DE2131652A1

DE2131652A1 - Elektronenoptische Bildroehre

Info

Publication number: DE2131652A1
Application number: DE19712131652
Authority: DE
Inventors: Bradley Daniel Joseph
Original assignee: BRADLEY DANIEL JOSEPH
Current assignee: BRADLEY DANIEL JOSEPH
Priority date: 1970-06-26
Filing date: 1971-06-25
Publication date: 1971-12-30
Also published as: US3761614A; GB1329977A; JPS5620662B1; FR2099300A5; DE2131652B2; DE2131652C3

Description

Daniel Joseph BRADLEY

7 Piney Hills Belfast, I3T9, 5NR Northern Ireland

r. Ing. H. N-o&ndank

. !ng. K

Dipl. Phys. V\'. S^ 8 München M, tfox

Tel. 53S05 86

24. Juni 1971 Anwaltsakte M-16 61

Elektronenoptische Bildröhre

Die Erfindung bezieht sich auf elektronenoptische Bildröhren, die zur unmittelbaren Messung von lichtoptischen Vorgängen mit einer so geringen Zeitdauer wie 1 Pikosekunde oder weniger dienen und eine Zeitauflösung im Pikosekundenberexch und darunter haben.

Insbesondere befaßt sich die Erfindung mit Bildröhren-Streifenaufzeichnungsgeräten, die diese Forderungen erfüllen und eine direkte lineare Messung ultrakurzer Lichtimpulse vorzunehmen vermögen, beispi&sweise von einer Impulsquelle wie einem Laserstrahl, einer Plasmaentladung oder Laserstreulicht.

Es sind eine Reihe von Verfahren zum Messen von Impulsen mit Pikosekundendauer bekannt. Eine Gruppe dieser Verfahren benützt nicht-lineare optische Methoden. Beispielsweise können die zweiten oder dritten Oberschwingungen der Impulse erzeugt und Autokorrelationsmethoden zum Messen der Impulsdauer verwendet werden; oder

> Zwei-Photonen- und Drei-Photonen-Fluoreszenzabbildungen können

! erzeugt werden * -die ebenfalls von der Intensitäts-Autokorrelation

109853/1757

Gebrauch machen. Diese nicht-linearen optischen Methoden haben J jedoch gewisse Nachteile. Die erzeugten Abbilder definieren

nicht eindeutig die Impulsform. Außerdem ist es mit diesen nichtj linearen Methoden nicht möglich, Impulse geringer Intensität zu : messen. Bei Laserstrahlen wird ferner das Vorhandensein eines

beträchtlichen Anteils der Laserenergie außerhalb der ultrakurzen , Impulse selbst nicht registriert, falls nicht ein linearer Detek- \ tor, beispielsweise ein schnelles elektronenoptisches Streifen-

j aufzeichnungsgerät verwendet wird.

Andererseits ist eine direkte lineare Messung der Impulse bekannt. jedoch hat es sich mit den bekannten Verfahren als unmöglich erwiesen, ultrakurze Impulse im Bereich unter etwa 2ο Pikosekunden genau zu messen. 'Derzeit lassen sich jedoch mit Neodym-, Rubin- und organischen FarhTasern Impulse mit so geringen Zeitdauern wie 2 oder 3 Pikosekunden erhalten.

j Erfindungsgemäß soll eine in einer Bildröhren-Streifenkamera verwendbare elektronenoptische Bildröhre geschaffen werden₃ die eine unmittelbare Messung der Form und Dauer von Pikosekunden-Impulsen

j vorzunehmen vermag und eine Zeitauflösung im Pikosekundenbereich hat.

Zur Lösung dieser Aufgabe schafft die Erfindung eine elektronenoptische Bildröhre mit einer Photokathode zum Umwandeln eines auftreffenden schlitzförmigen oder punktförmigen Lichtbildes in einen Elektronenstrahl, die gekennzeichnet ist durch eine nahe der Ausgangsseite der Photokathode angeordnete Saugelektrode,

109853/1757

die mit einer Quelle positiver Spannung verbindbar ist, und eine Ablenkelektrodenanordnung, die die beschleunigten Photoelektronen empfängt und sie zwecks Erzeugung einer Streifenbildaufzeichnung einem pulsierenden elektrischen Feld aussetzt.

