DE3850290T2 - Mehrkanalplatten-Elektronenvervielfacher. - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft Mehrkanal-Elektronenvervielfacher-Glasplatten. Insbesondere bezieht die Erfindung sich auf ein Verfahren zum reihenweise Verbinden von Mehrkanal-Elektronenvervielfacher-Glasplatten, wobei die Kanäle einer Platte in die Kanäle der anderen Platte münden.
• Bekannt aus GB-A-1 126 088 ist es, zwei Mehrkanal-Elektronenvervielfacher-Glasplatten in Reihe zu schalten, wobei die Kanäle in einer Platte einen Winkel mit den Kanälen der anderen Platte einschließen. Ein derartiges Kanalplattenpaar ist beim Unterdrücken von Ionen- oder Strahlungsrückkopplung vom intensivierten Ausgang der Platten nach dem Eingang der Platten wirksam. Mehr als zwei Platten können in einem Stapel in Reihe unter Winkeln zwischen den Kanälen bei jeder Plattenschnittstelle zum weiteren Verbessern der Rückkopplungsaustastung angeordnet werden. Ein derartiger Kanalplattenstapel kann in Bildverstärkern oder in Partikel- oder Photonenzählgeräten oder als Rasterverstärker in einer Kathodenstrahlbildwiedergaberöhre verwendet werden.
• Weiter ist in FR-A-2 427 683 ein Verfahren zum Verbinden von Mehrkanal-Elektronenvervielfacher-Glasplatten in Reihe beschrieben, mit dem benachbarte Platten unter Verwendung von Metall aneinander befestigt werden, das in die Kanäle der Platten eindringt. Mit diesem Verfahren wird ein dünner Metallring zwischen aufeinanderfolgenden Platten eingeführt und ein Druck auf die Platten ausgeübt, während die Temperatur der Einheit auf einen Wert nahe bei der Schmelztemperatur des Metallrings, aber niedriger als diese Temperatur erhöht wird.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen derartigen Kanalplattenstapel als starre mechanische Struktur zum Stabilisieren der mechanischen und elektronischen Leistung des Stapels zu schaffen.
• Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Verbinden von Mehrkanal- Elektronenvervielfacher-Glasplatten in Reihe, wobei die Kanäle einer Platte in die Kanäle der anderen Platte münden, ist dadurch gekennzeichnet, daß Schritte zum Bedecken von Flächen der zu verbindenden Platten mit Indium, zum Anbringen der Flächen ihm gegenüber und zum Ausüben von Druck zwischen diesen Platten beim Erhöhen der Temperatur der Platten von zwischen 130 und 350ºC und anschließend zum Aufrechterhalten des Drucks beim Reduzieren der Plattentemperatur auf Umgebungstemperatur umfaßt. Auf diese Weise wird eine massive Struktur verwirklicht, in der die relativen Positionen der Kanalöffnungen in den beiden Platten dauerhaft gemacht sind. Nichrom-Elektroden (eingetragenes Warenzeichen) werden durch Aufdampfen auf den Außenflächen des entstandenen Kanalplattenstapels angeordnet. Im Betrieb wird ein Potentialunterschied zwischen den Außenflächen derart angelegt, daß typisch eine Spannung von etwa 1000 V an jede Platte des Stapels angelegt wird. Die Verbindungsschicht aus Indium zwischen zwei Platten, die leiten, dient zum Erzeugen einer Äquipotentialebene bei jeder Plattentrennebene und bildet so den Potentialgradienten längs den Kanälen.
• Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß die Indiumbeschichtung durch Aufdampfen aus einer erhitzten Indiumquelle in einem Vakuum angebracht wird. Wünschenswert dabei ist, das Indium auf den Kanal unter einem Winkel, beispielsweise von 45 Grad, mit dem Schirmträger aufzudampfen, so daß das Indium um einen Kanaldurchmesser tief in jeden Kanal eindringt. Durch die Drehung der Platte in ihrer eigenen Ebene beim Aufdampfen wird eine gleichmäßige Durchdringung von Indium um jedes Kanalende herum erhalten. Zuverlässige elektrische Verbindung wird also für jeden Kanal erhalten.
