DE2031115A1 - Sekundaremissionvervielfacher mit einer Vorrichtung zur Änderung der Aquipoten tialhnien der Emissionsoberflache - Google Patents

Description

ΪΗΕ BMBIX CORPORAMOM, Bendix Center, Southfle34_y Michigan 48075 (V.St.A.)

Sekundäremissiοnvervie!fächer mit einer Vorrichtung zur 'Änderung der Äquipotentiallinien der Qaisaioneoberfläche

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Sekundäremission« vervielfacher und insbesondere auf ei-nen magßetischen Se- !cundäremieeionvervielfacher mit einer PrimärelelctrooeBQe®! Ie,' einer Elektronen-BKi^sionsoberfläehe, deren .Seteunääremisaionsverhältnis größer als 1 ist und-einsr Auq&g oüer einem Kollektor zum Bestimmen der von der PrijnärelefctroB.©r quelle und der Sekundärelektronen-BnissionBoberfläche erzeugten Elektronen»

Zwar ist ein solcher Elektronenvervielfacher i^anz ellge« mein zu Verstärkung^%weckeη und sur Fotoelektronenverviel fachung verwendbar» jedoch bedarf es für die atimmunp, z. B. bei der JSaeeenepektrometrie,' eiaea.

vervielfechers hoher Auflusung. um eine hohe Awflöaang erzielen, ist es weeentlich, daß die von üqt Elettromea Fktisöionsoberfllichß abgegebenen Elektronen,

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tang auf ein Ende einer Esaissionsoberfläche wandernden Elektronen in einer durch die Seiten der Bnisslonsober-flache definierten Bann gehalten werden· Ein in. Längsrichtung einer Bnistionsoberflache verlaufender Potentialgradient soll dabei so geändert werden, daß seine Äquipotentiallinien entlang eines Bereichs der Jänissions»· oberfläche eine solche Form haben, daß die von der ßcaissionsoberfläche abgegebenen Elektronen innerhalb der durch die Kanten der Baissionsoberfläehe definierten Bahn verbleiben. Ferner soll durch die Erfindung die Xoneribestimmung in .einem Massenspektrometer verbessert werden»

Dies soll erfindungsgemäß erreicht .werden, indem mehrere Elektronen-Leitungswege auf der Emissionso"berf lache derart angeordnet werden, daß bei Anlegen einer Spannung an die Saissionsolserflache der Po.teatialgraiieat längs dieser Fläche in solcher Weise ausgebildet ist, daß wenigstens ein Teil der iquipotestieilinien des Potentialgradienten eine gekrümmte Mjrrn aniäFMta .Bis Elektronen-Leitungswege können aus einer ßrup^e voa g©rad=· oderkrummlinigen Leitern bestehen, die won äen -Seiten der Bnissionsoberfläche ausgehen« Die Ausbildung uad Anordnung jedes Leiters ist so gewählt, daß im wesentlichen'der gesamte Leiterverlauf außerhalb der Senkrechten au einer Seite der Emiesionsoberflache liegt und daß der Hauptabschnitt jedes Leiters von der Anode weiter entfernt ist als der Punkt, an dem der Leiter die Seite (den Rand) der Snissionsoberflache schneidet bzw. trifft. Die Elektronen-Leitungswege bestehen aus einem Material, das eine erheblich größere Leitfähigkeit als die Bnissionsoberflache be~ sitzt, und dessen Widerstand in den meisten Fällen geringer als 1/1000 des Widerstands der Emissionsoberflache ist.

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Im folgenden wird die Erfindung anhand von in der Zeichnung dargestellten AusfUhrungsbeispielen näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 eine echematisehe Seitenansicht eines magnetischen Sefcundäremissionvarvielfachersv in welcher die 2ykloid@iibaim der Elektronen zwischen den Platten des Yervielfachers und der Anode eingezeichnet iet;

Fig. 2 eine Draufsicht auf eine der Platten des Sefcundäremissionsvervielfachers mit einer Anordnung der erfinduagsgemäß auf der Oberfläche dieser Platte angebrachten Leiter?

Fig. 3 eine andere Ausfuhraugeform gemäß der Erfindung,, wobei die Leiter durchgehend van der-einen zur gegenüberliegenden Kante der Elektronen-Bnisaions-Oberfläche verlaufen?

