DE1762202A1

DE1762202A1 - Strahlungsempfindliche Abtastroehre

Info

Publication number: DE1762202A1
Application number: DE19681762202
Authority: DE
Inventors: Beyer Rolf R; Goetze Gerhard W
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1967-05-08
Filing date: 1968-04-27
Publication date: 1970-04-30
Also published as: FR1561825A; GB1166982A; NL6806204A

Description

Patentanwalt Düsseldorf, den 26. ^Oril 1968

4 D. ::e;dorf-EHer

DtpL-ing. Klaus Neubecker Patentanwalt

4 D. ::e;dorf-EUer

Am Strausscnkrauz 53,Τ·Ι·722456

V/E 37,079
6810

Westinghouse Electric Corporation
Pittsburgh. Pa., V. St. A.

Strahlungaempfindliche Abtaströhre

Die vorließende Erfindung betrifft eine elektronische EntIadungseinrichtung, inybeaondere eine Gtrp.hlungsempfindliche /\bfc; ,3 tr öhre, bei der die Strahlung auf eine ^Speicherelektrode bzv/. einen Eingangsschirm gerichtet wird.

In den letzten Jahren hat dao Interesse an besonders empfindlichen Ferncoh-Abtaströhren, insbesondere für den ultravioletten Bereich des Spektrums für Anwendungen im Zusammenhang mit dor xJrforschuiif; des Weltriiunc; ständig zugenommen. Zur Zeit sind j υ ei on Γ .■.■„ 1J r; drei grundnätzl i ehe Röhrentypen bekannt, die die π- \,ii' auftretenden Forderujrigen erfüllen. Dazu gehört einmal o:iJi JUid-Orthikon mit einer für ultraviolette Strahlung durchlär..; lyjm i'rontplatte und einer ultraviolett-empfindlichen

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Fotokathode, zum anderen ein Vidikon mit einer für ultraviolette Strahlung durchläsoigen Frontplatte und einer ultr&violettempfindlionen lichtstroraleitenden Schicht. Eine weitere, verhältnismäsoig erfolgreiche AusfUhrungaform einer für ultraviolette Strahlung empfindlichen Abtaströhre stellt eine Kameraröhre mit Sekundärelektronenleitung (SEC) mit einer eine ultraviolettempfindliche Fotofläche aufweisenden Lithiumfluorid-Frontplatte dar. Die Elektronen von der Fotofläche sind auf die sekundärelektronenleitende Gegenelektrode gerichtet·

Diese drei Röhrentypen weisen jedoch, insbesondere bei der Anwendung im Weltraum, gewisse Nachteile auf· So erfordert das Bild-Orthikon ein· umfangreiche Ausrüstung und «in· gto*·· Be- / triebeleietung, ·ο dass ·· insofern für di· Anwendung i* Welt raum ungeeignet ist. Ander· Beschränkungen des Bild-Orthikons sind in einer geringen Integrations- und Speicherfähigkeit zu sehen. Ausserdem stellt das Bild-Orthikon eine verhältniemässig empfindliche Einrichtung dar·

Das UV-Vidikon besitzt nicht die gewünschte Empfindlichkeit und weist überdies Integrations- und Speichereigenschaften auf, die noch ungünstiger als beim Bild-Orthikon sind· Das UV-Vidikon erweist sich hinsichtlich seiner Unempfindlichkeit, seines ver*- hältnismüssig geringen Gewichtes, seiner Grosse sowie seines Leistungsbedurfa als günstig·

Die SEC-Kameraröhre vereinigt in eich die meisten der besten Eigenschaften des Vidikons und des Bild-Orthikons, besitzt je*·

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doch mir eine beschränkte Unernpf indlj chke. t. Ausnerdnm nrforaort der Betrieb dJot-.cr Röhre eine Hochüp. j.nun^ von ; nnühornd iO kV, no. d· su liOcii ein ßröönerer 3ch?iltunß£r ufwiinä i.lv> beim Vidikon notwendig j ct.

vorliegender iirf^; nchuin ißt d'.her u.io üch.'iffung einer

« verbes.serten ytrühlun^senpfindlichen abtaut- oder K^-<mer'röhre für Strahlungen im Bereicli von 1 V it· IO 000 An r. st rom, die die EinfjchheH und Unewpf Jndlichke it de» Vidikons beoit^t, au.'jce üen i.ber eine hohe Qu--.nten; uübeute, einen weiten dynamischen Bereicli, i-tiogeseichnete ü]ieichor- \uui Intef,rvt i onHei^e .'ϊΟλνίο ein cutet- Verzö^erun^^vei-ir. lten 'rev^ih