• Auf andere Weise ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, daß die Indiumbeschichtung durch Plasmazerstäubung aus einem Indiumtarget angebracht wird.
• Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß ein Ringdistanzstück zwischen den benachbarten Kanalplatten für ihre Trennung angebracht wird, wobei die Flächen des Distanzstücks mit Indium bedeckt und mit den Rändern der Kanalplatten verbunden werden. Der Effekt der Trennung ist die Verbesserung des Elektronenempfangs in den Kanälen einer Platte nach dem Verlassen der Kanäle der anderen Platte, indem eine geringe Streuung der Elektronen im Trennspalt gewahrt wird.
• Die Kanalplattenränder können zur Verbesserung der Verbindung aus massivem Glas hergestellt sein. Das Distanzstück kann metallisch sein oder derart isolierend, daß ein Potentialunterschied über den vom Distanzstück erzeugten Spalt entsteht. Die Dicke des Ringdistanzstücks hat die Größenordnung von mehreren Kanaldurchmessern.
• Ein Stapel von Mehrkanal-Elektronenvervielfacher-Glasplatten, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren miteinander verbunden werden, kann zum Verstärken der Elektronenströme verwendet werden, die in Partikelzählgeräten, in Photonenzählgeräten oder in einer Kathodenstrahlbildwiedergaberöhre mit einer Kanalplatte zum Verstärken des Wiedergaberasters erzeugt werden.
• Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen
• Fig. 1 einen stark vergrößerten schematischen Querschnitt durch die Flächen der beiden miteinander zu verbindenden Kanalplatten,
• Fig. 2 zwei miteinander verbundenen Kanalplatten mit einem zwischengelegten isolierenden Distanzstück,
• Fig. 3 ein Photonenzahlgerät mit einem verbundenen Kanalplattenstapel, und
• Fig. 4 einen Querschnitt durch eine gefaltete Elektronenbündel-Kathodenstrahlbildwiedergaberöhre mit einem verbundenen Kanalplattenstapel als Rasterverstärker.
• In Fig. 1 ist ein schematischer Querschnitt durch die Flächen 6 und 7 der zwei Mehrkanalglasplatten in Vorbereitung zum Verbinden miteinander dargestellt. Die Kanalplatte 1 enthält die Kanäle 2 beispielsweise mit einem Durchmesser von 100 um. In diesem Beispiel, wobei der Mittenabstand der Kanäle 108 um beträgt, werden die Kanäle in einem Recheckfeld von Zeilen und Spalten gestapelt. In Fig. 1 sind daher keine größeren Bereichsflächen aus Glas zwischen jedem Viereckfeld von vier benachbarten Kanälen dargestellt. Die Kanalplatte wird durch das Zusammenschmelzen eines Stapels von Glasstäben hergestellt, wobei jeder Stab ein Kernglas und ein umgebendes Umhüllungsglas enthält. Das Kernglas wird dabei unter Verwendung eines Ätzmittels ausgeätzt, dem das Umhüllungsglas widerstandsfest ist. Das Umhüllungsglas kann Bleioxid (PbO) und einen geringen Prozentsatz von Wismutoxid (Bi&sub2;O&sub3;) enthalten, an dem ein Wasserstoffsreduktionsprozeß in einer richtigen Stufe bei der Plattenherstellung durchgeführt wird. Hierdurch entsteht eine widerstandsfähige Schicht auf der Innenwandung jedes Kanals entsprechend der Beschreibung in GB-A-1 168 415. Diese widerstandsfähige Schicht liefert einen Potentialgradienten in jedem Kanal, wenn ein Potentialunterschied zwischen den Endflächen angelegt wird, wobei eine durchgehende Dynode für Sekundärelektronenvervielfachung angebracht wird.
