DE3217405A1 - Elektronenvervielfachungsstruktur, verfahren zum herstellen einer derartigen struktur und ihre anwendung in einer fotoelektrischen roehre - Google Patents
Elektronenvervielfachungsstruktur, verfahren zum herstellen einer derartigen struktur und ihre anwendung in einer fotoelektrischen roehreInfo
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- DE3217405A1 DE3217405A1 DE19823217405 DE3217405A DE3217405A1 DE 3217405 A1 DE3217405 A1 DE 3217405A1 DE 19823217405 DE19823217405 DE 19823217405 DE 3217405 A DE3217405 A DE 3217405A DE 3217405 A1 DE3217405 A1 DE 3217405A1
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Description
:.· 3 2 1 7 A O 5
PItF 81 550 /M, 14.A-. 1982
Elektronenvervielfachungsstruktur, Verfahren zum Herstellen
edner derartigen Struktur und ihre Anwendung in einer
fotoelek.trischen Röhre
Die Erfindung bezieht sich auf eine ElektronenvfTvielfachungsstruktur,
mit zumindest einer Mikrokanalplatte mit Sekundärelektronenemission, welche Platte mit
einer Eingangsfläche und einer Ausgangsfläche versehen ist.
D:i θ Erfindung bezieht sich weiter auf die Herstellung einer
derartigen Struktur und auf ihre Anwendung in einer fotoelektrischen
Röhre.
Bekanntlich beschränkt sich die Verstärkung einer Mikrokanalplatte mit Sekundärelektronenemission, nachstehend.
^ kurz mit M.K.P. bezeichnet, auf die Sättigung durch das
Aufladen der Wände eines jeden Kanals während der Vervielfachung.
Die Höchstverstärkung G entspricht der Maximalladung, dd e am Ausgang eines Kanals durch die Vervielfachung
eines Elektrons am Eingang dieses Kanals erhalten wird. Dd ese HöclLstverstärkung G wird nur dann erhalten, wenn
.max
das Verhältnis zwischen der Länge und dem Durchmesser der
Kanäle gross genug ist. Der Wert von G steigt mit dem
max
Di rchmesser der Kanäle an (z.B. für d = 12,5 /um stellt
si ch die ltöchstverstärkung G auf eine Grössenordnung
on r max
von 10"3 und für d = 4θ /um stellt sich G auf die Grössen-
s / max
οιdnung von 10 ein.) In Bildwiedergabeanordnungen, in
denen derartige Kanalplatten benutzt werden, geht der Anstieg der Verstärkung durch die Vergrösserung des Kanaldnrchmessers
auf Kosten der räumlichen Auflösung.Ausserdem
ti eten bed der Verwendung derart hoher Verstärkungen grosse
k Pa obleine ; uf, die zu lösen sind. Verstärkungen über 10
ktnnen bed geraden Kanälen benutzt werden, da bei diesen
Vtrstäi"-kuiigen die sich in den Kanälen bildenden Ionen durch
eine Reaktion mit dem Eingang der Kanäle eine Quelle von
Si reu-Krsc heinungen darstellen, wie Geräuschinipulsen, oder
sogar in bestimmten Fällen ein ununterbrochenes Rauschen, ii' allgemeinen mit MElr,enerregend" bezeichnet. Die Anordmngeinei
emittierenden Oberfläche (z.B. einer Fotokathode)
PHF 81 >5<>
nahe be Lm Eingang einer M.K.P. fördert stark deis Auftreten
dieser Erscheinungen. Deshalb beschränkt man freiwillig -lie
Verstärkung der Röhren dieses Typs (z.B. BiLdverstärkerröhren) auf ziemlich niedrigere Werte (G41'J ). Eine Lösung,
durch die eine einzige M.K.P. bei hohen Verstärkungen (y 10 ;
arbeiten kann, ohne dass von Durchschlag infolge von Ionenreaktion die Rede ist, besteht darin, dass die Kanäle gekrümmt
ausgebildet werden. Bei geraden Kanälen ist es zum Erhalten hoher Verstärkungen (
>10 ) praktisch notwendig, über zwei oder sogar drei Mikrokanalplatten zu verfügen,
die kaskaden^eschaltet sind und einen oder ^wei Chevronstreifen
bilden. Hierdurch gehen jedoch manche ihrer Eigenschaften im Vergleich zu denen einer einzigen M.K.P. zurück,
die bei ihrer Höchstverstärkung arbeitet. Es bezieht sich dabei insbesondere auf die momentan erhaltenen Eigenscharten
(Vergrösserung der Impulswiedergabe, die mit der Kanallänge zusammenhängt), die statistische Schwankung der Verstärkung,
die räumliche Auflösung (das Entstehen des elektronischen Lawineneffekts zwischen dem Eingang und dem Ausgang) sowie
auf den Geräuschpegel, der im allgemeinen als Funktion der Anzahl von Mikrokanalplatten ansteigt, ob dieses System bei
ihrer HOchstverStärkung arbeitet oder nicht.
