DE3733101A1 - Mikrokanalplatte fuer hoehere frequenzen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Mikrokanalplatte (MCP), insbesondere eine Mikrokanalplatte zum Betrieb bei er­ höhter Frequenz.

Mikrokanalplatten als solche sind seit langem bekannt, sie werden z.B. in den US-Patentschriften 31 28 408 und 33 41 730 beschrieben.

Paarweise winkelig angeordnete Mikrokanalplatten sind in der US-PS 33 74 380 beschrieben.

Bei den üblichen Mikrokanalplatten nach dem Stand der Technik beträgt die Erholzeit (aufgrund der Langsamkeit der Bewegung der Elektronen in den Wänden der Kanäle, durch die die vorher aus den Wänden emittierten Elektronen wieder aufgefüllt werden) im allgemeinen einige Milli­ sekunden. Dadurch wird die Frequenz für die Verwendung der Einrichtung auf ungefähr 200 Hz beschränkt.

Eine einteilige Mikrokanalplatte (mit insgesamt zwei Elektroden) mit einem niedrigeren Widerstand des Ober­ flächenzonenmaterials am Verstärkerende des Kanals ist bereits vorgeschlagen worden.

Durch die Erfindung kann die Erholzeit einer Mikrokanal­ platte erheblich verkürzt werden, so daß Frequenzen größer als 100 kHz erreichbar sind.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird eine Mikrokanal­ platte geschaffen, bei welcher der Zonenwiderstand der Wandoberfläche in einer solchen Zone in Richtung der Ver­ stärkung von einer anderen derartigen Zone geringer ist, und bei der jeder Abschnitt mit Elektroden versehen ist.

Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung ist eine Schal­ tung vorgesehen, die ein thermisches "Weglaufen" ver­ hindert und eine kontrollierte höhere Betriebstemperatur erlaubt.

Bei bevorzugten Ausführungsformen sind zwei Abschnitte vorgesehen, die miteinander in Kontakt stehen, sich in einer Winkelbeziehung befinden und zwischen denen eine gemeinsame Elektrode angeordnet ist; wird jeder Abschnitt mit einer Konstantstromversorgungs­ quelle versorgt, wobei die Widerstände in den Abschnitten durch eine Kühleinrichtung geregelt werden, die ihrerseits durch einen Spannungsvergleicher geregelt wird; sind die Abschnitte aus einem Hochtemperaturglas herge­ stellt.

Im folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht eines bevorzugten Ausführungs­ beispiels der Erfindung;

Fig. 2 eine Schnittansicht längs der Linie 2-2 in Fig. 1, in etwas schematisierter Form;

Fig. 3 eine entsprechende Schnittansicht durch einen der Kanäle in jedem Abschnitt der Mikrokanalplatte der Fig. 2;

Fig. 4 eine vergrößerte Schnittansicht, die das Feld zeigt;

Fig. 5 ein abgeändertes Ausführungsbeispiel mit drei Ab­ schnitten; und

Fig. 6 ein Schema der Regelungsschaltung.

In den Fig. 1 und 2 ist eine Mikrokanalplatte (20) mit zwei Abschnitten zu sehen (Details sind nur in der linken oberen Ecke dargestellt), die ein Eingangsfeld (22) und ein Ausgangsfeld (24) aufweist, welche jeweils eine Mehrzahl von Kanalbereichen (23, 25) mit identischen Innen­ durchmessern der Kanäle und Mitte-zu-Mitte-Abständen ent­ halten. Der Innendurchmesser der Kanäle (31, 33) in den Kanalbereichen (23, 25) der Felder (22, 24) beträgt 25 µm.

Das Glas, aus dem die Felder (22, 24) hergestellt sind, hat folgende Zusammensetzung:

Gew.-% SiO₂34,8 Al₂O₃ 0,2 Rb₂ 3,5 Cs₂O 2,4 PbO54,9 BaO 4,0 As₂O₅ 0,2

Das Glas erlaubt einen Dauerbetrieb bei 125°C. Durch verschiedene Herstellungsvorgänge, wie sie auf diesem Gebiet der Technik allgemein bekannt sind, werden bei demselben Glas verschiedene spezifische Widerstände er­ reicht.

