DE3408848C2

DE3408848C2 - Verfahren zur Herstellung von Vielkanalplatten

Info

Publication number: DE3408848C2
Application number: DE3408848A
Authority: DE
Inventors: Erwin Prof. Dr. Becker; Wolfgang Dr. 7500 Karlsruhe Ehrfeld
Original assignee: Kernforschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Priority date: 1984-03-10
Filing date: 1984-03-10
Publication date: 1987-04-16
Also published as: JPS60208041A; DE3408848A1; US4563250A; ATE37757T1; BR8501058A; EP0154797A3; EP0154797A2; EP0154797B1; JPH0552618B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Vielkanalplatten für die Verstärkung von optischen Bildern oder anderen flächenhaften Signalverteilungen mittels Sekundärelektronenvervielfachung sowie einen nach diesem Verfahren hergestellten Stapel von Vielkanalplatten. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von Vielkanalplatten der gattungsgemäßen Art vorzuschlagen, bei dem die Querschnitte und Positionen der einzelnen Kanäle genau vorgegeben werden können. Die Lösung ist dadurch gekennzeichnet, daß in einer Platte aus durch energiereiche Strahlung in seinen Eigenschaften veränderbarem Material durch partielles Bestrahlen und partielles Entfernen dieses Materials unter Ausnutzung der durch die Bestrahlung erzeugten unterschiedlichen Materialeigenschaften senkrecht oder schräg zur Plattenoberfläche Kanäle mit vorgegebenen Querschnitten und Positionen eingearbeitet werden, daß von der so entstandenen Vielkanal-Positiv-Form unter Verwendung einer mit ihr verbundenen Metallelektrode durch galvanische Abformung und anschließende Entfernung der Vielkanal-Positiv-Form eine metallische Negativ-Form hergestellt wird, daß die metallische Negativ-Form mit einem für den Aufbau von Vielkanalplatten geeigneten Material aufgefüllt und anschließend die metallische Negativ-Form entfernt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Vielkanalplatten für die Verstärkung von optischen Bildern oder anderen flächenhaften Signalverteilungen mittels Sekundärelektronenvervielfachung sowie die Verwendung eines nach diesem Verfahren hergestellten Stapels von Vielkanalplatten.
Es ist bekannt, optische Bilder oder andere flächenhafte Signalverteilungen mit einer sogenannten Vielkanal-Bildverstärkerplatte (andere Bezeichnung: Kanal-Vervielfacherplatte, Multi- bzw. Micro-Channel-Plate) zu verstärken. Sie besteht aus einer etwa 1 mm dicken in einem evakuierten Gefäß eingeschlossenen Glasplatte, die senkrecht oder schräg zur Oberfläche von vielen eng benachbarten Kanälen von etwa 30 Mikrometer Durchmesser durchsetzt ist. Durch Verwendung Bleioxyd-haltiger Gläser und eine Nachbehandlung mit reduzierenden Gasen bei erhöhter Temperatur sind die inneren Oberflächen der Kanäle schwach elektrisch leitend gemacht. Durch Anlegen einer Spannung von etwa 1000 Volt zwischen den mit Metallüberzügen versehenen Oberflächen der Platte wird in den Kanälen ein Potentialgefälle erzeugt, wodurch jeder Kanal die Eigenschaften eines Sekundärelektronenvervielfachers erhält. Eine Schrägstellung der Kanäle begünstigt die Kollision der Primärteilchen mit den Kanalwänden und damit die gewünschte Elektronenauslösung. Daneben ermöglicht sie den Aufbau eines Plattenstapels mit zick-zack-förmiger Kanalstruktur, die die unerwünschte Beschleunigung parasitärer Ionen unterdrückt. Eine ähnliche Wirkung kann durch eine schwache Krümmung der Kanäle erreicht werden.
Für die Vielkanalplatten sind mehrere Herstellungsverfahren bekannt: vgl. z. B. Michael Lampton, Spektrum der Wissenschaften, Januar 1982, S. 44-55, aus Scientific American, November 1981. Auch die Verwendung von solchen Vielkanalplatten ist aus dieser Literaturstelle bekannt.
