DE3736185A1 - Photoelektrische wandlerroehre - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine photoelektrische Wandlerröhre, beispielsweise eine Photovervielfacherröhre oder Photozelle.

Bei bekannten photoelektrischen Wandlerröhren ist ein Fenster für das einfallende Licht vorgesehen, das aus einer transparenten Platte, beispielsweise aus Quarzglas oder Borsilikatglas besteht, die dem atmosphärischen Druck standhalten kann. Außerdem ist auf der Innenseite (der Vakuumseite) des Lichtfensters eine transluzente Photokathodenschicht aus Antimon und einem Alkalimetall ausgebildet. Im Betrieb wird das durch das Lichtfenster einfallende Licht durch die Photokathodenschicht absorbiert, wo es in Photoelektronen umgewandelt wird. Diese Photoelektronen werden gegen die Vakuumseite abgegeben.

Fig. 1 zeigt die optischen Eigenschaften einer photoelektrischen Multialkali-Oberfläche, die ein Beispiel einer photoelektrischen Oberfläche ist. Mit anderen Worten, Fig. 1 ist eine graphische Darstellung, die den Absorptionskoeffizienten k in Abhängigkeit von der Wellenlänge λ des einfallenden Lichtes zeigt. Aus dieser graphischen Darstellung geht hervor, daß eine photoelektrische Multialkali-Oberfläche einen kleinen Absorptionskoeffizienten k im Bereich großer Wellenlängen, speziell im Infrarotbereich aufweist, d. h. in diesem Bereich nicht ausreichend Licht absorbieren kann.

Fig. 2 zeigt eine graphische Darstellung der optischen Eigenschaften von photoelektrischen Oberflächen, und zwar die Abhängigkeit des Absorptionskoeffizienten k von der Dicke mit Wellenlängen λ als Parameter. Wie aus der graphischen Darstellung hervorgeht, nimmt der Absorptionskoeffizient zu, wenn zur Steigerung des photoelektrischen Wandlerwirkungsgrads die Dicke d einer Photokathodenschicht vergrößert wird. In diesem Falle ist jedoch der Abstand zwischen dem Ort, an dem die Photoelektronen erzeugt werden, und der Vakuumseite größer, was zur Folge hat, daß einige der Photoelektronen rekombinieren, während sie sich gegen die Vakuumseite bewegen, wodurch der photoelektrische Wandlerwirkungsgrad wieder abnimmt. Der Steigerung der Dicke der Photokathodenschicht ist daher eine Grenze gesetzt.

Beispielsweise hat eine gewöhnliche photoelektrische Multialkalischicht eine Dicke von 30 nm, und ihr Absorptionsprozentsatz für einen Lichtstrahl einer Wellenlänge von 800 nm beträgt 12%. Die Distanz, über die sich erzeugte Photoelektronen bewegen, bis sie rekombinieren, beträgt etwa 15 nm, und weshalb die Quantenausbeute (das Verhältnis der Anzahl der Photoelektronen zur Anzahl der einfallenden Photonen) etwa 1,5% ist. Wenn eine photoelektrische Wandlerröhre mit den oben beschriebenen charakteristischen Werten als ein wissenschaftliches Instrument verwendet wird, ist ihr Signal/Rausch-Verhältnis nicht so hoch.

Wie oben beschrieben, kann bei einer üblichen photoelektrischen Wandlerröhre die Photokathodenschicht nicht jedes einfallende Licht absorbieren, weil ihre Dicke begrenzt ist oder die Emissionsrate von Photoelektronen im Vakuum aus dem gleichen Grunde niedrig ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine photoelektrische Wandlerröhre mit einer Photokathodenschicht anzugeben, die eine hohe Umwandlungsrate von Photonen in Photoelektronen aufweist, ohne daß die Dicke der Photokathodenschicht verändert werden muß, damit die Emissionsrate von Photoelektronen in das Vakuum nicht vermindert wird.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand weiterer Ansprüche.

Bei der erfindungsgemäßen Wandlerröhre ist der Absorptionskoeffizient der Photokathodenschicht speziell für lange Lichtwellenlängen merklich gesteigert. Die Wandlerröhre hat einen hohen photoelektrischen Wandlerwirkungsgrad.

