Elektronenvervielfacher. Es sind Elektronenvervielfache:r bekannt geworden, deren El'ektrodensystein nicht aus mehreren voneinander getrennten Elektroden besteht, ,die elektrisch. so ;geschaltet sind, dass zwischen ihnen ein Feld entsteht, in welchem die aus .den Elektroden austretenden Sekun därelektronen jeweils zur nächsten Elektrode hingelenkt werden.
Vielmehr besteht bei diesen Elektronenvervielfachern das gesamte Elektrodensystem gewissermassen aus einer einzigen Elektrode,
längs der dao Potential sich kontinuierlich ändert. Es entsteht so längs der Oberfläche dieses Elektro@d@en- systems ein im wesentlichen und in erster Annäherung parallel zu ihr verlaufendes elektrisches Feld. Eins an irgendeiner Stelle aus der Elektrode herausfliegendes Elektron wird also unter dem Einfluss dieses Feldes, etwa,
parallel zur Elektrodenoberfläehe in einem gewissen von der Austrittsenergie und der Austrittsrichtung des Elektrons; abhän- gigen Abstand von ihr entlang fliegen.
Da ein solches vor dem Ende .der Elektrode nicht iuehr auf sie auftreffendes Elektron natur gemäss auch nicht mehr in der Lage ist, weitere Sekun:därelektro#nen aus der Ober fläche herauszuschlagen, sind solche Elektro- densysteme nur dann für die Verstärkung geeignet, wenn e, gelingt, die parallel zur Oberfläche fliegenden Elektronen:
von, Zeit zu Zeit aus ihrer Richtung abzulenken und wieder auf die Oberfläche des Elektrod'en- systemsg aufprallen zu lassen.
Bei den bekannten Elektrödensystemen dieser Art verwendete man gestreckte Elek- trodensysteme, die beispielsweise aus einem schmalen Streifen eines isolierenden Stoffes bestanden, auf dem Halbleiterschichten niedergeschlagen warnen,. welche ihrerseits wieder mit einer sekundäremittierenden Oberfläche versehen wurden.
Die Halbleitem- ,schicht wurde an -eine .geeignete hohe Span nung gelegt, so @dass sich entlang ihrer mit einem sekundäremittierenden Stoff über- zobenen Oberfläche das oben näher geschil- derte elektrische Feld ausbildete. Um die einmal an .irgendeiner Stelle, beispielsweise durch auftreffende Lieht- oder Elektronen strahlen,
aus, der Elektrode herausgeholten Elektronen nicht parallel in einigem Abstand zur Oberfläche bis ans Ende der Elektrode fliegen, sondern sie in bestimmten Abstän den wieder auf die Oberfläche aufprallen und dort Sekundärelektronen erzeugen zu lassen, verwendete man bei diesen bekannten Anordnungen Magnetfelder. Diese Magnet felder waren quer zur Längserstreckung der Elektrode gerichtet und bewirkten auf diese Weise,
dass ein aus der Elektrode austreten des Elektron in eine halbkreisförmige Bahn gezwungen wurde, die es in einigem Abstand von seinem Ursprungsort wieder auf die Oberfläche des Elektrodensystems zurück führte, wo es Sekundärelektronen auslöste, deren Bahnverlauf ähnlich war.
Hierzu sind aber verhältnismässig .starke Magnetfelder vom ziemlicher räumlicher Ausdehnung, insbesondere grosser Längs erstreckung erforderlich. Sie verlangen zu ihrer Herstellung verhältni5mäss.ig grosse Lei stungen und machen den damit ausgerüsteten Elektronenvervielfache-r gross, schwer und umständlich. Gemäss der Erfindung wird ein Elektro,- nenvervielfacher mit einem Elektroden system,
das mit einer sekundäremittierenden Oberfläche und als Potentiometer geschalte tem Widerstand versehen; ist, dadurch wesent lich vereinfacht, @dass das Elektrodensystem so gekrümmt ist, dass die austretenden Elek tronen nach Durchlaufen einer gewissen Wegstrecke infolge ihrer Trägheit wieder auf seine emittierende Oberfläche auftreffen.
