DE2502964B2 - Photoelektronen-vervielfacherroehre - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Photoelektronen-Vervielfacherröhren und insbesondere den Aufbau von Photoelektronen-Vervielfacherröhren mit verbesserten und stabileren Betriebseigenschaften.

Photoelektronen-Verviilfacherröhren weisen normalerweise eine Photokathode zur Erzeugung von Elektronen in Abhängigkeit von dem auf die Photokathode fokussieren und auftreffenden Licht, einen Elektronenvervielfacher zur Verstärkung oder Vervielfachung des durch die Photokathode erzeugten Elektronenstroms und eine Anode auf, um die durch die Vervielfachung erzeugten Elektronen aufzunehmen. Der übliche Elektronenvervielfacher enthält eine Reihe von Sekundär-Elektronen emittierenden Dynoden und ist zwischen der Photokathode und der Anode angeordnet. Die Photokathode, die Dynoden und die Anode bilden normalerweise zusammen die Elektroden der Anordnung.

Rei Aufbau eines Photoelektonen-Vervielfacherröhrentyps mit seitlichem lichteintritt sind die Elektroden der Anordnung in Längsrichtung in einer sog. Kreiskäfig-Anordnung zusammengesetzt und zwischen zwei Tragelementen oder Abstandteilen mittels Draht- j halterungsstäben gehaltert, die durch die Halterungslöcher in jedem Abstandsteil hindurchragen. Diese Elektronenanordnung ist innerhalb eines evakuierten, üblicherweise aus Glas bestehenden Röhrenkolbens angebracht Zusätzlich zu den Drahtverbindungen zu

den Röhrenstiften der Anordnung, die eine teilweise Halterung der Elektrodenanordnung schaffen, wurden verschiedene Halterungselemente entwickelt, um die Elektrodenanordnung innerhalb des Glas-Röhrenkolbens starr oder federnd zu halten. Einige dieser Halterungselemente Gestehen aus mehreren Metallfederblättern, die beispielsweise durch Anschweißen an die Elektrodenhalter befestigt sind. Eine andere Art von bekannten Halterungselementen besteht aus einzelnen Federblatt-Klammern, die sich parallel zu den in Längsrichtung angeordneten Elektroden erstrecken und an einem isolierenden Bereich der Halterungs- oder Abstandsteile an den jeweiligen Enden der Elektrodenanordnung angeklemmt sind. Bei all diesen Halterungsmaßnahmen wurden die verschiedenen Halterungselemente ve* wendet, ohne daß die nachfolgend beschriebenen, in elektrischer und elektrostatischer Hinsicht nachteiligen sog. »Hysteresis-Effekte« in Betracht gezogen worden sind.

Photoelektronen-Vervielfacherröhren mit seitlichem Lichteintritt werden üblicherweise für die Photometrie verwendet, um periodische bzw. diskontinuierliche Licht-Eingangssignale unterschiedlicher Signalintensität nachzuweisen. Üblicherweise zeigen die in dieser Weise verwendeten Photoelektronen-Vervielfacherröhren zeitweilige Instabilitäten des Anodenstromes und Abweichungen der Anodenempfindlichkeit für einige Sekunden nach Auftreten des Lichteingangssignals und nach dem Anlegen geeigneter Betriebsspannungen an die Elektroden der Anordnung. Die Empfindlichkeit der Anordnung kann um einige Prozent oberhalb oder unterhalb eines normalen, stabilen Wertes liegen, bevor dieser stabile Wert erreicht wird. Diese Instabilität, die gelegentlich aufgrund ihres zyklischen oder periodischen Verhaltens als »Hysteresis« bezeichnet wird, wird vermutlich durch Auftreffen von Elektronen auf die Elektroden-Halterungselemente und auf den Glas-Röhrenkolben und durch eine dadurch auftretende Aufladung der Halterungselemente und des Kolbens bewirkt, wodurch sich die elektronenoptischen Eigenschaften innerhalb der Röhre ändern. Der Zeitraum, der für die Ausbildung eines stabilen Wertes erforderlich ist, hängt vermutlich von dem Widerstand der Halterungselemente, von deren Oberflächenkapazität und dem Photoelektronen-Vervielfacherstrom ab.