• Eine aufgedampfte Schicht 4 aus Indium wird auf der Kanalwandung 3 dargestellt, die nach unten in die Kanäle durchdringt und sich über die Enden 5 der Kanalwandung in der Fläche 6 erstreckt. Verdampfung erfolgt von einer Quelle unter einem Winkel von 45º mit der Fläche 6 aus, wobei die Fläche 6 in ihrer eigenen Ebene gedreht wird, wobei gewährleistet ist, daß das Indium gleichmäßig um einen Kanaldurchmesser tief um die Innenseite der Kanäle herum durchdringt. Die Dicke des Indiums liegt zwischen 0,1 und 2 um. Auf andere Weise kann die Indiumschicht durch Plasmazerstäubung aus einem Indiumtarget angebracht werden, das ebenfalls gleichmäßige Kanaldurchdringung erzeugt.
• In diesem Beispiel enthält die zweite Kanalplatte 8 Kanäle 9 mit einem Durchmesser von 25 um und einem Mittenabstand von 36 um, wobei die Kanäle in dieser Platte ebenfalls in einem Rechteckfeld von Zeilen und Spalten gestapelt sind. Eine 1 um dicke Indiumschicht 10 wird auf die Fläche 7 genauso aufgedampft, wie die auf die Fläche 6 aufgedampfte Schicht, wobei das Aufdampfen um einen Kanaldurchmesser tief nach unten in die Kanäle eindringt.
• Wenn die Flächen 6 und 7 zum Verbinden zusammengebracht werden, wird nur ein geringer Bruchteil des Bereichs jeder Fläche beim Verbinden mit einbezogen. Der Kontakt zwischen den Flächen wird auf dem Kontakt zwischen Kanalwandungsenden oder zwischen den Glasflächen zwischen jedem Viereckgebiet von vier benachbarten Spalten und anderen Flächen oder Kanalwandungsenden begrenzt.
• Die Flächen 6 und 7 werden in der horizontalen Ebene zusammengebracht, wobei zwischen ihnen durch ein Gewicht Druck ausgeübt wird. Die Platten werden miteinander verschmolzen, indem sie auf eine Verbindungstemperatur zwischen 130 und 350ºC gebracht und unter Druck einige Stunden lang auf dieser Temperatur gehalten werden. Für eine Verbindungstemperatur von 350ºC soll das Gewicht einer Kanalplatte mit einem Durchmesser von 36 mm wenige Kilogramm betragen, währen bei einer 130ºC Verbindungstemperatur das Gewicht für die Platte mit der selben Abmessung etwa 10 bis 30 kg betragen soll. Die verschmolzene Platte wird darnach auf Umgebungstemperatur abgekühlt, während der Druck aufrechterhalten und auf eine Vakuumkammer übertragen wird. Nichrom-Elektroden (eingetragenes Warenzeichen) werden auf den Außenflächen des Stapels aufgedampft, wobei die Aufdampfquelle in einer Richtung von 450 mit den Flächen steht und der Stapel gedreht wird, um gleichmäßiges Eindringen der Elektrodenschicht nach unten in jeden Kanal zu gewährleisten. Der vollständige Stapel wird darauf in einem demontierbaren Vakuumaufbau unter Verwendung einer Elektronenflutkathode zum Liefern eines Elektroneneingangsstroms nach der Eingangsfläche des Stapels geprüft (in diesem Beispiel die Kanäle mit großem Durchmesser), und wird eine Leuchtschirmanode in 1 mm Entfernung von der Austrittsfläche zur Lieferung eines Bildes der Austrittsfläche angeordnet. Ein Vorteil des zusammengekitteten Stapels ist, daß Qualitätsprüfung daran ausführbar ist, ohne das dabei Störungen in den relativen Positionen der Platten bei der späteren Behandlung auftreten.
• Es sei bemerkt, daß, wenn die Kanäle in den zwei Platten des Stapels einen gleichen Mittenabstand haben, das Ausrichten der Kanäle in den zwei Platten durch die unausweichlichen geringen Änderungen im Kanalabstand über eine Kanalplatte nicht möglich ist. In den meisten Fällen würde eine erste Kanalplatte Elektronen mehr als nur einem zweiten Plattenkanal zuführen.
