DE2401662A1 - Elektronenvervielfacher - Google Patents

Description

GÜNTHER M. DAVID

Anmelder: N.V. PHILIPS' GLOhILAMPENFASRIEKEN
Ai*, ΡΗΒ-32.306

Anmeldung vom» 11. Jan. 1974

N.V.PHILIPS«GLOEILAMPENFABRIEKEN, EINDHOVEN / HOLLAND

"Elektronenvervielfacher"

Die Erfindung betrifft eine KanalbildverStärkungsanlage oder Kanalplatte, bei der das Ende jedes Kanals der Platte durch eine elektrisch leitende, elektronendurchlässige, mit den übrigen Membranen elektrisch verbundene Membrane abgeschlossen ist. Sie eignet sich besonders zur Anwendung in elektronenoptischen bildformenden Anordnungen.

Die unter der Bezeichnung "Kanalplatte" bekannte Anordnung ist ein Sekundäremissionselektronenvervielfacher, in dem eine Matrix in Form einer Platte mit einer Vielzahl länglicher Kanäle vorgesehen ist, die sich in der Stärkerichtung der Platte ausdehnen und wobei die Platte eine erste Leitschicht auf der Eingangsoberfläche und eine getrennte zweite Leitschicht auf der Ausgangsoberfläche aufweist, die als Eingangs- bzw. Ausgangselektrode wirksam sind.

Sekundäremissionsverstärker dieser Art sind z.B. in den britischen Patentschriften 1 .064.073, 1.064.074, 1.064.076, 1.090.406 und 1.154.515 beschrieben, während deren Herstellungsverfahren in den britischen Patentschriften 1.064.072 und 1.064.075 beschrieben sind.

Die in diesen Patentschriften beschriebenen Kanalplatten können als Anordnungen mit durchgehenden Dynoden betrachtet werden, weil das Material der Matrix sich ununterbrochen (aber nicht notwendigerweise gleichmäßig) in der Stärkerichtung, d.h. in der Rich-

PHB-32.3O6 40 9832/0726
Br.

tung der Kanäle, ausdehnt. Im Betrieb wird zwischen den beiden Elektrodenschichten der Matrix ein Potentialunterschied angelegt, so daß ein elektrisches Feld zum Beschleunigen der Elektronen erzeugt wird, das einen Potentialgradienten liefert, der dadurch entsteht, daß in den Kanälen gebildete Oberflächen mit Widerstandseigenschaften oder (wenn es keine derartigen Kanaloberflächen gibt) die Matrixmasse ein Strom durchfließt. Wie bei allen Kanalplatten wird die Vervielfachung durch Sekundäremission in den Kanälen ausgelöst.

Während die übliche Kanalplatte ununterbrochene Dynoden hat, sind Platten mit geschichtetem Aufbau beschrieben, die eine Matrix aufweisen, die aus wechselweise leitenden und trennenden Schichten besteht, so daß die Innenwand jedes Kanals in der Längsrichtung unterbrochen ist.

Eine bekannte Art des geschichteten Aufbaus hat die Form einer Kanalplatte der obenerwähnten Art, bei der die Matrix aus einer Stapelung von wechselweise isolierenden und leitenden Schichten besteht, wobei entsprechende Öffnungen die Kanäle bilden, und zwar so, daß jede isolierende Schicht in bezug auf die vorangehende Leitschicht zur Vermeidung von Entladung der isolierenden Schicht zurückspringt, wobei die Leitschichten als gesonderte Dynoden arbeiten. Ein anderer geschichteter Aufbau ist in einer weiteren Patentanmeldung (England. Nr. 7224-73) beschrieben, wobei die Matrix einen geschichteten Aufbau hat, der aus wechselweise Leitschichten und Trennungsschichten mit Widerstandseigenschaften besteht, wobei gleichfalls entsprechende Öffnungen die Kanäle bilden. Hierbei sind die isolierenden Trennungsschichten durch Trennungsschichten mit Widerstandseigenschaften ersetzt, so daß die geschichtete Kanalplatte aus abwechselnden Schichten aus leitendem Material und Widerstandsmaterial besteht.