Über eine später beschriebene Schaltung, welche Leitungen (28, 30 und 32) enthält, wird Energie zugeführt, um ein zunehmendes Potential über die Felder m(22 und 24) zu er­ zeugen. Das Feld (22) hat leitfähige Beschichtungen (36 und 38) an den Eingangs- bzw. Ausgangsoberflächen, das Feld (24) hat entsprechende Beschichtungen (40) bzw. (42). Vorzugsweise werden die gegenüberliegenden Beschichtungen (38 und 40) durch Ionenimplantation von Nichrom herge­ stellt, und sind voneinander durch eine dünne Schicht (34) aus Glas beabstandet, das in einer Querströmung aufge­ bracht worden ist, so daß die Kanaldurchgänge (31, 33) in den Kanalbereichen (23, 25) nicht versperrt werden, wobei die Schicht (34) die Felder (22 und 24) aneinander fixiert. Die Klebung erfolgt durch bekannte Techniken, wie sie in den US-Patentschriften 33 97 278 und 34 17 459 beschrie­ ben sind.

Ein Ring aus Nichrom ist um die Glasschicht (34) angeord­ net, so daß diese Schichten schließlich eine gemeinsame Elektrode (84) bilden. Die Schichten (36 und 42) bilden die Elektroden (86 bzw. 88).

Obwohl schematisch mit gleicher Dicke dargestellt, ist das Feld (24) (in Richtung des Elektronenstroms) tatsäch­ lich sehr viel dünner als das Feld (22), es wird mit dem Feld (22) zusammengesetzt und dann auf die gewünschte endgültige Dicke abgeschliffen. Bei diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel hat das Feld (22) eine Dicke von 1000 µm, das Feld (24) eine Dicke von 200 µm.

Das in dem Feld (22) herrschende elektrische Feld ist in Fig. 4 dargestellt, wo die Feldlinien (44) parallel zu den Wänden der Kanäle in dem Mikrokanalplattenfeld dar­ gestellt sind, jedoch sind sie nach dem Verlassen der Kanäle gebogen, so daß sie eine Richtung einnehmen, die im wesentlichen senkrecht steht auf die Äquipotential­ flächen (36 und 38) im Falle des Mikrokanalplattenfeldes (22).

Die Regelschaltung ist in Fig. 6 dargestellt. R _i und R ₀ beziehen sich auf die Widerstände der Abschnitte oder Felder (22 und 24). Eine Stromversorgung (70) liefert einen konstanten Strom (nicht Spannung I _i von 50 µA pro Quadratzentimeter) der Querschnittsfläche des Feldes (22), d.h. in eine Richtung senkrecht zu den Richtungen des Nettoelektronenstromes, während eine Stromversorgung (72) einen Konstantstrom I _i von 250 µA pro Quadratzentimeter (der Querschnittsfläche des Feldes (24)) liefert, jeweils durch die beiden Felder oder Abschnitte. Ein Spannungs­ komparator (74) überwacht über eine Leitung (76) die dort herrschende Spannung, und variiert über eine Steuer­ schleife (78) die Kühlleistung eines thermoelektrischen Kühlungselementes (80), das die beiden Felder (22 und 24) kühlt. Die Pfeile (82) bezeichnen die die Felder verlas­ sende Wärme. Die Einstellspannung des Komparators (74) wird so gewählt, daß der Spannungsabfall über die Felder (22 und 24) 1000 V bzw. 200 V beträgt. (Die spezifischen Widerstände der beiden Felder betragen 20 MOhm pro Quadratzentimeter bzw. 0,8 MOhm pro Quadratzentimeter.)

In Fig. 5 ist ein abgeändertes Ausführungsbeispiel mit drei Abschnitten oder Feldern (62, 64 und 66) mit zwei Leitungen von gemeinsamen Elektroden dargestellt.

Da die Leitfähigkeit des Feldes (24) fünfmal so groß ist wie die des Feldes (22), ist auch der Strom fünfmal so groß. Da die Dicke des Feldes (24) nur ein Fünftel der Dicke des Feldes (22) aufweist, wird in beiden Feldern die gleiche Wärme freigesetzt. Der Wärmestrom durch die gesamte Mikrokanalplatte beträgt daher nur einen Bruchteil der­ jenigen, wenn beide Abschnitte (22 und 24) den geringeren Widerstand des Abschnittes (24) hätten.

