DE69725394T2 - Elektronenröhre - Google Patents

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Norio Hamamatsu-shi Asakura
Ken Hamamatsu-shi Hirano
Yoshihiko Hamamatsu-shi Kawai
Yutaka Hamamatsu-shi Hasegawa
Tetsuya Hamamatsu-shi Morita
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J43/00Secondary-emission tubes; Electron-multiplier tubes
    • H01J43/04Electron multipliers
    • H01J43/28Vessels, e.g. wall of the tube; Windows; Screens; Suppressing undesired discharges or currents

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  • Common Detailed Techniques For Electron Tubes Or Discharge Tubes (AREA)

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Elektronenröhre. Ausführungsformen der Erfindung betreffen eine Elektronenröhre, die mit einer Erfassungsvorrichtung mit einer Elektroneneintrittsfläche, wie einem Halbleiter-Bauteil, versehen ist, um von einer Photokathode emittierte Elektronen zu multiplizieren und auszugeben.
  • Einschlägige, hintergrundbildende Technik
  • Herkömmlicherweise sind Elektronenröhren bekannt, bei denen von einer Photokathode emittierte Elektronen beschleunigt und durch eine Elektronenlinse beschleunigt werden und dann dafür gesorgt wird, dass sie auf ein Halbleiter-Bauteil fallen, um eine hohe Verstärkung zu erzielen. Derartige Elektronenröhren sind z. B. in USP Nr. 5,120,949, USP Nr. 5,374,826 und von S. Base et al. in "Test Results of the First Proximity Focused Hybrid Photodiode Detector Prototypes", Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, A300 (1994), 93–99 offenbart. Insbesondere offenbart die o. g. Literaturstelle von Base eine Elektronenröhre wie die in der 1 dargestellte. Diese Elektronenröhre verfügt über einen elektrisch isolierenden Kolben 102, der für elektrische Isolierung zwischen einer Anode 100 und einer Kathodenelektrode 101 sorgt. Der Innendurchmesser der Kathodenelektrode 101 ist größer als der des Kolbens 102, wodurch die Photokathode 103 über eine große Fläche verfügt, was es ermöglicht, dass ein Halbleiter-Bauteil 104 eine vergrößerte effektive Fläche (z. B. 100 mm2) aufweist. Demgemäß ist es erkennbar, dass die in der 1 dargestellte Elektronenröhre über große Abmessungen verfügt. Die in dieser Elektronenröhre verwendete Kathodenelektrode 101 besteht aus zwei Stücken zylindrischer Metallteile 101a und 101b mit voneinander verschiedenen Innendurchmessern, die konzentrisch mit einem Zwischenraum dazwischen angeordnet sind.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Nachdem die Erfinder den o. g. Stand der Technik studiert hatten, haben sie die folgenden zu überwindenden Probleme herausgefunden. Die Kathodenelektrode 101 der in der 1 dargestellten Elektronenröhre kann mit ver schiedenen Größen und Formen konfiguriert werden, wenn die zwei Exemplare zylindrischer Metallteile 101a und 101b miteinander kombiniert werden. Dies ist zwar für eine große Elektronenröhre geeignet, da zwischen diesen Metallteilen 101a und 101b ein Zwischenraum ausgebildet werden muss, jedoch kann ein derartiger Zwischenraum bei einer kleinen Elektronenröhre (mit einem Durchmesser von z. B. ungefähr 10 mm) kaum gewährleistet werden. Auch muss, um eine derartige Photokathode 101 zusammenzubauen, jedes von zwei ebenen Blechen gepresst und dann durch Schweißen oder dergleichen dicht zu Zylinderform ausgebildet werden, was niedrigen Wirkungsgrad beim Zusammenbauvorgang ergibt.
  • Demgemäß ist es ein Ziel der Erfindung, eine Elektronenröhre zu schaffen, deren Größe verkleinert werden kann und die über einen Aufbau zum Verbessern der Bearbeitbarkeit bei ihrem Zusammenbauprozess verfügt.
  • Gemäß der Erfindung ist eine Elektronenröhre mit Folgendem geschaffen: einem im Wesentlichen hohlen Grundkörper (12); einer Frontplatte; einer von der Frontplatte getragenen Photokathode zum Emittieren von Elektronen in Reaktion auf darauf einfallendes Licht; einer der Photokathode entgegengesetzten Elektroneneintrittsfläche zum Empfangen der von der Photokathode emittierten Elektronen; einer zwischen der Frontplatte und der Elektroneneintrittsfläche angeordneten Kathodenelektrode, die ein Durchtrittsloch zum Durchlassen der Elektronen von der Photokathode auf die Elektroneneintrittsfläche zu aufweist; wobei ein Verbindungselement zum Verbinden der Frontplatte und der Kathodenelektrode zwischen der Frontplatte und der Kathodenelektrode vorgesehen ist, das aus In, Au, Pb, einer In-Legierung und einer Pb-Legierung ausgewählt ist, und die Kathodenelektrode und der Grundkörper Teil eines Gehäuses der Elektronenröhre bilden.
  • Um die Größe von die Erfindung verwendenden Elektronenröhren zu verkleinern, werden die Kathodenelektrode und der Grundkörper nach dem Schritt des Herstellens der Photokathode (Erwärmung auf ungefähr 300°C) in einer Atmosphäre auf einer Temperatur deutlich unter der beim Schritt zum Herstellen der Photokathode miteinander verbunden. Demgemäß sind als Material für das Verbindungselement Materialien bevorzugt, die sich bei einem Druck von ungefähr 100 kg in der Atmosphäre bei Raumtemperatur ausreichend verformen können, wohingegen Metalle wie Aluminium ungünstig sind.
  • In die Erfindung verkörpernden Elektronenröhren verfügt die Kathodenelektrode über ein Durchgangsloch zum Durchlassen von Photoelektronen von der Photokathode zur Elektroneneintrittsfläche. Die Elektronenröhre verfügt über eine geschweißte Elektrode, die auf der Seite der zweiten Öffnung des Grundkörpers angeordnet ist und zwischen diesem und dem Fuß positioniert ist. Diese geschweißte Elektrode verfügt ebenfalls über ein Durchgangsloch zum Durchlassen der durch das Durchgangsloch der Photokathode durchgelassenen Photoelektronen zur Elektroneneintrittsfläche.
  • Die Erfindung verkörpernde Elektronenröhren können ferner über eine Anode mit einem Durchgangsloch zum Durchlassen der durch die Photokathode durchgelassenen Photoelektronen verfügen (erste Ausführungsform). Diese Anode wird durch die geschweißte Elektrode so gehalten, dass zumindest ein Teil der Anode zwischen der Kathodenelektrode und der Elektroneneintrittsfläche liegt, um dadurch gemeinsam mit der Kathode eine Elektronenlinse zu bilden. Bei der ersten Ausführungsform ist es bevorzugt, dass das Durchgangsloch der Anode eine kleinere Fläche als die Elektroneneintrittsfläche aufweist. Dies aufgrund der Tatsache, dass dann, wenn ein Photoelektron von der Photokathode die Ränder der Elektroneneintrittsfläche erreicht, das Bauteil beeinträchtigt oder geladen wird. Alternativ kann ein Teil der geschweißten Elektrode so konfiguriert sein, dass er als Anode wirkt (zweite Ausführungsform). Auch bei der zweiten Ausführungsform ist es bevorzugt, dass das Durchgangsloch der Anode eine kleinere Fläche als die Elektroneneintrittsfläche aufweist.
  • Außerdem verfügt die geschweißte Elektrode über einen Teil, der durch Widerstandsschweißen mit dem Fuß zu verbinden ist. Der Fuß verfügt über einen Montageabschnitt, der zur Photokathode hin vorsteht, um ein Halbleiter-Bauteil zu halten.
  • Bei die Erfindung verkörpernden Elektronenröhren wird von außen her auf die Frontplatte fallendes Licht durch die Photokathode in Elektronen gewandelt. Während die Umlaufbahn er Elektronen durch einen Elektronenlinseneffekt, zu dem es durch die Kathodenelektrode und die Anode, die zusammenwirken, kommt, konvergiert wird, erreichen die Elektronen die Elektroneneintrittsfläche des Halbleiter-Bauteils oder dergleichen. Hierbei verfügt die Kathodenelektrode über Zylinderform, und sie kann leicht durch ein beliebiges von verschiedenen Integral-Formungsverfahren hergestellt werden, wie Pressformen, Spritzgießen oder Spanabheben. Auch kann, falls erforderlich, leicht eine kleine Kathodenelektrode realisiert werden, was es ermöglicht, die Größe der Elektrode weiter zu verringern. Da betreffend die Kathodenelektrode, den Grundkörper und die geschweißte Elektrode jedes dieser Teile ringförmig ausgebildet ist, können sie leicht konzentrisch aneinander montiert werden. Demgemäß ist, um ein Vakuumgefäß zu bilden, der Zusammenbauvorgang für das Gefäß erleichtert. Da die Elektronenröhre kleiner ist, können Ausführungsformen der Erfindung dem starken Bedarf auf den Gebieten hoher Energie und medizinischer Instrumente genügen, wo 1000 bis 10000 einzelne Elektronenröhren in einem begrenzten Raum angeordnet werden. Auch kann, wenn ein ringförmiges Element aus Indium zwischen der Kathodenelektrode und der Frontplatte im Gefäß angeordnet wird und die Frontplatte (die vorab mit einer Photokathode versehen wird) und die Kathodenelektrode aneinandergedrückt werden, während ein hoher Druck von ungefähr 100 kg auf sie in einer evakuierten Transfervorrichtung (innerhalb einer Vakuumkammer) ausgeübt wird, innerhalb der Elektronenröhre auf einfache Weise ein Vakuumbereich erzeugt werden. Demgemäß ist es nicht erforderlich, dass das Gefäß mit einem Abpumpstutzen versehen wird, und es kann eine große Anzahl von Elektronenröhren innerhalb der Transfervorrichtung erzeugt werden.
  • In diesem Fall ist es bevorzugt, dass die Kathodenelektrode, der Grundkörper und der zylindrische Hauptteil der geschweißten Elektrode im Wesentlichen dieselbe Querschnittsform aufweisen. Bei einer derartigen Konfiguration kann die Außenfläche des Gefäßes frei von Unregelmäßigkeiten gemacht werden, wodurch sich eine einfache Form ohne Rauigkeit ergibt. Demgemäß kann eine Anzahl von Elektronenröhren dicht angeordnet werden. Auch kann die Elektronenröhre einfach gehandhabt werden, während sich eine Struktur ergibt, die Drücken bis zu 150 kg standhält.
  • Auch ist es bevorzugt, dass die Innenumfangs-Wandfläche der Kathodenelektrode auf der Seite der Innenumfangs-Wandfläche des Grundkörpers positioniert ist. Anders gesagt, ist der Innendurchmesser der Kathodenelektrode vorzugsweise kleiner als der sowohl der ersten als auch der zweiten Öffnung im Grundkörper. Bei dieser Konfiguration können an nicht vorgesehenen Orten auf der Seite der Photokathode erzeugte Streuelektronen daran gehindert werden, auf den Grundkörper zu treffen. Demgemäß ist der Grundkörper davor geschützt, durch auftreffende Streuelektronen aufgeladen zu werden, was die Elektronenumlaufbahn beeinflussen würde.