Mit unterschiedlichem Erfolg wurden bei der Suche nach einer Anordnung, die im wesentlichen frei von den zuvor beschriebenen Instabilitäten ist (d. h. bei der Suche einer »hysteresisfreien« Anordnung), verschiedene konstruktive Maßnahmen und Abänderungen an den Photoelektronen-Vervielfacherröhren vorgeschlagen. Einer dieser Versuche bestand darin, die Elektroden-Tragelemente mit einem leitenden Material zu beschichten und diese leitende Schicht an die Kathodenspannung zu legen. Bei einem Betrieb einer derartigen Einrichtung wirkt der leitende Bereich als Fokussierungselektrode und verhindert, daß die divergierenden Elektronen auf die jeweiligen Tragelemente auftreffen. Ein weiterer Vorschlag in dieser Richtung besteht darin, anstelle des

billigeren und leichter zu verarbeitenden Glaskolbens aus Kalkglas, das normalerweise bei der Fertigung bekannter Anordnungen verwendet w.'rd, einen Glaskolben aus Hartglas zu verwenden. All diese und auch weitere Vorschläge zur Lösung dieses Problems haben sich als ungeeignet erwiesen, da sie unwirksam, teuer und/oder unausführbar sind.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Photoelekironen-Vervielfacherröhre zu schaffen, die die genannten Nachteile bekannter Anordnungen nicht aufweist

Diese Aufgabe wird bei der eingangs genannten Photoelektronen-Vervielfacherröhre dadurch gelöst, daß die Halterungseinrichtung wenigstens ein federndes Teil aufweist, das zwischen wenigstens einem Trageleaient und der Innenwand des Röhrenkolbens unter mechanische Spannung gesetzt ist, um die Elektroden anordnung in einer im wesentlichen festen, zur Innenwandung beabstandeten Lage zu halten und elektrische Ladungsübergänge zwischen den Elektroden und der Innenwandung im wesentlichen zu vermeiden, und daß die Elektronenanordnung leitende Fokussierungseinrichtungen aufweist, die zwischen den Enden der Elektroden und den Tragelementen angeordnet sind, um zu verhindern, daß die divergierenden Elektronen auf die Tragelemente auftreffen. Die erfindungsgemäße Photoelektronen-Vervielfacherröhre weist eine Elektrodenanordnung mit einer Re^;he von tich in Längsrichtung zwischen den isolierenden Halterungsteilen erstreckenden Flektroden innerhalb eines lichtdurchlässigen, d. h. aus Glas bestehenden Glaskolbens auf. Eine isolierende Halterungseinrichtung hält die Elektrode in einer festen, mechanisch vorgegebenen Lage zu der Innenwandung des Glaskolbens und verhindert im wesentlichen einen Austausch von elektrischen Ladungen zwischen der Innenwandung des Glaskolbens und den Elektroden. Eine Elektroden-Fokussierungseinrichtung verhindert im wesentlichen, daß divergierende Elektronen auf die Halterungsteile auftreffen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:

F i g. 1 eine perspektivische Schnittdarstellung einer zusammengebauten Photoelektronen-Vervielfacherröhre gemäß dem Stand der Technik,

Fig.2 einen Querschnitt der in Fig. 1 dargestellten Röhre,

Fig. 3 eine perspektivische Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispieles einer zusammengebauten Photoelektronen-Vervielfacherröhre gemäß der Erfindung, wobei insbesondere eine elastische Halterungsanordnung zu sehen ist,

F i g. 4 einen Querschnitt der in F i g 3 dargestellten Röhre,

F i g. 5 eine schematische Darstellung der Querschnittsansicht der in F i g. 3 dargestellten federnden Halterungseinrichtung und

Fig.6 eine schematische Darstellung der Querschnittsansicht einer weiteren federnden Halterungseinrichtung für die in F i g. 3 dargestellte Röhre.

