DE1902293C3 - Sekundärelektronenvervielfacher - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft einen Sekundärelektronenvervielfacher, dessen einander gegenüberliegende Innenflächen mit Prallschichten hoher Sekundäremissionsrate beschichtet sind, die an den Kanalenden je mit einem Pol einer Spannungsquelle verbunden sind.

Neben Sekundärelektronenvervielfachern dieser Bauart ist bereits ein solcher bekannt (französische Patentschrift 1 104 159), der eine Vielzahl von einzelnen Zylinderelektroden aufweist, die so schräg geschnitten sind, daß die elektrischen Felder auf den Schnittebenen senkrecht stehen. Das elektrische Beschleunigungsfeld liegt hier also genau in der Verbindungsachse von einer Zylinderelektrode zur nächsten. Ein in Axialrichtung der Gesamtvorrichtung wirkendes Beschleunigungsfeld liegt nicht vor.

Bei einem anderen bekannten Sekundärelektronenvenielfacher (schweizerische Patentschrift 985) sind schräg zur Axialrichtung der Gesamtvorrichtung angeordnete Ringelektroden jeweils mit zunehmend an höheren Spannungen liegenden Abgriffen eines Spannungsteilers verbunden. Schließlich ist ein Sekundärelektronenvervielfacher bekannt (deutsche Patentschrift 901 088). bei dem die sich gegenüberliegenden Prallflächen die Form einer Schraubenlinie aufweisen.

Bei den bekannten Sekundärelektronenvervielfachern der eingangs genannten Bauart bewegen sich die Elektronen längs parabolischer Bahnen, deren Parabelachsen parallel zur Kanalachse liegen. Dadurch haben die Elektronen zwischen zwei die eigentliche Vervielfachung ergebenden Aufprallvorgängen auf der SekundäremissionsscJiicht einen längen Weg zurückzulegen.

Aufgabe der Erfindung ist es, den von den Elektronen zwischen zwei Prallpunkten auf der Sekundäremissionsschicht zurückzulegenden Weg zu verkürzen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß dem axialen Beschleunigungsfeld eine von der Achsrichtung abweichende Feldkomponente überlagert ist, die längs der Achse ihre Richtung ändert bzw. Prallflächenpunkte gleichen Potentials an den gegenüberliegenden Innenflächen in Achsrichtung gegeneinander versetzt sind. Durch die überlagerte Feldkomponente werden dabei die Elektronen auf einem kürzeren Weg zum nächsten Aufprall auf der Sekundäremissionsschicht geführt, wodurch sich für eine bestimmte Baulänge des Sekundärelektronenvervielfachers eine erhöhte Verstärkung bzw. für eine bestimmte verlangte Verstärkung eine verminderte Baulänge ergibt.

In der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise veranschaulicht, und zwar zeigt

F i g. 1 eine perspektivische Ansicht eines bei einem bekannten Photovervielfacher verwendeten Sekundärelektronenvervielfachers mit aus parallelen Platten bestehendem Kanal,

F i g. 2 einen Längsschnitt einer Ausführungsform eines eifindungsgemäßen Kanal-Sekundärelektronenvervielfachers,

F i g. 3 a und 3 b eine Innenansicht bzw. ein Längsschnitt der ebenen Innenwiderstandsschicht bei einer Sekundärelektronen emittierenden Dynode gemäß der Erfindung

Fig. 4a und 4b eine Innenansicht einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen, aus parallelen Platten bestehenden Sekundärelektronen emittierenden Dynode.

Fig. 4c eine lie Verteilung der Widerstände auf der in Fig. 4a and 4b dargestellten Platte veranschaulichende Ersatzschaltung,

Fig. 5a und 5b eine die Verbindung zwischen der Widerstandsschicht und der Oberfläche der den erfindungsgemäßen Sekundärelektronenvervielfacher bildenden Sckuadärelektronen emittierenden Dynode veranschaulichende Innenansicht bzw. einen entsprechenden Längsschnitt.

Fig. 6 eine schematische Darstellung der Kanal-Sekundärelektronenvervielfachungsröhre gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, und

F i g. 7 eine perspektivische Ansicht einer dritten Ausführungsform der Erfindung.