Die britische Patentschrift 1.175.599 beschreibt eine Kanalplatte als einen Elektronenvervielfacher unter Verwendung von Sekun-

40983 2/0726

däremission für eine Elektronenröhre, die aus einer Matrix mit Widerstandseigenschaften in Form einer Platte besteht, deren wichtigste Oberflächen die Eingangsfläche und die Ausgangsfläche der Matrix bilden, wobei eine auf der Eingangsfläche der Matrix angebrachte Leitschicht als Eingangselektrode und eine gesonderte auf der Ausgangsfläche der Matrix angebrachte Leitschicht .als Ausgangselektrode dient. Längliche Kanäle bilden je einen Durchgang von einer Fläche des aus der Matrix und den Eingangs- und Ausgangselektroden bestehenden Ganzen zu der anderen Fläche.

Wie in der letztgenannten Patentschrift dargestellt ist, gibt es bei Kanalplatten Schwierigkeiten durch Ionenrückkopplung und optische Rückkopplung, während in bestimmten Situationen auch der Nachteil sogenannter "dunkler Flecke" auftritt. Die Erfindung nach dieser britischen Patentschrift 1.175.599 gibt eine Lösung für diese Schwierigkeiten und bezieht sich auf eine verbesserte Ausführungsform oder Abwandlung eines Kanalplattenelektronenvervielfachers, wobei der Eingang jedes Kanals durch eine elektrisch leitende Membrane abgeschlossen wird, die auf die in dieser Patentschrift beschriebene Weise Elektronen passieren läßt und mit den übrigen Membranen elektrisch verbunden ist. (Die Bezeichr nung "elektronendurchlässig" bedeutet hier, daß getrennte Elektronen durch eine Membrane dringen können oder in der Membrane Sekundärelektronen erzeugen können, die an deren Ausgangsseite heraustreten können.)

Die Erfindung nach der britischen Patentschrift 1.175.599 kann bei Bildverstärkerröhren sowohl vom genannten "Nachfokussierungs"-Typ als auch vom "Invertor"-Typ Anwendung finden, wobei eine Röhre des letztgenannten Typs eine Kanalplatte enthält, die in einiger Entfernung von der Photokathode liegt, zwischen denen ein elektronenoptisches System angeordnet ist, das das Elektronenbild umkehren kann. Hinsichtlich der Nachfokussierungsröhren zeigt es sich, daß Bildverstärker mit Nachfokussierung, bei denen aus Aluminium bestehende Membranen angewandt werden, ein Bild mit

409832/0726

einem verhältnismäßig schwachen Kontrast durch die große Reflektionsleistung der Aluminiumschicht liefern. Die Aluminiumschicht wirft Streulicht, das entweder von der Photokathode selbst durchgelassen wird oder aus externen Quellen herrührt, zur Photokathode zurück, wodurch wieder Elektronen freigemacht werden und der Kontrast des endgültigen Bildes geschwächt wird. Diese Schwierigkeit gibt es nicht bei einem üblichen Verstärker des Invertortyps, weil das für die Elektronenoptik erforderliche Elektrodensystem die Photokathode gegen alles Streulicht abschirmt, das gegebenenfalls von der Kanalplatte zurückgeworfen wird.

Die Erfindung schafft eine verbesserte Ausführungsform einer Kanalverstärke ranordnung oder Kanalplatte der eingangs genannten Art, die dadurch gekennzeichnet ist, daß die eingangsseitigen Strahlenauftreffflachen der Kanalplatte, einschließlich der entsprechenden Flächen der leitenden Membran, nicht reflektierend sind.

Eine derartige Kanalplatte kann bei einer Bildwiedergaberöhre den Kontrast verbessern und ist aus obenerwähntem Grunde besonders dazu geeignet, in Bildverstärkerröhren oder Bildverstärkungsstufen des Nachfokussierungstyps angewandt zu werden.