Da mit zunehmendem Weg längs des Kanals in Verstärkungs­ richtung eine zunehmende Menge von Elektronen aus den Kanalwänden entfernt wird, ist die Elektronenverarmung der Wände zunehmend stark in dieser Richtung. (Tatsächlich sind bei diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel die Dicken der Felder so gewählt, daß die Nettoanzahl der von jeder Kanalwand abgegebenen Elektronen die gleiche ist in jedem Kanal (31, 33)).

Dementsprechend kann der spezifische Widerstand in dem Feld (22) größer sein ohne die Erholzeit unangemessen zu beeinflussen, die Bedingungen für das Einströmen der Elektronen in dieses Feld zur Erholung sind weniger streng.

Die Verwendung von konstanten Stromversorgungen zusammen mit den Ausgangsströmen der beiden Felder führt zu einer thermischen Stabilität, da eine ansteigende Temperatur der Mikrokanalplatte einen Rückgang der Wärmeerzeugung bewirkt (wegen des negativen Temperaturkoeffizienten des spezifischen Widerstandes der Wandzonen) und da die Strahlungsverluste ansteigen, bis ein Gleichgewicht er­ reicht ist.

Die Verwendung der erfindungsgemäßen Anordnung mit zwei Feldern erlaubt eine fünffache Erhöhung der Frequenz, wodurch eine weitere Anwendbarkeit der Mikrokanalplatte ermöglicht ist.

Die Verwendung eines Glases, das bei höherer Temperatur anwendbar ist und eine Regelschaltung, um ein "Weglaufen" zu verhindern, erlaubt eine weitere Erhöhung der Frequenz um einen Faktor 100, so daß durch die Erfindung eine Mikrokanalplatte geschaffen wird, bei der die Be­ triebsfrequenz 500mal größer ist als nach dem Stand der Technik.

Bei weiteren Ausführungsformen kann anstatt der zentralen Elektrode zwischen den Feldern eine getrennte Elektrode an den benachbarten Enden von zwei (oder mehreren) Feldern verwendet werden, oder sie können voneinander beabstandet sein, wie in den oben angegebenen Patentschriften er­ läutert. Die Kanäle in den Feldern können parallele Kanal­ achsen haben, anstatt daß sie mit einem stumpfen Winkel aneinander anstoßen.

Claims (10)

1. Mikrokanalplatte mit einer Mehrzahl von Mikrokanalplatten­ feldern (22, 24) von denen ein erstes Feld (24) in Richtung der Elektronenverstärkung hinter einem zweiten Feld (22) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Feld (24) einen geringeren Oberflächenzonenwiderstand hat als das zweite Feld (22).

2. Mikrokanalplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Feld (22) dicker ist als das erste Feld (24).

3. Mikrokanalplatte nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Produkt aus Leitfähigkeit und Dicke für das erste Feld (22) und für das zweite Feld (24) den gleichen Wert hat.

4. Mikrokanalplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Feld (22) an das zweite Feld (24) anstößt.

5. Mikrokanalplatte nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das erste Feld (22) und das zweite Feld (24) sich eine gemeinsame Elektrode (38, 40) teilen.

6. Mikrokanalplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Felder (22, 24) aus einem Glas hergestellt sind, das einen Dauerbetrieb bei Tempe­ raturen über 100°C erlaubt.

7. Mikrokanalplatte nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Felder (22, 24) aus einem Glas mit folgender Zusammensetzung hergestellt sind: Gew.-% SiO₂34,8 Al₂O₃ 0,2 Rb₂O 3,5 Cs₂O 2,4 PbO54,9 BaO 4,0 As₂O₅ 0,2

8. Mikrokanalplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrokanalplatte (20) mit folgenden Einrichtungen betrieben wird: eine Konstantstromversorgungsquelle (70, 72), durch die an die Mikrokanalplatte (20) eine Spannung angelegt wird, welche einen konstanten Stromfluß bewirkt, eine Kühleinrichtung (80) zum Kühlen der Mikrokanalplatte (20), und eine Steuereinrichtung (74), durch die die Kühleinrichtung (80) derart geregelt wird, daß beim Betrieb der Mikro­ kanalplatte (20) eine vorgegebene Temperatur aufrechter­ halten wird.

9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (20) ein Spannungsvergleicher ist.

10. Einrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Kühleinrichtung (80) thermo­ elektrisch arbeitet.