DE2502964C3 - Photoelektronen-Vervielfacherröhre - Google Patents

Description

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

Photoelektronen-Verviclfacherröhren weisen normalerweise eine Photokathode zur Erzeugung von Elektronen in Abhängigkeit von dem auf die Photokathode fokussierter. und auftreffenden Licht, einen Elektronenvervielfacher zur Verstärkung oder Vervielfachung des durch die Photokathode erzeugten Elcktronenstroms und eine Anode auf, um die durch die Vervielfachung erzeugten Elektronen aufzunehmen. Der übliche Elektronenvervielfacher enthält eine Reihe von Sckundär-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.

Bei Aufbau eines Photoclcktonen-Vervielfacherröhrentyps mit seitlichem Lichteintritt sind die Elektroden der Anordnung in Längsrichtung in einer sog. Kreiskäfig-Anordnung zusammengesetzt und zwischen zwei Tragelementen oder Abstandteilen mittels Drahthalterungsstäben 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 Röhrenstifter) 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 bestehen aus mehreren Metallfederblättern, die beispielsweise durch Anschweißen an die Elektrodenhalter befestigt sind. Eine andere An 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 verwendet, ohne daß die nachfolgend beschriebenen, in elektrischer und elektrostatischer Hinsicht nachteiligen sog. »Hysteresis-Effekte« in Betracht gezogen worden sind.

Phoioelektronen-Vcrvielfacherröhren mit seitlichem L.ichteintritt werden üblicherweise für die Photometric verwendet, um periodische bzw. diskontinuierliche Licht-Eingangssignale unterschiedlicher Signalintensität nachzuweisen. Üblicherweise zeigen die in dieser Weise verwendeten Photoelektroncn-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-Haltcrungselcmenie und auf den Glas-Röhrcnkolben und durch eine dadurch auftretende Aufladung der Halterungselemente und des Kolbens bewirkt, wodurch sich die clcktronenoptischen 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 Photoelektrohen-Vervielfachcrstrom 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- Verviclfachcrröhren vorgeschlagen. Einer dieser Versuche bestand darin, die Elektroden-Tragelementc 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 Tragelemenie 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 wird, einen Glaskolben aus Hartglas zu verwenden. All diese und auch weitere Vorschläge zur Lösung die-,es Problems haben sieh als ungeeignet erwiesen, el;; sie unwirksam, teuer und/oder unausführbar sind.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Photoelektronen-Vervielfacherröhrc zu sr-haffen, die die genannten Nachteile bekannter Anordnungen nicht aufw-.-ist.

Diese Aufgabe wird bei der eingangs genannten Photoelektronen-Vervielfacherröhre dadurch gelöst, daß die Halterr.ngseinrichtung wenigstens ein federndes Teil aufweist, das zwischen wenigstens einem Tragelement und der Innenwand des Röhrenkolbens unter mechanische Spannung gesetzt isi, um die Elektrodenanordnung in einer im wesentlichen festen, zur lnnenwanuung bcabslandctcn Lage zu halten und elektrische Ladungsübergänge zwischen den Klektroden und der Innenwandung im wesentlichen zu vermeiden, und daß die F.lektronenanordnung leitende Fokussierungscinrichtungen aufweist, die zwischen den Enden der Elektroden und den Tragelementen angeordnet sind, um zu verhindern, daß die divergierenden Elektronen auf die Tragclemente aufireffen. Die erfindungsgemäße Photoelcktronen-Vervielfacherröhre weist eine Elektrodenanordnung mit einer Reihe .011 sich in Längsrichtung zwischen den isolierenden Halterungsteilen erstreckenden Elektroden innerhalb eines lichtdurchlässigen, d. h. aus Glas besiehenden Glaskolbens auf. Eine isolierende Halierungseinrichtung 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-Fokussicrungseinriehiung verhindert im wesentlichen, daß divergierende Elektronen auf die Halterungsteilc aufireffen.

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

Fig. I eine perspektivische Schnittdarstellung einer zusammengebauten Pholocleklroncn-Vervielfacherröhre gemäß dem Stand der Technik,

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

F i g. 3 eine perspektivische Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispieles einer zusammengebauten Photoclcktronen-Vervielfacherröhre gemäß der Erfindung, wobei insbesondere eine elastische Halterungsanordnung zu sehen ist,

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

Fig. 5 eine schematische Darstellung der Quer schnittsansicht der in F i g. 3 dargestellten ledernden Halterungseinrichtung und

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

In den Fig. I— 2 ist eine Pliotoelektronen·Vervielfacherröhre UO bekannter Bauart und in den Fig. 3 —-τ eine Photoclektronen-Vervielfaclierröhre 210 gemäß der Erfindung dargestellt. Die Bezugszahlen der entsprechenden Teile der bekannten und erfinciungsge mäßen 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 Bezugszeichen besitzen.