Genauso wie die Membranen nach der britischen Patentschrift 1.175.599 können die erfindungsgemäßen Membranen die Form einer ununterbrochenen Schicht aufweisen, die auf der Eingangs-elektrode angebracht ist. Dabei kann die Membranschicht von der Eingangselektrode isoliert sein, so daß sie ein anderes Potential als die Eingangselektrode haben kann. Es ist Jedoch auch möglich, daß die Membranen die Form von Ergänzungen der Eingangselektrode der Anordnung haben, so daß diese Elektrode und die Membranen zusammen eine ununterbrochene Schicht bilden.

Vorzugsweise sind die Membranen für sichtbare Strahlung nahezu

409832/0 7 26

durchlässig (und gegebenenfalls für andere Strahlung, wie Ultraviolettstrahlung), da die Anordnung hierdurch auch optische Rückkopplung bei Anwendung in einer Röhre mit einem Bildschirm verhindern oder herabsetzen kann (in diesem Zusammenhang wird die Bezeichnung "nahezu undurchlässig" benutzt, um anzugeben, daß die Membranen wenigstens in genügendem Ausmaß für Rückwärtsstrahlung aus dem Bildschirm undurchlässig sein müssen, um kumulative oder unbeherrscht anwachsende optische Rückkopplung in der Röhre zu verhindern). Bei einer derartigen Röhre ist keine Metallverkleidungsschicht an der Rückseite des Schirmes notwendig, während das Material des Schirmes so gewählt wird, daß er Licht mit Wellenlängen ausstrahlt, für die die Membranen nahezu undurchlässig sind.

Genauso wie bei der britischen Patentschrift 1.175-599 bestehen die Membranen vorzugsweise aus Aluminium, und bei den nachstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen wird denn auch im wesentlichen von der Verwendung von Aluminiumschichten ausgegangen, wobei ein Verfahren, um dünne Aluminiumschichten nichtreflektierend zu machen, behandelt wird.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt

Fig. 1 eine stark vergrößerte Ansicht eines kleinen Teiles einer Kanalplatte nach der britischen Patentschrift 1.175.599, wie diese in einer Bildverstärkerröhre des Nachfokussierungstyps angewandt wird,

Fig. 2 eine entsprechende Ansicht einer erfindungsgemäßen Kanalplatte mit nichtreflektierenden Membranen,

Fig. 3 eine Abwandlung der Kanalplatte nach der Fig. 2, bei der zwischen der dünnen Membranschicht und der Eingangselektrode eine isolierende Schicht angebracht ist, und

9832/0726

Fig. 4 eine Ausführungsform, bei der die Membranen die Form von Ergänzungen der Eingangselektrode der Anordnung aufweisen, so daß diese Elektrode und die Membranen zusammen eine ununterbrochene Schicht bilden.

Der eingangs erwähnte Nachteil wird jetzt an Hand der Fig. 1 näher erläutert werden, welche Figur einen kleinen Teil einer Kanalplatte mit den Kanälen C, einer Eingangselektrode E1 und einer Ausgangselektrode E2 sowie einem Teil eines mit der Kanalplatte zusammenarbeitenden Bildschirms S zeigt. Der Schirm kann von einem bekannten Typ sein, der auf einem Fenster Ws aus normalem Glas oder mit einer Faseroptik angebracht ist, welches Glas oder welche Optik ein Teil einer evakuierten Hülle sein kann. Der Schirm besteht aus einer Schicht aus einem Fluoreszenzmaterial S, auf deren dem Fenster zugewandter Oberfläche eine Leitschicht Es angebracht ist (sie ersetzt die üblichere Metallverkle^ dungsschicht). Die Anordnung ist vom Nachfokussierungstyp und enthält denn auch eine Photokathodenschicht PC, die dicht bei der Eingangsfläche der Kanalplatte liegt (eine derartige Schicht kann auf einem Eingangsfenster Wp angebracht sein, das auch einen Teil der Hülle bilden kann.)

