DE2131652C3

DE2131652C3 - Elektronenoptische Kurzzeitmeß-Bildwandlerröhre sowie Verfahren und Schaltungsanordnung zu ihrem Betrieb

Info

Publication number: DE2131652C3
Application number: DE2131652A
Authority: DE
Inventors: Daniel Joseph Belfast Nordirland Bradley
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1970-06-26
Filing date: 1971-06-25
Publication date: 1981-08-13
Also published as: DE2131652B2; JPS5620662B1; FR2099300A5; US3761614A; DE2131652A1; GB1329977A

Description

Die Erfindung betrifft eine elektronenoptische Kiurzzeitmeß-Bildwandlerröhre mit einer Photoelektroinen erzeugenden Kathode, einem der Photokathode nachgeschalteten Leuchtschirm, zwischen Photokathode und Leuchtschirm angeordneter Ablenkelektrodenanordnung und einem zwischen der Photokathode und der Ablenkelektrodenanordnung nahe der Photokathode angeordneten Metallgitter.

Es sind eine Reihe von Verfahren zum Messen von Impulsen mit einer Impulsdauer im Picosekundenbereich bekannt. Eine Gruppe dieser Verfahren benützt nicht-lineare optische Methoden. Beispielsweise können die zweiten oder dritten Oberschwingungen der

ίο Impulse erzeugt und Autokorrelationsmethoden zum Messen der Impulsdauer verwendet werden. Auch können 2-Photonen und 3-Photonen-FIuoreszenzabbildungen erzeugt werden, die ebenfalls von der Autokorrelation der Intensitäten Gebrauch machen.

ΐϊ Diese nicht-linearen optischen Methoden haben jedoch gewisse Nachteile. Die erzeugten Abbilder definieren nicht eindeutig die Impulsform. Außerdem ist es mit diesen nicht-linearen Methoden nicht möglich. Impulse geringer Intensität 7U messen. Bei Laserstrahlen wird ferner das Vorhandensein eines beträchtlichen Anteils der Laserenergie außerhalb der ultrakurzen Impulse nicht registriert, falls nicht ein linearer Detektor wie eine als »streak«-Röhre verwendete elektronenoptische Kurzzeitmeß-Bildwandlerröhre der vorstehenden Art verwendet wird.

Eine solche elektronenoptische Kurzzeitmeß-Bildwandlerröhre ist aus der US-PS 31 77 390 bekannt.

Bei der Messung sehr kurzer Impulse mit möglichst großer Zeitauflösung tritt bei der bekannten Kurzzeit-

K) meß-Büdwandlerröhre beim Auftreffen des den Impuls darstellenden Lichtstrahls an der Photokathode eine Zeitdispersion auf. Wenn ein Lichtstrahl auf die Photokathode auftrifft, emittiert die Photokathode Elektronen mil einer gewissen Geschwindigkeitsverteilung sowohl hinsichtlich der Richtung der Elektronenbewegung als auch des Betrags der Elektronengeschwindigkeit. Die zeitliche Auflösung wird somit stets durch die anfängliche Verteilung der kinetischen Energie der Elektronen bestimmt. Unterschiedliche kinetische Ener-

ίο gien führen dazu, daß zwischen gleichzeitig aus der Photokaihode austretenden Elektronen Laufzeitunterschiede beim Zurücklegen der Strecke zwischen Photokathode und der Ablenkelektrodenanordnung auftreten. Die Zeitdispersion macht sich umso mehr

4*· hindernd bemerkbar, je kurzer die Impulse sind. Derzeit lassen sich bereits mit Neodym-, Rubin- und Farbstofflasern Impulse mit so geringen Impulsdauern wie 2 oder 3 Picosekunden erreichen.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine elektronenoptische Kurzzeitmeß-Bildwandlerröhre der im Oberbegriff des vorstehenden Anspruches 1 genannten Art zu schaffen, bei der die Einflüsse der zeitlichen Dispersion der aus der Photokathode austretenden Elektronen verringert werden. Diese

">■> Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Metallgitter in einem Abstand zwischen etwa 1 und 3 mm von der Photokathode angeordnet ist.