Zur Löniini', diecer uUff/.tbe ist eine ctr· hlunßsenpf indJ.lche .-.bt ijtröhre n.i 1. einei:i eine ctr-.lilTmr.juurci'li-iCoii'e Proiitpl'· ttu luui eine:: -i'inc-nns-'ciiirm -ufueinenuer. Koji en cuwie r.ir einer·: otr:uilsystem rur Err,e.uß'uic eine: ui" ri·.:.·: ^in^riiigccciiirir. ./er cr.-teten \inu ■. ui' ioc-cr.n oiner flache ein er-len Potenti-i hervorrufender. j!le]:trc:;e::rtr-.iiL3 erf inaxu:,^riif,enärr ä\durch ,^e/.er.:*::·." 'c- :iet, a:ic£? aer i;^Tn_t-: :,,··;■ i;chirm eine er.-tü pcrör.e Dc: ie:r. ";. clnar; i.-v:Iierundo:i, :;ur Jrzcufun;: :';■·■ '. or 'J" elrtroner. in .-.Vi.ui.,· i-keit von uor üujrcron oti^%.-hlu:._v; feo L,-:;ctej". ..tol'l' i-cv/lo oii.e der erster, γ,'? 'oev . o..ie;.t n;.-ec2'ä:.iitc r.v;eite, ole^.tiv. ·.: _e;-tende üci;;ch"t iv.t, äi. i?: c: . i;i ■-.·■ ::er. z:v;e:ten Pc" ent..- ... I ■■·_■-:.-uet, drc r-o. : tivor . .j.·.·· d...^ er.'te rctcr.r Ir. int.

V/eitcre i::.:& .::eit ·."■:: u::*."; Vor:"ü_;c c:jr vcr^ie.-enae:. Un'i:: :u:: vrerden ii: ci.rTör.e:::: · :.'..-:.j eii.e;: ..··.. -'Uj.runrtjbei.rpiel..- i:. V»r-

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- 4 bindung mit cer zugehörigen Zeichnung erläutert. Darin zeigen s

Fig. 1 eine Schnitt.-Ansicht einer erfindungogemüas .-ius-

gebildeten otrahlungsempfiiidlichen Abtaströhre; und

Fig. 2 in vergrößertem Maßstab einen Ausschnitt aus dem

als Speicher-Gegenelektrode wirkenden EingangG-schirra der Fig. 1.

Im einzelnen laset Fig. 1 einen Kolben TO erkennen, der üuu einem geeigneten Werkstoff wie Gla3 besteht und mn. seinem einen Ende durch eine Frontplc.tte 12 iibfiesehlofmen ist, durch die elektronu-gnetioche Wellen v/ie Licht im aichttoaren oder ultra-

violetten Bereich von einer zu betrachtenden iicene her eindringen, um auf einen Eingangscchirm 14 aufautl^ffen. Die Frontplatte 12 besteht tus einem geeigneten Mnterinl, daa für die zu erfassende Strchlunß durchlässig ist. Für Licht im aichtb.'iren Bereich kommt d?bei die Verwendung von Gins anfrage· Für den FaJl ultravioletter ütr.'iilung stellt Litiiiumfluoriö einen gecigneteii V/erl.r.tofi" aar. Lithiunfluorid erweist eich insofern ulc günstig, σ Io bei diesem V/er, rrtoff bei verhältninmässig kurzei. 'iVelienlarigen Undurchlfissigiieit (cutoff) eintritt. Bei fallen anderen hier ir»rr;.^e komnenden V/erlrstoffen v;ie Quarz etc. tritt die Undurchli.ee i_t':i:e it bei einer größeren'.Wellenlänge· ein, oo fifes is ich-der iiiisits öieser ■ Werkstoffe eopfiehlt, wenn eine Undurchläsnifkeit für grö^sere V/elienlfc-ngeh ^o'^ün^cht wird.

fs "

