DE2647245A1

DE2647245A1 - Schnellansprechender strahlungsempfindlicher detektor

Info

Publication number: DE2647245A1
Application number: DE19762647245
Authority: DE
Inventors: Edward Herbert Eberhardt
Original assignee: International Standard Electric Corp
Current assignee: International Standard Electric Corp
Priority date: 1975-10-23
Filing date: 1976-10-20
Publication date: 1977-05-05
Also published as: US3992621A; GB1536174A

Description

Patentanwalt Dipl.-Phys.Leo Thul
Stuttgart

E.H.Eberhardt-26

INTERNATIONAL STANDARD ELECTRIC CORPORATION, NEW YORK

Schnellansprechender strahlungsempfindlicher Detektor

Die Erfindung betrifft einen strahlungsempfindlichen Detektor mit einer in Abhängigkeit von der einfallenden Strahlung Elektronen aussendenden Kathode und einer die Elektronen auffangenden Anode, welcher eine geringe Ansprechzeit gegenüber einfallenden ,°-l;rahlungsiinpulsen, wie z.B. Lichtimpulse, hat.

Die bekannten biplanaren koaxialen Fotosellendioderi benützen eine transparente Maschenanode auf der Zellenfrontplatte und eine hiervon getrennte Fotokathode mit einem Beschleunigungspotential von etwa 2 bis 5 KV. Die Verwendung von höheren Beschleunigungsspannungen ist durch das Auftreten von Durchschlägen begrenzt. Die Elektronen aussendende Schicht der Fotokathode ist meistens von der durchsichtigen Zellenfrontplatte getrennt angeordnet und die Elektronen werden zur Anode reflektiert. Hierdurch wird ein Spannungsabfall am Widerstand der Fotokathodenschicht, wie er beim direkten Durchfall des Lichtes durch die Schicht entstehen würde, vermieden. In den Fällen, bei denen der endliche Widerstand der Fotokathodenschicht jedoch keine Rolle spielt, kann diese Schicht auch auf der Zellenfrontplatte liegen und die Anode ist dann getrennt hiervon angeordnet.

Bei den bekannten biplanaren Fotozellen ist die Fotokathode

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an den Iiinenleiter und die Anode an den röhrenförmigen Außenleiter einer koaxialen Hochfrequenzübertragungsleitung angeschlossen.

Ein Beispiel für eine derartige Fotozelle ist in dem Artikel "Temporal response and real time measurements with a 5 GHz photocell-oscilloscope system at low light levels" von B.Sipp u.A. in der Zeitschrift Journal of Physics E, Scientific Instruments Vol.8, 1975_Λ Seiten 296-298, gedruckt in Großbritannien, beschrieben.

Bei derartigen Fotozellen ist die Ansprechzeit auf Lichtimpulse durch die anliegende Spannung und den relativ großen Anoden-Fotokathodenabstand begrenzt. Zusätzlich ist normalerweise hierbei ein mit dem Fotokathoden-Koaxinnenleiter in Serie geschalteter Hochspannungskondensator erforderlich, um die Hochspannung von den Instrumenten niedriger Impedanz oder den Verstärkern, die an den Ausgang der Fotozelle angekoppelt sind, abzublocken. Dieser Kondensator bereitet zusätzliche Schwierigkeiten mit unerwünschten Schwingungen oder Zeichenverlusten, sowie mögliche Durchschlägen. Auch gibt es dabei Schwierigkeiten mit der Vakuumdichtung, welche von dem Fotokathoden-Anodenraum getrennt angeordnet ist und relativ lange Impulsabstiegszeiten, Impedanzfehlanpassungen und Inipulsreflektionen verursacht.

Demgegenüber ist es nun Aufgabe der Erfindung einen verbesserten Aufbau einer schnellansprechenden Fotozelle zu schaffen, welcher die Anstiegs- und Abfallzeiten von Impulsen und unerwünschte Reflexionen vermindert und die Verwendung einer hohen Vorspannung und eines in Serie geschalteten Abblockkondensators in der Ausgangskoaxleitung vermeidet.

Dies wird nun bei einem strahlungsempfindlichen Detektor

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der eingangsgenannten Art dadurch erreicht, daß zwischen der Kathode und der Anode eine die Elektronen beschleunigende Gitterelektrode angeordnet ist und diese Gitterelektrode näher bei der Anode als bei der Kathode liegt, daß zwischen der Kathode und der Gitterelektrode ein die Elektronen beschleunigender Potentialunterschied besteht, während die Gitterelektrode und die Anode auf einem im wesentlichen gleichen Potential liegen.

