EP0698910A2 - Verfahren und Detektoreinrichtung zur elektronischen positionsbezogenen Erfassung von Strahlung - Google Patents

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EP0698910A2
EP0698910A2 EP95113181A EP95113181A EP0698910A2 EP 0698910 A2 EP0698910 A2 EP 0698910A2 EP 95113181 A EP95113181 A EP 95113181A EP 95113181 A EP95113181 A EP 95113181A EP 0698910 A2 EP0698910 A2 EP 0698910A2
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EP
European Patent Office
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layer
anode
resistance
vacuum
detector device
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Withdrawn
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EP95113181A
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English (en)
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EP0698910A3 (de
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Horst Prof. Dr. Schmidt-Böcking
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ROENTDEK-HANDELS GmbH
Northrop Grumman Litef GmbH
Roentdek Handels GmbH
Original Assignee
ROENTDEK-HANDELS GmbH
Litef GmbH
Roentdek Handels GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ROENTDEK-HANDELS GmbH, Litef GmbH, Roentdek Handels GmbH filed Critical ROENTDEK-HANDELS GmbH
Publication of EP0698910A2 publication Critical patent/EP0698910A2/de
Publication of EP0698910A3 publication Critical patent/EP0698910A3/xx
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
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    • H01J31/08—Cathode ray tubes; Electron beam tubes having a screen on or from which an image or pattern is formed, picked up, converted, or stored
    • H01J31/49—Pick-up adapted for an input of electromagnetic radiation other than visible light and having an electric output, e.g. for an input of X-rays, for an input of infrared radiation
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    • H01J2231/501—Imaging and conversion tubes including multiplication stage
    • H01J2231/5013—Imaging and conversion tubes including multiplication stage with secondary emission electrodes
    • H01J2231/5016—Michrochannel plates [MCP]

Definitions

  • the invention relates to a method for decoupling image signals in position-providing high-vacuum detector devices for quantum or particle radiation according to the preamble of claim 1 and a detector device which operates according to the method and is based on the features according to the preamble of claim 2.
  • the assembly and application of the complex anode structure 1 in the evacuated Glass body 6 with the necessary wire feedthroughs for high-frequency signals not only means great technical difficulties for the manufacture of the detector, but also precludes the possibility of later being able to adapt the anode structure 1 individually in an optimized manner to a changed measurement task.
  • the individual detector components form a unit that can no longer be separated or changed.
  • an electron converter layer 4 (UV quantum electron converter layer) is applied on the inside of a radiation-permeable cover substrate 10, a chevron plate system 3 as a charge multiplier with high-voltage leads 9 led out, and the resistive anode structure 1 applied to the vacuum-side inner surface of the counter substrate 11.
  • a local charge avalanche generated by a UV quantum on the anode structure 1 is indicated with reference note 8.
  • the invention has for its object to provide a technically much simpler and more reliable electronic positioning in detector devices of the type described for quantum or particle radiation, i.e. location-specific image signal decoupling without direct electrical contacts through the vacuum partition with the possibility of adapting to changing measurement tasks.
  • the invention is characterized in a method for decoupling image signals in position-providing high-vacuum detector devices for quantum or particle radiation, which impinge on a spatially resolving anode structure as an electron avalanche via an electron multiplier device, characterized in that the electron avalanche within the vacuum on the anode side of the detector device is characterized by a high-resistance, conductive thin film remains locally collected for a short time and the collected charge is capacitively read out as an image charge by a low-impedance anode layer arranged opposite the high-resistance thin film outside the vacuum and suitably structured for location determination.
  • the invention is based on the idea that the radiation quantum-induced charge avalanches briefly collect the inner surface of the counter substrate opposite the radiation entrance through a uniform, high-resistance conductive layer and then capacitively couple it through the vacuum wall (substrate layer) to a low-resistance, structured anode layer outside the vacuum.
