DE3925776C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer positionsempfindlichen Photomultiplierröhre, umfassend einen Vakuumbehälter mit einem Einfallsfenster, eine auf der Innenfläche des Einfallsfensters gebildete Photokathode, ein im Abstand von der Photokathode angeordnetes Elektronenvervielfacherelement, und eine zwischen der Innenfläche des Einfallsfensters und dem Elektronenvervielfacherelement angeordnete Elektrode, die mit einem vorher aufgebrachten Bestandteil zur späteren Abscheidung der Photokathode versehen ist. Die Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren zur Herstellung einer Multiplierröhre, in welcher die Photokathode mit hoher Empfindlichkeit und hoher Gleichförmigkeit einfach gebildet werden kann.

Im allgemeinen soll zur Bildung einer Photokathode, die in ihren Eigenschaften und ihrer Gleichförmigkeit hervorragend ausgebildet ist, eine Abscheidungsquelle zum Abscheiden von Bestandteilen zur Bildung der Photokathode im Abstand von der Innenfläche des Eingangsfensters angeordnet sein. Der Abstand, der dazwischen liegt, soll wenigstens etwa dem Durchmesser der Photokathode entsprechen. Ferner muß in Abhängigkeit von ihrer Verwendung der Abstand zwischen der Photokathode und dem Elektronenvervielfacherelement verringert werden.

Beispielsweise beschreibt die Veröffentlichung mit dem Titel "Position Sensitive Photomultiplier Tube for Scintillation Imaging" von Eÿi Kume, Shinichi Muramatsu und Mashiro Iida, - veröffentlicht in IEEE Transactions on Nuclear Science, Vol. 33, 1986, S. 359 - 363 -, eine positionsempfindliche Multiplierröhre, bei welcher die Lage des Lichtstrahls, welcher auf die Photokathode auftrifft, erhalten werden kann.

Bei einer derartigen positionsempfindlichen Photomultiplier­ röhre läßt sich die Lage des Lichtstrahls, welcher auf die Photokathode auftrifft, nicht erhalten, ohne daß die Photokathode nahe dem Elektronenvervielfacher­ element angeordnet ist. Es ist daher im Gegensatz zu einer herkömmlichen Multiplierröhre nicht möglich, die Ablagerungs­ quelle innerhalb der Röhre vorzusehen, und es werden daher die Bestandteile vor dem Abdichten der Röhre niedergeschla­ gen.

Dieses Verfahren ist jedoch insoweit nachteilig, daß aufgrund des Sauerstoffs in der Luft und der Erwärmung während des Abdichtens der Röhre die Empfindlichkeit der Photokathode geringer ist als die einer gewöhnlichen Multiplierröhre.

Andererseits wird im Fall eines Bildverstärkers vom geringen Abstandstyp die Photokathode in der gleichen Vakuumeinrich­ tung gebildet und wird dann mit dem Körper der Photomulti­ plierröhre, die an einer anderen Position vorgesehen ist, kombiniert und anschließend wird die Röhre abgedichtet. In diesem Fall kann die Photokathode nahe dem Elektronenverviel­ facherelement angeordnet werden und die Empfindlichkeit der Photokathode läßt sich im wesentlichen gleich der einer ge­ wöhnlichen Photomultiplierröhre gestalten.

Jedoch ist auch dieses Verfahren nachteilig im Hinblick darauf, daß eine Herstellungsmaschine zur Herstellung einer Photomultiplierröhre schwierig zu handhaben ist und für eine Massenproduktion nicht geeignet ist, so daß die Herstel­ lungskosten hoch sind.

