DE2448793B2 - Elektronische Bildverstärker- oder Bildwandlerröhre und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektronische Bildverstärker- oder Bildwandlerröhre mit einer auf einem Substrat angeordneten Fotokathode, mit einer Mikrokanalplatte und mit einem Leuchtschirm, bei der die elektronenoptische Abbildung der Fotokathode auf den in geringem Abstand von der Fotokathode angeordneten Eingang der Mikrokanalplatte durch Nafokussierung mittels einer zwischen der Fotokathode und dem Eingang der Mikrokanalplatte angelegten Spannung erfolgt.

Bekanntlich haben in einer Fotokathode eine Vielzahl von Elektronen, die aus einem Element mit einer lichtempfindlichen Oberfläche heraustreten, eine transversale Geschwindigkeitskomponente, die eine nicht senkrecht auf der Oberfläche gerichtete Bahn bestimmt. Die Bahnen der erwähnten Elektronen sind dabei parabolisch und erzeugen am Schirm oder am Eingang der Mikrokanalplatte einen Kreis, der größer ist als das Element mit der lichtempfindlichen Oberfläche selbst. Je größer der Abstand zwischen der Fotokathode und dem Schirm oder dem Eingang der Platte, desto größer ist dabei der erwähnte Kreis, was eine proportionale Verringerung der Röhrenauflösung ergibt.

Faktisch ist die Auflösung bei einer Nahfokussierung der Quadratwurzel der Beschleunigungsspannung proportional und dem Abstand zwischen den Elektroden umgekehrt proportional. Bei hoher Auflösung begrenzen das Spannungsverhalten der Elektroden, die elektrischen Durchlagsspannungen zwischen den Elektroden, die Feldemission und die technologischen Schwierigkeiten Jie Möglichkeiten zum Verwirklichen äußerst kleiner Abstände zwischen den Elektroden.

Aus der DE-OS 17 64 583 Fig. 1 und zugehörige Erläuterungen ist eine Bildverstärker- oder Bildwandlerröhre der eingangs genannten Art bekannt. Bei derartigen Röhren hat die durch Nahfokussierung bewirkte Abbildung der Fotokathode auf den Eingang der Mikrokanalplatte eine begrenzte Auflösung.

Aus der US-PS 37 12 986 ist es bekannt, die Fotokathode an ihrer Oberfläche mit Ausnehmungen zu versehen. Aus der FR-PS 15/9 065 ist ein Vorschlag zum Beseitigen der Beschränkungen in einer eine

so Fotokathode und einen Leuchtschirm enthaltenden Röhre bekannt. Die Fotokathode dieser bekannten Röhre enthält eine Anzahl nebeneinander angeordneter, ungefähr beckenförmiger Ausnehmungen mit geringem Querschnitt. Der Schirm befindet sich in einem geeigneten Abstand von der Fotokathode, damit das elektronische Bild jeder Bodenfläche der erwähnten Ausnehmungen am Schirm unter dem Einfluß der zwischen der Fotokathode und dem Schirm angelegten

elektrischen Spannung gebildet wird. Die Folge davon ist, daß der Abstand zwischen der Fotokathode und dem Schirm dabei verhältnismäßig groß sein kann und hohe elektrische Spannungen zwischen den Elektroden zulässig sind.

Die Aufgabe der Erfindung bestand darin, die Auflösung bei einer Bildwandler- oder Bildverstärkerröhre zu verbessern.

Zur Lösung dieser Aufgabe weist bei einer elektronischen Bildverstärker- oder Bildwandlerröhre der eingangs genannten Art nach der Erfindung die Oberfläche der Fotokathode beckenförmige Ausnehmungen auf, jedem Kanal der Mikrokanalplatte liegt eine derartige Ausnehmung gegenüber und die Fotokathode und der Eingang der Mikrokanalplatte haben einen solchen Abstand, daß das elektronenoptische Bild jeder einzelnen Ausnehmung am Eingang des dieser Ausnehmung gegenüberliegenden Kanals der Mikrokanalplatte entsteht. Durch diese Maßnahmen der Erfindung werden also diese Ausnehmungen auf die Kanäle dieser Mikrokanalplatten ausgerichtet.