Beim sog. Metallkernverfahren wird ein feiner, gleichmäßiger Draht mit erhitztem Glas beschichtet und um eine polygonale Trommel gewickelt. Aus der Wicklung schneidet man einzelne Blöcke heraus und verschmilzt die Glasüberzüge der Drähte miteinander. Anschließend wird der Block in dünne Scheiben zerschnitten, aus denen man die Drahtkerne durch Ätzen entfernt. Ein wesentlicher Nachteil des beschriebenen Metallkernverfahrens wird in der Tatsache gesehen, daß die Metallkerne und damit die Kanäle zwar einheitliche Durchmesser haben, ihre Abstände aber stark voneinander abweichen.
Bei einem anderen Herstellungsverfahren ätzt man auf photolithographischem Weg feine parallele Rillen in die Oberflächen dünner Glasplatten. Die Platten werden so gestapelt, daß die Rillen aufeinanderliegender Platten gemeinsam die gewünschten Kanäle bilden. Danach werden die Platten zu Blöcken zusammengeschmolzen aus denen dann die Vielkanalplatten geschnitten werden. Für diese Methode spricht, daß sich der Abstand der Rillen bei der photolithographischen Ätzung genau regulieren läßt. Auch kann man nach dieser Methode die Kanäle relativ leicht gekrümmt oder zickzackförmig herstellen. Allerdings zeigte sich, daß Breite und Tiefe der Rillen während der Ätzung und des Schmelzprozesses kaum zu kontrollieren sind. Die Folge ist, daß die Vielkanalplatten das Bild bei der Verstärkung so stark verzerren, daß man das Verfahren schließlich aufgeben mußte.
Heute werden Vielkanalplatten gewöhnlich nach dem sogenannten Doppelziehverfahren hergestellt: Dabei werden hohle oder mit einem leichter löslichen Glas gefüllte Glaszylinder zu Glasfäden ausgezogen, die gebündelt, verschmolzen und weiter ausgezogen werden, wonach die Vorgänge des Bündelns und Verschmelzens wiederholt werden. Das endgültige Bündel wird in etwa 1 mm dicke Platten zerschnitten, aus denen die auf einen Durchmesser von etwa 30 µm heruntergezogenen Kerne aus leichter löslichem Glas herausgelöst werden. Auch beim Doppelziehverfahren müssen aufgrund des Herstellungsprinzips gewisse Streuungen in den Querschnitten und Positionen der Kanäle in Kauf genommen werden.
Die Streuung in den Querschnitten und Positionen der Kanäle bei den vorbekannten Vielkanalplatten verhindert oder erschwert die genaue Zuordnung von anderen mit Methoden der Mikrofertigung hergestellten optischen und/oder elektrischen Bauteilen zu einzelnen Kanälen oder Kanalgruppen des Bildverstärkers. Eine solche Zuordnung ist aber beispielsweise für die getrennte elektrische Weiterverarbeitung der von den einzelnen Kanälen oder Kanalgruppen gelieferten elektrischen Ströme von Bedeutung. Die Streuung in den Querschnitten und Positionen der Kanäle bei den vorbekannten Vielkanalplatten ist auch dafür verantwortlich, daß sich bei dem eingangs erwähnten Aufbau eines Plattenstapels mit zick-zack-förmiger Kanalstruktur erhebliche Verluste im Auflösungsvermögen ergeben.
Aus der DE-OS 31 50 257 und der DE-PS 24 14 658 sind geschichtete Vielkanalplatten für Bildverstärker mit Dynoden in Form von perforierten Dynodenplatten bekannt, bei denen als bevorzugtes Verfahren für die Herstellung des Kanalsystems die Photoätztechnik vorgeschlagen wird. Dabei wird durch belichtete und entwickelte Photolackmasken hindurch das Dynodenmaterial, z. B. eine BeCu-Legierung, geätzt. Mit dieser Technik werden in der Praxis gute Ergebnisse erzielt, wenn die Durchmesser der Kanäle und die Dicke der Dynode ungefähr gleich sind (siehe Spalte 3, Zeilen 5 bis 10 der DE-PS 24 14 658). Bei Vielkanalplatten, deren Dicke erheblich größer ist als der Durchmesser der einzuarbeitenden Kanäle, läßt sich die Photoätztechnik nicht mehr mit dem gewünschten Erfolgt anwenden (s. a. Spektrum der Wissenschaft, Jan. 1982, S. 49, linke Spalte, Zeilen 26 ff).
