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Mit Sekundäremission arbeitende Verstärkereinrichtung für Fotokathoden
Bei zahlreichen technischen Anwendungen von Fotozellen bedürfen die durch das auftreffende
Licht ausgelösten sehr kleinen Fotoströme erst einer großen Verstärkung, damit sie
die gewünschte Betätigung elektrischer Nutzstromkreise bewirken können.
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Eine solche Verstärkung von Fotoströmen geschieht in den sogenannten
Sekundäremissionsverstärkern oder Vervielfachern, indem man die an einer Kathode
lichtelektrisch ausgelösten Primärelektronen auf eine Elektrode auftreffen läßt,
die gegenüber der Fotokathode eine möglichst hohe positive Spannung besitzt, so
daß Sekundärelektroneu an ihr ausgelöst werden. Überzieht man: die betreffende Gegenelektrode
oder Platte an den Auftreffstellen der lichtelektrischen Primärelektronen mit einer
elektronenaktiven Schicht, beispielsweise mit .Alkali- oder Erdalkalimetallen, so
vermag unter geeigneten Verhältnissen jedes auftreffende Primärelektron etwa acht
bis zehn Sekundärelektronen zu erzeugen, d. h. man kann bei Verwendung einer einzigen
Gegenplatte annähernd eine zehnfache Verstärkung durch Sekundäremission erzielen.
Um die Sicherheit zu haben, daß die an der Fotokathode ausgelösten Primärelektronen
tatsächlich auf die Sekundär#
emissionsplatte aufprallen, kann man
im Wege zwischen der Fotokathode und der Sekundäremissionselektrode Hilfselektroden
anbringen, welche den Elektronenstrom auf die Verstärkerelektrode lenken.
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Läßt man die ausgelösten Sekundärelektronen ihrerseits, auf weitere
einander folgende ähnliche Platten aufprallen, wobei jeder nächsten Platte eine
um den gleichen Betrag erhöhte positive Spannung gegenüber der vorhergehenden erteilt
wird, so erfolgt an jeder Platte infolge Sekundäremission eine entsprechende Steigerung
des Elektronenstroms. Trotzdem wird natürlich ein möglichst großer Wert des Anfangsstroms
anzustreben sein, .der in das Verstärkersystem eintritt. Um diese Aufgabe zu lösen,
ist bei einer mit Sekundäremission arbeitenden Verstärkereinrichtung für Fotokathoden
gemäß der Erfindung eine solche großflächige Fotokathode vorgesehen, deren Oberfläche
größer ist als :die Eingangsöffnung des Verstärkersystems, und zwischen dieser Eingangsöffnung
und der Fotokathode sind Hilfselektroden derart angeordnet, daß die von der Fotokathode
ausgehenden Elektronen. durch die Fokussierung dieser Hilfselektroden auf die Eingangsöffnung
konzentriert werden. Eine derartige Einrichtung macht es möglich, lichtelektrisch
aktive Kathoden von sehr großer Ausdehnung zu verwenden und trotzdem praktisch alle
lichtelektrisch ausgelösten Elektronen so zu vereinigen, daß sie in das Verstärkersystem
hineingelangen. Die größere Fotokathode gestattet, auffallende Lichtstrahlen größerer
Lichtbündel zu verwenden und auch bei geringer Lichtintensität die in das Verstärkers.ystem
gelangenden Anfangsenergien wesentlich zu erhöhen.
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Die Wirkungen der Hilfselektroden auf das elektrische Feld vor Fotokathoden
gemäß der Erfindung gehen aus den Fig. i! bis 3 hervor. In diesen Figuren sind die
Ergebnisse experimenteller Messungen über die Potentialverteilung bei verschiedenen
Elektrodenanordnungen wiedergegeben. Die Ausmessung der betreffenden Potentialverteilungen
wurde im elektrolytischen Wassertrog in bekannter Weise vorgenommen.
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Die Fig. i zeigt den bekannten Aufbau einer Fotokathode K mit vorgelagerter
zylindrischer Hohlelektrode Z1 ohne jede Hilfselektrode, wobei Z1 die erste Stufe
eines Sekundäremissionsverstärkers :darstellt und positiv vorgespannt ist gegenüber
:der Kathode. Eine Anzahl Äquipotentiallinien zwischen K und Z1 sind als volle Linien
eingezeichnet, .die angeschriebenen: Zahlen geben jeweils die Potentiale in Volt
an, die für die betreffenden Stellen gegenüber der Fotokathode er= mittelt wurden.
Die gestrichelten Linien in, der Figur deuten die .elektrischen Feldlinien an, denen
die Elektronen, die ohne nennenswerte Anfangsgeschwindigkeit ausgelöst werden, im
elektrischen Felde folgen und die bekanntlich senkrecht zu den Äquipotentiallinien
gelegen sind. Die Figur läßt erkennen, daß im wesentlichen nur diejenigen an der
Kathode ausgelösten Elektronen. in die Öffnung Ü der Elektrode Z1 gelangen, können,
die vom mittleren Teil der Kathode zwischen a1 und a2 ihren Ausgang nehmen, während
:die der Kathodenoberfläche außerhalb dieses Raumwinkels entstammenden Elektronen
an der Elektrode Z1 vorbeiströmen.