Vorzugsweise ist die Saugelektrode ein Metallgitter, das beispielsweise in einem Abstand zwischen 1 und 3 mm von der Photokathode angeordnet ist.

comit wird ein Abbild, das in einer oder beiden Dimensionen eine gerinne Erstreckung hat, an der Photokathode in Elektronenstrahlform umgewandelt und in einem starken elektrischen Feld rasch beschleunigt, das durch die Saugelektrode erzeugt wird, die nahe der Photokdthode angeordnet ist, so daß eine Streuung der anfänglichen Energie der Photoelektronen die Zeitauflösung aufgrund unterschiedlicher Durchgangszeiten durch das elektronenoptische System der Bildröhre nicht beschränkt, und anschließend wird das 3ild zwecks Erzeugung der Streifenbildaufzeichnung durch ein pulsierendes elektrisches Feld abgelenkt. Hierdurch wird eine Zeitdauer in eine Strecke umgewandelt, so daß sich s'owohl die Zeitdauer als auch jede rasche Änderung der Eigenschaften ultrakurzer . Lichtquellen oder -vorgänge unmittelbar messen lassen.

Infolge der Anordnung der Saugelektrode nahe an der Photokathode der Bildröhre lassen sich die Zeitauflösungsgrenze der Bildröhre und die elektronenoptische Bildvergrößerung regulieren.

Die Erfindung schafft: ferner ein Bildröhren-Streifenaufzeichnungsgerät, das enthält: eine solche Bildröhre, eine Quelle ultrakurzer

109853/ 1 757

' Lichtimpulse, einen Umsetzer, der an der Photokathode der Bildröhre ein schlitzförmiges Abbild der Impulse erzeugt;, eine mit der Saugelektrode verbundene Quelle positiver Spannung, einen mit der Ablenkelektrodenanordnung verbundenen Spannungsgenerator zur Zufuhr einer Anstiegsspannung, die mit dem Durchgang der Photoelektronen durch die Ablenkelektrodenanordnung synchronisiert ist, und einen Bildverstärker, der das Streifenbild von der Bildröhre empfängt.

¹ Durch Verwendung einer Laser-geschalteten Funkenstrecke als Spannungsgenerator kann das Aufzeichnungsgerät mit dem lichtoptischen j Ereignis synchronisiert werden, falls dies ein Laser ist oder durch : einen Laser erzeugt wird.

. Um eine kontinuierlich kreisförmige Abtastaufzeichnung zu erhalten; • kann die Bildröhre zwei Elektrodenpaare enthalten, die jeweils ; im rechten Winkel zueinander angeordnet und zwecks Erzeugung

zweier rechtwinklig zueinander verlaufender pulsierender elektri- ! scher Felder in der Bildröhre unter Phasenverschiebung mit dem i Spannungsgenerator verbunden sind.

I Die Ablenkempfindlichkeit läßt sich durch Verwendung eines ver-

j teilten Ablenksystems für das elektrische Feld verbessern, i

i Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der

j nachfolgenden Beschreibung einiger bevorzugter Ausführungsbeispiels

I in Verbindung mit den Zeichnungen. Es zeigt: j

Fig. 1 ein Bildröhren-Streifenaufzeichnungsgerät mit einer erfin»

109853/1757

dungsgemäß ausgebildeten Bildröhre,

• Fig. 2 ein Schaltbild einer wahlweise möglichen Einrichtung zur ^! Erzeugung der Streifen-Ablenkspannung, und

Fig. 3 ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel einer Bildröhre zur Herstellung einer kontinuierlichen Abtastaufzeichnung.

Gemäß den Zeichnungen und insbesondere gemäß Fig. 1 enthält ein Bildröhren-Streifengerät 1 eine Bildröhre 2 mit einer Photokathode 3, auf die schlitzförmige oder im wesentlichen linien- oder punktförmige Lichtimpulse fokussiert werden. Die Photokathode 3 spricht auf das auffallende Licht unmittelbar durch eine Emission von , Elektronen an, die von der Photokathode 3 mit Geschwindigkeiten ; unterschiedlicher Größe und Richtung abgegeben werden.