Dieser Lösung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß infolge der Anordnung des Metallgitters in dem

ho angegebenen Abslandsbereich von der Photokathode bei Betrieb der Bildwandlerröhre eine zwischen der Photokathode und dem als Saugelektrode wirkenden Metallgitter ein starkes elektrisches Feld aufgebaut wird, so daß die zeitliche Auflösung nicht mehr durch Laufzeitunterschiede begrenzt wird. In der Ablenkelektrodenanordnung werden die Elektronen durch ein gepulstes elektrisches Feld mit schneller Anstiegszeit abgelenkt, um d'e sogenannte »streak«-Aufzeichnung

zu ermöglichen. Hierdurch wird eine zeitliche Meßgröße in eine Strecke umgewandelt, so daß sowohl die Zeitdauer als auch jede rasche Änderung der Eigenschaften ultrakurzer Lichtquellen oder -vorgänge unmittelbar sich messen lassen.

Durch die Anordnung des Metallgitters in dem angegebenen Bereich läßt sich nicht nur der Grenzwert der zeitlichen Auflösung der Bildwandlerröhre einstellen, sondern auch die mit der Bildwandlerröhre mögliche elektronenoptische Bildvergrößerung. i<>

Die Erfindung richtet sich auch auf ein Verfahren zam Betrieb der elektronenoptischen Kurzzeitmeß- Bildwandlerröhre.

Während bei der US-PS 31 77 390 an dem Metallgitter bei Betrieb der Bildwandlerröhre eine Spannung von ungefähr 300 Volt anliegt, die während der Messung konstant ist, wird beim Betrieb der erfindungsgemäßen Röhre das Metallgitter auf einem wenigstens während der Messung konstanten Hochspannungspotential in der Größenordnung von 1 kV gehalten. -Ό

Die Erfindung richtet sich auch auf eine Schaltungsanordnung zum Betrieb einer elektronenoptischen Kurzzeitmeß-Bildwandlerröhre der angegebenen Art, bei der das Metallgitter in einem Abstand zwischen 1 und 3 mm von der Photokathode angeordnet ist und bei der das Metallgitter während des Betriebs auf einem wenigstens während der Messung konstanten Hochspannungspotential in der Größenordnung von 1 kV gehalten wird.

Diese Schaltungsanordnung ist erfindungsgemäß so gekennzeichnet durch eine mit dem Metallgitter verbundene Quelle positiver Spannung und einem ,nit der Ablenkelektrodenanordnung verbundenen Spannungsgenerator zur Erzeugung einer Rampenspannung, die mit den zu beobachtenden Lichtimpulsen der H Lichtquelle synchronisiert ist.

Vorzugsweise enthält der Spannungsgenerator eine Funkenstrecke, die durch die von der Lichtquelle erzeugten Impulse schaltbar ist, um den Betrieb der Kurzzeitmeß-Bildwandlerröhre mit dem Ereignis, wel- <m ches das zu messende Licht aussendet, zu synchronisieren.

Die Bildwandlerröhre enthält mindestens ein Paar Streifenleiterelektroden, um eine lineare Ablenkung zu ermöglichen.

Falls eine kreis- oder spiralförmige Ablenkung erwünscht ist, weist die Abl'inkelektrodenanordnung zwei Streifenleiterelektrodenpaare auf, die zwei rechtwinklig zueinander verlaufende elektrische Ablenkfelder erzeugen. In diesem Falle ist in der Schaltungsan-Ordnung eine Phasensteuereinrichtung zwischen dem Spannungsgenerator und den Elektrodenpaaren angeordnet.

Die Ablenkempfindlichkeit läßt sich durch Verwendung eines derartigen Ablenksystems mit verteiltem elektrischem Feld verbessern.

