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Kondensator zur Umsetzung von Strahlungsenergie in elektrische Energie
Alle gebräuchlichen Fernsehapparaturen beruhen auf dem Prinzip, das Bild in Bildelemente
aufzulösen und deren Helligkeit in elektrische Energie umzuwandeln, wobei Ort und
Helligkeit des Bildelementes durch irgendeinen konstanten Abtastvorgang festgelegt
werden können. Um beim Abtastvorgang weitgehende Trägheitslosigkeit zu erhalten,
werden in neuerer Zeit fast nur Elektronenstrahlen verwendet.
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Dies ist z. B. der Fall bei den Verfahren von A. S a b b a h und K.
Z w o r y k i n , weiter bei. den Verfahren von T i h a n y i und Zworykin/W.estinghouse.
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Sämtliche bekannten Verfahren beruhen darauf, daß von einer lichtempfindlichen
Schicht Elektronen ausgesandt werden sowohl beim Auftreffen eines Licht- als auch
eines Kathodenstrahles. Hierbei tritt eine Sekundäremission von Elektronen auf,
die entweder durch ihr direktes Auffangen oder durch ihr Fehlten am Ursprungsort
eine Verstärkungs-oder Sendeapparatur modulieren. Bei diesen Verfahren handelt es
sich um eine Amplitudenmodulation am Gitter einer Verstärkungs- oder Senderöhre
im Takte der im Bild enthaltenen Helligkeitswerte.
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Alle bekannten Verfahren sind mit Mängeln behaftet, die teils durch
Trägheit der verwendeten lichtelektrischen Elemente, teils durch die Anwendung der
Sekundärelektronenemission bedingt sind, deren restlose Beherrschung noch nicht-
gelungen ist. Außerdem wird neuerdings ein immer feineres Raster des zu übertragenden
Bildes verlangt, das sich ebenfalls nicht durch mechanisches Auftragen in dem wünschenswerten
Grade erreichen läßt.
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Es ist auch schon bekannt, die an dem Zu S Cu a-Phosphor beobachtete
Eigenschaft, bei Bestrahlung mit sichtbarem Licht seine Dielektrizitätskonstante
zu erhöhen, in der Weise zur Bildübertragung zu verwenden, daß man die bei der Bestrahlung
auftretende Kapazitätsänderung in bekannter Weise in Stromschwankungen umsetzt.
Die praktische Durchführung dieses Gedankens scheitert jedoch daran, daß der Zn
S Cu a-Phosphor bei gewöhnlicher Temperatur mit einer zu großen Trägheit behaftet
war. Auch der bereits gewählte Ausweg, den Phosphor auf eine Temperatur zu erhitzen,
bei der er eine geniigend hohe Reaktionsgeschwindigkeit besitzt, ist wegen der bei
hohen Temperaturen zu stark herabgesetzten Empfindlichkeit des Phosphors nicht anwendbar.
Da alle Versuche, andere Stoffe mit der in Rede stehenden Eigenschaft aufzufinden,
erfolglos geblieben waren, mußte also die Anwendung von Kondensatoren mit durch
Bestrahlung
veränderlicher Kapazität aussichtslos erscheinen.
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Es wurde nun gefunden, d,aß sich die Trägheit, d. h. die Dauer der
An- und Abklinperiode des Effektes, bei Zn S Cu x-Phosphoi@ so weit herabsetzen
läßt, daß sie pralc@s@ vernachlässigt werden kann, wenn man 'fei:' der Herstellung
des Leuchtstoffes Schmelzzusätze anwendet, die keine Erhöhung der Leitfähigkeit
in den einzelnen Leuchtzentren hervorrufen. Zu diesem Zweck haben sich solche Zusätze
als geeignet erwiesen, die mit dem Zinksulfid möglichst isomorph sind und demgemäß
keine Bahnen erhöhter Leitfähigkeit oder Lockerstellen für die Elektronen bilden.
Insbesondere hat sich der Ersatz der bisher üblichen Alkalichloride durch Mägnesiumfluorid
bewährt.
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Als Leuchtsubstanz wird vorzugsweise ein Zinksulfidkupferl.euchtstoff
verwendet. Bei diesen Stoffen geht das zeitliche Anklingen der Dielektrizitätskonstantenänderung
bei allen Temperaturen mit dem Erscheinen der Phosphoreszenz parallel. Für die Phosphoreszenz
selbst gilt, daß einem raschen Anklingen ein rasches Abklingen entspricht. Im oberen
Momentzustand entzieht sich die Anklingungszeit der Messung. Unter oberem Momentzustand
ist derjenige Zustand des Leuchtstoffes zu verstehen, in dem Fluoreszenz an Stelle
der Phosphoreszenz tritt, so daß .das Aufleuchten bei der Bestrahlung und das Abklingen
des Leuchtens nach der Bestrahlung momentan, d. h. praktisch trägheitslos erfolgt.
Ebenso -erfolgt auch der zeitliche Anstieg der - aktinodielektrischen Wirkung im
oberen Momentänzustand praktisch trägheitslos. Die Anklin:güngszeit verkürzt sich
um so mehr, je höher die Temperatur ist. Im Bereich des oberen Momentanzustandes
des Leuchtstoffes ist es nicht mehr möglich, das An- und Abklingen zeitlich zu verfolgen.
