DE3638893C2 - - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen positionsempfindlichen Detektor, wie er im Hinblick auf die Veröffentlichung von C. Martin et al. in Rev. Sci. Instrum., 52 (7), Jul. 1981, 1067-1074, als bekannt vorausgesetzt wird.

Strahlungsdetektoren der hier interessierenden Art enthalten eine auf der Oberfläche eines Substrats angeordnete elektrisch leitende Elektrodenanordnung, deren Konfiguration und Anordnung eine Posi­ tionsbestimmung eines auftreffenden Ladungsträgerbündels in zwei Koordinatenrichtungen gestattet. Eine bekannte Elektrodenanordnung dieser Art enthält vier Elektroden, und zwar ein Elektrodenpaar mit einander gegenüberliegenden und jeweils zur anderen Elektrode hin zulaufenden keilförmigen Elektrodenteilen und ein zweites, mit dem ersten verschachteltes Elektrodenpaar aus nebeneinander liegenden streifenförmigen Elektroden, deren Breiten sich quer zu ihrer Längsrichtung gegenläufig ändert. Der Auftreffort eines Strahlungs­ bündels ausreichenden Querschnitts läßt sich bei dieser Elektroden­ anordnung in zwei aufeinander senkrecht stehenden Koordinatenrich­ tungen aus dem Verhältnis der von den einzelnen Elektroden aufge­ nommenen Ladungsträgerströme ermitteln. Es gibt auch Elektro­ denanordnungen dieser Art mit nur drei Elektroden sowie Anoden­ anordnungen, bei denen die Position eines auftreffenden Ladungsträ­ gerstrahlbündels in Polarkoordinaten ermittelt werden kann. Wenn es sich bei der Strahlungsverteilung um optische (elektromagnetische) Strahlung handelt, wird sie möglichst positionsgetreu in eine entsprechende Ladungsträgerverteilung, insbesondere eine Elektronenver­ teilung, umgewandelt, was z. B. durch eine Photokathode und eine anschließende Photoelektronenvervielfacheranordnung, z. B. Mikroka­ nalplatten, erfolgen kann.

Außer positionsempfindlichen Strahlungsdetektoren der obengenannten Art, die mit elektronischer Signalerfassung arbeiten, ist aus der Veröffentlichung von Panitz in J. Vac. Sci. Technol., 17 (3), Mai/Juni 1980, 757, 758 auch ein positionsempfindlicher Strahlungs­ detektor bekannt, der mit optischer Signalerfassung arbeitet. Bei diesem optischen Strahlungsdetektor wird durch die zu erfassende Strahlungsverteilung eine Leuchtstoffschicht zur Lumineszenz ange­ regt und die dabei entstehende optische Strahlungsverteilung wird mit einer Fernsehkamera, z. B. einer Vidicon-Kamera, in ein entspre­ chendes elektrisches Videosignal umgesetzt.

Es gibt ferner positionsempfindliche Strahlungsdetektoren, deren Elektrodenanordnung aus einer einzigen Widerstandselektrode besteht oder die eine Anordnung aus Silizium-Photoelement-Segmenten enthalten, siehe z. B. die Dissertation von Thomas Schiller, TU Berlin, 1985, S. 30, 31.

Die Herstellung transparenter Schichten aus elektrisch leitfähigem Material mit geeigneten Flächenwiderstandswerten für die erfindungsgemäße Elektrodenanordnung ist bekannt, siehe z. B. die Veröffentlichungen von J. C. Manifacier, Thin Solid Films, 90 (1982) 297-308; von M. I. Ridge et al., Thin Solid Films, 96 (1982) 121-127; von Smith et al., J. Electrochem. Soc.: Solid-State Science and Technology, November 1981, 2388-2394; von Frank et al., Appl. Phys. A 27, (1982) 197-206 und von J. Szczyrbowski et al., phys. stat. sol. (a) 69, 217 (1982).