Weiter sei bemerkt, dass die Höchstverstärkung
G , die mit einem Vervielfacher mit mehreren Mikrokanalmax
platten erhalten wird, sich kaum durch den Zusatz einer
weiteren Mikrok analplatt β vergrössert. Ee zeigt sicii in
diesem Fall, dass neben allen erwähnten £lgens<haf ton au<-.h
diejenigen Eigenschaften ι die sich auf die verwirklichbare
Strominipulszählung beziehen, d.h. auf den Pegel N dieser Signale bei der gegebenen Frequenz F oder auch der Frequenz
F dieser Signale für einen gegebenen Pegel N, weiter zurückgeht. Ein Nachteil., wenn nur eine Mikrokanalplatte
oder eine Kombination von Mikrokanalplatten bei hoher Verstärkung arbeitet, betrifft insbesondere die auftretende
3^ Herabsetzung der lineazen Verstärkungsdynamik. Der mittlere
Höchstous^anfis strom I1, , den die Mikrokanalplatto bei
linuarrm llebi-ieb Heforn kann und dio Verstärkung G Bind
nämlich eine Funktion dor zwischen den beitl'Ui Leiten dex·
PUF 81 35'» Χ£
M ι -kr ok. ma !.platte angelegten elektrischen Spannung V .
D Lese Kunictionen werden durch die Gleichungen Ic =0 i 1 ·£—
& max RG
und G = k Vp gegeben, worin R_ der elektrische Widerstand
zwischen den Seiten der Mikrokanalplatte ist und k und <=t
Konstanten sind, wobei 0^ gross ist und für L/ei = kO beispxelsweiee
in der Grössenordnung von 10 liegt. Es folgt daraus, diss jedem Anstieg um den Faktor g der Verstärkung
eine Herabsetzung um nahezu den gleichen Faktor des Höchst«
P'vgels I-, des Strome am Eingang der Mikrokanalplatte
entspricht, der bei Linearbetrieb verstärkt werden kann. Bei einer Linearverstärkung der pulsierten Signale löst
dies einen Abfall der zulässigen Frequenz F für einen gegebenen
Pegel N der Impulse oder umgekehrt einen Abfall dieses zulässigen Pegels N für eine gegebene Frequenz F aus.
Die Aussage bezüglich des Stroms gilt auch für die Ladungsmenge,
die eine Mikrokanalplatte bei Linearbetrieb liefern kann. Denn es ist bekannt, dass die Maximalladung, die eine
bestimmte Mikrokanalplatte bei Linearbetrieb liefern kann, gemäss V_, schwankt und der benutzten Vervielfachungsfläche
direkt proportional ist. Also ist bei höherer Verstärkung
der Iiiipulsladungspegel, der bei Linearbetrieb zulässig ist,
η Ledrifi'er.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine ELektronenvervielfachungsstruktur anzugeben, bei der diese
lj 25 Nachteile weitgehend beseitigt sind.
Diese Aufgabe wird in der VervielfacJmngsstruktur
erfinclungsgemäfs dadurch gelöst, dass parallel zur Ausgangs-ίlache
eine gitterförmige Anode und eine Dynode angeordnet sind. Eri indunf,sgemäss kann die Dynodestufe ain Ausgang mit
einer Vervielfachungsstruktur nach dem Stand der Technik
kombiniert werden, die nur Mikrokanalplatten enthält, um
eine höhere Verstärkung zu erreichen, oder bei gleicher
Verstärkung die· Mikrokanalplatten bei einer niedrigeren Verstärkung arbeiten zu lassen und die Sättigungserscheinungen
innerhalb der MLkrokanalplatten zu verhindern und
eine bessere lineare Arbeitsdynamik zu erreichen, oder bei
gLeicher Verstärkung die Anzahl der Mikrokanalplatten herabzusetzen,
was für die Linearität die oben beschriebenen
32174J5
PHF 81 550 X?' 1 V. 4. 1982
Folgen !iac. Im letzten Fall treten noch weiter«! Konsequenzen
ein: Aufgrund der niedrigeren Verstärkung der Mikrikanalplatten
braucht man die zurückkehrenden Elektronen nicht zu fürchten.
Veiter braucht die Eingangsfläche der Eingangsstufe
nicht mit einer Membran zum Abschirmen der rückkehienden
Ionen zu bedecken, wodurch bei gleicher Verstärkung ein
einfacherer Aufbau mit besseren Eigenschaften, insbesondere
durch die geringere Anzahl benutzter Mikrokanaiplatten,
eine kürzere Impulswiedergabe, eine bessere Kanalitierung
des Eluktronenlawineneffekts und dadurch eine bessere räumliehe
Auflösung, eine geringere Schwankung in der Verstärkung und eiji niedrigerer Geräuschpegel erhalten werden können.
Weiter·· Folgen beziehen sich auf die Lebensdauer der Struktur oder der fotoelektrischen Röhre, in dor sie angeordnet vird.
Denn wenn die Struktur bei gleicher Verstärkung arbeitet, zeigt es sich, dass die eigentliche Verstärkung der Mikro-.
kanalplatten um den Faktor g gleich der der Dynodenstufe und der mittelere von den Mikrokanaiplatten gelieferte Strom
herabgesetzt sind, wodurch ein um das g-I*ache langsamerer
Abfall der Verstärkung dieser Mikrokanaiplatten auftritt. Auf gleiche Weise zeigt es sich, wenn der Elektronenvervielfacher
in einer fotoelektrischen Röhre angebracht vird,
dass die Lebensdauer der fotoelektrisohen Schicht inn den
Faktor g grosser wird. Denn es ist bekannt, dass der AbJaIl
im Laufe der Zeit der Verstärkung eines mit Mikrokftnalplatteji
ausgelösten Vervielfachers direkt von der Gesamt-*·
ladung abhängig ist, die im Laufe der Zeit von den Mikrokanaiplatten
geliefert wird und also von der Verstärkung dieser Stufen abhängig ist. Weiter isb es bekannt, dass eine
fotoelektrische Schicht, die in der Nähe der Eingangsflache
eines mit Mikrokanaiplatten ausgerüsteten Vervielfacher.s
angeordnet ist, zeitlich eine Verringerung seiner Empfindlichkeit aufweist. Dieser Rückgang, der eiiie Folge der
zurückk.ehrenden Ionen aus den Mikrokanalpliitten ist, ist.