Zwei Ausführungsformen der erfindungsgemäßen elektronen-optischen Kurzzeitmeß-Bildwandlerröhre sollen im folgenden beschrieben werden. Es zeigt

F i g. I eine erste Ausführungsform der Kurzzeitmeß-Bildwandlerröhre mit Beschallung,

Fig.2 eine Schaltungsanordnung zum Betrieb der Bildwandlerröhre nach F i g. 1 und

Fig.3 eine andere Ausführungsform der Kurzzeitmeß-Bildwandlerröhre mit kontinuierlicher Abtastaufzeichnung.

Gemäß Fig. 1 enthält eine Streak-Kamera 1 eine Bildwandlerröhre 2 mit einer Photokathode 3, auf die 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 emittiert werden.

Mi* Abstand von der Photokathode 3 ist eine Saugelektrode 4 angeordnet, die ein starkes elektrisches Feld erzeugt und die Elektronen von der Photokathode 3 fort beschleunigt Die Saugelektrode 4 wird von einem feinen Metallgitter gebildet, das in einem Abstand zwischen etwa 1 bis 3 mm von der Photokathode 3 angeordnet ist. Eine Saugelektrode 4 mit 300 Maschen/cm hat sich für diesen Zweck als geeignet erwiesen. Ein positives elektrisches Potential bis zu 1 Kilovolt oder mehr wird an die Saugelektrode 4 angelegt, um die Photoelektronen rasch von der Photokathode 3 abzusaugen. Durch diese Maßnahme läßt sich die auf die Schwankungen der Größe und der Richtung der Anfangsgeschwindigkeit der Photoelektronen zurückzuführende Dispersion der Elektronenlaufzeit durch die Bildröhre auf etwa 1 Picosekunde oder weniger verringern, so daß jetzt auch ultrakurze Impulse im Bereich unter 20 Picosekunden gemessen werden können.

Die auf diese Weise beschleunigten Elektronen werden dann durch eine konische Fokussierelektrode 5 fokussiert und durchv/andern die Anode 6 der Bildröhre 2. In der Röhre sird ferner Verschlußelektroden 7 angeordnet. Der Elektronenstrahl durchläuft dann ablenkende Streifenelektroden 8, an denen eine lineare Rampenspannung rascher Anstiegszeit anliegt, wenn die Elektronen durch die Platten 8 wandern. Die Erzeugung der Rarnpenspannung wird weiter unten im einzelnen erklärt.

Nach dem Durchwandern des Ablenkfeldes zwischen den Streifenelektroden 8 treffen die abgelenkten Photoelektrop.en auf einen Leuchtschirm 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 Bildverstärkerröhre verstärkt und photographiert. Zu diesem Zweck ist eine Linse 10 vorgesehen, die das Abbild des Streifens auf dem Schirm 9 auf die Bildverstärkerröhre It, beispielsweise eine vierstufige Kaskaden-Bildverstärkerröhre, fokussiert. Durch diese Bildverstärkung wird eine Bildverzerrung und ein Verlust der Raumauflösung vermieden, die sich bei hohen Photostromdichten ergeben, die erforderlich wären, wenn der Leuchtschirm unmittelbar photographiert wird.

Die Lichtquelle für die Bildwandlerröhre 2 kann ein Laserstrahl von einem Neodym- oder Farbstofflaser, eine Plasmaentladung oder ein Laserstreulicht sein. Bei dem in F i g. 1 gezeigten Ausführungsbuispiel ist die Lichtquelle ein Impulszug eines Neodym-Lasers 13. Vorzugsweise wird die zweite Oberschwingungsfrequenz benutzt und die Impulse der zweiten Oberschwingung werden in einem nicht gezeigten geeigneten Kristall erzeugt. Die Impulse durchwandern eine optische Verzögerungseinrichtung 14, beispielsweise eine Anordnung aus Strahlteilern, um Unterimpulse mit genau bekannten dazwischenliegenden Verzögerungen zu schaffen. Diese Unterinipulse werden auf einen hochdurchlässigen Strahlteiler 15 gegeben, jeispielsweise eine Glasplatte. Jeder Impuls durchwandert den Teiler 15 und wird zum Umschalten eines Spannungsgenerators 16 benutzt, und jeder Impuls wird ferner

