DD156340A3

DD156340A3 - Temporal disperse sensorroehre

Info

Publication number: DD156340A3
Application number: DD21762179A
Authority: DD
Inventors: Hartmut Lucht
Original assignee: Hartmut Lucht
Priority date: 1979-12-13
Filing date: 1979-12-13
Publication date: 1982-08-18
Also published as: JPH0227779B2; JPS56112060A; SU1191979A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine temporal disperse Sensorroehre, die zur unmittelbaren Messung von lichtoptischen Vorgaengen mit geringer Zeitdauer dient. Ziel der Erfindung ist es, bei der Messung von schnellen lichtoptischen Vorgaengen hoechste zeitliche und eindimensionale bildliche Aufloesung mit hoher Lichtempfindlichkeit und geringerem Aufwand als bisher zu erreichen. Der Erfindung liegt die Augabe zugrunde, eine temporal disperse Sensorroehre herzustellen, die es ermoeglicht, bei der Messung schneller lichtoptischer Vorgaenge eine direkte Umwandlung der Elektronenenergie in elektrische Signale vorzunehmen, sowie Messungen geringer Lichtintensitaeten gestattet. Erfindungsgemaess wird dies bei einer temporal dispersen Sensorroehre dadurch erreicht, dass in Strahlrichtung in der Sensorroehre hinter Fotokatode, Anode, Fokussieroptik und den Ablenkelektroden eineHalbleiterdetektormatrix zum Nachweis der beschleunigten und abgelenkten Fotoelektronen angeordnet ist. Die Erfindung ist ueberall dort anwendbar, wo eine Messungultrakurzer Lichtimpulse erforderlich ist.

Description

Temporal disperse Sensorröhre

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf eine temporal disperse Sensorröhre, die zur unmittelbaren Messung von lichtoptischen Vorgängen mit geringer Zeitdauer dient und insbesondere bei Geräten, die für die Messung ultrakurzer Lichtirapulse_s beispielsweise :ultrakurzer Laserimpulse, Fluoreszenzlichtimpulse und Lichtimpulse von Plasmaentladungen bestimmt sind. Anwendung findet«

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen .

Die US-PS 3761614 beschreibt eine elektronenoptische Bildröhre _β Ausgehend von einer Fotokatode werden die Fotoelektronen durch eine Elektrode, bestehend aus einem Drahtgitter in unmittelbarer Nähe der Katode, abgesaugt. Dem Gitter schließt sich eine Elektrode zur elektrostatischen Fokussierung, die Anode, ein Blendensystem, Ablenksystem und der Phosphorschirm an» Bei fehlender Spannung an dem Ablenksystem wird ein Bildstreifen geringer Höhe auf der Fotokatode scharf auf den Fotoschirm abgebildet. Zur Messung schneller lichtoptischer Vorgänge wird die Spannung an dem Ablenksystem so gewählt, daß beim Beginn des lichtoptischen Vorganges das schmale Bild auf die Oberkante des Fotoschirmes abgebildet wird* Die Spannung an dem Ablenksystem ändert sich nun mit der Zeit derart, daß innerhalb kurzer Zeit, zum Beispiel einer Nanosekunde, das Bild der Fotokatode von der Oberkante zur ünterkänte des Phosphorschirms bewegt wird«

