door
M . C. T E V E S
G edurende de la a tste ja re n is h et gebruik van secundaire emissie in vacuum buizen voor v ersterk in g van foto-electrisch en therm isch geëm itteerde stroom en ste rk toegenom en. O o k sp eelt de secundaire em issie een groote rol in bijzondere buizen voor televisiedoeleinden, zooals de iconoscoop, zonder to t de v e rs te r king van h et afgegeven signaal bij te dragen. D a a rn a a s t kan secundaire emissie en soms ook foto-electrische emissie in buizen v aak zeer ongew enscht zijn en heeft men g e tra c h t deze te o n d e r drukken.
Onderdrukking van secundaire emissie en foio-emissie.
D eze onderdrukking la a t zich in h et k o rt behandelen en zal daarom e e rst besproken w orden. H e t g a a t hierbij om de op lading van de g lasw an d en van iso lato ren in buizen en om de emissie van die electroden in zend- en ontvangbuizen, die ten opzichte van een an d ere electrode een negatieve p o te n tia al h eb ben, w elke emissie v ero o rzaak t w o rd t door opvallende elec- tro n en of door licht van de kathode.
D it la a tste tre e d t alleen bij zendbuizen m et w o lfraam k ath o d e op; de stralin g van deze k ath o d e is bij de hooge bedrijfstem - p e ra tu u r voldoende om eenige m illiam pères foto-em issie van het stu u rro o ste r te veroorzaken. V erhooging van de u ittreep o ten - tia a l door bijv. bedekking van h et stu u rro o ste r m et Z r is m eestal voldoende om deze emissie te onderdrukken.
D e secundaire emissie van deze electroden is een veel erg er kw aal. M en kan hier beginnen m et h et bedekken van de b e treffende electrode m et een sto f m et lage <5 . H ierto e w o rd t v aak Z r gebruikt, d a t steed s o p p erv lak k ig geoxydeerd is, of koolstof.
86 M. C. TEVES
D e d van koolstof in de vorm van ro e t is ca. O, I 5. O p p erv lak k en m et een d gelijk aan nul zijn to t nu toe niet v erw erk elijk t. O ok kan men van een v ertrag en d veld gebruik m aken, v e ro o rzaak t door een rem ro o ster of een ruim telading, d a t v erh ind ert, d a t de secundaire electronen een volgende electrode bereiken, zoo- als bijv. in de penthode w o rd t to eg ep ast. C om plete o n d erd ru k king is ech ter u ite rst moeilijk. D e aanw ezigheid van snelle se cundaire electronen m aak t een strenge scheiding tusschen de secundaire en de prim aire electronen slecht d o o rv o erb aar.
O o k de secundaire emissie van niet-m etallische deelen van de buis kan ernstige m oeilijkheden veroorzaken, w an n eer elec tro n en de g lasw an d of iso latiem ateriaal in de vorm van g las p arels of mica treffen (1). D e ö van glas is nl. g ro o ter dan 1. D a a r door de hooge iso latiew eerstan d geen stroom k an vloeien, kan de p o ten tiaal van de iso lato r zich t.o.v. de anode slechts zoo in stel len, d a t de afgevoerde secundaire stro o m sterk te gelijk is aan de toegevoerde prim aire stro o m sterk te, d.w .z. op k a th o d e p o ten tia a l of iets m inder positie! dan de anode. D e p o te n tia al van de iso lato r kan dus, eventueel zeer plaatselijk, sprongsgew ijze van k a th o d ep o ten tiaal op bijna an o d ep o ten tiaal overgaan. D a a r bij sturing van de buis zoow el in ten siteit als richting van de deze oplading veroorzakende electronen periodiek kunnen v eran d eren , kan men dus m erk w aard ig e en zeer ongew enschte effecten v e r
w achten, zooals v eran d erin g van de inw endige w e e rstan d in H .F . b uizen en een u ite rst hinderlijke h o o rb are vervorm ing in eindbuizen. A ls m iddel hiertegen kan men de g lasw and m et een geleidende laag bedekken, zooals koolstof in de vorm van g ra fiet of m etaal, en deze aan een v aste p o ten tiaal leggen, w a a r bij bij grafiet nog h et voordeel van een r3 kleiner dan 1 bij alle in deze buizen voorkom ende spanningen verk reg en w o rd t. In h et algem een kan men zeggen, d a t in buizen geen vrij isolator- op p erv lak mag voorkom en, d a t in het zicht is van electronen.
jJ l uLtipUcatorbuizen.
