DE893239C - Amplifier device for photocathodes working with secondary emission - Google Patents

Description

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.Amplifier device working with secondary emission for photocathodes In numerous technical applications of photocells, the Light triggered very small photo currents only a large amplification so that they can bring about the desired actuation of useful electrical circuits.

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.Such an amplification of photo currents happens in the so-called Secondary emission amplifiers or multipliers by attaching to a cathode allows photoelectrically triggered primary electrons to strike an electrode, which has the highest possible positive voltage compared to the photocathode, so that secondary electrons are triggered on her. If one covers: the respective counter electrode or plate at the point of impact of the photoelectric primary electrons with a electron-active layer, for example with .Alkali or alkaline earth metals, see above Under suitable conditions, each incident primary electron can do about eight generate up to ten secondary electrons, d. H. one can use a single Counter-plate achieve an approximate tenfold gain through secondary emission. To be sure that the primary electrons released at the photocathode actually on the secondary # impact emission plate, you can auxiliary electrodes in the path between the photocathode and the secondary emission electrode which direct the electron flow to the amplifier electrode.

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.If you let the released secondary electrons turn to others successive similar plates impact each other, with each subsequent plate one positive voltage increased by the same amount over the previous one there is a corresponding increase on each plate as a result of secondary emissions of the electron flow. Nevertheless, of course, the value of the initial current will be as large as possible to be aimed for. that enters the amplifier system. To solve this task, is in a secondary emission amplifier device for photocathodes according to the invention such a large-area photocathode is provided, the surface of which is greater than: the inlet opening of the amplifier system, and between this inlet opening and the photocathode, auxiliary electrodes are arranged so that those of the photocathode outgoing electrons. by focusing these auxiliary electrodes on the entrance opening be concentrated. Such a device makes it possible to use photoelectrically to use active cathodes of very large area and still practically all photoelectrically released electrons combine in such a way that they enter the amplifier system get in. The larger photocathode allows larger rays of light to be seen To use light bundles and also with low light intensity in the amplifier system to significantly increase the initial energies.

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.The effects of the auxiliary electrodes on the electric field in front of photocathodes according to the invention go from the Fig. i! up to 3. In these figures are the Results of experimental measurements on the potential distribution at different Electrode arrangements shown. The measurement of the relevant potential distributions was carried out in a known manner in the electrolytic water trough.

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.Fig. I shows the known structure of a photocathode K with an upstream cylindrical hollow electrode Z1 without any auxiliary electrode, where Z1 is the first stage of a secondary emission amplifier: represents and is positively biased with respect to : the cathode. A number of equipotential lines between K and Z1 are as solid lines drawn in, .the written: Numbers indicate the potentials in volts that have been determined for the relevant locations in relation to the photocathode. The dashed lines in, the figure indicate the .electric field lines, which the electrons that are released without any appreciable initial velocity, im Electric fields follow and are known to be perpendicular to the equipotential lines are located. The figure shows that essentially only those at the Cathode released electrons. get into the opening Ü of the electrode Z1, which take their exit from the middle part of the cathode between a1 and a2, while : the electrons coming from the cathode surface outside this solid angle flow past electrode Z1.

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.A and 3 show, however, according to the invention, arrangements with each an auxiliary electrode G placed between the photocathode K and the amplifier electrode Z1 is provided. From the position of the equipotential lines, for example in Fig. a shows: that the usable solid angle over the cathode surface is already to the boundary lines bi 'and b2 extends when the auxiliary electrode G on the Cathode potential is held.

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.Corresponding to the equipotential lines in FIG. 3, one can also even to achieve full utilization of the entire cathode surface when the electrode G is given a negative potential with respect to the cathode. The potential designations are related in Fig. 3 to the auxiliary electrode G as a zero value, the cathode K for example: has the potential value ioo, while the amplifier electrode As the most positive point in the field, Z1 coincides with the Zoo level line.

