DE3011381C2

DE3011381C2 -

Info

Publication number: DE3011381C2
Application number: DE3011381A
Authority: DE
Inventors: Alan George Crawley Sussex Gb Knapp
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1979-04-02
Filing date: 1980-03-25
Publication date: 1990-02-01
Also published as: IT1130372B; ES490108A0; SE8002445L; AU5695880A; ES8200794A1; CA1163150A; GB2048561A; FR2453494A1; GB2048561B; US4395437A; IT8021048A0; FR2453494B1; DE3011381A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bildung eines sekundärelektronenemittierenden Überzugs auf einer Dynode und auf die Verwendung eines solchen Überzugs bei einem Kanal elektronenvervielfacher.

In den GB-PS 14 01 969, 14 02 549, 14 34 053 und DE-0S 25 54 030 sind verschiedene Typen von Kanalelektronenver vielfachern beschrieben, die grundsätzlich aus je einem Stapel durchbohrter metallener elektrisch leitender Schichten bestehen, die je ein regelmäßiges Muster von Öffnungen aufweisen, wobei die Öffnungen jeder dieser Schichten mit denen der anderen leitenden Schichten im Stapel fluchten, um einen Kanal zu definieren, wobei Trenn elemente zwischen jeweils zwei benachbarten leitenden Schichten angeordnet sind, die die Kanäle nicht sperren. Wenn der Werkstoff der leitenden Schichten für einen be sonderen Zweck nicht in genügendem Maße sekundäremittert, können, wie in der DE-OS 25 54 030 beschrieben, die Sekun däremissionseigenschaften der leitenden Schichten dadurch verbessert werden, daß ein Überzug aus einem stärker emittierenden Werkstoff wenigstens auf den freigelegten Oberflächen der leitenden Schichten innerhalb der Kanäle gebildet wird. Dies kann auf allen leitenden Schichten er folgen, aber es kann von Vorteil sein, den emittierenden Überzug nur auf die wenigen ersten leitenden Schichten aufzubringen, die sich auf der Eingangsseite des Kanal elektronenvervielfachers befinden.

In den GB-PS 15 23 730 und DE-OS 25 54 030 sind Dynoden beschrieben, die sich zur Anwendung in Kanalelektronenver vielfachern eignen und die aus Substraten bestehen, die mit sekundäremittierenden Überzügen aus Cermets mit beson deren Zusammensetzungen mit je einem Alkalimetallfluorid versehen sind. Die Sekundäremissionskoeffizienten dieser Cermets sind jedoch nicht viel höher als vier.

In einem Aufsatz "Growth of MgO films with high secondary emission on Al-Mg alloys" von B. Goldstein und J. Dresner in "Surface Science", Band 71, Nr. 1 (1978), S. 15-26, wird die Bildung sekundäremittierender Schichten durch Oxidation und Aktivierung von Plattenmaterial aus Al-Mg-Legierungen hoher Reinheit mit Mg-Gehalten zwischen 0,1 und 3 Gew.% beschrieben. Die Magnesiumkonzentration in den Oberflächenoxidschichten wurde dadurch erhöht, daß Plattenmaterial aus einer oxidierten Legierung auf Tempe raturen in der Größenordnung von 450 °C erhitzt wurde, wobei Werte des Sekundäremissionskoeffizienten (δ) zwischen 10 und 15 erhalten wurden. Diese Legierungen eig nen sich nicht zur Herstellung von Dynoden von Kanalelek tronenvervielfachern, weil zur Zeit noch keine Ätztechnik zur Verfügung steht, die sich zur Ätzung der für Dynoden gewünschten Geometrien aus diesen Magnesiumlegierungen eignet.

Die Untersuchungen, die zu der vorliegenden Erfindung ge führt haben, haben ergeben, daß sekundäremittierende Über züge, die dadurch gebildet werden, daß Aluminium-Magne sium-Legierungen mit 0,1 bis 3 Gew.% Magnesium aufgedampft werden, nicht leicht aktiviert werden können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Bildung eines sekundäremittierenden, leicht zu akti vierenden Überzugs zu schaffen, bei dem die Werte des Se kundäremissionskoeffizienten (δ) höher als die des aus der GB-PS 15 23 730 bekannten Cermetwerkstoffes sind.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs ge nannten Art erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 genannten Merkmale gelöst.