Erfindungsgemäß ist mit Abstand neben der Photokathode 3 eine • Saugelektrode 4 angeordnet, die ein starkes elektrisches Feld erzeugt und die Elektronen von der Photokathode 3 fort beschleunigt. Die Saugelektrode M- kann beispielsweise ein feines Metallgitter ' sein, das zwischen etwa 1 bis 3 mm von der Photokathode 3 der Bildröhre entfernt angeordnet ist. Eine Elektrode M- mit 3oo Maschen/ cm hat sich für diesen Zweck als geeignet erwiesen. Ein positives elektrisches Potential bis zu 1 Kilovolt oder mehr wird an die Elektrode 4 angelegt, um die Photoelektronen rasch von der Photokathode 3 abzusaugen. Durch diese Maßnahme läßt sich die auf die Schwankung der Stärke und Richtung der Anfangsgeschwindigkeit der Photoelektronen zurückzuführende Streuung der Elektronendurchgangszeit durch die Bildröhre auf etwa 1 Pikosekunde oder weniger j verringern. - 6 - '

109853/1757

j Die auf diese Weise beschleunigten Elektronen werden dann durch

: eine konische Fokussi erelektrode 5 fokussiert und durchwandern die ! Anode 6 der Bildröhre 2. In der Röhre sind ferner Blendenelektro-

j den 7 angeordnet. Der Elektronenstrahl durchdringt dann Ablenk-

platten oder Streifenelektroden 8, an denen eine lineare Anstiegsspannung rascher Anstiegszeit entsteht, wenn die Elektronen durch : die Platten 8 wandern. Die Erzeugung der Anstiegsspannung wird

weiter unten im einzelnen erklärt.

Nach dem Durchwandern des Ablenkfeldes zwischen den Streifenelektroden 8 treffen die abgelenkten Photoelektronen auf einen Phos-

phorschirm 9 am Ende der Bildröhre 2 und erzeugen dadurch auf dem Schirm 9 senkrecht zur Strahlrichtung ein Leuchtstreifenbild. Das durch die Elektronen auf dem Schirm 9 erzeugte Leuchtstreifenbild wird mittels einer Verstärkungsröhrenkamera verstärkt und photographiert. Zu diesem Zweck ist eine Verbindungslinse Io vorgesehen, die das Abbild des Streifens auf dem Schirm 9 auf eine Verstärkungs-TorrÖhrenkamera 11, beispielsweise eine vierstufige Kaskaden-Bildverstärkerröhre, fokussiert. Durch diese weitere Bild-verstärkung wird eine Bildverzerrung und ein Verlust der Raumauflösung vermieden, die sich bei hohen Photostromdichten ergeben, die erforderlich wären, wenn der Phosphorschirm unmittel-

j bar photographiert wird.

Die Lichtquelle für die Bildröhre 2 kann ein Laserstrahl von einem Neodym- oder Farblaser, eine Plasmaentladung oder ein Laserstreulicht sein. Bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Lichtquelle ein Impulszug eines verriegelten Neodym-Lasers Vorzugsweise wird die zweite Oberschwingungsfrequenz benutzt und

— 7 —

109853/1757

He Impulse der zweiten Oberschwingung werden in einem nicht gezeigten geeigneten Kristall erzeugt. Die Impulse durchwandern eine optische Verzögerungseinrichtung 14, beispielsweise eine Anordnung aus Strahlungsteilern, um Unter-Impulse mit genau bekannten dazwischenliegenden Verzögerungen zu schaffen. Diese Unterimpulse werden auf einen hochdurchlässigen Strahlenteiler 15 geiiüben, beispielsweise eine Glasplatte. Jeder Impuls durchwandert den Teiler 15 und wird zum Umschalten eines Spannungsgenerators benutzt, und jeder Impuls wird ferner reflektiert und durch eine Fokussierlinse Π zu einem durchlässigen Diffusorschirm 18 und einem Schlitz 19 geleitet. Der Schirm 18 ist unmittelbar vor dem Schlitz 19 angeordnet, wobei der Schlitz eine Breite von beispielsweise 5oyi|in haben kann. Eine weitere Linse 2o fokussiert das schlitzförmige Bild auf die Photokathode 3 der Bildröhre 2.

Die Aufteilung jedes einzelnen Impulses durch eine optische Verzögerungseinrichtung 14 kann insbesondere beim Kalibrieren der Kamera von Vorteil sein, da die Zeitverzögerung zwischen den erzeugten Unterimpulsen genau berechnet werden kann.