In te re ss a n te r is de v ersterk in g van therm isch of foto-electrisch geëm itteerde stroom en m et behulp van secundaire em issie. Als eerste voorbeeld diene een radio-ontvangbuis, de E E i (zie fig. 1) m et één tra p v ersterk in g , w aarbij de eindsteilheid gelijk is aan ö m aal de prim aire steilheid. D e door de k ath o d e I geëm itteerde electronen w o rd en door een stu u rro o ste r 2 gestuurd, door een scherm rooster 3 (op ca. 1 50 V ) versneld en d a a rn a door de
FOTO-ELECTR. EN SECUNDAIRE EMISSIE IN VACUUMBUIZEN 87 zich op k a th o d e p o te n tia a l bevindende scherm en 4 en door het a n o d ero o ster 6 (op 250 V ) afgebogen en gericht op de secun
d aire k ath o d e 5 (op 150 V ). D e vrijgem aakte secundaire elec- tro n en w o rd en door h et a n o d ero o ster 6 afgezogen en kom en te n slo tte op de d aarm ed e verbonden anode 7 terech t. H e tv e
r-Fig. 1.
D w a rs d o o rs n e d e van de ontvangbuis E E 1.
1 kathode, 2 stuurrooster, 3 scherm rooster, 4 scherm plaat, 5 secundaire kathode, 6 anoderooster, 7 anode.
loop van de aeq u ip o ten tiaalv lak k en is in fig. 2 w eergegeven. D e steilheid van de buis is 14 m A /V bij een k ath o d estro o m van 2,7 mA en een anodestroom van 8 mA. V erm eld zij nog,
d a t deze m erk w aard ig e constructie is gekozen om te verhinderen, 0
Fig. 2.
V erloop van de aequipotentiaalvlakken in de E E 1.
d a t verontreinigingen, w elke door verdam ping u it de o x y dekathode kunnen o n tstaan , op de secundaire k ath o d e zouden kom en, w a a r door de d zou kunnen veran d eren . D it is bij deze opbouw niet mogelijk (2).
Buizen m et m eer dan één tra p v ersterk in g brengen groote m oeilijkheden m et zich m ede, d o o rd a t men om voldoende steil
88 M. C. TEVES
heid te bereiken m et een vrij groote k ath o d estro o m w il w erk en en deze stroom mede v e rs te rk t w o rd t. D it v o ert zoodoende to t te groote electro d en b elastin g in de buis, zo o d at van een zeer kleine k ath o d estro o m m oet w o rd en uitgegaan. H ierbij w o rd t ech ter de prim aire steilheid klein, zo o d at de w in st in eindsteil- heid slechts gering is.
G a a t men d aaren teg en van een fo to k ath o d e uit, dan b e s ta a t d it b e z w a a r niet. H ie r vinden wij dan ook h et to ep assin g sg e bied van vele tra p p e n secundaire-em issieversterking. A angezien de prim aire emissie van de fo to k ath o d e d irect evenredig is m et de opvallende lich tin ten siteit, is zonder belichting de prim aire stroom gelijk nul, w a a rd o o r de electro d en b elastin g laag blijft. D a a rv o o r tre d e n ech ter an d ere b ezw aren op. D e verdeeling in u ittreerich tin g en in snelheid van de echte secundaire elec- tro n en leid t reed s to t een van electro d e to t electro d e to e n e m ende bundelspreiding. D it, m et h et n iet te v erw aarlo o zen p e r centage gereflecteerde electronen, die d aaren b o v en door hun g ro o tere snelheid en de d aarm ed e g e p aard gaande g ro o tere d nog e x tra v e rs te rk t w orden, m aak t, d a t van de gew enschte fo- cusseering van de te n slo tte zeer inhom ogene electronenbundel n iet veel m eer overblijft, zo o d at een toenem end a a n ta l elec tro n en aan een b ep aald e secundaire k ath o d e voorbijvliegt en zich zoodoende aan de v ersterk in g o n ttre k t.