  • Die geschweißte Elektrode wird vorzugsweise durch Widerstandsschweißen mit dem Fuß verbunden. In diesem Fall, wenn nämlich der Fuß durch Widerstandsschweißen mit der geschweißten Elektrode des Gefäßes verbunden ist, kann die zweite Öffnung des Gefäßes leicht durch den Fuß verschlossen werden.
  • Ein Ende des zylindrischen Hauptteils der geschweißten Elektrode ist mit einem ersten, nach außen stehenden Flanschabschnitt (erster Randabschnitt) versehen, wohingegen das andere Ende des zylindrischen Hauptteils mit einem zweiten Flanschabschnitt (zweiter Randabschnitt) versehen ist, der ausgehend von der Innenwand des Grundkörpers nach innen vorsteht, und der Außenumfang des Fußes ist mit einem ausgeschnittenen Randabschnitt versehen, der am ersten Flanschabschnitt der geschweißten Elektrode befestigt ist. Bei dieser Konfiguration kann der Fuß durch einen einfachen Zusammenbauvorgang an der geschweißten Elektrode befestigt werden, bei dem der erste Flanschabschnitt der geschweißten Elektrode durch Widerstandsschweißen mit dem ausgeschnittenen Randabschnitt des Fußes verbunden wird. Ferner kann die Befestigung des Gefäßes (mit der Kathodenelektrode, dem Grundkörper und der geschweißten Elektrode) am Fuß verbessert werden. auch kann, da der zweite Flanschabschnitt der geschweißten Elektrode in die Elektronenröhre hineinsteht, der zweite Flanschabschnitt selbst als Anode wirken (zweite Ausführungsform). Alternativ kann eine Anode mit vorgegebener Form einfach durch Schweißen oder dergleichen am zweiten Flanschabschnitt befestigt werden (zweite Ausführungsform).
  • Ferner verfügt, bei die Erfindung verkörpernden Elektronenröhren (dritte und vierte Ausführungsform) der Grundkörper über mindestens zwei Isolierelemente, von denen jedes über ein Durchgangsloch verfügt, das sich von der Photokathode zur Elektroneneintrittsfläche hin erstreckt, und über mindestens ein dazwischen vorhandenes leitendes Element, nämlich zwischen einander benachbarten Isolierelementen. Das leitende Element verfügt über ein Durchgangsloch, das sich von der ersten zur zweiten Öffnung erstreckt. Der Grundkörper der Elektronenröhre besteht aus Isolier- und leitenden Elementen, die abwechselnd aneinander montiert sind. Bei dieser Konfiguration wird ein Gefäß erhalten, bei dem die Kathodenelektrode an einem Ende (Endabschnitt, wo die erste Öffnung positioniert ist) des Grundkörpers befestigt ist, wohingegen die geschweißte Elektrode am anderen Ende (Endabschnitt, wo die zweite Öffnung positioniert ist) des Grundkörpers befestigt ist.
  • Außerdem ist es bevorzugt, um die von der Photokathode emittierten Photoelektronen zu steuern und um ein Aufladen der Innenwand der Isolierelemente zu verhindern, dass das Durchgangsloch des leitenden Elements über eine kleinere Fläche als das Durchgangsloch jedes Isolierelements verfügt.
  • D. h., dass die Innenumfangs-Wandfläche der Kathodenelektrode auf der Innen seite der Innenumfangs-Wandfläche der Isolierelemte des Grundkörpers positioniert ist, wohingegen das leitende Element (Zwischenelektrode) von der Innenumfangs-Wandfläche der Isolierelemente des Grundkörpers nach innen vorsteht. Bei dieser Konfiguration kann verhindert werden, dass an unvorhergesehenen Stellen auf der Seite der Photokathode erzeugte Streuelektronen auf die Isolierelemente des Grundkörpers treffen. Demgemäß kann verhindert werden, dass die Isolierelemente durch auftreffende Streuelektronen geladen werden, was die Elektronenumlaufbahn beeinflussen würde.
  • Auch ist es bevorzugt, dass an die Kathodenelektrode und die Photokathode gelegte Spannungen gleich sind, an die Anode (oder einen Teil der geschweißten Elektrode) und die geschweißte Elektrode angelegte Spannungen gleich sind und eine vorbestimmte Spannung, die nicht unter der liegt, wie sie an die Kathodenelektrode gelegt wird, jedoch nicht höher als die, wie sie an die Anode gelegt wird, an die Zwischenelektrode gelegt wird. Bei dieser Konfiguration tritt ein dielektrischer Durchschlag selbst dann nicht auf, wenn eine starke negative Spannung an die Photokathode angelegt wird.
  • Die Erfindung wird aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen, die nur zur Veranschaulichung angegeben werden und nicht als die Erfindung beschränkend zu betrachten sind, vollständiger zu verstehen sein.
  • Der weitere Anwendungsumfang der Erfindung wird aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung ersichtlich. Jedoch ist zu beachten, dass die detaillierte Beschreibung und die speziellen Beispiele, während sie zwar bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung angeben, nur zur Veranschaulichung angegeben sind, da dem Fachmann aus dieser detaillierten Beschreibung verschiedene Änderungen und Modifizierungen innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung erkennbar sind.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist eine Ansicht, die eine Konfiguration einer herkömmlichen Elektronenröhre im Schnitt zeigt;
  • 2 ist eine perspektivische Ansicht, die eine geschnittene Teilkonfiguration einer Elektronenröhre gemäß einer Ausführungsform der Erfindung (erste Ausführungsform) zeigt;
  • 3 ist eine Ansicht, die eine Schnittkonfiguration der Elektronenröhre gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung entlang einer Linie I-I in der 2 zeigt;
  • 4 ist eine Ansicht, die eine Schnittkonfiguration eines Halbleiter-Bauteils (APD) in der in der 3 dargestellten Elektronenröhre gemäß der ersten Ausführungsform zeigt;
  • 5 ist eine Ansicht zum Erläutern eines Zusammenbauprozesses einer die Erfindung verkörpernden Elektronenröhre (erste Ausführungsform);
  • 6 ist eine Schnittansicht, die die Konfiguration einer Elektronenröhre gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung in einem Schnitt zeigt, der demjenigen entlang der Linie I-I entspricht, wie er in der 2 dargestellt ist;
  • 7 ist eine Ansicht, die eine Schnittkonfiguration eines Halbleiter-Bauteils (PD) in der Elektronenröhre gemäß der in der 6 dargestellten zweiten Ausführungsform zeigt;
  • 8 ist eine Draufsicht, die ein modifiziertes Beispiel einer Anode in der Elektronenröhre gemäß der in der 6 dargestellten zweiten Ausführungsform zeigt;
  • 9 ist eine Schnittansicht, die die Konfiguration der Anode entlang einer Linie II-II in der 8 zeigt;
  • 10 ist eine Schnittansicht, die die Konfiguration der Elektronenröhre gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung in einem Schnitt zeigt, der demjenigen entlang der in der 2 dargestellten Linie I-I entspricht;
  • 11 ist eine Ansicht zum Erläutern eines Zusammenbauprozesses für eine die Erfindung verkörpernde Elektronenröhre (dritte Ausführungsform); und
  • 12 ist eine Schnittansicht, die die Konfiguration der Elektronenröhre gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung in einem Schnitt zeigt, der dem entlang der in der 2 dargestellten Linie I-I entspricht.
  • BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Nachfolgend werden Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die 2 bis 12 erläutert.
  • Die 2 ist eine perspektivische Ansicht, die einen Teilschnitt einer Elektronenröhre 1 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt. Die 3 ist eine Schnittansicht, die die Konfiguration der Elektronenröhre 1 gemäß der ersten Ausführungsform entlang einer Linie I-I in der 2 zeigt. Wie es in den 2 und 3 dargestellt ist, verfügt die Elektronenröhre 1 über ein zylindrisches Gefäß 10. Das Gefäß 10 besteht aus einer ringförmigen Kathodenelektrode 11, die aus einem gut leitenden Kovarmetall durch irgendeines von verschiedenen Integral-Formungsverfahren hergestellt wird, wie Pressformen, Spritzgießen oder Spanabheben; einem ringförmigen Grundkörper 12 aus einem elektrisch isolierenden Material (z. B. Keramik); und einer ringförmigen, geschweißten Elektrode 13 aus einem Kovarmetall. Diese Teile 11, 12 und 13 sind so aneinander montiert, dass ihre Mittelachsen AX zusammenfallen. Während der Grundkörper 12 zwischen der Kathodenelektrode 11 und der geschweißten Elektrode 13 angeordnet ist, stößt ein Ende des Grundkörpers 12 (auf der Seite einer ersten Öffnung 14) an eine flache Stirnfläche 11a der Kathodenelektrode 11 an und wird dann durch Hartlöten oder dergleichen daran befestigt. Das andere Ende des Grundkörpers 12 (auf der Seite einer zweiten Öffnung 15) wird gegen eine flache Stirnfläche 13a der geschweißten Elektrode 13 angeschlagen und dann dort durch Hartlöten oder dergleichen befestigt. Demgemäß enthält das Gefäß 10 die Kathodenelektrode 11, den Grundkörper 12 und die geschweißte Elektrode 13, die durch Hartlöten leicht miteinander vereint werden können.
  • Ferner verfügen die Kathodenelektrode 11, der Grundkörper 12 und ein zylindrischer Hauptteil 13A der geschweißten Elektrode 13 über im Wesentlichen dieselbe Querschnittsform (z. B. Kreisform mit einem Durchmesser von hier 14 mm). Demgemäß kann die Außenseite des Gefäßes 10 frei von Unregelmäßigkeiten gemacht werden, wobei sich eine einfache Form ohne Rauigkeit ergibt. Im Ergebnis wird eine einfach handhabbare Elektronenröhre erhalten, und es kann eine Anzahl derartiger Elektronenröhren selbst in einem engen Raum dicht angeordnet werden. Auch verfügt die so erhaltene Elektronenröhre über eine Struktur, die hohem Druck standhält. Hierbei können die ringförmige Kathodenelektrode 11, der Grundkörper 12 und die geschweißte Elektrode 13 über eine polygonale Querschnittsform verfügen.
  • Eine Innenumfangs-Wandfläche 11b der Kathodenelektrode 11 ist auf der Innenseite einer Innenwandfläche 12a des Grundkörpers (Isolierelement) 12 positioniert, wobei der Innendurchmesser der Kathodenelektrode 11 kleiner als derjenige des Isolierelements 12 ist. Anders gesagt, verfügt das Durchgangsloch der Kathodenelektrode 11 über eine kleinere Fläche als sowohl die erste als auch die zweite Öffnung im Grundkörper 12. Demgemäß kann verhindert werden, dass an nicht vorgesehenen Stellen auf der Seite einer Photokathode 22, die später erläutert wird, erzeugte Streuelektronen auf den Grundkörper 12 treffen. Demgemäß wird verhindert, dass der Grundkörper 12 durch auf ihn auftreffende Streuelektronen geladen wird, was die Elektronenumlaufbahn beeinflussen würde. Hierbei verfügt jedes der Durchgangslöcher 11b und 12a über kreisförmigen Querschnitt. Die Innendurchmesser der Kathodenelektrode 11 und des Grundkörpers 12 betragen z. B. 10 mm bzw. 11 mm.