Die Änderung der Dielektrizitätskonstante setzt ebenso plötzlich ein wie die Phosphoreszenz
(Fluoreszenz). Die Zeitdauer liegt unter 1o-5 Sekunden. Durch geeignete Wahl der
Phosphoreszenz- (Fluoreszenz-) Substanz und auch der Temperatur im oberen Momentanzustand
läßt sich dieser Einsatzpunkt bedeutend herabsetzen.. Dabei Zinksulfidkupferleucht5toff
der obere Momentanzustand schon bei. i2o° C eintritt,. so ist seine Einhaltung mit.
keinen Schwierigkeiten verbunden. Es ist aber auch- möglich, die Temperaturerhöhung
dadurch zu umgehen, daß man Leuchtstoffe verwendet, die überhaupt keine Phosphoreszenz;
-sondern nur Fluoreszenz zeigen. In, diesem Falle erfolg;. das An- und Abklingen
der Änderung der Dielektrizitätskonstante überhaupt praktisch trägheitslos. In der
folgenden Tabelle sind die Änderungen der Dielektrizitätskonstante unter verschiedenen
Bedingungen gegenübergestellt:
| Zn S-Cu ZttS-Ctf |
| Leuchtstoff mit Leuchtstoff mit |
| langer langer Nach- kurzer lcüchtdauer Nach- |
| Art der Ände- groß, klein, |
| rüng der Di- sie wächst von sie wächst von |
| ' elektrizitäts- 8,07 zu 13,07 8,07 zu 9,oo |
| konstante bei |
| Belichtung |
| Zeitlicher Ein- zo-s Sek. kleiner als |
| setz bei Zim- 1o-5 Sek. |
| mertempera- praktisch |
| tur trägheitslos |
| Zeitlicher Ein- kleiner als |
| satz im oberen zo- s Sek. |
| Momentan- |
| zustand |
| (120, C) |
Den Grund für die Änderung der Dielektrizitätskonstante kann man sich etwa wie folgt
vorstellen: Jedes Kupferatom mit einer gewissen Umgebung von Zinksulfidmolekülen
bildet ein Zentrum, innerhalb dessen sich Elektronen, die bei Belichtung frei werden,
verschieben können. Dadurch erhalten die etwa kugelförmig zu denkenden Zentren eine
gewisse Leitfähigkeit, während die ganze übrige Masse des Leuchtstoffes, im Beispiel
das überschüssige Zinksulfid, auch im Licht ein Isolator mit der ursprünglichen
Dielektrizitätskonstante bleibt. Für ein solches Zentrum finit eingebetteten leitenden
Kugeln können die Vorgänge: quantitativ errechnet werden. Es hat sieh gezeigt, daß
jede Bestrahlung, die eine Leitfähigkeitsänderung in den Zentren hervorruft, auch
eine Änderung der Dielektrizitätskonstante verursacht.
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Die erfindungsgemäße Herstellung des Zinksulfidkupferleuchtstoffes
erfolgt durch Zusammensintern eines Gemisches von beispielsweise i g Zinlizsulfid,
o,1 g Magnesiumfluorid und o,ooooi g Kupfer (als Nitrat oder Sulfat). Diese Gemische
werden nach dem Sintern in bekannter Weise gepulvert und mit einem Bindemittel angeteigt.
Diese Leuchtstoffmasse wird zwischen zwei Schichten aus leitendem Metall untergebracht,
die so .dünn sind, daß sie das sichtbare Licht nur in ganz geringem Maße schwächen.
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Es hat sich ;gezeigt, daß man die Herstellung der Leüchtstoffschicht
noch vervollkommnen kann. Man bringt zu diesem
Zweck den oben angegebenen
Schmelzsatz in einen Hochdruckofen, der mit einem indifferenten Gas gefüllt ist.
Die Leuchtstoffb:estandteile werden darin zu einer klaren Platte geschmolzen und
diese dann auf beiden.' Seiten blank poliert. Auf die eine Seite dieser Platte wird
sodann eine Schicht aus leitendem Metall in atomarer Stärke aufgetragen, durch die
hindurch sichtbares Licht auf die Leuchtstoffplatte gelangen kann. Zweckmäßigerweise
erfolgt das Aufbringen dieser Metallschicht durch Aufdampfen im Vakuum. Als Metall
kann beispielsweise Silber oder Platin verwendet werden. Der besondere Vorteil,
den die Herstellung einer Leuchtstoffplatte durch Schmelzen bietet, besteht darin,
daß der Wert des Dielektrikums an allen Stellen gleich ist, wogegen bei einer Leuchtstoffschicht,
die aus Pulver mit Bindemittel besteht, Ungleichheiten des Wertes vorkommen können,
die durch eingeschlossene Lufträume, ungleiche Verteilung des Bindemittels u. dgl.
bedingt sind.
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Auf die Rückseite der Platte wird eine Metallelektrode aus Aluminiumblech
o. dgl. gelegt. Auch hier kann zuerst eine ganz dünne Metallhaut aufgedampft sein.
