DE2254876A1 - Kreuzfeld-elektronenvervielfacher - Google Patents

Description

PATENTANWÄLTE

DR. CLAUS REINLÄNDER' Y1 P339 D

DlPL-ING. KLAUS BERNHARDT

D - 8 MÖNCHEN 60
THEODOR-STORM-STRASSE 18a

VARIAN Associates, Palo Alto, CaI₉₉ USA

Kreuzfeld-Elektronerivervielfacher

Priorität* 26. November 1971 - USA - Serial No. 202 541

Zusamgnfassyng

Die Sekundärelektronen-Emissionsfläche aer Dynoden-Slektrode eines Kreitzf eld-Elektronenvervielfachers ist mit einer konkaven Fläche versehen, die zum Sakimdärelektronenstrom treist, um den Sekundärelektronenstrom gegen ©ine unerwünschte Quer«*Ausbreituag zu fokussieren_? im auf diese Weise den Sanmelwirkungsgrad und in einigen Fällen die Bandbreite zu verbessern»

Bisher ist die Sekundärelektronen-Emissionsflächa- dor Dynodenanordnung in einem Kreuzfeld-Slektronenvervielfacher flach· Aufgrund einer solchen flachen Se-kundäremissions-Oberflache der Dynode neigen die¹ von der Dynode emittierten Sekundärelektronen da^Uj, sich quer'zur Rieh» tune des Sekunäärelektronenstroms auszubreiten« Dadurch wird bei Hochfrequenz-Slektronemrervielfachem dar Saoaelwirkungsgrad herabgesetzte weil der Kollektor so klein wie möglich sein sollte, um die Kollektor-

β β a je.

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kapazität für Hochfrequenzbetrieb herabzusetzen. Wenn also ein kleiner Kollektor für Hochfrequenzbetrieb verwendet wird, reduziert die Ausbreitung des Sekundärelektronenstroms den Sammelwirkungsgrad, v/eil ein erheblicher Teil des Sekundärelektronenstroms nicht auf der kleinen Kollektorplatte gesammelt wird.

Ein weiterer Nachteil der Ausbreitung des Sekundärelektronenstroms liegt darin, daß, in dem Maße, in dem divergente Elektronen aufgenommen werden, solche divergenten Elektronen eine größere Weglänge zurücklegen als die Elektronen in der Mitte des Elektronenstro&is. Demzufolge ruft die Differenz in der zurückgelegten Elektronenweglänge zum Kollektor eine Verbreiterung der Laufzeiten für die Sekundäre1ektronen hervor, so daß die Anstiegszeit eines vervielfachten Impulses vergrößert wird, so daß die Fähigkeit des Elektronenvervielfachers verringert v/lrd, zwischen Impulsen kurzer Dauer zu unterscheiden.

Allgemein gesagt beträgt beim gegenwärtigen Stand der Technik die Anstiegzeit eines statischen Kreuzfeld-ElektronenvervlC'lfachers mit mehreren Dynoden etwa 1 Nanosek\mde. Umgesetzt in den Frequenzbereich ergibt sich dadurch eine nutzbare obere Grenzfrequenz von etwa 1 GHz. Edn ähnliches Problem, tritt in einem dynamischen Kreuzfeld-Vervielfacher auf_r bei dem die Dynode eine kontinuierliche Sekundärelektronen-Emissionsfläche ist, über der ein hochfrequentes elektrisches Feld rechtwinklig zu einem statischen Magnetfeld erzeugt v/ird, um dafür au sorgen, daß einige der Elektronen, die in Phase mit dem angelegten elektrischen Feld sind, zykloide Laufbahnen mit mehreren Sprüngen die Länge des Vervislfachers abwärts durchlaufen. In einem solchen Vervielfacher reduziert die Quer-Ausbreitung des Sekundärelektronenstroms den Sammelwirkungsgrad auf die Größenordnung von 20 Si,

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Ein solcher Vervielfacher wird in einem Aufsatz "Sübnanosecond Gating Properties of the Dynamic Gross-Field Photoiaultiplier¹' Proceedings of the IEEE, YoI* 58, Hr. 10, Oktober 1970, Seiten 1467 - 1490 beschrieben.