Dadurch wird die elektronische Emission in einer Reihe an der Eingangsoberfläche der Mikrokanalplatte befindlicher Punkte konzentriert, wobei dia Verteilung dieser Punkte an die Verteilung der Mikrokanäle im Plattenmaterial angepaßt ist. Um eine bessere Wirkung der Anordnung, insbesondere hinsichtlich der Auflösung und der Empfindlichkeit, zu erzielen, ist eine zweigliedrige Übereinstimmung zwischen den emittierenden Elementen und der Fotokathode einerseits und den Mikrokanälen der Platte andererseits verwirklicht. Diι Anzahl emittierender Elemente entspricht der Anzahl Mikrokanäle und jedes Element befindet sich dem Eingang eines Mikrokanals gegenüber, wobei die Konzentration der elektronischen Emission jedes Elementes am Eingang des gegenüber diesem Element befindlichen Mikrokanals auftritt.

Auf diese Weise vergrößert sich der Abstand zwischen der Fotokathode und der Mikrokanalplatte, ähnlich wie in der FR-PS 15 79 065, hinsichtlich des Abstandes zwischen der Fotokathode und dem Schirm. Die Übereinstimmung zwischen der beckenförmigen Ausnehmung und dem Mikrokanal bezieht sich auf Abstände, die dennoch äußerst klein sind, und zwar in der Größenordnung von einigen ζλππ Mikron. Andererseits muß mit einer gewissen Unregelmäßigkeit in der Positionierung der Mikrokanäle in der Kanalplatte gerechnet werden. Dies erschwert die Verwirklichung der beckenförmigen Ausnehmungen und die Übereinstimmung zwischen den Ausnehmungen und den Kanälen. Die Erfindung zeigt diese Übereinstimmung mit hoher Präzision.

Ein Verfahren zur Herstellung einer elektronischen Bildverstärker- oder Bildwandlerröhre der eingangs genannten Art ist durch Maßnahmen gekennzeichnet, wie in den Kennzeichen der Patentansprüche 2, 3, 4, 5 und 6 näher beschrieben.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand einiger in den Zeichnungen dargestellter bevorzugter Ausführungsformen näher erläutert. Es zeigt so

Fig. I ein Teilschema, das schematisch einen Querschnitt durch die erfindungsgemäße Bildverstärkerröhre darstellt,

F i g. 2 eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig.3 eine zweite und dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, und

F i g. 4 eine vierte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Fig. 1 zeigt schemalisch in vergrößertem Maßstab einen Querschnitt durch einen Teil einer Fotokathode I₁ einer Mikrokanalplatte 2 mit Sekundärelektronenemission und eines Leuchtschirmes 3.

Die Fotokathode 1 enthält eine Anzahl beckenförmiger Ausnehmungen 4, 5, 6 und 7, deren nach innen gewölbte Seite auf die Mikrokanalplatte gerichtet ist und weiche Ausnehmungen sich in der erwähnten Reihenfolge gegenüber den Mikrokanälen 8, 9, IC und 11 befinden.

Unter dem Einfluß geeigneter Potentiale (in der Figur nicht dargestellt, sondern aus der Technik bekannt), die der Fotokathode, den Eingangs- und Ausgangsflächen der Mikrokanalplatte und dem Schirm zugeführt werden, laufen die Bahnen der von jeder der Ausnehmungen der Fotokathode ausgesandten Elektronen nahezu in einem Punkt 12 am Eingang des entsprechenden Mikrokanals zusammen. In Fig. 1 sind die erwähnten Bahnen mit 4a, 4b u*d 4c bezeichnet. Die Folge davon ist, daß jeder MikrokanJ nur diejenigen Elektronen empfängt und vervielfacht, die vom gegenüber diesem Mikrokanal befindlichen Fot^kathodenoberflächenelement erzeugt werden, was unter übrigens gleichbleibenden Umständen selbstverständlich die Auflösung des Systems verbessert.

