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Sekundärelektronen-Vervielfältiger Die Erfindung bezieht sich auf
einen Sekundärelektronen-Vervielfacher in axialsymmetrischem Aufbau mit einer mit
der Achse zusammenfallenden Primärelektronenquelle, der außerdem eine oder mehrere
durchlässige Prallelektroden und eine Sammelelektrode besitzt. Bei einer bekannten
An-. ordnung dieser Art ist die von den Elektronen zurückgelegte Bahn auf einen
kurzen Kurvenbogen beschränkt. Gemäß der Erfindung wird daher der Vervielfacher
in der Weise ausgebildet, daß zwei mit Hoehfrequenzspannung erregte Beschleunigungselektroden
ein senkrecht zu dem Magnetfeld gerichtetes elektrisches Wechselfeld erzeugen, das
im Verein mit dem Magnetfeld den Elektronen eine Bewegung auf einer ebenen Spirale
um die Symmetrieachse erteilt, und daß die durchlässigen Prallelektroden quer zu
dem Spiralweg der Elektronen angeordnet sind, so daß die Primär- bzw. Sekundärelektronen
sie mehrere Male durchlaufen und an ihnen eine mehrmalige Sekundärelektronenernission
hervorrufen.
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Das Gerät gemäß der Erfindung kann mit Elektronen thermischen oder
photoelektrischen Ursprungs arbeiten. In beiden Fällen ist die die primären Elektronen
erzeugende Kathode im wesentlichen in dem Symmetriezentrum des Systems angeordnet.
Sie ist im Inneren der Beschlewnigungselektroden angeordnet, die mit Hochfrequenz
gespeist werden und vorzugsweise in Form eines kreisförmigen, flachen und hohlen
Gehäuses ausgebildet sind, das nach einem seiner Durchmesser geschnitten ist. Handelt
es sich um eine photoelektrische Kathode, so wird diese senkrecht zum Spalt angeordnet,
so daß sie senkrecht von der Außenseite der Röhre aus durch diesen Spalt beleuchtet
werden bann.
Die Beschleunigungselektroden werden aus unmagnetischem
Metall hergestellt. Sie tverden einer Potentialdifferenz von hoher Frequenz mit
geeignetem Wert unterworfen, die durch einenHechfrequenzschwingungserzeuger geliefert
wird.
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Diese ganze Anordnung wird in einem entleerten Kolben untergebracht
und einem konstanten, senkrecht zur Systemachse gerichteten Magnetfeld ausgesetzt.
Dieses Magnetfeld kann z: B. durch einen Elektromagnet erzeugt werden.
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Unter diesen Verhältnissen beschreiben bekanntlich bei geeigneter
Regelung der Frequenz des Hochfrequenzschwingungserzeugers die von der Kathode ausgesandten
Elektronen im Inneren der beiden Beschleunigungselektroden und um die Symmetrieachse
des Systems spiralförmige Bahnen. Die geeignete Hochfrequenz ist diejenige, die
einer Schwingungsperiode entspricht, die gleich ist der für den vollen Umlauf eines.
Elektrons erforderlichen Zeit.
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Es ist bekannt, daß unter diesen Umständen, wie L a r m o r gezeigt
hat, die Winkelgeschwindigkeit eines Elektrons, das nur der Ablenkwirkung eines
Magnetfeldes unterworfen ist, unabhängig ist von seiner linearen Geschwindigkeit.
Die für einer, vollen Umlauf eines Elektrons- erforderliche Zeit ist gegeben durch
die Gleichung
wobei H das Magnetfeld, n das konstante Verhältnis zwischen der Ladung und
der Masse des Elektrons, d. h. gleich 1,776 # ro' (Elektromagnetische Einheiten),
ist.
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Wie ersichtlich, ist demnach bei einem gegebenen Feld. H .die
Dauer t eines vollständigen Umlaufs konstant.