  • a position-giving detector device for electromagnetic radiation or particle radiation in which a plate-like electron multiplier arrangement is arranged in a layer-like manner in succession on the radiation incidence side within a space that is delimited by a flat, radiation-permeable cover substrate and a counter-substrate that is kept at a distance from it, and one at a distance from one another Surface anode are present is according to the invention characterized in that the anode for capacitive, position-related image signal readout is designed as a layer arrangement such that a high-resistance charge-collecting layer is arranged on the vacuum-side inner surface of the counter-substrate and this is arranged on the outer surface of the counter-substrate, that is to say opposite one another, suitably structured for location determination outside the vacuum , low-resistance anode layer are present.
  • the invention offers the advantage that comparatively simple, uniform detector elements or assemblies can be used, whose electronic position reading can be individually and optimized adapted to different measurement tasks by different structuring of the low-resistance anode layer lying outside the vacuum can. Another important advantage is that no electrical feedthroughs for high-frequency current pulses are necessary in the vacuum. In addition, there is the possibility of combining the amplifier and digitizing electronics in conjunction with the low-resistance anode structure as a highly integrated circuit (e.g. B. in SMD technology, as a hybrid or ASIC).
  • a highly integrated circuit e.g. B. in SMD technology, as a hybrid or ASIC.
  • the charge collecting areas or busbars for reading in proportion to the image charge on at least two, preferably on three edge sides of the anode layer are arranged at right angles to each other.
  • any other suitable structures can also be used, such as. B. a Vernier anode, a spiral structure, a delay line layer or a pixel system that is read digitally by means of a CCD.
  • the image intensifier system namely the photoelectron converter layer 4, the underlying chevron plate system 3 of a multi-channel electron multiplier and the high-resistance anode layer 1 according to the invention are installed in a high vacuum 7 as before.
  • the complex anode structure 2 for electronic position reading outside the vacuum 7 is applied or arranged on the back of the detector, ie for example on the back of the counter-substrate 6.
  • the exact location information of the position of an incident radiation quantum (UV quant) or particle is transferred capacitively after corresponding charge multiplication by the counter-substrate 6 of the image intensifier system, which is preferably made of glass, to the low-resistance anode structure 2 located outside the vacuum.
  • This capacitive transmission is possible because the charge collection layer formed on the inside of the bottom or counter substrate 6, i.e. in a vacuum, is applied as a high-resistance (anode) layer, on which the electron avalanche 8 induced by a single radiation quantum or particle is collected and there the high sheet resistance (mega-ohm range), as required, remains for a few 10ns, as shown in FIG. 2.
  • This local charge avalanche 8 capacitively couples through the glass layer of the counter substrate 6 and generates an image charge on or in the opposite, low-resistance anode structure 2.
  • the low-resistance anode structure 2 can be designed, for example, as a wedge & strip anode with three contact areas a, b and c.
  • the structure of this anode can be adapted in a comparatively simple manner to the position resolution required in each case.
  • the anode structure 2 is located on the outside of the counter substrate 6, ie in a normal air atmosphere.
  • the exact position of the image charge can then be determined using appropriately adapted, fast charge-sensitive preamplifiers and an evaluation logic, not shown, which is known in principle.
  • the capacitive coupling enables a high spatial resolution if the internal resistances of the two anode layers 1, 2 are optimal are adapted to one another and the anode structure 2 is structured geometrically in accordance with high resolution.
  • the principle of capacitive, location-based signal extraction for digital position reading can be briefly described with reference to FIG. 2:
  • the local charge cloud 8 generated in the chevron plate 3 in a vacuum strikes the high-resistance anode layer 1, which, for example, Layer with a thickness of some 100nm can be and remains there for some 10ns.
  • an image charge is built up on the low-resistance anode structure 2 by capacitive coupling on the other side of the counter-substrate 6 lying outside the vacuum.
  • this low-resistance anode structure 2 for example as a three-part wedge-strip anode (cf. FIG. 3)
  • each location is uniquely determined by a specific image charge ratio.
  • this image charge distribution can be determined by fast electronic components.
  • the position X, Y in the image plane can in turn be determined precisely from the relationships of the image charges Q1, Q2 and Q3 according to the following relationships:
  • An image charge cloud 20 which forms on the anode structure 2 is indicated in FIG. 3 by a hatched area.
