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Diese
Erfindung betrifft insgesamt Elektronenentladungsvorrichtungen und
insbesondere eine Sekundärelektronen
emittierende Oberfläche,
die mit einem Diamantfilm versehen ist und in Fotoelektronenvervielfachern
verwendet wird.
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Fotoelektronenvervielfacher
werden üblicherweise
zum Erfassen von niedrigen Strahlungspegeln verwendet. Üblicherweise
bestehen solche Röhren
aus einem Glasmantel mit einer Elektronen emittierenden Fotokathode,
die sich auf der Innenfläche
eines Schirmträgers
an dem Mantel befindet. Wenn Strahlung auf die Fotokathode trifft,
werden aus ihr emittierte Elektronen zu einem Elektronenvervielfacher
gerichtet und von diesem gesammelt.
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Der
Elektronenvervielfacher besteht aus mehreren Dynoden mit Sekundärelektronen
emittierenden Flächen,
wobei die erste Dynode die Elektronen von der Fotokathode empfängt. Der
Elektronenvervielfacher hat einen elektrischen Ausgang, der in direkter
Beziehung zu der Menge an Elektronen steht, die von der ersten Dynode
gesammelt werden, wobei eine Steigerung des Verhältnisses der Menge an Elektronen
am Ausgang des Elektronenvervielfachers zur Menge der Elektronen,
die von der ersten Dynode empfangen werden, ein fortdauerndes Auslegungsziel
ist. Dieses Verhältnis
wird im weiten Rahmen von dem Verstärkungsgrad der einzelnen Dynoden
ausgedrückt
in einer einfachen Verhältniszahl bestimmt,
die die Anzahl der Sekundärelektronen
anzeigt, die für
jedes Elektron, das die Sekundäremitterflächen der
Dynode trifft, emittiert wird.
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Zur
Bereitstellung eines guten Sekundäremitters gehören jedoch
auch andere Kriterien. Zwei davon sind die Hysterese, nämlich ein
Maß der Änderung
in der Verstärkung,
wenn ein Sekundäremitter zuerst
den Primärelektronen
ausgesetzt wird, sowie eine Zählratenstabilität, nämlich ein
Maß der Änderung
der Impulsamplitude aufgrund einer zunehmenden Impulsfrequenz.
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Vorhandene
Sekundäremittermaterialien,
zu denen das Üblichste,
nämlich
Galliumphosphid gehört,
weisen niedrige Werte solcher Eigenschaften auf, haben jedoch andere
Schwierigkeiten. Beispielsweise erfordert Galliumphosphid eine spezielle
thermische Aktivierung im Vakuum während der Röhrenherstellung sowie die Verwendung
von gefährlichen Gasen
während
seiner Verarbeitung.
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Sekundäremitter
mit unmodifizierten Diamantfilmen aus Substraten und Alkalihalogenidfilme auf
der Diamantschicht sind auch in dem US-Patent 5 619 091 von Anderson
et al. offenbart. Jedoch können
die hohen Stromdichten, die in Dynoden der späteren Stufe erforderlich sind,
Elektronenfehlbereiche in einer solchen reinen Diamantschicht herbeiführen. Dies
führt zur
Ansammlung von elektrischer Ladung auf dem Substrat und ergibt eine
schlechte Zählratenstabilität.
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Shih
et al. offenbart in "Secondary
Electron Emission from Diamond Surfaces", Journal of Applied Physics, American
Institute of Physics, New York, Band 82, Nr. 4, 15. August 1997,
Seiten 1860 bis 1867, XP000749012 ISSN: 0021-8979 Sekundärelektronenemitter
mit einem p-dotierten Diamantfilm auf einem Substrat.
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Es
wäre äußerst günstig, wenn
man einen Sekundäremitter
mit einem Verstärkungsgrad
und einer Stabilität
hätte,
die wenigstens äquivalent
zu den zurzeit verfügbaren
sind, jedoch nicht die Schwierigkeiten und Risiken der gegenwärtigen Herstellung haben.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung stellt ein Herstellungsverfahren bereit, wie
es in Anspruch 1 beansprucht ist. Bei der bevorzugten Ausgestaltung
eines Fotoelektronenvervielfachers ist die Diamantschicht mit Bor
p-dotiert.
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Die
p-dotierte Diamantschicht bietet nicht nur einen höheren Verstärkungsgrad
sondern hat auch einen wesentlichen zusätzlichen Vorteil einer solchen p-dotierten
Diamant-Sekundäremitterschicht,
der darin besteht, dass sie eine geringere Hysterese und eine größere Impulsfrequenzstabilität als zum
Stand der Technik gehörende
Sekundäremitter,
auch undotierte Diamantemitter, hat.
