DE69829816T2 - Sekundäremissionsbechichtung für Vervielfacherröhren - Google Patents

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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J43/00Secondary-emission tubes; Electron-multiplier tubes
    • H01J43/04Electron multipliers
    • H01J43/06Electrode arrangements
    • H01J43/10Dynodes
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J1/00Details of electrodes, of magnetic control means, of screens, or of the mounting or spacing thereof, common to two or more basic types of discharge tubes or lamps
    • H01J1/02Main electrodes
    • H01J1/32Secondary-electron-emitting electrodes

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  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
  • Common Detailed Techniques For Electron Tubes Or Discharge Tubes (AREA)
  • Formation Of Various Coating Films On Cathode Ray Tubes And Lamps (AREA)

Description

  • Diese Erfindung betrifft insgesamt Elektronenentladungsvorrichtungen und insbesondere eine Sekundärelektronen emittierende Oberfläche, die mit einem Diamantfilm versehen ist und in Fotoelektronenvervielfachern verwendet wird.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Die Erfindung stellt auch einen vollständigen Fotoelektronenvervielfacher sowie ein Verfahren für seine Herstellung bereit, wie sie in den beiliegenden Ansprüchen definiert sind.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
  • Die Figur ist eine vereinfachte Zeichnung der bevorzugten Ausführungsform der sekundär emittierenden Fläche der Erfindung.
  • INS EINZELNE GEHENDE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Beispielsweise können andere p-Dotiermittel anstelle von Bor verwendet werden, während natürlich auch andere Materialien für das Substrat zum Einsatz kommen können.

Claims (6)

  1. Verfahren zum Herstellen eines Fotoelektronenvervielfachers mit wenigsten einem Dynoden-Sekundäremitter, das die Schritte des Ausbildens eines p-dotierten Diamantfilms (12) auf einem Substrat (14), des Einschließens der Substrat-/Diamantfilm-Baugruppe in einer Ummantelung, des Evakuierens der Ummantelung und des anschließenden Einleitens eines Alkalimetalls in die Ummantelung bei einer Temperatur umfasst, bei der das Alkalimetall in Dampfform vorliegt, so dass eine Alkalimetallbeschichtung auf dem Diamantfilm ausgebildet wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Ausbildens des p-dotierten Diamantfilms auf dem Substrat den Schritt des Dotierens des Diamantfilms mit Bor umfasst.
  3. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, das den Schritt des Ausbildens des Substrats aus einem Metallmaterial umfasst, das das Wachstum von tetraedrisch kombiniertem oder sp3-Kohlenstoff fördert.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Metallmaterial ein feuerfestes Metall ist.
  5. Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Metallmaterial aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Molybdän, Wolfram und Tantal besteht.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Ausbildens des p-dotierten Diamantfilms auf dem Substrat den Schritt des Dotierens des Diamantfilms mit einer Menge des p-Dotierungsmittels umfasst, die ausreicht, um den Oberflächenwiderstand des Diamantfilms im Bereich zwischen 600 und 1600 Ohm/square einzustellen.
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