DE1197179B - Sekundaerelektronenvervielfacher - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. α.:

HOIj

Deutsche Kl.: 21g-13/19

Nummer: 1197179

Aktenzeichen: B 62285 Vm c/21 g

Anmeldetag: 26. April 1961

Auslegetag: 22. Juli 1965

Die Erfindung betrifft einen Sekundärelektronenvervielfacher mit einem geradlinig verlaufenden Kanal, dessen Innenfläche mit einer sekundäremittierenden Widerstandsschicht belegt ist, an die zur Erzeugung eines parallel zur Kanalachse verlaufenden elektrischen Fedes eine Spannung angelegt ist.

Es sind Elektronenvervielfacher bekannt, bei denen die Primärelektronen ein oder mehrere Beschleunigungsfelder durchlaufen, durch die sie gegen eine sekundäremittierende Fläche gelenkt werden. Unter dem Aufprall eines jeden Elektrons emittiert die Fläche mehrere Elektronen, die das Feld gegen eine weitere Emissionsfläche oder gegen einen anderen Abschnitt der gleichen Fläche beschleunigt, so daß jedes Elektron eine weitere Emission mehrerer Sekundärelektronen verursacht usw. Auf diese Weise ergibt sich am Ausgang der Vorrichtung ein Elektronenstrom, der gegenüber dem Primärstrom am Eingang erheblich verstärkt ist.

Bei den bekannten Vorrichtungen werden die Elektronen entweder nur durch ein elektrisches Feld oder durch ein elektrisches und senkrecht dazu gerichtetes magnetisches Feld beschleunigt. In jedem Fall werden die Elektronen in jedem Abschnitt der Bahn durch das Feld bzw. die Felder auf die folgende Emissionsfläche hin beschleunigt. Zu diesem Zweck ist es mit einem elektrostatischen Feld allein erforderlich, die Emissionsflächen auf vielen getrennten Plättchen anzuordnen. Diese Plättchen haben verschiedenes Potential und dienen meistens auch als Umlenkbleche, so daß sie gegebenenfalls zusammen mit anderen Elektroden die Elektronen auf Zickzackbahnen durch die Vorrichtung leiten. Diese Vervielfacher sind kompliziert, umfangreich und leicht zerbrechlich.

Durch die gleichzeitige Verwendung eines elektrostatischen und eines dazu senkrecht gerichteten elektromagnetischen Feldes kann die Bauweise dieser Apparate vereinfacht werden. Unter der Wirkung beider Felder beschreiben die Elektronen eine Zykloidenbahn, so daß es möglich ist, die Elektronen mehrfach gegen aufeinanderfolgende Teilstücke derselben ebenen ununterbrochenen Emissionsfläche zu lenken. Dieser Elektronenvervielfacher besteht beispielsweise aus zwei parallelen Platten, deren gegeneinandergekehrte Flächen mit einer Widerstandsschicht belegt sind, von denen wenigstens eine auch emittierend wirkt. An die Enden der Schichten werden derartige Potentiale angelegt, daß das zwischen den Platten wirksame elektrostatische Feld eine senkrecht zu den Platten gerichtete Komponente aufweist. Zwei Magnetpole erzeugen ein zu den Platten Sekundärelektronenvervielfacher

Anmelder:

The Bendix Corporation, Detroit, Mich.

(V. St. A.)

Vertreter:

Dr.-Ing. H. Negendank, Patentanwalt,

Hamburg 36, Neuer Wall 41

paralleles und zu dem elektronischen Feld senkrechtes magnetisches Feld. Diese Vervielfacher sind einfacher als die anfangs beschriebenen. Die Magnete vergrößern den Umfang der Vorrichtung jedoch erheblich.