alpo gleichfalls von der (reaamtladung direl· t .-ibhanrig, «lie \"
die Mli.rokanalplatten liefern,* .und somit v<
η tier Verstärkung
dieser Mikrokanaiplatten.
PIlF 81 35«' /"# -\k.k. 1982
];ine erste Au s führung s form ist dadurch gekennzeichnet,
dass der Vervielfacher mit nur einer Mikrokanalplatte ausgerüstet ist, die gekrümmte Kanäle aufweist. Eine zweite
Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass das Verhültnis
zwischen der Länge und dem Durchmesser der Kanäle 6ü übersteigt und eine dritte Ausführungsform ist dadurch
gekennzeichnet, dass der Vervielfacher mit mehreren Mikrokanalplatten
ausgerüstet ist, die einen oder mehrere Chevrons!.reifen
bilden.
Kine vierte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet,
dass die den Mlkrokanalplatten zugeführten Spannungen
derart sind, dass die Mikrokanalplatten mit HöchstverStärkung
und somit im Sättigungsbetrieb arbeiten.
Wenn der Vervielfacher nur eine Mikrokanalplatte
enthält., bewirkt der an der Mikrokanalplatte vorhandene elektrische Spannungsunterschied, dass die Verstärkung eines
Kanals auf ihren Höchstwert in der Grössenordnung beispielsweise
von 10 gebracht wird, während die Dynodenstufe bewirkt, dass die Gesamtverstärkung des Vervieli'achers einen
Wert hat, der im genannten Beispiel um einige 10 -Einheiten oiler um einige 10 -Zehnereinheiten betragen kann.
Wenn der Vervielfacher mehrere Mikrokanalplatten
enthält, steigen die den verschiedenen Flächen der Kanalplatten zugeführten elektrischen Spannungen vom Eingang
Zum Ausgang an und sorgen dafür, dass beispielsweise für
eine Kombination dreier gleicher Mikrokanalplatten der
Vervielfacher bei der Höchstverstärkung arbeitet, beispielsweise
in der Grössenordnung von 10 . Die Dynodenstufe bewirkt, dass die GesamtverStärkung des VervielTachers auf
einen Wert gebracht wird, der in diesem Fall einige 10 -Einheiten
oder einige 10 -Zehnereinheiten betragen kann.
Kine fünfte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet,
dass die den Mikrokanalplatten zugeführton elektrischen Spannungen einen derartigen Vert haben, dass die Mikrokanalp
Lat i,en unter der Höchstverstärkung und also nicht im
Sättigung .betrieb arbeiten.
Wenn der Vervielfacher aus nur einer Mikrokanalp
atte besteht, senken die den Flächen der Mikrokanalplatte
Λ B * m w ■ m * · ~
PHF 81 550 (/<}. 14.4.1982
zugeftiJirten elektrischen Spannungen die Verstärkung um den
Faktor g in bezug auf ihre Höchstverstärkung. Die Dynodenstufe
besitzt eine Verstärkung beispielswezi se gleich g, um die Gesamtverstärkung des Vervielfachers zumindest auf den
Höchstwert der Verstärkung von nur einer Mj krokanaJ plat I,e
zurückzubringen.
Wenn der Vervielfacher aus einer Kombination verschiedener
Mikrokanalplatten besteht, die aufeinander gelegt sind, wird dia Verstärkung gleichfalls um den Faktor g unter
Ό ihrer HöchstvorStärkung hurabgesetzt, wobe.i dieser VerstärkungsrUckgang
zumindest durch den der letzten Dynodenstufe
ausgeglichen wird.
Bei allen diesen Ausführungsformen ist, insbesondere
wenn der Werkstoff der Dynode einen hohen i>ekundärelektronen-
'5 emissionskoeffizienten i>
besitzt, das Sigmil an der Dynode bis auf der Polarität nahezu gleich dem der Anode, wodurch
sich die Dynode als Ausgangselektrode des Signals benutzen lässt. Diese Tatsache lässt sich dazu ausnutzen, auf ziemlich
einfache Weise den Vervielfacher für die Bestimmung
der Lat;e der Informationen empfindlich zu machen. Denn dazu
ist es notwendig, die Ausgangselektrode on elektrisch voneinander getrennte Elemente zu unterteilen. Dies i.st mit
einem aus der Anode abgeleiteten Signal scJiwer verwirklichbar.
Es wäre dabei erforderlich, die Anode aus mehreren voneinander getrennten Kollektoren zusammenzustellen. Jeder
Kollektor muss aus einem Gitter oder einem Drahtgewebe bestehen, das besonders durchsichtig sein soll. Eine derartige
Struktur lässt sich hinsichtldch der Anode nicht leicht herstellen, insbesondere nicht weil zweidimensional
Informationen über die Lage (z.B. eine Mosaikstruktur) gewünscht
wird.