In den Fig. 1-2 ist eine Photoelektronen-Vervielfacherröhre 110 bekannter Bauart und in den F i g. 3—4 eine Photoelektronen-Vervielfacherröhre 210 gemäß der Erfindung dargestellt. Die Bezugszahlen der entsprechenden Teile der bekannten und erfindungsgemäßen Röhre unterscheiden sich durch die erste Ziffer, um die ins Auge gefaßte Anordnung eindeutig und klar zu kennzeichnen. Die nachfolgende Beschreibung bezieht sich in gleicher Weise auf die entsprechenden Teile beider Anordnungen, die im übrigen entsprechende Bäzugszeichen besitzen.

Die in Fig. 1 dargestellte Photoelektronen-Verviel-

facherröhre HO bekannter Bauart weist eine Elektrodenanordnung 112 auf, die in einem zylindrischen Glaskolben 114 federnd gehaltert ist Die Elektroden der Photoelektronen-Vervielfacherröhre HO sind in Längsrichtung (d. h. parallel zur Achse X-X) in der

ίο Form eines kreisrunden Käfigs (d.h. entlang der Querschnittsebene senkrecht zur Achse X-X, vergL Fig.2) zwischen zwei parallelen Halterungs- oder Abstandsplatten 116 und 118 befestigt Die Abstands platten 116 und 118 können aus irgendeinem bekannten Isolationsmaterial aus keramischem Werkstoff oder Glas bestehen, der üblicherweise bei der Herstellung von Teilen für Elektronen-Entladeanordnungen verwendet wird. Einer dieser keramischen Werkstoffe ist in der US-PS 30 37 874 beschrieben.

In F i g. 2 weiser« die Elektroden der Photoelektronen-Vervielfacherröhre 110 eine Photokathode 120. Dynoden 122. eine Anode 124, ein lichtdurchlässiges Drahtgitter 128 und eine Elektroden-Abschirmpiatte 130 auf.

Die Elektronenanordnung 112 ist im Glaskolben 114 mittels tiner an sich bekannten Elektroden-Halterungs einrichtung federnd befestigt, die mehrere federnde Metallfederklammern 132 (vergl. F i g. 2) und ein Federblatt 134 aufweist, das um den Umfang der AbstandsplatiL· 116 symmetrisch angeordnet ist. Die Metallklammern 132 sind einzeln an die Elektroden-Halterungsstäbe 140 angeschweißt oder in anderer Weise daran befestigt, die durch jede der Abstandsplatten 116 und 118 hindurchragen und mit diesen fest verbunden sind. Die Halterungsstäbe 140 stellen eine Einrichtung dar, um die Elektroden der Anordnung durch Schweißen oder durch andere geeignete Befestigungseinrichtungen fest zu montieren und um weiterhin das Verbinden der Drähte 141 mit den Röhren-Steckstiften zu erleichtern. Das Federblatt 134 besteht aus einer sich nach innen erstreckenden bzw. nach innen umgebogenen Platte 130.

Beim Zusammenbau der Photoelektronen-Vervielfacherröhre 110 wird der obere Teil der zu einem einzigen Einbauteil zusammengesetzten Elektrodenanordnung, die die Abstandsteile 116—118, die Elektroden-Halterungseinrichtung, die Elektroden 120—130, den Glas-Röhrenfuß 113 und die Leitungsdrähte 141 aufweist, in den Röhrenkolben 114 hineinsteckt, wobei die zusammengesetzte Elektrodenanordnung gleitend an der Innenwandung des Röhrenkolbens 114 anliegt. Die elastischen Federklammcrn 132 und das Federblatt 134, die während des Einsetzens gespannt werden, bilden nach Zuschmelzen bzw. Abdichten und Evakuierung des Röhrenkolbens am Röhrenfuß 113 eine feste, jedoch federnde Halterungsvorrichtung für die Elektrodenanordnung.

