DE1764034C3 - Elektronische Bildwandler- oder Bildverstärkerröhre mit Kanalplatte - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine elektronische Bildwandler- oder Bildverstärkerröhre mit einer Phoiokathodc, einer auf Sekundäremission beruhenden Verstärkervorrichtung und einem elektronenoptischen System, das Rotationssymmetrie aufweist und eine elektronenoplitche Achse hat, die mit der Rotationssymmetrieachse tusammenfällt und senkrecht auf der Oberfläche der Photokathode steht, wobei die Hauptstrahlen der Photokathode zu einem gemeinsamen Kreuzungspunkt hin gerichtet sind und die Verstärkervorrichtung jenseits dieses Kreuzungspunktes angebracht ist.

Eine solche Bildwandler- oder Bildverstärkerröhre ist aus der DT-PS 9 12 726 bekannt.

Bei Verwendung von als Kanalplatten ausgebildeten Verstärkervorrichtungen (wenn sie einen Toil einer elektronischen Bildwandler- oder Bildverstärkerröhre bilden) wird eine elektrische Spannung zwischen die beiden Elektroden der Platte gelegt, wodurch sich ein elektrisches Feld ergibt, das die Elektronen beschleunigt und ein Spannungsgradient durch den Strom erzeugt wird der durch innerhalb der Kanäle gebildete Flächen mit ohmschem Widemand oder (wenn es keine derartigen Kanalflächen gibt) durch das Material der Platte fließt. Durch Sekundäremission in den Kanälen erfolgt die Elektronenvervielfachung, und die Ausgangselektronen können durch ein zweites Beschleunigungsfeld beeinflußt werden, das /wischen der Aus gangselektrode und einer geeigneten Prallplatte, z. B. einem Leuchtschirm, erzeugt sein kann.

Kanalverstärkervorrichtungen der hier betrachteten Art mit durch Sekundäremission herbeigeführter Elektronenvervielfachung enthalten eine Matrix, die als ohmscher Widerstand betrachtet werden kann und die Form einer Platte hat, bei der eine der großen Flächen die Eingangsfläche und die andere die Ausgangsfläche der Matrix biluen. Beide Flächen sind mit einer leitenden Schicht versehen, wobei die Schicht auf der Eingangsfläche der Matrix als Eingangselektrode und die gesonderte leitende Schicht auf der Ausgangsfläche der Matrix als Ausgangselektrode dient. In der Matrix sind langgestreckte Kanäle vorgesehen, die je einen Durchgang von der Eingangsfläche zur Ausgangsfläche bilden, wobei die Verteilung und der Querschnitt der Kanäle und der spezifische Widerstand der Matrix derartig sind, daß das Auflösungsvermögen und die Elektronenvervielfachungscharakterisitk jeder beliebigen Flächeneinheit der Vorrichtung und jeder beliebigen anderen Flächeneinheit sich genügend entsprechen. um Bilder zu erzeugen.

Beim Betrieb solcher Kanalplatten stellte es sich heraus daß die Verstärkung kritisch vom Länge-Durclv messer-Verhältnis (L/D-Verhältnis) der Kanäle abhängt, was bedeutet, daß dieses Verhältnis für sämtliche Kanäle auf der ganzen Fläche das gleiche sein muß. um eine überall gleiche Verstärkung zu erhalten. Zur Vermeidung dieser kritischen Abhängigkeit vom Länge-Durchmesser-Verhältnis kann man eine schräge Anordnung der Kanäle verwenden, wie sie aus der GB-PS 9 99 180 für eine Kanalplatte als Teil eines Bildwandlers der keine Strahlfokussierung aufweist, bekannt war.

Eine andere Schwierigkeit bezieht sich auf das Verhalten eines Elektrons, das sich einem Kanal aul einer Bahn nähert, die parallel zur Kanalachse verläuft Ein derartiges Elektron kann gradlinig durch den Kanal hindurchgehen, ohne auf die Kanalwand aufzutreten d. h., ohne eine Sekundäremission herbeizuführen. Be einer Bildröhre, bei der die Pholokathode nahe det Kanalplatte angeordnet ist und die Elektronen sich ohne die Zwischenschaltung eines elektronenoptischen Sy stems in der Richtung zur Verstärkervorrichtung hir bewegen, kann dies Informationsverluste im ganzer überstnchenen Bereich verursachen. Bei Bildröhren z. B. bei einer sogenannten elektronenoptischen Diode bei denen Elektronen auf divergierenden Wegen zi einer Kanalplatte geführt werden, in der sämtliche Kanäle parallel zur elektronenoptischen Achse verlau fen, wurde gefunden, daß die erwähnte nachteilig! Wirkung einen dunklen Fleck etwa in der Mitte de· Bildes herbeiführt, wo die Zahl der Elektronenbahnen die nahezu parallel zu den Achsen der Kanäle verlaufen am größten ist.