Eine sechst« Ausführungsform, die sich leicht verwirklichen
lässt, ist dadurch gekenn^.eichnot, dass die
Dynode aus mehreren elektrisch voneinander getrennten EIe-
3£> menteri besteht. Nach einer weiteren /usftihrunr;eform wird
die Anode durch ein Gitter aus einer Einheit yjebll'lGt,
Die Lö.^edaten werden mit Hilfe der an den Dynodene Lernen ten
empfangenen Signale erhalten, währenc das on der Anode
PHF 81 550 /ΐήΟ. 14.4.1982
ankommende Sign.il beispielsweise als Zeitbezugssignal» (für
die Synchronisation) oder als AraplitüdenbeiaUgs signal (für
die Pecelvahl) 'lienen kann. Nach einer anderen AusfÜhrungsfcirm
wird die Aiode' durch ein Gitter paralleler und voneinarider
iaoJiertei' Drahte gebildet. Dies ermöglicht es, mit
dt.·η Elementen dor Dynode eine Matrixanordnung zum Lesen
zweidiiiienf ionalor Lagedaten nach den allgemein-bekannten
Grundsätzen zu bilden.
Nach weiteren Ausführungsformen der Erfindung besteht
der Emitterwerkstoff der Dynode aus einer an der Oberfläche oxydLerten metallischen Legierung wie CuBeO,
Af'.MgO und AlMgO oder aus einer auf einem Substrat angebrachten
Schicht eines Werkstoffs mit Sekundärelektroneneinission,
wobei ggf. zwischen der Schicht und dem Substrat eine niiigl i.chervieise oxydierte Zwischenschicht angeordnet ist.
Der Werkstoff mit Sekundärelektronenemission ist beispielsweise
MgO, CsI oder Na-AlFg oder ist ein Alkaliantimonid
wie SbCs, SbKCs, SbRCs oder SbNaJCCs. Für diese letzte Werkst,
offgruppe ist ein Verfahren zum Herstellen einer Elektronenvervielfachungsstruktur,
die zuvor in einer evakuierten Hülle einer fotoelektrischen Röhre angebracht ist, dadurch
gekennzeichnet, dass das Verfahren die Schritte zum Ablagern
von Antimon auf einem Dynodensubstrat, wobei von Antimonk;t>rnern
ausgegangen wird, die gleichmässig ge.streut auf der
'W 25 Anode iinyibracbt werden und wobei das Verdampfen von Antimon
durch Durchfluss elektrischen Stroms durch, die Anode erfolgt, und zum Verdampfen eines oder mehrerer Alkalimetalle aus
Quellen enthält, die in der Röhre dauerhaft oder in einem Raum angebracht sind, der zum Abschmelzen über einen Pumpstengel
mit der Röhre verbunden ist.
Eine ν eitere Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet,
dass der Werkstoff mit Sekundärelektronenemission
ein Halbleiterverkstoff ist, der in einem Zustand negativer
ELektroncnaffijiität gebracht ist, wie GaP(Cs-o), GaAs(Cs-O)
oder J-iL(Cs-o). Da die Dynode wie die Anode flach ist, im
Gegen^atj' zu den Dynoden in einem üblichen Fotovervielfacher,
ist es möglich eine hohe elektrische Spannung, die beispielsweise
über 1 kV beträgt, zwischen der letzten Mikrokanal-
PHF 81 150 X λλ 1-Ί-..4. 1!>82
platte und der Dynode zu benutzen, ohiie das; man kalte
Elektronenemission zu befürchten braucht. Deswegen wird
für den Werkstoff mit negativer ElektronenaJ finitat die
einkristalline Form gewählt. Dieses MateriaJ wird unter
Berücksichtigung der zugeführten elektrischen Spannung mit einer hohen Emittierungsleistung benutzt, die 5° überschreiten
kann. Für die Verwendung derartiger Werkstoffe ist ein Verfahren zum Herstellen einer Elektronenvervielfachungsstruktur,
die zuvor in die Hülle einer fotoelektrisehen Röhre angebracht ist, dadurch gekennzeichnet, dass
die Wärmereinigungsbehandlung des Hall>leiterwerkstoffs vor
dem Aufdampfen von Cä«ium mittels Strahlung erfolgt, die
aus einer ausserhalb der Hülle liegenden Strahlungsquelle herrühr t.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden naohr
stehend an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 die Elektronenvervielfachun^sstruktur im
Schnitt in der allgemeinsten Form,
Fig. 2 einen Schnitt durch exne Elektronenvervielfachungsstruktur
nach einer ersten und einer zweiten Ausführung sform der Erfindung,
Fig. 3 einen Schnitt durch eine Elektronenvervielfachuni/.sstruktur
nach einer dritten UJid einer vierten Auaführungsform,
Fig. k eine fünfte Ausftihrun,jsform einer Elektronenvervielfachungsstruktur
mit einer unterteilten Dynode.