Aus der US-PS 40 24 391 ist eine Bildverstärkerröhre bekannt, die eine Photokathode aus einem System von elektrisch isolierten parallelen Photokathodenstreifen, eine benachbarte Mikrokanalplatte mit einer Eingangselektrode aus einer Anordnung von elektrisch isolierten parallelen Metallstreifen und einem Leuchtschirm, der eine auf einem transparenten Substrat angeordnete Leuchtstoffschicht, auf der sich eine dünne metallische Elektrode befindet, enthält. Die Photokathoden- und Vervielfacherelektrodenstreifen werden durch eine elektronische Schaltung selektiv angeschaltet, um das Bildfeld rasterartig abzutasten. Die entstehenden Bildsignale stellen eine Positionsinformation dar, die zur Feststellung von Veränderungen im Bildfeld ausgewertet werden kann. Für die Erfassung kurzzeitiger Ereignisse ist dieser Bildwandler nicht geeignet, da jeweils nur immer ein einziges Bildelement ansprechbereit ist und nicht das ganze Bildfeld gleichzeitig.

Aus der US-PS 26 98 915 ist ein Bildschirm bekannt, der eine Schicht aus einem elektrolumineszenten Leuchtstoff enthält, der zwischen zwei Scharen von sich kreuzenden streifenförmigen Elektroden angeordnet ist. Die Elektroden der einen Schar sind transparent und auf einer Frontplatte aus Glas angeordnet. Als Strahlungsdetektor ist dieser bekannte Bildschirm weder vorgesehen noch geeignet.

Nachteilig an diesen Strahlungdetektoren ist, daß sie keine gleichzeitige optische und elektrische Signalerfassung ermöglichen. Dies wäre jedoch z. B. wünschenswert, wenn bei Messungen, in denen geringe Eingangssignalintensitäten zu erwarten sind, in einem Vorversuch mit hohen Intensitäten die Justierung durch visuelle Beobachtung erfolgen kann. Detektoren auf Silizium-Basis haben ein hohes Störrauschen und sind nur bedingt ausheizbar. Detektoren mit Widerstandselektroden leiden an hohen geometrischen Verzeichnungen. Die beiden letztgenannten Detektortypen können nicht mehr als 10⁶ Ereignisse/Sekunde erfassen.

Die im Patentanspruch 1 gekennzeichnete Erfindung löst die Aufgabe, einen positionsempfindlichen Strahlungsdetektor zu schaffen, der gleichzeitig sowohl eine elektronische als auch eine optische Signalerfassung gestattet.

Außer der Möglichkeit einer gleichzeitigen elektronischen und optischen Signalerfassung haben bevorzugte Ausführungsformen des vorliegenden Detektors noch den weiteren wesentlichen Vorteil eines hohen dynamischen Bereiches, der bis etwa 10¹³ Ereignisse/Sekunde reicht.

Die Elektrodenanordnung des vorliegenden Strahlungsdetektors ent­ hält vorzugsweise Elektroden aus einem Gemisch von Indiumoxid und Zinnoxid. Das Verhältnis von Indium zu Zinn beträgt vorzugsweise etwa 20:1.

Vorzugsweise liegt das Zinnoxid ausschließlich in der Form SnO₂ vor, während das Indiumoxid in allen seinen Oxidationsstufen In₂O₃...InO auftreten kann.

Die durchsichtige Elektrodenanordnung bildende Schicht kann chemisch aus der Gasphase durch CVD (Chemical Vapor Deposition) oder durch ein Sprühverfahren als dünne Schicht niedergeschlagen werden.

Wenn es sich bei der nachzuweisenden Strahlung um elektromagnetische Strahlung handelt, wird sie z. B. durch eine Photokathode positions­ getreu in eine entsprechende Ladungsträger-, insbesondere Elektro­ nenverteilung umgesetzt.

Die Ladungsträgerverteilung wird vorzugsweise durch einen Vervielfa­ cher, wie eine Kanalplatte oder andere SEV-Anordnung, verstärkt, bevor sie auf die Elektrodenanordnung des Strahlungsdetektors fällt.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezug­ nahme auf die Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines positionsempfindlichen Strahlungsdetektors;

Fig. 2 einen stark vergrößerten Querschnitt durch einen Teil einer Detektoranode;

Fig. 3 eine Draufsicht auf ein bevorzugtes Elektrodensystem für eine Detektoranode und

Fig. 4, 5 und 6 Einzelansichten der drei Elektroden des Elektro­ densystems gemäß Fig. 3.