In den F i g. 2, 3 und 4 sind schematisch drei Ausführungsformen des erfindungrgemäßen Verfahrens zum Erhalt der Übereinstimmung zwischen jeder beckenförmigen Ausnehmung und dem Mikrokanal und des Zusammenfallens dieser beiden Elemente dargestellt.

Das Verfahrensprinzip besteht in einem Beitrag der Mikrokanalplatte beim Anbringen der beckenförmigen Ausnehmungen. Die erwähnte Platte und das Fotokathodensubstrat werden einander in unmittelbarer Nähe gegenübergestellt. Die Mikrokanäle haben eine Richtungsfunktion beim Einwirken des Ätzmittels auf das Fotokathodensubstrat zur Bildung der erwähnten beckenförmigen Ausnehmungen.

Bei einer in F i g. 2 dargestellten Ausführungsform des Verfahrens wird von einer durchsichtigen Glasplatte 21 ausgegangen, die als Fotokathodensubstrst dient und gegenüber der Mikrokanalplatte Y>. und in ihrer unmittelbaren Nähe entsprechend der Positionierung in einer Bildverstärkerröhre angeordnet wird, die mit der herzustellenden Fotokathode und der erwähnten Platte 22 aufgebaut werden wird. Die Glasplatte 21 und die Platte 22 werden mit Hilfe nicht dargestellter Mittel in einer richtigen Lage gehalten. Um zu erreichen, daß in den verschiedenen Durchführungsphasen des Ver'ahrens die Glasplatte ajf die gleiche Weise in bezug auf dei Mikrokanalplatte positioniert werden könnte, weisen diese beiden Teile einige Markierungen auf. die in Zusammenarbeit mit anderen mechanischen Mitteln benutzt werden.

Die von der Glasplatte und der Mikrokanalplattp gebildete Ganzheit wird in einem Vakuumraum 23 angeordnet. In diesem Raum ist ein Verbindungsstück 24 vorgesehen, das durch einen Dichtungshahn 26 abgeschlossen wird, der die Verwirklichung in dem erwähnten Raum entweder des erforderlichen Vakuums oder einer geeigneten Atmosphäre mit bestimmtem Unterdruck gewährt. Zur Bildung der »Zellen« an der Oberfläche des Substrats 21 wird in der Röhre eine Gasatmosphäre erzeugt, z. B. Argon. Unter dem Einfluß des elektrischen Potentials, das über die Klemmen 24 und ?5 zwischen den Oberflächen der Mikrokanalplatte

angelegt wird und mehrere kV beträgt, bilden sich in den Mikrokanälen Ionen, die in der Richtung der Glasplatte 21 beschleunigt werden und dort auftreffen. Daraus ergibt sich eine Glaszerstäubung an der Oberfläche der Glasplatte 21 gegenüber jedem Mikrokanal und gleichfalls die Bildung der erwähnten beckenförmigen Ausnehmungen. Wenn die Glaszersiäubung zum Erhalt der für die Ausnehmungen gewünschten Tiefe ausreicht, wird das Substrat von der Mikrokanalplatte getrennt. Durch einen bekannten Vorgang erhält diese Platte ihre fotocmissiven Eigenschaften auf der Fläche mit den durch Zerstäubung erzielten Ausnehmungen. Am Ende dieses Vorgangs wird die Glasplatte abermals gegenüber der Mikrokanalplatte angeordnet. Nach der in Vakuum durchzuführenden Bildung der Fotokathode darf dieses Vakuum beim Anordnen der Fotokathode in der Röhre nicht verloren gehen. Es ist somit klar, daß bei dem erfindungsgemäßen Verfahren während der oben beschriebenen Vorgänge bekannte Einrichtungen verwendet werden, die keine Bestandteile der Erfindung sind. Einige davon sind ?.. B. in den US-Patentschriften Nr. 32 43 627 und 30 26 163 beschrieben und erlauben in einer gleichen Vakuumanordnung, die gleichen Vorgänge an unterschiedlichen Elementen einer selben elektronischen Röhre durchzuführen und die erwähnten Elemente zusammenzustellen, ohne daß zwischen den aufeinanderfolgenden Vorgängen das Vakuum verloren geht.