In Fig. 1 ist eine Elektronenvervielfachungsstruktvir
dargestellt, die aus einer Schicht 11 von Mikrokanalplatten
12, 13 und 14 besteht. DLe Eingangs- und Ausgancsflächen dieser Schicht 11 sind mit 15 bzw. 16 und
die fü3· die Kanalplatten in der Schldit gemeinsamen Flächen
mit 17 und 18 bezeichnet. Die den Flachen der MikrokanaJ-platten
zugeftihrten elektrischen Spannungen steigen von der
Fläche 15 zur Fläche 16 an. Die zu vervielfachenden Elektronen
werden der Fläche 15 zugeführt. Eine zweite Vervielfachun,",sstufe
folgt der Schicht 11. Sie besteht aus der Dynode 19 und der Anode 20, die beide flach und paralle3
zur Flüche 16 der Mikrokanalplatte verlaufen. Die Anode 20
81 3Γ)( jf\%,
1&.4.
i.Ht ein Gitter ι.η Form eines Gewebes paralleler Drohte 21
(senkroch ι. zur 4e±chenebene) oder in Form eines Drahtgitters.
Die elektrische Spannung dieser Anode 20 ist in bezug auf die der Fläche 16 der letzten Kanalplatte Ik positiv, während
die Spannung der Dynode 19 zwischen der der Fläche 16
und der der Anο ie 20 liegt. Es zeigt sich, dass dadurch die
Anode 20 3"Ur die von der Kanalplatte 1 k ausgesandten Elektronen
durchsichtig ist. Die die Dynode 19 erreichenden
Elektronen werdan dort vervielfacht, wobei die freigemachten
Sekundere I.ektronen von der Anode 20 gesammelt werden.
J)ie verschiedenen Ausf tlhrungsf ormen und ihre Ab-Wandlungen
unterscheiden sich hinsichtlich der elektrischen Spannungen der lianalplatten und der Dynode und dadurch
auch hins.i.chtlich der Betriebsart.
.Cn Fig. 2 ist eine erste Ausführungsi'orm dargestellt,
Dor Vervielfacher enthält nur eine Mikrokanalplatte 25.
Die Kanalplatte 25 ist mit gekrümmten Kanälen versehen, um
bei Hochs ;verStärkung arbeiten zu können, ohne dass dies
infolge rückkehrender Ionen zu einem schnellen Rückgang der Güte der fotokathode der fotoelektrischen Röhre führt, in
der die Struktur angebracht sein kann. Die Länge und der
Durchmesser dieser Kanäle beträgt beispielsweise 1 = 3,2 mm und d = ^+Oyum. Die den Flächen 15 und 16 der Kanalplatte 25
ziigeftUirt'sn elektrischen Spannungen betragen V=OV und
V., = 1500 V. Die Verstärkung der Kanalplatte :i5 liegt dabei
in der Gr-issenordnung von 10 . Die an die Anode 20 und die
Dynode 19 angelegten elektrischen Spannungen betragen V„ = 2100 V bzw. V. = 1800 V. Bei diesen Spannungen besitzt
die Vervi3lfacbungsstruktur eine Gesamtverstärkung von
eLnigen 10 bie 10' Einheiten. Der emittierende Werkstoff
d<?r Dynocl 3 19 j st z.B. e:in Metalloxid wie BeO oder MgO.
Bei dieser ersten Ausführungsform sind die elektrischen
Spannungen derzrt, dass der mit der Mikrokanalplatte 25
ausgerüstete Vervielfacher bei seiner Höchstverstärkung
arbeitet, was j'ür. die Kanalplatte 25 dem Kanalsättigungsbetrieb
f Ir ein Elektron am Eingang eines Kanals der Kanalplatte·
25 'entspricht.
'Cine zweite AusJ'ülirungsform wird gle i.chfalls anhand
tHP 81 350 1/Γ^3* 14.4.1982
der FIf;. 2 näher erläutert. Diese Ausiführungsform unterscheidet
sich darin von der ersten AUiführungsform, dass
die den Flächen 15 und 16 der Kanalplatte 2 5 zugeführten
elektrischen Spannungen derart sind, dass der Vervielfacher
nicht Lei Höchstverstärkung arbeitet, die djm KanaJsattägungsbutrieb
für ein am Eingang vorhandenes Eloktron entspricht . Dadurch besitzt der mit der KanalpLat.te 25 ausgerüstete
Vervielfacher für den mittleren elektrischen Strom oder die mittlere elektrische Ladung «im Eingang des Vervielfachers
ein bestimmtes vergrössertes lineares Verstärkungsgebiet : Die elektrischen Spannungen d<ir Kanalplatte 25 sind
auf einem derartigen Wert festgelegt, dass <iie Verstärkung des Vervielfachers um den Faktor g in bezug auf sein Maximum
entsprechend der Wirkung im Kanalsätt.-gungsbetrieb herabgesetzt
wird. Das Maximum des Signals, das Linear verstärkt werden kann, wird um den gleichen Faktor g erhöht. Die
Herabsetzung der Verstärkung des mit der Milcrokanalplatte
ausgerüsteten Vervielfachers wird zumindest durch, den Verstärkungsfaktor
der Dynodenstufe ausgeglichen. Die den Flächen 15 und 16 der Kanalplatte zugeführten Spannungen
betragen beispielsweise V. = 0 V bzw. V„ = 1200 V. Mit diesen
Werten liegt die Verstärkung der Kanalplatte 25 in der
GrossenOrdnung von 1O1 wodurch sie uii den Paktor 10 niedriger
als die nach Fig. 2 ist. Diese Verstärkungsherabsetzung
wird zumindest durch die der Dynodenstufe ausgeglichen,
wenn die Anode 20 und die Dynode 19 auf Spannungswerte von
V„ = 1800 V bzw. Vj =s 1500 V gebracht sind. Das maximale
Signal des mittleren Stroms am Eingang der .Struktur, das
linear verstärkt werden kann, liegt in der 'irössenordnung
von 10 ~ A/cm~ , wenn beispielsweise der mittlere Höchstausganfsstrom,
den eine Mikrokanalplai;te bei linearem Betrieb
J iefern kann, 10 A/cm" beträft.