Der in der IiJieni'I -U er.« der Frontplafe ': 2 angeordnete Ein^angs-

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schirm 14 weist einmal eine dünne Schicht 16 aus elektrisch leitendem Werkstoff auf, die im interessierenden Wellenlängenbereich durchlässig ist. Für den- Fall der Untersuchung ultravioletter Strahlen kann die Schicht 16 aus Nickel oder Palladium "bestehen und eine Stärke von etwa 50 bis 250 Angström haben. Auf die elektrisch leitende Schicht 16 ist eine weitere Schicht 18 aufgetragen, die eine Stärke von etwa 10 bis 30 Mikron haben kann. Die Schicht 18 ist nur mit geringer Dichte aufgetragen und kann in einer in der U.S. Patentschrift 3 1§7 662 beschriebenen Weise gebildet werden, um eine Dichte zu erhalten, die nur weniger al ο 10 °/ό der Dichte des Materials in seiner Ausgangsform beträgt. Der für die Schicht 18 verwendete Werkstoff soll in der Lage sein, bei Verdampfung in einer inerten Gasatmosphäre eine stabile Schicht geringer Dichte zu bilden. Ausserdem soll der Werkstoff der Schicht 18 Isolierverhalten haben, um in der gewünschten V/eise speichernd und integrierend wirken zu können. Ebenso soll der Werkstoff die gewünschte Undurchlässigkeit für grössere Wellenlängen besitzen, die in erster Linie durch den · fotoelektrischen Schwellwert des Materials bestimmt ist. Ein geeignetes Material für den ultravioletten Bereich stellt Kaliumchlorid dar, das einen fotoelektrischen Schwellwert von 2013 Angstrom hat. Andere geeignete Werkstoffe für den ultravioletten Bereich sind Oaesiumjodid, Natriumchlorid sowie natriumbromid. Der im vorliegenden Rahmen verwendete Begriff Strahlung umfasst Wellenlängen von 1 bis 10 000 Angström.

Die elektrisch leitende Schicht 16 ist mit einer äusseren Zu-

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führung 20 versehen, die mit dem einen find· eines Widerstandes in Verbindung steht· Das andere Ende des Widerstandes 22 ist an die positive Klemme einer geeigneten, hier als einstellbare Batterie 24 dargestelltenSpannungsquelle angeschlossen· Sie negative Klemme der Batterie 24 ist mit Masse verbunden· Bas Ausgangs signal der strahlungsempfindlichen Anordnung wird von dem Widerstand 22 abgenommen und ist über einen Kondensator 26 mit einem Ausgangskreis gekoppelt· Das Potential, mit dem die Batterie 24 die elektrisch leitende Schicht 16 beaufschlagt, beträgt etwa 10-40 Volt·

An dem dem Eingangeschirm 14 gegenüberliegenden Ende des Kolbens 14 ist ein Strahlsystem 30 mit einer Kathode 31 angeordnet, die an Hassepotential angeschlossen se^n kann· Das Strahl system 30 kann einen in Verbindung mit Vidikons herkömmlichen Aufbau mit geeigneten elektrostatischen und elektromagnetischen Fo Imseiereinrichtungen haben· Sin Gitter 33 steuert die Stromstärke des Elektronenstrahls, während eine Anode 35 die strahlbildende Öffnung hat·

Der von dem Strahlsystem 30 erzeugte Elektronenstrahl tritt in den aus einer Fokussierelektrode 32 bestehenden Driftbereich ein und wird auf den als Gegenelektrode wirksamen Eingangsschirm 14 gerichtet· An dem dem Eingangsschirm 14 benachbarten Ende der Fokussierelektrode 32 ist eine Netzelektrode 34 angebracht, die auf einem ähnlichen Potential von etwa 300 Volt liegt. Ausserhalb des Kolbens 10 sind eine Fokussierspule 40 sowie eine Ablenkspule 42 angeordnet, mit deren Hilfe der von

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dem System 30 ausgesandte und auf den Schirm 14 gerichtete !Elektronenstrahl, fokussiert und entsprechend einem geeigneten Abtaitraster über den Schirm 14 abgelenkt wird«