Fig. 4 eine krummlinige Leiteranordnung auf der I&nissioneoberflache; und

Fig. 5 die Ausbildung der Iqaipotentiallinien bei Anlegung einer Spannung an die in Pig» 2 gezeigte' ßffiiasionaoberflache.

Fig. 1 zeigt einen Teil eines magnetischen Eletetronemrer-" vielfachers, s.B. gemäß USe-PS 2 841 729 oder 2 963 845,mit einer Primärelektronenquell© 10, einem-parallelen Plattenpaar 20 und 40 und einem Kollektor oder einer Anode 30 säum ■ Bestimmen der Sekundärelektroaen«. Die Primäreletetronenquelle 10 kann eine Kathode sein,, welche Elektronen emittiert* sobald sie vo_:n ionen getroffen wird» Diese Kathode ist so angeordnet, daß die aus ihr austretenden Elektronen auf eine tier zwei parallelen Platten 20 und 40 abgegeben werden« Während des Betriebs dea Vervielfachere wird die Kathode auf einem stärker negativen Potential (z.B. auf minus 3200 Volt) als die Platten 20 und 40 gehalten.

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Die Platten 20 und 40 sind in einem gegenseitigem Abstand von angenähert 6,4 mm gehalten. Zwei nicht geze igte Pols tacke sind, nahe den Platten 20 und 40 angeordnet und errichten im Bereich zwischen den Platten ein Magnetfeld, welches im wesentlichen parallel zu deren Innenflächen verläuft. Die Platten 20 und 40 sind mit einem leitenden Streifen oder f'berzug 21, 41 an ihren Innenflächen versehen. Die überzüge 21» 41 bestehen aus einem Sekundärelefctronen-emissionsfähigem Material, z.B. einem Zinnoxid oder einer Kohlenstoffverbindung, welche einen relativ hohen Widerstand und ein Sekundärelektronen-Emissionsverhältnis (Ausbeute) größer als 1 hat. Da bei Betrieb die kombinierten elektrischen und magnetischen Feldkräfte die Elektronen anfingen, einer zyfcloiden Bahn zu folgen und nur in die Eraissionsoberfläche 21 der Platte 20 (Dynode) einzufallen, kann die emissionsfähige Schicht 41 auf der Platte 40 (Feldstreifen) aus einem Material bestehen, welches zwar einen relativ hohen Widerstand, jedoch nicht die für die Schicht 21 geforderten Sekundäremissionseigenschaften besitzt. Die Platten 20 und 43 selbst bestehen aus einem Isolationsmaterial oder einem nicht-leitenden Material wie Glas oder Bakelit. An den einander gegenüberliegenden Enden der Platte 20 sind Anschlußklemmen 23 und 25 vorgesehen, an die die Spannung ftir den leitenden Streifen 21 angelegt wird. In ähnlicher Weise sind Klemmen 43 und 45 an den einander gegenüberliegenden Enden der Platte 40 vorgesehen. Unterschiedliche Spannungskorabinationen können an den Klemmen 23» 25, 43» 45 von der Spannungequelle 5 aus angelegt werden, um zu unterschiedlichen Ergebnissen zu gelangen; so kunnenbeispielaweise senkrechte oder schräge elektrische Felder zwischen den Platten 20 und 40 errichtet werden, wobei nur wesentlich für den eigentlichen Betrieb des Elektronenvervielfachere eine an den Klemmen 23 und anliegende Spannung 1st. Vorzugsweise wird eine negative

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Gleichspannung, die geringer eis das Potential der Kathode ist, z. B. bei - 3000 VuIt liegt, an die Klemmen23 und 25 angelegt, wobei die Klemme 25 auf Erdpotential liegt. Dadurch entwickelt sich ein negativer Poteatialgradient ' entlang der Emiasionaoberflache 21,. welcher in Richtung zur Anode 30 absinkt·

Die Anodenplatte 30 ist vorzugsweise etwa senkrecht zu den Platten 20 und 40 angeordnet_r um die aufgrund der Sekundäremission der Oberfläche 21 erzeugten Elektronen aufzufangen. Um das Einfangen der Elektronen zu, erleichtern, kanu die W Anode 30 auf einem positiven Potential (auB» ψ 15000 YaIt) lie ge η j wodurch di© aus der Oberfläche Zi austretenden Elektronen zur Anode angesaugt werden.