Das in Fig. 1 schematisch dargestellte Strahlungsdetektorsystem enthält eine flächige Photokathode 10 zur positionsgetreuen Umwandlung einer einfallenden optischen Strahlungsverteilung 12 (Strahlungsmuster, Bild) in eine entsprechende Elektronenverteilung. Die Elektronenverteilung wird durch einen Sekundärelektro­ nenvervielfacher 14 positionsgetreu verstärkt. Der Sekundärelektronen­ vervielfacher 14 kann beispielsweise, wie dargestellt, zwei hinterein­ andergeschaltete Mikrokanalplatten enthalten. Die verstärkte Elek­ tronenverteilung 16 fällt auf eine als Anode geschaltete Elektrodenanordnung 18, die auf einer Oberfläche eines Substrats 20 angeordnet ist. Die Elektrodenanordnung 18 enthält mehrere Elek­ troden (siehe z. B. Fig. 3 und die oben erwähnte Veröffentlichung von Martin et al.), deren Konfiguration und Anordnung eine Posi­ tionsbestimmung eines auftreffenden Ladungsträgerbündels ausreichen­ den Querschnitts ermöglicht. Soweit beschrieben, ist der Strahlungs­ detektor bekannt.

Gemäß der Erfindung besteht das Substrat 20 aus einem transparen­ ten Werkstoff, wie Glas. Ferner bestehen die Elektroden der Elektrodenanordnung 18 aus einem elektrisch leitenden und transpa­ renten Werkstoff. Weiterhin ist zumindest auf den Elektroden, vorzugsweise auf der ganzen elektrodenseitigen Oberfläche der Elektroden-Substrat-Anordnung eine Schicht 22 aus einem Lumines­ zenzmaterial (Leuchtstoff) angeordnet, wie in Fig. 2 genauer dargestellt ist. Das Lumineszenzmaterial kann in bekannter Weise aus einer dotierten Halbleiterverbindung, wie CdSe/Ag, bestehen.

Die Elektroden der Elektrodenanordnung 18 bestehen z. B. aus einem Metall, wie Au; aus ggf. mit einem Nichtmetall, wie Fluor, dotierten Metalloxiden, wie SnO₂, In₂O₃, RuO und sogenannten "organischen Metallen" wie Polycarbazolen, Polyphenothiazinen (mit Jod dotiert), welche in Form einer dünnen Schicht durchsichtig oder zumindest durchscheinend sind. Bevorzugt wird derzeit ein Gemisch von Indium­ oxid und Zinnoxid. Das Verhältnis von Indium zu Zinn beträgt vorzugsweise etwa 20:1. Das Zinnoxid liegt vorzugsweise ausschließ­ lich in der Form von SnO₂ vor, während das Indiumoxid in allen Oxidationsstufen In₂O₃...InO auftreten kann.

Die Indiumoxid-Zinnoxidschicht kann chemisch aus der Gasphase durch CVD (Chemical Vapor Deposition) oder durch ein Sprühverfahren in bekannter Weise niedergeschlagen werden.

Die Elektrodenanordnung 18 gestattet es, die Position und Inten­ sität von auftreffenden Elektronenimpulsen in bekannter Weise mittels einer Signalverarbeitungseinheit 24 zu erfassen, die z. B. ein digitales Ausgangssignal liefert. Mit dem Strahlungsdetektor gemäß der Erfindung ist jedoch außerdem auch eine gleichzeitige optisch-elektronische Signalerfassung möglich. Hierzu ist bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel auf der der Elektrodenan­ ordnung 18 abgewandten Seite des durchsichtigen Substrats 20 ein opto-elektronisches Bildaufnahmesystem 26 angeordnet, welches ein nur schematisch angedeutetes Objektiv 28 sowie eine Fernsehkamera 30 enthält, die z. B. mit einem Vidicon oder einer ladungsgekop­ pelten Einrichtung (CCD) arbeiten kann und ein Videosignal liefert, welches die von der Leuchtstoffschicht 22 erzeugte optische Strahlungsverteilung darstellt. Anstelle des optisch-elektronischen Bildaufnahmesystems 26 oder zusätzlich zu diesem können auch Mittel zur visuell-optischen Betrachtung und/oder photographischen Registrierung des durch die Lumineszenzschicht 22 erzeugten sichtbaren Bildes vorgesehen sein, z. B. ein Okular 34 und ein zwischen dem Substrat 20 und dem Objektiv 28 angeordneter teildurchlässiger Spiegel 36.