  • individual events can be recorded with a very high location-related time resolution.
  • the local resolution in the case of the detectors currently being tested is approximately 1/250 of the detector width or, if suitable lens systems are used, 0.5 °. Fig.
  • FIG. 4 shows a measurement setup (top) and results (bottom) for determining the position of a falling radiation.
  • An alpha particle was used as the radiation source 22 radiating radioactive preparation used. With this arrangement, the radiation-transmissive cover substrate and the photoelectron converter layer are dispensed with, since the alpha particles can release 3 electrons directly at the entry into the chevron plate. Between the radiation source 22 and the chevron plate 3, a shadow mask 21 made of 0.2 mm thick wires is attached, the image of which is to be captured electronically.
  • the lower picture in FIG. 4 shows the silhouette of the wires of the shadow mask 2, which are recorded perpendicularly to one another via the wedge & strip structure of the low-resistance anode 2 and the subsequent electronics.
  • the resolving power determined in these measurements was less than 0.2 mm, due to the choice the anode structure.

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Abstract

Das Verfahren und die Einrichtung zur Bildsignalauskopplung bei positionsgebenden Hochvakuum-Detektoreinrichtungen für elektromagnetische Strahlungsquanten oder Teilchen, die im Falle elektromagnetischer Strahlung über eine Photo-Elektronen-Konverterschicht (4) und im Falle von Teilchenstrahlung direkt über einen Elektronen-Vervielfacher (3) als Elektronenlawine (8) auf eine ortsauflösende Anodenstruktur (2) auftreffen, zeichnen sich erfindungsgemäß dadurch aus, daß die Elektronenlawine (8) zunächst innerhalb des Vakuums (7) anodenseitig durch eine hochohmige leitende Halbleiter-Dünnschicht (1) kurzzeitig gesammelt und durch den Glasboden (Gegensubstrat 6) der Detektoreinrichtung von der Außenseite aus als Bildladung mittels einer niederohmigen, für eine Ortsbestimmung geeignet strukturierte Anodenschicht (2) kapazitiv ausgelesen wird. Diese kapazitive Auskopplung ermöglicht eine hohe Ortsauflösung, wenn die inneren Widerstände von Ladungssammelschicht (1) einerseits und Auslese-Anodenschicht (2) andererseits optimal zueinander angepaßt werden. Die erfindungsgemäße Art der Auskopplung benötigt im Vakuum (7) nur eine einfache hochohmige Monoschicht mit einer einzigen Spannungskontaktierung (11). Die ortsauflösende Anodenstruktur (2) außerhalb des Vakuums (7) kann den Anwenderwünschen entsprechend modifiziert und beliebig ausgetauscht werden, so daß die Ortsauflösung individuell anpaßbar ist. <IMAGE>

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bildsignalauskopplung bei positionsgebenden Hochvakuum-Detektoreinrichtungen für Quanten oder Teilchenstrahlung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie eine Detektoreinrichtung, die nach dem Verfahren arbeitet und die Merkmale gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 2 zur Grundlage hat.
  • Für den Nachweis einzelner UV- oder anderer elektromagnetischer Strahlungsquanten, Teilchen oder dergleichen, werden für unterschiedliche Anwendungen positionsgebende, elektronisch arbeitende Detektorsysteme benötigt. Um mit solchen Detektorsystemen einzelne Strahlungsquanten mit hoher Effizienz nachweisen zu können, werden Vielkanal-Elektronen-Multiplier verwendet, die je nach Anwendung in spezielle hochevakuierte Glaskörper eingebaut werden müssen. Um eine zweidimensionale Ortsbestimmung oder Positionierung des Photonennachweises zu erhalten, müssen bei den herkömmlichen Systemen (vgl. Fig. 5) komplexe, resistive Anodenstrukturen 1 mit beispielsweise vier nach außen geführten Kontakten im Hochvakuum 7 mit eingebaut werden, die eine digitale ortsauflösende Bestimmung des Strahlungsnachweises ermöglichen. Das Montieren und Aufbringen der komplexen Anodenstruktur 1 im evakuierten Glaskörper 6 mit dazu notwendigen Drahtdurchführungen für hochfrequente Signale bedeutet für die Detektorherstellung nicht nur große technische Schwierigkeiten, sondern schließt auch die Möglichkeit aus, die Anodenstruktur 1 später einer veränderten Meßaufgabe individuell optimiert anpassen zu können. Bei den herkömmlichen Verfahren und Detektoreinrichtungen bilden die einzelnen Detektorkomponenten eine nicht mehr trennbare oder veränderbare Einheit.