Dies geschieht am besten, indem man das Elektrodensystem so aufwickelt, dass die emittierende Oberfläche überall konkav in Richtung der Bewegung der Elektronen ge krümmt ist. Die einfachsten Formen erhält man dabei, wenn man das Elektrodensyetem zu einer engen Wendel oder zu einer Spirale - auch räumliche Spiralen sind, möglich - derart aufwickelt. dass seine emittierende Seite der Wendelachse bezw. dem Mittel punkt der Spirale zugekehrt ist.
Die von irgendeinem Punkt der Oberfläche ausgehen den Elektronen beschreiben entsprechend dem längs der Elektrodenoberflä,che, also z. B. in WendIelform verlaufenden Feld ebenfalls gewendelte Bahnen.
Infolge ihrer Trägheit werden sie jedoch nicht streng dem Feld folgen können, vielmehr wird ihr Bahnradius unter der. Mti:rkun-; der Zentrifugalkraft.. sieh allmählich. vergrössern und in einigem Ab stand von ihrem Ursprungsort werden sie (beispielsweise nach einigen Umläufen) wie der auf die Elektrodenoberfläahe aufprallen.
Dies wird unter verhältnismässig flachem @,#inkel geschehen, da, sowohl die Elektrod'en- oberfläehe als auch die Elektronenbahn nach derselben Richtu@rrg konkav sind, und d@itrch diesen flachen Auftreffwinkel wird eine gute Ausnützung der auftreffenden Elektro nen erzielt.
Es ist ja. bekannt. dass der Ver vielfachungsfaktor, also die Zahl von Elek tronen, welche ein einzelnes Elektron beim Aufprallen auf die vervielfachende Elektrode im Durchschnitt. auslöst, mit spitzer werden dem Auftreffwink e1 ansteigt. Durch Anlegen bestimmter Spannungen an (las als Potentio- meter geschaltete El-ektrodensystem kann man den Abstand der einzelnen Auftreff- punkte der
Elektronen voneinander regeln und kann damit erreichen, dass man ohne Zu hilfenahme eines Magnetfeldes ein beliebig häufiges Auftreffen der Elektronen auf die, emittierende Oberfläche erhält.
Der Abstand der einzelnen Auftreff- punkte voneinander kann auch noch auf an dere Meise geregelt werden. Es ist bekannt, gegenüber dem als Potentio-meter geschalte ten Elektrodensystem eine Absau gelektrode mit stark positivem Potential anzuordnen, die von den Elektronen selbst nicht getroffen wird, sondern lediglich unmittelbar an der Oberfläche der vervielfachenden Elektrode eln starkes Feld erzeugt,
so dass die austre tenden Elektronen rasch abgesaugt und Raumladungen verhindert werden. Bei dem erfindungsgemässen Ve@rvielfacher ist die An- Wendung einer solchen Absaugelektro,de grundsätzlich gleiohfalls möglich.
Man kann diese Elektrode aber auch dazu benutzen, die Entfernung der Auftreffpunkte der Elektro nen auf der vervielfachenden Elektrode von einander zu verringere. Es ist dazu nur er forderlich, auch diese Absaugelektrode in Form einer einen hohen Widerstand aufwei senden Platte; als;
Potentiometer zu schalten und die angelegte Spannung so zu bemessen, dass ein Punkt eines bestimmten Potentials gegenüber dem Punkt gleichen Potentials auf der vervielfachenden Elektrode um ein :ge- ringes Mass: in Richtung der Elektroden- bewegung nach vorn verschoben ist.
Dadurch bekommen die Feldlinien eine Neigung gegen die Oberfläche der vervielfachenden Elek trode, so dass die im Feld fliegenden Elek tronen um so rascher wieder auf die verviel- fa.chend@e Oberfläche zurückgeführt werden, je grösser diese Neigung ist.