Eine dritte Ausführungsform .i.st in Fig. 3 dargestellt.
Der Vervielfacher enthält zwe:i. KanaLplatten 3I und
32 mit geraden Kanälen, wobei die Kanille der einen Kanalplatte
in beüUfj auf die der anderen Kiunalpl itto derart
geneigi angebracht sind, dass die Kan.ilplat'.en 31 und 32
einen Chevrons breif en bilden. Die -Länr.e 1 und der Durch-
PIfP öl jT)') . ly'A, 1U. 4. 1982
messer1 d der Kanäle für die Kanalplatten 31 und 32 betragen
z.B. 1 = 0,5 mm und d = 12,5 /Um. Bei dieser Ausführungsform
sind die ^ugeführten elektrischen Spannungen derart, dass
der Vervielfacher bei seiner HÖchstverStärkung arbeitet,
was für die Kanalplatten 31 und 32 dem KanalSättigungsbetrieb
für ein Elektron am Eingang eines Kanals entspricht. Die den Flächen 151 17 und 1.6 der Kanalplatten 31 und 32 zugeführten
Spannungen betragen beispielsweise V.. = 0 V, V„:=900 V
bzw. V = 18OO V. Bei diesen Spannungen liegt die Ver-Stärkung
der Kanalplatten 31 und 32 in der Gr'össenordnung
von 10"* · Der Chevronstreifen verhindert bei diesen hohen
V«'.rs tärkungen, dass zu groase Ionenzahlen zurückkehren.
Die der Anode 20 und der Dynode 19 zügeführten elektrischen
Spannungen betragen V, = 24OO V bzw. V_ = 2100 V. Die Ver-Stärkung
der Dynodenstufe beträgt dabei einige Einheiten bis 10. HLermit wird schliesslich für die ganz© Vervielf
iichungss Cruktur eine Gesamtverstärkung von einigen 10
bis 10 Einheiten erreicht.
IDine vierte Ausführungsform wird gleichfalls anhand
der I1Mg. 3 näher erläutert. Diese Ausführungsform
unterscheidet sich darin von der dritten Ausführungsf orm,
d;iss die den Flächen 151 17 und 16 zugefühjjten elektrischen
Spannungen derart sind, dass die Kanalplatten 31 und 32
nicht bei HÖchstverstärkung arbeiten. Die den Flächen 15
1, und 16 zugei'tlhrten Spannungen betragen z.B. V1 = 0 V,
V , ss you V und V„ = 1UOO V, während die der Aaiode '20 und
dir Dynode 19 zugeführten Spannungen V^ = 2000 V bzw.
V_ = 1700 V betragen. Die Kanalplatten 31 und 32 arbeiten
bi'i einer Verstärkung, die um den Faktor g, z.B. die gegi'benen
Spannungen in der Grössenordnung von 10 niedriger als die H'ochstv er Stärkung ist. Zum anderen gleicht die
D> nodenstitf e zumindest die Verstarkungsherabsetzuiig der
K;mal]ilat benstufe aus. Der Höchstwert des Signals des
rnittleren Stroms, der am Eingang der Struktur verstärkt
·"> werden kann, liogt in der Grössanordnung· von 1O~ A/cni" ,
wenn !/,.B. der riiLttlöre Höchstausgangsstrom, den die Au&-
g.ingsl·; ana ι platte 32 bei linearem Betrieb liefern kann,
1<'~7 A/cm'"2 beträgt.
m *
·:·: :' -J^ 321 7AQ5
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PHF 81 350 ψ&* . 11N 4.1'-'82
Bei allen obenbeschriebenen Ausfühi'ungsformen
sind die Eigenschaften der Struktur, abgesehen von der
endgültigen Verstärkung, im wesentlichen voji dem aus Mikjokanalplatten
aufgebauten Vervielfacherteil .-ibhäiigig.
Dies gilt auch für das lineare Verstärkungs;,ebiet, bei dem
es sich um den Höchstpegel linear zu verstärkender ^lektiischer
Gleichstromsignale oder beim Impulsbetrieb um den Höchstpegel N des Stroms oder der Ladung dieser Impulse
mit einer gegebenen Frequenz f, die sich linear ver. tärkcti
lässt, oder um die Höchstfrequenz f für einen bestimmten Pegel N der Impulse handelt. Auch legen die Kaiialplütten
die momentan erreichten Eigenschaften (Vergrös^erunr der
Impulswiedergabe), die statische Schwankung in der Verstärkung, die räumliche Auflösung (das Entslehen de.« EIeK-tronenluwineneffekts
zwischen dem Eingang und dem Ausgang) und den Signal-Rauschabstand fest, wobei alle Eigeni-chaften
dieser Struktur eine genaue Funktion der Anzahl von Kanalplatten des Vervielfachers oder der geometrischen Abmessungen
der Kanäle sind. Wenn man über eine zusätzliche Verstärkung infolge der Dynodenstufe verfügt, kann iür
eine gle.iche Gesamtverstärkung eine weniger grovsse .Anzahl
von Kanalplatten oder eine gleiche Anzahl von Kanal] lattort
bei niedrigerer Verstärkung benutzt werden, wodurch die erwähnten Eigenschaften verbessert werden können, oder
es können für eine höhere Gesamtverstärkung die erwähnten
Eigenschaften gleich bleiben, wobei die gleiche Anzfihl
von Kanalplatten benutzt wird.