  • Die Durchgangslöcher 11b und 12a können entweder gleiche oder verschiedene Querschnittsformen aufweisen, und sie können entweder kreisförmig oder polygonal sein. Hierbei beträgt die Länge der Kathodenelektrode 11 vorzugsweise 3,5 mm, wohingegen die Länge des Grundkörpers 12 vorzugsweise 6,5 mm beträgt.
  • An der Kathodenelektrode 11 im Gefäß 10 ist eine Frontplatte 21 aus Glas, die Licht durchlässt, fest angebracht. Die Frontplatte 21 verfügt an der Innenfläche über eine Photokathode 22, und sie ist an einem Ende des Gefäßes 10 angebracht (auf der Seite der ersten Öffnung 14 im Grundkörper 12). Nachdem die Photokathode 22 hergestellt wurde, wird die Frontplatte 21 durch ein Verbindungselement (Verbindungsring) 23 aus einem metallischen Material, das aus der aus In, Au, Pb, In enthaltenden enthaltenden Legierungen und Pb enthaltenden Legierungen bestehenden Gruppe ausgewählt ist, mit der Kathodenelektrode 11 integriert. Am Umfangsabschnitt der Photokathode 22 ist eine Elektrode 25 aus einer Dünnschicht aus Chrom angebracht, um die Photokathode 22 und das Indium enthaltende Verbindungselement 23 (nachfolgend als "Indiumring" bezeichnet) elektrisch zu verbinden. Der Innendurchmesser der Elektrode 25, nämlich 8 mm, definiert den effektiven Durchmesser der Photokathode 22. Der Indiumring 23 ist so ausgebildet, dass er von der Innenseitenfläche eines hohlzylindrischen Hilfselements 24 (leitendes Material) vorsteht. Wenn der Indiumring 23 und die Frontplatte 21 aufeinanderfolgend auf der Kathodenelektrode 11 angeordnet werden und dann die Kathodenelektrode 11 und die Frontplatte 21 mit einem hohem Druck von ungefähr 100 kg gegeneinander gedrückt werden, verformt sich der Indiumring 23 und wirkt als Kleber, wodurch die Frontplatte 21 mit dem Gefäß 10 integriert wird. Das Hilfselement 24 wirkt nicht nur dahingehend, zu verhindern, dass der Indiumring 23, wenn er sich bei einem auf ihn ausgeübten Druck verformt, zur Außenseite vorsteht, sondern er wirkt auch als Elektrode, um eine vorbestimmte Spannung an die Photokathode 22 anzulegen.
  • Als Material für das Klebeelement 23 sind, da die Kathodenelektrode 11 und die Frontplatte 21 mit der Photokathode 22 nach dem Herstellprozess der Photokathode 22 miteinander verbunden werden, Materialien bevorzugt, die sich bei einem Druck von ungefähr 100 kg in der Atmosphäre bei Raumtemperatur ausreichend verformen können, wohingegen harte Metalle wie Aluminium ungünstig sind.
  • An der geschweißten Elektrode 13 im Gefäß 10 ist ein scheibenförmiger Fuß 31 aus einem leitenden Material (z. B. Kovarmetall) fest angebracht. Der Fuß 31 ist am anderen Ende des Gefäßes 10 angebracht (auf der Seite der zweiten Öffnung 15 im Grundkörper 12). Hierbei ist ein Ende des zylindrischen Hauptteils 13A der geschweißten Elektrode 13 mit einem kreisförmigen ersten Flanschabschnitt 13B versehen, der nach außen vorsteht, um zur Verbindung mit dem Fuß 31 verwendet zu werden, wohingegen das andere Ende des zylindrischen Hauptteils 13A der geschweißten Elektrode 13 mit einem kreisförmigen zweiten Flanschabschnitt 13C versehen ist, der nach innen vorsteht, um zur Verbindung mit dem Grundkörper 12 verwendet zu werden. Am Außenumfang des Fußes 31 ist ein ausgeschnittener Randabschnitt 31a für Befestigung am ersten Flanschabschnitt 13B ausgebildet. Demgemäß können die geschweißte Elektrode 13 und der Fuß 31 durch einen einfachen Zusammenbauvorgang leicht miteinander verbunden werden, bei dem der erste Flanschabschnitt 13B der geschweißten Elektrode 13 durch Widerstandsverschweißen mit dem ausgeschnittenen Randabschnitt 31a des Fußes 31 verbunden wird. Auch ist bei dieser Konfiguration die Befestigung des Gefäßes 10 am Fuß 31 ziemlich verbessert. Am Fuß 31 ist ein durch ein Glaselement 34 isolierter Zuführungsstift 32 befestigt. Die Elektronenröhre 1 wird durch das Gefäß 10, die Frontplatte 21 und den Fuß 31 integral gebildet, so dass in ihrem Inneren ein Vakuumzustand aufrechterhalten bleibt.
  • Ferner wird, wie es in der 4 dargestellt ist, ein als APD (avalanche photodiode) wirkendes Halbleiter-Bauteil mittels eines leitenden Klebers 50 an einer Montagefläche 310 des Fußes 31 befestigt. Das Halbleiter-Bauteil 40 verfügt, als Substratmaterial, über ein Siliciumsubstrat 31, das eine hohe Konzentration eines n-Dotierstoffs enthält. Im zentralen Teil des Sub strats 41 befindet sich eine scheibenförmige Ladungsträger-Multiplikationsschicht 42 vom p-Typ. Am Außenumfang der Ladungsträger-Multiplikationsschicht 42 befindet sich eine Schutzringschicht 43 mit derselben Dicke wie der der Ladungsträger-Multiplikationsschicht 42, und sie enthält eine hohe Konzentration eines n-Dotierstoffs. Auf der Oberfläche der Ladungsträger-Multiplikationsschicht 42 ist eine Durchbruchsspannungs-Steuerschicht 44 ausgebildet, die eine hohe Konzentration eines p-Dotierstoffs enthält. Die Oberfläche der Durchbruchsspannungs-Steuerschicht 44 ist als Elektroneneintrittsfläche 44a ausgebildet. Ein Oxidfilm 45 und ein Nitridfilm 46 sind so ausgebildet, dass sie den Umfangsabschnitt der Durchbruchsspannungs-Steuerschicht 44 und der Schutzringschicht 43 miteinander verbinden. Auf der äußersten Fläche des Halbleiter-Bauteils 40 sind eine Elektrode 47, die durch kreisförmiges Abscheiden von Aluminium hergestellt wurde, um ein Anodenpotenzial an die Durchbruchsspannungs-Steuerschicht 44 anzulegen, und eine Umfangselektrode 48 für Verbindung mit der Schutzringschicht 43 angeordnet. Die Umfangselektrode 48 ist um einen vorbestimmten Abstand von der Elektrode 47 beabstandet. Vorzugsweise ist die Elektroneneintrittsfläche 44a innerhalb der Öffnung der Eintrittsflächenelektrode 47 positioniert, und sie verfügt über einen Durchmesser von ungefähr 3 mm.
  • Das n-Siliciumsubstrat 41 des Halbleiter-Bauteils 40 ist durch einen leitenden Kleber 50 am Fuß 31 befestigt. Da leitender Kleber 50 verwendet ist, sind der Fuß 31 und das n-Substrat 41 elektrisch miteinander verbunden. Mittels eines Drahts 33 wird die Elektrode 47 mit dem gegen den Fuß 31 isolierten Zuleitungsstift 32 verbunden.
  • Wie es in den 2 bis 4 dargestellt ist, ist bei der die Erfindung verkörpernden Elektronenröhre 1 zwischen dem Halbleiter-Bauteil 40 und der Photokathode 22 eine planare Anode 60 angeordnet. Der Außenumfangs-Endabschnitt der Anode 60 ist mit dem zweiten Flanschabschnitt 13C der geschweißten Elektrode 13 verbunden. Auch ist die Anode 60 im Grundkörper 12 auf der Seite der zweiten Öffnung 15 positioniert, und sie besteht aus einem gepressten, dünnen Blech aus rostfreiem Material mit einer Dicke von 0,3 mm. Vorzugsweise beträgt er Abstand zwischen der Anode 60 und dem Halbleiter-Bauteil 40 1 mm.
  • Im Zentrum der Anode 60, d. h. im der Elektroneneintrittsfläche 44a des Halbleiter-Bauteils 40 gegenüberstehenden Bereich, ist ein Öffnungsabschnitt 61 ausgebildet. Ferner ist integral mit der Anode 60 ein zylindrischer Kollimatorabschnitt (Kollimatorelektrode) 62 ausgebildet, der zur Photokathode 22 hin vorsteht, um den Öffnungsabschnitt 61 zu umgeben. Der Kollimatorabschnitt 62 ist so angeordnet, dass er zur Photokathode 22 hin vorsteht und den Öffnungsabschnitt 61 umgibt. Vorzugsweise verfügt der Kollimatorabschnitt 62 über einen Innendurchmesser von 2,5 mm und eine Höhe von 1,5 mm. Hierbei kann die Anode 60 aus einer Verlängerung des zweiten Flanschabschnitts 13C der geschweißten Elektrode 13 vorab hergestellt werden, so dass die geschweißte Elektrode 13 auch als Anode 60 dienen kann.
  • Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 5 ein Zusammenbauprozess für die Elektronenröhre 1 (erste Ausführungsform) erläutert. Als Erstes wird das Halbleiter-Bauteil 40 durch Die-bonden mit dem Fuß 31 verbunden. Anschließend werden die Elektrode 47 und der Zuleitungsstift 32 durch den Draht 33 miteinander verbunden. Andererseits wird die Anode 60 durch Widerstandsschweißen mit der geschweißten Elektrode 13 im Gefäß verbunden, und die geschweißte Elektrode 13 und der Fuß 31 werden durch Widerstandsschweißen aneinander befestigt. Dann werden die Frontplatte 21, der Indiumring 23 und das Gefäß 10, in dem der Fuß 31 und die Kathodenelektrode 11 miteinander integriert sind, gesondert in eine Vakuumvorrichtung (Vakuumkammer) eingegeben, wie sie als Transfervorrichtung bekannt ist. Dann wird, nach einem Brennen in einer Vakuumkammer für ungefähr zehn Stunden bei 300°C, eine Seite der Frontplatte 21 mit der Photokathode 22 versehen. Um die Photokathode 22 herzustellen, werden nach einer Dampfabscheidung von Antimon Dämpfe von Kalium, Natrium und Cäsium sukzessive eingeleitet. Alternativ kann die Herstellung erfolgen, wenn Cäsiumdampf und Sauerstoff abwechselnd auf einen GaAs-Kristall geleitet werden, der zuvor mit der Frontplatte 21 integriert wurde.