• In einigen Anwendungen werden benachbarte Platten im Stapel für die Kontaktierung bevorzugt. In diesem Fall ist der ganze zu verbindende Plattenflächenbereich mit Indium bedeckt. Jedoch wird in anderen Anwendungen ein Spalt zwischen benachbarten Platten bevorzugt. Dafür kann ein dünnes Ringdistanzstück oder eine dünne Zwischenscheibe zwischen benachbarten Kanalplatten vorgesehen werden, um den Spalt zu bilden. Das Distanzstück kann ein Isolator aus Quarz, aus Glas oder Keramik sein, wenn elektrische Isolierung zwischen den Platten erforderlich ist, oder es kann ein Leiter aus rostfreiem Stahl sein. Jedenfalls kann das Distanzstück mittels Indiumschichten auf dem Distanzstück und auf der Plattenfläche mit den Platten verkettet werden. Die exponierte Fläche im Ringdistanzstück wird dabei mittels eines Metalls mit einer Elektrode versehen, die die Indiumverbindung kontaktiert, um Herstellung einer elektrischen Verbindung mit der Flächenelektrode zu ermöglichen. In Fig. 2 sind die mit einem isolierenden Ringdistanzstück 11 zusammengekitteten Kanalplatten der Fig. 1 dargestellt. Das Distanzstück 11 kann 50 bis 200 um dick sein. Beide Flächen des Distanzstücks werden wie die einander gegenüberliegenden Teile der Kanalplattenflächen mit Indium bedeckt. Die Teile der Kanalplattenflächen im Ring werden mittels eines Metalls mit einer Elektrode versehen, die die Indiumbeschichtung kontaktiert, und der zusammengesetzten Plattenstapel und das Distanzstück werden auf obige Weise anhand der Fig. 1 zusammengekittet. Beim Übergang zwischen dem Distanzstück und jeder Platte werden geeignete indiumbeschichtete Zwischenscheiben (nicht dargestellt) mit elektrischen Verbindungsfahnen 23 und 25 nach den Klemmen 21 bzw. 22 versehen.
• Die Streuung des Elektronenstroms aus einem Kanal erhöht jetzt den Anteil von Elektronen, die in Kanäle in der zweiten Platte eintreten. Auch können für bessere mechanische Festigkeit die Ränder der Kanalplatten aus massivem Glas sein, mit dem das Distanzstück danach verbunden wird. Das Distanzstück kann metallisch sein, wenn elektrische Isolierung zwischen den Platten nicht erforderlich ist. Mit einem isolierenden Distanzstück nach Fig. 2 kann ein elektrisches Potential zwischen den zwei einander gegenüberliegenden Flächen der Platten zum Beschleunigen von Elektronen aus der ersten Platte erzeugt werden. Beim Streifen der zweiten Platte an den Kanalenden oder Flächen, werden Sekundärelektronen erzeugt, von denen ein Anteil in die Kanäle der zweiten Platte hineingezogen wird, wodurch die Elektronenkopplung zwischen den Platten sich verbessert. In Partikel- oder Photonenzählanwendungen ermöglicht die Streuung von Strömen in den Kanälen in der Endplatte durch eine einzige Punktquellenerscheinung an der Eingangsplatte Computerortung der Position der Erscheinung, wodurch ein Teil der ursprünglichen Ereignisauflösung wirksam wiederhergestellt wird. Auf andere Weise kann Sperrichtungsbetrieb von 200 bis 300 V zwischen den einander gegenüberliegenden Flächen angelegt werden. Dies hat die Auswirkung eines Ausfilterns von Elektronen niedriger Geschwindigkeit aus der ersten Platte und reduziert Bildrückgang in einigen Anwendungen.