Das Mass der Neigung ist durch die Verschiebung der Punkte gleichen Potentials auf den beiden Elektroden gegeben: je weiter ein Punkt eines bestimmten Potentials auf der Abeaug- elektrode im Vergleich zu dem Punkt.
des gleichen Potentials auf der vervielfachenden Elektrode nach dem Elektrodenende zu ver schoben ist, um so stärker ist die Neigung der Feldlinien gegen die Oberfläche der vervielfachenden Elektrode, um so geringer ist aber auch die Wirkung der Absaugelek- trode hinsichtlich ihrer ursprünglichen Auf gabe, das heisst um so mehr besteht die Ge fahr, d@ass der Erfolg der Anordnung dieser Elektrode durch die entstehenden Raum ladungen wieder aufgehoben wird.
Der Ab stand der Absaugelektrode von der sekundär emittierenden Elektrode kann über die .ganze Länge der Elektroden gleich bleiben. Die Absaugelektrode wird dann also in der glei chen Weise gekrümmt ausgeführt wie die vervielfachende, das heisst vorzugsweise zu sammen mit dieser zu einer Wendel oder einer Spirale aufgewickelt.
Ebenso aber kann der Abstand der beiden Elektroden von einander nach dem Ende zu zunehmen, so d'ass der für die Elektronenbahnen verfügbare Querschnitt mit wachsender Elektronenzahl grösser wird.
Etwas verwickeltere, aber ganz beliebige Formen des terfindun@gägemässlen Verviel- fachers erhält man, wenn man das gesamte Innere eines, als Potentiometer geschalteten Rohres aktiviert. Dieses Rohr lässt sich dann ganz beliebig zusammenknäulen und als Ver- vielfacher verwenden.
Ein an einer Stelle im Innern des Rohres fliegendes Elektron wird an einem Biegung des Rohres auf die Innen fläche des Rohres aufprallen und dort. Se- kundäreilektronen auslösen. Auf ihrem Wei terweg werden diese an einer bestimmten Stelle abermals der Biegung des Rohres nicht ganz folgen und ihrerseits auf die sekundär- emittierende Rohrinnenfläche auftreffen.
Dabei werden die Stellen, an denen Blektro,- nen auf die Rohrwandung auftreffen, stets in Richtung der Elektronenbewegung konkav gekrümmt sein, weil die Annäherung dem Elektronen,an die Wandung eine Folge ihrer Trägheit ist, dae heisst die Bahnradien der Elektronen sich vergrössern und sie daher in die äussere Begrenzung des ihnen - gebotenen gekrümmten Raumes gelangen.
Auch bei dieser Anardnung kann das Rohr über seine ganze Länge gleichen Durchmesser aufwei sen., .oder tes kann so !geformt sein, da.ss es gegen das Ende zu weiter wind, so dass also der den Elektronen verfügbare Querschnitt zunimmt. Bei,der zuletzt genannten Ausfüh rung nimmt mit dem :grösser werdenden Um fang des Rohres und bei .gleichbleibender Wand- oder Schichtsfärke der Spannun;
gs- abfall je Längeneinheit ab. Vrickelt man ein solches Rohr zu einer Spirale auf, so erhält man eine Anordnung, bei der die einzelne Vervielfacherstufen (das heisst die Abstände der Auftreffpunkte voneinander) infolge ,des grösser werdenden grümmungsradius des Rohres immer grösser werden und trotzdem je Stufe etwa die gleiche Spannung aus genutzt wird.
Das Vervielfachergehäuste kann sich genau der Form des E'lektrodensystems an passen oder aber das gesamte Elektroden- system in -einer einfachen Gestalt, beispiels- weise in Kugel- oder Zylinderform, um schliessen. Weist das :System die Form einer innen aktivierten Röhre auf, so kann man diese Röhre aus Gla@,s oder Kunststoff her stellen und selbst als Gehäuse verwenden, das innen völlig metaIlisie:
rt und dann in be kannter Weise sekundäremittierend gemacht, wird.
In der Zeichnung sind Ausführungs- formen ,des Elektro.nenvervielfachers .gemäss der Erfindung als Beispiel schematisch d ar- gestellt.
Fig. 1 ist eine Draufsicht auf einen Elek- tronenvervielfacher, der aus einer einzigen Windung einer Spirale besteht; auch die Schaltung ist schematisch angedeutet.