Hochspannungsquellen BO, B1 und B2, die schematisch angegeben sind, sind für das auf eine bekannte Weise Anlegen der Elektronenbeschleunigungsspannungen an die Schichten PC, E1, E2 und Es vorhanden.

Nach der britischen Patentschrift 1.175.599 bildet eine dünne Metallschicht Df die Membranen D, die zeichnungsgemäß die Eingänge der Kanäle C abschließen. Derartige Membranen bestehen aus leitendem Werkstoff (z.B. aus Aluminium) und können die Form einer ununterbrochenen Schicht Df aufweisen, die auf der Eingangselektrode E1 der Kanalverstarkungsanordnung in der angegebenen Weise angebracht ist.

Der eingangs erwähnte Rückwerfungsnachteil wird durch einen

409832/0726

Lichtstrahl L1 dargestellt, der die Photokathodenschicht PC durchdringt, aber darin keine Photoemission bewirkt, von der Schicht Df zur Photokathodenschicht zurückgeworfen wird und dann die Emission eines unerwünschten Photoelektrons el zur Folge hat. Ein entsprechender Effekt kann durch einen Streulichtstrahl L2 bewirkt werden, der aus der Umgebung der Röhre eintritt und die Emission eines Photoelektrons e2 auslöst.

Fig. 2 zeigt einen erfindungsgemäßen Aufbau, der der Konstruktion nach der Fig. 1 völlig gleich sein kann, außer daß .er jetzt eine nichtreflektierende Oberfläche auf der Eingangsfläche der Schicht Df hat.

Die Membranschicht Df kann an der Eingangselektrode E1 anliegen, wie in der Fig. 2 wiedergegeben ist, aber sie kann auch davon isoliert sein, so daß daran ein Potential angelegt werden kann, das vom Potential der Elektrode E1 abweicht. Diese Möglichkeit ist durch eine isolierende Schicht Id in der Fig. 3 angedeutet.

Eine weitere Möglichkeit ist, die Membranen als Ergänzungen der Eingangselektrode der Anordnung derart auszuführen, daß diese Elektrode und die Membranen zusammen eine ununterbrochene Schicht bilden. Dies ist durch die in der Fig. k gezeichnete kombinierte Schicht (E1 + Df) wiedergegeben.

Die Membranen D können als gesonderte Elemente angebracht werden, wobei ihre Ränder mit der Eingangselektrode in elektrischem Kontakt stehen, in welchem Falle man dafür sorgen muß, daß die Eingangselektrode gleichfalls nichtreflektierend ist. Anwendung einer ununterbrochenen Schicht Df erleichtert die Herstellung, die zweistufig ausgeführt werden kann, wobei in der ersten Stufe eine selbsttragende Aluminiumschicht entsteht, die kristallin (und somit reflektierend) ist, während in der zweiten Stufe eine zweite Aluminiumschicht angebracht wird, die die erste bedeckt und amorph und somit nichtreflektierend oder "schwarz¹¹ ist. Die

409832/0726

* 240 Ί 662

zweite Schicht wird dabei nicht selbsttragend sein, aber sie wird von der ersten Schicht getragen werden. Die erste Schicht kann nach bekannten Verfahren oder z.B. nach in der deutschen Patentschrift P 21 56 546.8 der Anmelderin beschriebenen Verfahren gebildet werden. Nachstehend werden Beispiele der Bildung der ersten Schicht gegeben.

Zunächst wird auf eine bekannte Weise, z.B. schwimmend auf Wasser, eine dünne Lackschicht gebildet. Diese dünne Schicht wird anschließend auf die Eingangsoberfläche einer Matrix gelegt, die bereits eine gesonderte Eingangselektrode aufweist, wie nach der Fig. 2 oder 3. Danach wird in Vakuum Aluminium in kristalliner Form auf die dünne Schicht aufgedampft.