W ij kunnen bij deze buizen zuiver electro statisch e of gem engd m agnetisch-electrostatische iocusseering to ep assen . D e eenvou digste vorm is w el de „N etzv erv ielfach errö h re” van W e i s s (3), w aarb ij eenvoudig een a a n ta l als secundaire k ath o d en dienende gaasjes, w a a rv a n h et o p p erv lak een hooge ö heeft, a c h te r e lk a a r g e p la a tst zijn. D o o rd a t de aan de voorzijde van elk gaasje aan de d rad en vrijgem aakte secundaire electronen door h et gaasje heengezogen m oeten w o rd en en d o o rd a t slechts een deel van de electronen de gaasjes zullen treffen, is de stro o m v ersterk in g p e r tra p slechts ca. d . M en v e rv a lt zoodoende in een gro o t a a n ta l tra p p e n m et d a a rd o o r hooge to taalsp an n in g , indien men groote v ersterk in g w il bereiken.
Bij h et gebruik van m assieve secundaire k ath o d en v erv alt men in m eer of m inder gecom pliceerde focusseeringsm ethoden, w a a rv a n die van R a ij c h m a n n (d) w el de la a tste uitvoerings vorm is en w aarb ij zuiver electro statisch e focusseering g eb ru ik t w o rd t. H ierbij m oet de prim aire stroom ste rk gebundeld w orden, an d ers kom t men to t zeer groote afm etingen van de secundaire k ath o d en en dus van de buis, door de spreiding van de b u n
FOTO-ELECTR. EN SECUNDAIRE EMISSIE IN VACUUMBUIZEN 89 dels op hun loop door de buis, tenzij men van een zeer kleine lichtvlek op de fo to k ath o d e u itg aat. In v erb an d m et h et g ev aar voor o v erb elastin g van deze fo to k ath o d e w o rd t de buis dan
slechts voor zeer kleine lich tin ten siteiten b ru ik b aar.
W ij hebben een an d ere oplossing gezocht om to t m eer dan 3 tra p p e n te kom en bij zeer kleine buisafm etingen en toch een vrij groote lichtvlek op de fo to k ath o d e toe te kunnen laten (5). H ie rto e is h et noodig de prim aire foto-electronenstroom zeer fijn te bundelen. G eb ru ik w e rd g em aak t van een eigenschap van
--- o
----o
jao/t
Foto-electrische cel 3520 m et 3 tra p p e n versterking door secundaire emissie.
a) B anen d er foto-electronen tusschen een bolvormige foto k athode en een platte anode (de dunne lijnen zijn aequi- potentiaallijnen). D e fotokathode w o r d t op de anode v e r kleind aigebeeld. D e uit het gearceerde deel van de foto kathode vrij gem aakte electronen gaan door de opening van de anode en w o rd e n in het d a a ra c h te r geplaatste mul-
tiplicatorsysteem verm enigvuldigd. b) D oorsnede van het systeem.
een holle bolvorm ige fotokathode, w elke op één p la a ts door een plaatvorm ige anode is afgesloten, die dus geom etrisch een deel van de w an d van de bol vorm t. E lk elem ent van h et bol- v lak w o rd t dan nl. op een b ep aald e p la a ts op de anode afge- beeld en w el ca. IOX verkleind bij een bol van 4 cm d iam eter bij ioo V anodespanning. M a a k t men nu op één p la a ts in de anode een g aatje, dan zal h ierd o o r een bundel electronen be- ho orende bij een zeer b ep aald deel van de fo to k ath o d e vallen. W ij hebben dus te zorgen, d a t de belichting op d it deel v alt.
90 M. C. TEVES
Bij een bol van 4 cm d iam eter k an de lichtvlek I cm d o o r snede hebben; de bundeldoorsnede in h et g aatje is dan ca. I mm. W ij kunnen nu de bundel in een systeem van secundaire k a thoden laten v allen ; zeer gunstig is hiervoor h et reed s genoem de systeem van R a i j c h m a n n . M e t drie tra p p e n kom t men to t een stro o m v ersterk in g van ca. 200 X en to t een gevoeligheid van 4 m A/lm bij een to taalsp an n in g van 650 V over de cel (fo to cel ty p e 3520 van Philips, Fig. 3). Bij 6 tra p p e n b e re ik t men
Fig. 4.