Diese zweite Schwierigkeit läßt sich in gewissen Maße dadurch beheben, daß ein plötzlicher Überganj der Feldstärke an oder bei den Eingangsöffnungen de Kanäle (d. h. an oder bei der Eingangsfläche der Matrix erzeugt wird, so daß sich bei jeder Eingangsöffnung cii konvergierendes oder divergierendes Linsenfeld ergib

Diese Schwierigkeit läßt sich auch dadurch beheben. Saß das elektrische Feld schräg gelegt wird, wie dies ν _B. in der OE-PS 2 44 403 beschrieben ist. Bei Elektroden hoher Energie oder hoher Geschwindigkeit *t jedoch die Auswirkung solcher Maßnahmen, die die frzeugung einer Querfeldkomponerte bezwecken, fäuiig unzureichend, um die erwünschte Ablenkung der ßektronenbahnen herbeizuführen.

per Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei Jer Anbringung einer Kanalplatte als Verstärkervornch- King in ^einer elektronischen Bildröhre mit einem elektronenoptischen System solche Schwierigkeiten zu vermeiden.

Diese Aufgabe wird durch die Erfindung dadurch gelöst, daß die Verstärkervorrichtung eine Kanalplatte. ist deren Vorder- und Rückseiten senkrecht auf der optischen Achse stehen und deren Kanäle zueinander parallel verlaufen und alle einen derartigen gleichen Winkel mit einer die elektronenoptisjhe Achse enthaltenden Ebene bilden, daß keiner der Hauptstrahlen parallel zu den Achsen der Kanäle ist.

Außer der die elektronenoptische Achse enthaltenden Ebene, in bezug auf die sämtliche Kanäle ausgerichtet sind und unter einem bestimmten Winkel verlaufen, läßt sich eine zweite, die optische Achse enthaltende Ebene erkennen, welche die Achsen der Kanäle enthalt, die sie schneidet. Diese Ebene wird als die erste axiale Hauptebene bezeichnet, während die senkrecht auf ihr stehende axiale Ebene als die /weite axiale Hauptebene bezeichnet wird.

Das elektronenoptische System bezweckt, alle aus einem bestimmten Punkt der Photokathode emittierten Elektronen auf der Bild- oder Brennfläche des Systems in einem Punkt zu bündeln. Aus einem derartigen Dingpunkt auf der Photokathode emittierte Elektronen verlassen die Kathode unter den verschiedensten Winkeln innerhalb eines breiten Kegels. Die Bahn der Elektronen, die aus dem betreffenden Dingpunkt in einer Richtung senkrecht zur Oberfläche der Photoku thode emittiert werden, wird als Hauptstrahl bezeichnet.

Durch den schrägen Verlauf der Kanäle wird erreicht, daß ein etwaiger »dunkler Fleck« zum Rand des Bildfeldes in ein Gebiet verschoben wird, in dem die Störung weniger lästig ist, als wenn sie in der Mitte des Bildes auftritt.

Die Winkel zwischen den Hauptstrahlen und den zugehörigen Kanälen schwanken zwischen einem Mindest- und einem Höchstwert. Der Mindestwert dieser Winkel kann groß genug bemessen werden, um zu verhüten, daß Elektronen geradewegs oder wenigstens mit genügender Vervielfachung dureii die Kanäle hindurchgehen. Der Höchstwert der Winkel muß beschränkt werden, um zu verhindern, daß der Astigmatismus, der bei schräg verlaufenden Kanälen auftritt und mit zunehmendem Winkel Φ zunimmt, allzu stark wird.

Es hat sich gezeigt, daß die unvermeidliche Schwankung des Winkels keinen großen visuellen Güteunterschied zwischen den verschiedenen Teilen des Bildes zur Folge hat. Deshalb ist es auch nicht erforderlich, eine Matrix zu verwenden, deren Kanäle konvergierende oder divergierende Achsen aufweisen; eine solche Matrix wäre äußerst schwer herstellbar.