Zusammenfassung der Erfindung

Durch die Erfindung soll eine verbesserte Bynodenstruktur für Ereuzfeld-Elektronenvervielfacher geschaffen werden,

Brf indungsgemäS weist die Sekundärelektronen emittierende Oberfläche einer Dynode in einem Kreuzfeld-Elektronenvervielfacher eine konkave Oberfläche auf, die zum Elektronenstrom weist, wobei die Umdrehungsachse diesor konkaven Fläche parallel zur Richtung des Sekundärelektronenstroms ist, um den Sekundärelektronenstrom gegen eine unerwünschte Querausbreitung zu fokussieren, so da., der Sammelwirkungsgrad des Elektronenvervielfacher^ verbessert wird·

Gemäß einer speziellen Ausbildung der Erfindung weist die Dynode eine Vielzahlvon isolierten Dynodensegmenten auf, die aufeinanderfolgend längs des Yfeges des vervielfachten Sekundärelektronenstroms angeordnet sind, wobei jedes der Dynodensegmente eine konkave Sekundärelektronenflache aufweist, die zum Elektronenstrom weist und deren Umdrehungsachse parallel zur Richtung des Sekundärel.ektronenstroms liegt«

In einer speziellen Ausführung der Erfindung ist der Elektronenvervielfacher dynamisch und weist Einrichtungen auf, mit denen hochfrequente elektromagnetische Schwingungs^ energie an Hen Bereich über der Sekundärelektronen emittierenden Fläche der Dynode gelegt wirde

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Die Erfindung soll anhand der Zeichnung näher erläutert werden? es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen statischen Kreuzfeld-Elektronenvervielfacher mit Merkmalen der Erfindung;

Fig. 2 einen Schnitt länge der Linie 2-2 in Fig. 1;

Fig. 3 eine perspektivische Teilansicht des in Fig* 1 mit der Linie 3-3 umschlossenen Teils;

Fig. 4 einen Schnitt durch den in Fig. 1 mit der Linie 4-4 umschlossenen Teil;

Fig. 5 einen Schnitt längs der Linie 5-5 in Fig. 4; Fig. 6a

und 6b SpannungsVerläufe von Eingangs- und Ausgangs-;

impulsen bekannter Elektronenvervielfacher;

Fig. 7 einen Längsschnitt duroh einen dynamischen Kreuzfeld-Elektronenvervielfacher mit Merkmalen der Erfindung;

Fig. 6 einen Schnitt längs der Linie 8-8 in Fig. 7; Fig. 9 einen Schnitt längs der Linie 9-9 in Fig. 7} und

Figo 10 den in Flg. 7 mit der Linie 10-10 umschlossenen Teil.

In Fig. 1 ist ein statischer Kreuafeld-Elektronenvervielfacher (Photovervielfacher) mit Merkmalen der Erfindung dargestellt.

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Der Elektronenvervielfacher 1 weist einen evakuierten Metallkolben 2, beispielsweise aus Monel, mit einer Länge von etwa 114 mm (4,5")» einer Höhe h von etwa 51 ami (2,0") und einer Tiefe d von etwa 25 mm (VO") aufo Der Kolben hat im allgemeinen rechteokige Form.und weist swel breite, parallele Vorder- bzw. Rückwände 3 und 4, zwei schmale ₃ rechteckige Deck- und Bodenplatten 5 und 6 sowie Stirnwände auf', die mit passenden Flanschen 7 an die Vorder» und Rückwand 3 bzw. 4 dicht angesetzt sind.

Sin Fig. 2 nur teilweise dargestellter Magnet ist so «, angeordnet, daß sein Süd- bzw« Nordpol an der Vorderbzw« Rückwand 3 bzw.4 des Gehäuses 2 anliegt, um ein gleichmäßiges statisches Magnetfeld B von beispielsweise 200 G im Kolben 1 zu erzeugen, das senkrecht zur Vorder- und Rückwand 3 bzw. 4 steht und diese durchsetzt.