F i g. 1 zeigt einen bekannten Kanal-Sekundärelektronenvervielfacher, der Basisplatten 1 aufweist, die einen aus einem Isolationsmaterial, z. B. Glas. Keramik od. dgl. bestehenden Parallelplattenkanal bilden. Der Vervielfacher weist ferner eine Widerstandsschicht 2 auf, die aus einem Metall oder Halbleiter mit größtmöglicher Sekundärelektronenemissionsvervielfachung und hohem Widerstandswert in axialer Richtung besteht und die auf der Innenfläche der Basisplatte 1 durch Aufdampfen oder ein anderes geeignetes Verfahren ausgebildet ist. Die Widerstandsschicht 2 bildet eine fortlaufende Sekundärelektronen emittierende Dynode, deren Oberfläche als Widerstandsnetz dient. Sie dient ferner dazu, eine von außen in axialer Richtung des durch die fort-

laufende Dynode gebildeten Kanals an sie gelegte Beschleunigungsspannung zu verteilen, wodurch im Kanal ein axiales elektrisches Feld gebildet wird, durch das die Sekundärelektronen in axialer Richtung beschleunigt werden. Ein Primärelektronenstrahl 3 wird mit einer solchen Geschwindigkeit eingeführt, daß die Emission der Sekundärelektronen hauptsächlich in der Umgebung des Kanaleingangs verursacht wird und dann die Sekundä^elektronen auf die eine die Innenflächen des Kanals bildende Widerstandsschicht 2 geschleudert werden, was eine Emission von Sekundärelektronen bewirkt. Die somit anfänglich emittierten Sekundärelektronen werden durch das im Kanal aufgebaute axiale elektrische Feld entlang einer parabolischen Bahn beschleunigt und bombardieren die gegenüberliegende Sekundärelektronen emittierende Fläche der Kanaldynode, so daß weitere Sekundärelektronen 4 von dieser abgegeben werden.

Durch Wiederholung dieses Vorgangs wird die Anzahl der Sekundärelektronen, während sie, wie in Fig. 1 dargestellt, von links nach rechts bewegt werden in geometrischer Reihe erhöht. Der sich ergebende Ausgangselektronenstrom S wird in einem Kollektor 6 gesammelt. Die Spannung einer Beschleunigungsspannungsquelle 7 wird an die beiden Enden der die fortlaufende Dynode bildenden Widerstandsschicht 2 gelegt, wodurch die im Kanal auftretenden Sekundärelektronen nach rechts beschleunigt werden. Eine Gleichstromquelle 8 'iefert ein positives Potential an den Kollektor, wodurch der vom Ausgangsende abgegebene Sekundärelektronen strom zum Kollektor geleitet wird.

Wie oben beschrieben, ist es bei dem bekannten Kanal-Sekundärelektronenvervielfacher zum Beschleunigen der Sekundärelektronen innerhalb des Kanals von links nach rechts notwendig, ein gleichmäßiges Beschleunigungsfeld aufzubauen. Wenn der Kanal von parallelen ebenen Platten begrenzt wird, ist deshalb auf jeder der Innenflachen der einander gegenüberliegenden Platten eine gleichmäßige dünne Schicht aus Metall oder Halbleiter vorgesehen, so daß das Potential innerhalb des Kanals von der Eingangsseite zur Ausgangsseite mit Hilfe der an den Innenflächen der Kanalplatten vorgesehenen Widerstandsschichten 2 mit hohem Widerstand zunehmend erh( ht wird. Der Widerstand der Widerstandsschichten 2 kann einen Wert in einem Bereich haben, der durch die Menge der vervielfachten Sekundärelcktronen bestimmt wird. Er wird üblicherweise so gewählt, daß er einige zehn bis einige hundert M< > oder mehr beträgt.