Das elektronenoptische System kann vom Typ der elektronenoptischen Diode sein, wie diese in Philips Research Reports, Band 7, S. 119 bis 130 (1952), beschrieben worden ist. Trotz der Tatsache, daß die RiMphnne des elektronenoptischen Systems eine Krümmung aufweist, wie dies aus »E c k a r t: Elektronenoptische Bildwandler und Röntgenbildverstärker, Leipzig 1962« bekannt ist, kann die Kanalplatte ebene Eingangsund Ausgangsflächen besitzen, sofern das elektronenoptische System eine ausreichende Brennweite hat. Die Kanalplatte kann jedoch auch gekrümmt sein, wobei die Krümmung im gleichen Sinne verläuft, und vorzugsweise die gleiche ist wie die Krümmung der Bildebene.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben.

Es zeigt

Fig. 1 einen Axialschnitt durch eine Elektronenbildröhre mit flacher Kanalverstärkervorrichtung,

F i g. 2 einen vergrößerten Schnitt durch einen Teil einer Kanalverstärkervorrichtung der Röhre der Fig. 1, wobei die Zeichenebene die erste axiale Hauptebene ist,

F i g. 3 ein Diagramm zur Erläuterung der Bedingungen, die in der ersten axialen Hauptebene der Röhre nach Fig.! auftreten,

Fig. 4 einen schemaiischen Schnitt zur Erläuterung eines Verfahrens zum Herstellen schräger Matrizen.

F i g. ϊ einen Axialschnitt durch eine Röhre mit gekrümmter KanaUerstärkervorriehuing.

In F i g. 1 ist eine äußere Strahlung von einem Objekt Ü her mittels einer Linse auf eine Photokathode P gerichtet, wodurch auf dieser ein Bild er/eugt wird. Aus sämtlichen Teilen der Photokathode werden Photoelektronen mit örtlich in Abhängigkeit vom erzeugten Bild verschiedenen Intensitäten ausgelöst.

Die Phoiokathode P bildet zusammen mit einer konischen oder nahezu konischen Anode Λ eine elektronenoptische Diode, deren elektronenoptisches System derartig ist. daß die emittierten Photoelektronen zu einem Strahlenbündel R konzentriert werden, wobei dieses Bündel unter der Einwirkung der sphärischen Äquipotentialflächen zwischen der Photokathode Pund der konischen Anode A konvergiert wird. Wenn das Bündel durch die Öffnung in der konischen Anode A hindurchgeht, wird es durch die negative Linsenwirkung bei der Konusöffnung weniger konvergierend gemacht, was eine Zunahme der Brennweite bedeutet. Das Strahlenbündel R wird schließlich in der gestrichelt angegebenen Bildebene F zu einem Brennpunkt konvergiert. In dieser Ebene, die eine erhebliche Krümmung aufweist, liegen sämtliche Bildpunkte.

Die Anode A hat einen zylindrischen Teil, der sich an die Eingangselektrode £1 einer als Kanalplatte ausgebildeten Kanalverstärkervorrichtung /, die weiter cii.e Ausgangselektrode E2 aufweist, anschließt. Das elektronenoptische System P-A weist Rotationssymmetrie um eine elektronenoptische Achse Z-Z auf, die senkrecht auf der Oberfläche der Photokathode P und auf den Eingangs- und Ausgangsflächen der Kanalplatte / steht an den Stellen, wo sie diese schneidet.

Wie aus F i g. 2, die einen vergrößerten Axialschnitt durch einen Teil der Vorrichtung darstellt, ersichtlich ist, wird die Kanalplatte / gemäß einem regelmäßigen Muster von Kanälen C durchzogen, wobei die Achse A-X jedes Kanals einen Winkel Φ mit der zweiten axialen Hauptebene (die senkrecht auf der Zeichenebene steht, in der die Achse Z-Zliegt), einschließt.

F i g. 2 zeigt, wie Photoelektronen aus der Phoiokathode P auf Bahnen b die Kanalplatte / erreichen. In jedem der Kanäle, in den in einem bestimmten Augenblick Photoelektronen eintreten, erfolgt durch Sekundäremission eine Elektronenvervielfachung, z. B.,

wie dies schematisch in der Zeichnung angegeben ist, unter der Einwirkung des elektrischen Beschleunigungsfeldes, das dadurch erzeugt wird, daß die Elektroden Ei und Ei mit einer schematisch durch ßi (Fig. 1) dargestellten Spannungsquelle verbunden werden. Eine Quelle 02 erzeugt ein zweites Beschleunigungsfeld zwischen der Elektrode £2 und einer leitenden Schicht, z. B. aus Aluminium, die einen Teil eines Leuchtschirmes 5 ( Fig. 1) bildet, der sich auf der Ausgangsseite der Kanalplatte befindet.