Aus der französischen Patentschrift 25 99 556 ist bereits ein gattungsgemäßes Verfahren zur Herstellung einer positionsempfindlichen Multiplierröhre bekannt, bei dem die gesamten Dynoden in Form von Blättern als ein Kompaktbauteil angeordnet sind, das auf innerhalb des Röhrenkolbens angeordneten Gleitstangen verschiebbar ist. Dieser Bausatz wird zur Aufdampfung der Photokathode auf der Innenfläche des Einfallsfensters in einem Abstand, der in der Größenordnung des Durchmessers des Einfallsfensters liegt, der Innenfläche des Einfallsfensters gegenüber angeordnet. Auf der der Innenfläche des Einfallsfensters zugewandten Seite des Bausatzes sind Drähte gespannt, an denen das zu verdampfende Material in Form von Kügelchen aufgebracht ist. Beim Durchleiten eines elektrischen Stromes durch diese Drähte wird das aufzudampfende Material verdampft und schlägt sich auf der Innenfläche des Einfallsfensters nieder. Hiernach werden die Zuleitungen zu den Drähten mit Hilfe von Laserstrahlen durchschnitten und der gesamte Bausatz wird auf den Gleitstangen mit Hilfe der Schwerkraft in eine Position in geringem Abstand zu der Innenfläche des Einfallsfensters gebracht und dort ebenfalls mit Hilfe von Laserstrahlen in dieser Position fixiert. Der Nachteil einer solchen Anordnung besteht darin, daß die für die Aufdampfung vorgesehenen Drähte durchtrennt werden müssen und somit frei in der Anordnung liegen. Ferner ist die Verschiebung und Fixierung des Dynodenbausatzes anschließend umständlich.

Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung einer positionsempfindlichen Photomultiplierröhre anzugeben, bei dem das Herstellungsverfahren bei gleicher Güte der Photomultiplierröhre vereinfacht ist.

Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Verfahren der eingangs erwähnten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß für die der Abscheidung der Photokathode dienende Elektrode eine Maschenelektrode verwendet wird, und daß die Maschenelektrode in der Weise permanent angeordnet wird, daß der Maschenabstand der Maschenelektrode nicht mehr beträgt als das Zweifache des Abstands zwischen der Innenfläche des Einfallsfensters und der Maschenelektrode.

Ein wesentlicher Vorteil besteht darin, daß die Elektronenvervielfacherelemente nach der Aufdampfung der Photokathode bereits unmittelbar an ihrer richtigen Stelle eingebaut sind, und daß die gesamte Anordnung weiterhin unter dem einmal erzeugten Vakuum gehalten werden kann. Das Verfahren ermöglicht ferner die Bildung einer Photokathode mit hoher Empfindlichkeit wie auch hoher Gleichförmigkeit.

Bei diesem Verfahren werden die Bestandteile auf der Innenfläche des Einfallsfensters bevorzugt durch Anlegen eines Stromes an die Ablagerungsmaschenelektrode abgeschieden.

Bei der nach diesem Verfahren hergestellten Photomultiplierröhre ist die Abscheidungsmaschenelektrode, an welcher ein Bestandteil, beispielsweise Sb (Antimon) zur Bildung der Photokathode vorher in geeigneter Weise abgelagert worden ist, zwischen der Innenfläche des Einfallsfensters und dem Elektronen­ vervielfacherelement angeordnet. Es kann daher in gleicher Weise wie bei der Herstellung der gewöhnlichen Photomulti­ plierröhre ein Vakuumbehälter, beispielsweise eine Röhre, vakuumentgast werden und dann der Bestandteil an der Innen­ fläche des Einfallsfensters durch Anlegen eines Stroms an die Abscheidungsmaschenelektrode gleichförmig abgelagert werden. Dann wird die Schicht des Bestandteils mit einem Alkalimetall aktiviert zur Vervollständigung der Bildung einer Photokathode. Auf diese Weise läßt sich die Photo­ kathode mit hoher Empfindlichkeit und hoher Gleichförmig­ keit einfach bilden.

In dem Fall, in welchem der Maschenabstand der Abscheidungs­ maschenelektrode nicht mehr als das Zweifache des Abstandes zwischen der Maschenelektrode und der Innenfläche des Ein­ fallsfensters beträgt, läßt sich der Bestandteil zur Bildung der Photokathode äußerst genau und gleichförmig auf der Innenfläche des Einfallsfensters abscheiden.

Wenn ferner der Bestandteil auf der Innenfläche des Einfalls­ fensters durch Anlegen eines Stroms an die Abscheidungs­ maschenelektrode abgeschieden wird, kann eine Vakuumabschei­ dung äußerst einfach erreicht werden.