Dabei beträgt der Abstand der Gitterelektrode von der Anode beispielsweise 5-25$ des Fotokathoderi-Anoden-Abstandes.

Die geringe Entfernung zwischen Anode und Gitterelektrode und die hohe Beschleunigungsspannung zwischen Fotokathode und Gitterelektrode vermindern die Impulsanstiegszeit bezüglich der auf der Fotokathode auffallenden Lichtimpulse.

Da nun die Gitterelektrode und die Anode im wesentlichen auf dem gleichen Potential liegen, liegt kaine Hochspannung mehr an der Ausgangsleitung und kein zusätzlicher Kondensator ist mehr erforderlich, um die Gleichspannung gegenüber den am Detektor angeschlossenen Verbrauchern abzublocken. Bei einem Ausführungsbeispiel nach der Erfindung ist die Anode an dem einen Leiter und die Gitterelektrode an dem anderen Leiter eines koaxialen Verbindungsstückes angeschlossen.

Im Falle einer Vakuum-Fotozelle, bei der die Kathode, die Gitterelektrode und die Anode von einer vakuumdichten Hülle umgeben sind, ist eine vakuumdichte Abdichtung zu den koaxialen Leitern des Verbindungsstückes dicht am

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Anoden-Gitterelektroden-Zwischenraum angeordnet.

Hierdurch werden die Impulsabstiegszeit und unerwünschte Reflexionen vermindert.

Weitere Einzelheiten der Erfindung seien nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Im einzelnen zeigen:

Fig.l eine schematische Darstellung einer triplanaren Fotozelle gemäß der vorliegenden Erfindung.

Fig.2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel bei der die Lagen der Fotokathode und der Anode gegenüber der Ausführung nach Fig.l verbauscht sind.

Wie aus der Fig.l ersichtlich ist, ist eine ebene Fotokathodenschicht 10, welche Elektronen 12 aussendet, wenn sie dem Licht 1*1 einer äußeren Strahlungsquelle, z.B. den Impulsen eines Laserstrahles, ausgesetzt ist, auf der transparenten Frontplatte 16 des zylindrischen Glaskolbens 18 einer Vakuum-Fotozelle aufgebracht. Eine netzförmige Gitterelektrode 20, vorzugsweise aus Nickel oder Kupfer, ist in den Weg der Elektronen eingebracht. Eine Gleichspannungsquelle 22 von etwa 5 bis 10 KV ist zwischen der Gitterelektrode 20 und der Fotokathode 10 angelegt. Die Gitterelektrode 20 ist über eine Einschmelzdurchführung mit dem Grundpotential und die Fotokathode 10 über eine Einschmelzdurchführung 26 mit der negativen Hochspannungsklemme der Gleichspannungsquelle 22 verbunden. Die Ausgangsanode 28, die auf demselben Potential wie die Gitterelektrode 20 liegt, hat eine ebene Oberfläche 30 von kleineren Durchmesser als die übrigen Elektroden und ist in unmittelbarer Nähe der Gitterelektrode 20 angeordnet, um die das Gitter durchquerenden Elektronen aufzufangen. Die Anode 28, welche aus

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rostfreien Stahl hergestellt sein kann und entweder massiv oder hohl ist, stellt den zentralen Innenleiter einer koaxialen Leitung dar. Der Außenleiter dieser koaxialen Leitung wird durch einen röhrenförmigen Leiter 32, ebenfalls aus rostfreien Stahl, welcher mit dem Netz 20 verbunden und an den Glaskolben 18 über die Einschmelzdurchführung 24 angeschmolzen ist , gebildet. Diese koaxiale Leitung weist eine geringe Ausgangsimpedanz von etwa 50-100 Ohm gegenüber Hochfrequenzsignalen auf und erlaubt eine Verbindung mit Instrumenten oder Verstärkern geringer Impedanz ohne Fehlanpassung und unerwünschten Reflektiorien. Eine Dichtung 34 aus gebräuchlichem Keramikmaterial stellt eine vakuumdichte Dichtung zwischen dem Anodeninnenleiter 28 und dem röhrenförmigen Außenleiter 32 dar. Die Dichtung 34 ist nahe am Anodenrand bzw. dicht beim Zwischenraum zwischen Anode und Gitterelektrode angeordnet. Hierdurch wird die Impulsabstiegszeit vermindert und ebenso werden unerwünschte Schwingungen unterdrückt.Irgendwelche Reflektionen elektromagnetischer Energie an der Dichtung 34 verfallen schnell. Die Ausnehmungen 36, 38 in der Anode 28 und in der äußeren koaxialen Röhre 32 und der Abstand dieser Ausnehmungen von Gitterelektroden-Anodenraum bewirken eine selektive Impedanzanpassung und reduzieren die Verluste von Mikrowellenimpulsen durch die Dichtung. Die Beträge der inneren und äußeren Durchmesser der koaxialen Leitungen bestimmen ebenfalls die Impedanzanpassung. Dadurch, daß die Fotokathode außerhalb der Übertragungsleitung angeordnet ist und die Anode und die Gitterelektrode auf dem gleichen hohen Potential liegen und dicht beieinander liegen, wird eine bedeutende Verminderung der Impulsanstiegszeit und ein schnelleres Ansprechen erreicht. Die Impulsanstiegszeit ist eine Funktion der Elektrodenzwischenräume und des anliegenden Potentials. Beispielsweise beträgt bei den bekannten biplanaren Zellen die Impulsanstiegszeit bei einem Anoden-Kathodenzwischenraum von etwa 6 mm und bei 2 500 Volt etwa 0,4 - 0,5 Nanosekunden.