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Es sind schon unter der Bezeichnung Cyclotrons ähnliche Systeme verwendet
worden, um die Zerlegung der Elemente zu verfolgen oder auch eine Radioaktivität
beliebiger Körper durch ein ausreichend starkes Ionenbombardement zu erzielen (vgl.
z. B. die Abhandlung von John J. Livingood in »Revue Electronics« Nov. z935).
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Bei diesen letzten Anwendungen war indessen die Röhre mit einem Gas
(schwerer Wasserstoff) unter vermindertem Druck gefüllt, und Gegenstand der Anordnung
war, durch aufeinanderfolgende Impulse positiver Ionen sehr hohe Ausgangsgeschwindigkeiten
zu erteilen, die Millionen Volt betragen können.
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Der den Gegenstand der Erfindung bildende Elektronen-Vervielfacher
arbeitet im Gegensatz dazu in einem hohen Vakuum, d. h. ohne Ionisation, und die
von der Kathode ausgesandten Elektronen werden unmittelbar verwendet. Unter dem
Einfluß der beiden angewendeten Felder werden diese Elektronen einfach nach einer
Spiralbahn beschleunigt, bis sie eine Geschwindigkeit angenommen haben, die ausreicht,
um infolge ihres Stoßes auf geeignete, in ihre Bahn eingefügte Elektroden eine beträchtliche
Sekundäremission zu erzeugen.
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Die dabei zu erzielenden Elektronengeschwindigkeiten liegen weit unter
Millionen Volt, die bei den Cyclotrons auftreten. Sie betragen nur einige hundert
Volt. Bei einer Sekundärelektrode gegebener Art, z. B. aus einer Legierung von Kupfer
und Beryllium, hat nämlich das Verhältnis des Sekundärstromes zum Primärstrom
in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit v der Primärelektronen den in Fig. z dargestellten
Verlauf. Diese Kurve beisitzt ein Maximum, in dessen Nähe zweckmäßig gearbeitet
wird und das im allgemeinen durch eine Geschwindigkeit von einigen hundert Volt
erzeugt wird. Da andererseits bei einer solchen Vorrichtung die Geschwindigkeit
v eines im Abstand r
vom Mittelpunkt befindlichen Elektrons durch die
Gleichung gegeben ist
ist ersichtlich, daß an einem beliebigen Punkt der Vorrichtung, wo man ein Beschleunigungsgitter
anordnen will, sehr leicht eine gewünschte Geschwindigkeit v erzielt werden kann,
indem man einfach auf den Wert des Magnetfeldes H einwirkt.
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Ein Elektronen-Vervielfacher gemäß der Erfindung wird demnach das
Aussehen der schematisch und im Schnitt in Fig. 2 und 3 dargestellten Vorrichtung
haben. Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die als Ausführungsbeispiele
dargestellten Anordnungen beschränkt.
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A ist in den Figuren der Kolben der Röhre, der vorzugsweise eine zylindrische
Form besitzt und um die Symmetrieachse X-X des Systems angeordnet ist. In ihrem
Mittelpunkt befindet sich bei C die Kathode, die von einem Elektronen aussendenden
Heizfaden oder, wie schon erwähnt, durch einen photoelektrischen Stoff gebildet
sein kann. Bei Ei und E@ befinden sich die beiden Beschleunigungseiektroden, die
die Form eines flachen, kreisförmigen Gehäuses haben, das durch den Spalt
ab in zwei Teile geteilt ist, und die durch eine bestimmte Spannung von hoher
Frequenz HF gespeist werden. In Fig. 2 istP die Sammelelektrode, die auf einem geeigneten
positiven Potential gehalten wird,
und r ist ein in einer der Beschleunigungselektroden,
z. B. El, vorgesehener Ausschnitt für den Austritt .der Elektronen nach der Anode.
Bei D ist eine Ablenkelektrode dargestellt, die ebenfalls auf ein positives Potential
gebracht sein kann und den Austritt der Elektronen erleichtert. Bei H ist in der
nach der Achse Y-Y gezeichneten Fig. 3 die Richtung des konstanten, parallel zur
Achse X-X verlaufenden Magnetfeldes ersichtlich.