Der zusammengesetzte Überzug kann aus einer Magnesium schicht bestehen, die auf einer darunterliegenden Alu miniumschicht angebracht ist, die an die Dynode grenzt. Der zusammengesetzte Überzug kann dadurch gebildet werden, daß eine Aluminiumschicht auf die Dynode aufgedampft wird und Magnesium und Aluminium gleichzeitig auf die an die Dynode grenzende Aluminiumschicht aufgedampft werden.

Indem eine Aluminiumschicht auf der magnesiumhaltigen Schicht abgelagert wird, kann eine Sperre zwischen dem Magnesium in dieser magnesiumhaltigen Schicht und der Luft gebildet werden, weil die überzogene Dynode der Luft aus gesetzt wird, wenn sie aus der Aufdampfatmosphäre entfernt wird und bevor der Überzug aktiviert wird.

Wenn der Oberflächenfilm des Überzugs eine genügende Magnesiummenge enthält, läßt sich die magnesiumhaltige Schicht schwer oxidieren - dies ist wahrscheinlich auf die Bildung einer Magnesiumhydroxidschicht zurückzuführen, die zersetzt werden muß, bevor eine MgO-Schicht gebildet wer den kann. Wenn die magnesiumhaltige Schicht mit einer Alu miniumschicht überzogen wird, wird wenigstens der äußere Teil dieser Aluminiumschicht durch Oxidation in Aluminium oxid umgewandelt und Magnesium diffundiert während dieses Aktivierungsschrittes in die Aluminiumoxidschicht hinein und wird oxidiert, wenn es die Oberfläche des Überzugs er reicht.

Aus den GB-PS 12 16 497 und 11 07 869 ist es bekannt, eine Dynode mit einer Aluminiumschicht abzudecken, wobei diese Schicht durch Aufdampfen und anschließende Oxidation er zeugt wird. Diese Schicht deckt jedoch nicht eine magne siumhaltige Schicht ab, wie dies bei dem Verfahren nach der Erfindung der Fall ist.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren können überzogene Dynoden gemäß Anspruch 5 verwendet werden. Das Dynoden material kann überzogen sein, so daß es die Adhäsion mit Isoliermaterial zwischen den Dynoden, z. B. Glas, ver bessert und als eine Diffusionssperre gegen Verunreini gungen, z. B. Schwefel, wirkt, so daß die Verunreinigungen den emittierenden Überzug nicht vergiften.

Vorzugsweise bestehen die Dynoden aus Weichstahl, weil dann allgemein bekannte Ätztechniken zur Bildung der ge wünschten Geometrien der Dynoden aus Plattenmaterial ver wendet werden können.

Das Magnesium und das Aluminium können durch Verdampfen aufgebracht werden, weil diese Metalle leicht verdampft werden können. Die Magnesium-Aluminium-Schicht kann z. B. eine Dicke zwischen 100 und 200 nm aufweisen. Wenn die Dynode im wesentlichen aus Weichstahl besteht, kann eine Aluminiumschicht mit einer Dicke von 10 bis 100 nm zwischen einer Weichstahlplatte und einer magnesiumhalti gen Schicht angebracht werden, um die Geschwindigkeit der Diffusion von Magnesium in den Weichstahl herabzusetzen.

Ein emittierender Überzug, der nur aus Magnesium besteht, läßt sich, weil dabei eine Aktivierungstemperatur von 300 °C erforderlich ist, schwerer als ein emittierender Überzug aktivieren, der durch ein Verfahren nach der Erfindung hergestellt wird.