Bei der Entwicklung von Photoelektronen-Verviel^racherröhren wurde im allgemeinen darauf geachtet.

eine geeignete Halterungsvorrichtung für das Elektrodenbauteil zu wählen, damit die Photoelektronen-Vervielfacherröhre frei von den bereits beschriebenen Hystercsis-Effekten bleibt, die in Zusammenhang mit der elektrischen Betriebsweise der Anordnung auftreten. Aus diesem Grunde haben die Konstrukteure der bekannten Photoelektronen-Vervielfacherröhren, wie sie beispielsweise in den Fig. 1—2 dargestellt sind, entweder absichtlich eine oder mehrere der Metallklam-

mern 132 und die Federblätter 134 (oder mechanisch äquivalente Bauteile) mit einem oder mehreren der Elektrodenpotentiale elektrisch verbunden, um die Herstellung zu vereinfachen, oder die Konstrukteure haben unbewußt zugelassen, daß eine oder mehrere Elektroden in elektrischem Kontakt mit der Innenwandung des Röhrenkolbens stehen. Wie im weiteren noch beschrieben werden wird, wurde festgestellt, daß die Auswahl einer geeigneten elektrisch isolierenden Halterungseinrichtung für die Verringerung der zuvor beschriebenen Hysteresis-Effekte kritisch ist.

Anhand der Fig.3 und 5 ist eine Ausführungsform der Erfindung dargestellt, bei der die Halterungseinrichtung aus mehreren Metall-Federblattklammern 233 besteht, die um die Abstandsteile 216 und 218 symmetrisch angeordnet sind. Die Elektroden-Anordnung 212 ist dabei ausreichend gut gegenüber der inneren Zylinderwandung des Röhrenkolbens 214 isoliert und wird in mechanischer Hinsicht in einer im wesentlichen festen, ausgerichteten Lage zur inneren ia Zylinderwandung gehalten, so daß zwischen der inneren Zylinderwandung des Glaskolbens 114 und den entsprechenden Elektroden ein elektrischer Ladungsübergang vermieden wird.

Die Federblatt-Klammern 233 (vergl. F i g. 5) werden in an sich bekannter Weise hergestellt und ergeben eine feste, jedoch elastische Halterung für die Elektrodenanordnung 212. Nach innen gerichtete Einbuchtungen oder rohrförmige Ansätze 233a und 233Ö der Klammern 233 sind an den isolierenden Bereichen der Außenflächen 2166 und 2186 der keramischen Abstandsteile 216 und 218, d. h. an den nicht beschichteten Bereichen der Ke:amikteile, durch die keine Elektroden-Halterungsstäbe 240 hindurchgehen, federnd angebracht oder befestigt. Die Federn 233 werden aufgrund der Federkraft der einzelnen Metallklammern 233 in einer festen, ausgerichteten Lage in bezug auf die Abstandsteile 216 und 218 gehalten, wobei die Metallklammern 233 die keramischen Abstandsteile 216 und 218 in der in F i g. 3 dargestellten Weise spreizen oder einspannen.

Fig.4 zeigt einen leitenden Bereich 250 auf der jeweiligen inneren Fläche 216a und 218a der keramischen Abstandsteile 216 und 218. Die leitenden Bereiche 250 bestehen vorzugsweise aus einer Metallisierung, beispielsweise aus Molybdän. Aluminium oder einer anderen leitenden Metallschicht, die auf die keramischen Abstandsteile beispielsweise mittels Siebdruck, Bedampfen oder mittels anderer bekannter Techniken aufgebracht werden kann. Im Gegensatz zu der in F i g. 1 dargestellten Ausführungsform bekannter Art kann die Elektrodenanordnung 212 einen Spalt oder eine Trennung »gw (vergL F i g. 3) zwischen den Elektroden und den Abstandsteil-Oberflächen 216a und 218a aufweisen, um eine elektrische Verbindung zwischen den einzelnen Elektroden und den leitenden Bereichen 250 zu vermeiden.

