-
Elektronenoptische Abbildungsvorrichtung Die Erfindung bezieht sich
auf eine elektronenoptische Abbildungsvorrichtung, die mit einer sphärischen, Elektronen
aussendenden Photokathode und einem als Anode wirkenden, im Vergleich zur Photokathode
kleineren oder größeren Elektronenauffangsschirm ausgestattet ist, die beide in
einem Röhrenkolben untergebracht sind, wobei die Photokathode auf den Auffangschirm
unter Mitwirkung eines elektrischen Feldes abgebildet wird, dessen Äquipotentialfiächen
in dem Raum zwischen der Photokathode und der Anode im wesentlichen wie Teile von
zu der Photokathode konzentrischen Kugeloberflächen geformt sind.
-
Vorrichtungen dieser Art finden z. B. Verwendung als Bildwandler oder
Bildverstärker oder auch als Vorverstärker in Fernsehaufnahmeröhren. Bei solchen
Vorrichtungen ist außer der Abbildungsschärfe in der Achse der Röhre auch die Ausdehnung
des nutzbaren Blickfeldes von Interesse, d. h. die Abmessungen jenes Teils der Photokathodenfläche,
welcher mit angemessener Genauigkeit auf dem Auffangschirm abgebildet wird.
-
Aus der niederländischen Patentschrift 7_5 366 ist bekannt, daß bei
einem Bildwandler mit konkav sphärischer Photokathode und einer Anode, welche ebenfalls
sphärisch ist und sich von der Photokathode in einem axialen veränderlichen Abstand
befindet, das nutzbare Gesichtsfeld dann seinen Höchstwert erreicht, wenn Photokathode
und Anode konzentrisch sind. Diese Beobachtung zeigt Analogie mit einer in der Lichtoptik
wohlbekannten Tatsache, daß nämlich bei konzentrischen optischen Systemen, also
solchen, bei denen die Licht brechenden und/oder reflektierenden Oberflächen sphärisch
sind und einen gemeinsamen Krümmungsmittelpunkt haben, das Gesichtsfeld in keiner
Weise durch die Abbildungsfehler beschränkt wird.
-
Durch Rechnung kann leicht nachgewiesen werden, daß bei einer elektronenoptischen
Röhre des betreffenden Typs kein scharfes Bild mit positiver Vergrößerung, d. h.
kein aufrecht stehendes Bild gebildet werden kann, wenn man ein rein konzentrisches
elektrostatisches Feld anlegt, mit anderen Worten, das Fokussieren der Elektronen
ist nur auf einem Bildschirm möglich, der an einer Stelle hinter dem gemeinsamen
Krümmungsmittelpunkt der Aquipotentialflächen angeordnet ist, und das dabei erhaltene
Bild ist umgekehrt. Bei dem Bildwandler gemäß der niederländischen Patentschrift
75 366 erfolgt das Fokussieren der Elektronen in der Weise, daB die Anode praktisch
die Form einer kleinen Kugelkalotte hat, deren Photokathode gegenüberliegende sphärische
Vorderwand mit einer engen öffnung versehen ist, welche die beschleunigten Elektronen
nach dem Leuchtschirm zu hindurchläßt, wobei der letztere in verhältnismäßig großemAbstand
hinter der öffnung in dem feldfreien Innenraum der Kalotte angeordnet ist. Natürlich
stört die erforderliche Öffnung in der Anode in recht radikaler Weise die konzentrische
Gestaltung der Äquipotentialfiächen in dem wichtigen Bereich nahe der Anode und
gibt Anlaß zu zusätzlichen Abbildungsfehlern bei den schrägen Strahlen, welche das
Gesichtsfeld beschränken.
-
Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung ist, den obenerwähnten Nachteil
dadurch zu vermeiden, daß die Elektronenstrahlen fokussiert werden, ohne dabei die
Konzentrizität des Feldes in unerwünschter Weise zu zerstören. Ein weiteres Ziel
der Erfindung ist die Schaffung einer elektronenoptischen Vorrichtung von kürzerer
Baulänge als bei den bisher bekannten vergleichbaren Bauarten oder einer solchen
Vorrichtung, deren Photokathode bei gleicher Baulänge weniger stark gekrümmt ist
als bei den bisher bekannten Vorrichtungen dieser Art.