Eine segmentierte Dynoden-Elektrodenstruktur 8 ist innerhalb des Kolbens 2 angeordnet. Die segmentierte Dynoden-Elektrodenstruktur 8 besteht aus einer Reihe von Dynoden 91 die im Kolben 2 über Durchführungs-Isolatoranordnungen 11 abgestützt sind, die durch den Boden 6 des Kolbens 2 hindurchführen« Eine im wesentlichen längliche ebene Elektrode 12 (Schiene) ist an der Decke 5 des Kolbens mit ei'ner Anzahl von Durchführungsisolatoren 13 abgestützt_o

Die obere Schienenelektrode 12 dient dazu, eine Unipotentialfläche aufzubauen» die mit dem Potential zusammenwirkt, das auf den einzelnen Dynoden 9 aufgebaut wird, um ein gleichförniGCs elektrisches Feld im Raum zwischen den Dynoden 9 und der oberen Elektrode 12 zu erzeugen. In einem typischen Ausführungsbeispiel wird die obere Elektrode 12 oder Schiene auf einem relativ hohen positiven Potential betrieben, beispielsweise 1000 V gegen Erde, während die einzelnen Dynoden 9

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auf aufeinanderfolgend niedrigeren Potentialen betrieben werden, beispielsweise -400, -800, -1200 bzw. -1600 V, gesehen von rechts nach links in der Zeichnung. Der Abstand zwischen den aufeinanderfolgenden Elektroden und der Schienenelektrode 12 1st so gewählt, daß die Ebene der oberen Oberfläche jeder der einzelnen Dynoden auf einer Äquipotentiallinie des elektrischen Feldes zwischen der Schienenelektrode und der Dynodenstruktur liegt, die ihrem Potential entspricht.

Eine Photokathode oder Eingangselektrode 151st am Eingangsende, links, der Dynodenreihe angeordnet und wird mit einem Durchführungsisolator 11 von Boden 6 des Kolbens 2 abgestützt. Die Photokathode ist derart angeordnet, daß die obere Photokathodenfläche auf einer Äquipotentiallinie liegt, die den Betriebspotential der Photokathddenoberflache 15 von beispielsweise -2000 V entspricht. Ein optisch transparentes Fenster 16 ist über eine Öffnung 17 in der Decke 5 des Kolbens 2 unmittelbar über der Photokathode 15 angeordnet. Die Schienenelektrode 12 weist eine Gitteröffnung 18 auf, die mit dem Fenster 16 ausgefluchtet ist, um einen optisch transparenten Weg durch das Fenster und auf die Photokathode 15 zu schaffen, durch den nachzuweisendes Licht hindurchtreten kann.

Eine Kollektorelektrodenanordnung 21 ist an der rechten Stirnwand 22 des Kolbens 2 montiert und erstreckt sich axial zum Kolben 2, wobei die obere Oberfläche 23 an einer Äquipotentialfläche des elektrischen Feldes angeordnet 1st, die dem Betriebspotential des Kollektors 21 entspricht, nämlich Erde.

Eine schüsselfö mige Kollektorplatte 24 (Fig. 5) 1st etwas unterhalb der oberen Oberfläche 23 der Kollektor-

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anordnung 21 angeordnet· Eine Gitteröffnung 25 ist über der Kollektorplatte 24 angeordnet» und dieses Gitter und die Öffnung 25 dienen dazu, die elektrostatische Äquipotentiallihie der oberen Oberfläche 23 der Kollektorelektrodenanordnung 21 gemäß Fig. 4 aufrechtzuerhalten. Die Kollektorscheibe oder -platte 24 ist am Ende eines Mittelleiters 26 einer Koaxialleitung 27 abgestützt, und das äußere Ende dieser Koaxialleitung ist gasdicht mittels eines Hochfrequenzfensters 28 abgedichtet, das in einem üblichen, nicht dargestellten Koaxial» anschluß ausläuft. Die Kollektorplatte 24 ist in einem im allgemeinen rechteckigen Hohlraum 29 in der Kollektorelektrodenanordnung 21 angeordnet.