  • Das Gefäß 10 und die bereits mit der Photokathode 33 versehene Frontplatte 21 werden durch den Indiumring 23 miteinander verbunden. Wenn ein Druck von ungefähr 100 kg auf diese Baugruppe (auf die Frontplatte 21 und den Fuß 31 in den durch Pfeile A und B in der 11 gekennzeichneten Richtungen) ausgeübt wird, wird der Indiumring 23, der das weichste Teil darin ist, zusammengedrückt. Hierbei wird der Spalt zwischen der Frontplatte 21 und der Kathodenelektrode 11, in dem der Indiumring 23 positioniert ist, durch den Hilfsring 24 abgedichtet. Im Ergebnis wirkt der Indiumring 23 als Kleber. Demgemäß wird, wenn das Innere der Vorrichtung in einem evakuierten Zustand gehalten wird, in der Elektronenröhre 1 ein Vakuum erzeugt. Schließlich wird dafür gesorgt, dass das Vakuum in der Transfervorrichtung abgebaut wird, um dadurch eine Reihe von Schritten abzuschließen. Typischerweise werden beim Herstellen der Elektronenröhre 1 in der Transfervor richtung Materialien für ungefähr 50 einzelne Elektronenröhren auf einmal zum Herstellen der Photokathode 22 eingegeben. Demgemäß kann durch ein derartiges Verfahren eine große Menge von Elektronenröhren 1 homogen zu geringen Kosten hergestellt werden.
  • Wie es in den 2 und 3 dargestellt ist, wird in der Elektronenröhre 1 eine Spannung von –8 kV an die Photokathode 22 und die Kathodenelektrode 11 angelegt, wohingegen die Anode 60 mit 0 V versorgt wird (geerdet wird). Hierbei wirken die Kathodenelektrode 11 und die Anode 60 so zusammen, dass sie eine Elektronenlinse bilden. Die von der Photokathode 22 mit einem effektiven Durchmesser von 8 mm emittierten Photoelektronen werden in ihrem Ausmaß auf einen Durchmesser von 2 mm verringert, der kleiner als der Innendurchmesser des Kollimatorabschnitts 62 ist, und dann werden sie auf die Elektroneneintrittsfläche 44a des Halbleiter-Bauteils 40 geleitet. Andererseits wird, um eine Sperrvorspannung an den pn-Übergang im Halbleiter-Bauteil 40 anzulegen, eine Spannung von –150 V an die Durchbruchsspannungs-Steuerschicht (Anode) 44 des Halbleiter-Bauteils 40 angelegt, wohingegen an das Siliciumsubstrat (Kathode) 41 0 V angelegt werden (es wird geerdet). Demgemäß wird in der APD eine Avalanche-Multiplikationsverstärkung von ungefähr 50 erzielt.
  • Wenn Licht auf die Elektronenröhre 1 fällt, wird von der Photokathode 22 ein Photoelektron in das Vakuum emittiert. Das so emittierte Photoelektron wird durch die Elektronenlinse beschleunigt und konvergiert, um mit einer Energie von 8 keV auf die Elektroneneintrittsfläche 44a der APD 40 zu fallen. Da dieses Photoelektron jedesmal dann, wenn es innerhalb der APD 40 3,6 eV an Energie verliert, ein Elektron-Loch-Paar erzeugt, wird es in diesem anfänglichen Multiplikationsschritt um ungefähr 2000 multipliziert und dann um 50 bei der anschließenden Avalanche-Multiplikation, wodurch sich eine Gesamtverstärkung von ungefähr 1 × 105 ergibt.
  • Der anfängliche Multiplikationsfaktor der Elektronenröhre 1 beträgt ungefähr 2000, was um ungefähr drei Größenordnungen höher als der eines typischen Photovervielfachers ist, wodurch eine Erfassung mit einem sehr hohen S/R-Verhältnis möglich ist. In der Praxis wird, wenn ungefähr vier Elektronen im Mittel auf sehr schwaches, impulsförmiges, auf die Photokathode 22 fallendes Licht von dieser emittiert werden, die Anzahl der Eingangs-Photoelektronen (Anzahl einfallender Photonen), die durch die herkömmliche PMT nicht unterscheidbar war, erkennbar. Eine derartige durch die o. g. Elektronenröhre 1 erzielte Eigenschaft ist ziemlich effektiv, um quantitativ von einem spurenförmigen Biomaterial emittierte Fluoreszenz zu beobachten. Auch ist es für die Elektronenröhre 1 selbst ziemlich bedeutsam, stabil über eine lange Zeitperiode zu arbeiten.
  • Bei der Elektronenröhre 1 gemäß der ersten Ausführungsform wird eine Spannung von –150 V von einer Spannungsversorgung über den Zuleitungsstift 32, den Draht 33 und die Eintrittsflächenelektrode 47 an die Elektroneneintrittsfläche 44a des Halbleiter-Bauteils 40 angelegt. Andererseits wird eine Spannung von 0 V über die geschweißte Elektrode 13 an die Anode 60 angelegt. D. h., dass die Anode 60 ein positives Potenzial in Bezug auf die Elektroneneintrittsfläche 44a des Halbleiter-Bauteils 40 aufweist. Demgemäß wird ein an der Elektroneneintrittsfläche 44a erzeugtes positives Ion einer Sperrvorspannung unterzogen, wodurch das so erzeugte positive Ion nicht durch den Öffnungsabschnitt 61 der Anode 60 zur Photokathode 22 oder das Gefäß 10 zurückkehren kann.
  • D. h., dass, da die Anode 60 auf einem positiven Potenzial in Bezug auf die Elektroneneintrittsfläche 44a, d. h. einem Sperrpotenzial hinsichtlich des an der Elektroneneintrittsfläche 44a erzeugten positiven Ions, gehalten wird, ein derartiges, an der Elektroneneintrittsfläche 44a erzeugtes positive Ion nicht zur Photokathode 22 oder zum isolierenden Abschnitt im Grundkörper 12 des Gefäßes jenseits der Anode 60 zurückkehren kann. Demgemäß wird die Photokathode 22 der Elektronenröhre 1 nicht durch eine derartige Ionen-Rückführung beeinflusst und wird daher nicht durch Langzeitbetrieb beeinträchtigt. Ferner ist, da ein positives Ion auch nicht zum isolierenden Teil des Gefäßes 10 zurückkehrt, eine Aufladung des Letzteren verhindert. Demgemäß beeinflusst das positive Ion weder die Umlaufbahn von Elektronen, die von der Photokathode 22 emittiert werden, um das Halbleiter-Bauteil 40 zu erreichen, noch werden Sekundärelektronen vom Gefäß 10 emittiert, um Pseudosignale zu erzeugen. Demgemäß realisiert die Elektronenröhre einen ziemlich stabilen Betrieb über eine lange Zeitperiode.
  • Hierbei wird, wenn angenommen wird, dass die an der Elektroneneintrittsfläche 44a des Halbleiter-Bauteils 40 erzeugten Ionen zur Photokathode 22 zurückkehren, da ein positives Ion mit einer Energie vom hohen Wert von ungefähr 8 keV aufgrund der Potenzialdifferenz zwischen der Photokathode 22 und der Elektroneneintrittsfläche 44a zur Photokathode 22 zurückkehrt, das die Photokathode 22 bildende Material durch das positive Ion gesputtert. Demgemäß nimmt, wenn die an der Elektroneneintrittsfläche 44a erzeugten Ionen zur Photokathode 22 zurückkehren, die Empfindlichkeit derselben selbst bei Kurzzeitbetrieb merklich ab.
  • Nachfolgend wird, unter Bezugnahme auf die 6 und 7, die Konfiguration einer Elektronenröhre 100 gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung erläutert. Nachfolgend werden, während Unterschiede gegenüber der ersten Ausführungsform erläutert werden, die Bauteile in den Zeichnungen, die mit denen der Elektronenröhre 1 gemäß der ersten Ausführungsform identisch oder zu diesen entsprechend sind, mit identischen Bezugszeichen bezeichnet, ohne dass überlappende Erläuterungen wiederholt würden. Auch ist der Zusammenbauprozess für die Elektronenröhre 100 gemäß der zweiten Ausführungsform ähnlich demjenigen bei der ersten Ausführungsform, wie in der 5 veranschaulicht.
  • Wie es in der 6 dargestellt ist, unterscheidet sich die Elektronenröhre 100 von der Elektronenröhre 1 dadurch, dass die Länge der Kathodenelektrode 11 2 mm beträgt, die Länge des Grundkörpers 12 8 mm beträgt, der Durchmesser eines Öffnungsabschnitts 71 einer Anode 70 7 mm beträgt und als Halbleiter-Bauteil 80 eine PD (Photodiode) verwendet wird. Bei dieser Ausführungsform ist der Betrieb der Elektronenlinse geändert, da die Länge der Kathodenelektrode 11 geändert ist, wodurch das Ausmaß, mit dem von der Photokathode 22 mit einem effektiven Durchmesser von 8 mm emittierte Elektronen konvergiert werden, einem Durchmesser von ungefähr 5 mm entspricht, wobei dafür gesorgt wird, dass sie auf as Halbleiter-Bauteil 80 fallen. Ferner wird die Anode 70 (Teil der geschweißten Elektrode 13) vorab aus einer Verlängerung des zweiten Flanschabschnitts 13C der geschweißten Elektrode 13 hergestellt, so dass die geschweißte Elektrode 13 auch als Anode 70 dienen kann.
  • Es wird davon ausgegangen, dass die so konfigurierte Elektronenröhre 100 auch in einem starken Magnetfeld über 1 T (Tesla) anwenbar ist. In einem derartig starken Magnetfeld ist die Laufrichtung von Elektronen alleine durch die Richtung des Magnetfelds bestimmt, und das elektrische Feld kann nur zum Beschleunigen der Elektronen verwendet werden. D. h., dass in einem derartig starken Magnetfeld keine durch das elektrische Feld erzeugte Elektronenlinse wirken kann. Demgemäß ist der wesentliche, effektive Durchmesser der Photokathode 22 durch die Größe der Elektroneneintrittsfläche 84a es Halbleiter-Bauteils 80 beschränkt. So ist, um den effektiven Durchmesser der Photokathode 22 so groß wie möglich zu halten, ein Halbleiter-Bauteil 80 mit einer großen Elektroneneintrittsfläche 84a erforderlich.
  • Wie es in der 7 dargestellt ist, verfügt das Halbleiter-Bauteil 80, d. h. die PD, über einen Diffusionswafer als Substrat 82, in dem Phosphor, d. h. ein n-Fremdstoff, mit hoher Konzentration von der Rückseite eines n-Wafers mit hohem Widerstand her tief verteilt ist. Eine hohe Phosphorkonzentration wird durch Ionenimplantation in den Umfangsabschnitt der Oberfläche des Substrats 82 eingebracht, dessen Rückseite zu einer Kontaktschicht 81 hoher n-Konzentration wurde, um eine n-Kanalstoppschicht 83 zu bilden. Es wird eine hohe Konzentration an Bor im zentralen Abschnitt in die Oberfläche des Substrats 82 diffundiert, um eine scheibenförmige p-Eintrittsflächenschicht (Durchbruchsspannungs-Steuerschicht) 84 auszubilden. Am Umfangsabschnitt der Eintrittsflächenschicht 84 werden ein Oxidfilm 85 und ein Nitridfilm 86 ausgebildet, die die Oberfläche der Kanalstoppschicht 83 bedecken. Ferner wird in Kontakt mit der Eintrittsflächenschicht 84 eine Eintrittsflächenelektrode 87 aus einem Metallfilm angebracht, um eine Spannung an die Eintrittsflächenschicht 84 anzulegen. An einer von der Eintrittsflächenelektrode 87 beabstandeten Position befindet sich eine Antistatikelektrode 88 aus einem Aluminiumfilm in Kontakt mit der Kanalstoppschicht 83. Die Elektroneneintrittsfläche 84a der PD 80 ist im Wesentlichen durch den Innendurchmesser der Eintrittsflächenelektrode 87 bestimmt. Vorzugsweise beträgt der Durchmesser der Elektroneneintrittsfläche 84a 7,2 mm.
