Im vorherigen Basics Artikel „Wie funktioniert ein Nachtsichtgerät“ haben wir euch die grundlegende Funktion und dahinterliegende Technologie erklärt. Wie wir geschrieben haben, ist das die Funktionsweise eines Generation 1 Nachtsichtgeräts. Heute erklären wir euch die Funktion von Generation 2 und 3.

Schemaskizze einer Generation 1 Bildverstärkerröhre

Um die Prizipielle Funktionsweise nocheinmal kurz zu wiederholen: Bei einem Nachtsichtgerät werden die Photonen des einfallenden (Rest-)Lichts durch eine Photokathode in Elektronen umgewaldet. Am anderen Ende werden diese erzeugten Elektronen beim Auftreffen auf einen Phosphorschirm wieder in für das Auge sichtbare Photonen umgewandelt, nur eben jetzt in Grün.

Generation 2 Röhren

Schemaskizze einer Generation 2 Bildverstärkerröhre

Die erzeugten Bilder bei Gen 1 Röhren sind aber recht schnell dunkel ohne zusätzliche Infrarotstrahler, deshalb wurde weiter geforscht und Ende der 60ziger Jahre war die Gen2 Röhre entwickelt. Der Clou, hier wurden die erzeugten Elektronen mittels einer Mikrokanalplatte (MCP) vervielfacht. Die Elektornendichte hinter der MCP ist wesentlich höher als davor. Dadurch ist das erzeugte Bild viel heller. Nachtsicht kommt einem immer wie Magie vor, selbst wenn man sich die Funktionsweise der einzelnen Bauteile ansieht:

Funktionsschema der MCP

Eine Mikrokanalplatte dient zur rauscharmen Verstärkung geringer Ströme von freien Elektronen, diese schlagen auf die Platte auf und erzeugen dort Sekundärelektronen. Die Platte selbst besteht aus Bleiglas, welches von mikroskopisch kleinen Kanälen (Lochabstand von ca. 10 µm und einen Durchmesser von ca. 6–25 µm) durchsiebt ist. Die Innenwände der Kanäle bestehen aus einem Halbleiter-Material.

Die Kanäle sind um ca. 10° gegen die Plattenachse verkippt, so dass die einfallenden Elektronen mit Sicherheit mehrmals die Kanalwand treffen. Sie werden dann von einer zwischen den Platten längs der Kanäle anliegenden elektrischen Spannung beschleunigt und vervielfachen sich bei jedem Wandstoß, jeder einzelne Kanal verhält sich somit wie ein mikroskopischer Kanalelektronenvervielfacher, oder der stufenweise Sekundärelektronenvervielfacher in Photomultipliern. An der Austrittsseite hat sich die Zahl der Elektronen durch Vielfachstöße mit der Kanalwand um das ca. 1000-fache erhöht.

Spätestens jetzt sollte klar sein warum Nachtsichtöhren so viel kosten, die Herstellung von solch feinen und präzisen Bauteilen ist einfach aufwendig und schwierig. Die Röhren der Generation 3 funktionieren nach dem selben Prinzip wie die Gen2 aber was ist anders? Kurze Antwort: die Photokathode.

Generation 3 Röhren

Querschnitt einer Gen3 Röhre

Zum einen werden für die Photokathode Galliumarsenid (GaAs)-Caesiumoxid (CsO)-Aluminiumgalliumarsenid (AlGaAs) als Werkstoffe verwendet. Diese Photokathode ist im Spektralbereich um 800 nm-900 nm wesentlich empfindlicher als bei Gen2 Röhren. Auch besitzt die Photokathode eine negative Elektronenaffinität, dies macht die Photokathode sehr effizient bei der Erzeugung von Photoelektronen aus Photonen.

Der Nachteil von Photokathoden der dritten Generation ist jedoch, dass sie durch eine Vergiftung mit positiven Ionen, die von der MCP erzeugt werden, ernsthaft geschädigt werden. Es dauert nur 100 Stunden, bevor die Empfindlichkeit der Photokathode unter das Gen2-Niveau fällt. Um die Photokathode vor positiven Ionen und Gasen zu schützen, wird ein dünner Film aus gesintertem Aluminiumoxid an der MCP befestigt. Das nennt sich dann „filmed tube“. Diese Technologie wurde Ender der 1970er entwickelt und ab 1982 im US Militär eingeführt.