Die leitenden Bereiche 250 sind über einen Stab 240c oder andere geeignete elektrische Leitungen mit der Photokathode elektrisch verbunden. Bei einer Betriebseinrichtung, bei der an die Röhrenstifte 211 geeignete Betriebsspannungen angelegt werden, wirken die leitenden Bereiche 250 als Fokussierungselektroden und verhindern das Auftreffen divergierender Elektronen auf die Abstandsteile 216 und 218.

Die leitenden Bereiche 250 sollten sich über die inneren Bereiche der keramischen Abstandsteile 216 und 218 erstrecken, auf die anderenfalls die von den gewünschten Elektronen-Flugbahnen zwischen den Elektroden 230 abweichenden Elektronen am häufigsten auftreffen. Die Elektroden entsprechen den in Fig.2 dargestellten Elektroden 120 bis 130. Diese inneren Bereiche überdecken im allgemeinen die zwischen den Elektroden verlaufenden Elektronen-Flugbahnen und sind diesen am nächsten.

Die Erfindung verbindet bei einer Photoelektronen-Vervielfacherröhre eine elastische Halterungseinrichtung für die Elektrodenanordnung, die zwischen der Innenwandung des lichtdurchlässigen Röhrenkolbens und den Elektroden der Vorrichtung einen hohen elektrischen Widerstand (d. h. eine gute elektrische Isolation) ermöglicht, mit einer Fokussierungseinrichtung, die verhindert, daß divergierende oder Streuelektronen auf die Elektrodenhalterungsteile auftreffen. Überraschenderweise hat sich dabei herausgestellt, daß die mit dieser neuen Kombination versehenen Photoelektronen-Vervielfacherröhren außerordentliche Vorteile aufweisen, die durch die zu erwartenden einzelnen Beiträge der voneinander unabhängig betrachteten Maßnahmen nicht erklärt werden können.

Bei einem gefertigten Ausführungsbeispiel der neuen, in den Fig.3 bis 5 dargestellten Photoelektronen-Vervielfacherröhren wies der zylindrische Röhrenkolben eine Länge von etwa 140 mm und einen Durchmesser von 25 mm auf und war aus Kalkglas hergestellt. Das Material für die mit einer Metallschicht versehenen Bereiche 250 bestand aus Molybdän, das in einer für die Anwendung bei Elektronen-Entladungsröhren geeigneten Weise mittels Siebdrucktechnik bzw. mittels eines Maskierungsverfahrens auf die isolierenden keramischen Abstandsteile 216 und 218 aufgebracht wurde; und die Klammern 233, die aus einer Nickel-Chrom-Legierung (Handelsname »Inconel«) hergestellt wurden, waren etwa 0.25 mm dick. 30 mm lang und 3 mm breit. Der Röhrenfuß 213 wurde aus einer Na-Ca-Si-PbO₂-Glasart hergestellt, die für Elektronen-Entladcanordnungen geeignet ist. Die elektrischen Funktionskennwerte der neuen Anordnung zeigten, daß die unerwünschten Hysteresis-Effekte praktisch nicht mehr auftraten.

Aus der vorstehenden Kennzeichnung und Beschreibung der Erfindung geht hervor, daß verschiedene äquivalente, mechanische Einrichtungen und Anordnungen der Halterungseinrichtung für die Elektrodenanordnung geschaffen werden können. Beispielsweise können die in Fig. 1 und 2 dargestellten Klemmen 132 verwendet werden, wenn diese aus einem geeigneten Isolationsmaterial hergestellt sind. Fig.6 zeigt ein weiteres Beispiel für die Halterungsvorrichtung, die eir einziges Federteil 235 aufweist Wie in Fig. t dargestellt kann das Federteil 235 aus einem einziger fortlaufenden Band aus einer Nickel-Chrom-Legieruni (Handelsname »Inconel«) bestehen, eine Breite vor 3 mm und eine Dicke von 0,25 mm aufweisen, oder da: Federteil 235 kann auch aus anderen Metallen odei Legierungen geeigneter Breite und Dicke hergestefl sein. Dieses Teil 235 ist in Form eines Ringes hergestell und weist mehrere nach innen gerichtete ebene Fiächei auf. wobei jede Räche Vorsprünge 236a oder 236f> fü die Befestigung besitzt die von gegenüberliegendei Seiten des Metalibandes nach innen vorstehen. Bei de Montage wird das Ringteil 235 vorzugsweise um dei Außenumfang des Abstandsteiles 216 herum angeleg bzw. verformt mit dem es dann aufgrund der Elastizitä des Metallbandes und der Haltewirkung der Vorsprün ge 236a und 2366 (die jeweils auf die gegenüberliegen den Oberflächen des Abstandsteils 216 übergreifen) fes