Die Dynoden 9 bestehen jeweils aus einem metallischen Ü-Profil oder Hut 31» beispielsweise aus Monel, dessen Länge beispielsweise 14,0 mm (0,550") und dessen Breite beispielsweise 19»1 mm (0,75") beträgt. Das U-Profil weist eine Lippe oder einen längsgerichteten Flansch (Fig. 3) auf, der fest an einem in ähnlicher V/eise mit einem Flansch versehenen konkaven Sekundäremitter 33 befestigt ist, der beispielsweise aus Beryllkupfer oder Galliumphosphid besteht. In einem typischen Ausführungsbeispiel besteht der Sekundäremitter 33 aus einer dünnen zylindrischen Sektion aus Beryllkupfer, beispielsweise 0,51 mm (0,020") stark, das etwa 14,0 mm (0,550") lang ist, wobei die äußeren Flansche 34 an die passenden Flansche 32 der U-Profile punktgeschweißt sind. 2n einem typischen Ausführungsbeispiel hat die konkave obere Oberfläche jeder der Dynoden einen Krümmungsradius von etwa 12 bis 25 mm (0,5 bis 1,0"), wobei die Umdrehungsaclise der Sekundäremissionsfläche parallel zur Längsachse des Kolbens 2 ist und zum Sekundärelektronenstrom, wie noch beschrieben wird. Der Kolben und alle Elektroden und metallischen Elemente im Kolben bestehen aus unmagnetischem Material, beispiels-

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weise Monel, um die Gleichförmigkeit des Magnetfeldes innerhalb des Kolbens 2 nicht zu stören«

Die Photokathode 15 weist einen U-förmigen Träger oder Hut 31 aufι von der gleüien Form wie der der Dynoden 9» der seinerseits eine konkave Photokathode 36» beispielsweise eine S-20 Photokathode, trägt. Die Photokathode ist im gleichen Krümmungsradius wie die Dynoden 9 konkav, wobei die Umdrehungsachse für die konkave zylindrische Photokathodenoberfläche parallel zur Längsachse der Dynodenanordnung ist und in der Mittelebene der Dynodenanordnung liegt, wie das auch bei den übrigen Umdrehungsachsen der folgenden zylindrischen Sekundäremissionsflachen der folgenden Dynodensegmente 9 der Fall ist.

Im Betrieb treten Photonen des nachzuweisenden Lichtes innerhalb des Wellenlängenbereichs, für den die Photokathode 36 empfindlich ist, durch das Fenster 16 und die Gitteröffnung 16 auf die Photokathode 36. Primärelektronen, die von der Photokathode 36 unter cieia Einfluß der gekreuzten elektrischen und magnetischen Felder emittiert werden, werden veranlaßt, eine zykloide Laufbahn oder einen Sprung von der Photokathode 36 zur ersten Dynode 9 auszuführen, und dann über iwlgnde Sprünge über die Dynoden von einer Dynode zur nächsten und dann durch das Gitter 25 des Kollektors 21 auf die Kollektorplatte 24 auf Erdpotential. Da ^jede der aufeinanderfolgenden Dynoden sich auf einem positiveren Potential befindet, bombardiert der Sekundärelektronenstrom die nächstfolgende Dynode mit erheblicher Energie, um bei Jedem Sprung eine reichliche Sekundäremission hervorzurufen. Ein Bündel Primärelektronen, die von der Photokathode 36 freigesetzt werden, erzeugen also beim Auftreffen auf die erste Dynode ein Bündel Sekundärelektronen, die zur nächstfolgenden Dynode springen, um noch mehr Elektronen hervorzurufen.

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Auf diese Weise wächst der Sekundärelektronenstrom des. Slektronenbündels beim Überqueren der Dynoden 9· Das letzte Bündel wird auf der Kollektorplatte 24 gesammelt, •um den Ausgangsstrom zu erzeugen. In einem typischen Ausführun£sbeispiel eines Fhotovervielfachers gemäß Fig. 1 liegt der Gewinn K des Elektronenvervielfacher zwischen 10³ und 10 . ■

Y/egen der konkaven Krümmung der einzelnen Sekundärelektronen-Emissionsflächen 33 der aufeinanderfolgenden. Dynoden 9 werden die Sekundärelektronen zur Längs-Mittelebene der Dynodenanordnung fokussiert, so daß eine unerwünschte Strahlausbreitung vermieden wird· Auf diese Weise wird der gesamte Sekundärelektronenstrom in ein schmales Band fokussiert, so daß er vollständig auf der Kollektorplatte 24 gesammelt wird, mit Ausnahme des Teils des Sekundärelektronenstroms, der vom Kollektorgitter 25 abgefangen wird. Das Kollektorgitter Lat typischerweise eine Elektronentransparenz in der Größenordnung von 60 % oder mehr, so daß der Kollektorwirkungsgrad im Betrieb 80 % oder mehr beträgt·