Es ist möglich, die durch das Verfahren nach der Erfindung hergestellten Überzüge dadurch zu aktivieren, daß eine Er hitzung in einer Sauerstoffatmosphäre bei einem Druck zwi schen 6,7 · 10^-6 und 5,3 · 10^-4 mbar während drei Stunden bei 270 °C stattfindet, was günstig ist, wenn Dynoden inner halb einer Elektronenbildwiedergaberöhre aktiviert werden, die einen Kolben aufweist, der mit einer durch Druckver bindung erhaltenen Abdichtung mit einem z. B. aus Blei be stehenden Abdichtungselement versehen ist. Bei Verwendung höherer Sauerstoffdrücke und auch bei Aktivierung bei 300 °C und höher, ist es wünschenswert, die Aktivierung außerhalb der Röhre stattfinden zu lassen, um eine Oxidation der anderen Röhrenteile zu vermeiden.

Es ist möglich, die Dynoden außerhalb einer Elektronen röhre zu aktivieren, wodurch zwar vermieden wird, daß an dere Teile der Röhre in einer oxidierenden Atmosphäre er hitzt werden müssen, aber dann besteht die Gefahr, daß die aktivierten sekundäremittierenden Oberflächen verunreinigt werden.

Wenn die zur Bildung des emittierenden Überzugs verwende ten Metalle auf Dynoden aufgedampft werden, können die Dynoden Zimmertemperatur aufweisen, während der Druck in der Aufdampfkammer 1,3 bis 4,0 × 10^-5 mbar beträgt, wobei dann die Atmosphäre in der Aufdampfkammer aus im wesent lichen Wasserdampf besteht. Obgleich Kohlenstoff eine Ver unreinigung der Dynodenoberfläche zur Folge hat, daß der Sekundäremissionskoeffizient des emittierenden Überzugs verschlechtert wird, wenn diese Verunreinigung nicht ent fernt wird, wird der Effekt der Oberflächenverunreinigung der Dynode mit Kohlenstoff auf die aktivierte Dynode auf einen niedrigen Wert herabgesetzt, weil diese Verunreini gung während des Aktivierungsvorgangs in 15 Minuten von 30% einer einfachen Schicht auf weniger als 5% einer ein fachen Schicht herabgesetzt wird.

Es wurde gefunden, daß das Maximum in der δ-Spannungs kurve für emittierende Überzüge, die durch ein Verfahren nach der Erfindung gebildet werden, bei höheren Spannungen - etwa bei 600 V - liegt, als es für Gold-Kryolith-Cermet schichten nach GB-PS 15 23 730 der Fall war. Diese Eigen schaft kann in bezug auf Raumladungsprobleme wegen der höheren die Dynoden durchfließenden Ströme günstig sein. Die emittierenden Überzüge, die durch das Verfahren nach der Erfindung hergestellt werden, weisen eine höhere Be ständigkeit gegen Elektronenbeschuß als die mit Alkalime tallfluoriden gebildeten Cermets auf und es besteht keine Gefahr von Fluorverunreinigung von Teilen einer Elek tronenröhre, wenn emittierende Überzüge aus Aluminium-Mag nesium verwendet werden.

Einige Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeich nung dargestellt und werden im folgenden näher be schrieben.

Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Seitenansicht einer Vorrichtung zum Aufdampfen eines sekundäremittierenden Über zugs auf ein Dynodensubstrat mit Hilfe eines Verfahrens nach der Erfindung,

Fig. 2 eine Seitenansicht eines Teiles eines Kanalelektronenvervielfachers, der aus Dynoden aufgebaut ist, die mit Hilfe eines Verfahrens nach der Erfindung überzogen sind, und

Fig. 3 eine Seitenansicht eines Teiles eines anderen Kanalelektronenvervielfachers, der aus Dynoden aufgebaut ist, die mit Hilfe eines Verfahrens nach der Erfindung überzogen sind.

