DE2237141A1

DE2237141A1 - Aufnahmeroehre

Info

Publication number: DE2237141A1
Application number: DE2237141A
Authority: DE
Inventors: Rolf R Beyer; Peter R Collings; Alfred B Laponsky
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1971-08-04
Filing date: 1972-07-28
Publication date: 1973-02-15
Also published as: US3748523A; JPS514045B2; JPS4826321A

Description

DiPL-ING. KLAUS NEUBECKER

Patentanwalt
4 Düsseldorf 1 · Schadowplatz 9

•Düsseldorf, 26.07.1972 7285

Westinghouse Electric Corporation
Westinghouse Building
Gateway Center
Pittsburgh, Pa. 15222
V. St. A.

Aufnahmeröhre

Die Erfindung bezieht sich auf Aufnahmeröhren.

Es sind z.Zt. verschiedene Aufnahmeröhren zur Abbildung bei h'iedrigen Lichtpegeln erhältlich. Dies® Aufnahmeröhren haben allgemein einen hohen Wirkungsgrad, einen Betriebsbereich für Strahlungswellenlängen zwischen 0,4 pa und 0,85 pm und eine hohe Elektronenverstärkung. Beispiele für solche Aufnahmeröhren bilden die Sekundärelektronenleiterröhre (SEC), eine EBS-Röhre mit einem Verstärkerabschnitt und einem den Elektronen ausge setzten Siliziumdiodenaufnehmer (EBS). Die EBS-Aufnahmeröhr· ergibt insbesondere eine hohe Elektronenverstärkung in dem Aufnehmer.

Beschränkungen bei der Verwendung dieser Aufaahmeröhren ergeben sich durch dl« Spektralcharakteristik der Kombination aus Photokathod· und Schirmplatt·. Di· Röhr«ncharakt«ristik im Bereich ti«f«r Wellenlängen kann leicht durch di· Verwendung «in·* ultra« violett« Strahlung durchlassenden Eingangsfenster* erweitert werden. In Wellenlängenbereich über ungefähr 0,85 pn wird der Wirkungsgrad d«r Photokathod« extrem niedrig. Daher arbeitet» di«

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Telefon (0211) 32 08 5a Telegramme Custopat

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bei niedrigen Lichtpegeln verwendeten, vorgenannten Aufnahmeröhren im gesamten Spektralbereich vom ultravioletten bis zum infraroten Licht nicht wirkungsvoll.

Es gibt bestimmte Vorrichtungen und insbesondere Festkörpersensoren, welche gegenüber photoemittierenden Sensoren eine hohe Ausbeute bzw. einen hohen Wirkungsgrad bei längeren Wellenlängen haben. Ein Beispiel dafür bildet die Vidikon-Röhre mit einer Siliziumdiodenanordnung als Auffänger, wobei das Licht direkt auf den Auffänger fokussiert wird statt das Licht in ein Eiektronenabbild umzusetzen, wie es bei der EBS-Röhre erfolgt. Diese lichtempfindliche Vidikon-Röhre mit Siliziumdiodenauffänger kann bis zu einer Wellenlänge von wenigstens 1,1/um arbeiten und bei 1,06 um einen Wirkungsgrad von 8 bis 10% haben. Diese Vorrichtung hat die gewünschte Breitband-Spektralcharakteristik, weist jedoch nur eine Verstärkung von höchstens eins auf. Daher ist diese Rühre für die meisten Anwendungen im Bereich der Fernsehtechnik mit niedrigem Lichtpegel nicht hinreichend empfindlich.

Di· Erfindung löst die Aufgabe, eine Aufnahmeröhre mit ausreichender Verstärkung und Breitband-Spektralcharakteristik zu schaffen.

Die Aufnahmeröhre nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß sie eine evakuierte Hülle, eine die Eingangsstrahlung hindurchlassende Schirstplatte, eine photoemittierende Schicht auf der Innenfläch· der Schirmplatte, di« auf «inen ersten Anteil der Eingangestrahlena; zur Erzeugung von Photoelektronen anspricht, einen nahe der Photokathod· angeordneten Auffänger, eine Einrichtung zur Beschleunigung der durch di· Photokathod· emittierten Photoelektronen bela Auftreffen auf den Auffänger zwecks Erzeugung eine· ersten Ladungeabbildes auf der gegenüberliegenden Seite des Auffängers bezüglich der Photokathode entsprechend der Elektronenerregung und eine: Einrichtung zur Erzeugung und Ausrichtung eines Elektronenstrahls über die gegenüberliegende Seite des Auffängers bezüglich der Photokathode aufweist, um