Eine fünfte Ausführungsform, nach der der Vervielfacher
Tür die Bestimmung der Lage der zugefUhrten Daten
30. empfindlich gemacht wird, wird an Hand der iig. 4 näher
erläutert. In dieser Figur sind,gleiche Teile mit den
gleichen Bezugsziffern wie in Fig. 2 bezeichnet.Um den
Vervielfacher für die Bestimmung der Lage empfindlich zu machen, ist die Dynode als ein Mosaik unabhängiger 2*.lernen te
ausgeführt. Die Dynode enthält die Elemente 61, 62, b'J und
64 mit einem holten Sekundareuiissionskoof fizd on (.«in P >
die sich sejikrecJi I, zur küelcliüuebune erstrecken. Die Elemente
61 ... (>4 sind auf einem isolierenden Substrat 05 an,'je-
oi'Inet. Dio Elemente öl ... 6k werden mit einer elektrischen
Spannung· r.espei st, die zwischen der der l^lacht; 16 der Kanalplatte
11 und der der Anode 20 liegt. Die Spannungen werden
über Leiter 66, 67, 68 bzw. 69 zugeführt, die es gleichfalls
ermöglichen, das Signal über eine kapazitive Verbindung abzugleichen. Eine Speisung mit den Dynoden auf
Erdpotential kann angestrebt werden und in diesem Fall ist ein Ausgang über eine kapazitive Verbindung nicht erforderlich.
Beim Anbringen der Vervielfachungsstruktur in einer
f c) !^elektrischen Röhre wird diese unterteilte Dynode insbcMondere
durch Ablagerung auf ein Isolierendes Substrat
hi-r&estal l t, das aus einem Teil der RöhrenhülJ e besteht,
wobei dieser Teil mit Leitern wie 66 bis 69, zum Abgreifen
des Signals ausserhalb der Röhre versehen ist.
3Crfindungsgemäss kann eine Dynode aus mehreren
Werkstoffen hergestellt werden. Die Dynode kann massiv
ausgeführt; werden und für eine Vervielf achungs struktur in einer abgeschmolzenen Röhre aus einer an der Oberfläche
oxydierten Legierung bestehen wie Cu-BeO, Ag-MgO, Al-MgO,
wobei die emittierende Leistung dieser Metalloxide durch Adsorption an der Oberfläche eines Alkalielements wie Cs
vergrössert wird. Die Dynode kann auch durch Ablagerung
auf ein Substrat aus einem Werkstoff mit einem hohen
Sokund'äremissionskoeffizienten wie MgO, CsI, Na«AlF^ oder
b<· L einer abgesohmolzenen Röhre aus Alkaliantimoniden vie
SIiCs, SbK Ca... erhalten werden. Bei der Verwendung dieser
An biinonid'jn wird erf indungsgemäss ein Verfahren zur Bildung
dieser Dynoden zur Stelle in der fotoelektrischen Röhre
verwendet, wobei diese Dynoden nach ihrer Bildung nicht mehr der Luft ausgesetzt werden. Die zur Bildung dieser
Dynoden erforderliche Antimonschicht wird durch das Verdampfen
von Antimon erhalten. Dabei wird von Körnern dieses Mf balls ausgegangen, die zuvor mit gleichmässiger Streuung
auf einem oder mehreren Drähten der Anode angebracht sind (vie 21 in Flg. 1). Die Verdampfung erfolgt dadurch, dass
ein elektrischer Strom durch die Drähte f^esamlt wird,
el· η oLiie -lUaaeiu Stromquelle, liefert. DIo anderen Schratte
zur Uilduiig dicsur Dynoden sind bekannte Schr.ibte, d.h.
PHF 81 350 IjSR' ΐ'*.4.1'>82
das Verdampfen eines oder mehrerer Alkalimetalle aus Quellen,
die in der Röhre dauerhaft oder in einem Raum angeordnet sind, der vor dem Abschmelzen über den Pumpstengel mit dor
Röhre verbunden ist. Immer noch im Falle din Vervielfachungsstruktur
in einer abgeschmolzenen Röhre angeordnet wird, kann die Dynode auch aus Halbleiterwerkstoffen mit einer
negativen Elektronenaffinität wie GaP (Cs-O), GaAs (Cs-O)1'
Si (Cs-O) ... gebildet werden. Durch die Flachheit der
Dynode und der Anode und ihre Parallelität in bezug aufeinander
und in bezug auf die Ausgangsflüche der letzten Kanalplatte können hohe Spannungen zwischen den verschiedenen
Elektronen angelegt werden, insbesondere zwischen der Ausgangsfläche
und der Dynode. Diese letzte Spannung kann in der Grössenordnung von beispielsweise 1 kV oder mehreren kV
liegen, ohne dass man kalte Elektronenemission von der
Ausgangsfläche der Kanalplatten· zu befürchten braucht. Der gewählte Halbleiterwerkstoff ist vorzugsweise monokristallin,
was unter Berücksichtigung der -sugeführten
hohen elektrischen Spannung eine hohe emittierende Leistung in der Grössenordnung von beispielsweise 50 ergibt. Diese
Dynode wird vorzugsweise an einem Ende der Röhre angebracht. Die thermische Reinigung des Halbleiterwerkstoffs, die vor
dem Aufdampfen von Cäsium darauf durchzuführen ist, erfolgt erfindungsgemäss mit Hilfe von Strahlung aus einer ausserhalb
der Hülle liegenden Strahlungsquelle.
