar noch von Potentialflächen von 310 V umgeben sind. Jetzt wirkt auf der ganzen Fläche, insbesondere also auch auf der Vorderseite der Netzdrähte, ein die Elektronen von dem Netz fort beschleunigendes Feld. Es ist ersichtlich, daß die Sekundärelektronenausbeute in einem Vervielfacher mit derartigen Feldverhältnissen wesentlich günstiger ist als bei den bekannten Vervielfachern. Es ist ferner ersichtlich, daß der erwünschte Felddurchgriff sich in dem Fall besser realisieren läßt, daß die Elektroden aus runden Drähten (Abb. 3) und nicht aus flachen Streifen (Abb. 2) bestehen, so daß also für den Vervielfacher nach der Erfindung netz- oder gitterförmige Elektroden den siebförmigen Elektroden vorgezogen sind.

In Abb. 6 und 7 sind zwei Ausführungsformen des Erfindungsgedankens beispielsweise dargestellt. Abb. 6 zeigt einen Prallgittervervielfacher mit Kathode K, einer Reihe von Prallelektroden N und einer Anode A. Die Spannungen für die Elektroden werden einer Gleichspannungsquelle über einen Spannungsteiler Sp entnommen. Während die Prallelektroden in gleichem Abstand voneinander angeordnet sind, ist der Spannungsteiler ungleichförmig unterteilt, und zwar so, 'daß die Spannung zwischen zwei aufeinanderfolgenden Elektroden und damit auch die Feldstärke zwischen ihnen von Stufe zu Stufe steigt. Wegen· der Bedingungen, die durch die Sekundärelektronenauslösung an die zwischen den Elektroden liegenden Spannungen gestellt sind, läßt sich die Forderung, bei gleichem Netzabstand die Spannungen so zu erhöhen, daß die Feldstärken in hinreichendem Maße zunehmen, nicht immer erfüllen. Es ist dann zweckmäßig, wie dies Abb. 7 zeigt, die Netzabstände von Stufe zu Stufe kleiner zu machen, z. B. jedesmal auf die Hälfte herunterzugehen und beispielsweise die dem Spannungsteiler Sp entnommenen Spannungen für jede Stufe gleich zu wählen. Es ist natürlich auch möglich, beide Maßnahmen kombiniert anzuwenden, d. h. sowohl dien Abstand der Elektroden kleiner zu machen als auch die Spannungen von Stufe zu Stufe zunehmen zu lassen. In den beiden Abbildungen liegt im Anodenkreis noch ein besonderer Widerstand, von dessen Enden die Spannung einem Verbraucher V zugeführt werden kann.

Es ist zwar bekannt, in Prallelektrodenvervielfachern die Abstände zwischen den letzten Elektroden kleiner zu wählen als zwischen den ersten, und zwar aus dem Grunde, weil dort die Raumladungen höher sind als in den ersten Stufen. Die Raumladungen können zu einer Sättigung des Stromes führen, so daß keine dem Primärstrom proportionale Verstärkung mehr erzielt wird. Um dies zu vermeiden, wird der an sich auch sonst bekannte Weg gewählt, 'den Abstand der folgenden Elektrode mit höherem Potential so klein zu wählen, daß bei den zu erwartenden Raumladungen eben noch keine Sättigung eintritt. Es erfolgt dann eine von der zu erwartenden Verstärkung abhängige Verkleinerung der Abstände, z. B. im Verhältnis 2 :.i bei· einer Verdoppelung des Stromes durch Sekundärelektronenemission. Ferner ist es bei Vervielfachern, bei denen wenigstens eine der Prallelektroden als Folie ausgebildet ist, bekannt, daß der Abstand der Prallelektroden derart gewählt ist, daß der Durchgriff einer fokussierenden zylindrischen Elektrode, welche die Parallelelektroden umgibt, in Richtung auf die Auffangelektrode hin abnimmt. Es ist ersichtlich, daß die durch die Erfindung gegebene Lehre weit über das Bekannte hinausgeht. Weder soll die Vergrößerung des Feldes nur in den letzten Stufen erfolgen, da ja der ungenügende Durchgriff sich auch in den ersten Stufen bemerkbar macht, noch soll die Vergrößerung des Feldes abhängig sein von der Verstärkung, da ja auch bei äußerst kleinem Strom schon ein Durchgriff des Feldes erforderlich ist. Außerdem ist es erstrebenswert, die Felder so zu bemessen, go daß alle emittierenden Teile der Prallelektroden von einem Beschleunigungsfeld umgeben sind, was im allgemeinen eine viel stärkere Feldzunahme von Stufe zu Stufe als in dem bekannten Fall bedingt. Überdies wird natürlich mit dem Vervielfacher nach der Erfindung von selbst erreicht, daß der Einfluß der Raumladungen in den höheren Stufen unterdrückt wird.

Die Erfindung ist nicht beschränkt auf Vervielfacher mit Photokathoden, wie sie in den Ausführungsbeispielen bezeichnet sind. Sie kann in gleicher Weise auch für Vervielfacher mit anderen Elektronen quellen, z. B. für Vervielfacher mit Glühkathode, gegebenenfalls mit Gittersteuerung oder anderer Steuerung des Elektronenstroms, Verwendung finden. Die Prallelektroden brauchen auch nicht eben ausgebildet zu sein; sie können, um eine zu hohe Belastung der letzten Stufen zu vermeiden, in bekannter Weise als einander umgebende koaxiale Zylinder (zumindest in den letzten Stufen) oder aber auch als einander umgebende koaxiale Kegelstümpfe von zunehmender Fläche ausgebildet sein.

Claims (4)

1. PATENTANSPRÜCHE:

   i. Schaltung und Prallelektrodenanordnung bei einem Sekundärelektronenvervielfacher mit hintereinanderliegenden, parallelen, vielfach durchbrochenen Prallelektroden, bei dem aufeinanderfolgende Vervielfachungsstufen anwachsende elektrische Feldstärken aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß in jeder der vorzugsweise aus gitter- oder netzförmigen Prallelektroden gebildeten Vervielfachungsstufen

   eine größere elektrische Feldstärke vorhanden ist als in der ihr vorangehenden und daß die Feldstärke einer jeden Vervielfachungsstufe um so viel größer bemessen ist als die der ihr vorangehenden Stufe,. ..daß infolge des Durchgriffs des Potentialfeldes auf der den ankommenden Primärelektronen zugewendeten Seite jeder Prallelektrode in deren unmittelbaren Umgebung ein die an ihr ausgelösten Sekundärelektronen von der Prallelektrode fort beschleunigendes Feld entsteht.
2. 2. Schaltung und Prallelektrodenanordinung nach Anspruch i, gekennzeichnet 'durch· abnehmenden Abstand der aufeinanderfolgenden Prallelektroden zum Betrieb mit für alle Stufen gleichen Potentialdifferenzen.
3. 3. Schaltung und Prallelektrodenanordnung nach Anspruch ι und 2, gekennzeichnet durch gleichen Abstand der Parallelelektroden zum Betrieb mit von Stufe zu Stufe zunehmenden Potentialdiffererizen.
4. 4. Schaltung und Prallelektrodenanordnung nach Anspruch 1 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß alle oder mindestens die letzten Prallelektroden die Form von einander umgebenden Zylindern oder Kegelstümpfen mit von Stufe zu Stufe zunehmender Fläche haben.

   Angezogene Druckschriften:
   Britische Patentschriften Nr. 472 896, 490 265; deutsche Patentschrift Nr. 903 253.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

   © 509 661 2.56