Die Wandlerröhre weist optische Fasern auf, die gegenüber der Photokathodenschicht geneigt verlaufen und in die der Lichtstrahl einfällt. Diese optischen Fasern bedecken als Platte wenigstens einen Teil des Lichteinfallsfensters in der Röhre, wobei die optischen Fasern unter einem Winkel zu der Photokathodenschicht verlaufen.

Bei der Wandlerröhre ist eine transluzente Photokathodenschicht innerhalb des Lichteinfallsfensters vorgesehen, wobei gemäß der Erfindung wenigstens ein Teil dieses Fensters von einer Lichtleitfaserplatte bedeckt ist, in welcher die optischen Fasern gegenüber der Photokathodenschicht geneigt sind. Bei der Wandlerröhre besteht das Fenster aus einer Glasplatte und einer Lichtleitfaserplatte, die auf die Einfallsseite der Glasplatte aufgeklebt ist, oder das Fenster besteht ausschließlich aus einer Lichtleitfaserplatte. In letzterem Falle ist das photoelektrische Wandlermaterial durch Vakuumabscheidung auf der Innenseite (d. h. auf der Vakuumseite) der Faserplatte aufgebracht.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine graphische Darstellung der optischen Eigenschaften einer Photokathodenschicht, und zwar die Abhängigkeit des Absorptionskoeffizienten k einer transluzenten photoelektrischen Multialkalischicht von der Wellenlänge λ des einfallenden Lichts;

Fig. 2 eine graphische Darstellung der gegenseitigen Abhängigkeit von Dicke d der Photokathodenschicht, des Absorptionskoeffizienten k und der Wellenlänge λ;

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels eines Photovervielfachers nach der vorliegenden Erfindung;

Fig. 4 eine Querschnittsdarstellung eines Ausschnitts eines Lichteinfallsfensters in einem Photovervielfacher nach der Erfindung;

Fig. 5 eine Tabelle des photoelektrischen Wandlerwirkungsgrades, der bei verschiedenen Wellenlängen mit der Erfindung erreichbar ist;

Fig. 6 eine entsprechende Tabelle eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung, und

Fig. 7 eine Querschnittsdarstellung einer Modifikation eines Lichteinfallsfensters.

Fig. 3 ist eine schematische Darstellung einer Seitenansicht eines Beispiels eines Photovervielfachers nach der vorliegenden Erfindung, und Fig. 4 ist eine vergrößerte Detaildarstellung im Schnitt durch einen Teil eines Lichteinfallsfensters bei dem Photovervielfacher nach Fig. 3.

Eine photoelektrische Wandlerröhre mit einer transluzenten Photokathodenschicht 2 (Kathode), die im Innern eines Lichteinfallsfensters 1 angeordnet ist, wie in Fig. 3 dargestellt, enthält gemäß der vorliegenden Erfindung eine Lichtleitfaserplatte, die wenigstens einen Teil des Lichteinfallsfensters abdeckt, wobei die optischen Fasern der Lichtleitfaserplatte unter einem Winkel zu der genannten Photokathodenschicht verlaufen. Wie Fig. 4 zeigt, enthält das Lichteinfallsfenster 1 der photoelektrischen Wandlerröhre eine Glasplatte 3 und eine Lichtleitfaserplatte 5 von etwa 1 mm Dicke, deren Lichtleitfasern 6 einen Durchmesser von 5 µm haben. Die Lichtleitfaserplatte 5 ist auf die Lichteinfallsseite der Glasplatte 3 mit einem transparenten Klebstoff aufgeklebt. Die Achse l der optischen Fasern 6 bildet mit dem Lichteinfallsfenster einen Winkel R, der im Bereich zwischen 25° und 50° liegen kann. Antimon und mehrere Arten von Alkalimetallen sind auf der Vakuumseite 11 der Glasplatte 3 niedergeschlagen, um eine photoelektrische Multialkalischicht 2 zu bilden.