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Die Fig. a und 3 zeigen dagegen erfindungsgemäß Anordnungen mit je
einer Hilfselektrode G, die zwischen der Fotokathode K und der Verstärkerelektrode
Z1 vorgesehen ist. Aus der Lage der Äquipotentiallinien beispielsweise der Fig.
a geht hervor, :daß der ausnutzbare Raumwinkel über der Kathodenoberfläche schon
bis zu den Begrenzungslinien bi' und b2 reicht, wenn die Hilfselektrode G auf dem
Kathodenpotential gehalten wird.
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Entsprechend der Xquipotentiallinien der Fig. 3 kann man ferner sogar
zu einer vollen Ausnutzung der ganzen Kathodenoberfläche gelangen, wenn der Elektrode
G ein negatives Potential gegenüber Kathode erteilt wird. Die Potentialbezeichnungen
sind in Fig. 3 auf die Hilfselektrode G als Nullwert bezogen, wobei die Kathode
K beispielsweise :den Potentialwert ioo besitzt, während die Verstärkerelektrode
Z1 als am meisten positive Stelle des Feldes mit der Niveaulinie Zoo zusammenfällt.
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Einige praktische Ausführungsbeispiele von Verstärkerröhren nach der
Erfindung sind schematisch in den Fig. q. bis 6 wiedergegeben. Die Fig. q. zeigt
eine als Hohlspiegel ausgebildete, schräg zur Röhrenwand W liegende Kathode K mit
einer die Innenfläche bedeckenden lichtelektrisch aktiven Schicht P, beispielsweise
bestehend aus einer Oberflächenschicht von Caesekum auf einem metallischen Silberspiegel
als Unterlage und Caesiumoxyd als Zwischenschicht. Ein mit der Kathode verbundenes
Hilfsgitter G wird gebildet aus drei Streben, die sich über die Kathodenoberfläche
so weit erheben, daß ihre parallel zur Spiegelöffnung verlaufenden Teile annähernd
den gleichen Abstand von der Glaswandung der Röhre haben. Der Sekundäremissionsverstärker
ist in diesem Falle zweistufig ausgebildet mit wachsendem Potential in Richtung
zur Anode A. Jede Stufe besteht aus einer zylindrischen Hohlelektrode Z1 bzw. Z2
in der' bekannten L-Form. Die Primärelektronen werden nach Z1 hin beschleunigt,
treten bei Ö in die Hohlelektrode ein und erzeugen Sekundärelektronen in der Hauptsache
an dem besonders aktivierten Kniestück Bi. Die entstehenden Sekundärelektronen werden
ihrerseits durch Z2 beschleunigt und führen an dem ebenfalls aktivierten Kniestück
bei B2 aufs neue zur Emission von Sekundärelektronen. Der auf diese Weise entstehende
verstärkte Elektronenstrom gelangt schließlich zu der die höchste Spannung aufweisenden
Anode A. Die Spannungszuführung für die einzelnen Stufen erfolgt über die Zuleitungen
durch :den Quetschfuß Q. Das erregende Licht fällt von rechts auf die Fotokathode
und wird, wie auch aus der zweiten Ansicht der Kathode in Fig. q. zu erkennen ist,
durch die schmalen Hilfsgitterstreben
fast gar nicht behindert.
Da das Hilfsgitter G Kathodenpotential besitzt, wird ein großer Teil des auch näher
dem Kathodenrand emittierten Fotostroms in das Verstärkersystem noch hineingelenkt,
der ohne das erfindungsgemäße Hilfsgitter an der Systemöffnung vorbeiströmen würde.
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Die Hilfselektrode G gemäß der Fig. 5 ist durch Streben S mit .der
Fotokathode K verbunden und besteht aus einem dünnen Metallring, der sich über dem
mittleren Teil der Hohlkathode erhebt. Das Sekundäremissionssystem besitzt in diesem
Falle drei Verstärkerstufen. Z1, Z2, Z3, wobei die einzelnen Hohlzylinder in der
bekannten T-Form ausgebildet sind, die hochaktivierten Stellen liegen jeweils direkt
den Eintrittsöffnungen für die Elektronen gegenüber, d. h. an den mit B1, B2,, B3
bezeichneten Innenteilen der Zylinderelektroden. Die Beschattung der aktiven Kathodenschicht
durch das Hilfsgitter ist ebenfalls belanglos. Die Ausdehnung.der (Kathode ist außerdem
groß genug, so daß die Zylinderelektrode Z1 bei von links annähernd horizontal einfallendem
Licht nur einen verhältnismäßig kleinen Teil der Kathodenoberfläche beschattet und
mit in Kauf genommen werden kann.
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Die Anordnung in Fig. 6 unterscheidet sich von derjenigen in Fig.
5 dadurch, daß das Hilfsgitter G nicht mehr unmittelbar mit der Fotokathode IL verbunden.
ist, sondern vermittels einer besonderen Zuleitung L isoliert von ihr in die Röhre
eingeführt ist. Hierdurch wird es möglich, dem Hilfsgitter ein stark negatives Potential
gegen Kathode zu erteilen, so daß die Konzentration der lichtelektrisch ausgelösten
Elektronen wesentlich verbessert wird.