Anhand der Figuren wird die Erfindung noch näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine schnittbildliche Darstellung der Anordnung eines Ausführungsbeispiels einer Photomultiplier­ röhre vom geringen Abstandstyp, welche nach einem Verfahren gemäß der Erfindung hergestellt ist;

Fig. 2 eine Draufsicht auf die Gestaltung einer Aus­ führungsform einer Abscheidungsmaschenelektrode, welche in der Photomultiplierröhre vom geringen Abstandstyp verwendet wird, und die Erläuterung des Anlegens eines Stroms an diese Elektrode;

Fig. 3 eine perspektivische Darstellung der Ausbildung und Wirkung von Fadenkreuzanoden in der Photo­ multiplierröhre;

Fig. 4 eine graphische Darstellung des spektralen Ansprechverhaltens (Empfindlichkeit) der Photo­ multiplierröhre, welche nach dem Verfahren der Erfindung hergestellt ist, und Vergleich mit einer herkömmlichen Röhre; und

Fig. 5 eine Draufsicht zur Erläuterung der Ausbildung eines anderen Ausführungsbeispiels einer Abscheidungsmaschenelektrode und ein Verfahren zum Anlegen von Strom an diese Elektrode.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung, welches bei einer Photomultiplierröhre vom geringen Abstandstyp mit positionsempfindlicher Erfassung zur Anwendung kommt, wird nunmehr unter Bezugnahme auf die Figuren im einzelnen erläutert.

Eine Photomultiplierröhre, welche gemäß der Erfindung her­ gestellt worden ist, enthält, wie die Fig. 1 zeigt, einen Vakuumbehälter, insbesondere eine Röhre 10, mit einem Ein­ fallsfenster 12, eine an der Innenfläche des Einfalls­ fensters 12 gebildete Photokathode 14 und ein Elektronen­ vervielfacherelement 16, das in geringem Abstand von der Photokathode 14 angeordnet ist. Die Photomultiplierröhre enthält ferner eine Abscheidungsmaschenelektrode 20, welche zwischen der Photokathode 14 (Innenfläche des Einfalls­ fensters 12) und dem Elektronenvervielfacherelement 16 ange­ ordnet ist. Auf dieser Abscheidungsmaschenelektrode ist vor­ her ein Bestandteil, beispielsweise Sb (Antimon) zur Bildung der Photokathode 14 aufgebracht (beispielsweise abgelagert) worden.

Ferner sind mit der Bezugsziffer 22 eine in Fig. 3 gezeigte Fadenkreuzanode, mit 24 die letzte Dynode, beispielsweise vom Reflexionstyp, und mit 26 Ausgangsklemmen bezeichnet. Das Elektronenvervielfacherelement 16 besteht bei­ spielsweise aus elf übereinander angeordneten Maschendynoden. Die Abscheidungsmaschenelektrode besteht aus rostfreiem Stahl und weist, wie es in Fig. 2 dargestellt ist, mehrere regel­ mäßige hexagonale Öffnungen auf, die mit einem Maschenabstand von 2 mm angeordnet sind, wobei die Drähte, welche die Öff­ nungen umfassen, 0,05 bis 0,08 mm breit sind.

Die derart aufgebaute Verstärkerröhre vom geringen Abstands­ typ wird wie folgt hergestellt:

Eine geeignete Menge eines Photokathodenbestandteils, bei­ spielsweise Antimon (Sb), für die Bildung der Photokathode 14 wird vorher auf der Abscheidungsmaschenelektrode 20 aus rostfreiem Stahl, wie es in Fig. 2 dargestellt ist, abge­ schieden. In ähnlicher Weise wie bei der Herstellung einer gewöhnlichen Multiplierröhre wird die Röhre 10 einer Vakuumentgasung unterworfen und dann wird ein Strom von einigen Ampere an die Abscheidungsmaschenelektrode 20 ange­ legt, so daß Sb zur Bildung der Photokathode 14 gleichförmig sich auf der Innenfläche des Einfallsfensters 12 nieder­ schlägt. Anschließend wird die Schicht aus Sb unter Verwen­ dung eines Alkalimetalls aktiviert, wobei die Photokathode 14 gebildet wird. Die anderen Herstellungsschritte sind die gleichen wie bei herkömmlichen Bauarten.