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Alle diese Teile entsprechen idenjenigen der bekannten Anordnungen.
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Im Gegensatz dazu werden im folgenden die Elektroden ga, gin näher
beschrieben, die der Sitz der Sekun.däremmission sind und das wesentliche Element
des Elektronen-Vervielfachers bilden. Diese Elektroden, die in den Fig. 2 und 3
symmetrisch in der Anzahl von zwei dargestellt sind, die aber in beliebiger Anzahl
vorhanden sein können, werden im wesentlichen durch ein feinmaschiges Gitter gzzz
aus einem Stoff gebildet, der einer ziemlich starken Sekundäremmission fähig ist,
z. B. aus der obenerwähnten Legierung von Kupfer und Beryllium. Diese Gitter sind
im Inneren der Beschleunigungselektroden El, E2 auf der Spiralbahn der durch die
Kathode erzeugten Primärelektronen angeordnet. Sie können, wie dargestellt, in durch
die Achse gehenden Ebenen angeordnet sein, d. h. im wesentlichen senkrecht zur Bewegung
der Elektronen. Sie könnten jedoch zweckmäßig auch derart schräg angeordnet sein,
daß ihre Sekundäremission gesteigert wird durch Ausnutzung der bekannten Eigenschaft,
daß die Sekundäremission mit dem Einfallswinkel des Primärelektronenstrahles wächst.
Diese Gitter werden auf dem Potential Null gehalten, d. h. auf dem Potential der
Kathode. Aus den unten dargelegten Gründen beanspruchen diese Gitter nicht den ganzen
Querschnitt der hohlen Elektroden Ei, E, nach dem Radius r, sondern sie bleiben
zwischen zwei Werten des letzten, die in Fig. 3 mit r1 und r. bezeichnet sind.
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Wie ersichtlich, ist hinter jedem der Prallgitter gm in der Bewegungsrichtung
der Elektronen ein Gitter ga angeordnet, das positiv polarisiert ist und die Rolle
eines Beschleunigungsgitters spielt. Dieses Gitter besitzt sehr weite Maschen und
ist in geringer Entfernung (einige mm) von dem Gitter gm angeordnet. Seine Rolle
ist die folgende: Wie bekannt, verläßt die größte Anzahl der von einem Gitter wie
gm ausgesendeten Sekundärelektronen dieses Gitter mit einer geringen Geschwindigkeit
(nur einige Volt). Bei Abwesenheit eines Beschleunigungsgitters würden diese nur
der Richtwirkung des magnetischen. Feldes ausgesetzten Sekundärelektronen kleine
Kreise in der Nähe ihres Austrittspunktes beschreiben. Das Beschleunigungsgitter
ga, das auf ein ausreichendes positives Potential gebracht ist, zwingt diese, die
Drehung in ,derselben Kreisbahn fortzusetzen wie die einfallenden Primärelektronen.
Um andererseits jede Störwirkung dieser Deschleunigungsgitter ga zu vermeiden, sind
sie seitlich von einer rohrförmigen Verlängerung t umgeben, die an den Rändern des
Prallgitters gm angeschweißt ist und einen elektrostatischen Schirm bildet, der
die auf einer näher als das Prallgitter am Mittelpunkt gelegenen Kreisbahn umlaufenden
Elektronen daran hindert, vorzeitig durch das Beschleunigungsgitter zu laufen.
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Die Sekundärelektronen mit großer Geschwindigkeit werden hingegen
auf peripherische Kreisbahnen gezogen, was nicht nachteilig ist.
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Die einen Schnitt nach der Linie Z-Z der Fig. 2 darstellende Fig.
q. (in größerem Maßstab) zeigt schematisch, wie die Prallgitter gm und ihre Rohrschirme
t und die Beschleunigungsgitter ga mit Hilfe von zwei Isolatoren 1 gm und
I ga von den Beschleunigungselektroden El oder E2 getragen werden können.
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Wie erwähnt, liegt ein wesentliches Merkmal der Erfindung darin, daß
sie die Möglichkeit zur Anwendung von wohldefinierten und regelbaren Stoßgeschwindigkeiten
der Elektronen auf den Prallgittern bietet, die durch die Größen von y1, r2 und
H bestimmt sind.