Bei Betrieb der Abtaströhre wird die von einer zu beobachtenden Saene ausgehende Strahlung auf den Eingangsschirm H gerichtet und tritt dabei durch die durchlässige Frontplatte 12 sowie die elektrieoh leitende Schicht 16 hindurch, um von der weiteren Schicht 18*absorbiert zu werden. Die abgetastete bzw. die dem Elektronenstrahl ausgesetzte Fläche der Schicht 18 befindet eich infolge der vorausgegangenen Abtastung auf Kathodenpotential· Di· von der aus dem isolierenden Werkstoff bestehenden weiteren Schicht 18 absorbierte Strahlung erzeugt innere Elektronen, von denen ein Teil als freie Elektronen in die Leerstellen der porösen Schicht 18 auegesandt wird« Die Dicke der Schicht 18 krinn so gewählt werden, dass sich für die einfallende StrfJilung eine optimule Abs'orption ergibt· Würde die Stärke der Schicht 16 je doch nur unter diesem Gesichtspunkt bestimmt, so würde »ich für Elektronen einer kompakten oder massiven Schicht nur eine geringe Außtrittswiihrricheinlichkeit ergeben. Infolge der £eringen Dichte der Schicht U lind d'i die elektrisch leitende ."jchicht 1C im Verhältnis zu der freien Fläche der schicht 18 ein un etw:· 10-40 Volt positiveres Potential aufweist, entsteht über der Schicht IS ein elektrisches Feld mit einer Feldstärke von weniger als 10^y V/cd. Diec-es Feld ernt glich', es einem /-rochen !Teil der erzeugten inneren freien Elektronen, durch die Leerstellen in der porösen Schicht zu der elektrisch leitenden schicht * <^:

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zu gelangen, während die in Nähe der abgetasteten Fläche der Schicht 18 erzeugten freien Elektronen in das Vakuum austreten und von der lietzelektrode 34 aufgefangen werden können. Der Rückwärtsfluns der freien Elektronen durch die Leerstellen in der Schicht 18 zu der elektrisch leitenden Schicht 16, der dabei den vorherrschenden Effekt bildet, sowie die Emission von Elektronen aus der freien Fläche der Schicht 18 führt zur Erzeugung positiver LadungsZentren an der freien Fläche der Schicht 18. Wegen des hohen Widerstandes der Schicht 18 kann dieser Ladung svoi*gang über eine erhebliche Zeitdauer integriert werden. Ausserdem besteht insofern auch nur eine sehr geringe Möglichkeit für einen seitlichen Fluss der LadungsZentren. Diese Ladungtrverteilung bzw. dieses Ladungsbild auf der freien Fläche der Schicht 18 kann dann durch Abtastung mit dem von dem Strahlsystem 30 erzeugten Elektronenstrahl abgelesen oder erfasst werden, so dass ein kapazitiver Entladungsetrom durch den Arbeitswiderstand 22 fliesst, der am Ausgang ein Videosignal liefert. Auf diese Weise kann durch die strahlungsempfindliche Einrichtung ein für die von aussen einfallende Strahlung repräsentatives Videosignal erhalten werden.

Obwohl verschiedene Werkstoffe bzv/. Zusammenstellungen von Werkstoffen aufgeführt worden sind, die für die fotoelektronenftihrende Schicht 18, die elektrisch leitende Schicht 16 sowie die Frontplatte 12 infrage kommen, liegt e3 auf der Hand, dr.os andere als die erwähnten Werkstoffe für andere Wellenlängen und die sich daraus ergebenden Undurchlässigkeitscharakteristiken

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für kurze Wellenlängen verwendet werden können. Beispielsweise können in dem allgemeinen Bereich von 1000 "bis 4000 Angstroem Calciiunfluorid, Bariumfluorid, Magnesiumfluorid, Kristallquarz oder geschmolzenes Quarz für die Frontplatte 12 verwendet werden.

Andere geeignete, elektrisch leitende Werkstoffe für die

ο Schicht 16, die im Bereich von 1000 bis 4000 A durchlässig sind, sind Aluminium und Palladium und bis zu einem gewissen Grade Wolfram und Platin. Weitere geeignete Werkstoffe für die poröse Schicht 10 sind Se, As, CuO, Cu₂O, Ag₃S, AgI, AgBr, AgCl, LiP, NaP, RbI, NaCl, CuCl, NaBr, KBr, CuBr, CdBr₂, NaI und NaI, KI, RbI, CsI und CsTe₂. Es liegt ebenso im Rahmen der vorliegenden Erfindung, zu dotieren oder eine geeignete Zusammenstellung verschiedener Werkstoffe vorzusehen, um für eine Verschiebung der Durchlässigkeitsgrenze für lange Wellenlängen über die Grenze der weiter oben aufgeführten Werkstoffe hinaus bis in den Bereich des sichtbaren Lichtes zu sorgen. Das Ansprechverhalten bzw. das Verhalten hinsichtlich der Durchlässigkeitsgrenzen dieser Werkstoffe findet sich in jedem geeigneten Lehrtuch, wie etwa "Photoelectric Phenomena" von Hughes und DuBridge.