Die Dicke der Metallelektrode wird so gewählt, daß sie beim Auftreffen von Kathodenstrahlen
Elektronen in ausreichendem Maße hindurchläßt, beispielsweise in einer - Dicke von
o,ooz mm. Sie richtet sich nach der Geschwindigkeit der Elektronen.
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Zum Zweck der Bildübertragung wird der Kondensator derart in einen
Sendekreis geschaltet, daß er dessen Frequenz oder Amplitude beeinflußt. Das zu
übertragende Bild kann mittels eines bekannten Bildzerlegers nach und nach auf einen
Belag des Kondensators aufprojiziert werden. Jedes aufprojizierte Bildelement bewirkt
dann eine seinem Helligkeitswert entsprechende Erhöhung der Dielektrizitätskonstante
des von ihm getroffenen Flächenelementes des Kondensators, also eine Kapazitätsänderung,
die sich je nach der Schaltung des Kondensators als Änderung der Amplitude oder
Frequenz der Sendeapparatur auswirkt und als solche übertragen werden kann.
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Eine zweite Möglichkeit der Bildübertragung liegt darin, daß das Bild
im ganzen auf einen Belag des Kondensators projiziert wird, wodurch dessen Käpazität
auf einen dem über die Fläche des Kondensators integrierten Helligkeitswert entsprechenden
Betrag erhöht wird. Dieses Bild wird dann durch einen Strahl abgetastet, dessen
Intensität so bemessen ist, daß sie ausreicht, um in jedem getroffenen Flächenelement
die höchstmögliche Änderung der Dielektrizitätskonstante hervorzubringen. Das zu
übertragende Bild wird in der Gesamtheit .seiner Helligkeitswerte durch die lichtdurchlässige
Metallschicht auf die Leuchtstofffiäche geworfen:, wodurch eine den j ewfiligeri'.
Helligkeitswerten entsprechende Änderung ''der Dielektrizi:tätskonstanten des Leuchtstoffes
bewirkt wird. Da nun dieser Leuchtstoff als Dielektrikum in einem Kondensator einem
frequenzbestimmenden Glied eines Senders zugeordnet ist, ändert sich die Frequenz
dieses Senders bei Auftreffen des Bildes entsprechend dessen Gesamthelligkeit. Diese
Änderung nimmt einen über die gesamte Helligkeit des Bildes integrierten. Wert ein.
Zum übertragen des Bildes wird nun die Leuchtstofffläche durch einen. Licht- oder
Elektronenstrahl abgetastet, dessen Intensität so bemessen ist, daß sie ausreicht,
in dem jeweils getroffenen Flächenelement die höchstmögliche Änderung der Dielektrizitätskonstanten
hervorzubringen. Da nun die Dielektrizitätskonstanten der Flächenelemente bereits
durch das Projizieren des Sendebildes eine der Helligkeit der Bildelemente entsprechende
Änderung erfahren haben, ist die Änderung durch den abtastenden Strahl gleich der
Differenz zwischen der maximalen Änderung und der durch die Helligkeit des von diesem
getroffenen Bildelementes bereits bewirkten Änderung. Die durch das Abtasten hervorgebrachte
Frequ Lenzmodulation des ; Senders ist also um so größer, j e schwächer das jeweils
abgetastete Bildelement belichtet ist und umgekehrt, so daß gewissermaßen ein umgekehrtes
(negatives) Bild übertragen wird.
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Wie schon oben geschildert, läßt sich durch Verwendung dieser Leuchtstoffe
ein weitgehender technischer Fortschritt in bezug auf die Trägheitslosigkeit der
übertragung erreichen, da die Frequenzänderung praktisch beliebig schnell einer
Helligkeitsänderung folgen kann. Von besonderer Wichtigkeit ist es aber, daß durch
die außerordentlich feine Verteilung der Leuchtstoffzentren eine Feinheit des Rasters
erreicht wird, wie sie kein mechanisches Verfahren erreichen. kann. Die Verteilung
dieser Einzelzentren ist so fein, daß man mindestens von einem molekularen Raster
sprechen kann.
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Das Verfahren kann nach der Erfindung bei allen gebräuchlichen Bildzerlegungseinrichtungen
benutzt werden, gleichgültig ob das Bild durch eine Nipkow-Scheibe, ein Linsensystem-
oder Spiegelrad zerlegt wird. Ganz besonders ist auch die Abtastung eines voll aufprojizierten
Bildes durch einen Kathodenstrahl gegeben, da die angeführten Substanzen ihre Dielektrizitätskonstanten
auch bei Auftreffen dieser Strahlen ändern. Sehr wertvoll ist weiterhin, daß es
auch gelingt,
ein aufpröjiziertes Röntgenbild direkt weiterzuübertragen,
so daß auf der Empfangsseite ein wesentlich helleres :Bild infolge
erleichtert, bewegte Röntgenbildr:riu sehen oder filmisch festzuhalten, was ein
wesentlicher Fortschritt gegenüber früheren Verfahren auf diesem Gebiete ist.