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Die Prallgitter gm erstrecken sich zu diesem Zweck nur zwischen zwei
Halbmessern r1 und y2. Es ist demnach möglich, auf diese Gitter nur Elektronen fallen
zu lassen, deren Geschwindigkeiten zwischen bestimmten Grenzen liegen, deren Bereich
von der Differenz r.--1 abhängt, d. h. von der Breite des Gitters, die man derart
wählen wird, daß das Maximum von der Kurve nach Fig. r erfaßt wird. Die
extremen Geschwindigkeiten. werden so z. B. zwischen den Werten v1 und v. erfaßt.
Unter diesen Umständen werden die Elektronen mit einer Geschwindigkeit, die kleiner
als v1 oder größer als v2 ist, nicht auf die Prallgitter fallen, sondern nur diejenigen,
die zu einem Maximum der Sekundäremission führen.
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Ein weiteres wichtiges Merkmal der Erfindung liegt darin, daß sie
es ermöglicht, bei gegebenen Prallgittern und bei dem vorher gewählten Bereich der
Stoßgeschwindigkeiten die Anzahl der aufeinanderfolgenden Stöße der Elektronen auf
ein gegebenes Gitter lediglich durch Einwirkung auf die Spannung IIF zu regeln.
Diese Vorteile werden an Hand eines Ausführungsbeispiels erläutert.
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Bei Verwendung von Gittern aus einer
Kupfer- und Beryllegierung
kann man z. B. zwischen Geschwindigkeiten vi = 250 Volt und v2 = iooo Volt (ungefähr)
ein Verhältnis größer als 3 einhalten. Die Breite des zu verwendenden
Gitters ist dann gegeben durch die Formel
Der Abstand, in welchem dieses Gitter vom Mittelpunkt angeordnet werden muß, ist
demnach
A und r hängen demnach von @ ab.
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Vom Standpunkt des Raumpedarfes
hat man ein Interesse, A und y zu vermindern, d. h. H zu erhöhen. Durch die Erhöhung
von H wird jedoch die Wellenlänge der Schwingung HF herabgesetzt, denn die Schwingungsperiode
T" ist durch die Beziehung gegeben
Man ist daher gezwungen, vorzugsweise ziemlich kurze Wellenlängen HF (in
der Größenordnung z. B. von einigen m) und schwache Magnetfelder (in der Größenordnung
von ioo Gauß oder sogar weniger) zu verwenden. Nachdem der Spannungsbereich v2-vl,
ferner das Magnetfeld H und die Wellenlänge HF gewählt ist, bleibt als einzige
zu bestimmende Veränderliche die Hochfrequenzspannung V, und von dieser Spannung
hängt die Stoßzahl n ab, der das Gitter unterworfen wird. Diese Zahl ist nämlich
gegeben durch die Beziehung
Es besteht daher ein Interesse, zur Erhöhung von rot eine ziemlich geringe Spannung
HF zu verwenden.
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Bei dem oben beschriebenen und in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel
werden die Elektronen durch eine außerhalb der Beschleunigungselektroden angeordnete
Anode P aufgefangen. Obwohl diese Anordnung zur Zeit als die beste erscheint, ist
darauf hinzuweisen, daß man eine andere geeignete Ausgangsanordnung verwenden könnte,
ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Fig: 5 zeigt z. B. eine andere Anordnung
(System Farnsworth). Hierbei wird'die Sammelanode in Form eines im Innern einer
der Beschleunigungselektroden E2 angeordneten Ringes Azt ausgebildet. Um das Auffangen
-der Elektronen durch diesen Ring zu erleichtern, wird in diesem Bereich mit Hilfe
einer elektrostatischen Linse L eine Raumladung erzeugt. Die Anode An wird
schließlich unter Zwischenschaltung der Anodenspannungsquelle mit der Mitte der
Induktion S des Schwingungserzeugers HF verbunden.