Bei einem magnetischen Elektronenvervielfacher der in Fig. 1 gezeigten Art werden die von der Kathode 10 emittierten Elektronen der kombinierten Wirkung des Magnetfeld® und des elektrischen Felds gwischea dea Platten 20 und 40 unterworfen« Dadurch werden die Elektronen- in. eine Zykloidenfoahn 50 gezwungen und treffen auf die emissionsfähige Oberfläche 21 auf, welche eine proportional vergrößerte Ansah! von Elektronen emittiert* Die von der Oberfläche 21 emittier- * ten Elektronen wandern llber "eine Zykloidenbahn 52 und treffen auf einen anderen Teil äer Oberfläche 21_f wo sie wiederum die Emission einer proportional vergrößerten Anzahl van Elektronen auslesen«, we lohe über eine andere Zykloidenbahm zu einem anderen Teil i©p läniaelonsoberfläohe 21; laufen. Ais-f diese feise waadarn safeinanderfolgend emittierte Elektronen ttber die Qberfläohe 21. in zfteloi&iaohen Bahnen und vervielfachen die Zahl der ursprfilngliöh, duroh die Kathode 10 emittierten. Elektronen.» SohlieOlioh treffen die aus dem Ende d®r ^aisiioasofeesrf Mcii© 21 aus trete nie α Elektronen auf dia Anode

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Pig. 2 zeigt die Emissionsoberflache 21 mit einer "bevorzugten Anordnung von Leitern 22, die der Lösung der oben angegebenen Erfindungsaufgabe dienen. Die Leiter 22 können auf der Oberfläche der Platte 20 angebracht sein; vorzugsweise wird die Platte 20 jedoch zuerst mit einem Elefctronen-emissionsfähigen Material 21, z.B. Zinnoxid beschichtet und auf diese Schicht bzw. diesen Überzug eine Vielzahl von Elektronen-Leitungswegen 22, im folgenden Leiter genannt, angebracht· Die Leiter 22 haben einen geringeren Widerstand als die Emissionsoberflache 21, und zwar in der Größenordnung von 1/1000 bis 1/1000 000 oder weniger als der Widerstand der Oberfläche 21, und bestehen aus einem leitenden Material wie Chrom, Kupfer, Gold, Platin oder rostfreiem Stahl, das als dünner PiIm auf der Emissionsoberflache 21 aufgebracht ist. Der dünne Film aus leitendem Material 22 kann in üblicher Weise durch Aufsprühen, Aufstreichen oder Aufdampfen aufgebracht werden. Die Anordnung der linienförmig ausgebildeten Leiter ist so getroffen, daß jeder Leiter von der Anode aus gesehen unter einem spitzen Winkel auf die Seiten C und D der Oberfläche 21 trifft. Daher schneidet die Richtung des Verlaufs jedes Leiters die Seite C bzw. D der Emissionsoberflache und die Ebene, in welcher die Anode angeordnet ist, unter einem spitzen Winkel. Mit der Emissionsoberfläche sind die Klemmen 23 und 25 verbunden, an welche eine negative Spannung angelegt wird, um einen in Pig. 2 nicht gezeigten Potentialgradienten in Längsrichtung der Oberfläche 21 zu errichten. Der Gradient besteht aus einer Reihe negativer iiquipotentiallinien (imaginäre parallele Linien), deren Größe bzw. Stärke in Richtung auf die Anode von dem einen zum anderen Ende abfällt (wenn ein stärker negatives Potential an der Klemme 23 als an der Klemme 25 anliegt). Eine

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Spannungsquelle 5 liefert die Spannungen zinn Vorspannen der Anode 30 und der länissionsoberflache 21 zwischen den Klemmen 23 und 25» Die "bevorzugte räumliche Orientierung der Leiter 22 in Beßug auf die Anode und die Kathode ist so getroffen, daß sich die Leiter von den Seiten C und D der Platte 20 aus nach innen \mä von der Anode fort etwa in Richtung der Kathode 10 'erstrecken«. Die Leiter 22 sind parallel zueinander entlang den Händern der Emissionsoberfläche angeordnet. Es ist zwar eicht erforderlieh, daß jede Leiterlinie 22 über die gesamte Oberfläche 21 reicht₈ jedoch ist in "bevorzugter Aus£Uh<~ rung vorgesehen, daß die Leitungswege bis zu einer Kante C oder D der Oberfläche 21 reichen.

