DE3736185C2 - Photoelektrische Wandlerröhre - Google Patents
Photoelektrische WandlerröhreInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine
photoelektrische Wandlerröhre gemäß dem Oberbegriff des
Patentanspruchs 1.
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.
Aus der DE 31 34 467 A1 ist eine Photokathodenanordnung be
kannt, bei der die Lichtfasern mit unterschiedlichen Winkeln
gegen die Photokathode geneigt sind. Insbesondere beträgt der
Winkel zwischen den Lichtfasern und der Photokathode etwa 90°
und nimmt nach beiden Seiten der gewölbten Photokathodenschicht
allmählich bis auf ca. 45° ab.
Die aus der EP 0 059 640 A1 bekannte Lichtleitfaserplatte be
sitzt einen Aufbau, bei dem Lichtfasern parallel zueinander
unter einem Winkel von 90° gegenüber der Photokathode geneigt
sind.
Die US-PS 3 469 026 beschreibt eine Faseroptik mit parallel zu
einander angeordneten optischen Fasern, welche Licht empfangen
und an eine gewölbte lichtempfindliche Fläche abgeben. Die Wöl
bung der lichtempfindlichen Oberfläche ist nur gering, so daß
die Lichtfasern relativ zur lichtempfindlichen Schicht einen
Winkel von etwa 90° aufweisen.
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 die Aufgabe zugrunde, eine
photoelektrische Wandlerröhre mit einem hohen Wandlerwirkungsgrad
anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch eine Wandlerröhre mit den im Anspruch 1 angegebenen
Merkmalen 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 alle optischen
Fasern unter dem gleichen Winkel zu der Photokathodenschicht
verlaufen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend unter
Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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 Θ, 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 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 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
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 (7)
1. Photoelektrische Wandlerröhre mit einem Röhrenkörper, der
ein Lichteinfallfenster (1) aufweist, einer Photokathoden
schicht (2) und einer Lichtleitfaserplatte (5), wobei die
Platte eine Vielzahl von fest miteinander verbundene und paral
lel zueinander angeordnete Lichtfasern (6) besitzt, dadurch ge
kennzeichnet, alle Lichtfasern (6) unter dem gleichen Winkel
(Θ) zur Photokathodenschicht (2) verlaufen, und daß der Winkel
(Θ) kleiner als 90° ist.
2. Wandlerröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die lichtabgebenden Enden der Lichtfasern (6) an einer
Glasplatte (3) befestigt sind, die in dem Lichteinfallsfenster
(1) angeordnet ist.
3. Wandlerröhre nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Lichtleitfaserplatte (5) im wesentlichen eben ausgebil
det ist, 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) ange
ordnet sind, und die Elemente (7) sich auf gleichem Potential
befinden.
6. Wandlerröhre nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß
die Lichtleitfaserplatte (5) das Lichteinfallsfenster (1) voll
ständig bedeckt und daß die Photokathodenschicht (2) an der
Rückseite der Lichtleitfaserplatte (5) befestigt ist.
7. Wandlerröhre nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da
durch gekennzeichnet, daß der Winkel (Θ) im Bereich zwischen 25
und 50° liegt.
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