(Jm die lineare Anstiegsspannung an den Ablenkplatten 8 zu erzeugen, die rasch ansteigt, wenn die Photoelektronen durch die

und
Platten 8 treten,/um sicherzustellen, daß die Spannung mit dem Durchgang der Elektronen synchronisiert ist, ist der Spannungsgenerator 16 vorgesehen. Die Anstiegszeit der Anstiegsspannung liegt in der Größenordnung von 1 Nanosekunde oder weniger.

Der Spannungsgenerator 16 enthält vorzugsweise eine Funkenstrecke], die auf bekannte Weise durch die Impulse des Laserstrahls ge-

109853/1757

2Ί31652

schaltet wird. (Siehe Fig. 1) Wie gezeigt, werden die elektrischen Ausgangsimpulse den Streifenelektroden 8 zugeführt.

j Der Spannungsgenerator 1.6 kann wahlweise einen elektronischen Takt- ! geber enthalten, der erforderlichenfalls eine durch eine irgend . geeignete Vorrichtung erzeugte lineare Anstiegsspannung in die ¹ Schaltung eingibt.

ι Eine wahlweise mögliche Ausführungsform des Spannungsgenerators ■ 16 ist in Fig. 2 gezeigt. Bei dieser Schaltung werden die von dem

Strahlenteiler 15 ankommenden Impulse einem Transistor BSX 61 zu-Ϊ
geführt, bei dem eine Diode zwischen dem Emitter und der Basis liegt. Der Transistor arbeitet im Avalanche-Betrieb, und die ' Ausgangssignale an seinem Emitter sind induktiv an eine Krypton- ;röhre KN 2 2 gekoppelt, die eine Vier-Element-Kaltkathoden-Gasent-I ladungs-Schaltröhre ist. Die den Ablenkelektroden 8 von der Schaltung zugeführten Ausgangsimpulse werden durch Kurzschließen eines ; 5op-Kondensators über eine geringe Induktanz erhalten, um die Entladung der Kryptonröhre zu linearisieren« Die am Transistor BSX öl anliegende Diode ist eine Begrenzungsdiode, die verhindert₅ daß vom Gitter der Kryptonröhre ein Rückimpuls in den Transistor - gelangt, wenn sich die Kryptonröhre entlädt.

iEine wahlweise Ausführungsform der Bildröhre, wie sie zur Herstelj lung einer kontinuierlichen kreisförmigen Abtastaufzeichnung gei eignet ist, ist in Fig. 3 gezeigt, wobei die gleichen Bezugszeichein.

j/In den Fign. 1 und 3 zur Bezeichnung gleicher oder äquivalenter Bauteile der beiden Bildröhren verwendet werden. Wie Fig. 3 zeigt_s hat die Bildröhre eine abgewandelte Bauweise dar- Anode und die

— 9 —

109853/1757

Blendenelektrode ist fortgelassen. Es sind zwei Ablenkelektroden paare 8o& und 8ob vorgesehen, die zwei unter rechtem Winkel zueinander verlaufende elektrische Ablenkfelder erzeugen, wobei in der Zeichnung lediglich ein Elektrodenpaar 8oa sichtbar ist. Eine Phasensteuereinrichtung 81 ist mit den Ablenkelektrodenpaaren 8oa und 3ob derart verbunden, daß es durch Phasensteuerung der den Elektroden zugeführten Spannung möglich ist, auf dem Phosphorschirm 9 einen kontinuierlichen kreisförmigen oder spiralförmigen Ablenkpfad zu erzeugen. Jede Elektrode 8oa, 8ob ist vorzugsweise als Streifenleitung ausgebildet, um eine rasche elektronische Ansprechzeit zu erhalten, und es sind Einrichtungen zum richtigen elektronischen Abschluß auf beiden Seiten vorgesehen. Streifenelektroden können auch bei dem in Fig. 1 gezeigten einzelnen Streifenelektrodenpaar 8 verwendet werdn. Bei dieser Art der Bildröhre wird anstelle eines Schlitzbildes an der Photokathode vorzugsweise eine punktförmige Quelle verwendet.