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ein für das Ladungsabbild repräsentatives elektrisches Signal abzuleiten, der Auffänger nahe der Photokathode angeordnet ist, so daß keine zusätzlichen Elektroden erforderlich sind^. tsm die Fokussierung zwischen der Photokathode und dein Auffangen zu bewirken, der Schirmträger und die Photokathode für einen zweiten Anteil, einschließlich des Infrarotbereichs, der Eingangsstrahlung durchlässig ist, die auf die Aufnahmeröhre gerichtet und auf den Auffänger fokussiert ist, der Auffänger entsprechend der auf ihm auftreffenden Eingangsstrahlung ein Signal abgibt,

in dem ein zweites Ladungsabbild auf der der Photokathode gegenwart!.

überliegenden Seite des Auffängers erzeugt, welches der Strahlung in dem zweiten Anteil entspricht, wodurch das elektrisch© Signal repräsentativ für das resultierende Ladungsabbild ist. Die Erfindung ist also auf Äufnahmeröhren gerichtet, welche in einer einzigen Anordnung einen photoemittierenden Sensor und einen photoleitenden Sensor aufweisen. Die Verwendung der beiden Sensoren wird ermöglicht durch die Fokussierung der benachbart angeordneten Elemente. Die Aufnahmeröhren weisen eine Photokathode mit einem Eingangsfenster und einem zu diesem dicht beabstandeten Auffänger auf, und auf der bezüglich der Photokathode gegenüberliegenden Seite des Auffängers ist zur Ablesung ein Elektronenemitter (Elektronenkanone) vorgesehen. Der Auffänger spricht auf Elektronen und auf die Aufnahmeröhre gerichtete Eingangsstrahlung an. Die Aufnahmeröhre kann daher im photoemittierenden Betrieb, im photoleitenden Betrieb oder wechselseitig in einer Betriebsart arbeiten, bei welcher gleichzeitig beide Verfahren zur Erfassung der einfallenden Strahlung verwendet werden.

Im folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispielnder Erfindung anhand der Zeichnungen erläutert; es stellen dar:

Fig. 1 schematisch ein Diagramm einer Aufnahmeröhre nach der Erfindung;

Fig. 2 eine vergrößerte Schnlttänsicht des Auffängers nach Fig. 1 und

Fig. 3 eine vergrößerte Aufeicht auf den Auffänger in Fig. 1* ^: 30Π 807/08-95

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Gemäß Flg. 1 weist eine Aufnahmeröhre eine Hülle 10 mit einem Zylinderabschnitt 12 und einem Röhrenfuß 14 an dessen einem Ende auf, um dieses Ende abzuschließen. Der Röhrenfuß 14 enthält auch mehrere Durchführungen 16, um Spannung an die Elektroden in der Hülle 10 anzulegen. Das andere Ende des Zylinders bzw. rohrförmigen Gliedes 12 ist durch einen vergrößerten zylindrischen Hüllenabschnitt 18 abgeschlossen. In diesem vergrößerten Hüllenabschnitt 16 befindet sich eine Schirmplatte 20. Die Schirmplatte 20 besteht aus einem für Strahlung vom ultravioletten Bereich bis zum infraroten Bereich durchlässigen Material, beispielsweise aus Lithiumfluorid, Magnesiumfluorid oder Quarz. Auf der Innenfläche des Schirmträgers 20 ist eine Photokathode 22 vorgesehen. Die Photokathode 22 kann aus einer dünnen Schicht von ungefähr 0,01 yura aus einem geeigneten Multi-Alkali-Stoff wie beispielsweise S-20 bestehen. Die von einem Objekt 23 durch ein Linsensystem 25 auf die Photokathode 22 gerichtete Strahlung wird von dieser absorbiert. Die Phetokathode 22 absorbiert insbesondere Strahlung im ultravioletten und sichtbaren Bereich und ist im wesentlichen transparent für den Infrarotbereich. Ein Auffänger (Target) 24 befindet sich nahe und parallel zu der Photokathode 22. Der Abstand zwischen der Photokathode 22 und dem Auffänger 24 kann ungefähr 1 bis 5 mm betragen.