Bei dem Kanal-Sekundärelektronenvervielfacher mit parallelen Platten verläuft die Richtung der Beschleunigung der Sekundärelektronen parallel zur Achse (die Richtung, in der die Elektronen vervielfacht werden), und die fortlaufenden Sekundärelektronen emittierenden Flächen der Dynodenplatten liegen ebenfalls parallel zur Achse. Wenn deshalb die aus der Emissionsfläche austretenden Sekundärelektronen nicht vor ihrem Auftreffen auf der gegenüberliegenden Sekundärelektronen emittierenden Fläche eine ziemlich lange Strecke zurücklegen, findet der nächste Aufprall überhaupt nicht statt. Je kleiner der Abstand zwischen den parallelen Platten im Vergleich zur axialen Länge des Kanals ist, desto größer ist die Anzahl der Aufpralle der Sekundärelektronen auf den gegenüberliegenden Sekundärelektronen emittierenden Flächen der Dynodenplatten, wie Fig. 1 zeigt. Mit anderen Worten, das Verhältnis zwischen Abstand und axialer Länge des Kanals soll klein gehalten werden, um den Mulupli-

kationsfaktor zu erhöhen. Aus diesem Grund muli die Kanallänge vergrößert werden, um einen Vervielfacher mit hohem Multiplikationsfaktor zu erhalten. Gemäß der Erfindung soll jedoch dem axialen elektrischen Feld ein senkrecht zur Achse wirkendes

elektrisches Feld überlagert werden, ohne daß die Beschleunigung der vervielfachten Sekundärelektronen lediglich durch das axiale elektrische Feld bewirkt wird.

Im folgenden werden Beispiele zur Verbesserung

fortlaufender Dynoden für verschiedene Kanal-Sekundärelektronenvervielfacher beschrieben.

Fig. 2 zeigt zunächst eine Ausführungsform der Erfindung, bei der die an den Innenflächen der den Kanal bildenden parallelen Platten ausgebildeten

Sekundärelektronen emittierenden Schichten in eine Vielzahl von Abschnitten unterteilt sind. Die Abschnitte der gegenüberliegenden Platten sind gegeneinander versetzt angeordnet und werden mit Potentialen von einer äußeren Energiequelle über Reihen

as von Teilerwiderständen gespeist, durch die die Potentiale von links nach rechts, wie in der Zeichnung dargestellt, fortlaufend erhöht werden. Die Teile in Fig. 2, die denen in Fig. 1 entsprechen, sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet und

brauchen nicht näher beschrieben zu werden. Bei der in Fig. 2 dargestellten Anordnung prallen die vervielfachten Sekundärelektronen 4 innerhalb des Kanals viel häufiger gegen die Sekundärelektronen emittierenden Widerstandsschichten 2 der Dynode, so daß im Vergleich zu anderen Anordnungen mit gleicher Kanallänge und gleichem Abstand ein viel höherer Multiplikationsfaktor erzielt werden kann. Andererseits ist es notwendig, die Spannung der Beschleunigungsspannungsquelle 7 um einen Betrag zu

erhöhen, der der erhöhten Zahl der Aufprallvorgange entspricht. Wenn jedoch die gleiche Durchschnittszahl der Aufprallvorgänge wie bei der Anordnung nach Fig. 1 erzielt werden soll und die Spannung der Beschleunigungsspannungsquelle 7 die gleiche

bleibt, kann die axiale Länge des Kanals bei Erreichung des gleichen Multiplikationsfaktors stark verkürzt werden.

Es gibt verschiedene Verfahren zur Ausbildung der Sekundärelektionen emittierenden Flächen der

fortlaufenden Dynode auf den Innenflächen des durch die parallelen Platten begrenzten Kanals, um einen Sekundärelektronenvervielfacher herzustellen, wie er in Fig. 2 dargestellt ist.