In Fi g. 2 wird der Einfachheit halber angenommen, daß alle Photoelektronen b sich auf parallelen Bahnen senkrecht zur Matrixoberfläche bewegen und sich somit den Kanälen unter einem konstanten Winkel Φ mit den Kanalachsen nähern. In Wirklichkeit ist dies nicht der Fall außer (in erster Näherung) in der Mitte der Kanalplatte /.

In Wirklichkeit treffen die Hauptstrahlen, z. B. der in Fig. 1 durch Rp dargestellte Hauptstrahl, die Kanalplatte /unter sich ändernden Winkeln, so daß sie mit den betreffenden Kanälen Winkel wie 0i, 02 und 03 machen, die in F i g. 3 schematisch angegeben sind. F i g. 3 bezieht sich auf das, was sich in der ersten axialen Hauptebene abspielt, d. h. in der Axialebene, in der die Achse Z-Z liegt und in der auch die Achsen X-X derjenigen Kanäle liegen, die durch die Ebene geschnitten werden. Es ist deutlich, daß

03 = Φ + )>3,

wobei yz der Nennwinkel ist, unter dem der Hauptstrahl Rph von einem imaginären Kreuzungspunkt Zo des elektronenoptischen Systems P-A divergiert. Die Hauptstrahlen, wie z. B. der Strahl Rp in F i g. 1 und die Strahlen Rp\ bis Rpz in Fig.3, sind in der Praxis keine genauen Geraden, aber sie werden dennoch durch die anfangs senkrechte Elektronenbahn im Emissionspunkt auf der Photokathode P identifiziert.
Ähnlich ist

0i = Φ — γ\,

wobei γ\ der Divergenzwinkel des Hauptstrahls /?pi ist.

In der Mitte (auf der Achse Z-Z) ist die Divergenz des Hauptstrahls Rp2 Null und ist

02 = Φ.

Sofern der kleinste Winkel 0i groß genug ist, um zu verhindern, daß Elektronen gerade oder mit unzureichender Vervielfachung durch den jeweiligen Kanal hindurchgehen, kann die ganze in F i g. 3 dargestellte Matrix wirkungsvoll ohne »dunklen Fleck« arbeiten, weil die übrigen Winkel (02,03 usw.) alle größer sind. Es ist jedoch gewünscht die Höchstwerte der Winkel 0 in der vorerwähnten Weise zu begrenzen, weil sich der Astigmatismus um so stärker auswirkt je größer Φ ist

Bei einem praktischen Beispiel, das sich zur Anwendung auf die in F i g. 1 dargestellte Weise eignet, können die Abmessungen der Röhre etwa wie folgt sein:

Durchmesser der Matrix = 5 cm. Durchmesser der Kanäle = 30 μ.

Länge der Kanäle = 2 mm.

Abstand zwischen ß und S = etwa 4 mm.

Maximaler Divergenzwinkel γ =12°.

Kanalneigungswinkel Φ =15°. Mindestwert des Winkels 0 = 3°,

Höchstwert des Winkels 0 - 27".

In der Zeichnung ist der Deutlichkeit halber von

diesen Abmessungen und von den gegenseitigen Verhältnissen abgewichen.

Die große Diskrepanz zwischen der gekrümmten Bildebene F und der ebenen Eingangsfläche der Kanalplatte / hat zu den Rändern des auf dem Schirm 5 wiedergegebenen Bildes hin einen gewissen Verlust an Auflösungsvermögen zur Folge, aber dieser Effekt wird im allgemeinen durch die erwähnte große Brennweite des elektronenoptischen Systems in annehmbaren Grenzen gehalten.

Die Matrix der Kanalplatte nach den F i g. 1, 2 und 3 ist flach, und ihre Kanäle machen einen konstanten Winkel Φ mit der Senkrechten auf den Eingangs- und Ausgangsflächen. Diese Eigenschaften machen die Matrix geeignet zur Herstellung gemäß verhältnismäßig einfacher Verfahren, bei denen unter anderem ein mit Kanälen versehener Block dadurch in Scheiben geschnitten wird, daß der gemäß den unter einem geeigneten Winkel quer zu den Kanälen Cverlaufenden schrägen Linien W zersägt wird, wie schematisch in F i g. 4 ingegeben ist.

In Γ i g. 5 sind entsprechende Teile mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet. Die Kanalplatte / hat jetzt eine gekrümmte Gestalt, wobei die Eingangsfläche in der gleichen Richtung gekrümmt ist wie die gekrümmte Bildebene F. Diese beiden Krümmungen können unter Umständen zusammenfallen, obgleich dies in Anbetracht der erwähnten großen Brennweite nicht notwendig ist, und es ist über das ganze auf dem Schirm S erzeugte Bild ein ausreichendes Auflösungsvermögen erzielbar. Bei einer solchen Anordnung, bei der sowohl eine gekrümmte Matrix als auch schräge Kanäle Anwendung finden, können die Vorteile beider Systeme gleichzeitig erhalten werden, d. h„ das Auflösungsvermögen kann über das ganze Bild gut sein, und zu gleicher Zeit kann das Problem des dunklen Flecks gelöst werden.