  • Hierbei wird in der Elektronenröhre 100 eine Spannung von –8 kV an die Photokathode 22 und die Kathodenelektrode 11 angelegt, wohingegen 0 V an die Anode 10 angelegt wird. Dabei wirken die Kathodenelektrode 11 und die Anode 70 so zusammen, dass sie eine Elektronenlinse bilden. Die von der Photokathode 22 mit einem effektiven Durchmesser von 8 mm emittierten Photoelektronen werden hinsichtlich ihrer Erstreckung auf einen Durchmesser von 5 mm verkleinert, der kleiner als der Innendurchmesser des Öffnungsabschnitts 71 der Anode 70 ist, und dann werden sie auf die Elektroneneintrittsfläche 84a des Halbleiter-Bauteils 80, d. h. der PD, geführt. Andererseits wird, um eine Sperrvorspannung an den pn-Übergang der PD 80 zu legen, eine Spannung von –50 V an deren Anodenseite geliefert, wohingegen 0 V an ihre Kathodenseite geliefert wird.
  • Wenn Licht auf die so konfigurierte Elektronenröhre 100 fällt, wird von der Photokathode 22 ein Photoelektron in das Vakuum (innerhalb der Elektronenröhre 100) emittiert. Durch die durch die Kathodenelektrode 11 und die Anode 70 gebildete Elektronenlinse wird das so emittierte Photoelektron beschleunigt, während seine Umlaufbahn konvergiert. Nachdem das Photoelektron durch den Öffnungsabschnitt 71 der Anode 70 gelaufen ist, wird dafür ge sorgt, dass es mit einer Energie von 8 keV auf die PD 80 fällt. Da dieses Photoelektron jedesmal dann, wenn es innerhalb der PD 80 3,6 eV an Energie verliert, ein Elektron-Loch-Paar erzeugt, wird es mit ungefähr 2000 multipliziert, was zur Verstärkung der Elektronenröhre 100 wird.
  • Die o. g. Elektronenröhre 100, bei der die Frontplatte 21 über eine große Lichtempfangsfläche verfügt, kann in einem starken Magnetfeld stabil arbeiten, und sie kann bei Hochenergieversuchen unter Verwendung eines Beschleunigers verwendet werden. Bei einem Beispiel derartiger Versuche werden 10000 einzelne Elektronenröhren innerhalb einer Versuchsvorrichtung angebracht, die ein starkes Magnetfeld von 4 T (Tesla) erzeugt, um von einem Szintillator emittiertes Licht zu erfassen. Wenn eine Anzahl von Elektronenröhren für den versuch in einem begrenzten Raum angeordnet wird, ist es bedeutsam, dass die Elektronenröhren eine kleine Größe und gleichmäßige Eigenschaften aufweisen. Da die Elektronenröhre 100 eine vakuumabdichtungstechnik unter Verwendung des Indiumrings 23 verwendet, kann sie mit kleiner Größe hergestellt werden. Auch können, da eine große Anzahl von Elektronenröhren 100 in einer Transfervorrichtung gleichzeitig hergestellt werden kann, homogene Elektronenröhren mit gleichmäßigen Eigenschaften hinsichtlich der Empfindlichkeit der Photokathode 22 und dergleichen realisiert werden.
  • Ferner kann in der Elektronenröhre 100, da kein Abschirmungselement vorhanden ist, das das von der Photokathode 22 emittierte Photoelektron sperren würde, selbst in einem starken Magnetfeld ein großer effektiver Durchmesser erzielt werden. Im Allgemeinen kann in einem starken Magnetfeld von ungefähr 4 T keine durch ein elektrisches Feld erzeugte Elektronenlinse arbeiten, wodurch ein von der Photokathode 22 emittiertes Photoelektron nicht durch ein elektrisches Feld auf eine kleine Fläche konvergiert werden kann. Demgemäß sind in der Elektronenröhre 100, die hinsichtlich eines derartigen Einsatzes tolerant ist, die Photokathode 22 mit einem effektiven Durchmesser von 8 mm und das Halbleiter-Bauteil 80 mit einer Elektroneneintrittsfläche 84a mit einem effektiven Durchmesser von 7,2 mm, der im Wesentlichen dem Erstgenannten entspricht, angeordnet, wohingegen dazwischen nur die Anode 70 (Teil der geschweißten Elektrode 13) mit einem Öffnungsabschnitt mit einem Durchmesser von 7 mm angeordnet ist. Wenn die Elektronenröhre 100 in einem starken Magnetfeld von 4 T mit derselben Richtung wie der des einfallenden Lichts (Übereinstimmung mit AX, wie in der 2 dargestellt) betrieben wird, wird dafür gesorgt, dass ein vom zentralen Bereich der Photokathode 22 (Abschnitt mit einem Durchmesser von 7 mm) emittiertes Elek tron ohne Sperrung auf das Halbleiter-Bauteil 80 fällt. Demgemäß kann in der Elektronenröhre 100 in einem starken Magnetfeld ein effektiver Durchmesser von 7 mm erzielt werden. Selbstverständlich kann in einem derartigen starken Magnetfeld ein typischer Photomultiplier (PMT) nicht verwendet werden.
  • Die Erfindung soll nicht auf die vorstehenden Ausführungsformen beschränkt sein. Z. B. kann bei der Elektronenröhre 100 gemäß der zweiten Ausführungsform, wie es in den 8 und 9 dargestellt ist, eine gitterförmige Maschenelektrode 72 im Öffnungsabschnitt 71 der Anode 70 (Teil der geschweißten Elektrode 13) angeordnet sein. Um die Maschenelektrode 72 herzustellen, wird die aus rostfreiem Material bestehende Anode 70 teilweise geätzt. In diesem Fall betragen die Leitungsbreite und Schrittweite der Maschenelektrode 72 50 μm bzw. 1,5 mm. Elektronen werden mit einer Rate entsprechend dem Verhältnis der Öffnungsfläche (93% = 1,5 – 0,05)2/(1,5)2×100) der Maschenelektrode 72 durch diese hindurchgestrahlt.
  • Die Maschenelektrode 72 wird im Öffnungsabschnitt 71 der Anode 70 angeordnet, da dieser hinsichtlich der Elektroneneintrittsfläche 84a des Halbleiter-Bauteils 80 vergrößert ist. Dies beruht nämlich auf der Tatsache, dass dann, wenn der Öffnungsabschnitt 71 der Anode 70 groß gemacht ist, das Tal des Minus-Potenzials auf der Seite der Photokathode 22 vom Öffnungsabschnitt 71 her durch die Anode 70 durchdringt, wodurch sich der Effekt zum Unterdrücken der Rückführung eines an der Elektroneneintrittsfläche 84a des Halbleiter-Bauteils 80 erzeugten positiven Ions verringert. Wenn die Maschenelektrode 72 zusätzlich vorhanden ist, kann verhindert werden, dass das Minus-Potenzial von der Photokathode 22 in die Elektroneneintrittsfläche 84a durchgreift, wodurch der Effekt zum Unterdrücken der Ionenrückführung aufrechterhalten werden kann. Hierbei ist der maximale Durchmesser des Öffnungsabschnitts 71 der Anode 70 kleiner als die Elektroneneintrittsfläche 84a der PD 80.
  • Wie vorstehend erläutert, ist, gemäß den Ausführungsformen der Erfindung (erste und zweite Ausführungsform) das Gefäß so konfiguriert, dass es über Folgendes verfügt: eine ringförmige Kathodenelektrode, die integral aus einem leitenden Material besteht und die auf der Seite der Photokathode angeordnet ist, um, gemeinsam mit einer Anode, eine Elektronenlinse bildet, um ein Halbleiter-Bauteil mit einem von der Photokathode emittierten Elektron zu bestrahlen, und die durch ein Verbindungselement aus Indium oder dergleichen mit einer Frontplatte verbunden ist; eine ringförmige, ge schweißte Elektrode, die auf der Seite des Fußes positioniert ist und über ein an diesem befestigtes Außenende verfügt; einen ringförmigen Grundkörper aus einem elektrisch isolierenden Material, der zwischen der Kathodenelektrode und der geschweißten Elektrode positioniert ist und dessen eines Ende an einer Stirnfläche der Kathodenelektrode befestigt ist und dessen anderes Ende an einer Stirnfläche der geschweißten Elektrode befestigt ist; während sie so aneinander montiert sind, dass ihre Mittelachsen zusammenfallen. Durch diese Konfiguration kann eine Elektronenröhre kleiner gemacht werden, so dass eine Anzahl von Elektronenröhren dicht innerhalb eines begrenzten, engen Raums angeordnet werden kann, und es kann eine Elektronenröhre mit sehr hoher Bearbeitbarkeit bei ihrem Zusammenbauprozess erzielt werden.
  • Nachfolgend werden, unter Bezugnahme auf die 10 bis 12, die Konfiguration und der Zusammenbauprozess für die Erfindung verkörpernde Elektronenröhren (dritte und vierte Ausführungsform) erläutert. Hierbei sind die Konfiguration und der Zusammenbauprozess für eine Elektronenröhre 200 gemäß der in der 10 dargestellten dritten Ausführungsform identisch mit denen bei der Elektronenröhre 1 gemäß der ersten Ausführungsform, mit Ausnahme der Struktur und des Zusammenbauschritts für den Grundkörper 12. Auch sind die Konfiguration und der Zusammenbauprozess einer Elektronenröhre 300 gemäß der vierten Ausführungsform identisch mit denen der Elektronenröhre 100 gemäß der zweiten Ausführungsform, mit Ausnahme der Struktur und des Zusammenbauschritts des Grundkörpers 12.