In Fig. 1 wird ein Dynodensubstrat 1 auf einem drehbaren Werkstückhalter 2 (die zur Drehung des Werkstückhalters 2 verwendeten Mittel sind der Deutlichkeit halber nicht dargestellt) innerhalb eines auf einem Pumpteller 4 ange brachten Verdampfungsgefäßes 3 montiert. Das Verdampfungs gefäß 3 enthält eine Magnesiumquelle, die aus einem Molyb dänschiffchen 5 besteht, das mit einem durchlöcherten Deckel 6 versehen ist, wobei das Schiffchen 5 eine Magne siumcharge enthält, sowie eine Aluminiumquelle, die aus einer Wolframwendel 7 besteht, auf der Aluminiumdraht stücke (nicht dargestellt) liegen. Das Dynodensubstrat 1 ist in einem Abstand d von etwa 20 cm über dem Molybdän schiffchen 5 und der Wolframwendel 7 angeordnet, während der Abstand s zwischen den Mitten des Molybdänschiffchens 5 und der Wolframwendel 7 2 cm beträgt. Die Aluminium- und Magnesiumquellen werden dadurch erhitzt, daß von Speise quellen 8 und 9 herrührende Ströme durch die Wendel 7 bzw. durch das Schiffchen 5 geschickt werden. Vorausge setzt, daß das Verhältnis ( d : s mindestens 10 : 1 beträgt, ist die Zusammensetzung einer Magnesium-Aluminium- Legierung, die auf dem Dynodensubstrat 1 dadurch abge lagert wird, daß gleichzeitig Magnesium und Aluminium auf gedampft werden, über das Gebiet des Dynodensubstrats 1 homogen.

Beispiel 1

Eine Weichstahlplatte 1, die mit 1 µm Nickel überzogen worden war, wurde auf den Werkstückhalter 2 in der anhand der Fig. 1 beschriebenen Vorrichtung gesetzt. Der Werk stückhalter 2 wurde mit einer Geschwindigkeit von 30 Um drehungen/min gedreht. Der Druck in der Vorrichtung wurde auf 2,7 · 10^-5 mbar herabgesetzt und die Aluminiumquelle 7 wurde erregt und bildete auf den Weichstahlplatten in 2 Minuten eine 10 nm dicke Aluminiumschicht 10. Die Ver dampfung aus der Aluminiumquelle 7 wurde fortgesetzt und die Magnesiumquelle 6 wurde erregt.

Eine 50 nm dicke Schicht 11 aus 40 Gew.% Aluminium und 60 Gew.% Magnesium wurde in 3 Minuten abgelagert. Dann wurde die Ablagerung von Magnesium beendet und eine 7,5 nm dicke Schicht 12 aus reinem Aluminium wurde auf der Magnesium- Aluminiumschicht 11 abgelagert. Die überzogene Weichstahl platte 1 wurde dann in Luft unter atmosphärischem Druck bei 20 °C während 60 Stunden stehengelassen, damit die Oberflächenaluminiumschicht 12 in Aluminiumoxid umgewan delt wurde. Die überzogene Weichstahlplatte 1 wurde danach dadurch aktiviert, daß eine Erhitzung während 4 Stunden unter einem Partialsauerstoffdruck von 5,3 · 10^-5 mbar stattfand. Der Sekundäremissionskoeffizient (δ) des ak tivierten Überzugs war 5,6 bei 500 eV.

Beispiel 2

Weichstahlplatten, die mit 1 µm Nickel überzogen worden waren, wurden in der anhand der Fig. 1 beschriebenen Vor richtung angeordnet. Der Druck in der Vorrichtung wurde auf 2,7 · 10^-5 mbar herabgesetzt und die Aluminiumquelle 7 wurde erregt, um eine 15 nm dicke Aluminiumschicht auf den Weichstahlplatten in 2 Minuten abzulagern. Die Aluminium ablagerung wurde beendet und 50 nm Magnesium wurde auf der Aluminiumschicht abgelagert. 20 nm Aluminium wurde dann auf der Magnesiumschicht abgelagert. Ein erster Satz der überzogenen Platten wurde dadurch oxidiert, daß diese Platten in Luft unter atmosphärischem Druck bei 20 °C während 60 Stunden stehengelassen wurden. Ein zweiter Satz der überzogenen Platten wurde durch Erhitzung in Luft un ter atmosphärischem Druck bei 100 °C während einer Stunde oxidiert.