Der Aufbau des Auffängers 24 kann in irgend einer geeigneten Weise erfolgen, so daß der Auffänger auf Elektronen und Lichtstrahlung anspricht. Der Auffänger 24 ist als Diodenmatrix dargestellt und im einzelnen in den Fig. 2 und 3 gezeigt. Der Auffänger 24 kann als Diodenvorrichtung in der Form eines großflächigen HeteroÜberganges oder einer Diodenanordnung aufgebaut sein, Der Auffänger 24 besteht aus einem Würfel oder einem Substrat eines geeigneten Halbleitermateriales wie Silizium, Germanium oder Indiumarsenid. In dem speziellen Beispiel wird Silizium-Material vom N-Typ mit einem spezifischen Widerstand von ungefähr 10 /I/cm verwendet. Die Dicke der aktiven Schicht des Würf.'iS kann ungefähr 10 bis 25 /um betragen, und der Aufnehmer kann einen Durchmesser von ungefähr 25 mm haben. Die Dicke muß angemessen sein, um infrarote Strahlung zu absorbieren. Bs ist ein

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Raster aus Bereichen 30 vom P-Typ auf der Seite des Würfels 26 vorgesehen, welche einem Elektronenemitter 40 gegenüber liegt und einen P-N-übergang 31 zwischen den Rasterbereichen 30 und dem Würfel 26 bildet, um mehrere Dioden 27 auszubilden. Auf dem Würfel 26 auf der dem Elektronenemitter 40 gegenüberliegenden Seite ist eine Schicht 32 aus Siliziumdioxyd mit offenen Bereichen vorgesehen, in denen Elemente 30 vom P-Typ gebildet werden. Die elektrisch leitenden Kontakte 34 sind auf den Bereichen 30 vom P-Typ vorgesehen. Die Kontakte 34 können aus einem geeigneten Material wie beispielsweise Gold, Aluminium oder Chrom bestehen. Die Kontakte 34 reflektieren infrarote Strahlung. Eine N+ Schicht 28 ist auf der Fläche des Würfels 26 vorgesehen, welche der Photokathode 22 gegenüber liegt.

Der Auffänger 24 kann auf einer 0,4 mm dicken Scheibe aus Silizium vom N-Typ hergestellt werden. Die Siliziumscheibe 26 wird durch Erhitzen auf 1000° C während einiger Stunden oxydiert, um die Schicht 32 zu ergeben. In dem photolithographischen Verfahren werden die öffnungen in der Schicht 32 hergestellt. Der Würfel wird dann in einen Ofen zur Diffusion von Bor eingebracht, so daß das Bor durch die öffnungen in der Schicht 32 diffundiert, um die Bereiche 30 und den P-N-übergang 31 auszubilden. Der Würfel wird dann auf die gewünschte Dicke gebracht, und es wird dann ein P₂°5 Getterverfahren verwendet, um tiefliegende Verunreinigungen zu entfernen und auch eine N+ Schicht 28 zu bilden. Die Widerstandsschicht 34 wird dann auf der Diodenfläche abgelagert. Dieser Vorgang ist beschrieben in "Photoelectronic Imaging Devices¹¹, Band 2, in Plenum Press 1971.

Die Dioden 25 können ungefähr 25 um Abmessung haben auf Zentren mit einem Abstand zwischen den ff-Bereichen 30 von ungefähr 5 ium und die öffnungen in der Schicht 32 können ungefähr 15 yum breit sein.

Der Elektronenemitter 40 ist gegenüber de* Auffänger 24 am gegenüberliegenden Ende der Hülle vorgesehen und erzeugt einen punktförmigen Elektronenstrahl zur Abtastung eines Rasters über