r-f's,

reflektiert und durch eine Fokussierlinse 17 zu einem durchlässigen Diffusorschirm 18 und einem Schlitz 19 geleitet. Der Schirm 18 ist unmittelbar vor dem Schlitz 19 angeordnet, wobei der Schütz eine Breite von beispielsweise 50 μηι haben kann. Eine weitere Linse 20 fokussiert das schlitzförmige Bild auf die Photokathode 3 der Bildröhre 2.

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

Um die lineare Rampenspannung an den Ablenkelektroden 8 zu erzeugen, die rasch ansteigt, wenn die Photoelektronen die Elektroden 8 passieren und um sicherzustellen, daß die Spannung mit dem Durchgang der Elektronen synchronisiert ist, ist der Spannungsgenerator 16 vorgesehen. Die Ansteigszeit der Rampenspannung 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 geschaltet wird (siehe Fig. 1). Wie gezeigt, werden die elektrischen Ausgangsimpulse den Streifenelektroden 8 zugeführt.

Der Spannungsgenerator 16 kann wahlweise einen elektronischen Taktgeber enthalten, der erforderlichenfalls eine durch eine irgend geeignete Vorrichtung erzeugte lineare Rampenspannung in die Schaltung eingibt.

Eine wahlweise mögliche Ausführungsform des Spannungsgenerators 16 ist in Fi g. 2 gezeigt. Bei dieser Schaltung werden die von dem Strahlenteiler 15 ankommenden Impulse einem Transistor SSA^-Sl zugeführt, bei dem eine Diode zwischen dem Emitter und der Basis liegt. Der Transistor arbeitet im Lawinen-Betrieb, und die Ausgangssignale an seinem Emitter sind induktiv an eine Kryptonröhre KN 22 gekoppelt, die eine Vier-Element-Kaltkathoden-Gasentladungs-Schaltröhre ist. Die den Ablenkelektroden 8 von der Schaltung zugeführten Ausgangsimpulse werden durch Kurzschließen eines 50 pF-Kondensators über eine geringe Induktanz erhalten, um die Entladung der Kryptonröhre zu linearisieren. Die am Transistor BSX%\ geschaltete Diode ist eine Begrenzungsdiode, die verhindert, daß vom Gitter der Kryptonröhre ein Rückimpuls in den Transistor gelangt, wenn sich die Kryptonröhre entlädt.

Eine wahlweise Ausführungsform der Bildwandler-■ > röhre, wie sie zur Herstellung einer kontinuierlichen kreisförmigen Abtastaufzeichnung geeignet ist, ist in F i g. 3 gezeigt, wobei in den F i g. 1 und 3 zur Bezeichnung gleicher oder äquivalenter Bauteile der beiden Bildwandlerröhren die gleichen Bezugszeichen

lu verwendet werden. Wie F i g. 3 zeigt, hat die Bildwandlerröhre eine abgewandelte Bauweise der Anode und die Verschlußelektrode ist fortgelassen. Es sind zwei Ablenkelektrodenpaare 80a und 80b vorgesehen, die zwei unter rechtem Winkel zueinander verlaufende elektrische Ablenkfelder erzeugen, wobei in der Zeichnung lediglich ein Elcktrodcnpaar 80a sichtbar ist. Eine Phasensteuereinrichtung 81 ist mit den Ablenkelektrodenpaaren 80a und 806 derart verbunden, daß es durch Phasensteuerung der den Elektroden zugeführten Spannung möglich ist, auf dem Leuchtschirm 9 ein kontinuierliches, kreisförmiges oder spiralförmiges Ablenkmuster zu erzeugen. Jede Elektrode 80,-), 80ö ist vorzugsweise als Streifenleiter ausgebildet, um eine rasche elektronische Ansprechzeit zu erhallen, und es sind Einrichtungen zur richtigen elektronischen Anpassung auf beiden Seiten vorgesehen. Slreifenelektroden können auch bei dem in Fig. 1 gezeigten einzelnen Streifenelektrodenpaar 8 verwendet werden. Bei dieser Art der Bildwandlerröhre wird anstelle eines Schlitzbildes an der Photokathode vorzugsweise eine punktförmige Quelle verwendet.