; Während der kontinuierlichen Betriebsweise der Bildröhre, bei der auf den Phosphorschirm ein kreis- oder spiralförmiger Ablenkpfad aufgebracht wird, können kontinuierlich arbeitende Laseroder andersartige Lichtquellen aufgezeichnet und dadurch zeitliche Änderungen festgestellt werden. In solchen Anwendungsfällen können

j beispielsweise Lichtimpulse, die beim Entfernungssuchen, bei atmosphärischen Messungen, optischen Kommunikations-, Lese- und Schreibsystemen verwendet werden, überprüft und ermittelt werden. Ein besonderer Anwendungsfall ist die Überprüfung und Ermittlung

j verriegelter Laserstrahlen, die bei optisch-elektronischen Zeichen-

! lesegeräten und für Faks.imile-Wiedergabegeräte verwendet werden.

109853/17B7

Claims

2Ί3Ί652

- Io -

Daniel Joseph BRADLEY

Piney Hills
j Belfast, BT9, 5NR
Norther Ireland 24. Juni 19 71

Anwaltsakte M-1661 ; Patentansprüche

(1.J Elektronenoptische Bildröhre mit einer Photokathode zum Umwandeln eines auftreffenden schlitz- oder punktförmigen Lichtj bildes in einen Elektronenstrahl, gekennzeichnet durch eine nahe der Ausgangsseite der PhotokathodeC3)angeordnete Saug-

elektrode (4), die mit einer Quelle positiver Spannung verbindbar ist, und eine Ablenkelektrodenanordnung (8; 8oa₃ 8ob), die die beschleunigten Photoelektronen empfängt und sie zwecks Erzeugung einer Streifenbild-Aufzeichnung einem pulsierenden elektrischen Feld aussetzt.

2. Bildröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Saugelektrode (4) ein Metallgitter ist.

3. Bildröhre nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Saugelektrode (4) in einem Abstand zwischen etwa 1 und 3 mm von der Photokathode (3) angeordnet ist.

4. Bildröhre nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Saugelektrode (4) mit einer Spannungsquelle der Größenordnung IkV verbindbar ist. .,.,

109 8 53/1757

- ii -

S. Bildröhre nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkelektronenanordnung mindestens ein Paar Streifenleiterelektroden (8) enthält.

ö. Bildröhre nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkelektrodenanordnung zwei Streifenleiterelektrodenpaare (8oa, 8ob) enthält, die zwei rechtwinklig zueinander verlaufende elektrische Ablenkfelder erzeugen.

7. Bildröhren-Streifenaufzeichnungsgerät mit einer Bildröhre nach einem der vorhergehenden Ansprüche, einer Quelle ultrakurzer Lichtimpulse, einem Umsetzer, der an der Photokathode der Bildröhre ein schlitz- oder punktförmiges Abbild der Impulse erzeugt, und einem Bildverstärker, der das Streifenbild von der Bildröhre empfängt, gekennzeichnet durch eine mit der Saugelektrode (4) verbundene Quelle positiver Spannung und einen mit der Ablenkelektrodenanordnung (8; 8oa, 8ob) verbundenen Spannungsgenerator (16) zur Zufuhr einer Anstiegsspannung, die mit dem Durchgang der Photoelektronen durch die Ablenkelektrodenanordnung synchronisiert ist.

¹, Aufzeichnungsgerät nach Anspruch 7. dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsgenerator (16) eine Funkenstrecke enthält, die durch die von der Lichtquelle erzeugten Impulse schaltbar ist.

9. Aufzeichnungsgerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsgenerator (16) eine Schaltstufe mit einer

- 12 -

109853/1757

- 12 Gasentladungsröhre enthält, die durch Steuerimpulse eines Transistors schaltbar ist, der im Avalanche-Betrieb arbeitet

(13)
und die von der Lichtquelle/erzeugten Impulse empfängt.

10. Aufzeichnungsgerät nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansti^gsspannung ane Anstiegszeit in der Größenordnung einer Nanosekunde hat.

11. Aufzeichnungsgerät nach einem der Ansprüche 7 bis Io, dadurch gekennzeichnet, daß die Bildröhren-Ablenkelektrodenanordnung zwei rechtwinklig zueinander angeordnete Elektrodenpaare (8oa, 8ob) enthält, die unter Phasenverschiebung mit dem Spannungsgenerator (16) verbunden sind und zwecks kontinuierlicher Streifenbild-Aufzeichnung zwei rechtwinklig zueinander verlaufende pulsierende elektrische Felder in der Bildröhre erzeugen.

12. Aufzeichnungsgerät nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch

(13) gekennzeichnet, daß die Lichtquelle ein Laser/ist.

109853/1757

Leerseite