Eine vorteilhafte Elektrodenanordnung, die im Prinzip aus der Veröffentlichung von Martin et al. (l.c.) bekannt ist, ist in den Fig. 3 bis 6 dargestellt. Fig. 3 zeigt die Elektrodenanordnung als Ganzes. In den Fig. 4, 5 und 6 sind die drei Elektroden 18a, 18b und 18c der Elektrodenanordnung getrennt dargestellt.

Die in Fig. 4 dargestellte erste Elektrode 18a mit einem Anschluß A besteht aus einer kammartigen Anordnung von Streifen mit von links nach rechts abnehmender Breite. Die in Fig. 5 dargestellte zweite Elektrode 18b mit einem Anschluß B enthält eine Anordnung gleicher keilförmiger Elektrodenteile, die in die Zwischenräume zwischen die Streifen der Elektrode 18b hineinreichen. Zwischen den vorspringenden Elektrodenteilen der Elektroden 18a und 18b befindet sich eine dritte, mäanderförmige Elektrode 18c, die bei der Elektrodenanordnung gemäß Fig. 3 den Zwischenraum zwischen den Elektroden 18a und 18b einnimmt und zwei Anschlüsse C, C′ hat. Die Breite der in Fig. 3 oberen, im wesentlichen V-förmigen Enden der Mäanderwindung nimmt von links nach rechts zu, außerdem ändert sich das Verhältnis der Breiten der Schenkel dieser Windungen in der aus Fig. 6 ersichtlichen Weise.

Die Erfindung läßt sich selbstverständlich auch mit anderen Elektro­ denkonfigurationen realisieren, z. B. anderen Konfigurationen, die in der erwähnten Veröffentlichung von Martin et al. beschrieben sind sowie auch mit einer Widerstandselektrode der eingangs erwähnten Art. Sie läßt sich nicht nur bei Positionsdetektoren der beschriebe­ nen und erwähnten Art anwenden, sondern auch z. B. bei Feldionenmi­ kroskopen, Transmissions-Rastermikroskopen, Röntgenmikroskopen, Bildwandlern und -verstärkern, wie Nachtsichtgeräten, Bildaufnahme­ einrichtungen für astronomische Zwecke, LEED-Systeme (low energy electron diffraction) u. a. m.

Claims (10)

1. Positionsempfindlicher Detektor mit einem Substrat (20) und einer auf einer Oberfläche des Substrats angeordneten Elektro­ denanordnung (18), deren Konfiguration und Anordnung eine Positions­ bestimmung eines auf sie auftreffenden Ladungsträgerbündels (16) gestattet, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) die Elektrodenanordnung (18) aus einem transparenten, elektrisch leitenden Material besteht;
• b) das Substrat (20) aus einem transparenten Material besteht; und
• c) auf der vom Ladungsträgerbündel beaufschlagten Seite der Elek­ trodenanordnung (18) eine Leuchtstoffschicht (22) vorgesehen ist, die die Elektrodenanordnung (18) bedeckt.

2. Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leuchtstoffschicht (22) auch elektrodenfreie Bereiche der Oberfläche des (20) bedeckt.

3. Detektor nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung (26; 34, 36) zur optischen Erfassung der von der Leuchtstoffschicht (22) erzeugten optischen Strahlungsverteilung.

4. Detektor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (26; 34, 36) zur optischen Erfassung ein opto-elektronisches Bildaufnahmesystem (26) enthält.

5. Detektor nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeich­ net, daß die Vorrichtung zur optischen Erfassung eine Vorrich­ tung (34, 36) zur visuellen Betrachtung der optischen Strah­ lungsverteilung enthält.

6. Detektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Elektrodenanordnung (18) ein Kanalplatten-Sekundärelektronenvervielfacher (14) angeordnet ist.

7. Detektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die transparente Elektrodenanordnung (18) aus einem Gemisch von Indiumoxid und Zinnoxid besteht.

8. Detektor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von Indium zu Zinn etwa 20:1 beträgt.

9. Detektor nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeich­ net, daß Zinnoxid als SnO₂ vorliegt, während das Indiumoxid in verschiedenen Oxidationsstufen vorliegt.

10. Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenanordnung (18) eine aus Widerstandsmaterial bestehende Elektrode enthält.