Nach einem anderen Verfahren, das bei der in der Fig. 4 wiedergegebenen Ausführungsform angewandt werden kann, wird die dünne Schicht auf ein Substrat, z.B. Glas, gebildet, von dem sie später auf eine bekannte Weise gelöst werden kann. Danach wird Aluminium auf die Schicht aufgedampft. Dann wird die Schicht vom Substrat gelöst und auf die Kanalplattenmatrix gelegt, und zwar mit der Aluminiumseite berührungsfrei von der Matrix.

Wenn die Matrix aus Glas besteht und das erforderliche geringe Ausmaß der Leitungsfähigkeit durch Reduktion einer Metallverbindung, z.B. einer Bleiverbindung, im Glas erzielt ist oder werden muß, so erfordert das zuvor beschriebene Verfahren Sonde rmaßnahmen, weil das endgültige Einbrennen (nachdem die zweite Schicht gebildet ist) in Luft oder Sauerstoff erfolgt. Dabei kann besonders die Reduktion entweder nach dem Einbrennen wiederholt werden, oder bis nach dem Einbrennen aufgeschoben werden.

Um die Absorption von Elektronen möglichst einzuschränken, muß

-se
die/erste oder "glänzende" Schicht möglichst dünn sein, jedoch auch wieder nicht so dünn, daß sie zu schwach wird. Es hat sich herausgestellt, daß die geeignete Stärke ungefähr 200 S beträgt

409832/0726

(dies ist während des Niederschiagens der Schicht mit Hilfe eines Dünnschichtstärkemonitors gemessen).

Bei der zweiten Stufe der Herstellung wird die dünne Aluminiumschicht erfindungsgemäß nichtreflektierend gemacht, und im vorliegenden Beispiel erfolgt dies durch Aufdampfen einer amorphen Aluminiumschicht auf die normale glänzende dünne Aluminiumschicht. Zum Erhalt eines amorphen Niederschlags beim Aufdampfen statt eines einkristallinen Niederschlags wird jetzt ein inertes Gas derart hineingeführt, daß die Gasmolekeln eine ausreichende Zahl Zusammenstöße mit den Aluminiumatomen verursachen, um zu verhindern, daß die Aluminiumatome ordnungsgemäß niedergeschlagen werden. Es kann z.B. Stickstoff (die übliche Industriequalität ist ausreichend) bis zu einem Druck von 0.05 Torr in das System hineingeführt werden, wonach der Rest des Aluminiums in amorpher Form aufgedampft werden wird.

Nachdem die erste und die zweite Schicht aufgetragen worden ist, wird die Kanalplatte (auf die bekannte Weise ) eingebrannt, wodurch der Lack abgebrannt wird und eine dünne Aluminiumschicht übrigbleibt, die sich mit der Elektrode E1 (Fig. 2) oder mit einer auf E1 gebildeten speziellen isolierenden Schicht (z.B. die Schicht Id in der Fig. 3) berührt.

Die Menge des aufzudampfenden amorphen Aluminiums läßt sich am besten mit dem Auge bestimmen, in dem man die Spiegelung des glühenden Heizdrahtes in der Kanalplatte beobachtet. Diese zusätzliche Schicht muß so dünn sein, als es im Hinblick auf die gewünschten lichtabsorbierenden Eigenschaften möglich ist, weil auch auffallende Elektronen darin in ziemlich hohem Maße eingefangen werden. Röntgenkanalplatten-Bildverstärker des Nachfokussierungstyps, in denen schwarze aluminisierte Kanalplatten angewandt sind, müssen im allgemeinen mit Photokathodenkanalplatteneingangsspannungen BO von ca. 4 kV betrieben werden, und bei einer derartigen Röhre ist das Ergebnis des Aluminisierens, daß der

409832/0726

- 10 -

Kontrast bei einer Periode von 1 Zyklus/cm um 60 % bis 80 % erhöht wird.