M u ltiplicatorbuis m et m agnetische focusseering volgens Z w o ry k in .
Ci fotokathode, r2, c3, . . . secundaire kathoden, a i, a2 . . . hulpanoden, a,t eindanode,
H —> richting van het m agnetische d w arsv eld .
bij overeenkom stig hoogere to taalsp an n in g een v ersterk in g van ca. 50000 X en een celgevoeligheid van ca. r A /lm . H e t w o rd t hierbij ech ter al zeer moeilijk de electronen bij de la te re tra p p e n binnen de gew enschte banen te houden.
W il men toch nog v e rd er gaan op deze w eg, d an m oet men een rich ten d hom ogeen m agneetveld te hulp ro ep en en v e rv alt dan in de oudere uitvoering van Z w o r y k i n (6) (fig. 4). H e t m agneetveld is zoo gericht, d a t de electronen, ongeveer halve cirkels beschrijvend, de opeenvolgende secundaire k ath o d en tr e f - fe n. W ij hebben op deze wijze buizen to t en m et 11 tra p p e n gem aakt, w elke een stro o m v ersterk in g van ca. IO7 X h ad d en bij
FOTOELECTR. EN SECUNDAIRE EMISSIE IN VACUUMBUIZEN 91 3000 V to taalsp an n in g . D e toep assin g van deze buizen is b e p e rk t; h o o fd b ezw aar is w el de u ite rst critische instelling in h et m ag neetveld en de groote afm etingen van de opstelling m et bijbe- hoorende voeding.
D e voordeelen van v ersterk in g door secundaire emissie zijn zuivere stro o m v ersterk in g en d a a rd o o r freq u en tie-o n afh an k e- lijkheid; v e rd er w o rd t bij de fotom ultiplicatorbuis de v erh o u ding van de ruisch to t de prim aire electronenstroom door de v ersterk in g slechts w einig ongunstiger in tegenstelling m et de v ersterk in g door radiobuizen m et hun diverse koppelelem enten (7).
Televióie-óignaalbuizen.
V o o r televisie h eeft de ontw ikkeling to t een geheel nieuw ty p e buis geleid, de iconoscoop, w a a rv a n de grondgedachte reed s in 1908 door C a m p b e l l S w i n t o n (8) aangegeven is; de prac- tische uitvoering is la te r door Z w o r y k i n ( 9 ) verw ezenlijkt. M e t deze buis w o rd t een lichtbeeld opgelost in een a a n ta l b eeld punten, w elke in een electrisch signaal w o rd en om gezet. D e w erking b e ru st op de positieve oplading van een geïsoleerde fo to k ath o d e bij belichting, gevolgd door een plotselinge n e u tra lisatie van deze lading door een electro n en straal. D o o r h et v e r d e d e n van de fo to k ath o d e in zeer vele m icroscopisch kleine elem entjes (d iam eter ca. I ju) verkrijgen wij een geheel, d a t g a a t lijken op h et netvlies van ons oog.
D oor deze verzam eling van onderling geïsoleerde fo to k ath o d en aan te brengen op een dunne (50 ju) m icaplaat, w elke aan de an d ere zijde gem etalliseerd is, verkrijgen wij een g ro o t a a n ta l m icrocondensatortjes, sam en een m ozaïekkathode vorm ende. P ro jecteeren wij nu een lichtbeeld op d it m ozaïek, dan zullen de m icrocondensatortjes zi ch opladen. Is de opladingstijd k o rt genoeg in v erb an d m et de lichtgevoeligheid, de cap aciteit en de p laatselijk e lich tin ten siteit, dan zal de lading van elke ele m entaire k ath o d e ongeveer evenredig zijn m et de p laatselijk e lich tin ten siteit; h et lichtbeeld zal dus in een ladingsbeeld zijn om gezet.