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In der erfindungsgemäßen Zelle beträgt der Anoden-Gitterelektrodenabstand 1 mm und die Beschleunigungsspannung zwischen Gitter und Anode etwa 10 000 Volt. Diese Werte sind möglich, da das Gitter und die Anode auf dem gleichen Potential liegen und somit einen kleinen Abstand zwischen diesen erlauben. Dabei kann der Gitter-Fotokathodezwischenraum und das anliegende Potential viel größer gemacht werden. Zwei bis zehnmal größere Spannungen als bei den bekannten biplanaren Zellentypen können verwendet werden. Eine typische Impulsanstiegszeit liegt dann bei 17 Picosekunden. Dies ist 25 mal schneller als bei der Standardbiplanarzelle.

Bei der erfindungsgemäßen Zelle wird in dem relativ langen Zeitintervall j wenn die Potoelektronen der Fotokathode auf die Endgeschwindigkeit beschleunigt werden, kein Ausgangsimpuls erzeugt. Erst wenn die Elektronen voll beschleunigt sind, durchqueren sie den Gitter-Anodenzwischenraum und erzeugen einen Ausgangsimpuls. Das Gitter schirmt die Anode wirkungsvoll gegen irgendwelche Signale, die zwischen Kathode und Gitter induziert werden, ab.

Leichte Empfindlichkeitsverluste ergeben sich durch den Verlust einiger Elektronen am Gitter. Dies wird aber durch die Verwendung von hochdurchlässigen Gittern mit etwa 85% Durchlässigkeit, wie sie für die Anode in den bekannten biplanaren Zellen verwendet werden, gemindert. Der Abstand der Gitterelektrode von der Anode ist vorzugsweise 5 bis 25% des Gesamtabstandes zwischen Anode und Fotokathode und liegt in der Regel zwischen 0,1 und 1 mm.

Der Anodendurchmesser kann das vier bis fünffache seines Abstandes von der Gitterelektrode haben. Der Abstand des Gitters wird entsprechend der gewünschten Impulswiedergabe

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ausgewählt, jedoch ist der Minimalabstand durch Fertigungstoleranzen vorgegeben.

Da keine Gleichspannung zwischen dem Gitterund der Anode erforderlich ist, erübrigt sich auch die Verwendung eines Hochspannungskondensators zur Isolation der Gleichspannung von den nachfolgenden Geräten niedriger Impedanz. Dies beseitigt auch die durch einen solchen Kondensator verursachten Probleme, wie Spannungsdurchbruch oder unerwünschte Schwingungen.

Der Innenleiter 28 und der Außenleiter 32 sind über eine Standardkoaxialverbindung und einem Kabel an eine Widerstandslast k2 angeschlossen, wie in der Pig.l gestrichelt eingezeichnet. Der Widerstand beträgt 50-100 Ohm und representiert die Impedanz eines angeschlossenen Verstärkers oder Ausgangskreises. Eine der Gleichspannungsquelle kh entnommene geringe Vorspannung von 10-100 Volt dient zur Unterdrückung der von der Anode oder vom Gitter ausgesandten Sekundärelektronen. Diese geringe Vorspannung kann über einen in Serie mit der Last geschalteten Niederspannungskondensator verwendet werden. Die Verbindung der Anode mit der Erde erfolgt über einen kleinen Lastwiderstand und, wenn nötig, über eine kleine Vorspannung, sodaß die anliegende Spannung im wesentlichen dieselbe wie an der Gitterelektrode ist.