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Der
p-dotierte Diamantfilm der Erfindung kann auch auf dem Substrat
angeordnet werden, bevor es in die Röhre eingelegt wird. Bei den
Röhren des
Standes der Technik ist es übliche
Praxis, Antimon in situ zu verdampfen. Eine solche Antimon-Beschichtung wird
aus speziellen Quellen aufgebracht, die in der Röhre installiert sind und die
aktiviert werden, während
die Röhren
an dem Evakuiersystem behandelt werden. Dieses Verfahren führt zu einer hohen
Sekundäremission
in der ersten Dynodenposition. Da jedoch das Antimon in situ verdampft
wird, ist es nicht gleichförmig
und kann somit einen negativen Effekt auf die Impulshöhenauflösung und
Empfindlichkeit gegenüber
externen Magnetfeldern haben.
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Galliumphosphid-Dynoden,
die ebenfalls eine außergewöhnlich hohe
Sekundäremission
haben, benötigen
einen gefährlichen
Herstellungsprozess und erfordern eine thermische Aktivierung während des
Evakuierprozesses. Die Diamantabscheidung ist kein gefährlicher
Prozess und die Dynoden erfordern keinen speziellen Aktivierungsprozess.
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Während des
Evakuierens des Fotoelektronenvervielfachers wird die Röhre mit
Alkalimetalldampf zur Erzeugung der Fotokathode dotiert, so dass
das Alkalimetall die Sekundäremitterflächen der Dynoden
auch dann überzieht,
wenn solche Oberflächen
Diamantfilme sind. Solche Alkalimetallüberzüge sind jedoch für die Arbeitsweise
von Diamant-Sekundäremittern
günstig.
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Vom
Funktionsstandpunkt aus gewährleistet das
vollständige
Aufbringen und Behandeln der p-dotierten Diamantschicht außerhalb
der Röhre
eine sehr gleichförmige
Schicht. Dies führt
zu einer viel besseren Impulshöhenauflösung und
zu einer geringeren magnetischen Empfindlichkeit verglichen mit den
Ergebnissen von weniger konsistenten Beschichtungen, die an den
Dynoden angebracht oder aktiviert werden, nachdem sie bereits an
ihren Positionen innerhalb der Röhre
installiert sind. Außerdem ist
es sehr schwierig und komplex, alle Dynoden einer Mehrfachdynodenröhre zu beschichten,
wenn die Dynoden bereits montiert sind.
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Das
Verfahren der Erfindung nach den Ansprüchen stellt somit einen Fotoelektronenvervielfacher
bereit, der eine Sekundärelektronenemitterfläche zur
Verwendung in Fotoelektronenvervielfachern mit einem Verstärkungsgrad
hat, der zu den Vorrichtungen nach dem Stand der Technik äquivalent
oder größer ist
und eine überlegene
Stabilität
hat, wobei die Fläche
jedoch leichter und weniger gefährlich
herzustellen ist.
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Die
p-dotierte Diamantschicht-Dynode mit hoher Sekundäremission
nach der vorliegenden Erfindung kann vielfältig verwendet werden. Bisher
sind für
medizinische Abbildungszwecke Röhren
mit großen
Dynoden mit starker Sammlung und hohem Verstärkungsgrad am vorderen Ende
der Röhren
ausgelegt. Dies führt
zu einer verbesserten Impulshöhenauflösung, was
ein wesentlicher Parameter für
Scintillationsmessungen ist. Die p-dotierten diamantbeschichteten
Dynoden sind über
große
Bereiche gleichförmig
in der Sekundäremission,
was solchen Auslegungskriterien genügt.
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Die
Verwendung von p-dotierten diamantbeschichteten Dynoden kann auch
auf die letzteren Stufen von Elektronenvervielfachern ausgedehnt
werden. Der höhere
Dynodenverstärkungsgrad
führt zu einer
geringeren Anzahl von Dynoden, die zur Erzielung der gewünschten
Röhrenverstärkung erforderlich
sind. Elektronenvervielfacher mit weniger Stufen erfordern weniger
Raum und führen
zu kompakteren und weniger massiven Abbildungssystemen, was ein Vorteil
sowohl bei der medizinischen Abbildungstechnologie als auch bei
Photonenzählanwendungen
ist.
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Die
Erfindung stellt auch einen vollständigen Fotoelektronenvervielfacher
sowie ein Verfahren für seine
Herstellung bereit, wie sie in den beiliegenden Ansprüchen definiert
sind.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNG
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Die
Figur ist eine vereinfachte Zeichnung der bevorzugten Ausführungsform
der sekundär
emittierenden Fläche
der Erfindung.
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INS EINZELNE
GEHENDE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die
Figur ist eine Zeichnung der äußerst einfachen
bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung, bei der der Sekundäremitter 10 nur
von einem p-dotierten Diamantfilm 12 gebildet wird, der
durch chemische Gasphasenabscheidung auf einem Basissubstrat 14 als
Schicht aufgebracht ist. Anschließend wird in herkömmlicher
Weise eine Alkalimetallschicht 16 auf dem p-dotierten Diamantfilm 12 während der
Herstellung der Fotokathode in der Röhre erzeugt. Die Alkalimetallschicht
kann beispielsweise Caesium, Kalium, Natrium oder Rubidium sein.