Wenn Photonen auf das Einfallsfenster 12 der Photomulti­ plierröhre vom geringen Abstandstyp zur Einwirkung gebracht werden, werden Elektronen von der Photokathode 14 ausgesen­ det. Die so ausgesendeten Elektronen treffen auf die erste (bzw. oberste) Maschendynode, so daß Sekundärelektronen ausgesendet werden. Dieser Vorgang wird in der gleichen Weise mit den übrigen Maschendynoden durchgeführt, so daß sich die Anzahl der Elektronen stark erhöht. Der Sekundärelektronen­ fluß, welcher von der letzten Dynode, welche beispielsweise vom Reflexionstyp ist, ausgesendet wird, wird von den Faden­ kreuzanoden 22 gesammelt. Die Fadenkreuzanoden 22 können demgemäß die Positionen der Elektroden in einer Ebene mes­ sen, welche parallel zur Photokathode 14 ist. Dabei werden die von den Anoden gesammelten Elektronen durch Widerstands­ ketten, die in Fig. 3 gezeigt sind, geteilt und das Elek­ tronenverteilungszentrum auf der letzten Dynode 24 wird, wie in Fig. 3 angegeben, berechnet. Dadurch, daß man die Elek­ tronenverteilungszentren der Fadenkreuzanoden erhält, läßt sich die Position des einfallenden Lichts (Photonen) auf die Photokathode 14 ermitteln.

Bei der Messung der Quantenausbeute der nach dem Verfahren der Erfindung hergestellten Bi-Alkaliphotokathode ergab sich ein spektrales Ansprechverhalten (Empfindlichkeit), wie es bzw. wie sie durch die strichlierte Linie A in Fig. 4 dar­ gestellt ist. Im Vergleich zum spektralen Ansprechverhalten (Empfindlichkeit) einer herkömmlichen positionsempfindlichen Photomultiplierröhre hat sich herausgestellt, daß die Quan­ tenausbeute aufgrund des Herstellungsverfahrens nach der Erfindung um 25% verbesert worden ist.

Beim dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Öffnungen der Abscheidungsmaschenelektrode 20 in einer regelmäßigen hexagonalen Form ausgebildet, so daß die Photokathode 14 in ihrer Gleichförmigkeit verbessert wird. Jedoch ist die Ausbildung der Maschenelektrode nicht immer auf die oben beschriebene Formgebung beschränkt. Beispielsweise kann auch eine Maschenelektrode mit rechteckigen Öffnungen mit einem Maschenabstand von 3,0 mm, wie es in Fig. 5 dargestellt ist, zum Einsatz kommen. Das heißt, es kann für die praktische Anwendung eine Abscheidungsmaschenelektrode zum Einsatz kommen, bei der ein bestimmter Grad von Öffnungen vorhanden ist. Die Abscheidungsmaschenelektrode mit rechteckigen Öff­ nungen, wie sie in Fig. 5 dargestellt ist, ist im Hinblick auf ihre einfache Herstellung von Vorteil.

Beim oben beschriebenen Ausführungsbeispiel ist die Abschei­ dungsmaschenelektrode 20 aus rostfreiem Stahl hergestellt, der einen niedrigen spezifischen Widerstand aufweist. Das Material der Maschenelektrode ist jedoch darauf nicht be­ schränkt. Die gleiche Wirkung kann durch Verwendung einer Maschenelektrode erreicht werden, die aus einem Material mit relativ hohem spezifischen Widerstand, wie beispielsweise Wolfram, Chromnickel, Molybdän oder dgl., hergestellt ist.

Beim oben beschriebenen Ausführungsbeispiel wird der Be­ standteil zur Bildung der Photokathode, welcher vorher auf der Maschenelektrode 20 aufgebracht worden ist, durch Anlegen von Strom an die Maschenelektrode abgeschieden. Das Verfahren zur Abscheidung dieses Bestandteils ist jedoch nicht immer auf das beschriebene Verfahren beschränkt. Bei­ spielsweise läßt sich die gleiche Wirkung erreichen durch Anwendung des Verfahrens, bei welchem eine Hochfrequenz­ erhitzung zur Anwendung kommt.