Ein einfallender Lichtstrahl I, der zu der photoelektrischen Wandlerröhre gelangt, erreicht die Photokathodenschicht 2 durch eine optische Faser 6 und die Glasplatte 3. Wie Fig. 4 zeigt, ist der auf die Photokathodenschicht 2 einfallende Lichtstrahl T gegenüber dieser Schicht geneigt. Der optische Weg des einfallenden Lichtstrahls T ist daher lang, und die Umwandlungsrate von Photonen in Photoelektronen ist hoch. Der Einfallswinkel des Lichtstrahls gegenüber der Photokathodenschicht 2 ist maximal, wenn der Lichtstrahl längs eines optischen Weges A verläuft, und minimal, wenn er längs des optischen Weges B verläuft. Wie in Fig. 4 dargestellt ist, trifft der optische Weg A etwa in das Zentrum des freien Endes einer Lichtleitfaser, während der optische Weg B durch den Randbereich des freien Endes einer Lichtleitfaser verläuft. Davon abhängig ist, wie in Fig. 4 deutlich zu erkennen ist, wie oft der Lichtstrahl an den Faserwänden reflektiert wird, wovon auch der Austrittswinkel des Lichtstrahls abhängt.

Photovervielfacherröhren mit einer photoelektrischen Multialkalischicht von 30 nm Dicke in einem Lichteinfallsfenster 1 eines Durchmessers von 28 mm und mit einer zehnstufigen kastenartigen Sekundäremissionskathode (Dynode) sind in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung hergestellt worden. Eine völlig vergleichbare Photovervielfacherröhre, die jedoch keine Lichtleitfaserplatte aufwies, wurde mit den erfindungsgemäß hergestellten Röhren verglichen. Die photoelektrischen Wandlereigenschaften für beide Röhrenarten sind in Fig. 5 tabellarisch dargestellt.

Weiterhin wurden Photovervielfacherröhren mit einer photoelektrischen Bi-Alkalischicht von 30 nm Dicke in einem Lichteinfallsfenster 1 eines Durchmessers von 28 mm und mit einer zehnstufigen kastenartigen Sekundäremissionskathode (Dynode) in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung hergestellt und mit diesen ähnlichen Röhren verglichen, die jedoch keine Lichtleitfaserplatten aufwiesen. Die photoelektrischen Wandlereigenschaften beider Röhrenarten sind in Fig. 6 tabellarisch aufgetragen.

Wie man aus Fig. 5 entnehmen kann, ist bei einer Wellenlänge von 800 nm, bei der der optische Absorptionswirkungsgrad minimal ist, die Quantenausbeute des Photovervielfachers nach der Erfindung im Lichteinfallsfenster maximal, d. h. 2,1 mal so groß, wie bei dem Vervielfacher ohne Faseroptikplatte. Wie aus Fig. 5 weiterhin hervorgeht, ist selbst bei einer Wellenlänge von 350 nm, bei der der optische Absorptionswirkungsgrad so groß ist, daß die Auswirkungen der Erfindung vergleichsweise klein sind, die Quantenausbeute des Photovervielfachers nach der Erfindung noch immer um 20% höher, als bei dem Photovervielfacher ohne Lichtleitfaserplatte im Lichteinfallsfenster.

Die Fig. 5 und 6 listen die Versuchsergebnisse auf, die im wesentlichen im Bereich sichtbaren Lichts mit Photovervielfacherröhren erzielt worden sind, die in der erfindungsgemäßen Weise aufgebaut sind. Die Ergebnisse zeigen, daß, wenn ein Lichtstrahl schräg auf die Photokathodenschicht fällt, er ausreichend von dieser absorbiert wird und die Emissionsrate von Photoelektronen im Vakuum nicht vermindert wird. Wenn nur die Lichtleitfaserplatte im Lichteinfallsfenster angeordnet ist, dann wird wegen des Fehlens der Glasplatte keine unerwünschte optische Reflexion oder Streuung hervorgerufen. Die Eigenschaften der photoelektrischen Wandlerröhre sind daher insgesamt sehr viel besser. Die Erfindung ist darüber hinaus im Infrarotbereich noch viel wirkungsvoller, weil Infrarotstrahlen schwieriger zu absorbieren sind, als ein Lichtstrahl einer Wellenlänge von 800 nm.

Um die Lichtempfindlichkeit zu steigern, können mehrere elektrisch leitfähige Elemente 7 vorgesehen werden, die, wie in Fig. 7 dargestellt, entsprechend den Überzügen der Lichtleitfaserplatte angeordnet sind. Diese leitfähigen Elemente 7 sind elektrisch miteinander verbunden und werden auf gleichem Potential gehalten.