Ein weiterer Vorteil der konkaven Krümmung der Sekundäremissionsflächen 33 der Dynoden 9 liegt darin, daß, da die Elektronen in ein Band in der Mittelebene fokussiert werden, sie im wesentlichen die gleichen Weglängen längs der Dynodenanordnung zum Kollektor 24 erfahren, so daß die Laufzeit für die Elektronen innerhalb eines bestimmten Bündels im wesentlichen die gleiche ist, im Gegensatz zu einem Elektronenstrom, dem eine Ausbreitung erlaubt wird. In einem sich ausbreitenden Sekundärelektronenstrom durchqueren die äußeren Seitenkanten des Stroms längere Weglängen zur Kollektorplatte 24 als die Elektronen, die in der Mittelebene des Sekundärelektronenstroms liegen· Dementsprechend wird die Anstiegszeit für einen Elektronenvervielfacher mit sich ausbreitendem Strahl erheblich

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vergrößert, verglichen mit dem einer Röhre mit engem Strahl. Insbesondere ergab ein Einganga-ElektronenimpulE mit einer Amplitude oder Impulsform gemäß Fig. 6a mit einer Impulsbreite von etwa 0,1 Nanosekunden ein Ausgangsverhalten oder einen Ausgangsimpuls mit einem Spannungsverlauf gemäß Fig. 6b. In Fig. 6b ist zu erkennenι daß die ursprüngliche Impulsbreite von 0,1 Nanosekunden einen Ausgangsimpuls ergab, der eine Breite von etwa 1 NanoSekunde zwischen den Punkten mit 10 % Abfall aufwies. Dieser Ausgangsimpuls war ferner durch eine Anstiegszeit von etwa 1,0 Nanosekunden gekennzeichnet. Die Bandbreite des Vervielfachers ist etwa gleich 1 : minimale Anstiegszeit, d.h. beim Stand der Technik etwa 1 GHz. DurdaVerwendung von konkaven Sekundäremissionsflachen 33 der Dynoden 9 1st jedoch die minimale Anstiegszeit um einen Faktor 5 herabgesetzt worden, so daß sich eine fünffache Erhöhung der effektiven Bandbreite des Vervielfachers ergibt, und somit eine Bandbreite von etwa 5 GHz.

In Fig. 7 bis 10 ist ein dynamischer Kreuzfeld-Elektronenvervielfacher 41 (Photovervielfacher) mit abweichenden Merkmalen nach der Erfindung dargestellt.

Der dynamische Kreuzfeld-Photovervielfacher 41 nach Fig. bis 10 ist ähnlich dem in Verbindung mit Fig. 1 und 2 beschriebenen/mr daß das statische elektrische Feld durch ein hochfrequentes elektrisches Feld unterstützt wird und die Dynode aus einer einzigen Gleichpotential-Elektrodenstruktur besteht, die sich in Längsrichtung des Kolbens erstreckt* Genauergesagt, der Photoverviel-

1 anglichen. fächer 41 besteht eus einem Genusseiförmigen Kolben 42, beispielsweise aus Monel, mit einer Deckplatte 43, die dicht an die Schüssel 42 an deren Lippenflansch bei 44 angesetzt ist, um einen evakuierten Kolben zu bilden.

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Der Kolben 42 ist mit einer Grundplatte 45 vereinigt eine längliche, rechteckige Dynode 46 ist innerhalb des KolTisas 42 längs dessen Boden angeordnet und wird von diesem mit einer Isolierschicht, beispielsweise aus Tonerde, von etwa 0,25 mm (0,010") Stärke getrennt. Sine Anzahl metallener Lappen 47 halten die Sekundäremissionsdynode 46 am Boden des Kolbens 42. Zusätzliche jjlattenf önaige Segmente aus Isoliermaterial 40 sind zwischen der Dynode 46 und den Zungen 47 vorgesehen, damit unabhängige elektrische Potentiale von beispielsweise -300 V gegen den geerdeten Kolben 42 an die Dynode gelegt werden können»

Eine metallische, obere Schienenplattenelektro&e 48 ist parallel über der Dynode 46 mit zwei Endstützen 49 befestigt, die dazu dienen, die Schienenelektrode 48 an der Deckplatte 43 des Kolbens abzustützen, und die aufgebogene Enden bilden, die an die Endwand 43 kurzgeschlossen sind. In einem typischen Ausführungsbeispiel hat die Deckschiene 48 von der Dynode 46 einen /bstand von 3,18 mm (0,125")· Die Dynode 46 und die Schiene 46 haben eine Länge von beispielsweise 76 mm (3°) und eine Breite von beispielsweise 13 mm. (0,5")<. Die Schiene 48 bildet, wie sie im Kolben 42 gehaltert ist* eine Sektion einer Koaxialleitung, die an den Enden kurzgeschlossen ist, so daß sie einen Resonator bildet, und wird mit elektromagnetischer Energie Über einen Eingangs-ßF-AnschluB 51 erregt, der über eine Eingangsschleife 52 an die Koaxialleitung angekoppelt ist.