Fig. 2 ist ein Querschnitt durch den Ver- vielfacher längs der Linie II-II der F'ig. 1.
Fig. 3 ist eine Draufsicht auf eine Win dung eines gewendelten Vervielfachers, bei dem das Elektrodensystem mit einer Absau- elektrode versehen ist, Fig. 4 endlich ein Draufsicht auf einen Teil eines beliebig gekrümmten, als Pbtentio- meter gesehalteten und auf der Innenseite aktivierten Rohres.
In der Fig. 1 stellt 1 die Hülle des Ver- vielfachers, beispielsweise eine Glasröhre, dar, 2 .die Photokathode, auf die der Lieht strahl 3 auffällt, 4 das mit der sekundär- emittierend'en Schicht versehene Elektroden system und 5 die Anode.
Als Stromquelle dient die Batterie 6, die über :ein Potentio- mieter 7 an den Elektronenvervielfacher ange schlossen ist. 8 ist ein Transformator, an dem der verstärkte Vervielfacherstrom ab genommen wird. Die Vervielfacherelektrode 4 liegt zwischen den Punkten 9 und 10 des Potentiometers 7.
Zwischen ihrem Anfan-s- punkt 11 und ihrem Endpunkt 12 entsteht also ein Po:tenhalbwefä!lle, so dass sich im Innern der Röhre ein im wesentlichen parallel zur Mittellinie der Röhre verlaufen des Kraftfeld ausbildet. Die aus der Photo kathode 2 austretenden Eleh-tronen 13 treffen die Elektrode 4 erstmalig in Punkt 14 und lösen dort Sekundärelektronen aus, die sich in Richtung des Feldes, also in Richtung der Mittellinie: der Röhre, in Bewegung setzen.
Infolge ihrer Trägheit vermögen sie jedoch die Krümmung dieser Mittellinie nieht auf die Dauer mitzumachen, geraten wieder weiter nach aussen und treffen die Elektrode 4 zum zweitenmal in Punkt 15. Dort lösen sie neue Elektroden aus; die die Elektrode 4 wieder in Punkt 16 treffen und so fort, bis am Ende der Elektrode 4 vom Punkt 1.7 ans die letzten Sekundärelektronen zur Sammel- anode 5 überspringen und von dort dem Transformator 8 zufliessen.
In Fig. 2 stellt ebenfalls 1 die Verviel- faeherröhre, 4 die vervielfachende Elektrode dar. Der Aufbau der Elektrode ist schema tisch eingezeichnet. Sie besteht aus einer n.-ichtleitenden Grundschicht 18, aus einer darauf aufgebrachten Widerstandssehieht 19 und der auf diese Aide irstandmchicht auf gebrachten ,sekundä,reinittierenden Schicht 20.
Durch Wahl der Spannung zwischen den Punkten 11 und, 12 der Elektrode 4 (siehe Fig. 1) hart man den Abstand der Auftreff- punkte :der Elektronen auf :der Elektrode 4 und damit Verstärkungsgrad und Belastung der Elektrode in der Hand.
In F'ig. 3 bedeutet 21 wieder das Elektro- nenvervielfacherg,efäss, beispielsweise ein ge- wendeltes Glasrohr, in das die verviel fachende Elektrode 22 und die ihr gegen- überliegende Absa.ugelektrode 23 eingebaut ist. Es ist nicht ganz eine Windung einer Wendel dargestellt, die mehrere derartige Windungen aufweisen kann.
Die Schaltun; ist der Übersichtlichkeit wegen weggelassen. Die Elektrode 22, wie auch die Absaug- elektrode 23 sind als Potentiometer geschal- tete. Platten ähnlich der Elektrode 4 in Fig.1. jedoch ist nur die Elektrode 22 aktiviert, das heisst geeignet, Sekundärelektronen ab zugeben.
Die an die Elektradeii angelegten Spannungen sind so gewählt. dass ein Punkt eines bestimmten Potentials auf der Absaug- elektrode 23 nicht genau radial dem Punkt des entsprechenden Potentials auf der ver- viel.fa:chenden Elektrode 22 gegenüberliegt. sondern um ein kleines Mass x verschoben.