Im vorliegenden Falle ist eine derartige Anordnung außerdem mit Mitteln versehen, die es beim Zusammenbauen der Elemente der elektronischen Röhre erlauben, die Fotokathode in bezug auf die Mikrokanalplatte derart anzuordnen, daß jede Ausnehmung oder Zelle mit dem entsprechenden Kanal der Mikrokanalplatte zusammenfällt, und wobei es gleichfalls möglich ist, die erforderlichen Kontrollen vorzunehmen, bei denen die erforderliche Genauigkeit z. B. einige Mikron beträgt.

Es ist z. B. möglich, die Mikrokan.iiplatte an der richtigen Stelle in der elektronischen Röhre anzuordnen, während die als Substrat dienende Glasplatte, die das Eingangsfenster der erwähnten Röhre bildet, mit Hilfe einer mechanischen Einrichtung mit Markierungen und Anschlagnocken auf der Glasplatte und auf dem Röhrenkörper an einem der Enden des Röhrenkörpers in bezug auf die Mikrokanalplatte erst positioniert wird. Nach der Bildung der beckenförmigen Ausnehmungen im Glas kann auf diese Weise die Glasplatte nach dem Entfernen, um den erwähnten Ausnehmungen die gewünschte fotoelektrische Empfindlichkeit zu geben, auf die geeignete Weise in die ursprüngliche Stellung in bezug auf die Mikrokanalplatte zurückgebracht werden.

Eine andere Methode zum Positionieren des Fotokathodensubstrats (Glasplatte) in bezug auf die Mikrokanalplatte besteht in der Befestigung des erwähnten Substrats auf einem der Enden des Röhrenkörpers, wobei das erwähnte Ende verformbar ist und danach die Glasplatte in ihrer eigenen Ebene in bezug auf die Mikrokanalplatte geradlinig bewegt werden kann; das Positionieren der Platte erfolgt durch die Verschiebungen mikrometrischer Schrauben und durch eine gleichzeitig ausgeführte Kontrolle mit Hilfe eines Mikroskops, wobei dem erwähnten verformbaren Ende nach dem Abgleich die erforderliche Steifheit gegeben wird.

Eine andere Lösung ist die Verwendung eines Verschlusses der Röhre mit Hilfe einer flüssigen Dichtung, z. B. mit Gallium !wischen dem Röhrenkörper und dem Fotokathodenglas. In diesem Falle kann dem Glas auf dem Röhrenstück eine geeignete geradlinige Bewegung erteilt werden, ohne damit die Verschlußgüte des Raumes zu beeinträchtigen; dieser Vorgang kann in der umgebenden Atmosphäre erfolgen. Nach dem Abgleich mit Hilfe eines Mikroskops wird das Glas auf dem Röhrenkörper mittels eines härtenden Harzes oder eines Zements mechanisch blockiert.

Nach einer in Fig.3 dargestellten erfindungsgemä-L)en zweiten Ausführungsform bildet ein durchsichtiges Glas das Fotokathodensubstrat, welches Glas in einem bestimmten Spektruniband lichtempfindlich ist. Ein derartiges Glas ist z. B. dasjenige, was unter dem Namen

I^ »Fotoform« verfügbar ist. Dieses Glas ist empfindlich für Ultraviolettstrahlung. Wie im Falle nach F i g. 2 wird eine Platte 31 aus Fotoformglas gegenüber und parallel zu einer Mikrokanalplatte 32 angeordnet, wobei die ,iuf diese Weise erzielte Positionierung gemäß der ersten

μ Ausführungsform des Verfahrens festgelegt wird. Die Mikrokanäle dienen dabei zum Zuführen des ultravioletten Lichtes an das Fotoformglas. Dazu wird eine Ultraviolettlichlquelle i3 an einem der Brennpunkte eines Hohlspiegels 34 angeordnet, der die Lichtstrahlen in einer Richtung zurückstrahlt, die zur Achse der Mikrckanäle parallel verläuft, wie es beispielsweise mit den Strahlen 35 und 36 in der Figur der Fall ist.