• In Fig. 3 ist ein Photonenzählgerät mit einem zusammengekitteten Stapel von drei Kanalplatten dargestellt. Eine Photokathode 12 ist an der Innenseite eines transparenten Eingangsfensters 13 eines Vakuumkolbens 14 dargestellt. Ein Stapel 16 von drei Kanalplatten wird mit seiner Eingangsfläche 17 nahe bei der Photokathode 12 und eine Leuchtschirmanode 18 nahe bei der Ausgangsfläche 19 angeordnet. Benachbarte Kanalplatten des Stapels schließen mit ihren Kanälen einen Winkel miteinander ein, wobei drei Platten auf diese Weise zum weiteren Reduzieren optischer und Ionenrückkopplung in diesem Gerät verwendet werden, der auf einer ausreichend hohen Verstärkung arbeiten soll, um einzelne Photonen detektieren zu können. Im typischen Betrieb werden 1000 V zwischen der Photokathode 12 und der Eingangsfläche 17, 2000 bis 3000 V an den verkitteten Stapel und 5000 V zwischen der Anode 18 und der Ausgangsfläche 19 angelegt. Die Anode 18 kann an einer Fernsehkamera (nicht dargestellt) abgebildet werden, deren Videowellenform zum Detektieren von Photonenerscheinungen computeranalysiert werden können.
• Partikelzahlgeräte sind weitgehend gleich dem Gerät nach Fig. 3 mit der Ausnahme, daß die Photokathode nicht vorhanden und dafür gesorgt ist, daß die einfallenden Partikel direkt auf die Eingangsfläche 17 landen, wobei Sekundärelektronen erzeugt und in und über die Vervielfacherkanäle hineingezogen werden. In Erdsatellitenanwendungen ist kein Vakuumkolben erforderlich. Partikeln aus dem All landen dabei direkt auf die Eingangsfläche.
• In Fig. 4 ist die Anwendung dieser Erfindung in einer flachen Kathodenstrahlwiedergaberöhre vom Typ nach GB-A-2 101 396 dargestellt. Ein Niederspannungs/Niederstrom-Elektronenbündel 41 wird in einem Elektronenstrahlerzeuger 26 erzeugt und passiert nach oben durch ein feldfreies Gebiet zwischen einem Teiler 40 und der Rückwand 43 des Kolbens. Horizontalablenkmittel 42 sind im Bereich zwischen dem Teiler 40 und der Rückwand 43 angeordnet. Der Teiler 40 erstreckt sich nicht über die ganze Höhe des Kolbens und im restlichen Raum wird das Elektronenbündel über 1800 unter Verwendung einer trogförmigen Elektrode 44 reflektiert, die eine Niederspannung beispielsweise von 0 V in bezug auf die Endanodenspannung von beispielsweise 400 V des Elektronenstrahlerzeugers 26 führt. Da das Elektronenbündel 41 eine Bahn zwischen dem Teiler 40 und einem Glaskanalplattenelektronenvervielfacher 20 verfolgt, wird es nach dem Elektronenvervielfacher 20 von einem Feld abgelenkt, das zwischen einer Anzahl im wesentlichen horizontaler Elektroden 46 auf dem Teiler 40 erzeugt wird. Nach der Stromvervielfachung erfährt das Elektronenbündel aus jedem Kanal des Elektronenvervielfachers den Einfluß eines Beschleunigungsfeldes zum Erzeugen der erforderlichen Lichtausbeute aus dem Kathodolumineszenzschirm 24 auf dem transparenten Schirmträger 45 des Kolbens.
• Der Elektronenvervielfacher 20 enthält einen Matrixkanalplattenelektronenvervielfacher aus Glas mit zwei Kanalplatten 50 und 51, die in Reihe zusammengekittet sind. Die Durchmesser der Kanäle der Platten 50 und 51 sind typisch die nach der Beschreibung anhand der Fig. 1, Platten 1 bzw. 8. Ein im wesentlichen durchgehender elektrisch leitender Film 48 ist auf der Eingangsseite des Elektronenvervielfachers 20 angebracht.

