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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.
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Einschlägige, hintergrundbildende
Technik
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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.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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).
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine Ansicht, die eine Konfiguration einer herkömmlichen Elektronenröhre im Schnitt zeigt;
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2 ist
eine perspektivische Ansicht, die eine geschnittene Teilkonfiguration
einer Elektronenröhre
gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung (erste Ausführungsform)
zeigt;
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3 ist
eine Ansicht, die eine Schnittkonfiguration der Elektronenröhre gemäß der ersten
Ausführungsform
der Erfindung entlang einer Linie I-I in der 2 zeigt;
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4 ist
eine Ansicht, die eine Schnittkonfiguration eines Halbleiter-Bauteils (APD) in
der in der 3 dargestellten
Elektronenröhre
gemäß der ersten
Ausführungsform
zeigt;
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5 ist
eine Ansicht zum Erläutern
eines Zusammenbauprozesses einer die Erfindung verkörpernden
Elektronenröhre
(erste Ausführungsform);
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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;
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7 ist
eine Ansicht, die eine Schnittkonfiguration eines Halbleiter-Bauteils (PD) in
der Elektronenröhre
gemäß der in
der 6 dargestellten
zweiten Ausführungsform
zeigt;
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8 ist
eine Draufsicht, die ein modifiziertes Beispiel einer Anode in der
Elektronenröhre
gemäß der in
der 6 dargestellten
zweiten Ausführungsform
zeigt;
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9 ist
eine Schnittansicht, die die Konfiguration der Anode entlang einer
Linie II-II in der 8 zeigt;
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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;
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11 ist
eine Ansicht zum Erläutern
eines Zusammenbauprozesses für
eine die Erfindung verkörpernde
Elektronenröhre
(dritte Ausführungsform); und
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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.
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BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Nachfolgend werden Ausführungsformen der
Erfindung unter Bezugnahme auf die 2 bis 12 erläutert.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.