Das öle Mikrokanäle durchfließende und von diesen Kanälen geführte Licht beeinflußt das Fotoformglas.

JO das sich gegenüber den Fnden der Mikrokanäle befindet, wodurch ein genaues UiM der Mikrokanalstruktur der Platte 32 erzeugt wird.

Durch fotographisches Entwickeln der Substratoberfläche, die der Lichtstrahlung ausgesetzt war, und durch Ätzen ist es möglich, das Glas teilweise an den Stellen, die der Strahlung ausgesetzt waren, zu lösen, um auf diese Weise die beckenförmigen Ausnehmungen oder Zellen zu erhalten. Die auf diese Weise gebildete Glasoberfläche wird danach auf die im vorigen Beispiel angebene Weise fotoemittierend gemacht. Die Glasplatte wird darauf in bezug auf die Mikrokanalplatte auf die bereits beschriebene Weise und unter den gleichen physikalischen Bedingungen zurückgestellt.
Nach einer dritten Ausführungsform, die von der zweiten hergeleitet ist, ist das Fotokathodensubstrat nicht aus Fotoformglas, sondern aus gewöhnlichem Glas gebildet, auf dem ein Harz oder ein fotoempfindlicher Lack angebracht ist. Es wird dabei eine Quelle verwendet, die normales Licht aussendet. Nach dem Entwickeln der Schicht, ist das Harz oder der Lark an den mit Licht bestrahlten Stellen gegenüber den Mikrokanälen verschwunden. Das Glas wird darauf an den erwähnten Stellen z. B. mit fluorierten Verbindungen gelöst

Nach einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird das Fotokathodensubstrat durch einen flachen dünnen Glasstreifen gebildet, der aus dem gleichen Faserbündel geschnitten ist, aus dem auch die Mikrokanalplatte erhalten wird. Ursprünglich enthalten die Mikrokanäle des Faserbündels eine Menge Kemglas. Dieses Kernglas hat sowohl geeignete Lösungseigenschaften als auch den geeigneten optischen Index, der dem Index des elektrisch leitenden Glases angepaßt ist das den Mantel der Mikrokanäle für eine gute Übertragung des durch die Kanäle geführten Lichtes bildet Aus einem derartigen Bündel werden zwei aufeinanderfolgende Stücke ausgeschnitten. Diese Stükke werden mit den erforderlichen Markierungen

versehen, um diese Stücke auf der gleichen l.angsaihse bringen /ti können um] auf diese Weise die beiden Mikrokanalhälften zusammenfallen zu lassen, Fin Stück 41 in F i g. 4 wird behandelt und auf die klassische Weise durchbohrt, um eine Mikrokanalplatte fur Flektronen Vervielfachung /u erhallen; ein anderes Snick 42. von dein eine der f lachen die getreue Wiedergabe einer der I lachen des Stückes 41 ist. wird durch optische I asern gebildet, fiine der Flüchen 4 J des erwähnten Stückes 42 ist poliert, wonach nur das Kernglas jedes Mikrokanals chemisch leicht angegriffen wird, um Ausnehmungen oder /.eilen zn erhalten, wie die \usnelimung oder /eile 44 .im lüde |edes K.in.ils Die auf diese Weise bearbeitete Obci flache wird empfindlich gemacht, um dieser Oberfläche die gewünschten l'oloennssn en

\ igenschaften /u erteilen.

Das Stück 42 wird danach erneut auf genaue Weise und unter Zuhilfenahme der auf den Stücken 41 und 42 angebrachten Markierungen vorder Platte 41 angeordnet, um auf diese Weise jede ausgehöhlte Faser mit dem einsprechenden durchbohrten Mikrokanal der Mikro kanalplatte zusammenfallen zu lassen; das Empfindlich machen des Substrats und das Zusammenbauen der F'lemente der Röhre erfolgt auf eine Weise und unter Bedingungen, die der bereits zuvor gegebenen Beschreibung entsprechen.