Die Anordnung des Vakuumdichtungsringes 3'ί dicht am Anoden-Gitterelektrode .-Zwischenraum bewirkt, daß irgendwelche Reflexe schnell entstehen und zwar innerhalb weniger Picosekunden des Eingangsimpulses. Dies vermindert die Wirkung auf den Ausgangsimpuls und reduziert die Impulsabstiegszeit. Der Dichtungsring J>k kann auch als ein die Impedanz anpassender Abschlußwiderstand gebraucht werden. Maximale Impulsanstieg- und Abfallzeiten können bei 10-20 Picosekunden liegen.

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Wenn die Impedanz der halbdurchsichtigen Fotokathode auf der Zellenfrontplatte ein Begrenzungsfaktor istj kann ein umgekehrter triplanarer Aufbau benutzt werden, wie in der Fig.2 schematisch aufgezeigt ist. In diesem Falle ist das Einfallfenster der Zelle mit einer Maschenanode 46 versehen. Diese ist an dem äußeren röhrenförmigen Leiter 48 befestigt. Dicht bei der Anode ist eine Gitterelektrode 50, welches mit der inneren koaxialen Elektrode 52 verbunden ist, angeordnet. Eine metallische Reflexionsfotokathode 54 liegt auf einem höheren negativen Potential. Der Dichtungsring 56 ist wieder dicht beim Anoden- Gitterelektroden- ■ Zwischenraum zwischen den inneren und äußeren koaxialen Leitungen angeordnet. Die Fotokathode ist nun eine zentrale Elektrode, welche wiederum kein Teil der koaxialen Übertragungsleitung ist.

Die vorliegende Erfindung stellt somit einen verbesserten und vereinfachten schnellansprechenden Fotodetektor dar. Obwohl verschiedene Ausführungsbeispiele dargestellt und beschrieben worden sind, sind noch weitere Variationen der Einzelteile und des Gesamtaufbaus möglich, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen, wie in der Beschreibung und in den Ansprüchen dargelegt ist.

Claims

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Patentansprüche:

1.) Strahlungsempfindlicher Detektor mit einer in Abhängigkeit von der einfallenden Strahlung Elektronen aussendenden Kathode und einer die Elektronen auffangenden Anode, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Kathode und de ν Anode eine die Elektronen beschleunigende Gitterelektrode angeordnet ist und diese Gitterelektrode näher bei der Anode als bei der Kathode liegt, daß zwischen der Kathode und der Gitterelektrode ein die Elektronen beschleunigender Fotentialunterschied besteht, während die Beschleunigungselektrode und die Anode auf einem im wesentlichen gleichen Potential ljegen.

2. Strahlungsempfindlicher Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode, die Gitterelektrode und die Anode eben ausgebildet und parallel zueinander angeordnet sind.

3· Strahlungsempfindlicher Detektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gitterelektrode als Maschenelektrode ausgebildet ist und an einem Leiter eines koaxialen Verbindungsstückes zu einer koaxialen Leitung befestigt ist und die Anode an dem anderen Leiter des koaxialen Verbindungsstückes angeschlossen ist.

4. Strahlungsempfindlicher Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 3j dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode, die

Gitterelektrode und die Anode von einer vakuumdichten Hülle umgeben sind und eine vakuumdichte Abdichtung zu den koaxialen Leitern des Verbindungsstückes an den Anoden- Gitterelektrode- Zwischenraum angrenzend angeordnet ist.

5. Strahlungsempfindlicher Detektor nach einem der Ansprüche

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1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode auf einer strahlurigsdurchlässigen Frontplatte des Detektors aufgebracht ist, die Anode mit dem Innerileiter und die Gitterelektrode mit dem Außenleiter des koaxialen Verbindungsstückes verbunden ist.

6. Strahlungsempfindlicher Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode an einer strahlurigsdurchlässigen Frontplatte des Detektors angeordnet und mit dem Außenleiter des koaxialen Verbindungsstückes verbunden ist, daß die Gitterelektrode mit dem Innenleiter des koaxialen Verbindungsstückes verbunden ist und daß die Kathode von der Frontplatte entfemit angeordnet ist.

Ί. Strahlungsempfindlicher Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Gitterelektrode

von der Anode einen Abstand aufweist, der 5 bis 25% des Kathoden-Anodenabstarides beträgt.

8. Strahlungsempfind]icher Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 7s dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Anode und Gitterelektrode eine Vorspannung zur Unterdrückung der Sekundärelektronenemission der Anode angelegt ist.

9. Strahlungsempfindlicher Detektor nach einem der Ansprüche

3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das koaxiale Verbindungsstück über eine koaxiale Kopplung mit einer Ausgangslast verbunden ist und Mittel zur Impedanzanpassung vorgesehen sind.

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