Diese Schicht kann nach der Montage des Fotoelektronenvervielfachverstärkers oder
anderer Vorrichtungen erzeugt werden, bei denen die Erfindung zum
Einsatz kommt. In diesem Fall wird die Vorrichtung mit unbehandelten
Diamantdynodenflächen
ausgerüstet.
Die in einen Glas- oder Metallmantel eingeschlossene Vorrichtung
wird evakuiert und es wird nur das vorstehend erwähnte Alkali
in seiner metallischen Form bei einer Temperatur von 150°C bis 250°C eingeführt, bei
der die Metalle als Dampf vorhanden sind. Beim Abkühlen auf
niedrigere Temperaturen scheiden sich die Alkalimetalle auf den
Dynodenoberflächen
ab und ergeben eine aktivierte Diamantoberfläche mit hoher Sekundäremission.
Festzustellen ist, dass auch bei höheren Temperaturen noch Alkalimetall
auf der Dynodenoberfläche
vorhanden ist und ihre Aktivierung aufrecht erhalten wird.
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Das
Basissubstrat 14 wird aus Materialien ausgewählt, die
das Wachstum von tetraedrisch koordiniertem oder sp3-Kohlenstoff
begünstigen,
beispielsweise feuerfeste Metalle (wie Molybdän, Wolfram, Tantal) oder andere
Karbidbildner. Diese Materialien reagieren mit Kohlenstoff unter
Bildung von Karbiden. Diese Karbide haben eine Molekularstruktur
oder eine chemische Bindegeometrie, die der von Diamant ähnlich ist,
so dass die Bildung eines solchen Karbids auf der Substratoberfläche das
Diamantwachstum begünstigt.
Zusätzlich
liegt die Wärmeausdehnung
von beispielsweise Molybdän
nahe bei der von Diamant, wodurch Zwischenflächenspannungen minimiert werden,
die dazu führen
könnten, dass
sich Diamant von dem Substrat trennt.
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Ein
herkömmliches
Substrat 14 ist gewöhnlich
0,005 Zoll dick, während
der p-dotierte Diamantfilm 12 eine Dicke von 1 bis 10 μm hat. Der
p-dotierte Diamant- oder der diamantähnliche Kohlenstofffilm 12 wird
gewöhnlich
auf das Basissubstrat 14 durch chemische Gasphasenabscheidung
oder Plasmaabscheidungsprozesse aufgebracht. Die Mikrostruktur des
Films ist polykristallin, wobei Facetten einer bevorzugten Kristallebene
freiliegen. Das p-Dotiermittel ist gewöhnlich Bor und der Dotiermittelpegel
ist derart, dass der modifizierte spezifische Widerstand des Diamantfilms
im Bereich zwischen 600 und 1600 Ohm/square liegt.
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Gewöhnlich wird
der Diamant aus der Gasphase unter Verwendung von Kohlenwasserstoff,
wie Butan, gezüchtet,
während
das BH3-Gas der Wachstumskammer gleichzeitig
in der geeigneten Menge zugeführt
wird, um den gewünschten
Dotierpegel zu erzeugen.
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Der
Sekundäremitter 10 nach
der Figur kann vollständig
außerhalb
der Röhre,
in der er verwendet wird, hergestellt und behandelt werden, nachdem das
Substrat 14 zuerst in die Form der richtigen Dynodenfläche gebracht
und dann, nachdem die Dynode in einer Röhre installiert ist, die Röhrenherstellung wie üblich fortgesetzt
werden kann.
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Bei
einer Überprüfung als
Fotoelektronenvervielfacher-Dynode zeigt die bevorzugte Ausgestaltung
der Erfindung, dass ihr Verstärkungsgrad nahezu
linear mit der einfallenden Strahlenergie bei Verstärkungsgraden
von 29 bei 600 V und 48 bei 1000 V ist. Ein solcher hoher Verstärkungsgrad
der ersten Dynode ergibt eine verbesserte Impulshöhenauflösung bei
Röhren,
die für
medizinische Abbildungszwecke verwendet werden.
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Solche
Messungen zeigen, dass die vorliegende Erfindung die Fähigkeiten
der bekannten Fotoelektronenvervielfacher-Dynoden erreicht und überschreitet
sowie auch eine große
Betriebssicherheit und einfache Herstellung ergibt.
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Natürlich ist
die Ausgestaltung dieser Erfindung, wie sie gezeigt ist, nur eine
bevorzugte Ausführung.
Es können
verschiedene Änderungen
in Funktion und Anordnung von Teilen ausgeführt werden. Äquivalente
Einrichtungen können
anstelle der dargestellten und beschriebenen eingesetzt werden und es
können
bestimmte Merkmale unabhängig
von anderen verwendet werden, ohne vom Umfang und Rahmen der Erfindung
abzuweichen, wie er in den folgenden Ansprüchen definiert ist.
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Beispielsweise
können
andere p-Dotiermittel anstelle von Bor verwendet werden, während natürlich auch
andere Materialien für
das Substrat zum Einsatz kommen können.