L aten w e nu een scherp gefocusseerde electronenbundel, de a fta s ts tra a l, over de m ozaïekkathode loopen, dan zullen de p la a t selijke ladingen achtereenvolgens plotseling gecom penseerd w orden en de overeenkom stige stro o m sto o ten als signaal aan de ge m eenschappelijke condensatorzijde kunnen w orden afgenom en. H e t ladingsbeeld zal dus als functie van de tijd, synchroon n a a r
92 M. C. TEVES
tijd en p la a ts van de a fta s ts tra a l op h e t m ozaïek, als stroom - signaal verschijnen. L a te n wij de a fta s ts tra a l een ra s te r b e schrijven en stu ren wij m et h e t signaal n a v ersterk in g een m et de a fta s ts tra a l synchroon verloopende e le c tro n e n stra a l in een k ath o d e straa lb u is, dan zal op h et fluorescentiescherm van deze buis h et ladingsbeeld van h et m ozaïek, dus h et oorspronkelijke lichtbeeld w eer verschijnen.
D e constructie en schakeling van de buis zijn in fig. 5 w e e r gegeven. M ag n etisch e deflectie zorgt, d a t de a fta s ts tra a l een
regelm atig ra s te r van 405, 441 of ook m eer lijnen binnen 1/25
Fig. 5.
Iconoócoop
K electronenkanon, d a t de a fta stb u n d el levert,
»S spoelenstel voor m agnetische deflectie,
M mozaïek,
E signaalelectrode.
sec, de beeldtijd, op h et m ozaïek schrijft. H e t spanningsverschil tusschen de k ath o d e van h et electronenkanon, d a t de bron van de s tra a l is, en de anode is ca. 800 V , de tegenelectrode van h et m ozaïek b ev in d t zich op ongeveer an o d ep o ten tiaal, h e t m o zaïek zelve k ie st zijn spanning ten opzichte van de anode te n gevolge van de secundaire emissie op ca. 1,5 V negatief.
D e w erking van de buis b e ru st dus op h et verzam elen van lading gedurende een b ep aald e tijd, gevolgd door een zeer snelle ontlading. G edurende de geheele periode, w elke de a fta s ts tra a l noodig h eeft om h e t geheele m ozaïek af te ta ste n , de beeldperiode, k an deze oplading p la a ts vinden. D e beeldperiode w o rd t in v e r
b an d m et de gevoeligheid van h et oog voor lichtflikkeringen bij de w eerg av e 1/25 sec gekozen. V erg elek en m et de» klassieke m ethode m et de schijf van N i p k o w , w aarb ij een b eeld p u n t
FOTO-ELECTR. EN SECUNDAIRE EMISSIE IN VACUUMBUIZEN 93 slechts gedurende de a fta s td u u r een fotostroom p ro d u ceert, zou dus de iconoscoop een signaal m oeten leveren, d a t ongeveer een facto r gelijk aan h e t a a n ta l beeldpunten g ro o ter is. A angezien ech ter de foto-em issie van h e t m ozaïek v erre van verzadigd is — de gem iddelde p o te n tia a l van h et m ozaïek t.o.v. de anode, b ep aald door de secundaire em issie, w elke de a fta s ts tra a l v e r o o rzaak t, is slechts 1,5 V n eg atief — w o rd t reed s een fa c to r 5 verloren. V e rd e r com penseeren de vrijgem aakte secundaire elektronen, voor w elk er afv o er ook geen verzadigingsspanning aanw ezig is, een deel van de foto-electrische oplading en vorm en
6 4 9 2 10
1 doorzichtig mozaïek,
2 metalen w andbekleeding, w elke als anode dient, 3, 4 metalen afsluitplaten op anodepotentiaal,
5, 6 deflectieplaten voor de lijndeflectie,
7 electronenkanon m et k athode op aard p o tentiaal, 8 , 9 deflectiespoelen voor de m agnetische beelddeflectie,
10 lange focusseeringsspoel, w elke de geheele buis omvat.
een ruim telading vóór h et m ozaïek. H ie r tre e d t w eer een ver- liesfacto r 4 op. B ovendien tre e d t een e x tra sto o rsig n aal op, de z.g. „black sp o t ’, gevorm d door de zoo ju ist genoem de ru im te lading. H e t w erkelijke rendem ent van de iconoscoop w a a rv a n h et m ozaïek slechts ca. 5 f*A/lm geeft, is dus slechts een fa c to r IOOO g ro o ter dan d a t van de klassieke m ethode m et de schijf van N i p k o w en een goede fotocel m et 5°/^ A lm.