-
Gemäß der Erfindung sind die Photokathode und die Anode auf derselben
Seite des Krümmungsmittelpunktes der Photokathode angeordnet, und es ist ein Mittel
zur Erzeugung eines Magnetfeldes vorhanden, dessen Kraftlinien im Raum zwischen
der Photokathode und der Anode im wesentlichen senkrecht
zu den
Äquipotentialflächen des elektrischen Feldes verlaufen.
-
Mit der gekennzeichneten Vorrichtung gelingt es, wenn man der Stärke
des magnetischen Feldes den richtigen Wert gibt, infolge der zusätzlichen fokussierenden
Wirkung des konzentrischen magnetischen Feldes die Elektronenstrahlen in die Ebene
des sich vor dem Krümmungsmittelpunkt der Photokathode befindlichen Elektronenauffangschirmes
zu fokussieren. Das elektrostatische Feld kann daher in dem Ganzen Bereich, in welchem
es einen ausgesprochenen Einfluß auf die Elektronenstrahlen ausübt, rein konzentrisch
sein, ohne daß in einem Punkt, nämlich in dem Krümmungsmittelpunkt des Feldes, seine
unbegrenzt hohe Feldstärke erforderlich ist.
-
Hieraus geht hervor, daß eine elektronenoptische Röhre nach der Erfindung
sehr viel kürzer ausgeführt werden kann als die bisherigen damit zu vergleichenden
Röhren mit nur elektrostatischem Fokussierungsfeld, und zwar infolge des Umstandes.
daß der Auffangschirm in erheblichem Abstand von dem Krümmungsmittelpunkt der Photokathode
statt hinter demselben angeordnet wird. Überdies ist es aus dem gleichen Grunde
in einer Anzahl von Fällen möglich. den Krümmung,;r,-,diits der Photokathode im
VeraIeich zu den bisherigen elektrostatischen Röhren beträchtlich zu ver` rößern,
wodurch das Problem der Konstruktion eines optischen Systems mit geeigneter Feldkrümmung
zur Verwendung vor der Röhre sehr erleichtert wird.
-
Ein bekannter Nachteil magnetischer Elektronenlinsen besteht darin.
daß das von denselben geformte Bild in der Regel um einen gewissen Winkel gegenüber
dem Objekt gedreht wird, wobei dieser Winkel von der Feldstärke abliiingt. Infolgedessen
müssen hei Systemen der magnetischen Elektronenoptik die Felder streng konstant
gehalten werden, wenn optische Komplikationen, die mit einer veränderlichen Bilddrehung
verbunden sind, vermieden werden sollen. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann
jedoch das magnetische Fokussierungsfeld keine Bilddrehung verursachen infolge des
Umstandes, daß die Hauptstrahlen, als welche die den verschiedenen Bildpunkten er_tsprechenden
zentralen Strahlen der Elektronenbündel oder die Bahnen der Elektronen, welche die
Photokathode mit einer seitlichen Geschwindigkeit von Null verlassen, bezeichnet
werden sollen. den Kraftlinien des magnetischen Feldes folgen und daher durch das
letztere nicht beeinflußt werden. Demzufolge erfordert die überlagerung des magnetischen
Feldes keine besonderen optischen Vorkehrungen oder eine straffe Stabilisierung
der elektrischen Stromquelle.
-
Zur Erregung des elektrischen und des magnetischen Feldes in der erfindungsgemäßen
Vorrichtung kann man verschiedene Mittel verwenden, und zwar für das magnetische
Feld in erster Linie Solenoide in Rotationskörperform, deren Amperewindungen längs
der Achse der Röhre so verteilt werden, daß die Kraftlinien des magnetischen Feldes
reit den Kraftlinien des konzentrischen elektrischen Feldes zusammenfallen. Wahlweise
können auch in geeiG-neter Weise geformte Dauermagnete verwendet werden. Eine Dauerniagnetanordnung
für diesen Zweck kann aus einer Anzahl ringförmiger Magnete bestehen, welche zusammen
mit einer gleichen Anzahl von Ringen aus reinem Eisen zu einem Paket zusammengebaut
sind, weiches die Röhre koaxial aufnimmt. Der axiale Abstand und die Innendurchmesser
der Ringe können dabei so abgepaßt werden, daß man die gewünschte Form der Kraftlinien
des magnetischen Feldes erhält.