Das Stuck 42 erfüllt dabei in der Bildverstärkerröhre die Funktion einer optischen Fase", durch die das vom wiederzugebenden Bild ausgesandte Ficht bis zur Fotokathode milden Ausnehmungen 44 geführt wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Elektronische Bildverstärker- oder Bildwandlerröhre mit einer auf einem Substrat angeordneten Fotokathode, mit einer Mikrokanalplatte und mit einem Leuchtschirm, bei der die elektronenoptische Abbildung der Fotokathode auf den in geringem Abstand von der Fotokathode angeordneten Eingang der Mikrokanalplatte durch Nahfokussierung mittels einer zwischen der Fotokathode und dem Eingang der Mikrokanaiplatte angelegten Spannung erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der Fotokathode beckenförmige Ausnehmungen aufweist, daß jedem Kanal der Mikrokanalplatte eine derartige Ausnehmung gegenüberliegt und daß die Fotokathode und der Eingang der Mikrokanalplatte einen solchen Abstand haben, daß das elektronenoptische Bild jeder einzelnen Ausnehmung are* Eingang des dieser Ausnehmung gegenüberliegcrtden Kanals der Mikrokanalplatte entsteht.

2. Verfahren zur Herstellung einer elektronischen Bildverstärker- oder Bildwandlerröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Fotokathodensubstrat aus Glas zur Bearbeitung seiner Oberfläche in unmittelbarer Nähe der Mikrokanalplatte angeordnet wird, daß durch die Kanäle der Mikrokanalplatte hindurch auf die Oberfläche des Substrats eingewirkt wird, so daß die beckenförmigen Ausnehmungen selbst oder Oberflächenstrukturen, die diese Ausnehmungen festlegen, erzeugt werden, daß nach F.-rtigste-'.ung der Ausnehmungen auf das von der ivükrck?nalplatte entfernte Substrat eine fotoempfindliche Schiel·, aufgebracht wird und daß beim Zusammenbau der Röhre die Fotokathode und die Mikrokanalplatte so ausgerichtet werden, daß jedem Kanal diejenige Ausnehmung gegenüberliegt, die ihm bei der Bearbeitung der Oberfläche des Fotokathodensubstrats gegenüberlag.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat und die in unmittelbarer Nähe angeordnete Mikrokanalplatte in einen Raum mit einer geeigneten Gasatmosphäre gebracht werden und daß eine elektrische Spannung von mehreren Kilovolt zwischen den Flächen der Mikrokanalplatte angelegt wird, so daß durch den Aufprall von Gasionen, die aus den Kanälen austreten, an der Oberfläche des Substrats die beckenförmigen Ausnehmungen gebildet werden.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Substrat verwendet wird, das in einem bestimmten Spektralgebiet fotoempfindlich ist, oder daß das Substrat vor der Bearbeitung mit einer fotoempfindlichen Substanz beschichtet wird, daß von der dem Substrat abgewandten Oberfläche der Mikrokanalplatte her zu den Kanälen paralleles Licht geeigneter spektraler Zusammensetzung eingestrahlt wird, daß dann das Substrat fotografisch entwickelt und die belichteten Substratstellen dem Einfluß eines chemischen Ätzmitteis ausgesetzt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat aus einem für Ultraviolettstrahlung empfindlichen Glas besteht und daß das eingestrahlte Licht Ultraviolettlicht ist.

6. Verfahren zur Herstellung einer elektronischen Bildverstärker- oder Bildwandlerröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß aus einem optischen Glasfaserbündel, dessen Fasern ein leicht ätzbares Kernglas aufweisen, zwei aufeinanderfolgende Teile geschnitten werden, daß an dem einen Teil zur Bildung der Fotokathode das Kernglas der Fasern leicht angeätzt und anschließend eine fotoempfindliche Schicht aufgebracht wird, daß am anderen Teil das Kernglas der Fasern zur Bildung der Mikrokanalplatte entfernt wird und daß beim Zusammenbau der Röhre die beiden Teile so ausgerichtet werden, daß der aus einer Faser des Faserbündels gebildete Kanal der Mikrokanalplatte und die aus derselben Faser gebildete Ausnehmung der Fotokathode einander gegenüberliegen.