Die in Fig. 1 dargestellte Photoelektronen-Vervielfacherröhre 110 bekannter Bauart weist eint Elektrodenanordnung 112 auf, die in einem zylindrischen Glaskolben 114 federnd gehaltert ist. Die Elektroden der Photoelektronen-Vervielfacherröhre 110 sind in Längsrichtung (d.h. parallel zur Achse X-A) in der Form eines kreisrunden Käfigs (d. h. entlang der Querschnittsebene senkrecht zur Achse X-X, vergl. F i g. 2) zwischen zwei parallelen Halterungs- oder Abstandsplatten 116 und 118 befestigt. Die Abstandsplatten 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 Fig. 2 weisen die Elektroden der Photoelektronen-Vervielfacherröhre 110 eine Photokathode 120, Dynoden 122, eine Anode 124, ein lichtdurchlässiges Drahtgitter 128 und eine Elektroden-Abschirmplattc 130 auf.

Die Elektronenanordnung 112 ist im Glaskolben 114 mittels einer an sich bekannten Elektroden-Halterungseinrichtung federnd befestigt, die mehrere federnde Metallfederklammern 132 (vergl. Fig. 2) und ein Federblatt 134 aufweist, das um den Umfang der Abstandsplatte 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 Abstandsplatlen 156 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 Befestigungscinrichtungen fest zu montieren und um weiterhin das Verbinden der Drähte 141 mit den Röhren-Steckstiften zu erleichtern. Das Fedcrblatt 134 besteht aus einer sich nach innen erstreckenden bzw. nach innen umgebogenen Platte 130.

Beim Zusammenbau der Phoiociektronen-Vervielfacherröhre 110 wird der obere Teil der zu einem einzigen Einbauteil zusammengesetzten Elektrodenanordnung, die die Abstandsteile 116-118, die Elektroden-Halierungseinrichtiing. 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 Federklammern 132 und das Fiederblatt 134, die während des Einsetzens gespannt werden, bilden nach Zuschmelzen bzw. Abdichten und Evakuierung des Röhrenkolbens am Röhrenfuß 113 eine feste, jedoch federnde Halteriingsvorrichtung für die Elektrodenanordnung.

Bei der Entwicklung von Phoioelektroncn-Vervielfacherröhren wurde im allgemeinen darauf geachtet, eine geeignete Halterungsvorrichuing für das Elektrodcnbauteil zu wühlen, ciamit die Photoelektronen-Vervielfacherröhre frei von den bereits beschriebenen I lysteresis Effekten bleibt, die in Zusammenhang mit der elektrischen Betriebsweise der Anordnung auftreten. Aus diesem Grunde haben die Konstrukteure der bekannten Photoelcktronen -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 Halterungseinrichlung für die Verringerung der zuvor beschriebenen Hystercsis-Effektc kritisch ist.

Anhand der F i g. 3 und 5 ist eine Ausführungsform der Erfindung dargestellt, bei der die Halterungseinrich-Uing aus mehreren Metull-Fcdcrblattklammcrn 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 Röhrcnkolbcns 214 isoliert und wird in mechanischer Hinsicht in einer im wesentlichen festen, ausgerichteten Lage zur inneren Zylinderwandung gehalten, so daß zwischen der inneren Zylinderwandung des Glaskolbens 114 und den entsprechenden Elektroden ein elektrischer Ladungsübcrgang vermieden wird.

Die Fcdcrblatt-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 233;; und 233/?der Klammern 233 sind an den isolierenden Bereichen der Außcnfläeben 2I6Ö und 218/? der keramischen Abstandstcilc 216 und 218, d. h. an den nicht beschichteten Bereichen der Keramikteile, durch die keine Eleklroden-Halterungsstiibc 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.

F i g. 4 zeigt einen leitenden Bereich 250 auf der jeweiligen inneren Fläche 216;( und 218</ der keramischen Abstandsteile 216 und 218. Die leitenden Bereiche 250 bestehen vorzugsweise aus einer Metallisierung, beispielsweise aus Molybdän. Aluminium oder einer anderen !eilenden Metallschicht, die auf die keramischen Abstandstcilc 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 »£^r« (vcrgl. F i g. 3) zwischen den Elektroden und den Abstandsteil-Obcrflächen 216.7 und 218« 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 Röhrenstiftc 211 geeignete Betriebsspannungen angelegt werden, wirken die leitenden Bereiche 250 als Fokussierungsclcktroden 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-Verviclfacherröhre 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 Fokussierungscinriclitung, die verhindert, daß divergierende oder Streuelektronen auf die Elektrodenhaltcrungsteile auftreffen. Überraschenderweise hat sich dabei herausgestellt, daß die mit dieser neuen Kombination versehenen Photoclektroncn-Vervielfacher röhre η 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 F i g. 3 bis 5 dargestellten Photoelcktroncn-Verviclfacherröhren 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-Entladungsrohren geeigneten Weise mittels Siebdruckteehnik bzw. mittels eines Maskicrungsverfahrcns auf die isolierenden keramischen Abstandsteile 216 und 218 aufgebracht wurde; und die Klammern 233, die aus einer Nickcl-Chrom-I.egicrung (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-IW Glasart hergestellt, die für Eleklronen-Enlladcanordnungcn geeignet ist. Die elektrischen Funktionskcnnwertc der neuen Anordnung zeigten, daß die unerwünschten Ilystcresis-Effckte praktisch nicht mehr auftraten.