-
Eine vorteilhafte praktische Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes.
die nur wenig Raum beansprucht, ist dadurch Gekennzeichnet, daß die Röhre eine bei
elektronenoptischen Abbildungsvorrichtungen an sich bekannte, im wesentlichen kegelstumpfförmige
Gestalt hat, deren Grundflächen im wesentlichen durch die Größe der Photokathode
und der Anode bestimmt sind, daß das elektrische Feld in bei elektronenoptischen
Abbildungsvorrichtungen an sich ebenfalls bekannter Weise durch eine Anzahl von
in Richtung der Röhrenachse hintereinander angeordneten und zur Röhrenachse zentrierten,
geeignet aufgeladenen Ringelektroden von im wesentlichen konischer Form Gebildet
wird. deren Durchmesser mit dem Durchmesser der Röhre abnehmen, und daß das Mittel
zur Erzeugung des magnetischen Feldes in bei elektronenoptischen Einrichtungen gleichfalls
an sich bekannter Weise zu einem Solenoid besteht, dessen Außendurchmesser längs
der Röhrenachse im wesentlichen konstant ist. dessen Innendurchmesser aber gleichlaufend
mit der Abnahme des Durchmessers der Röhre abnimmt.
-
Es soll darauf hingewiesen werden, daß die Felder in der erfindungsgemäßen
Vorrichtung nicht genau konzentrisch seinymüssen und daß die Kraftlinien beider
Felder nicht genau zusammenzufallen brauchen, um die Abbildungsfehler in einem großen
Bildfeld auf ein Mindestmaß herabzusetzen. Abweichungen von den genauen Bedingungen
sind zulässig, insbesondere in dem Teil des Feldes nahe dem Auffangschirm, da die
Elektronen in diesem Bereich bereits eine hohe Geschwindigkeit besitzen und der
Querschnitt der den verschiedenen Bildpunkten entsprechenden Strahlenbüschel verhältnismäßig
klein ist. Daher wird die Fokussierung der Elektronen auf den Bildaufnahmeschirni
nicht in einem so ausgesprochenen Grade durch Abweichungen von der Konzentrizität
in dem Bereich der Anode beeinflußt, wie es bei den bisherigen Röhren der Fall war,
bei welcher. der Auffangschirm in verhältnismäßig großem Abstand hinter der Anode
liegt. Insbesondere braucht die Anode nicht konzentrisch zu der Photokathode zu
sein, sondern kann beispielsweise eben ausgeführt werden, oder man kann ihr die
Form eines Bechers geben, dessen Rand der Photokathode zugekehrt ist.
-
Die Zeichnung zeigt einen Bildwandler als Beispiel für die erfindungsgemäße
Vorrichtung.
-
Die Vakuumröhre 1 hat eine im wesentlichen kegelstumpfförmige Gestalt.
Ihre Vorderwand 2 ist sphärisch und mit einer dünnen elektrisch leitenden Schicht
3 versehen, welche für eine von links einfallende Strahlung durchlässig ist und
durch eine Leitung 4 mit der negativen Klemme eines Spannungsteilers 5 verbunden
ist. Auf die Schicht 3 wird eine Photokathode 6 aufgebracht, welche je nach der
Art der betreffenden Strahlung in verschiedener Weise. wie es in der Technik bekannt
ist, hergestellt werden kann.
-
Die Innenfläche der ebnen Rückwand 7 der Röhre ist mit einer Fluoreszenzschicht
S versehen, auf welcher eine dünne, vorzugsweise undurchsichtige Schicht 9 aus einem
elektrisch leitenden Stoff abgelagert ist. Diese Schicht 9 ist leitend verbunden
mit
der am meisten positiven Klemme des Spannungsteilers
5 und bildet die Anode der Röhre.