Beide Plattensätze wurden durch Erhitzung während vier Stunden unter einem Partialsauerstoffdruck von 5,3 · 10^-5 mbar bei 270 °C aktiviert.

Der Sekundäremissionskoeffizient (δ) bei 500 eV des er sten Plattensatzes betrug 5,85 und für den zweiten Plattensatz 6,15. Weichstahlplatten, die mit 1 µm Nickel überzogen worden waren, wurden in der anhand der Fig. 1 beschriebenen Vorrichtung angeordnet. Der Druck in der Vorrichtung wurde auf 2,7 · 10^-5 mbar herabgesetzt und die Aluminiumquelle 7 wurde erregt, um eine 30 nm dicke Aluminiumschicht auf den Weichstahlplatten in vier Minuten abzulagern. Die Aluminiumablagerung wurde beendet und 80 nm Magnesium wurde auf der Aluminiumschicht abgelagert. 30 nm Aluminium wurde dann auf der Magnesiumschicht abgelagert. Ein Satz der überzogenen Platten wurde in Luft unter atmosphärischem Druck bei 150 °C in 90 Minuten oxidiert und danach in Sauerstoff unter atmosphärischem Druck aktiviert. Eine erste Platte wurde drei Stunden lang bei 350 °C aktiviert und hatte einen Sekundäremissionskoeffizienten (δ) von 6,7 bei 600 eV. Eine zweite Platte wurde drei Stunden lang bei 400 °C aktiviert und hatte einen Sekundäremissionskoeffizienten (δ) von 8,5 bei 700 eV. Eine dritte Platte wurde 4,5 Stunden lang bei 350 °C aktiviert und hatte einen Sekun däremissionskoeffizienten (δ) von 7,9 bei 600 eV. Eine vierte Platte wurde 6,5 Stunden lang bei 350 °C aktiviert und hatte einen Sekundäremissionskoeffizienten (δ ) von 8,3 bei 600 eV. Die Spannungen in eV sind die Primärelektronenenergien, die bei diesen Sekundär emissionskoeffizienten erhalten wurden.

Kanalelektronenvervielfacher

Fig. 2 zeigt einen Teil eines Kanalelektronenverviel fachers 13, der aus Dynoden 14, 15, 16 und 17 aufgebaut ist. Jede dieser Dynoden enthält eine vernickelte durch löcherte Stahlplatte, wobei die Löcher Kanäle 18 bilden, die je mit einem sekundäremittierenden Überzug 22 versehen sind, der mit Hilfe des Verfahrens nach der Erfindung ge bildet ist.

Die Kanäle 18 der Dynoden 14, 15, 16 und 17 fluchten mit einander und konvergieren in den Richtungen der Elektro nenvervielfachung. Die Dynoden 14-17 sind durch sphärische Trennelemente 19 in Form von Kugeln voneinander getrennt, die durch Glasemail 20 mit benachbarten Dynoden verbunden sind. Z. B. ist die Dichte der Elemente 19 an den nicht durchlöcherten Rändern der Dynoden 14-17 größer als in deren Mitte. Obgleich die Elemente 19 im vorliegenden Bei spiel zwischen den jeweiligen Kanalöffnungen der Dynoden positioniert sind, könnten sie in gegenseitigen Abständen gleich ganzen Vielfachen des Abstandes zwischen den Mitten benachbarter Kanäle 18 einer Dynode liegen. Jeder Kanal 15 enthält einen sekundäremittierenden Überzug 22, der mittels des Verfahrens nach der Erfindung gebildet ist.