  • Bei dem bekannten Detektorsystem gemäß Fig. 5 sind außer dem bereits erwähnten, evakuierten Glaskörper 6 und der schichtförmigen, resistiven Anodenstruktur 1 mit nachgeschalteter Elektronik mit Anschlüssen 13 für beispielsweise jeweils vier Vorverstärker, eine Elektronenkonverterschicht 4 (UV-Quanten-Elektronen-Konverterschicht), aufgebracht auf der Innenseite eines strahlungsdurchlässigen Decksubstrats 10, ein Chevron-Plattensystem 3 als Ladungsvervielfacher mit herausgeführten Hochspannungszuführungen 9 sowie die auf der vakuumseitigen Innenfläche des Gegensubstrats 11 aufgebrachte, resistive Anodenstruktur 1 vorhanden. Eine durch ein UV-Quant auf der Anodenstruktur 1 erzeugte lokale Ladungslawine ist mit Bezugshinweis 8 angegeben.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei Detektoreinrichtungen der beschriebenen Art für Quanten oder Teilchenstrahlung eine technisch wesentlich einfachere und zuverlässigere elektronische Positionierung, d.h. ortsbezogene Bildsignalauskopplung ohne direkte elektrische Kontakte durch die Vakuum-Trennwand mit der Möglichkeit der Anpassung an veränderte Meßaufgaben zu schaffen.
  • Die Erfindung ist bei einem Verfahren zur Bildsignalauskopplung bei positionsgebenden Hochvakuum-Detektoreinrichtungen für Quanten oder Teilchenstrahlung, die über eine Elektronen-Vervielfachereinrichtung als Elektronenlawine auf eine ortsauflösende Anodenstruktur auftreffen, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektronenlawine innerhalb des Vakuums auf der Anodenseite der Detektoreinrichtung durch eine hochohmige, leitende Dünnschicht kurzzeitig örtlich gesammelt bleibt und die gesammelte Ladung durch eine niederohmige, der hochohmigen Dünnschicht außerhalb des Vakuums gegenüberstehend angeordnete und für eine Ortsbestimmung geeignet strukturierte Anodenschicht als Bildladung kapazitiv durch eine Vakuum-Wand hindurch koppelnd ausgelesen wird.
  • Während bei bisherigen Strahlungsquanten-Detektoreinrichtungen die ortsauflösende Anodenstruktur im Inneren des Hochvakuums angeordnet ist mit einer Mehrzahl von vakuumdichten Stromdurchführungen für hochfrequente Signale für die nachgeschaltete Elektronik ohne nachträgliche Justier- oder Anpassungsmöglichkeit an unterschiedliche Meßaufgaben, beruht die Erfindung auf dem Gedanken, die strahlungsquanteninduzierten Ladungslawinen auf der dem Strahlungseintritt gegenüberliegenden Innenfläche des Gegensubstrats durch eine durchgängig einheitliche hochohmig leitende Schicht kurzzeitig ortsgebunden zu sammeln und dann durch die Vakuumwand (Substratschicht) hindurch kapazitiv auf eine niederohmige, strukturierte Anodenschicht außerhalb des Vakuums zu koppeln.