Ferner ist beim oben beschriebenen Ausführungsbeispiel der Bestandteil zur Bildung der Photokathode Sb. Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß die Erfindung hierauf nicht be­ schränkt ist. Beispielsweise kann als Bestandteil zur Bildung der Photokathode auch Tellur zum Einsatz kommen.

Beim oben beschriebenen Ausführungsbeispiel wird das tech­ nische Konzept der Erfindung angewendet auf eine Photo­ multiplierröhre vom geringen Abstandstyp mit positions­ empfindlicher Erfassung, bei welcher die Photokathode und das Elektronenvervielfacherelement nahe beieinander angeord­ net sind. Die Erfindung ist jedoch nicht hierauf beschränkt. Das technische Konzept der Erfindung kann gleichermaßen auch auf andere positionsempfindliche Photomultiplierröhren angewendet werden.

Wenn ferner eine Maschenelektrode beispielsweise zur Be­ schleunigung der von der Photokathode 14 ausgesendeten Photoelektronen zwischen der Photokathode 14 und dem Elek­ tronenvervielfacherelement 16 angeordnet ist, kann diese Maschenelektrode sowohl als Abscheidungsmaschenelektrode als auch als Beschleunigungselektrode verwendet werden, wobei der Bestandteil zur Bildung der Photokathode, beispiels­ weise Antimon (Sb) oder dgl., vorher auf der Maschenelektrode abgelagert worden ist. Wenn eine Maschenelektrode für einen anderen Zweck als den obengenannten Zweck vorgesehen wird, kann diese Maschenelektrode sowohl als Bauteil zur Erfüllung des unterschiedlichen Zwecks als auch als Abscheidungs­ maschenelektrode zum Einsatz kommen.

Claims (11)

1. Verfahren zur Herstellung einer positionsempfindlichen Photomultiplierröhre, umfassend einen Vakuumbehälter (10) mit einem Einfallsfenster (12), eine auf der Innenfläche des Einfallsfenster (12) gebildete Photokathode (14), ein im Abstand von der Photokathode angeordnetes Elektronenvervielfacherelement (16), und eine zwischen der Innenfläche des Einfallsfensters (12) und dem Elektronenvervielfacherelement (16) angeordnete Elektrode (20), die mit einem vorher aufgebrachten Bestandteil zur späteren Abscheidung der Photokathode versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß für die Elektrode (20) eine Maschenelektrode verwendet wird, und daß die Maschenelektrode in der Weise permanent angeordnet wird, daß der Maschenabstand der Maschenelektrode (20) nicht mehr beträgt als das Zweifache des Abstands zwischen der Innenfläche des Einfallsfensters (12) und der Maschenelektrode (20).

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für den Abscheidungsschritt an die Maschenelektrode (20), welche mit dem Bestandteil zur Bildung der Photokathode (14) versehen ist, ein elektrischer Strom angelegt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Maschenelektrode (20) durch Abscheidung mit dem Bestandteil zur Bildung der Photokathode (14) versehen wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Bestandteil zur Bildung der Photokathode (14) Antimon oder Tellur verwendet wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Maschenelektrode (20) eine Elektrode verwendet wird, die mehrere regelmäßige hexagonale Öffnungen aufweist, bei der Drähte die Öffnungen umfassen.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen mit einem Maschenabstand von 2 mm angeordnet werden, wobei die Drähte jeweils eine Breite von 0,05 bis 0,08 mm aufweisen.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß für die Maschenelektrode (20) eine Elektrode mit mehreren rechtwinkligen Öffnungen verwendet wird, wobei Drähte die Öffnungen umgeben.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen mit einem Maschenabstand von 3,0 mm zueinander angeordnet werden.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß für die Maschenelektrode (20) eines der Materialien rostfreier Stahl, Wolfram, Chromnickel und Molybdän verwendet wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß für die Aktivierung des auf der Innenfläche des Einfallsfensters (12) niedergeschlagenen Bestandteils ein Alkalimetall verwendet wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Maschenelektrode (20) als Beschleunigungselektrode zur Beschleunigung der von der Photokathode (14) ausgesendeten Photoelektronen verwendet wird.