Es ist weiter ein Elektronenvervielfacher bekannt, der aus einem Rohr besteht, in dessen Mitte ein Anodendraht ausgespannt ist. Das Rohr ist innen mit einer Sekundäremissionsschicht hohen Widerstandes ausgelegt, an die zusammen mit dem Anodendraht eine Spannung angelegt ist. Der von der Kathode kommende, durch eine Elektronenoptik ausgeblendete Elektronenstrahl bewegt sich auf einer Zickzackbahn durch das Rohr. Dieser Vervielfacher hat den Nachteil, daß der Anodendraht einen großen Teil der Elektronen aufnimmt und dadurch die Ver-Stärkung herabsetzt. Liegt der Anodendraht an negativem Potential, dann ist der transversale Potentialgradient am Eingang der Röhre so groß, daß die nicht auf den Anodendraht auftreffenden Elektronen fast senkrecht zum entgegengesetzten Ende der Röhre fliegen und dieses Ende erreichen, bevor das Längsfeld auf die Elektronen einwirken und eine nennenswerte Sekundäremission hervorrufen kann. Auch dadurch wird die Verstärkung wesentlich herabgesetzt. Schließlich ist auch die Längsspannung durch die Gefahr der Funkenüberschläge von dem Anodendraht begrenzt, so daß die maximal erreichbare Verstärkung dementsprechend gering ist.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darm, einen sehr einfachen und raumsparenden Elektronenvervielfacher zu schaffen, der insbesondere bei flachen, d. h. sehr kurzen Fernsehröhren verwendet werden kann. Der Lösungsgedanke geht davon aus, die Richtungsanfälligkeiten der Vektoren der Anfangsgeschwindigkeit auszunutzen, zu der die beispiels- weise aus einer Photokathode austretenden Primärelektronen statistisch angeregt werden. Durch die Querkomponente dieser Vektoren werden die Teil-

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chen auf eine sekundäremittierende Fläche geworfen. Es ist also nicht nötig, den Teilchen diese Querkomponente durch eine besondere, mehr oder weniger komplizierte Anlage zu erteilen, wie es bei den bekannten, nur mit elektrostatischer Beschleunigung arbeitenden Vervielfachern durch die Umlenkanordnung aufeinanderfolgender Emissionsplatten oder bei den mit elektromagnetischer Beschleunigung arbeitenden Vervielfachern durch die Anordnung von Magnetpolen geschieht.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß der Kanal sich etwa in der Bahnrichtung der in ihn eintretenden Primärelektronen erstreckt und daß das Verhältnis der Länge zur Weite des Kanals derart groß gewählt ist, daß die mit einer Geschwindigkeitskomponente senkrecht zur Kanalachse in den Vervielfacher eintretenden Elektronen mindestens einmal auf die Widerstandsschicht auftreffen.

In einer bevorzugten Ausführungsform enthält der Vervielfacher eine Vielzahl von zueinander parallel angeordneten, zu einem Bündel zusammengefaßten Röhren, die alle ein genügend großes Verhältnis von Länge zur Breite, d. h. der Größenordnung von 10 und mehr, aufweisen. Die Röhren werden an einem Ende aus einer gemeinsamen Primärelektronenquelle, beispielsweise einer Photokathode, gespeist. An ihrem anderen Ende führen sie die vervielfachten Teilchen einer gemeinsamen Sammelelektrode, beispielsweise einem Fluoreszenzschirm, zu.

Eine für gewisse Verwendungszwecke besonders vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, daß ein solches Bündel paralleler Röhren aus einem dünnen Plättchen hergestellt wird, das beispielsweise eine Dicke von 0,3 bis 0,5 mm hat und eine Vielzahl feiner, eng benachbarter Kanäle aufweist, die einen Durchmesser in der Größenordnung von beispielsweise 25 μ haben und mit Vorteil durch Lichtdruck hergestellt werden. Eine solche Platte ist zwischen einer Photokathode auf der einen und einem Fluoreszenzschirm auf der anderen Seite in einer evakuierten Umhüllung eingeschlossen und stellt einen insbesondere für Fernsehzwecke mit Vorteil verwendbaren Lichtverstärker dar.