Aus der vorstehenden Kennzeichnung und Beschreibung der Erfindung gehl hervor, daß verschiedene äquivalente, mechanische Einrichtungen und Anordnungen der Halterungseinrichtung für die Elcklrodcnanordnung geschaffen werden können. Beispielsweise können die in F i g. 1 und 2 dargestellten Klemmen 132 verwendet werden, wenn diese aus einem geeigneten Isolationsmaterial hergestellt sind. F i g. 6 zeigt ein weiteres Beispiel für die Haltcrungsvorrichtung, die ein einziges Fedcrlcil 235 aufweist. Wie in F i g. 6 dargestellt, kann das Federteil 235 aus einem einzigen fortlaufenden Band aus einer Nickel-Chrom-Lcgicrung (Handelsname »Inconel«) bestehen, eine Breite von 3 mm und eine Dicke von 0,25 mm aufweisen, oder das Federteil 235 kann auch aus anderen Metallen oder Legierungen geeigneter Breite und Dicke hergestellt sein. Dieses Teil 235 ist in Form eines Ringes hergestellt und weist mehrere nach innen gerichtete ebene Flächen auf, wobei jede Fläche Vorsprünge 236a oder 2366 für die Befestigung besitzt, die von gegenüberliegenden Seiten des Metallbrndes nach innen vorstehen. Bei der Montage wird das Ringteil 235 vorzugsweise um den Außenumfang des Abstandsteiles 216 herum angelegt bzw. verformt, mit dem es dann aufgrund der Elastizität des Mctallbandcs und der Haltewirkung der Vorsprünge 236/1 und 2366 (die jeweils auf die gegenüberliegenden Oberflächen des Abstandsteils 216 übergreifen) fest

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 Röhrcnkolbens 214 anstoßen und unter Spannung gesetzt werden.

Anstelle der leitenden Schichten 250 können auch Metallelektroden in den Bereich »£■« (vergl. F i g. 3) parallel zu den Ilachen 216;j oder 218;) der Abstanustci-Ie angeordnet werden. Die notwendige elektrische Isolation zwischen den Flcktroden-I laltcrungsstäben 240 und den leitenden Bereichen 250 auf den Flacher 216// und 218;; wird mittels nicht metallisierter, nichi leitender, isolierender Fläehenbereiehc auf den genannten Flächen 21h;; und 218;) geschaffen; es können jedocr auch andere Verfahren und Maßnahmen für dit elektrische Isolation verwendet werden. Vorzugsweise sollten die leitenden Bereiche 250 eine Metallschicht ml· zusammenhängenden Oberflächenbereichen aufweisen es können jedoch auch einzelne, mit anderen Fläehcnbe reichen nicht zusammenhängende llächenberciche dci Metallschicht ohne Nachteil verwendet werden, wenr diese einzelnen Flächenbereiche in geeigneter Weise ar geeignete Betriebsspannungen angelegt sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

709 641/389

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Photoelektronen-Vervielfacherröhre zum Nachweis periodisch auftretender Lichtsignale un- s terschiedlicher Intensität mit einer in einem evakuierten, lichtdurchlässigen Röhrenkolben angeordneten Elektrodenanordnung, wobei die Elektrodenanordnung in dem Röhrenkolben durch Halterungseinrichtungen befestigt ist, und die ij Elektroden der Elektrodenanordnung zwischen isolierenden Tragclementen in Längsrichtung hefe stigt 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 Ladungsübergange zwischen den Elektroden (230) und der Innenwandung im wesentlichen zu vermeiden, und daß die Elektrodenanordnung (212) leitende FokussierungseinriehUingen (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 Tragelemcnte (216,218) auftreffen.

2. Phoioelektronen-Verviclfacherröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterungseinrichlung mehrere elastische Federblatteile (233) aufweist, die zwischen wenigstens einem Tragelement (216, 218) und dei Innenwandung angeordnet sind.

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

4. Photoelektroncn-Vervielfacherröhrc 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.