In der photoelektrischen Wandlerröhre nach der vorliegenden Erfindung wird ein einfallender Lichtstrahl schräg auf die Photokathodenschicht gerichtet, auch wenn er senkrecht auf das Lichteinfallsfenster einfällt. Dementsprechend ist es nicht notwendig, die Dicke der Photokathodenschicht zu steigern, um den optischen Absorptionswirkungsgrad der Photokathodenschicht zu vergrößern. Der optische Absorptionswirkungsgrad ist daher hoch und die Emissionsrate von Elektronen in das Vakuum ist nicht vermindert. Die photoelektrische Wandlerröhre nach der Erfindung hat einen hohen photoelektrischen Wandlerwirkungsgrad. Das Lichteinfallsfenster kann teilweise oder völlig von der Lichtleitfaserplatte bedeckt sein. Eine vollständige Bedeckung verbessert die Quantenausbeute über die gesamte Photokathodenschicht. Man kann die Wandlerröhre nach der Erfindung in der Weise herstellen, daß man die Glasplatte einer üblichen Wandlerröhre im Lichteinfallsfenster ganz einfach gegen die spezielle Lichtleitfaserplatte ersetzt. Die Erfindung kann sehr einfach auch dadurch ausgeführt werden, daß man die Lichtleitfaserplatte auf die Lichteinfallsseite der Glasplatte aufklebt. Die Erfindung kann daher ggf. auch an bestehenden Wandlerröhren nachgerüstet werden.

Claims (9)

1. Photoelektrische Wandlerröhre, bestehend aus einem Röhrenkörper mit einem Lichteinfallsfenster und einer transluzenten Photokathodenschicht in dem Behälter in Ausrichtung mit dem Lichteinfallsfenster, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von Lichtleitfasern (6) vorgesehen sind, deren lichtabgebendes Ende relativ zu dem Lichteinfallsfenster (1) angeordnet ist, wobei die lichtabgebenden Enden dem Lichteinfallsfenster (1) gegenüberstehen, um den Absorptionskoeffizienten der Photokathodenschicht (2) zu vergrößern, wobei die Lichtleitfasern (6) parallel und fest miteinander verbunden sind und unter einem Winkel (R) zu der Photokathodenschicht (2) verlaufen, der kleiner als 90° ist.

2. Wandlerröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtabgebenden Enden an einer Glasplatte (3) befestigt sind, die in dem Lichteinfallsfenster (1) angeordnet ist.

3. Wandlerröhre nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleitfasern (6) zu einer im wesentlichen ebenen Platte (5) zusammengeklebt sind, wobei eine Seite der Platte (5) Lichtempfangsenden der Lichtleitfasern (6) aufweist und die andere Seite der Platte (5) die lichtabgebenden Enden der Fasern (6) aufweist.

4. Wandlerröhre nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleitfaserplatte (5) an einer ebenen Fläche einer Glasplatte (3) im Lichteinfallsfenster (1) befestigt ist.

5. Wandlerröhre nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl elektrisch leitfähiger Elemente (7) an der Seite der lichtabgebenden Enden der Lichtleitfasern (6) angeordnet sind, welche Elemente (7) sich auf gleichem Potential befinden.

6. Wandlerröhre nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleitfaserplatte (5) das Lichteinfallsfenster (1) vollständig bedeckt und daß die Photokathodenschicht (2) an der Rückseite der Lichtleitfaserplatte (5) befestigt ist.

7. Wandlerröhre nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel (R) im Bereich zwischen 25 und 50° liegt.

8. Verfahren zum Steigern des Absorptionskoeffizienten einer photoelektrischen Wandlerröhre, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:
Zusammenkleben einer Vielzahl von Lichtleitfasern;
Befestigen der lichtabgebenden Enden der Lichtleitfasern an einem Lichteinfallsfenster der photoelektrischen Wandlerröhre; und
übertragen von Licht durch die Lichtleitfasern zur Photokathodenschicht in einem schrägen Winkel in bezug auf die Photokathodenschicht.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleitfasern unter einem Winkel zwischen 25 und 50° in bezug auf die Fläche der Photokathodenschicht angebracht werden.