Im nachfolgenden werden einige Ausführungsbeispiele des Sekundärelektronenvervielfachers beschrieben: Es zeigt

F i g. 1 eine schaubildliche Darstellung einer ersten Ausführungsform,

Fig.2 einen Längsschnitt durch die Fig. 1,

F i g. 3 den gleichen Längsschnitt wie Fi g. 2 unter Einzeichnung der von den Teilchen beschriebenen Bahnen,

Fig.4 eine schaubildliche Darstellung eines Vervielfachers mit einer Vielzahl von Kanälen,

F i g. 5 eine Draufsicht auf eine mit Bohrungen versehene Platte, welche als Rohrbündel dient,

F i g. 6 einen unter Verwendung der Platte nach F i g. 5 hergestellten Vervielfacher,

F i g. 7 eine vereinfachte Darstellung einer weiteren Ausführungsform,

Fig. 8 eine ähnliche Darstellung einer weiteren Abwandlungsform.

Der in den F i g. 1 bis 3 dargestellte Elektronenvervielfacher besteht aus einer evakuierten Hülle 12, in welcher ein zylindrisches Rohr 14 aus isolierendem Material, beispielsweise aus Glas, eingeschlossen ist, dessen Innenfläche mit einer Schicht 16 aus einem Stoff belegt ist, der einen hohen Widerstand aufweist und die Eigenschaft der Sekundäremission besitzt. Die Schicht kann beispielsweise aus Zinkoxyd oder einer geeigneten Kohlenstoffverbindung bestehen. Die Länge des Rohres 14 muß im Verhältnis zum Innendurchmesser verhältnismäßig groß sein, beispielsweise mindestens das Zehnfache betragen. Nahe dem einen Rohrende ist eine Elektronenquelle angeordnet, die hier durch eine Kathode 18 gebildet wird. Nahe dem anderen Ende des Rohres

ίο liegt eine Sammelanode 22. Eine Spannungsquelle 26 liefert der Kathode 18, den beiden Enden der Schicht 16 und der Anode die geeigneten Potentiale, welche entsprechend -1700, -1500, +1500 und +1700 Volt betragen können.

Auf Grund des großen Widerstandes der Schicht 16 ist der die Schicht entlanglaufende Strom sehr schwach und erzeugt entlang der Schicht einen gleichförmigen Spannungsgradienten. Daraus ergibt sich im Inneren des Rohres ein achsenparalleles elek-

ao irisches Feld, das durch die unterbrochenen Linien in der F i g. 2 dargestellt ist.

Die von der Kathode 18 emittierten Elektronen stehen unter dem Einfluß dieses Feldes und dringen in das Rohr ein. Diese Elektronen werden bei ihrem Austritt mit irgendeiner Anfangsgeschwindigkeit erregt, die im Durchschnitt eine gewisse, senkrecht zur Feldrichtung liegende Komponente aufweist. Unter der Wirkung des Feldes erhalten sie eine resultierende Geschwindigkeit, die auf Grund der anfängliehen Querkomponente nicht parallel zur Rohrachse liegt, so daß die Mehrzahl der Elektronen Bahnen beschreiben, die, wie bei 28 und 30 in Fig.3 dargestellt ist, sie dazu bringen, daß sie ein oder mehrere Male auf die sekundäremittierende Fläche 16 auftreffen. Bei jedem Aufprall auf dieser Fläche werden mehrere Sekundärelektronen in der bekannten Weise emittiert.

Die Berechnungen und Beobachtungen haben gezeigt, daß es unter der Voraussetzung einer geeigneten Wahl der geometrischen und elektrischen Verhältnisse der Anlage möglich ist, eine beträchtliche Vervielfachung der Elektronen zu erzielen. Es ist zu beachten, daß, um die Wahrscheinlichkeit für das Auftreffen der Primärelektronen auf die Rohrwandung und die Zahl dieser Treffer zu erhöhen, es sich empfiehlt, einesteils für das Rohr das Verhältnis zwischen Länge und Durchmesser zu vergrößern und anderenteils das beschleunigende elektrische Feld zu verringern.