Fig. 3 zeigt ein alternatives Muster der Leiter-22 in paralleler Anordnung. Jeder Leiter 22 erstreckt sich von einer Kante C der Emissionsoberflache 21 zur anderen Kante D und besteht aus zwei geraden,linienförmigeη Abschnitten, welche sich unter einem Winkel auf der Oberfläche schneiden. Die dargestellte EmissioEsoberfläche ist in Anpassung an die Form der Platte 20 rechteckig ausgebildet» Unabhängig von der Form bzw. Ausbildung der Emissionsoberfläche sind die Leiter so angeordnet, daß die Aquipotentiallinien einen Scheitel 27 erhalten, der jeweils in Richtung eines stärker negativen Potentials weist. Durch diese Anodnung wird jedes sich Über die Oberfläche bewegende Elektron gezwungen, eine Bahn in Richtung der Längsachse der Emissionsoberfläche zu , suchen.

Fig. 4 zeigt eine Gruppe von Leitern 24 von krummliniger Form. Jeder Leiter ist so angeordnet, daß der konkave oder hohle Bereich 29 jedes Scheitels einer Squipotentiallinie in Richtung des niedrigeren Potentials (ab-

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fallend negativ oder anwachsend positiv) weist, damit ein liter die Oberfläche 21 in Sichtung einer Kante (C oder D) wanderndea Elektron van der Kante abgestoßen und in Sichtung der Anode 30 bewegt wird.

Pig· 5 zeigt die Form der Xquipotentiallinien, wenn eine Spannung an die in Fig. 2 gezeigte Kmiesionsoberflache angelegt wird. Vorzugsweise wird eine negative Gleichspannung an die Klemmen 23 und 25 angelegt» wobei die Klemme 23 auf einem stärker negativen Potential als die Klemme 25 liegt. Dadurch ergibt sich «in Potentialgrmdient entlang der Längsachse 60 der Qnissionaoberflache 21· Die Äquipotentiallinien 61» welch· noraalerweis· einen geradlinigen Verlauf jeweils senkrecht au beiden Händern C und D der Oberfläche 21 hätten, werden durch die Leiter so deformiert, daß ein Bereich 63 der Xquipotentiallinle 61 abgebogen iat. Dadurch daß die Äquipotentiallinien keine gerade Linien sind, ergibt sich ein zweiter Potentialgradient auf der Eaissionsoberflache 21 entlang einer Linie 73, die senkrecht «ur Achse 60 des ersten Potentialgradienten steht. Der zweite Potentialgradient entlang der Linie 70 ist dadurch gekennzeichnet« daß das negative Potential entlang der Linie 70 zur Längsachse 60 des ersten Gradienten hin abfällt.

Bine gemäß Fig. 2 ausgebildete Platte wurde für einen magnetischen Elektronenvervielfacher der in Fig. 1 gezeigten Art gebaut und hatte die folgenden Merkmale: Die etwa 7,6 mm breiten Leiter 22 wurden Jeweils von einem Rand C oder D der Oberfläche 2\ aua nach innen weisend parallel zueinander angeordnet. Jeder leiter erstreckte sich etwa Über 1/6 der unter einem Winkel von 45° (Winkel A) gemessenen Breite, der ünieeionsober-