Zur Erfassung des positiven Ladungsbildes (Emissionsbildes) deo Eingangsschirms I4 können ausser dem direkten Strahl Bildelektronen geringer Geschwindigkeit,ebenso Kombinationen eines direkten Strahls, eines RücklaufStrahls sowie Strahlen mit Elektronen sowohl hoher als auch niedriger Geschwindigkeit dienen. Die Verfahren zur Fokussierung und Ablenkung der Abtast-Elektronenotrahlen sind nicht auf die in Verbindung mit dem vorliegen-

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den Ausfuhrungsbeispiel beschriebene Lösung beschränkt, sondern können jede praktisch verwertbare Kombination elektrostatischer und/oder elektromagnetischer Pokussier- und Ablenkfelder umfassen.

Mit der Abtaströhre nach der vorliegenden Erfindung lässt sich eine hohe Absorption der von aussen einfallenden Strahlung erzielen, was eine hohe Quantenausbeute ergibt· Der Eingangsschirm 14 besitzt ausserdem hervorragende Integrations- und Speichereigenschaften. Die erfindungsgemässe Abtaströhre ermöglicht es auch, das auf die Schicht 18 einwirkende elektrische Feld auf Werte von weniger als 10 V/cm zu beschränken, so dass sich der sehr bedeutsame Vorteil einer geringen Verzögerung bzw, eines geringen "Nachzieheffektes¹¹ ergibt, wie das mit Vidikons herkömmlicher Bauart in keiner Weise erreichbar ist.

Patentansprüche :

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Claims

Patentenηρrü che

Strahlungsempf rndliehe Abtaströhre mit einem eine strahlungsdurchliissige Frontplatte und einen Eingangs schirm aufweisenden Kolben sowie mit einem Strahl system :;ur Erzeugung einen auf den Eingangsr.chirin gerichteten und auf debsen einer Fläche ein erstes Potential hervorrufenden Elektronenstrahls, d: (iuroii gekennzeichnet, dusr; der Ein/n-Jigsschirm· (■<!■) eine er^te poröse ochicht (lö) .--us einem isolierenden, zur Urzeugung freier Elektronen ir. .abhängigkeit von der äusseren Stralilung geeigneten otoff sov;ie eine der errten porüöen Schicht (iö) zugeordnete zv/eite, oicktri^ch leiteiide ückicnf; (U.) hat, die sich auf einem rweiton Potential befinde·:, de:; positiver als das erste Potoni.i · : ist.

2. Abtaströhre nach .Jispruch 1, aadurch gekennzeichnet, ύ-.ίΜ· die poröse Schicht (iö) eine Dichte hat, die kleiner -Jo iO >-> der noITi".:, cn Jichte de. w'erkr.toff es im .ai:w:> i\_:; ^u.;t;..na

?. Abtaströhre η .ch ^ncpnich 1 oder 2, dadurch gekeimsoJ cmet, dass das zweite Potential einen Wert hat, bei de.u : uf üie poröse ScJiicht (1ü) ein elektrisches Feld von weniger Is 10 Y/ er. einwirkt.

4. Abtaströhre n: ch Anspruch 1-3, d..durch gel:eiuaneici:r.«t, dr'L-s das r.weite Pctentit.l eir.er. "»ert hat, bei den die eine

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Flüche dcü Eingangsschirme (H) in positiver Richtung aufgeladen wird, und dass die Aufladung dabei in erster Linie infolge dec Flusses freier Elektronen durch die Leerotellen der porösen Schicht (18) zu der elektrisch leitenden ochicht (Ib) erfolgt·

β Abtaströhre nach* einem oder mehreren der Ansprüche 1 - 4» dadurch gekennzeichnet, dass eine Änderung des ersten Potentials in ernter Linie durch den Fluss freier, in Abhängigkeit von der äusseren Strahlung erzeugter Elektronen durch die Leerstellen der porösen Uchicht (18) zu der elektrisch leitenden Schicht (16) eintritt.

6. Abtuströhre nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass ein für die einfallende äussere .'Jtrahlunc repräsentatives elektrisches Ausgangssignal entsprechend der Abtastung des Bingangsschirms 04) durch den Elektronenstrahl von der elektrisch leitenden Schicht (16.) i.bgenommen wird.

7. abtaströhre nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-6, düdurch gekennzeichnet, dass der Eingangsschirra (14) von der Innenf].äche der Frontplatte (12) getragen ist.

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