Ausgehend von dem zuletzt erörterten Stande der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von Vielkanalplatten der gattungsgemäßen Art sowie deren Verwendung aufzuzeigen, bei dem bei genau vorgegebenen Querschnitten und Positionen der einzelnen Kanäle die Dicke der Platten ein vielfaches der Kanaldurchmesser betragen kann.
Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Mit dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren lassen sich auch bei relativ dicken Vielkanalplatten die Querschnittsformen und die Positionen der einzelnen Kanäle mit einer Toleranz in der Größenordnung von einem Mikrometer vorgeben. Das Verfahren hat darüber hinaus den Vorteil, daß mit ihm ein besonders großes Verhältnis von Summe der Kanalquerschnittsflächen zur Gesamtfläche der Platte d. h. eine besonders hohe Transparenz der Vielkanalplatte erreicht werden kann.
Als energiereiche Strahlung kommen sowohl Korpuskularstrahlen als auch elektromagnetische Wellen, insbesondere die von einem Elektronensynchrotron erzeugte Röntgenstrahlung (Synchrotronstrahlung), in Frage. Während man bei der Verwendung elektromagnetischer Wellen zur Erzeugung der gewünschten Strukturen in bekannter Weise mit Masken arbeitet, kann man bei Verwendung von Korpuskularstrahlen die Struktur auch durch elektromagnetische Steuerung erzeugen.
Das Material für die Herstellung der Vielkanal-Positivformen gemäß Anspruch 1 bzw. der primären Vielkanalpositivformen gemäß Anspruch 2 richtet sich nach der Art der energiereichen Strahlung, wobei entsprechende Vorschriften beispielsweise der DE-PS 29 22 642 und der DE-OS 32 21 981 entnommen werden können.
Die Herstellung der metallischen Vielkanal-Negativ-Form erfolgt durch galvanische Abformung der mit einer Metallelektrode verbundenen Vielkanal-Positiv-Form. Dabei kann die Metallelektrode als Grundplatte der metallischen Vielkanal-Negativ-Form verwendet werden. Es ist aber auch möglich, die galvanische Abscheidung von Metall solange fortzusetzen, bis die Vielkanal-Positiv-Form von einer durchgehenden Metallschicht bedeckt ist, die, gegebenenfalls nach einer Glättung ihrer Oberfläche, als Grundplatte der metallischen Vielkanal-Negativ-Form verwendet wird. Durch geeignete Wahl des Elektrodenmaterials, gegebenenfalls in Verbindung mit einer Passivierung seiner Oberfläche, kann in diesem Fall ein Haften der Galvanik an der Elektrode in bekannter Weise verhindert werden. Es ist dann möglich, die Vielkanal- Positiv-Form samt der mit ihr verbundenen Elektrode ohne Beschädigung von der erzeugten Vielkanal-Negativ-Form zu trennen, was eine wiederholte Benutzung der Vielkanal- Positiv-Form möglich macht.
Zur Fixierung der Positionen der metallischen Negativ- Formen der Kanäle kann es vorteilhaft sein, die freien Enden der säulenförmigen Negativ-Formen durch Metallbrücken miteinander zu verbinden.
Zum Auffüllen der metallischen Vielkanal-Negativ-Form kann das zu Herstellung der vorbekannten Vielkanalplatten verwendete Bleioxyd enthaltende Glas benutzt werden. Das Glas kann eingeschmolzen oder, unter Verwendung von Glaspulver, eingesintert werden. Für das Auffüllen kommen aber auch andere elektrisch nicht oder nur schwach leitende Materialien beispielsweise Al₂O₃-Pulver, in Frage, das sich bei höherer Temperatur ebenfalls zu einem formbeständigen Körper zusammensintern läßt. Zur Erzielung einer ausreichenden elektrischen Leitfähigkeit muß dabei gegebenenfalls die bei den bleioxydhaltigen Gläsern übliche Nachbehandlung mit H₂ durch eine andere Nachbehandlung z. B. nach der bekannten CVD-Methode ("Chemical vapor deposition") ersetzt werden.
Zur Verbilligung der Massenfertigung von Vielkanalplatten der im Oberbegriff von Anspruch 1 beschriebenen Art kann das Verfahren der Erfindung entsprechend Anspruch 2 abgewandelt werden, wobei Einzelheiten in bezug auf die Abformung beispielsweise der DE-PS 32 06 820 zu entnehmen sind. Als Abformmasse sind besonders nichthaftende Reaktionsharze geeignet.