F i g. 3 zeigt ein Beispiel eines solchen Verfahrens.

wobei Fig. 3a die Innenfläche einer den Kanal bildenden Platten und F i g. 3 b die Platte im Schnitt zeigen. Die Basisplatte 1 besteht aus einem Isolator, z. B. Glas, Keramik od. dgl. Auf ihr sind Schichten 21 eines Sekundärelektronenmaterials durch Aufdampfen, Aufstäuben, Beschichten od. dgl. ausgebildet, die jeweils in eine Vielzahl von Abschnitten unterteilt sind, die über Widerstandsschichten 22 mit hohem Widerstand miteinander in Reihe geschaltet sind, um eine Spannungsteilung zu bewirken und dabei eine fortlaufende Dynode zu bilden. In F i e. 3 a sind diese Widerstandsschichten gegeneinander versetzt angeordnet, wodurch im ganzen eine Zickzackform gebildet wird. Jedoch können die die

Schichten 21 zur Herstellung einer fortlaufenden ist es möglich, einen parallele Platten aufweisenden Dynode miteinander in Reihe schaltenden Wider- Kanal-Sekundärelektronenvervielfacher zu erhalten, Standsschichten nach Wunsch auf einer Seite der der klein ist und einen hohen Wirkungsgrad aufweist. Sekundärelektronen emittierenden Fläche, auf den Ferner ist gemäß der Erfindung außer den vorgegenüberliegenden Seiten oder in allen Spalten zwi- 5 stehenden Ausführungsformen, bei denen parallele sehen den einzelnen Abschnitten angeordnet werden, Platten verwendet werden, auch ein Miniatur-Kanalwenn sie gleichmäßig ausgebildet sind. Sekundärelektronenvervielfacher mit hoher Verstär-

F i g. 4 zeigt ein zweites Beispiel, bei dem die kung vorgesehen, bei dem die fortlaufenden Verviel-Sekundärelektronen emittierende Fläche und die facher-Dynoden nicht in Form paralleler Platten Spannungsteilungswiderstände nicht voneinander ge- ίο hergestellt sind, sondern eine Spezialform, beispjelstrennt sind. Eine aus einer Halbleiterdünnschicht, weise eine Form mit gebogenen Flächen aufweisen, Metalldünnschicht od. dgl. bestehende Widerstands- um das Beschleunigungsfeld innerhalb des Elektroschicht ist auf einer Kanal-Basisplatte 1 aus isolie- nenvervielfachungskanals zu krümmen und dadurch rendem Material, beispielsweise Glas, Keramik ein senkrecht zur Axialrichtung wirkendes elektriod. dgl. im Zickzack angeordnet. Fig. 4a zeigt das 15 sches Feld zu erzeugen, wodurch die Zahl der AufMuster der auf der Sekundärelektronen emittieren- prallvorgänge der Sekundärelektronen auf die den Fläche der fortlaufenden Dynode vorgesehenen Sekundärelektronen emittierenden Flächen erhöht Schicht mit hohem Widerstand, die auch als Span- wird. Im folgenden wird ein solcher Sekundäreleknungsteilungswiderstand dient. Fig. 4b zeigt einen tronenvervielfacher beschrieben.
Schnitt durch diese Fläche und Fig. 4c ist eine »o Fig. 6 zeigt isolierende Basisplatten 1 aus Glas, Ersatzschaltung, die die Widerstandsverteilung in der Keramik od. dgl. in Form verdrillter paralleler Plat-Widerstandsschicht zeigt. ten. Auf der Innenfläche der Kanal-Basisplatten 1

F i g. 5 zeigt eine Anordnung, die eine Sekundär- sind Widerstandsschichten 2 aus Sekundärelektronen elektronen emittierende Fläche 24 aufweist, die in emittierendem Material mit hohem spezifischem eine Vielzahl von Abschnitten eingeteilt ist. Auf der as Widerstand vorgesehen. Eine solche Widerstands-Rückseite einer isolierenden Basisplatte 1 aus Glas, schicht 2 kann weggelassen werden, wenn man die Keramik od. dgl. erstrecken sich Spannungsteilungs- Basisplatten 1 unter Verwendung von Glas mit verwiderstandsschichten 25, die die Abschnitte der hältnismäßig hohem Widerstand herstellt, das eine Sekundärelektronen emittierenden Fläche in Form Substanz mit hohem spezifischem Widerstand und einer flachen Spirale miteinander verbinden. Leitende 30 großem Sekundärelektronenvervielfachungsverhältnis Verbindungsteile 26 sind an den Schnittseiten der enthält.