  • Eine positionsgebende Detektoreinrichtung für elektromagnetische Strahlung oder Teilchenstrahlung, bei der innerhalb eines durch ein flächiges, strahlungsdurchlässiges Decksubstrat und ein auf Abstand dazu gehaltenes Gegen-Substrat umgrenzten und hochevakuierten Raums schichtartig aufeinanderfolgend auf der Strahlungseinfallseite eine plattenartige Elektronen-Vervielfacher-Anordnung und dieser auf Abstand gegenüberstehend eine Flächen-Anode vorhanden sind, ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die Anode zur kapazitiven, positionsbezogenen Bildsignalauslesung als Schichtanordnung derart ausgebildet ist, daß auf der vakuumseitigen Innenfläche des Gegen-Substrats eine hochohmige Ladungssammelschicht und dieser auf der Außenfläche des Gegen-Substrats, also außerhalb des Vakuums gegenüberstehend eine für eine Ortsbestimmung geeignet strukturierte, niederohmige Anodenschicht vorhanden sind.
  • Gegenüber herkömmlichen Detektoreinrichtungen für elektromagnetische Strahlungsquanten oder Teilchenstrahlung bietet die Erfindung vor allem den Vorteil, daß vergleichsweise einfache, einheitliche Detektorelemente oder Baugruppen verwendet werden können, deren elektronische Positionsauslesung durch unterschiedliche Strukturierung der niederohmigen, außerhalb des Vakuums liegenden Anodenschicht an unterschiedliche Meßaufgaben individuell und optimiert angepaßt werden können. Ein weiterer wesentlicher Vorteil liegt darin, daß in das Vakuum keine elektrischen Durchführungen für hochfrequente Stromimpulse notwendig sind. Außerdem ergibt sich die Möglichkeit, die Verstärker- und Digitalisierungselektronik im Verbund mit der niederohmigen Anodenstruktur als hochintegrierte Schaltung (z. B. in SMD Technologie, als Hybrid oder als ASIC) herzustellen.
  • Vorteilhaft ist es, die niederohmige, strukturierte Anodenschicht etwa in Form einer sogenannten Wedge & Strip-Anode (Keil-Streifen-Anode) auszubilden, wobei die Ladungs-Sammelbereiche oder -Sammelschienen für eine bildladungsanteilige Auslesung an wenigstens zwei, vorzugsweise an drei Randseiten der Anodenschicht jeweils im rechten Winkel zueinander stehend angeordnet sind. Es sind jedoch auch beliebige andere geeignete Strukturen anwendbar, wie z. B. eine Vernier-Anode, eine Spiralstruktur, eine Delay-Line-Schicht oder ein Pixelsystem, das mittels eines CCDs digital ausgelesen wird. Weiterhin ist es notwendig oder zumindest zweckmäßig, die inneren Widerstände von Ladungssammelschicht einerseits und kapazitiv gekoppelter äußerer Anodenschicht und Folgeelektronik andererseits im Hinblick auf eine Optimierung der Ortsauflösung zu wählen unter gleichzeitiger Berücksichtigung des durch die Gegen-Substratschicht gegebenen Dielektrikums.
  • Um Bildfehler im Randbereich der Detektoreinrichtung zu vermeiden, ist es zweckmäßig, die sensitive Fläche der äußeren, niederohmigen Anodenschicht über die Bildränder der vakuumseitigen Ladungssammelschicht hinausragen zu lassen.
  • Die Erfindung und vorteilhafte Einzelheiten werden nachfolgend unter Bezug auf die Zeichnungen durch eine beispielhafte Ausführungsform näher erläutert.
  • Es zeigen:
    • Fig. 1 die Prinzip-Schnittdarstellung einer Detektoreinrichtung mit positionsgebender Auslesung für elektromagnetische Strahlungsquanten bzw. Teilchenstrahlung gemäß der Erfindung;
    • Fig. 2 die Teilschnitt-Darstellung eines Abschnitts des Gegen-Substrats der Detektoreinrichtung nach Fig. 1;
    • Fig. 3 in schematischer Draufsicht-Darstellung einen Teilausschnitt einer Wedge & Strip-Anode, wie sie zur positionsgebenden Bildsignal-Auskopplung gemäß der Erfindung vorteilhaft verwendet werden kann;
    • Fig. 4 ein Beispiel für ein Meßergebnis (unten) unter Verwendung eines Versuchsaufbaus (oben) mit einem erfindungsgemäßen Detektor mit kapazitiv gekoppelter, positionsgebender Anodenstruktur; und
    • Fig. 5 die schematische Schnittdarstellung einer herkömmlichen, positionsgebenden Detektoreinrichtung für elektromagnetische Strahlungsquanten oder Teilchenstrahlung.
