DE69018518T2

DE69018518T2 - Einrichtung zur Verarbeitung eines durch einen Elektronenvervielfacher empfangenen Signals.

Info

Publication number: DE69018518T2
Application number: DE69018518T
Authority: DE
Inventors: Gilles Baret
Original assignee: Alcatel CIT SA
Current assignee: Alcatel CIT SA
Priority date: 1989-06-16
Filing date: 1990-06-11
Publication date: 1995-08-10
Anticipated expiration: 2010-06-12
Also published as: EP0402827B1; FR2648616A1; DE69018518D1; JPH0364843A; FR2648616B1; US5115667A; ES2070955T3; ATE121219T1; EP0402827A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Verarbeitung eines von einem Elektronenvervielfacher empfangenen Signals.
Die Elektronenvervielfacher sind Bauteile mit einer Verstärkungsfunktion. Ihr Verstärkungsgrad ist im allgemeinen sehr erheblich und kann bis zu 10&sup4; oder 10&sup5; reichen. Sie werden in verschiedenen Anwendungen eingesetzt, wo sehr schwache Signale behandelt werden sollen. Unter anderen seien hier die Messung der Lichtenergie (Photovervielfacher) im sichtbaren oder nicht sichtbaren Frequenzbereich, die Bildverstärker, die Messung von Nuklearstrahlung (Ionisationskammern), die Massenspektrometrie und insbesondere die Helium-Lecksuche genannt.
Bei diesen Anwendungen weisen die zu verarbeitenden Signale in manchen Fällen eine Dynamik in der Größenordnung von 10&sup8; auf. Es ist also notwendig, eine Meßkette zu verwenden, die den Elektronenvervielfacher und einen Signalverstärker- Kompressor enthält. Dieses Element kann die Ausgangsdynamik nicht alleine hinreichend verringern. Es ist also notwendig, auf den Verstärkungsgrad des Elektronenvervielfachers einzuwirken, um eine zusätzliche Kompression zu erreichen. Dies erfolgt durch Einwirkung auf dessen Speisespannung. In bekannten Vorrichtungen wird der Verstärkungsgrad der Meßkette, insbesondere durch Einwirkung auf die Speisespannung diskontiuierlich gesteuert, d.h. entweder von Hand durch Verwendung eines Umschalters, oder in moderneren Systemen durch elektronische automatische Umschaltung oder mit Hilfe von Vielfach- Meßketten. Diese diskontinuierliche Steuerung der Übertragungsfunktion erzeugt unerwünschte Effekte, wie z.B. erhebliche Verzögerungszeiten oder Instabilitäten, wenn das Signal an der Grenze zweier Verstärkungsbereiche liegt, oder unkorrekte Kennlinienanschlüsse.
Ziel der vorliegende Erfindung ist also eine verbesserte Vorrichtung zur Verarbeitung des von einem Elektronenvervielfacher empfangenen Signals, die diese Nachteile behebt.
Gegenstand der Erfindung ist also eine Vorrichtung zur Verarbeitung des von einem Elektronenvervielfacher empfangenen Signals, die eine kontinuierliche Messung dieses Signals in einem großen Dynamikbereich unter Verwendung nur einer Verarbeitungsmethode erlaubt, wobei der Elektronenvervielfacher einen abhängig von der Speisespannung exponential variablen Verstärkungsgrad besitzt und das Eingangssignal empfängt, wobei die Vorrichtung eine Hochspannungsspeisung für den Vervielfacher enthält, die von einem linearen Verstärker mit negativer Kennlinie gesteuert wird, wobei die Parameter des Verstärkungsgrads und der Bezugsgröße den Meßbereich definieren, wobei der lineare Verstärker eingangsseitig das Ausgangssignal eines logarithmischen Kompressorverstärkers empfängt, der auf den linearen Verstärker einwirkt und so den Verstärkungsgrad des Elektronenvervielfachers kontinuierlich über den ganzen Meßdynamikbereich abhängig vom in einem Elektronenkollektor empfangenen Ausgangssignal des Elektronenvervielfachers variiert, wobei der Ausgang des logarithmischen Verstärkers das Ausgangssignal der Vorrichtung bildet.
In einer Ausführungsform der Erfindung besteht der Elektronenvervielfacher aus einer Scheibe mit Mikrokanälen.
Die Erfindung läßt sich insbesondere in der Massenspektrometrie und dort besonders bei der Heliumlecksuche anwenden.
Die verschiedenen Gegenstände und Merkmale der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung eines nicht beschränkend zu verstehenden Ausführungsbeispiels anhand der beiliegenden Figuren hervor.
Figur 1 zeigt einen bekannten Elektronenvervielfacher vom Scheibentyp mit Mikrokanälen.
Figur 2 zeigt einen Teilschnitt durch die in Figur 1 gezeigte Scheibe mit Mikrokanälen.
Figur 3 zeigt ein Diagramm der erfindungsgemäßen Signalverarbeitungsvorrichtung.
Die in verschiedenen Figuren dargestellten Elemente tragen gleiche Bezugszeichen.
Die Scheibe 1 mit Mikrokanälen gemäß den Figuren 1 und 2 wandelt einen Fluß von Teilchen oder Photonen in einen ankommenden Elektronenfluß um und wirkt auf diesen ankommenden Elektronenfluß als Elektronenvervielfacher. Sie kann also leicht durch eine Einheit ersetzt werden, die aus einer Zelle zur Umwandlung des Flusses von Teilchen oder Photonen in einen ankommenden Elektronenfluß und einem nachfolgenden Elektronenvervielfacher mit Dynoden besteht.
Die Scheibe mit Mikrokanälen enthält zahlreiche Kanäle 2, die angenähert entlang der Achse des ankommenden Flusses verlaufen. Jeder Kanal ist ein elementarer Elektronenvervielfacher.