E en nieuw e uitvoeringsvorm van de iconoscoop door Z w o - r y k i n , de orthicon (10), verm ijdt de verliezen en h e t sto o rsig n aal v e ro o rza a k t door de secundaire em issie van h et m ozaïek (fig. 6). D e a ftastb u n d el, to t ca. IOO V versneld, d o o rlo o p t een d etectiesy steem , d a t gem engd electrostatisch-m agnetisch is, en w o rd t dan w eer to t O V gerem d, v o o rd a t hij h et m ozaïek tre ft. E en hom ogeen longitudinaal m agneetveld van ca. IOO gauss om
94 M. C. TEVES
de geheele buis zorgt, d a t de a fta s ts tra a l toch fijn gebundeld blijft. H e t m ozaïek, nu om constructieve redenen doorzichtig ge m aak t .—- de tegenelectrode a a n de a c h te rk a n t b e s ta a t u it een opgedam pt geleidend m etaallaagje, d a t doorzichtig is en w a a r doorheen belicht w o rd t m et h elaas een 3O°/0 verlies — bev in d t zich op O vo lt en w o rd t door de belichting p laatselijk opgeladen. D e opgeladen p la a tsen o n ttrek k en aan de a fta stb u n d e l ju ist zooveel electronen als noodig is om hun lading te com penseeren, de re s t van de bundel k e e rt volgens dezelfde w eg door de buis terug, w a a rla n g s zij gekom en is, gedw ongen door h et m agneetveld. S ecundaire emissie tre e d t dus n iet op. O o k is de foto-electrische em issie p ractisch verzadigd, d a a r de anodespanning nu ca. IOO V b e d ra a g t. B ovendien zorgt h et m agneetveld, d a t geen electronen n a a r het m ozaïek teru g kunnen keeren. D e gevoeligheid van de orthicon is ca. IOX g ro o ter d an die van de iconoscoop. Bij te sterk e belichting, als de oplading van h e t m ozaïek n iet m eer door de a ftaststro o m gecom penseerd k an w o rd en , la a d t h et m o zaïek zich to t an o d ep o ten tiaal, ca. IOO V , op. D e a fta stb u n d e l kom t dan m et deze snelheid op h e t m ozaïek aan, m a a k t w e e r secundaire electronen vrij en de buis w e rk t v e rd er als iconoscoop bij overeenkom stig v erlaag d e gevoeligheid.
Eindhoven
,
Natuurkundig Laboratorium der N .V . Philip/ Gloeilampenfabrieken.FOTOELECTR. EN SECUNDAIRE EMISSIE IN VACUUMBUIZEN 95
L IT E R A T U U R
1) J. L. H . J o n k e r , Phil, techn. tijds. 3, 215, 1938.
H . B r u i n i n g , D ie S ek u n d är-E lek tro n en -E m issio n fester K ö rp er, B erlijn 1942.
2) J. L. H . J o n k e r e n A. J. W . M. v a n O v e r b e e k , W ir. Eng. 15, 150, 1938.
J. L. H . J o n k e r en M., C. T e v e s , Phil, techn. tijds. 3, 137, 1938.
3) G. W e i s s , Z s. techn. P hys. 17, 623, 1936.
4) V . K. Z w o r y k i n en J. R a i j c h m a n n , Proc. In st. R adio Eng. 27, 558, 1939.
5) M . C. T e v e s , Phil, techn. tijds. 5, 265, 1940.
6) V . K. Z w o r y k i n , G. A. M o r t o n en L. iM. a l t e r , Proc. In st. R adio Eng. 24, 351, 1936.
7) W . S h o c k l e y en J. R. P i e r c e , P roc. In st. R adio Eng. 26, 321, 1938.
8) C a m p b e l l S w i n t o n, N a tu re 78, 51, 1908 ; 118, 590, 1926, Journ. R öntgen Soc. 7, 1912.
9) V . K. Z w o r y k i n , G. A. M o r t o n en L. E. F l o r y , R .C .A . Rev. 1, 60, 1936, Proc. Inst. R adio Eng. 25, 1071, 1937.
10) A. R o s e en H. l a m s , Proc. In st. R adio Eng. 27, 547, 1939, R .C .A . Rev. 4, 186, 1939.
96 M. C. TEVES
D IS C U S S IE
D r W a s s i n k, U trecht. Zijn fotocellen, die 1 O 4 A/lm geven, in de h a n