  • Beim Detektorsystem nach Fig. 1 ist das Bildverstärkersystem, nämlich die Photoelektronen-Konverterschicht 4, das darunter liegende Chevron-Plattensystem 3 eines Vielkanal-Elektronen-Multipliers sowie die erfindungsgemäße, hochohmige Anodenschicht 1 wie bisher in ein Hochvakuum 7 eingebaut. Anders als beim Stand der Technik jedoch ist die komplexe Anodenstruktur 2 zur elektronischen Positionsauslesung außerhalb des Vakuums 7 auf der Rückseite des Detektors, d.h. beispielsweise auf der Rückseite des Gegen-Substrats 6 aufgebracht oder angeordnet. Die Übertragung der genauen Ortsinformation der Position eines einfallenden Strahlungsquants (UV-Quant) oder Teilchens erfolgt nach entsprechender Ladungsverfielfachung kapazitiv durch das vorzugsweise aus Glas bestehende Gegen-Substrat 6 des Bildverstärkersystems auf die außerhalb des Vakuums sich befindende niederohmige Anodenstruktur 2.
  • Diese kapazitive Übertragung ist möglich, weil die auf der Innenseite des Boden- oder Gegensubstrats 6, also im Vakuum ausgebildete Ladungssammelschicht als hochohmige (Anoden-)Schicht aufgebracht ist, auf der die von einem einzelnen Strahlungsquant oder Teilchen induzierte Elektronenlawine 8 gesammelt wird und dort wegen des voraussetzungsgemäß hohen Schichtwiderstands (Mega-Ohmbereich) einige 10ns verharrt, wie die Fig. 2 verdeutlicht. Diese örtliche Ladungslawine 8 koppelt kapazitiv durch die Glasschicht des Gegen-Subtrats 6 hindurch und erzeugt auf bzw. in der gegenüberliegenden, niederohmigen Anodenstruktur 2 eine Bildladung. Die niederohmige Anodenstruktur 2 kann beispielsweise als Wedge & Strip-Anode mit drei Kontaktbereichen a, b und c ausgebildet sein. Die Struktur dieser Anode läßt sich auf vergleichsweise einfacher Weise an die jeweils geforderte Positionsauflösung anpassen. Die Anodenstruktur 2 befindet sich dabei auf der Außenseite des Gegen-Substrats 6, d.h. in normaler Luftatmosphäre. Die genaue Position der Bildladung läßt sich dann über entsprechend angepaßte, schnelle ladungsempfindliche Vorverstärker und eine nicht dargestellte, prinzipiell bekannte Auswertelogik bestimmen. Die kapazitive Auskopplung ermöglicht eine hohe Ortsauflösung, wenn die inneren Widerstände der beiden Anodenschichten 1,2 optimal aufeinander angepaßt werden und die Anodenstruktur 2 geometrisch entsprechend hochauflösend strukturiert ist. Außer einer Wedge & Strip-Anode, wie sie beispielsweise in den Veröffentlichungen Lit[1] und [2] beschrieben ist, kommen auch andere ortsauflösende Anodenstrukturen im Rahmen der Erfindung in Frage, beispielsweise eine Vernier-Anode, eine Anode in Spiralstruktur, eine Delay-Line-Schicht oder ein Pixelsystem, das mittels eines CCDs digital ausgelesen wird.