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.Some practical embodiments of amplifier tubes according to Invention are shown schematically in Fig. Q. to 6 reproduced. The Fig. Q. shows a cathode K which is designed as a concave mirror and is inclined to the tube wall W with a photoelectrically active layer P covering the inner surface, for example consisting of a surface layer of Caesekum on a metallic silver mirror as a base and cesium oxide as an intermediate layer. One connected to the cathode Auxiliary grid G is formed from three struts that extend over the cathode surface so far that their parts running parallel to the mirror opening are approximately have the same distance from the glass wall of the tube. The secondary emission amplifier is in this case designed in two stages with increasing potential in the direction to the anode A. Each stage consists of a cylindrical hollow electrode Z1 or Z2 in the 'well-known L-shape. The primary electrons are accelerated towards Z1, enter the hollow electrode at Ö and mainly generate secondary electrons on the specially activated knee piece Bi. The resulting secondary electrons are in turn accelerated by Z2 and lead to the also activated knee at B2 again to the emission of secondary electrons. The one that arises in this way The increased electron flow finally reaches the one with the highest voltage Anode A. The voltage supply for the individual stages takes place via the supply lines through: the pinch foot Q. The exciting light falls from the right onto the photocathode and, as also from the second view of the cathode in Fig. q. it can be seen through the narrow auxiliary grid struts almost not disabled at all. Since the auxiliary grid G has cathode potential, a large part of it is also closer the photocurrent emitted from the edge of the cathode is directed into the amplifier system, which would flow past the system opening without the auxiliary grid according to the invention.

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.The auxiliary electrode G according to FIG. 5 is by struts S with .der Photocathode K and consists of a thin metal ring that extends over the central part of the hollow cathode rises. The secondary emission system possesses in this Trap three amplifier stages. Z1, Z2, Z3, the individual hollow cylinders in the known T-shape are formed, the highly activated points are each directly opposite the entry openings for the electrons, d. H. to the with B1, B2 ,, B3 designated inner parts of the cylinder electrodes. The shading of the active cathode layer by the auxiliary grid is also irrelevant. The expansion of the (cathode is also large enough so that the cylinder electrode Z1 is incident from the left approximately horizontally Light only shadows a relatively small part of the cathode surface and can be accepted with.

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.The arrangement in Fig. 6 differs from that in Fig. 5 in that the auxiliary grid G is no longer directly connected to the photocathode IL. is, but by means of a special feed line L isolated from it into the tube is introduced. This makes it possible to give the auxiliary grid a strongly negative potential to issue against cathode, so that the concentration of the photoelectrically triggered Electrons is significantly improved.

Claims (1)

PATENTANSPRÜCHE: i. Mit iSekundäremission arbeitende Verstärkereinrichtung für Fotokathoden, dadurch gekennzeichnet, daß eine solche großflächige Fotokathode vorgesehen ist, .deren Oberfläche größer ist als die Eingangsöffnung des Verstärkersystems, und daß zwischen dieser Eingangsöffnung und der Fotokathode mindestens auf Kathodenpotential liegende Hilfselektroden derart angeordnet sind, daß die von der Fotokathode ausgehenden Elektronen durch die fokussierende Wirkung dieser Hilfselektroden auf die Eingangsöffnung des Verstärkersystems konzentriert werden. z. Verstärkereinrichtung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfselektrode mit der als Hohlspiegel ausgebildeten. Kathode durch Streben verbunden ist und aus einem oder mehreren Stab- oder ringförmigenDrähten oder einer gitterförmigen Elektrode besteht. 3. Verstärkereinrichtung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, .daß die Hilfselektrode isolierte Zuleitungen besitzt und gegenüber der Fotokathode negativ vorgespannt ist. PATENT CLAIMS: i. Amplifier device for photocathodes operating with secondary emission, characterized in that such a large-area photocathode is provided, whose surface is larger than the input opening of the amplifier system, and that between this input opening and the photocathode, auxiliary electrodes at least at cathode potential are arranged in such a way that those of the Electrons emanating from the photocathode are concentrated on the input opening of the amplifier system by the focusing effect of these auxiliary electrodes. z. Amplifier device according to Claim i, characterized in that the auxiliary electrode is designed as a concave mirror. Cathode is connected by struts and consists of one or more rod or ring-shaped wires or a grid-shaped electrode. 3. Amplifier device according to claim i, characterized in that the auxiliary electrode has insulated leads and is negatively biased with respect to the photocathode.