Dieses Mass a- bleibt sich bei der dargestell- ten Anordnung über die ganze Wendel <B>u</B> c ich. Einige Aquipotentiallinien 24, 25, 26 imd 27 sind zwischen die beiden Elektroden punktiert eingezeichnet und ebenso sind senkrecht zu, diesen einige Feldlinien 28, 29, 30 und 31 gestrichelt eingezeichnet. Man sieht.,
dass! die Feldlinien jetzt nicht mehr konzenirisühe Kreise um die Achse 32 cIer Wendel darstellen, sondern gegen die Ober flächen der Elektrod''en eine gewisse .geringe Neigung haben.
Ein am Punkt 33 aus der vervielfachenden Elektrode 22 austretendes Elektron beschreibt aqso die Bahn 34, dm heisst es wird beim Lauf zwischen den beiden Elektroden durch die Feldlinien nach aussen wieder auf ,die vervielfachende Elektrode 22 getrieben, wo es in Punkt 35 auftrifft und Sekundärelektronen auslöst,,
die ihrerseits die Bahn<B>36</B> durchlaufen und im Punkt 37 wieder auf die Elektrode 22 auftreffen und so fort. Man erkennt aus: der Figur ohne weiteres, da:ss durch Vergrössern oder Ver kleinern dies Verschiebungsmasses x :die Nei gung der Feldlinien gegen die Elektroden- J, und damit der Abstand: der Punkte 33, 35, 37 usw. voneinander beliebig verändert worden kann.
In Fig. 4 ist 38 ein Rohr, .das auf seiner Innenseite aktiviert ist. Das gezeigte Rohr stück ist ein Teilstück eines beliebig zusam- mengeknäulten als Potentiometer geschalte ten und innen aktivierten Rohres,
wie es im vorstehenden. beschrieben wurde. Der Aus schnitt - stellt die Umgebung eines Wende punktes in der Führung der Mittelliniedieses zusammengeknäulten Rohras dar, um zu Zei gen, wie derVerlauf der Elektronenbahnen in der Nähe eines solchen Punktes ist. Wo das Rohr über eine grössere Länge nur in einer o Richtung ;
gekrümmt ist, verlaufen die Elek- tronenbahnen natürlich analog den in Fig. 1 dargestellten Bahnen. In der Nähe eines Wendepunktes wechselt der Auftreffpunkt .der Elektronen auf die Rohrwandungen die 5 Seite. So trifft der in Fig. 4 dargestellte, bei.
39 in das Rohr eintretende Elektronenstrahl 40 dieses zunächst an der Stelle 41 auf & r rechten Seite und löst Sekundärelektronen aus, die die Bahn 42 beschreiben.
Diese :Se- kund#ärelektronen geraten erst hinter dem Wendepunkt der Mittellinie des Rohres bei 43 wieder auf die Wandung des Rohres, diesmal@ aber auf der .linken Rohrseite ent sprechend( der entgegengesetzten Krümmung des Rohres, schlagen aber, da die gesamte Innenfläche des Rohrres aktiviert ist, auch dort Sekundärelektronen los,
die nach Durch- fliegen der Bahn 44 an iagendeiner andern Stelle auf d'er Rohrwandung landen. Was in Fig. 4 in der Ebene,dargestellt ist, gilt selbst verständlich auch für räumlich gekrümmte Rohre.
Man kann sich also beispielsweise den untern Teil des Rohres 38 in der Ebene IV-IV abgetrennt und um 90 verdreht derart wieder angesetzt denken, .dass der Querschnitt 45, durch, den die Elektronen aus, dem gezeichneten Stück wieder austreten, dem Beschauer zugekehrt ist;
auch in diesem Falle werden die Elektronen, zwar nicht im Punkt 43, aber vielleicht etwas @dashinter, auf die vom. jeweiligen grümmungsmittelpunkt weiter entfernt liegende Wandung :des Rohres auftreffen.