Er wird von einer Schicht großen spezifischen Widerstands bedeckt, dessen Sekundäremissionskoeffizient größer als 1 ist. Eine hohe Spannung wird zwischen die beiden Enden des Kanals angelegt. So erzeugt ein ankommendes Elektron durch aufeinanderfolgende Stöße und beim Fortschreiten durch den Mikrokanal am Ausgang der Scheibe eine große Zahl von Elektronen. Diese Zahl von Elektronen entspricht dem Verstärkungsgrad. Die verschiedenen Kanäle sind elektrisch durch die Beschichtung mit einer Metallschicht 3 auf jeder der beiden ebenen Seiten der Scheibe miteinander verbunden. Die an die Scheibe angelegte hohe Spannung liegt üblicherweise zwischen 400 und 1500 V. Sie bestimmt den Verstärkungsgrad des Elektronenvervielfachers.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird nun anhand von Figur 3 erläutert. Der Elektronenvervielfacher 1, wie z.B. eine Scheibe mit Mikrokanälen, empfängt den Fluß 10 von Teilchen und wird von einem Elektronenkollektor 4 gefolgt, der einen Elektronenstrom 5 erzeugt. Dieser Strom gelangt an einen Kompressorverstärker 6, der das Signal verstärkt und eine Kompression durchführt, um die Dynamik zu verringern. Das Ausgangssignal 7 dieses Kompressorverstärkers wird dann insbesondere zu Anzeigezwecken ausgewertet. Vorzugsweise enthält der Kompressorverstärker einen logarithmischen Verstärker, der eine wirksame Kompression durchführt.
Die Hochspannungsteilchen 8 des Elektronenvervielfachers wird durch eine Steuerschaltung 9 moduliert, die das Ausgangssignal 7 empfängt. Diese Speisung erzeugt eine Spannung, die vom Signal am Steuereingang abhängt, wobei diese Spannung am größten ist, wenn der Elektronenstrom 5 am kleinsten oder Null ist, und am kleinsten, wenn der Elektronenstrom seinen Höchstwert hat. Daraus ergibt sich eine zusätzliche Kompression der Dynamik der Meßkette. Da der Kompressorverstärker 6 ein logarithmischer Verstärker ist, bildet die Steuerschaltung 9 zur Speisung des Vervielfachers einen linearen Verstärker derart, daß die von der Speisung erzeugte Hochspannung eine lineare Funktion des Ausgangssignals 7 ist und eine zwischen zwei Grenzen variierende negative Kennlinie besitzt. Unter Verwendung einer Scheibe mit Mikrokanälen, deren Verstärkungsgrad eine exponentiale Funktion der angelegten Hochspannung ist, ist in diesem Fall das Ausgangssignal 7 eine logarithmische Funktion des ankommenden Teilchenflusses.
Es ist natürlich möglich, andere Arten von Rückkopplung in Betracht zu ziehen, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Das wesentliche Element besteht darin, daß die Transferfunktion der Vorrichtung (Verhältnis zwischen dem Wert des Ausgangssignals 7 und dem ankommenden Elektronenfluß) eine bekannte und eindeutige Beziehung zwischen dem Ausgang und dem Eingang der Vorrichtung bildet, um auswertbar zu sein.
Die so hergestellte Vorrichtung kann also ein Eingangssignal großer Dynamik verarbeiten.
Die erfindungsgemäße Signalverarbeitungsvorrichtung läßt sich insbesondere in einem Sondergebiet der Massenspektrometrie anwenden, nämlich der Heliumlecksuche. Es handelt sich darum, den Heliumpartialdruck zu messen, der in der Restatmosphäre eines auf Dichtheit zu untersuchenden Behälters enthalten ist. Zwei Fälle treten dann üblicherweise auf. Ist der Behälter großvolumig, dann verwendet man eine Pumpe, um den Behälter zu evakuieren, worauf man eine mit Helium als Testgas angereicherte Atmosphäre um den Behälter herum erzeugt und schließlich das aus dem Behälter gepumpt Gas analysiert, um festzustellen, ob dieses auch mit Helium angereichert ist. Ist der Behälter klein, beispielsweise ein Gehäuse, dann beginnt man damit, dieses Gehäuse in einer Kammer unter Heliumüberdruck zu bringen und anschließend in eine zweite Kammer einzusetzen, die evakuiert wird. Man analysiert das abgepumpte Gas, um festzustellen, ob es mit Helium angereichert ist.
Ein Leckdetektor enthält also ein Massenspektrometer, das ein Filter enthält, der die vorher ionisierten Gasmoleküle abhängig von ihrem Verhältnis m/q räumlich ablenkt, wobei m die Masse des Moleküls und q seine Ladung ist. Das Spektrometer ist auf Helium eingestellt. Am Ausgang dieses räumlichen Filters befindet sich eine Zelle, die die ankommenden Heliumionen in Elektronen verwandelt. Die Elektronen werden dann in einem Elektronenvervielfacher verstärkt, um einen Elektronenstrom 5 zu erzeugen.
Im betrachteten Beispiel ist die Umwandlungszelle ein Bestandteil des Elektronenvervielfachers, der eine Scheibe mit Mikrokanälen ist. Die Vorrichtung zur Verarbeitung des Signals gemäß der Erfindung kann also einen ankommenden Heliumionenfluß mit einer Dynamik von 10&sup8; (mit einer Variationsbreite von etwa 10&supmin;¹&sup6; bis 10&supmin;&sup8; Ampere) in einen Elektronenstrom umwandeln und diesen Elektronenstrom verstärken, um ein Ausgangssignal 7 zu erzeugen, das insbesondere angezeigt werden soll.
Die Anwendung der Vorrichtung auf einen Heliumleckdetektor ist leicht auf ein beliebiges anderes Anwendungsfeld übertragbar, das einen Elektronenvervielfacher verwendet, indem einfach die Umwandlungszelle ersetzt wird, deren Aufgabe die Umwandlung eines Teilchenflusses oder Photonenflusses in einen Elektronenfluß ist.