Die Folgen der Krümmung der Photokathode P gemäß F i g. 1 oder 5 und die Folgen der Krümmung des Bildschirmes S gemäß Fig. 5 können in bekannter Weise mit Hilfe eines faseroptischen Systems F01 ganz oder teilweise zunichte gemacht werden. Es kann eine aus einem faseroptischen System bestehende Eingangsplatte benutzt werden, die auf einer Seite eine angemessene konkave Krümmung aufweist, die der Krümmung der Photokathode angepaßt ist, während die Oberfläche an der Seite der eintreffenden Strahlung nahezu flach oder in der entgegengesetzten Richtung gekrümmt ist.

Dadurch kann auch eine größere Krümmung der Photokathode Anwendung finden, wodurch die Krümmung der Bildebene f kleiner sein kann, so daß diese Ebene leichter mit der Eingangsfläche der Kanalplatte / zusammenfallen kann. Statt dessen oder daneben kann ein zweites faseroptisches System /to als das Fenster, auf dem der Schirm S angebracht ist benutzt werden, wobei dieses Fenster eine Ausgangsfläche hat die z. B. eben sein kann, wie dies in F i g. 5 angegeben ist Der Schirm Sweist in diesem und auch in den vorerwähnten

Fällen eine konkave Krümmung auf, die der Krümmung

der Elektrode £2 in dem Sinne angepaßt ist daß dadurch die Feldstärke zwischen B und S überall möglichst dif gleiche ist

Obleich bei den beschriebenen Ausführungsformer

der Konus A und die Elektrode £1 miteinandei verbunden sind, kann es manchmal gewünscht seiti diese »Dioden«-Anordnung dadurch zu ändern, daß / von Et getrennt wird, so daß an diese beiden Element!

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verschiedliche Potentiale gelegt weiden können. /. Ii.. mn eine optimale Kintrittsenergie l'iir sich den kaniilen nähernde Elektronen /u erreichen. Dies kann dadurch erfolgen, daß A auf dem gleichen Potential gehalten wird, wahrend das Potential von l'\ herabgesetzt wird. Eine derartige Änderung ergibt gleichsam eine Triodenstruktur, und der imaginäre Kreu/ungspunki /.»( Y i g. 3) kann ein virtueller Kreu/ungspunkt weiden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnunccn

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Elektronische Bildwandler- oder Bildverstärkerröhre mit einer Photokathode, einer auf Sekundäremission beruhenden Verstärkervorrichtung und einem elektronenoptischen System, das Rotationssymmetrie aufweist und eine elektronenoptische Achse hat, die mit der Rotationssymmetrieachse zusammenfällt und senkrecht auf der Oberfläehe der Photokathode steht, wobei die Hauptstrahlen der Photokathode zu einem gemeinsamen Kreuzungspunkt hin gerichtet sind und die Verstärkervorrichtung, jenseits dieses Kreuzungspunkts angebracht ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkervorrichtung eine Kanalplatte ist. deren Vorder- und Rückseiten senkrecht auf der optischen Achse stehen und deren Kanäle zueinander parallel verlaufen und alle einen derartigen gleichen Winkel (</>) mit einer die elektronenoptische Achse enthaltenden Ebene bilden, daß keiner der Hauptstrahlen parallel zu den Achsen der Kanäle ist.

2. Bildwandler- oder Bildverstärkerröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das elektronenoptische System vom Typ der elektronenoptischen Diode ist und eine konische oder nahezu konische Anode aufweist, die elektrisch mit der Eingangselektrode der Kanalplatte verbunden ist.

3. Bildwandler- oder Bildverstärkerröhre nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Neigungswinkel (Φ) der Kanäle etwa 15° beträgt und daß die Winkel (ß) der Hauptstrahlen mit den Achsen der Kanäle an einem Rand der Kanalplatte etwa 3° und am entgegengesetzten Rand etwa 27° betragen.

4. Bildwandler- oder Bildverstärkerröhre nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanalplatte eine der Bildebene des elektronenoptischen Systems angepaßte gekrümmte Gestalt aufweist.

5. Bildwandler- und Bildverstärkerröhre nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Bildebene des elektronenoptischen Systems mit der Eingangsfläche der Kanalplatte zusammenfällt.

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