Zur Unterdrückung der unerwünschten Beschleunigung parasitärer Ionen können erfindungsgemäß hergestellte Vielkanalplatten mit zur Plattenoberfläche schrägen Kanälen auch stapelartig so zusammengesetzt werden, daß sich zick-zack-förmige Kanalstrukturen ergeben. Während beim Stapeln vorbekannter Vielkanalplatten aufgrund der unvermeidlichen Streuung in den Querschnitten und Positionen der Kanäle Einbußen im räumlichen Auflösungsvermögen in Kauf genommen werden müssen, kann das Stapeln bei den erfindungsgemäß hergestellten Vielkanalplatten durch gegenseitiges Ausrichten der Kanalöffnungen unter weitgehender Vermeidung dieses Nachteils erfolgen.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird im folgenden anhand der Zeichnung beispielhaft erläutert:
Die Fig. 1 bis 7 zeigen schematisch die einzelnen Schritte der Herstellung einer Vielkanalplatte;
Fig. 8 zeigt in perspektivischer Darstellung schematisch den Aufbau eines Stapels von Vielkanalplatten.
Als Ausgangsmaterial für die Herstellung der Vielkanalpositiv-Form dient gemäß Fig. 1 eine 0,5 mm starke Platte 1 aus Polymethylmethacrylat (PMMA), die festhaftend auf einer als Elektrode dienenden metallischen Grundplatte 2 aus einer Eisen-Nickel-Legierung aufgebracht ist. Die PMMA-Platte 1 wird gemäß Fig. 2 über eine Röntgenmaske mit Synchrotronstrahlung 3 bestrahlt, die schräg zu den Oberflächen der PMMA-Platte und der Röntgenmaske gerichtet ist. Die Röntgenmaske besteht aus einem die Röntgenstrahlung nur schwach absorbierenden Träger 4 und einem die Röntgenstrahlung stark absorbierenden, gitterartigen Absorber 5, durch den die Querschnittsformen und die Positionen der Kanäle vorgegeben werden. Durch die hochintensive parallele Synchrotonstrahlung wird das PMMA in den nicht vom Absorber abgedeckten Bereichen 6 strahlenchemisch verändert. Die bestrahlten Bereiche 6 werden durch Einbringen des PMMA in eine Entwicklerlösung entfernt, so daß eine Vielkanalpositiv-Form 7 mit kanalförmigen Durchbrüchen 8 gemäß Fig. 3 entsteht. Als Entwicklerlösung wird ein Gemisch aus einem Stoff der Glykoläther-Gruppe, einem Stoff der Primär-Amine sowie Wasser und einem Stoff der Azingruppe gemäß DE-OS 30 39 110 verwendet. Die kanalförmigen Durchbrüche 8 haben eine sechseckige Querschnittsform mit einer Weite von ca. 30 µm, die Stärke der Wände 8 a beträgt ca. 3 µm.
Im nächsten Fertigungsschritt wird gemäß Fig. 4 eine Eisen-Nickel-Legierung galvanisch in die kanalförmigen Durchbrüche 8 abgeschieden, wobei säulenartige Strukturen 9 aus dieser Legierung auf der elektrisch leitenden Grundplatte 2 in der gitterförmigen Vielkanalpositiv-Form 7 ausgebildet werden. Die Vielkanalpositiv- Form wird dann durch Auflösen in einem Lösungsmittel entfernt, so daß eine metallische Negativ-Form der Vielkanalplatte gemäß Fig. 5 freigelegt wird.
In den weiteren Fertigungsschritten werden die Zwischenräume 10 zwischen den säulenartigen Strukturen 9 der metallischen Negativ-Form mit einer Bleiglasschmelze 11 unter Vakuum aufgefüllt (Fig. 6). Durch die Verwendung der oben erwähnten Eisen-Nickel-Legierung kann dabei sichergestellt werden, daß das Bleiglas und die Legierung annähernd gleiche thermische Ausdehnungskoeffizienten besitzen, so daß die beim Abkühlen auftretenden Spannungen nicht zu einer Rißbildung im Glas führen. Die als Glas 11 und Metall 9 bestehende Struktur wird schließlich überschliffen, und das Metall 9 wird durch Auflösen in einer selektiven Ätze entfernt.