-
Die Röhre enthält ferner eine Anzahl kegelstumpfförmiger Ringe
10, 11 und 12, welche zu der Achse der Röhre zentriert sind und durch
Anschluß an die Zwischenklemmen des Spannungsteilers drei Potentiale haben, die
in Richtung auf die Anode zunehmen. Die Anode ist mit einer kegelstumpfförmigen
Ringelektrode 13 leitend verbunden. Anzahl, Form und Potentiale der Elektroden sind
derart, daß die Kraftlinien 14 des elektrostatischen Feldes in dem Raum zwischen
der Photokathode und dem Auffangschirm in guter Annäherung geradlinig sind und nach
dem Krümmungsmittelpunkt der sphärischen Photokathode 6 hin zusammenlaufen.
Die Äquipotentialflächen des elektrostatischen Feldes sind dann natürlich konzentrisch
zu der Photokathode.
-
Bei einer Vorrichtung, die lediglich gemäß Vorstehendem ausgeführt
sein würde, könnten die von einem Punkt auf der Photokathode ausgesandten Elektronen
nicht auf den Auffangschirm 9 fokussiert werden, welcher sich auf der gleichen Seite
des Krümmungsmittelpunktes der Photokathode befindet wie die Photokathode selbst.
Der vorliegenden Erfindung zufolge kann dadurch Fokussierung auf den Schirm 9 erfolgen,
unter Beibehaltung der Konzentizität des elektrostatischen Feldes, daß letzterem
ein magnetostatisches Feld überlagert wird, dessen Kraftlinien 15 in dem
Raum zwischen der Photokathode und dem Auffangschirm in guter Annäherung mit den
Kraftlinien 14 des elektrischen Feldes zusammenfallen. Zu diesem Zweck wird eine
ringförmige Feldspule 16 mit konischer axialer Öffnung über die Röhre geschoben.
Die Amperewindungen dieser Feldspule sind über deren Länge so verteilt, daß die
oben erklärte Bedingung erfüllt ist. Die Feldspule kann durch in der Zeichnung nicht
dargestellte Klemmen an eine Quelle für konstanten Gleichstrom angeschlossen werden.
Natürlich kann man das erforderliche magnetische Feld auch durch Solenoide anderer
Form erhalten, je nach den wechselnden Bedingungen der praktischen Ausführungsform.
In jedem Fall wird der Fachmann ohne weiteres in der Lage sein, durch Rechnung oder
durch Versuch die Abmessungen und sonstigen Einzelheiten der erforderlichen Feldspule
zu bestimmen. Die in der Zeichnung dargestellte Ausführungsform der Abbildungsvorrichtung
ist wegen ihrer sehr gedrungenen Bauart besonders vorteilhaft.
-
Es sei erwähnt, daß es bereits bekannt ist, in elektronenoptischen
Röhren ein elektrostatisches und ein magnetostatisches Feld in solcher Weise einander
zu überlagern, daß die Kraftlinien des Magnetfeldes mit den Hauptelektronenstrahlen
zusammenfallen. Ebenso wurde bereits vorgeschlagen, bei einem Bildwandler mit einer
Vergrößerung von 1:1 gleichmäßige elektrostatische und elektromagnetische Felder,
deren Kraftlinien überall zusammenfallen, miteinander zu kombinieren. Der vorliegende
Erfindungsgedanke, nämlich die Oberlagerung konzentrischer elektrischer und magnetischer
Felder zur Erhaltung eines größeren Gesichtsfeldes wurde jedoch bisher nicht gefaßt.
Die Anwendung der beschriebenen Erfindung ist nicht auf den in der Zeichnung dargestellten
Bildwandler beschränkt. Bei Vorrichtungen mit einer kovexen Photokathode, von welcher
ein vergrößertes Bild auf einem konkaven oder auch auf einem planen Auffangschirm
gebildet werden soll, kann man selbstverständlich die gleichen Vorteile erhalten.
Wesentlich für die Erfindung ist, daß das Abbildungsverhältnis ungleich 1 ist und
daß die Photokathode und die Anode sich auf der gleichen Seite des Krümmungsmittelpunktes
befinden.