Damit wird eine beträchtliche Vervielfacherwirkung erzielt, ohne daß umfangreiche Mittel eingesetzt zu werden brauchten, mit denen ein senkrecht zur Vervielfacherfläche gerichtetes Feld erzeugt wird. Diese Wirkung wird einzig dadurch erzielt, daß der statische Charakter der Anfangsgeschwindigkeit der Primärteilchen ausgenutzt wird. Gleichzeitig wird dabei die empfindliche Regelung für die erforderliche Feineinstellung oder Fokussierung gespart, die in den bekannten Vorrichtungen benötigt wird. Die einzig bedeutende Regelung besteht in der Vorrichtung in der Parallelisierung zwischen der Richtung des elektronischen Feldes und der Rohrachse. Diese Regelung ist erforderlich, um dafür zu sorgen, daß die gegen die Vervielfacherfläche gerichtete Komponente des Feldes, welche sonst die Sekundäremission erzeugt hat, praktisch gleich Null wird.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform kann eine größere Zahl der eben beschriebenen Rohre parallel

zu einem Bündel zusammengefaßt werden, wie in der F i g. 4 bei 70 dargestellt ist. Ein auf einer Photokathode 74 erzeugtes Bild 72 von nur schwacher Helligkeit verursacht die Abgabe von Photoelektronen, welche in die verschiedenen Vervielfacherrohre des Bündels 70 eindringen und auf einer als Bildschirm ausgebildeten Anode 78 am Ausgang des Bündels ein Bild 76 mit vergrößerter Lichtstärke erzeugen.

Eine Abwandlungsmöglichkeit, welche auf Grund ihrer geringen Längserstreckung besonders vorteilhaft ist, ist in den Fig.5 und 6 dargestellt. Das Rohrbündel wird in diesem Falle aus einer Platte 100 gebildet, die aus einem Widerstandsmaterial besteht, beispielsweise aus Glas, das mit einer emittierenden Masse belegt ist und eine große Zahl von Löchern 102 mit geringem Durchmesser aufweist, die z. B. mittels Photogravüre hergestellt sein können. Die Platte kann eine Dicke von etwa 0,3 bis 0,5 mm und die Löcher jeweils einen Durchmesser von etwa 25 Mikron haben. Die beiden Außenflächen der Platte tragen jeweils eine leitende Schicht 104, z. B. aus Silber, die jedoch nicht die Löcher 102 überdeckt. Diese Platte wird in einer verschlossenen Röhre zusammen mit einer Photokathode 106 auf der einen Seite und einem Bildschirm 108 auf der anderen Seite angeordnet und die Vorrichtung so mit einer Spannungsquelle 110 verbunden, daß z. B. an der Photokathode 106 -400OVoIt, an den beiden Elektroden der Platte -350 und -500VoIt und am Schirm 108 eine Spannung von 0 Volt liegt. Ein auf der Photokathode erzeugtes leuchtendes Bild verursacht dann ein verstärktes Bild auf dem Schirm 108. Die damit gebildete Vorrichtung ist besonders für Fernsehzwecke vorteilhaft.

Die Fig.7 und 8 zeigen weitere Abwandlungsmöglichkeiten. In der Fig.7 besteht der Vervielfacher aus zwei parallelen Platten 50 und 52, deren Abstand voneinander im Vergleich zu ihrer Länge gering ist. Die Breite der Platten ist groß genug gewählt, um einen Verlust an Elektronen an den Seiten zu vermeiden. Die Platten sind auf ihren gegeneinandergekehrten Flächen mit emittierenden Widerstandsschichten belegt.