Claims

1. Vorrichtung zur Verarbeitung des von einem Elektronenvervielfacher (1) empfangenen Signals (10), die eine kontinuierliche Messung dieses Signals in einem großen Dynamikbereich unter Verwendung nur einer Verarbeitungsmethode erlaubt, wobei der Elektronenvervielfacher (1) einen abhängig von der Speisespannung exponential variablen Verstärkungsgrad besitzt und das Eingangssignal (10) empfängt, wobei die Vorrichtung eine Hochspannungsspeisung (8) für den Vervielfacher (1) enthält, die von einem linearen Verstärker (9) mit negativer Kennlinie gesteuert wird, wobei die Parameter des Verstärkungsgrads und der Bezugsgröße den Meßbereich definieren, wobei der lineare Verstärker (9) eingangsseitig das Ausgangssignal eines logarithmischen Kompressorverstärkers (6) empfängt, der auf den linearen Verstärker (9) einwirkt und so den Verstärkungsgrad des Elektronenvervielfachers kontinuierlich über den ganzen Meßdynamikbereich abhängig vom in einem Elektronenkollektor (4) empfangenen Ausgangssignal (5) des Elektronenvervielfachers variiert, wobei der Ausgang (7) des logarithmischen Verstärkers (6) das Ausgangssignal der Vorrichtung bildet.

2. Vorrichtung zur Verarbeitung des Signals nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektronenvervielfacher eine Scheibe mit Mikrokanälen ist.

3. Anwendung der Vorrichtung zur Verarbeitung des von einem Elektronenvervielfacher empfangenen Signals nach einem der Ansprüche 1 oder 2 auf die Massenspektrometrie.

4. Anwendung der Vorrichtung zur Verarbeitung des von einem Elektronenvervielfacher empfangenen Signals nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 3 auf die Lecksuche, bei der Helium als Testgas verwendet wird.