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Das entstellende Bild kann mit einer Fotokamera oder mit einer Vidiconkaniera aufgenommen werden und erlaubt eine zeitliche Auflösung von einigen Pikosekunden. Die Verstärkung der Strahlungsleistung·liegt in der Regel in Abhängigkeit von dem Material der Fotokatode und des Phosphors bei einer Anodenspannung von 10 kV zwischen 1 und 40. Die Verstärkung der Strahlungsleistung, ist der Quotient aus der gesamten Ausgangsstrahlungsleistung durch die einfallende Strahlungsleistung beim Maximum der spektralen Empfindlichkeit der Fotokatode. Bei der Abbildung des Bildes des Phosphorschirmes auf den Fotofilm oder auf das Vidicon geht Licht verloren, so daß die gesamte Verstärkung der Strahlungsleistung kleiner wird«, line wesentliche Verbesserung der Verstärkung dieser elektronenoptischen Bildröhren kann erzielt werden, indem vor dem Phosphorschirm eine sogenannte Micro-Channel-Plate angeordnet wird« Die einzelnen Kanäle der Mi cro-Channe !«-Plate arbeiten wie Channe!multiplier und gestatten große Verstärkung. Elektronenoptische Bildröhren mit Mierο-Channel-Piate erzielen Verstärkungen der Strahlungsleistung von einigen 10-^.

Ferner sind Verfahren zur Messung lichtoptischer Vorgänge im ps-Bereich bekannt, die nichtlineare optische Methoden benutzen. Zum Beispiel kann zwei-Photonen-Fluoreszenz erzeugt werden, die von der Intensitäts-Autokorrelation Gebrauch macht, oder es können die zweiten Oberschwingungen der Laserimpulse erzeugt und die Autokorrelationsmethode ebenfalls zum Messen der Impulsdauer verwendet werden_e Kachteile dieser Methoden sind, daß die erzeugten Abbilder nicht eindeutig die/ Impulsform des Laserimpulses wiedergeben und Impulse geringer Intensität nicht gemessen werden können. Zur Untersuchung von Fluoreszenz sind diese Verfahren generell ungeeignet.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, bei der Messung von schnellen lichtoptischen Vorgängen höchste zeitliche und eindimensionale bildliche Auflösung -mit hoher Lichtempfindlichkeit und geringerem Aufwand als bisher zu erreichen.

Darlegung dee Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde„ ©ine temporal disperse Senaorrühre herzusteilen_t die es ermöglicht, bei der Messung schneller liehtoptiscber Vorgänge eine direkte UsiFiaxidlung der Elektronenenergie in elektrische Signale vorzunehmen j, und auf die uneffektive Umwandlung der Elektronenenergie in Phosphoressenslicht und deren Registrierung durch eine Fotokamera oder Ti&iconkamera verzichtet, sowie''-'Messungen geringer Lichtinteasitäten gestattet_P die bei niehtlinearen. optischen Meßmethoden, bedingt durch das dabei verwendete Heßprinzip_? nicht isöglieh sind»

Erfindungsgeisäß wird das bei einer temporal dispersen Sen-Gorröhr© zur Messung schneller lichtoptischer Torgänge durch Abtasten, eines Spaltbildes, wobei die Röhre eine Fotokatode, mindestens eine Beschleunigungselektrode öder Anode, Ablenkelektroden und eine Fokus si eropti'k für den Elektronenstrahl enthält_a dadurch erreicht, daß in Strahlriehtung in der Sensorröhre die erste Beschleunigungselektrode oder die Anode in unmittelbarer labe der Potokatod© angeordnet ist» wobei die Beschleunigungselektrode oder die Anodjs eine Vorspannung für Elektronenenergie der Größenordnung von 10 keV und darüber besitzen, daß die den Elektronenstrahl senkrecht zur Spaltorientierung auslenkenden Ablenkelektroden parallel zum Spalt angeordnet sind, und daß sich hinter der Fokussieroptik und den Ablenkelektroden die den inneren fotoelektrischen Effekt ausnutzende Halbleiterdetektonaatrix zuxa Hachweis der beschleunigten und abgelenkten Potoelektronen befindet, deren Detektorabuaße senkrecht zum Bild des Spaltes auf der Halbleiterdetektonaatrix und kleiner gleich dem Bild des ausgeleuchteten Spaltes der Fotokatode sind_e Die Detektormatrix kann ein© Silisiumdiodenmatrix eines Vidicons sein, wobei das Vidicon zusätzlich in der Röhr© angeordnet ist» Ausgehend von der Fotokatpde werden Fotoelektronen eines Spaltbildes geringer Höhe durch Beschleunigungeelektroden oder durch die Anode abgesaugt und auf hohe Energie, zum Beispiel 10 ke¥, beschleunigte