Die Vorrichtung nach der Fig. 8 enthält zwei zylindrische koaxiale Rohre 60 und 62, wobei die Enden des inneren Rohres 62 verschlossen sind. Die Innenfläche des Rohres 60 und die Außenfläche des Rohres 62 sind jeweils mit einer emittierenden Widerstandsschicht belegt, deren Enden an die beispielsweise aus Silber bestehenden leitenden Schichten 64, 65 auf den Endkanten der beiden Rohre angeschlossen sind. In einer gewissen Entfernung von den Enden des aus den beiden Rohren gebildeten Bauteils sind eine Photdkathode 70 oder eine andere Primärteilchenquelle und eine Anode 72 angeordnet. Das ganze ist in einer evakuierten Hülle eingeschlossen. Eine Spannungsquelle ist mit der Kathode 70, den Elektroden 64 und 65 an den beiden Enden und der Anode 72 verbunden, wodurch diese Teile auf einem Potential liegen, welches beispielsweise gleich demjenigen an den entsprechenden Stellen der Ausführungsform nach F i g. 1 bis 3 sein kann. Diese Abwandlungsform gewinnt dadurch für verschiedene Aufgaben eine Bedeutung, daß sie ermöglicht, die Vervielfacherfläche zu vergrößern, ohne dabei das Verhältnis zwischen der Länge und der Breite des Teilchenweges zu verringern, da dieses Verhältnis verhältnismäßig groß sein muß.

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Sekundärelektronenvervielfacher mit einem geradlinig verlaufenden Kanal, dessen Innenfläche mit einer sekundäremittierenden Widerstandsschicht belegt ist, an die zur Erzeugung eines parallel zur Kanalachse verlaufenden elektrischen Feldes eine Spannung angelegt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal sich etwa in der Bahnrichtung der in ihn eintretenden Primärelektronen erstreckt und daß das Verhältnis der Länge zur Weite des Kanals derart groß gewählt ist, daß die mit einer Geschwindigkeitskomponente senkrecht zur Kanalachse in den Vervielfacher eintretenden Elektronen mindestens einmal auf die Widerstandsschicht auf treffen.

2. Vervielfacher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal das Innere eines Rohres(14) ist (Fig. 1).

3. Vervielfacher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal der Zwischenraum zwischen zwei koaxial angeordneten Rohren (60, 62) ist, von denen wenigstens eines auf der zum Zwischenraum gerichteten Fläche mit der sekundäremittierenden Schicht (66, 68) belegt ist (Fig. 8).

4. Vervielfacher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal der Zwischenraum zwischen zwei Platten (50, 52) ist, von denen wenigstens eine auf ihrer zu der anderen Platte gerichteten Oberfläche mit der sekundäremittierenden Schicht belegt ist (Fig. 7).

5. Vervielfacher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl eng benachbarter paralleler Kanäle (70, 102) vorgesehen sind, denen an einem Ende eine gemeinsame Primärelektronenquelle (74, 106) und am anderen Ende eine gemeinsame Sammeifläche (78, 108) zugeordnet sind (F i g. 4 bis 6).

6. Vervielfacher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Vielzahl eng benachbarter paralleler Kanäle sehr kleine Löcher in einer verhältnismäßig dünnen Platte (100) sind, die insbesondere durch Ätzen hergestellt sind.

7. Vervielfacher nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die gemeinsame Sammelfläche (78, 108) ein Fluoreszenzschirm ist, der parallel zu und dicht an einem Ende aller Kanäle (70, 102) angeordnet ist.

8. Vervielfacher nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die gemeinsame Primärelektronenquelle eine Photokathode (74, 106) ist, die parallel zu und dicht an einem Ende aller Kanäle (70, 102) angeordnet ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschrift Nr. 1089 895;
schweizerische Patentschriften Nr. 192 229,

234444; Zeitschrift »Fernsehen und Tonfilm«, September

1939, H.

9, S. 65 bis 68.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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