Die Resonanzsektion der Koaxialleitung ist auf eine Resonanzfrequenz in der Nähe der Anregungsfrequenz abgestimmt. In einem typischen Ausfütaingsbeispiel ist die Länge der Koaxialleitung zur Resonanz bei etwa

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1 GHz besessen, und über den EingangsanschlUi3 51 wird HF-Energie bei 1 GHz eingekoppelt, um die Resonanz bei 1 GHz anzuregen. Eine Abstimmeinrichtung 53 ist auf einem Stück der Länge des K^axialhohlraums vorgesehen, wobei ein quer verschiebbarer metallischer Abstimmblock 54 zur Abstimmung des Resonators in diesen hineinreicht. Der Block 54 wird von der Decke 43 mit einer verformbaren Membran 55 abgestützt und v/ird mit einer Schraubenspindel 56 verschoben, die über einen Tragarm 47 von der Deckplatte 43 getragen wird.

Eine Photokathode 56, beispielsweise eine Photokathode S-20, ist am stromaufwärtigen Ende der Dynode 46 als ein Teil derselben angeordnet, und am stromabwärtigen Ende des Hohlraums ist in der Grundplatte eine Kollektorplatte vorgesehen. Insbesondere v/eist die Dynode 46 eine zentral angeordnete, kreisförmige öffnung 50 von beispielsweise 6,4 mm (0,25") Durchmesser in der Grundplatte auf. Die öffnung ist mit einem doppolmaschigen Gitter 62 verschlossen,und die Kollektorscheibe 59 ißt am inneren Ende des Mittelloiters einer Koaxialleitung abgestützt, die den Ausgange-HF-Koaxialleitungsanschluß bildet.

Das doppelmaschige Gitter 62 1st über die gegenüberliegenden Selten einer Unterlegscheibe 64 gelötet, um ein Streuen der HF-Energie aus dem Hohlraum zur Koaxialleitung 63 (Fig. 10) zu verhindern. Die Kollektorscheibe 59 wird auf Erdpotential betrieben, während die isolierte Dynode auf einem von Erde abweichenden Potential betrieben werden kann, um ein gleichförmiges elektrostatisches Feld zwischen der Schiene 48 und der Dynode 46 zu erzeugen. Ein Magnet mit Polflächen 65 und 66 ist auf gegenüberliegenden Seiten des Kolbens 42 angeordnet, um ein gleichförmiges Magnet-

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feld B im Raumbereich zwischen der Schiene 48 und der Dynode 46 hervorzurufen, das sich parallel zur Unterseite der Schiene 46 erstreckt und über den Bereich der Koaxialleitung zwischen dar Schiene·48 und der Dynode gleichförmig ist.

Ein optisch transparentes Fenster 68 ist dicht über einer öffnung in der Decke 43 des Kolbens eingesetzt und eine vergitterte öffnung 69 ist in der Schiene 48 oberhalb des Photokathodenteils 58.des Photovervielfachers 41 vorgesehen.

Die Dynode 46 ist mit einer konkaven Sekundäremissionsfläche 71 versehen, die zur Schiene 48 weist» Der Krümmungsradius der konkaven Sekundäremissionsflache ist so gewählt, daß der Sekundärelektronenstrom in ein Band fokussiert wird, das sich längs der Längs» Mittelebene des Raumbereiches zwischen der Schiene 48 und der Dynode 46 erstreckt. In einem typischen Ausführungsbeispi©! hat die konkave Sekundäremissionsfläche 71 einen Krümmungsradius von beispielsweise 12 bis 19mm (0,5 bis 0,75") und die Umdrehungsachse der konkaven Fläche ist parallel zur Längsachse des Sekundärelektronenstroms und befindet sich im wesentlichen in der Mittel ebene der Dynodenelektrodenstruktur«, Die Photokathode 58 ist in der gleichen Weise gekrümmt wie die Dynode 46, um für eine Fokussierung der primären oder Photoelektronen zu sorgen, die von ihr emittiert werden.