Da die dargestellten Trennelemente 19 elektrisch isolie rend sind, ist es notwendig, daß jede Dynode gesondert von einer Speisequelle 21 vorgespannt wird. Fig. 3 zeigt eine in bezug auf die nach Fig. 1 abgewandelte Kanalplatten struktur 13. Die Dynoden 23-26 enthalten je zwei aufeinan derliegende zusammenwirkende durchlöcherte Metallplatten 28, 29. Jeder der Kanäle 18 in der Platte 29 und die obere Fläche jeder der Dynoden 23-26 sind mit einem sekundär emittierenden Überzug 22 versehen, der mittels des Verfah rens nach der Erfindung gebildet ist. Eine einzige durch löcherte Metallplatte 27 ist über der Dynode 23 angeord net. Die Trennelemente 19 enthalten Kugeln, die in geeig neten Abständen zwischen den Kanälen angeordnet sind. An zapfungen der Speisequelle 21 sind wieder mit den ent sprechenden Dynoden verbunden.

Claims

1. Verfahren zur Bildung eines Sekundärelektronen emittierenden Überzugs (10, 11, 12; 22) auf einer Dynode (1; 14 bis 17; 23 bis 26), bei dem

a) ein zusammengesetzter Überzug (10, 11) mit einer Dicke von mindestens 20 nm aus Magnesium und Aluminium in jeweils metallischer Form auf die Dynode (1; 14 bis 17; 23 bis 26) aufgedampft wird,
b) auf den zusammengesetzten Überzug (10, 11) eine Schicht (12) mit einer Dicke von 5 nm bis 50 nm aus Aluminium in metallischer Form aufgedampft wird,
c) die Aluminiumschicht (12) oxidiert wird,
d) die überzogene Dynode (1; 14 bis 17; 23 bis 26) dadurch aktiviert wird, daß sie in einer Sauerstoffatmosphäre bei einem Druck von 6,7 · 10^-6 mbar bis 5,3 · 10^-4 mbar und bei einer Temperatur zwischen 270 °C und 400 °C erhitzt wird,
e) der Sekundärelektronen emittierende Überzug (10, 11, 12; 22) 1,5 Gew.% bis 90 Gew.% Magnesium enthält.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zusammengesetzte Überzug (10, 11) aus einer Magne siumschicht (11) besteht, die auf einer darunterliegenden Aluminiumschicht (10) angebracht ist, die an die Dynode (1; 14 bis 17; 23 bis 26) grenzt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zusammengesetzte Überzug (10, 11) dadurch gebildet wird, daß eine Aluminiumschicht (10) auf die Dynode (1; 14 bis 17; 23 bis 26) aufgedampft wird und dann gleichzeitig Magnesium und Aluminium unter Bildung der Schicht (11) auf diese Aluminiumschicht (10) aufgedampft werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dynode (1; 14 bis 17; 23 bis 26) aus Weichstahl besteht, daß eine 10 nm bis 100 nm dicke Aluminiumschicht (10) darauf aufgedampft wird und daß ein Überzug (11) mit einer Dicke von 100 nm bis 200 nm aus Magnesium und Aluminium auf diese Aluminiumschicht (10) aufgedampft wird.

5. Verwendung des Sekundärelektronen emittierenden Über zugs (22) nach Anspruch 4 bei einem Kanalelek tronenvervielfacher mit folgenden Merkmalen:

a) das Substrat jeder Dynode (14 bis 17; 23 bis 26) be steht aus einer durchlöcherten, elektrisch leitenden Platte oder jeweils aus zwei miteinander verbundenen, durchlöcherten, elektrisch leitenden Platten (28, 29) mit einem regelmäßigen Muster von Öffnungen,
b) die Öffnungen aufeinanderfolgender Dynoden (14 bis 17, 23 bis 26) fluchten und bilden Kanäle (18),
c) aufeinanderfolgende Dynoden (14 bis 17; 23 bis 26) sind durch elektrisch isolierende Trennelemente (19) getrennt, die zwischen den Kanalöffnungen positioniert sind und ei nen höheren spezifischen elektrischen Widerstand aufweisen als die Dynoden (14 bis 17; 23 bis 26),
d) die Sekundärelektronen emittierenden Überzüge (22) er strecken sich mindestens über die Wände der Öffnungen in den elektrisch leitenden Platten.