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dem Aufnehmer 24. Der Elektronenemitter 40 weist eine Kathode 42 auf, die mit Masse-potential verbunden sein kann. Der Elektronenemitter 40 kann auch ein Steuergitter 44 und eine Fokussierelektrode 46 aufweisen. Neben dem Auffänger 24 kann ein Gitter 48 vorgesehen sein, das ein etwas höheres Potential als die Elektrode 46 hat. Das Potential der Elektrode 46 kann ungefähr 400 V betragen. Der Elektronenemitter 40 kann entweder elektrostatisch oder elektromagnetisch fokussiert werden. Eine elektromagnetische Fokussierspule 50 befindet sich am äußeren Abschnitt des rohrförmigen Gliedes 12. Die Ablenkeinrichtungen können ebenfalls elektrostatisch oder elektromagnetisch arbeiten und es ist eine elektromagnetische Spule 52 dargestellt, um den Elektronenstrahl abzulenken, so daß er ein Raster über dem Auffänger 24 abtastet. Die Photokathode 22 kann mit einem Schaltglied 56 verbunden werden, so daß die Photokathode 22 mit einer Quelle 58 für ein höheres Potential von ungefähr 10 kV oder einer Quelle 60 für eine niedrigere Spannung verbunden werden kann, die ungefähr dem Massepotential entsprechen kann. Der Auffänger 24 weist umfangsseitig dn elektrisch leitendes Glied auf, das im Kontakt mit dem Umfangsabschnitt des N+ Bereichs 28 des Auffängers 24 steht und mittels einer geeigneten Durchführung 62 mit dem äußeren Abschnitt der Hülle 10 verbunden ist. Die Durchführung 62 ist durch einen Widerstand 64 mit einer Batterie 66 verbunden. Der negative Anschluß der Batterie 66 ist mit Masse verbunden, und die Batterie 66 kann ein Potential von 10 bis 20 V haben. Das Video-Signal wird über den Widersland 64 von dem Aufnehmer 24 abgeleitet.

Im Betrieb der Vorrichtung kann die Aufnahmeröhre entweder in einer photoleitenden Betriebsart oder gleichzeitig photoemittierend und photoleitend arbeiten. Im photoleitenden Betrieb wäre die Photokathode 22 mit der Quelle 60 für niedriges Potential verbunden. Die Strahlung von der Bildquelle 23 wird durch die Linse 25 auf den Auffänger 24 fokussiert. Die Strahlung im Infrarotbereich wird durch die Schirmplatte 20 und die Photokathode 22 auf den Auffänger 24 übertragen. Die Kontakte 34 reflektieren ebenfalls infrarote Strahlung und erhöhen das Ausgangssignal des Auffängers 24 infolge von Infrarotstrahlung. Der Elektronenstrahl vom Elektronenemitter 40 führt an den P-N-Ubergängen 31

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zu einem Sperrpotential und stellt dieses periodisch her. Die Strahlung wird durch den Auffänger 24 mit der Siliziumdiödenanordnung absorbiert und erzeugt ein entsprechendes Muster von Elektronenlöchern in dem Würfel 26. Die Löcher diffundieren in den übergang 31 und heben die Sperrspannung teilweise auf. Der Elektronenstrahl führt bei der nächsten Abtastung wieder zu einer Aufladung und ergibt einen Ausgangsignalimpuls für das Video-Ausgangssignal. Der Betrieb ist derart, daß der Elektronenemitter 40 die Elemente 30 der übergänge 31 des Auffängers auf Massepotential bringt, während die Rückplatte 28 sich auf einem positiven Potential von 10 bis 20 V befindet. Die P-N-übergänge 31 sind in Sperr-Richtung vorgespannt und das Element 30 wird in Durchlaßrichtung beaufschlagt, wenn Licht auf den Würfel 26 auftrifft.

Im gleichzeitig erfolgenden photoemittierenden-photoleitenden Betrieb wird die Photokathode 22 mit der Quelle 58 für hohes Potential durch den Schalter 56 verbunden. Die Strahlung von der Bildquelle wird durch die Linse 25 auf die Photokathode 22 gerichtet. Ein Teil der sichtbaren Strahlung wird durch die photoemittierende Kathode 22 absorbiert, und es werden Elektronen freigesetzt, welche dann in Richtung auf den Auffänger 24 beschleunigt werden. Der Rest der sichtbaren Strahlung und der größte Anteil der Infrarotstrahlung wird durch die Photokathode übertragen undqgelangt direkt auf den Auffänger 24 und erzeugt Paare von Elektronen und Löchern, wie vorher beschrieben wurde. Die auf den Auffänger 24 auftreffenden Photoelektronen und Photonen erzeugen im Würfel 26 Paare von Elektronen und Löchern. Der Betrieb .!des Auffängers 24 ist bei Photonen oder Elektronen ähnlich. Da beide Sensoren, die Photokathode 22 und der Auffänger 24 durch einen kleinen aber endlichen Fokussierabstand getrennt sind, ist ein Objektiv 25 mit einer entsprechenden Brennweite erforderlich, wenn für beide Arten von Strahlung eine hohe Auflösung gefordert wird.