  • Die 10 ist eine Schnittansicht, die die Konfiguration der Elektronenröhre 200 gemäß der dritten Ausführungsform der Erfindung zeigt. Wie dargestellt, verfügt die Elektronenröhre 200 über ein zylindrisches Gefäß. Das Gefäß 10 besteht aus der ringförmigen Kathodenelektrode 11, die aus einem gut leitenden Kovarmaterial durch irgendeines von verschiedenen Integral-Formungsverfahren hergestellt wird, wie Pressformen, Spritzgießen oder Spanabheben; dem ringförmigen Grundkörper 12 aus einem elektrisch isolierenden Material (z. B. Keramik); und der ringförmigen, geschweißten Elektrode 13 aus einem Kovarmetall. Der Grundkörper 12 verfügt ferner über einen ersten Kolben (Isolierelement) 12A, einen zweiten Kolben (Isolierelement) 12B und eine ringförmige Zwischenelektrode 90 aus einem Kovarmetall, die zwischen den Isolierelementen 12A und 12B gehalten und befestigt ist. Die Elemente 11, 12 (einschließlich der Elemente 12A, 12B und 90) sowie 13 sind so aneinander montiert, dass ihre Mittelachsen zusammenfallen. Während der Grundkörper 12 mit der Zwischenelektrode 90 zwischen der Kathodenelektrode 11 und der geschweißten Elektrode 13 angeordnet ist, stößt ein Ende dessel ben (auf der Seite der ersten Öffnung 14) an der flachen Endfläche 11a der Kathodenelektrode 11 an und wird dann an dieser durch Hartlöten oder dergleichen befestigt. Das andere Ende des Grundkörpers 12 (auf der Seite der zweiten Öffnung 15) stößt an die flache Endfläche 13a der geschweißten Elektrode 13 an und wird an dieser durch Verlöten oder dergleichen befestigt. Um den Grundkörper 12 herzustellen, wird der Außenumfangs-Endabschnitt der Zwischenelektrode 90 zwischen dem ersten Kolben 12A und dem zweiten Kolben 12B gehalten, und ihre Verbindungsabschnitte werden verlötet. Demgemäß kann das Gefäß 10 durch Verlöten leicht vereint werden.
  • Wie bei den oben angegebenen Ausführungsformen 1 und 2 können die ringförmige Kathodenelektrode 11, der Grundkörper 12 (einschließlich der Kolben 12A und 12B und der Zwischenelektrode 90) sowie die geschweißte Elektrode 13 über polygonale Querschnittsform verfügen.
  • Die Innenumfangs-Wandfläche 11b der Kathodenelektrode 11 und die Innenwandfläche 12a des ersten und des zweiten Kolbens 12A und 12B verfügen jeweils über einen kreisförmigen Querschnitt. Die Innendurchmesser der Kathodenelektrode 11 und des Grundkörpers 12 betragen z. B. 10 mm bzw. 11 mm. Hierbei können die Durchgangslöcher 11b und 12a über entweder dieselben oder verschiedene Querschnittsformen verfügen, und sie können entweder kreisförmig oder polygonal sein. Vorzugsweise betragen, bei der dritten Ausführungsform, die Längen der Kathodenelektrode 11, des ersten Kolbens 12A und des zweiten Kolbens 12B 3,5 mm, 3,5 mm bzw. 3 mm.
  • Hierbei steht die Zwischenelektrode 90 von der Innenumfangs-Wandfläche 12a des ersten und zweiten Kolbens 12A und 12B nach innen vor, während der Innendurchmesser eines Öffnungsabschnitts 90a der Zwischenelektrode 90 innerhalb eines Bereichs minimiert ist (vorzugsweise 7 mm), der die Elektronenumlaufbahn nicht stört. Demgemäß ist verhindert, dass die Isolierelemente 12A und 12B mit Streuelektronen geladen werden. Auch ist selbst dann, wenn die Isolierelemente 12A und 12B aus irgendeinem Grund geladen werden, das Potenzial in einem Raum nahe der Elektronenumlaufbahn durch die Zwischenelektrode 90 konstant gemacht, wodurch verhindert werden kann, dass die Ladung der Isolierelemente 12A und 12B die Elektronenumlaufbahn beeinflusst. Vorzugsweise beträgt die Dicke der Zwischenelektrode 90 0,5 mm.
  • An der Kathodenelektrode 11 im Gefäß 10 ist die Frontplatte 21 aus Glas, die Licht durchlässt, fest angebracht. Die Frontplatte 21 trägt auf der Innenseite die Photokathode 22, und sie ist an einem Ende des Grundkörpers 12 auf der Seite der ersten Öffnung 14 angeordnet. Nachdem die Photokathode 22 hergestellt wurde, wird die Frontplatte 21 mittels des Verbindungselements (Verbindungsring) 23 aus einem aus der aus In, Au, Pb, In enthaltenden Legierungen und Pb enthaltenden Legierungen bestehenden Gruppe ausgewählten Metallmaterial mit der Kathodenelektrode 11 integriert. Am Umfangsabschnitt der Photokathode 22 ist die Elektrode 25 aus einer Dünnschicht aus Chrom angeordnet, um die Photokathode 22 und das Indium enthaltende Verbindungselement 23 (nachfolgend als "Indiumring" bezeichnet) elektrisch miteinander zu verbinden. Der Innendurchmesser der Elektrode 25, nämlich 8 mm, definiert den effektiven Durchmesser der Photokathode 22. Der Indiumring 23 ist so ausgebildet, dass er von der Innenseitenfläche des hohlzylindrischen Hilfselements 24 vorsteht. Wenn der Indiumring 23 und die Frontplatte 21 aufeinanderfolgend auf der Kathodenelektrode 11 angeordnet werden und dann die Kathodenelektrode 11 und die Frontplatte 21 mit einem hohen Druck von ungefähr 100 kg gegeneinander gepresst werden, verformt sich der Indiumring 23 und wirkt als Kleber, wodurch die Frontplatte 21 mit dem Gefäß 10 integriert wird.
  • An der geschweißten Elektrode 13 im Gehäuse 10 ist der plattenförmige Fuß 31 aus einem leitenden Material (z. B. Kovarmetall) fest angebracht. Der Fuß 31 ist am anderen Ende des Gefäßes 10 angeordnet (auf der Seite der zweiten Öffnung 15 im Grundkörper 12). Wie bei den o. g. Ausführungsformen 1 und 2 verfügt die geschweißte Elektrode 13 über den zylindrischen Hauptteil 13A; den kreisförmigen, ersten Flanschabschnitt 13B, der an einem Ende des zylindrischen Hauptteils 13A positioniert ist und nach außen vorsteht, um zur Verbindung mit dem Fuß 31 verwendet zu werden; und dem kreisförmigen zweiten Flanschabschnitt 13C, der am anderen Ende des zylindrischen Hauptteils 13A (auf der Seite des Grundkörpers) positioniert ist und nach innen vorsteht, um zur Verbindung mit dem Grundkörper 12 verwendet zu werden. Am Außenumfang des Fußes 31 ist der kreisförmige, ausgeschnittene Randabschnitt 31a ausgebildet, der am ersten Flanschabschnitt 13B zu befestigen ist.
  • Ferner ist an der Montagefläche 310 des Fußes 31 in der Elektronenröhre 200 gemäß der dritten Ausführungsform das Halbleiter-Bauteil 40 mit derselben Konfiguration wie der der APD (avalanche photodiode) bei der ersten Ausführungsform (sh. die 4) angeordnet. Vorzugsweise beträgt der Durchmesser der Elektroneneintrittsfläche 44a auf der Innenseite der Eintrittsflächenelektrode 47 3 mm.
  • Wie es in den 4 und 10 dargestellt ist, ist die planare Anode 60 zwischen dem Halbleiter-Bauteil 40 und der Zwischenelektrode 90 angeordnet, und der Außenumfangs-Endabschnitt der Anode 60 ist am zweiten Flanschabschnitt 13C der geschweißten Elektrode 13 befestigt. Diese Konfiguration ist der bei der Elektronenröhre 1 bei der o. g. ersten Ausführungsform ähnlich. Die Anode 60 wird aus einem gepressten, dünnen Blech aus rostfreiem Material mit einer Dicke von 0,3 mm hergestellt. Vorzugsweise beträgt der Abstand zwischen der Anode 60 und dem Halbleiter-Bauteil 40 1 mm.
  • Nachfolgend wird der Zusammenbauprozess für die Elektronenröhre 200 gemäß der dritten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die 11 erläutert. Dieser Zusammenbauprozess ist derselbe wie derjenige (5) für die Elektronenröhren 1 und 100 gemäß der ersten und der zweiten Ausführungsform, die bereits erläutert wurden, jedoch mit Ausnahme des Zusammenbauschritts für den Grundkörper 12.
  • In der Transfervorrichtung (Vakuum) werden das Gefäß 10 (mit der Kathodenelektrode 11, dem ersten und dem zweiten Kolben 12A und 12B, der Zwischenelektrode 90 und der geschweißten Elektrode 13) und die Frontplatte 21 mittels des Indiumrings 23 miteinander verbunden und auf die so hergestellte Baugruppe (auf die Frontplatte 21 und den Fuß 31, in den durch Pfeile A und B in der 11 gekennzeichneten Richtungen) wird ein Druck von ungefähr 100 kg ausgeübt, wodurch der Indiumring 23, der darin das weichste Element ist, zusammengedrückt wird. Im Ergebnis wirkt der Indiumring 23 als Kleber. Demgemäß wird, da das Innere der Vorrichtung in einem evakuierten Zustand gehalten wird, in der Elektronenröhre 200 ein Vakuum erzeugt. Schließlich wird dafür gesorgt, dass das Vakuum in der Transfervorrichtung abgebaut wird, um dadurch eine Reihe von Schritten abzuschließen.
  • Wie es in der 10 dargestellt ist, wird in der Elektronenröhre 200 eine Spannung von –12 kV an die Photokathode 22 und die Kathodenelektrode 11 angelegt, die Anode 60 wird mit 0 V versorgt (geerdet), und zwischen diesen wird eine Spannung von –6 kV an die Zwischenelektrode 90 angelegt. Hierbei wirken die Kathodenelektrode 11, die Anode 60 und die Zwischenelektrode 90 so zusammen, dass sie eine Elektronenlinse bilden. Demgemäß werden von der Photokathode 22 mit einem effektiven Durchmesser von 8 mm emittierte Photoelektronen hinsichtlich ihrer Erstreckung auf einen Durchmesser von 2 mm verkleinert, was kleiner als der Innendurchmesser des Kollimatorabschnitts 62 ist, und dann werden sie auf die Elektroneneintrittsfläche 44a des Halbleiter-Bauteils 40 geleitet. Andererseits wird, wie im Fall der o. g. ersten Ausführungsform, um eine Sperrspannung an den pn-Übergang im Halbleiter-Bauteil 40 anzulegen, eine Spannung von –150 V an die Durchbruchsspannungs-Steuerschicht (Anode) 44 des Halbleiter-Bauteils 40 angelegt, wohingegen das Siliciumsubstrat (Kathode) 41 mit 0 V (Masse) versorgt wird. Demgemäß wird in er APD eine Avalanche-Multiplikationsverstärkung von ungefähr 50 erzielt. Hierbei kann ein Verfahren zum Anlegen einer vorbestimmten Spannung, die nicht niedriger als die an die Photokathode 22 angelegte Spannung und nicht größer als die an die Anode 60 angelegte Spannung ist, an die Zwischenelektrode 90 mittels einer Cockeroft-Walton-Spannungsversorgung realisiert werden. Alternativ kann die angelegte Spannung durch einen Widerstand geteilt werden.