verbunden ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die Elektrodenanordnung in einer im wesentlichen festen, vorgegebenen Lage zur Zylinder-Innenwandung des Glaskolbens 214 federnd gehaltert, nämlich durch die auf mechanische Weise erzwungene Federwirkung der vorstehenden Winkelkontaktbereiche 237 des Ringteils 235, die an die Innenwandung des Röhrenkolbens 214 anstoßen und unter Spannung gesetzt werden.

Anstelle der leitenden Schichten 250 können auch Metallelektroden in den Bereich »g« (vergl. F i g. 3) parallel zu den Flächen 216a oder 218a der Abstandsteile angeordnet werden. Die notwendige elektrische Isolation zwischen den Elektroden-Halterungsstäben

240 und den leitenden Bereichen 250 auf den Flächen 216a und 218a wird mittels nicht metallisierter, nicht leitender, isolierender Flächenbereiche auf den genannten Flächen 216a und 218a geschaffen; es können jedoch auch andere Verfahren und Maßnahmen für die elektrische Isolation verwendet werden. Vorzugsweise sollten die leitenden Bereiche 250 eine Metallschicht mit zusammenhängenden Oberfläehenbereichen aufweisen: es können jedoch auch einzelne, mit anderen Flächenbereichen nicht zusammenhängende Flächenbereiche der Metallschicht ohne Nachteil verwendet werden, wenn diese einzelnen Flächenbereiche in geeigneter Weise ar geeignete Betriebsspannungen angelegt sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Photoelektronen-Vervielfacherröhre zum Nachweis periodisch auftretender Lichtsignale unterschiedlicher Intensität mit einer in einem evakuierten, lichtdurchlässigen Röhrenkolben angeordneten Elektrodenanordnung, wobei die Elektrodenanordnung in dem Röhrenkolben durch Halterungseinrichtungen befestigt ist, und die Elektroden der Elektrodenanordnung zwischen isolierenden Tragelementen in Längsrichtung befestigt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterungseinrichtung wenigstens ein federndes Teil (233, 235) aufweist, das zwischen wenigstens einem Tragelement (216, 218) und der Innenwand des Röhrenkolbens (214) unter mechanische Spannung gesetzt ist, um die Elektrodenanordnung (212) in einer im wesentlichen festen, zur Innenwandung beabstandeten Lage zu halten und elektrische Ladungsübergänge zwischen den Elektroden (230) und der Innenwandung im wesentlichen zu vermeiden, und daß die Elektrodenanordnung (212) leitende Fokussierungseinrichtungen (250) aufweist, die zwischen den Enden der der Elektroden (230) und den Tragelementen (216, 218) angeordnet sind, um zu verhindern, daß die divergierenden Elektronen auf die Tragelemente (216,218) auftreffen.

2. Photoelektronen-Vervielfacherröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterungseinrichtung mehrere elastische Federblatteile (233) aufweist, die zwischen wenigstens einem Tragelement (216, 218) und der Innenwandung angeordnet sind.

> 3. Photoelektronen-Vervielfacherröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterungseinrichtung wenigstens ein elastisches Federteil (235) aufweist, das um den Außenumfang von wenigstens einem Tragelement (216, 218) herum mechanisch befestigt ist.

4. Photoelektronen-Vervielfacherröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fokussierungseinrichtungen wenigstens einen leitenden Bereich (250) aus einer Metallschicht auf der inneren Fläche jedes Tragelements (216,218) aufweist.