Durch eine elektrische oder magnetische Fokussieroptik und elektrische Ablenkplatten oder Streifenelektroden v^erden die Fotoelektronen auf die Rückseite der Halbleiterdetektormatrix gelenkt, wobei die beschleunigten und abgelenkten Fotoelektronen durch inneren fotoelektrischen Effekt Ladungsträge rpaare erzeugen, wodurch Ladungsveränderungen in den einzelnen Detektoren verursacht werden und diese LadungsVeränderungen auf der Vorder- oder Plänarseite der Halbleiterdetektormatrix durch einen Elektronenstrahl eines Vidicons abgefragt werden« Die erste Beschleunigungselektrode oder Anode kann unmittelbar hinter der Fotokatode angeordnet sein und nur einen Spalt für hindurchfliegende Fotoelektronen besitzen* Die Spalthöhe des Spaltes der ersten Beschleunigungselektrode oder der Anode kann vorzugsweise in der Größenordnung der Zeilenhöhe der Halbleiterdetektormatrix liegen. Die Anordnung der Detektoren auf der Halbleiterdetektormatrix erfolgt in Zeilen und Spalten. Die Ablenkung erfolgt senkrecht zu den Zeilen, so daß die Höhe des Spaltbildes, die Zeilenhöhe, die Ablenkgeschwindigkeit, die Vergrößerung und der Abbildungsfehler des elektronenoptischen Systems für die erzielbare Zeitauflösung bestimmend sind» Die Spaltbildhöhe und der Fokusdurchmesser des die Halbleiterdetektormatrix abtastenden Elektronenstrahls liegt in der Größenordnung der Zeilenhöhe der Detektormatrix. Die Auflösung innerhalb der Zeile wird durch die Spaltenbreite der Halbleiterdetektormatrix, die Vergrößerung und die Abbildungsfehler des elektrooptischen Systems bestimmt. Übliche Diodenmatrizen besitzen ca* 500 Zeilen und Spalten. Mit einer Ablenkzeit für 5OO Zeilen von 1 ns kann somit eine zeitliche Auflösung von einigen Pikosekunden erreicht werden«, Das abbildende elektrooptisch^ System ist eine gemäß dem Stand der Technik bekannte elektrische oder magnetische Linsenanordnung.

Die Ablenkung der Elektronen wird durch übliche Ablenkplatten oder Streifenelektroden erreicht. Das System zur Abtastung der Halbleiterdiodenmatrix von der Vorder- oder Plänarseite entspricht dem eines Vidicons.

5 Als Potokatode dienen übliche Materialien wie Kombinationen Ma»-K-Os-Sb und Na-K-Sb für den ultravioletten und sichtbaren Bereich und Ag-O-Os für den sichtbaren und infraroten Bereiche