Leerseite
Claims (1)
- t «PHF 81 ~i5O ^y 'r- 14.4.1 !'82PATENTA VSPRUCHE/ij Elektronenvervielfachungsstruktur mit zumindest einer Mikrokanalplatte mit Sekundärelektronenemission, welche Platte mit einer Eingangsfläche und einer Ausgangsfläche ausgerüstet ist, dadurch gekennzeichnet, dass paralle L zur Ausgangsfläche eine gitterförmige Anode und eine Dynode angeordnet sind.2. Elektronenvervielfachungsstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Vervielfacher mit nur einer Mikrokanalplatte ausgerüstet ist, die gekrümmte Kanäle aufweist-»3· Elektronenvervielfachungastruktur nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis zwischen der Länge und dem Durchmesser der Kanäle grosser als 60 ist. h, Elektronenvervielfachungsstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Vervielfacher mit mehreren Mikrokanalplatten ausgerüstet ist, die einen oder mehrere Chevron .streifen bilden.5J-. Elektronenvervielfachungsstruktur nach einem der AnsprücJie 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Dynode als eine Einheit gebildet ist.6. Elektronenvervielfachungsstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis kt dadurch gekennzeichnet, dass die Dynode aus mehreren, elektrisch voneinander isolierten Elementen besteht-7. Elektronenvervielfachungsstruktur nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode durch ein als eine Einheit gebildetes Gitter gebildet wird.8. Elektronenvervielfachungsstruktur nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode durch ein Gitter aus parallelen und voneinander isoliorten Drähten gebildet wird.9. Elektronenvervielfachungsstruktur nach einem der vorangeiienden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet-, dats diuj-* PIiF 81 350 λ/ to 1 Jf. ^. 1982den Mil·; rokanalpLatten zugeführten Spannungen derart sind, dass d.i <; MLkrokanalplatten bei HöchstverHtärkung arbeiten. Κ». l·Lektronenvervielfachungsstruktur nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dciss die den Mikrokanalplatten zugeführten Spannungen derart sind, dass die Mikrokanalplatten unter der HÖchstverst'äVkung arbeiten.11. Elektronenvervielfachungsstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Emitterwerkstoff der Dynode aus einer an der Oberfläche oxydiertenme tallii meinen Legierung wie CuBeO, AgMgO, AlMgO besteht. . ,, ~\2. Elektronenvervielfachungsstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Dynode aus einer auf eLnem Substrat angebrachten Schicht aus einem Werkstoff mit sekundärer Elektronenemission besteht, wobei g£'. f. zwischen der Schicht und dem Substrat eine möglicherweise oxydierte Zwischenschicht angeordnet ist. Λ2 . Elektronenvervielfachungsstruktur nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff mit sekundärer El ektronenemiss.Lon MgO oder CsI oder Na^AlF,- ist.1^i. Elektronenvervielfachungsstruktur nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff mit sekundärer E]ektrnneneraiaslon ein Alkaliantimonid wie SbCs, SbKCs1 StRbCs oder SbNuKCs ist.^, 25 15· Elektronenvervielfachungsstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff mit sekundärer Elektronenemission ein Halbleiterwerkstoff ist, der in einen Zustand negativer Elektronenaffinität gebracht ist, wie GaP (Cs-O), GaAs (Cs-O) oder Si (Cs-O).16. Fotoelt'ktronische Röhre, dadurch gekennzeichnet, dass si« niLt einer Vervielfachungsstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 15 versehen ist.17· Verfahren zum Hers 1.eilen einer Elektronenverviel- fi\ 'hunf sstniktu:!· nach Anspruch 14, die zuvor in die evaku—3^ ierte Illllle elnnr f otoe Lektrlschen Röhre angebracht ist, da lurch gelcennzcichnet, dass das Verfahren die Schritte zu η Ablagern von Antimon auf ein Dynodensubstrat enthält, wooei von Antimonkörnern ausgegangen wird, die gleichmässigPHF 81 OO l/'i. U* 4.1 "82• ·gestreui auf der Anode eingebracht werdon unti wobei ^aS1 Verdampfen von Antimon bei Durchfluss «ilektiiscJxen i-troititdurch die Anode und das Verdampfen einos oder mehrerer Alkalimetalle aus Quellen erfolgt, die dauerhaft in der Röhre oder in einem Raum angebracht sind, der zum Abschmelzen über einen Pumpstengel mit der Röhre verbunden ist. 18. Verfahren zum Herstellen einer Elektronenvervielfachungsstruktur nach Anspruch 18, die zuvor in der Hülle einer fotoelektrischen Röhre angebracht ist, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische ReinLgungsbehandlung des Häll)leiterwerkstoffs vor dem Aufdampfen von Cäsium mittels Strahlung erfolgt, die aus einor außerhalb der Hülle Liegenden Strahlungsquelle herrÜJirt.
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