Generation 4 Röhren

Eine kurze Zeit lang gab es wirklich Generation 4 Röhren. 1998 entwickelte die US-Firma Litton (jetzt als L3 Electron Devices ein Teil von L3Harris Technologies) die filmlose Bildröhre, also ohne die Schutzschicht an der MCP. Diese Röhren wurden ursprünglich für den Auftrag Omni V hergestellt und stießen beim US-Militär auf großes Interesse. Die Röhren waren aber sehr fragil, und 2002 wurde die Bezeichnung „Generation 4“ für filmlose Röhren widerrufen.

Seit diesem Zeitpunkt werden sie einfach als „Gen III Filmless“ bezeichnet. Um die Probleme der Ionenvergiftung zu überwinden, verbesserte Litton bei der Herstellung der MCP (die primäre Quelle positiver Ionen) die Reinigungstechniken und führten die Autogate-Funktion ein. Dabei entdeckten sie, dass bei einer ausreichenden Autogate-Funktion positive Ionen von der Photokathode ausgestoßen werden, bevor sie eine Photokathodenschädigung verursachen können. Diese Röhren werden nach wie vor für Spezialeinheiten und die Luftfahrt hergestellt.

Aktuelle Röhren

Seit 2002 hat sich aber einiges getan bei der Herstellung der Bildverstärkerröhren. Der derzeitige Standard für die meisten Bildverstärker, die vom US-Militär verwendet werden ist die Gen 3 „Thin Film-Technologie“. Auch als Generation 3 Omni VII und Generation 3+ bekannt, wurde die Thin Film-Technologie nach den Problemen, die bei der Generation 4 aufgetreten sind, zum Standard für die aktuelle Bildverstärkertechnologie. Bei Thin Film-Bildverstärkern wird die Schichtdicke von etwa 30 Angström (Standard) auf etwa 10 Angström reduziert und die Photokathodenspannung abgesenkt. Dadurch werden weniger Elektronen gestoppt als bei Röhren der  Generation 3, wobei die Vorteile einer Filmröhre erhalten bleiben.

In Europa war man auch nicht untätig, wobei hier die Arbeitsweise der Genration 2 Röhren verbessert wurde. Im Jahr 2014 veröffentlichte der europäische Bildröhrenhersteller PHOTONIS die erste globale, offene Leistungsspezifikation „4G“. Die Spezifikation enthielt vier Hauptanforderungen, die eine Bildverstärkerröhre erfüllen musste:

  • Spektrale Empfindlichkeit von unter 400 nm bis über 1000 nm
  • Eine Mindestzahl von FOM 1800
  • Hohe Lichtauflösung höher als 57 lp/mm
  • Halo-Größe von weniger als 0,7 mm

Damit steht diese Art der Generation 2 Röhren einer Generation 3 Filmless kaum mehr etwas nach.

Wir haben für Euch die neue SPARTANAT Kategorie BASICS eingeführt. Mit dieser stellen wir Euch die Grundlagen vor, von denen ihr immer schon wissen wolltet, wie sie funktionieren. 

MEHR AN/PVS-31 auf SPARTANAT: 

Hot Summer Special – unterwegs mit modernen Nachtsichtgeräten

Tactical Tipp: Gewöhnung ans Nachtsichtgerät

HOW TO: Verlier dein Battery Pack nicht

HOW TO: Kämpfen mit Nachtsicht

REVIEW: L3 PVS-31 Battery Pack

REVIEW: L3 Harris AN/PVS-31 BNVD Nachtsichtgerät

WILCOX-Montagen: die Qual der Wahl

Special: 

BASICS: Wie funktioniert ein Nachtsichtgerät

REVIEW: FMA AN/PVS-31 Dummy

PHOTO FILE: PVS-31 Real Deal versus Dummy