Die Wirksamkeit der schwarzen Aluminiumschicht zeigt sich aus den Ergebnissen eines Versuches, bei dem das Reflektionsvermögen verschiedener Kanalplatten gemessen wurde. Eine übliche aluminisierte Kanalplatte reflektierte 65 % des auffallenden Lichtes, während eine schwarz aluminisierte Kanalplatte nur 3 zurückwarf. Dies ist mit einer nichtaluminisierten Kanalplatte vergleichbar, die 2 % des auffallenden Lichtes reflektierte.

Jetzt folgen kurzgefaßt die geeignetsten Werte der Stärke der dünnen Schicht: die amorphe Schicht hat vorzugsweise eine Stärke, die zwischen der Stärke der dünnen selbsttragenden Schicht und ihrem Fünffachen liegt. In einem besonderen bevorzugten Falle beträgt die Stärke dieser dünnen Schicht ungefähr 200 S, während die der amorphen Schicht zwischen 300 und 800 M liegt.

Als Beispiel aus der Praxis und deutlichkeitshalber kann eine Kanalplatte nach der Fig. 2 im wesentlichen folgende Abmessungen und Werte haben:

Plattendurchmesser 124 mm

Kanaldurchmesser 100 /um

Kanalstich (Abstand zwischen den 125 /um Mittellinien der Kanäle) '

Elektroden E1 und E2 Nichrom, das streifend aufge

dampft wird

dünne Schicht Df Aluminium mit einer Stärke

von 500 - 1000 Ä.

Obgleich die Kanalplatten in den Fig. 2 bis 4 als Anordnungen mit ununterbrochenen Dynoden und ununterbrochenen Glasmatrizen wiedergegeben sind, können sie durch schichtweise aufgebaute Anordnungen, z.B. wie eingangs erwähnt (wobei insbesondere die wechselnde Schichtung von Metall und Glas ins Auge gefaßt wird),

409832/0726

- 11 -

ersetzt werden, ohne daß dies die Bildung und Wirkung der dünnen Aluminiumschicht Df beeinflußt.

PATENTANSPRÜCHE:

- 12 409832/0726

Claims (6)

1. PATENTANSPRÜCHE:

   1« Kanalbildverstärkungsanlage oder Kanalplatte, bei der das Ende jedes Kanals der Platte durch eine elektrisch leitende, elektronendurchlässige, mit den übrigen Membranen elektrisch verbundene Membrane abgeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die eingangsseitigen Strahlenauftreffflachen der Kanalplatte, einschließlich der entsprechenden Flächen der leitenden Membran, nicht reflektierend sind.
2. 2. Kanalplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Membranen die Form einer selbsttragenden dünnen Schicht aus reflektierendem Aluminium haben, die auf der Oberfläche der Kanalplatte in Verbindung mit einer amorphen Aluminiumschicht angebracht ist, die auf der zu bestrahlenden Oberfläche dieser dünnen Schicht aufgetragen ist.
3. 3. Kanalplatte nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die amorphe Schicht eine Stärke hat, die zwischen der Stärke der selbsttragenden dünnen Schicht und deren Fünffachen liegt.
4. 4. Kanalplatte nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stärke der dünnen Schicht ungefähr 200 A* und die Stärke der amorphen Schicht von 300 bis 800 £ beträgt.
5. 5. Bildverstärkungsröhre mit einer Kanalplatte nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, einer Photokathode und einem Bildschirm, dadurch gekennzeichnet, daß die zu bestrahlenden Oberflächen der Kanalplatte eingangsseitig einschließlich der entsprechenden Oberflächen der leitenden Membranen für elektromagnetische Strahlung mit Wellenlängen, für die die Photokathode empfindlich ist, nichtreflektierend sind.
6. 6. Bildverstärkungsröhre nach Anspruch 5, dadurch gekenn-

   409832/0726

   - 13 -

   zeichnet, daß der Bildschirm auf der von der Kanalplatte abgewandten Seite keine Metallrückschicht, aber eine Leitschicht aufweist.

   409832/0726