Die mit den Durchbrüchen 12 versehene Vielkanalplatte wird schließlich in bekannter Weise durch Aufsputtern von Metall beidseitig mit dünnen Leitschichten 13 überzogen, während die inneren Oberflächen der Kanäle durch Erhitzen in Wasserstoff elektrisch schwach leitend gemacht werden (Fig. 7).
Bei der Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 2 wird die primäre metallische Negativ-Form, die der in Fig. 5 gezeigten Form entspricht, mit einem nicht auf dem Metall haftenden Reaktionsharz als Abformmasse aufgefüllt über die säulenförmigen Strukturen der metallischen Negativ-Formen hinaus. Nach dem Aushärten des Reaktionsharzes werden die daraus gebildete sekundäre Vielkanalpositiv-Form und die primäre metallische Negativ-Form voneinander getrennt, worauf die sekundäre Vielkanalpositiv-Form mit der die Öffnungen aufweisenden Seite auf eine als Elektrode dienende metallische Grundplatte fest aufgebracht wird. Die auf der Oberseite geschlossene sekundäre Vielkanalpositiv-Form wird dann soweit abgetragen, daß die Kanalöffnungen freiliegen. Durch anschließende galvanische Abformung werden sekundäre metallische Negativ-Formen erzeugt, die wiederum der in Fig. 5 gezeigten Form entsprechen. Der weitere Fortgang der Herstellung der Vielkanalplatte erfolgt gemäß den bereits anhand der Fig. 6 und 7 erläuterten Fertigungsschritte.
Die aus dem Reaktionsharz hergestellten sekundären Vielkanalpositiv-Formen können ebenfalls mehrfach galvanisch abgeformt werden. Zur besseren Trennung der mehrfach verwendbaren sekundären Vielkanalpositiv-Form von den sekundären Vielkanalnegativ-Formen erweist es sich als vorteilhaft, vor der galvanischen Abformung einen dünnen Trennmittelfilm auf die Kanalwände der sekundären Vielkanalpositiv-Form aufzubringen. Die Aufbringung des Trennmittelfilms erfolgt in bekannter Weise durch Eintauchen in eine Trennmittellösung.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von Vielkanalplatten für die Verstärkung von optischen Bildern oder anderen flächenhaften Signalverteilungen mittels Sekundärelektronenvervielfachung, dadurch gekennzeichnet, daß

a) zunächst eine Vielkanal-Positiv-Form (7) hergestellt wird, indem in eine Platte (1) aus durch energiereiche Strahlung in seinen Eigenschaften veränderbarem Material durch partielles Bestrahlen und partielles Entfernen dieses Materials unter Ausnutzung der durch die Bestrahlung erzeugten unterschiedlichen Materialeigenschaften senkrecht oder schräg zur Plattenoberfläche Kanäle (8) mit vorgegebenen Querschnitten und Positionen eingearbeitet werden,

b) von der so entstandenen Vielkanal-Positiv-Form (7) unter Verwendung einer mit ihr verbundenen Metallelektrode (2) durch galvanische Abformung und anschließende Entfernung der Vielkanal-Positiv-Form eine metallische Negativ-Form (9) hergestellt wird, und

c) die metallische Negativ-Form (9) mit einem für den Aufbau von Vielkanalplatten geeigneten Material (11) aufgefüllt und anschließend die metallische Negativ- Form entfernt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach Schritt b) durch wiederholtes Abformen der primären metallischen Negativ-Form mit einer Abformmasse mehrere sekundäre Vielkanal-Positiv-Formen hergestellt werden, und daß von den so entstandenen sekundären Vielkanal- Positiv-Formen unter Verwendung von mit ihnen verbundenen Metallelektroden durch galvanische Abformung und anschließende Entfernung der sekundären Vielkanal-Positiv- Formen sekundäre metallische Negativ-Formen hergestellt werden, die gemäß Schritt c) mit einem für den Aufbau von Vielkanalplatten geeigneten Material aufgefüllt und anschließend entfernt werden.

3. Verwendung von nach einem der Ansprüche 1 oder 2 hergestellten Vielkanalplatten zur Bildung eines Stapels aus mindestens zwei Vielkanalplatten mit zur Plattenoberfläche schrägen Kanälen (2), bei denen die miteinander ausgerichteten Kanäle von aufeinanderfolgenden Vielkanalplatten zickzackförmige Strukturen bilden (Fig. 8).