Die beschriebene Aufnahmeröhre ergibt Ausgangssignale über ein breites Spektrum mit hoher Empfindlichkeit im sichtbaren oder

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ultravioletten Bereich des Spektrums und auch im Infrarot-Bereich, Die Empfindlichkeit für sichtbare und ultraviolette Strahlung kann über einen großen Bereich unabhängig von der Empfindlichkeit für infrarote Strahlung eingestellt werden. Die Rühre ist ebenfalls dazu geeignet, daß jeder der beiden elementaren Empfindlichkeitsbereiche in einem gewissen Umfang unabhängig in dem primären Spektralbereich optimiert werden kann. Die Wahl der Photokathode und des Schlrraplattenmateriales bestimmt die Empfindlichkeit und den Grenzwert für das sichtbare Licht oder den ultravioletten Bereich. Die Empfindlichkeit für Infrarotlicht kann eingestellt werden, indem infrarote anti-reflektierende Schichten an der Innenfläche des Auffängers vorgesehen werden und die Dicke des Auffängers optimiert wird und diese richtig bemessen wird.

Patentansprüche

Π !1

Claims

2237H1 Patentansprüche :

1.) Aufnahmeröhre mit einer evakuierten Hülle, einer für Eingangsstrahlung durchlässigen Schirmplatte, einer photoemittierenden Schicht auf der Innenfläche der Schirmplatte, welche auf einen ersten Anteil der Eingangsstrahlung zur Erzeugung von Photoelektronen anspricht, einen neben der Photokathode angeordneten Auffänger, eine die von der Photokathode emittierten Photoelektronen zum Auffänger hin beschleunigende Einrichtung zur Erzeugung eines ersten Ladungsabbildes auf der bezüglich der Photokathode gegenüberliegenden Seite des Auffängers entsprechend der Elektronenanregung und eine Einrichtung zur Erzeugung und Ausrichtung eines Elektronenstrahls über die bezüglich der Photokathode gegenüberliegende Seite des Auffängers zur Ableitung eines für das Ladungsabbild repräsentativen elektrischen Signales, wobei der Auffänger nahe der Photokathode angeordnet ist, so daß keine zusätzlichen Elektroden erforderlich sind, um eine Fokussierung zwischen der Photokathode und dem Auffänger zu erreichen, dadurch gekennzeichnet, daß die Schirmplatte (2Q) und die Photokathode (22) für einen zweiten den Infrarot-Bereich einschließenden Anteil der auf die Aufnahmeröhre gerichteten und auf den Auffänger (24) fokussierten Anteil der Eingangsstrahlung durchlässig ist, der Auffänger entsprechend der auf ihn gerichteten Ausgangsstrahlung ein Ausgangssignal abgibt, indem ein zweites Ladungsabbild auf der bezüglich der Photokathode gegenüberliegenden Fläche des Auffängars entsprechend der Strahlung in dem zweiten Anteil

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erzeugt wird, wodurch das elektrische Signal für das resultierende Ladungsabbild repräsentativ 1st.

Aufnahmeröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Auffänger eine Diode (27) aufweist.

Aufnahmeröhre nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Auffänger (24) einen Halbleiterwürfel (26) mit mehreren Bereichen aus Halbleitermaterial nahe der Fläche des Auffängers und unter Ausbildung von P-N-Übergängen (31) mit dem Würfel aufweist, die Bereiche an der Oberfläche des Würfels von der Photokathode (22) entfernt sind und elektrisch leitende Kontakte (34) haben, welche infrarote Strahlung reflektieren.

Aufnahmeröhre nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (40, 42, 44) zur Zeugung einer Sperrspannung an den P-N-Übergängen (31) eine: Einrichtung zur Erzeugung des Elektronenstrahls und eine Einrichtung zur Ableitung eines AusgangsStroms aus der in Sperr-Richtung gepolten Ladung der P-N-Übergänga durch den Elektronenstrahl aufweist.

Aufnahmeröhre nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schalteinrichtung (56) vorgesehen ist, um die Einrichtung zur Beschleunigung der Photoelektronen zu beeinflussen und dadurch das Ausgangssignal der Röhre bezüglich des ersten Anteils der Eingangsstrahlung zu verändern.

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