  • Wenn Licht auf die Elektronenröhre 200 gemäß der dritten Ausführungsform fällt, wird ein Photoelektron von der Ausführungsform 22 in das Vakuum (innerhalb der Elektronenröhre 200) emittiert. Durch die Elektronenlinse wird so emittierte Photoelektron beschleunigt, während seine Umlaufbahn konvergiert wird, damit es mit einer Energie von ungefähr 12 keV auf die Elektroneneintrittsfläche 44a der APD 40 fällt. Da dieses Photoelektron jedesmal dann, wenn es innerhalb der APD 40 3,6 eV an Energie verliert, ein Elektron-Loch-Paar erzeugt, wird es in diesem anfänglichen Multiplikationsschritt mit ungefähr 3000 und dann bei der folgenden Avalanche-Multiplikation mit ungefähr 50 multipliziert, wodurch sich eine Gesamtverstärkung von ungefähr 2 × 105 ergibt.
  • Zusätzlich zu Effekten, die denen bei der o. g. ersten Ausführungsform ähnlich sind, liefert die Elektronenröhre 200 gemäß der dritten Ausführungsform spezielle Effekte, wie sie nachfolgend erläutert werden. Bei typischen Elektronenröhren können Kolben aus einem isolierenden Material unter dem Einfluss von Streuelektronen, Ionen oder Röntgenstrahlen geladen werden. Die Ladung der Innenumfangs-Wandfläche kann zu einem dielektrischen Durchschlag führen.
  • Bei der Elektronenröhre 200 gemäß der dritten Ausführungsform ist demgegenüber der Grundkörper 12 in zwei Teile des ersten und des zweiten Kolbens 12A und 12B aus Keramik unterteilt, wobei die Zwischenelektrode 90 zwischen den ersten und den zweiten Kolben 12A und 12B eingefügt ist. Da eine vorbestimmte Spannung zwischen denjenigen Spannungen, wie sie an die Photokathode 22 bzw. die Anode 60 angelegt werden, an die Zwischenelektrode 90 angelegt wird, tritt selbst dann kein dielektrischer Durchschlag auf, wenn eine starke negative Spannung an die Photokathode 22 angelegt wird. Auch werden, da die Zwischenelektrode 90 zwischen den ersten und zweiten Kolben 12A und 12B aus Keramik eingefügt ist, die isolierenden Teile (erster und zweiter Kolben 12A und 12B) kaum durch Streuelektronen, Ionen, Röntgenstrahlung oder dergleichen geladen. Ferner tritt, da die Zwischenelektrode 90 auf ein mittleres Potenzial eingestellt wird, im ersten und zweiten Kolben 12A und 12B selbst dann, wenn diese isolierenden Teile geladen werden, kein dielektrischer Durchschlag auf. Demgemäß kann in der Elektronenröhre 200 selbst dann eine hohe Verstärkung erzielt werden, wenn eine starke negative Spannung an die Photokathode 22 angelegt wird.
  • Hierbei verfügt der Öffnungsabschnitt 90a der Zwischenelektrode 90, die auf ein mittleres Potenzial eingestellt ist, über eine solche minimale Größe, dass die Elektronenumlaufbahn nicht stört, und sie ist auf das Potenzial im Raum nahe der Elektronenumlaufbahn eingestellt, wodurch der Einfluss der Ladung in der Innenumfangs-Wandfläche 12a so wohl des ersten als auch des zweiten Kolbens 12A und 12B auf die Elektronenumlaufbahn unterdrückt werden kann.
  • Bei der Elektronenröhre 200 gemäß der dritten Photokathode wird, wie bei der Elektronenröhre 1 gemäß der ersten Ausführungsform, eine Spannung von –150 V an die Elektroneneintrittsfläche 44a des Halbleiter-Bauteils 40 angelegt, wodurch die Elektroneneintrittsfläche 44a auf einem negativen Potenzial in Bezug auf die Anode 60 gehalten wird. Demgemäß können auch bei der Elektronenröhre 200 gemäß der dritten Ausführungsform, hinsichtlich der Ionenrückführung, ähnliche Effekte wie bei der o. g. ersten Ausführungsform erzielt werden.
  • Nachfolgend wird die Konfiguration der Elektronenröhre 300 gemäß der vierten Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf die 12 erläutert. Nachfolgend werden Unterschiede gegenüber der dritten Ausführungsform erläutert, wobei die Bauteile in der Zeichnung, die mit denen der Elektronenröhren 1, 100 und 200 gemäß den Ausführungsformen 1 bis 3 identisch sind oder diesen entsprechen, mit Bezugszeichen bezeichnet werden, die mit diesen identisch sind, ohne dass die zugehörigen überlappenden Erläuterungen wiederholt würden. Auch sind die Konfiguration und der Zusammenbauprozess der Elektronenröhre 300 gemäß der vierten Ausführungsform identisch mit denen der Elektronenröhre 100 gemäß der zweiten Ausführungsform, jedoch mit der Ausnahme der Struktur und des Zusammenbauschritts betreffend den Grundkörper 12. Ferner verfügt das Halbleiter-Bauteil 80 bei der Elektronenröhre 300 gemäß der vierten Ausführungsform über die in der 7 dargestellte Konfiguration.
  • Wie es in der 12 dargestellt ist, unterscheidet sich die Elektronenröhre 300 von der Elektronenröhre 200 der dritten Ausführungsform dadurch, dass die Kathodenelektrode über eine Länge von 2 mm verfügt, der Grundkörper in vier Teile eines ersten bis eines vierten Kolbens (Isolierelemente) 12C bis 12F unterteilt ist, drei Bleche einer ersten bis dritten scheibenförmigen Elektrode 91 bis 93 (in der Zwischenelektrode 90 enthalten) aufeinanderfolgend zwischen den Kolben 12C bis 12F gehalten werden und als Halbleiter-Bauteil 80 eine PD (Photodiode) verwendet ist. Bei dieser Ausführungsform ändert sich der Betrieb der Elektronenlinse, wenn die Länge der Kathodenelektrode 11 geändert wird, wodurch die Erstreckung der von der Photokathode 22 mit einem effektiven Durchmesser von 8 mm emittierten Photoelektronen auf einen Durchmesser von ungefähr 5 mm konvergiert wird und dafür gesorgt wird, dass sie auf das Halbleiter-Bauteil 80 fallen. Ferner wird die Anode 70 (Teil der geschweißten Elektrode 13) vorab aus einer Verlängerung des zweiten Flanschabschnitts 13C der geschweißten Elektrode 13 hergestellt, so dass die geschweißte Elektrode 13 als auch Anode 70 dienen kann.
  • Wie bei der Elektronenröhre 100 gemäß der zweiten Ausführungsform wird davon ausgegangen, dass die so konfigurierte Elektronenröhre 300 der vierten Ausführungsform ebenfalls in einem starken Magnetfeld über 1 T (Tesla) anwendbar ist. Da in einem derartig starken Magnetfeld keine durch ein elektrisches Feld erzeugte Elektronenlinse wirken kann, ist der wesentliche effektive Durchmesser der Photokathode 22 durch die Größe der Elektroneneintrittsfläche 84a des Halbleiter-Bauteils 80 begrenzt. Demgemäß ist, um den effektiven Durchmesser der Photokathode 22 so groß wie möglich zu halten, ein Halbleiter-Bauteil 80 mit einer großen Elektroneneintrittsfläche 84a erforderlich.
  • Die Konfiguration des in der Elektronenröhre 300 gemäß der vierten Ausführungsform verwendeten Halbleiter-Bauteil 80 ist in der 7 dargestellt (wie im Fall der zweiten Ausführungsform). Die Elektroneneintrittsfläche 84a der PD 80 ist im Wesentlichen durch den Innendurchmesser der Eintrittsflächenelektrode 87 definiert, und der Durchmesser beträgt vorzugsweise 7,2 mm.
  • Hierbei wird, in der Elektronenröhre 300, eine Spannung von –16 kV an die Photokathode 22 und die Kathodenelektrode 11 angelegt, wohingegen eine Spannung von +50 V an die Anode 70 angelegt wird. An die erste bis dritte scheibenförmige Elektrode 91 bis 93 werden jeweilige vorbestimmte Spannungen, zwischen der Photokathode 22 und der Anode 70, von –12 kV, –8 kV bzw. –4 kV angelegt. Dabei wirken die Kathodenelektrode 11, die Anode 70 und die Zwischenelektrode 90 so zusammen, dass sie eine Elektronenlinse bilden. Die von der Photokathode 22 mit einem effektiven Durchmesser von 8 mm emittierten Photoelektronen werden hinsichtlich ihrer Erstreckung auf einen Durchmesser von 5 mm verkleinert, der kleiner als der Innendurchmesser des Öffnungsabschnitt 71 der Anode 70 ist, und sie werden dann auf die Elektroneneintrittsfläche 84a des Halbleiter-Bauteils 80, d. h. der PD, geführt. Andererseits wird eine Sperrvorspannung an die PD 80 angelegt, wobei eine Spannung von +50 V über den Fuß 31 an ihre Kathodenseite gelegt wird, wohingegen an ihre Anodenseite über den Zuführungsstift 32 und den Draht 33 das Massepotenzial einer externen Schaltung (Verarbeitungsschaltung) angelegt wird. Auch wird vom Zuführungsstift 32 eine Gleichsignalkomponente ausgegeben.
  • Wenn Licht auf die so konfigurierte Elektronenröhre 300 fällt, wird von der Photokathode 22 ein Photoelektron in das Vakuum (innerhalb der Elektronenröhre 300) emittiert. Durch die durch die Kathodenelektrode 11, die Zwischenelektrode 90 und die Anode 70 gebildete Elektronenlinse hindurch wird das so emittierte Photoelektron beschleunigt, während seine Umlaufbahn konvergiert. Nachdem das Photoelektron durch einen Öffnungsabschnitt 90Aa der Zwischenelektrode 90 und den Öffnungsabschnitt 71 der Anode 70 gelaufen ist, wird dafür gesorgt, dass es mit einer Energie von 16 keV auf die PD 80 fällt. Da dieses Photoelektron jedesmal dann ein Elektron-Loch-Paar erzeugt, wenn es innerhalb der PD 80 3,6 eV an Energie verliert, wird es mit ungefähr 4000 multipliziert, was zur Verstärkung der Elektronenröhre 300 wird.
  • Der Grundkörper 12 ist durch die Zwischenelektrode 90 (erste bis dritte scheibenförmige Elektrode 91 bis 93) in vier Teile der Keramikkolben 12C bis 12F unterteilt. An die erste bis dritte scheibenförmige Elektrode 91 bis 93 werden jeweilige vorbestimmte Spannungen zwischen der Photokathode 22 und der Anode 70 angelegt. Demgemäß tritt selbst dann kein dielektrischer Durchschlag auf, wenn an die Photokathode 22 eine starke negative Spannung angelegt wird, wodurch eine hohe Implantationsverstärkung erzielt werden kann. Ferner wird, da die Zwischenelektrode 90 auf das Potenzial im Raum nahe der Elektronenumlauf gebracht ist, selbst dann, wenn die Innenumfangs-Wandfläche 12a jedes der Kolben 12C bis 12F geladen wird, dadurch die Elektronenumlaufbahn nicht beeinflusst.