Die durch das elektrische !Feld der Anode beschleunigten Elektronen treffen auf die unbeschichtete blanke Rückseite der Ealbleiterdetektormatrix die vorzugsweise aus Silizium besteht und erzeugen pro 1 keV Energie ca* 300 Ladungsträge rpaare<. Dies gilt für Energien zwischen 5 und 10 keV und erfolgt in einem Volumen der Siliziumdetektormatrix» das sich bis zu einer Tiefe von ca. 1000 nm von der Rückseitenoberfläche erstreckte Ein wesentlicher Teil der erzeugten Ladungsträgerpaare rekombinieren an der Oberfläche des HaIbleiterplättchense Durch ein geeignetes durch Dotierung mit Fremdatoraen;auf der Rückseite in die Diodenmatrix eingebautes Driftfeld läßt sich der Rekombinationsverlauf an der Oberfläche senken, so daß ca« 200 der 300 Ladungsträgerpaare als Signal wirksam werden. Strahlungsschäden entstehen bei nicht zu hohen Intensitäten der Elektronen, die zu einer thermischen Aufheizung führen, im Bereich bis zu 1 MeV nicht« Weiterhin kann die temporal disperse Sensorröhre so aufgebaut sein, daß das Ablenksystem vor einer integrierten Halbleiter de tektormatrix von Dioden oder MIS-Kapazitä'ten in der Sensorröhre angeordnet ist und die Halbleiterdetektormatrix direkt elektrisch seriell oder wahlweise ladbar auf ihren Ladungszustand abfragbar ist« Die beschleunigten und abgelenkten Fotoelektronen treffen auf die unstrukturierte und unbeschichtete Rückseite der Halbleiterdetektormatrix, bilden im Halbleitervolumen Ladungsträgerpaare und rufen in den Dioden oder MIS-KapaZitaten Ladungsveränderungen hervor© Die temporal disperse Sensorröhre gestattet sowohl die Erzeugung der zeitlichen Dispersion als auch eine eindimensionale Bildauflösung in einer Röhre mit hoher Lichtempfindlichkeit, so daß noch einzelne Photonen nachgewiesen werden können. Bisher waren hierzu ein zeitlich auflösender Bildwandler und ein Vidicon erforderlich«'

Durch die hohe Energie der Elektronen in der Ablenkeinheit lassen sich die Laufzeitdispersion der Elektronen und die Laufzeit innerhalb der Ablenkplatten gering halten und so ein günstiges zeitliches Auflösungsvermögen erzielen»

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden«,

In der dazugehörigen Figur ist ein Schnitt durch eine temporal disperse Sensorröhre dargestellt· Es wird ein Bildstreifen der Höhe von einigen ZehnteImillimetern und einer Breite von einigen Millimetern durch das Qüarzfenster 15 in der Mitte einer Na-K-Cs-Sb Fotokatode 14 abgebildet, die eine Vorspannung von etwa 17 kV besitzt«, Hinter der Fotokatode 14 ist das Beschleunigungsgitter 16 mit einer Vorspannung von etwa -16 kV und die Fokussierelektrode 4 mit einer Vorspannung von etwa -18 kV angeordne.t«, Die Anode 13 besitzt die Vorspannung 0 Volt»

Die Fokussierelektrode 4 bildet den Bildstreifen auf der Fotokatode auf der Rückseite der Siliziumdiodenmatrix: 10 ab. Die Vergrößerung beträgt ca, 1, .

Hierbei wird durch Steuerung der Potentiale an den Ablenkplatten 12 in zeitlicher Reihenfolge die Matrix von oben nach unten abgerasterte Die in der Diodenmatrix durch die beschleunigten Elektronen erzeugten Ladungsträgerpaare entladen die durch einen Elektronenstrahl auf der Vorder- oder Planarseite der Matrix geladenen Diodenkapazitäten. Der jeweilige Entladungszustand ist somit dem rückseitig auftreffenden Elektronenstrom und damit der Beleuchtungsstärke an der Fotokatode 14 proportional. Beim erneuten Laden der Diodenkapazitäten durch den Elektronenstrahl auf der Vorderoder Planarseite der Matrix wird gleichzeitig der Entladungszustand abgefragt, der als Stromsignal an der Elektrode 11 aufgenommen wird»