Claims (11)

1. Verfahren zum Verbinden von Mehrkanal-Elektronenvervielfacher- Glasplatten in Reihe, wobei die Kanäle einer Platte in die Kanäle der anderen Platte münden, dadurch gekennzeichnet, daß Schritte zum Bedecken von Flächen der zu verbindenden Platten mit Indium, zum Anbringen der Flächen in Gegenüberstellung und zum Ausüben von Druck zwischen diesen Platten beim Erhöhen der Temperatur der Platten von zwischen 130 und 350ºC und anschließend zum Aufrechterhalten des Drucks beim Reduzieren der Plattentemperatur auf Umgebungstemperatur umfaßt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Indiumbeschichtung durch Verdampfen aus einer erwärmten Indium-Quelle in einem Vakuum angebracht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Indiumbeschichtung durch Plasmazerstäuben aus einem Indium-Target in einem Vakuum angebracht wird.

4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ring-Distanzstück (11) zwischen den benachbarten Kanalplatten (1, 8) für ihre Trennung angebracht ist, wobei die Flächen des Distanzstücks mit Indium beschichtet und mit den Rändern der Kanalplatten verbunden sind.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanalplattenränder aus massivem Glas bestehen.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Distanzstück (11) ein Isolator ist, daß die Kanalplattenflächen im Ring-Distanzstück als Elektrode mit einem Metall im Kontakt mit dem Indium versehen sind, und daß die getrennten elektrischen Verbindungen (23, 25) auf den einander gegenüberliegenden Kanalplattenflächenelektroden angebracht sind.

7. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Distanzstück metallisch ist.

8. Stapel von Mehrkanal-Elektronenvervielfacher-Glasplatten (1, 8), die in Reihe mit den Kanälen (2) einer in die Kanäle (9) einer anderen Platte mündenden Plattenöffnung miteinander verbunden werden, wobei die einander gegenüberliegenden Flächen der Platten mit Indium (4, 10) bedeckt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Platten durch Beschichten der Flächen der Platten mit Indium verbunden werden, wobei die Flächen in Gegenüberstellung und unter gleichzeitigem Ausüben von Druck und Erhöhen der Temperatur der Platten auf eine Temperatur zwischen 130 und 350ºC, und durch Festhalten des Drucks beim Reduzieren der Plattentemperatur auf Raumtemperatur angeordnet werden können.

9. Partikelzahlgerät mit einem Stapel von Glas-Kanalelektronenvervielfacherplatten, leitenden Elektroden auf Endflächen des Stapels, zwischen denen ein Potentialunterschied angelegt werden kann, einer Anode neben einer Ausgangsendfläche des Stapels zum Einfangen von Elektronen aus den Kanälen und Mitteln zum Richten der zu zählenden Teilchen auf die Stapeleingangsendfläche, dadurch gekennzeichnet, daß der Stapel der Glaskanalplatten einen Stapel nach Anspruch 8 enthält.

10. Photonenzählgerät mit einem Stapel von Glas-Kanalelektronenvervielfacherplatten, leitenden Elektroden auf Endflächen des Stapels, zwischen denen ein Potentialunterschied angelegt werden kann, einer Anode neben einer Ausgangsendfläche des Stapels zum Einfangen von Elektronen aus den Kanälen und eine Photokathode neben eine Eingangsendfläche des Stapels zum Liefern von Elektronen nach die Eingangsendfläche in Beantwortung von auf die Photokathode ankommenden Photonen, dadurch gekennzeichnet, daß der Stapel der Glaskanalplatten einen Stapel nach Anspruch 8 enthält.

11. Kathodenstrahlbildwiedergaberöhre mit einer Glas-Kanalelektronenvervielfacher, leitenden Elektroden auf einer Eingangsendfläche und einer Ausgangsendfläche des Vervielfachers, zwischen denen ein Potentialunterschied angelegt werden kann, Mitteln zum Abtasten eines Elektronenbündels über die Eingangsendfläche zum Erzeugen eines Bildrasters und einem Leuchtschirm neben der Ausgangsendfläche zum Empfangen eines vervielfachten Elektronenbildraster, dadurch gekennzeichnet, daß der Glaskanalelektronenvervielfacher einen Stapel nach Anspruch 8 enthält.