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fläche 21. Da die Platts und die Bmisaionsoberfläche rechteckige Ausbildung hatten, war jad®r leiter 22 außerhalb der Senkrechten zu eimer der Seiten der Emiseionaoberflache 21 (Rechteck C, D₉ E,F) angeordnet. Wenn ein negatives Potential von minus 3®oo Volt an dia Klemme 23 angelegt und die Klemme 23 geerdet wurde, so ergab aich ein Potentialgradient längs der Oberfläche 21 sswischen San Kl@ra&en 23 und 25· Aufgrund der Anordnung der Leiter 22 auf ä«r Oberfläche 21 wurden die normalerweise parallelen Potentiallinien 61 zu der in Fig. 5 dargestellten Fom abgebogen« Die Leiter bzw· Leitungswege führten daher su eins» aweiten Fötentialgradienten entlang einer linie Id, die sankrecht zur Längsachse 60 des ersten Potentialgradienten ve-rläuft. In Abhängigkeit von diesem zweiten Potontialgradienten werden die Elektronen von den Kantenbereichen der Emiesionsoberfläche 21 in Riehtung der Achse 60 dea ersten Potentialgradienten beschleunigt? deasen Funktion in der Beschleunigung der Elektronen in Hichtung der Anode liegt. Unter den oben angegebenen Bedingungen folgt ein von der Kathode 10 emittiertes? Elektron einer ssykloiden Bahn 50 in Richtung auf die Anode 30 und trifft auf die Sekundärelektronen ®mi1üti®r@nä® Oborfläoha 21, die daraufhin mehrere Sekundärelsktronan abgibt» Dar Yervielfaohungsvorgang wird über die gesamte Länge der Snlesiohsfläch® wiederholt, bis di© Sskandärelaktronen an der Anode 30 gesammelt werden. Während di©a@s Vor- «anga iat der Geaehwindi^sdits^ektor einiger der von der Oberfläche 21 emittierten Sakundäralaktronen so garlohtet, daS diese Elektronen die durch die Bänder 0 und Ώ der Oberfläche 21 definierte Bahn verlassen k5msn. W©nn diese Elektronen jedoch in Hiohtu^g @in@@ der Bänder 0 oder D der Oberfläche 21 abwandarsa, werden aie ®ira®aa ©löktrisehen

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Feld entsprechend dem von den Leitern. 22 entwickelten streiten Potentialgraäienten uniierwcrfens, welches die Richtung des Geschwindigkeits^ektors der Elektronen von dem Rand C oder B der Oberfläche 21 abwendet» Dadurch werden praktisch alle die EmisäsioriSoberfläche 21 verlassenden Elektronen auf ihre vorgeschriebene Bahn zwischen den Seiten C und D der Emissionsoberflache beschränkt.

Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die beschriebenen AusfUhrungsbeispiele beschränkt» sondern kann vielfach abgewandelt werden; so braucht die Emissionsoberflache 21 ebenso wie die Platte 20 keineswegs die in den AusfUhrungsbeispielen gezeigte rechteckige Form haben, sondern es ist jede Konfiguration der Emissionsoberfläche und der Leitungswege bzw. Leiter möglich, die im Sinne des Erfindungsgedankens ein Abwandern von Elektronen von der Emissionsoberfläche verhinderte

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Claims (1)

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   mit einer

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   ößsl fits ^v^©a des³ !!!!©©!©iasobe^flache emittierten Sekun· ^.?6ly^1"E-OE2©ii3. la eia©? l^islpiS^otoaliffi "bewegt

   Qß ( S2₀ 24) sit eise® gerißgerea Wi

   ls cl9s^i©aig@ fles³ IkisgioBuoTbQrflaek© (21) derart amf

   ©iageorfiaet ©iiscl₉ dal fiie Elefc
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   einen krummlinigea Verlauf haben und im gegenseitigem Abstand angeordnet

   4. Elektronenvervielfacher nach Anspruch 1,'dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand der Elektronen~L@itungs~ wege (leiter 22,24) kleiner als I/IOOO des Widerstandes der Bmissionaoberflache (21) ist.

   5. Elektronenvervielfacher nach Anspruch 4» dadurch gekennzeichnet, daß die Elektronen-Leitungswege (Leiter 22,

   24) in Art von Linien auegebildet sind, die vom Rand (G, ^ bzw. D) der Emissionsoberflache (21) aus schräg nach innen laufen.

   6· Elektronenvervielfacher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitungewege (Leiter 22) aus wenigstens zwei geraden Linien bestehen, welche sich unter einem Winkel schneiden.

   7. Elektronenvervielfacher nach Anspruch 4 oder 5, dadurch ge tee anzeichnet, daß die Leitungewege (Leiter 22) parallel zueinander angeordnete gerade Linien sind, deren Lenge geringer als der Seitenabstand der Ealeeioneober-

   fläehe (21) ist. i

   8. Elektronenvervielfacher nach Anspruch 4 Bits einer rechteckigen Emiseionsoberflache , dadurch gekennzeichnet, daß die Leitungewege (Leiter 22) entlang wenigsten« einer Seite (C bzw. D) der Qniesioneoberflache (21) parallel und hintereinander angeordnete gerade Linien sind, deren Richtung von außerhalb der Senkrechten zu einer der Selten der rechteckigen Emigsionsoberfläche liegt.

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