Der Elektronenstrahl zum Laden und Abfragen der Diodenkapazitäten geht von der Kathode 5 aus, läuft durch die Steuer-, blende 6, die Beschleunigungselektrode 7» den Fokussierungs» zylin&er 8, das Feldnetz 9 und trifft auf die Vorder« oder Planarseite der Matrix«, Das Strahlsystem erzeugt einen feinen Elektronenstrahl* Durch die Ablenkeinheit, bestehend aus Fokussierspule 3» Ablenkspule 2 und Korrekturspule oder -magnet 1, wird der Elektronenstrahl fokussiert und zur Abtastung der Siliziuindiodeniriatrix 10 zeilenweise abgelenkt, Für eine ausreichende Schärfeeinstellung liegt das Potential der Fokussierungselektrode 8 bei einigen 100 V« Das Potential des Feldnetses 9 ist höher als das Potential der Elektrode 8 übersteigt jedoch nicht 350 V« Die durch thermische Emission an der Fotokatode erzeugten Störelektronen liegen bei Zimmertemperatur für die verwen-

dete Katode und der aktiven Fläche von 1 mm unter 100 Elektronen pro Sekunde» Der Dunkelstrom von der Fotokatode ist folglich für die Messung schnell ablaufender Prozesse vernachlässigbar_e Ein Elektron mit 10 keV erzeugt eine La-

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dungsänderung der Diodenkapazität von ca« 3*10 As« Das ist gleich der zehnfachen Iadungsänderung, die durch Dunkelström der Diode bei Zimmertemperatur in der Abfragezeit von 32 ms entsteht, Ladungsänderungen, e'rzeugt durch einzelne Fotoelektronen, bewirken somit La dungs änderungen,' die erheblich über dem Untergrund der Dioden liegen. Die Abfragezeit und damit die Integrationszeit der Dioden läßt sich bei Zimmertemperatur nicht über 0,2 s ausdehnen, da dann bereits eine merkliche Löschung der gespeicherten Ladung durch den Dunkelstrom erfolgt. Für die Senkung des Dunkelstromes gilt für Silizium die Regel, daß pro 25°0 Kühlung der Dunkelstrora um den Faktor 10 geringer wird. So kann bei Kühlung der Siliziumdiodenmatrix die Integrationszeit bereits einige Minuten betragen. Dies gibt die Möglichkeit, bei zu messenden geringen Lichtimpulsintensitäten, diese Lichtimpulse innerhalb der Integrationszeit mehrfach zu wiederholen und somit das Signal-Rausch-Verhältnis wesentlich zu verbessern.

Claims

17621 β

Erfindungeansprach

1_β Temporal diaperse Sensorröhre zur Messung schneller lichtoptischer Vorgang© durch Abtasten eines Spaltbildes, wobei die Röhre ©ine Fotokatode ₉ mindestens eine Beeehleunigungselektrode oder Anode, Ablenkelektroden und eine Fokussieroptik enthält, gekennzeichnet dadurch _e daß in Strehlrichtung in der Sensorröhre die erst© Beschleunigungselektrode oder die Anode (13) hinter der Fotokatode angeordnet iat, wobei die Beschleuaigungselektroden oder die Anode (13) eine Vorspannung für Elektronenenergie der Größenordnung von 10 keV und darüber besitsen_s daß die den Elektronenstrahl senkrecht sur Spaltorientierung ausl©nkend@n Ablenkelektroden parallel sum Strahl angeordnet sind, und daß sich hinter der Fokussieroptik und den Ablenkelektroden die Halbleiterdetektormatris zum Nachweis der beschleunigten und: abgelenkten Fotoelektronen befindet₉ deren De» tektorabmäße senkrecht zum Bild des Spaltes auf der Halb« leiterdetektorraatrix und kleiner gleich desi Bild des ausgeleuchteten Spaltes der Fotokatode sind_e

2· Temporal disperse Sensorröhre nseh Punkt 1, gekennzeichnet dadurch j daß die erste B. es chleunigungs elektrode oder die Anode (13) nur einen Spalt für hindurchfliegende Fotoelektronen besitat« ·

3. Temporal disperse SensorrUhre nach Punkt 1 und 2_t gekennzeichnet dadurch, daß die Spalthöhe des Spaltes der ersten Beschleunigungselektrode oder die Anode (13) in der Größenordnung der Zeilenh'dhe der Halbleiterdetektormatrix liegt«

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