Im Betrieb tritt ein Photon mit optischer Energie innerhalb des Spektralbereichs der Photokathode 58 durch das Eingangsfenster 68, die öffnung der Schiene 48 und auf die Photo-

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kathode 5G, um Primärelektronenemission hervorzurufen. Die Primärelektronenemission kommt unter den Einfluß der gekreuzten elektrostatischen und magnetostatischen Felder plus eines überlagerten hochfrequenten elektrischen Feldes parallel zum elektrostatischen Feld im Bereich zwischen der Schiene 48 und der Photokathode 50 und der Dynode 46. Unter dem Einfluß der gekreuzten elektrischen und magnetischen Felder führen die Primärelektronen, sobald sie die richtige Phase im Vergleich zur Phasa des angelegten elektrischen Wechselfeldes haben» zykloide Sprünge, so daß dio Primärelektronen die Dynode 46 zurückbombardieren, um einen Sekundärelektronenstrom zu erzeugen. Insbesondere, wenn das elektrische Feld positiv ist, wird das Elektronenbündel von der Photokathode zur Schiene 4G beschleunigt. Zur gleichen Zeit sorgt das magnetische Feld dafür, daß die Elektronen in einen Weg krümmen, der die Elektronen zur Dynode zurückführt, wobei sich eine Verschiebung längs der Längsachse der Schiene ergibt, d.h. von links nach rechts. Wenn die wechselnden Bedingungen des elektrischen Feldes richtig sind, kehrt das Elektronenbündel zur Dynode 46 mit genügend Energie zurück, um eine Sekundäremission hervorzurufen, wobei das SekundäremissionsverfaäHnis <f größer als 1 ist. Diese Sekundärelektronen wiederholen dann den Prozeß, bis nach N Sprüngen dio gesamte seitliche Wanderung gleich der Länge der Dynode 46 bis zur Kollektorplatte 59 ist, und die Elektronen werden aufgefangen. Jeder Sprung der Elektronen erhöht die Anzahl der Sekundärelektronen um das Sekundäremissionsverhältnis, so daß sich ein Gewinn K von <jf ^N"*¹ ergibt.

Wenn das elektrische Feld nur eine statische oder Gleichkomponente hat, würde jeder Energiegewinn während des

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Weglaufens von der Dynode 46 bei der Rückkehr zur Dynode 46 verlorengehen, so daß die Ankunftsenergie gerade gleich der Anfangsenergie der Elektronen wäre. Sowohl für Sekundär elektronen als auch für primäre Photoelektronen ist die Anfangs energie zu klein, um Sekundäremissionsverhältnisse größer als 1 hervorzurufen. Aus diesem Grund enthält das elektrische Feld eine hochfrequente Komponente. Diese HF-Komponente erlaubt es dem elektrischen Feld, größer zu sein, wenn sich das Elektron von der Dynode 46 weg bewegt₉ als während des Rücklaufs. Dadurch wird ein ausreichender Energiegewinn ermöglicht, so daß die Elektronen genügend Aufprallenergie aufweisen, \*enn sie zur Dynode zurückkehren, um eine gute Sekundäremission zu erhalten» Wegen deses HF-Feldes hängt das elektrische Feld, das ein Elektron während eines Vervielfachungsschrittes erfährt, von der Startphase des Elektrons während der HF~Periode ab. Elektronen, die später in der HF-Periode starten, sehen ein stärkeres elektrisches Feld und neigen dazu, stärker beschleunigt au werden, so daß sie die Elektronen überholen, die früher produziert wurden. Dadurch wird eine Bündelung der Elektronen mit der Zeit (oder in der Phase) hervorgerufen. Dieses Elektronenpaket wird weiter in den folgenden Schritten gebündelt und vervielfacht, so daß schließlich ein Ausgang erzeugt wird, der nicht kontinuierlich ist, sondern aus einer Reihe von Impulsen besteht, die 3eder hoffentlich der Lichtmenge entsprechen, die während dos vorangegangenen HF-Zyklus einfiel. Die Abfragefrequenz ist damit gleich der HF-Treibfrequenz und die Abfragezeit ist ein gewisser Teil der HF-Periode. Das Abfragen erfolgt nicht gleichförmig über jeder HF-Periode, sondern wird durch die Abfragefunktion bewertet, die ihrerseits von den Feldstärken abhängt,