Während der kontinuierlichen Betriebsweise der Bildröhre, bei der auf dem Leuchtschirm ein kreis- oder spiralförmiges Ablenkmuster erzeugt wird, können kontinuierlich arbeitende Laser- oder andersartige Lichtquellen aufgezeichnet und dadurch zeilliche Änderungen festgestellt werden. In anderen Anwendungsfällen können beispielsweise Lichtimpulse, die bei Entfernungsbestimmung, bei Messungen an der Atmo-Sphäre, optischen Kommunikations-. Lese- und Schreibsystemen verwendet werden, überprüft und ermittelt werden. Ein besonderer Anwendungsfall ist die Überprüfung und Ermittlung »mode-locked«-Lasern, die bei optoelektronischen Zeichenlesegeräten und für Faksimile-Wiedergabegeräte verwendet werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Elektronenoptische Kurzzeitmeß-Bildwandlerröhre mit einer Photoelektronen erzeugenden Kathode, einem der Photokathode nachgeschalteten Leuchtschirm, zwischen Photokaihode und Leuchtschirm angeordneter Ablenkelektrodenanordnung und einem zwischen der Photokathode und der Ablenkelektrodenanordnung nahe der Photokathode angeordneten Metallgitter, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallgitter (4) in einem Abstand zwischen etwa 1 und 3 mm von der Photokathode (3) angeordnet ist.

2. Röhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkelektrodenanordnung minde stens ein Paar Streifenleiterelektroden (8) enthält.

3. Röhre nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkelektrodenanordnung zwei Streifenleiterelektrodenpaare (isOa, 80b) aufweist, die zwei rechtwinklig zueinander verlaufende elektrische Ablenkfelder erzeugen.

4. Verfahren zum Betrieb einer elektronenoptischen Kurzzeitmeß-Bildwandlerröhre nach einem der Ansprüche 1—3, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallgitter (4) auf einem wenigstens während der Messung konstanten Hochspannungspotential in der Größenordnung von 1 kV gehalten wird.

5. Schaltungsanordnung zum Betrieb einer elektronenoptischen Kurzzeitmsß-Bildwandlerröhre nach einem der Ansprüche 1—3 unter Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine mit dem Metallgitter (4) verbundene Quelle positiver Spannung und einem mit der Ablenkelektrodenanordnung (8; 80a, 80b) verbundenen Spannungsgenerator (16) zur Erzeugung esner Rampenspannung, die mit den zu beobachtenden Lichlimpulsen einer Lichtquelle synchronisiert ist.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsgenerator (16) eine Funkenstrecke enthält, die durch die von der Lichtquelle erzeugten Impulse schaltbar ist.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsgenerator (16) eine Schaltstufe mit einer Gasentladungsröhre enthält, die durch die Steuerimpulse eines Transistors schaltbar ist, der im Avalanche-Betrieb arbeitet und die von der Lichtquelle (13) erzeugten Impulse empfängt.

8. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 5—7, dadurch gekennzeichnet, daß die Rampenspannung eine Anstiegszeit in der Größenordnung einer Nanosekunde hat.

9. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 5 — 8, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Ablenkelektrodenanordnung mit zwei rechtwinklig zueinander zugeordneten Elektrodenpaaren (80a, BOb) eine Phasensteuereinrichtung (81) zwischen dem Spannungsgenerator (16) und den Elektrodenpaaren angeordnet ist, so daß sich eine kreis- oder spiralförmige Ablenkung ergibt.