Glasplatte vorgesehen, durch die die Widerstands- Fig. 7 zeigt ferner die Ausbildung einer fortschichten 25 fortlaufend mit der Sekundärelektronen laufenden Dynode mittels eines als Basisplatte 1 emittierenden Fläche 24 verbunden werden. dienenden Spezialbandes, bei der das beschleunigende

In jedem dieser Fälle sind die Basisplatten jeweils 35 elektrische Feld innerhalb der Röhre gekrümmt wird, in Sekundärelektronen emittierende Flächen- Tim nicht nur ein axiales Beschleunigungsfeld, sonabschnitte unterteilt, wie in Fig. 3, 4 bzw. 5 dar- dem auch ein senkrecht zur Achse wirkendes Begestellt, und weisen Spannungsteilungswiderstände schleungungsfeld zu erzeugen, wodurch die Zahl der auf, die die Abschnitte jeweils miteinander in Reihe Aufpralle der Sekundärelektronen innerhalb der verbinden, um eine fortlaufende Sekundärelektronen 40 Sekundärelektronen emittierenden Fläche der Kanalemittierende Dynode zu bilden, und die einander platten erhöht wird. Durch solche Verbesserungen gegenüber angeordnet sind. Dabei sind die Ab- der Kanalkonstruktion ist es möglich, einen Photoschnitte gegeneinander versetzt angeordnet. An diese vervielfacher mit einem Kanal-Sekundärelektronen-Flächenabschnitte gelegte Potentiale werden fort- vervielfacher herzustellen, der geeignet ist, einen im laufend erhöht, so daß die in den einander folgenden 45 wesentlichen gleichen Wirkungsgrad wie der mit Stufen erzeugten Sekundärelektronen, wie oben in parallelen Platten arbeitende Vervielfacher mit kür-Zusammenhang mit F i g. 2 beschrieben, vervielfacht zerem Kanal und doch einem hohen Multiplikationswerden. Bei dieser verbesserten Anordnung der fort- faktor zu erzielen. Durch Verändern der Gestalt der laufenden Dynodenfläche eines Sekundärelektronen- fortlaufenden Dynode wird auf diese Weise nicht nur vervielfachers wird auch ein elektrisches Feld senk- 50 eine axiale Komponente des elektrischen Feldes, recht zur axialen Richtung erzeugt, da die einander sondern auch eine zur Axialrichtung senkrechte gegenüberliegenden Abschnitte der fortlaufenden Komponente erzeugt, wodurch die Zahl der Auf-Dynode nicht auf dem gleichen Potential liegen. prallvorgänge der Sekundärelektronen auf die Sekun-Dadurch wird die Zahl der Zusammenpralle der därelektronen emittierenden Flächen der Dynode Sekundärelektronen mit der Sekundärelektronen 55 und damit die Empfindlichkeit des gesamten Veremittierenden Fläche der Kanalplatte erhöht Somit vielfachers erhöht wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Sekundärelektronenvervielfacher, dessen einander gegenüberliegende Innenflächen mit Prallschichten hoher Sekundäremissionsrate beschichtet sind, die an den Kanalenden je mit einem Pol einer Spannungsquelle verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß dem axialen Beschleunigungsfeld eine von der Achsrichtung abweichende Feldkomponrnte überlagert ist, die längs der Achse ihre Richtung ändert bzw. Prallflächenpunkte gleichen Potentials an den gegenüberliegenden Innenflächen in Achsrichtung gegeneinander versetzt sind.

2. Sekundärelektronenvervielfacher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einander gegenüberliegenden Emissionsschichten in eine Vielzahl untereinander durch hohe Widerstände in Reihe geschaltete Abschnitte unterteilt sind und die Abschnitte gleichen Potentials an den einander gegenüberliegenden Innenflächen in Achsrichtung gegeneinander versetzt sind (Fig. 2 bis S).

3. Sekundärelektronenvervielfacher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Emissionsschichten tragenden Innenflächen um die Kanalachse verdrillt sind (Fig. 6).

4. Sekundärelektronenvervielfacher nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß ein auf seiner Innenfläche eine Emissionsschicht tragendes Band die Kanalachse längs einer Schraubenlinie umgreifend angeordnet ist (Fig. 7).