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Eine kleine Komponente des HF-Feldes streut durch die Ausgangs-Kopplungsleitung 63 heraus, und deshalb wird vorzugsweise ein Synchrondetektor mit einer kleinen Gegenspannung verwendet, um die unerwünschte Kopplung dar HF-Energie durch den Ausgangsschirm 62 zur Ausgangs-Koaxialleitung 63 auszulöschen· In einem typischen Ausführungsbeispiel erfahren die Elektronen zwischen 11 und 14 Sprüngen bei der Durchquerung der Länge der Dynode 46 von der Kathode 58 zum Kollektor 59· Wie im vorangegangenen Beispiel sorgt die konkave, zylindrische Krümmung der Sekundäremissionsfläche der Dynode 46 dafür, daß der Sekundärelektronenstrom in ein Band fokussiert v/ird und sich nicht ausbreitet, so daß der Kollektorwirkunggrad erheblich vergrößert wird, verglichen mit einem bekannten Elektronenvervielfacher, in dem eine ebene Dynode 46 verwendet wird· In einem typischen AusfUhrungsbeispiel weist der dynamische Elektronenvervielfacher 41 einen Gewinn K zwischen 10^ und auf und sorgt für einen Kollektorwirkungsgrad gleich oder größer als 80 tf, wobei der Kollektorwirkungsgrad lediglich durch die Transparenz des Kollektorgitters begrenzt wird.

Die Elektronenvervielfacher nach der Erfindung sind zwar in Verbindung mit einer Photokathode als Quelle für die Primärelektronen erläutert worden, das ist jedoch nicht erforderlich. Stattdessen kann der Elektronenvervlelfaoherteil solcher Photovervielfacher dazu verwendet werden, den Elektronenstrom eines Eingangs-Elektronenstrahls oder Ionenstrahls zu vervielfachen, der auf die erste Dynode oder das stromaufv/ärtige Ende der Dynode gerichtet ist.

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Claims (2)

1. 225A876

   Patentansprüche

   M J Kreuzfeld-Elektronenvervielfacher bestehend aus einer Dynoden-Elektrodenanordnung innerhalb eines evakuierten Kolbens, die wenigstens eine Sekundärelektronen-Emissionsflache aufweist, die mit Elektronen bombardiert wird, um reichliche Sekundärelektronenemission hervorzurufen, gekreuzten elektrischen und magnetischen Feldern innerhalb des Kolbens Über der Sekundärelektronen-Emissionsfläche, einer Einrichtung zur Erzeugung eines Eingangsstroms aus zu vervielfachenden Primärelektronen, mit der der primäre Elektronenstrora gegen die Sekundärelektronen-Emissionsfläche gerichtet wird, und einem Kollektor zur Aufnahme des vervielfachten Sekundärelektronenstroms, dadurch gekennzeichhet, daß die Sekundärelektronen-Emissionsfläche 211.1 Sekundär el ektronens tr om hin konkav ist und dieser konkave Teil eine Umdrehungsachse allgemein längs der Länge des Sekundärelektronenstroms aufweist, um den Sekundärelektronenstrom gegen eine unerwünschte Querausbreitung zu fokussieren·
2. 2. Vervielfacher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet. daß die konkave Sekundärelektronen-Emissionsfläche der Diodenelektrode im allgemeinen eine zylindrische Sektion ist.

   ο Vervielfacher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet _f daß die Dynoden-Elektrodeneinrichtung eine Vielzahl von Dynodensegmenten aufweist, die

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   nacheinander längs des Weges des vervielfachten Sekundärelektronenstroms angeordnet slnd_v und daß flie aufeinanderfolgenden Dynodeneegmente elektrisch gegeneinander isoliert sind·

   4« Vervielfacher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeIchnet. daß im Raum über der Dynoden-Elektro· denanordnung ein elektromagnetisches Sohvingungsfeld herrscht, dessen elektrischer Vektor allgemein normal zur Sekundärelektronen-Imlssionsfläohe der Dynoden-Blektrodenanordnung steht.

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