  • Wie bei der zweiten Ausführungsform kann auch die Elektronenröhre 300 gemäß der vierten Ausführungsform bei Hochenergieversuchen unter Verwendung eines Beschleunigers verwendet werden. Im Allgemeinen kann in einem starken Magnetfeld von ungefähr 4 T keine durch ein elektrisches Feld erzeugte Elektronenlinse arbeiten, wodurch das von der Photokathode 22 emittierte Photoelektron nicht durch ein elektrisches Feld auf eine kleine Fläche konvergiert werden kann. Demgemäß sind, wie bei der zweiten Ausführungsform, bei der Elektronenröhre 300 der vierten Ausführungsform, die einen derartigen Einsatz toleriert, die Photokathode 22 mit einem effektiven Durchmesser von 8 mm und das Halbleiter-Bauteil 80 mit einer Elektroneneintrittsfläche 84a mit einem effektiven Durchmesser von 7,2 mm, der im Wesentlichen dem Ersteren entspricht, angeordnet, wohingegen nur die Anode 70 (Teil der geschweißten Elektrode 13) mit dem Öffnungsabschnitt mit einem Durchmesser von 7 mm dazwischen angeordnet ist. Wenn die Elektronenröhre 300 in einem starken Magnetfeld von 4 T mit derselben Richtung wie der des einfallenden Lichts (übereinstimmend mit AX, wie in der 2 dargestellt) betrieben wird, wird dafür gesorgt, dass das vom zentralen Bereich der Photokathode 22 (Abschnitt mit einem Durchmesser von 7 mm) emittierte Photoelektron ohne Sperrung auf das Halbleiter-Bauteil 80 fällt. Demgemäß kann in der Elektronenröhre 300 in einem starken Magnetfeld ein effektiver Durchmesser von 7 mm erzielt werden. Selbstverständlich kann in einem derartigen starken Magnetfeld kein typischer Photomultiplier (PMT) verwendet werden.
  • Ferner kann bei der Elektronenröhre 300 gemäß der vierten Ausführungsform, wie bei der zweiten Ausführungsform, wie es in den 8 und 9 dargestellt ist, die gitterförmige Maschenelektrode 72 im Öffnungsabschnitt 71 der Anode 70 (Teil der geschweißten Elektrode 13) angeordnet sein. Um die Maschenelektrode 72 herzustellen, wird eine Anode 70 aus rostfreiem Material teilweise geätzt. In diesem Fall beträgt die Leitungsbreite und die Schrittweite der Maschenelektrode 72 50 μm bzw. 1,5 mm. Elektronen werden mit einer Rate entsprechend dem Öffnungsflächenverhältnis (93%) der Maschenelektrode 72 durch diese gestrahlt.
  • Die Maschenelektrode 72 wird im Öffnungsabschnitt 71 der Anode 70 angeordnet, da dieser hinsichtlich der Elektroneneintrittsfläche 84a des Halbleiter-Bauteils 80 vergrößert ist. Dies beruht nämlich auf der Tatsache, dass dann, wenn der Öffnungsabschnitt 71 der Anode 70 groß gemacht ist, das Tal des Minus-Potenzials auf der Seite der Photokathode 22 vom Öffnungsab schnitt 71 her durch die Anode 70 durchdringt, wodurch sich der Effekt zum Unterdrücken der Rückführung eines an der Elektroneneintrittsfläche 84a des Halbleiter-Bauteils 80 erzeugten positiven Ions verringert. Wenn die Maschenelektrode 72 zusätzlich vorhanden ist, kann verhindert werden, dass das Minus-Potenzial von der Photokathode 22 in die Elektroneneintrittsfläche 84a durchgreift, wodurch der Effekt zum Unterdrücken der Ionenrückführung aufrechterhalten werden kann. Hierbei ist der maximale Durchmesser des Öffnungsabschnitts 71 der Anode 70 kleiner als die Elektroneneintrittsfläche 84a der PD 80. Diese Effekte sind denen bei der o. g. zweiten Ausführungsform ähnlich.
  • Wie vorstehend erläutert, ist, gemäß den Ausführungsformen der Erfindung (dritte und vierte Ausführungsform) das Gefäß so konfiguriert, dass es Folgendes aufweist, eine ringförmige Kathodenelektrode, die integral aus einem leitenden Material besteht und die auf der Seite der Photokathode angeordnet ist, um gemeinsam mit einer Anode eine Elektronenlinse zum Bestrahlen eines Halbleiter-Bauteils mit einem von der Photokathode emittierten Photoelektron zu bilden, und die über ein Verbindungselement aus Indium oder dergleichen mit einer Frontplatte verbunden ist; eine ringförmige, geschweißte Elektrode, die auf der Seite des Fußes positioniert ist, und über ein am Fuß befestigtes Außenende verfügt; und einen Grundkörper aus einem elektrisch isolierenden Material, der zwischen der Kathodenelektrode und der geschweißten Elektrode positioniert ist und dessen eines Ende an einer Stirnfläche der Grundkörper befestigt ist und dessen anderes Ende an einer Stirnfläche der geschweißten Elektrode befestigt ist. In diesem Grundkörper sind mindestens zwei Isolierelemente und eine ringförmige Zwischenelektrode (einschließlich mehrerer scheibenförmiger Elektroden), die zwischen die Isolierelemente eingefügt ist, so aneinander montiert, dass ihre Mittelachsen übereinstimmen. Durch diese Konfiguration kann eine Elektronenröhre kleiner gemacht werden, so dass eine Anzahl von Elektronenröhren dicht innerhalb eines begrenzten, engen Raums angeordnet werden kann, und es kann eine Elektronenröhre mit hoher Bearbeitbarkeit beim Zusammenbauprozess erhalten werden.
  • Aus der so beschriebenen Erfindung ist es ersichtlich, dass sie auf viele Arten variiert werden kann. Derartige Variationen sind nicht als Abweichung vom Schutzumfang der Erfindung anzusehen, und alle Modifizierungen, wie sie für den Fachmann ersichtlich sind sollen innerhalb des Schutzumfangs der folgenden Ansprüche enthalten sein.

Claims (12)

  1. Elektronenröhre mit einem im wesentlichen hohlen Grundkörper (12); einer Frontplatte (21); einer von der Frontplatte (21) getragenen Photokathode (22) zum Emittieren von Elektronen in Reaktion auf darauf einfallendes Licht; einer der Photokathode (22) entgegengesetzten Elektroneneintrittsfläche (44a; 84a) zum Empfangen der von der Photokathode (22) emittierten Elektronen; einer zwischen der Frontplatte (21) und der Elektroneneintrittsfläche (44a; 84a) angeordneten Kathodenelektrode (11), die ein Durchtrittsloch (11b) zum Durchlassen der Elektronen von der Photokathode (22) auf die Elektroneneintrittsfläche (44a; 84a) zu aufweist; dadurch gekennzeichnet, daß ein Verbindungselement (23) zum Verbinden der Frontplatte (21) und der Kathodenelektrode (11) zwischen der Frontplatte (21) und der Kathodenelektrode (11) vorgesehen ist, das aus In, Au, Pb, einer In-Legierung oder einer Pb-Legierung hergestellt ist, und die Kathodenelektrode (11) und der Grundkörper (12) Teil eines Gehäuses (10) der Elektronenröhre bilden.
  2. Elektronenröhre nach Anspruch 1, wobei der Grundkörper (12) eine erste Öffnung (14) und eine zweite, der ersten Öffnung (14) entgegengesetzte Öffnung (15) aufweist, die Kathodenelektrode auf der ersten Öffnungsseite des Grundkörpers (12) angeordnet ist, und die Elektronenröhre ferner an der zweiten Öffnungsseite des Grundkörpers (12) einen Fuß (31) zum Definieren eines Abstands zwischen der Photokathode (22) und einer Elektroneneintrittsfläche (44a; 84a) aufweist.
  3. Elektronenröhre nach Anspruch 2, wobei der Grundkörper aufweist: wenigstens zwei Isolierelemente (12A; 12B; 12C; 12D, 12E, 12F), die jeweils ein ausgehend von der Photokathode (22) auf die Elektroneneintrittsfläche (44a; 84a) zu verlaufendes Durchtrittsloch aufweisen; und wenigstens ein zwischen den zueinander benachbarten Isolierelementen (12A; 12B; 12C; 12D, 12E, 12F) angeordnetes leitfähiges Element (90; 91; 92; 93), das ein von der ersten Öffnung (14) auf die zweite Öffnung (15) zu verlaufendes Durchtrittsloch aufweist.
  4. Elektronenröhre nach Anspruch 3, wobei das Durchtrittsloch des leitfähigen Elements (90; 91; 92; 93) eine Fläche aufweist, die kleiner ist als die des Durchtrittslochs von jedem der Isolierelemente (12A; 12B; 12C; 12D, 12E, 12F).
  5. Elektronenröhre nach einem der Ansprüche 2 bis 4, ferner mit einer geschweißten Elektrode, die an der zweiten Öffnungsseite des Grundkörpers (12) angeordnet und zwischen dem Grundkörper (12) und dem Fuß (31) positioniert ist, und die ein Durchtrittsloch (71) zum Durchlassen der durch das Durchtrittsloch (11b) der Kathodenelektrode (11) durchgelassenen Elektronen auf die Elektroneneintrittsfläche (44a; 84a) zu aufweist.
  6. Elektronenröhre nach Anspruch 5, ferner mit einer Anode (60; 70), die ein Durchtrittsloch (61; 71) zum Durchlassen der durch die Kathodenelektrode (11) durchgelassenen Elektronen aufweist, wobei die Anode (60; 70) von der geschweißten Elektrode (13) getragen wird, so daß wenigsten ein Teil der Anode (60; 70) zwischen der Kathodenelektrode (11) und der Elektroneneintrittsfläche (44a; 84a) positioniert ist.
  7. Elektronenröhre nach Anspruch 6, wobei das Durchtrittsloch (61; 71) der Anode (60; 70) eine Fläche aufweist, die kleiner ist als die Elektroneneintrittsfläche (44a; 84a).
  8. Elektronenröhre nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei das Durchtrittsloch (71) der geschweißten Elektrode (13) eine Fläche aufweist, die kleiner ist als die Elektroneneintrittsfläche (44a; 84a).
  9. Elektronenröhre nach einem der Ansprüche 2 bis 8, wobei das Durchtrittsloch (11b) der Kathodenelektrode (11) eine Fläche aufweist, die kleiner ist als die sowohl der ersten als auch der zweiten Öffnung (14; 15).
  10. Elektronenröhre nach einem der Ansprüche 5 bis 9, wobei die geschweißte Elektrode (13) einen Bereich (13B) aufweist, der an den Fuß (31) widerstandsangeschweißt ist.
  11. Elektronenröhre nach einem der Ansprüche 2 bis 10, ferner mit einer Halbleitervorrichtung (40; 80), die die Elektroneneintrittsfläche (44a; 84a) aufweist, wobei der Fuß (31) einen Befestigungsabschnitt (310) zum Halten der Halbleitervorrichtung (40; 80) aufweist, der auf die Photokathode (22) zu ragt.
  12. Elektronenröhre nach einem der vorstehenden Ansprüche, ferner mit einem leitfähigen Hilfselement (24) zum Abdichten eines Spalts zwischen der Kathodenelektrode (11) und der Frontplatte (21), wobei das Verbindungselement (23) in dem Spalt positioniert ist.
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