  • Das Prinzip der kapazitiven, ortsbezogenen Signalauskopplung für eine digitale Positionsauslesung läßt sich mit Bezug auf Fig. 2 wie folgt kurz beschreiben: Die in der Chevron-Platte 3 im Vakuum erzeugte lokale Ladungswolke 8 trifft auf die hochohmige Anodenschicht 1 auf, die beispielsweise eine Ge-Schicht mit einer Dicke von einigen 100nm sein kann und verharrt dort für einige 10ns. Während dieser Zeit baut sich durch kapazitive Kopplung auf der anderen, außerhalb des Vakuums liegenden Seite des Gegen-Substrats 6 auf der niederohmigen Anodenstruktur 2 eine Bildladung auf. Je nach der Geometrie dieser niederohmigen Anodenstruktur 2, zum Beispiel als dreiteilige Wedge-strip-Anode (vgl. Fig. 3) ist jeder Ort durch ein spezifisches Bildladungsverhältnis eindeutig bestimmt. Für eine niederohmige Anodenstruktur kann diese Bildladungsverteilung durch schnelle Elektronik-Komponenten bestimmt werden. Aus den Verhältnissen der Bildladungen Q1, Q2 und Q3 kann wiederum der Ort X,Y in der Bildebene präzise ermittelt werden gemäß folgenden Beziehungen: X X0 = Q1 Q1 + Q2 + Q3 Y Y0 = Q2 Q1 + Q2 + Q3
    Figure imgb0001
     Eine auf der Anodenstruktur 2 sich ausbildende Bildladungswolke 20 ist in Fig. 3 durch einen schraffierten Bereich angedeutet.
    Mit einer erfindungsgemäßen Detektoreinrichtung lassen sich Einzelereignisse mit sehr hoher ortsbezogener Zeitauflösung erfassen. Die örtliche Auflösung beträgt bei den zur Zeit in der Erprobung befindlichen Detektoren etwa 1/250 der Detektorbreite oder bei Verwendung geeigneter Linsensysteme 0,5°.
    Fig. 4 zeigt einen Meßaufbau (oben) und Ergebnisse (unten) zur Positionsbestimmung von ein fallender Strahlung. Als Strahlungsquelle 22 wurde ein Alphateilchen strahlendes radioaktives Präparat verwendet. Bei dieser Anordnung entfällt das strahlungsdurchlässige Decksubstrat und die Photoelektronen-Konverterschicht, da die Alphateilchen direkt am Eintritt in die Chevron-Platte 3 Elektronen freisetzen können. Zwischen der Strahlungsquelle 22 und der Chevron-Platte 3 ist eine Schattenmaske 21 aus 0,2 mm dicken Drähten angebracht, deren Bild elektronisch erfaßt werden soll.
  • Das untere Bild der Fig. 4 zeigt das über die Wedge & Stripstruktur der niederohmigen Anode 2 und die Folgeelektronik aufgenommene Schattenbild der senkrecht zueinander gespannten Drähte der Schattenmaske 2. Das bei diesen Messungen ermittelte Auflösungsvermögen lag bei unter 0,2 mm, bedingt durch die Wahl der Anodenstruktur.
  • Die besonderen Vorteile der Erfindung lassen sich wie folgt zusammenfassen:
    • 1. Die erfindungsgemäße Art der Bildsignalauskopplung benötigt im Vakuum nur eine einfache hochohmige Monoschicht mit einer einzigen durchgeführten Spannungskontaktierung. Es werden keine Durchführungen für hochfrequente Stromimpulse benötigt. Dies führt zu einer wesentlichen Vereinfachung der Herstellung des Vakuum-Bauteils.
    • 2. Im Vergleich zu herkömmlichen Detektoren dieser Art wird zwischen der Channel- oder Chevron-Platte 3 und der hochohmigen Anodenschicht 1 nur eine moderate Spannung von typischerweise 200 Volt benötigt, die einen einfacheren und zuverlässigeren Betrieb des Detektors ermöglicht. Damit wird die Dunkelentladungsrate des Detektorsystems merklich reduziert und eine Zerstörung der Anodenstruktur durch Spannungsüberschläge im Detektor praktisch ausgeschlossen.
    • 3. Die ortsauflösende, niederohmige Anodenstruktur 2 ist außerhalb des Vakuums 7 angeordnet und läßt sich den Anwenderwünschen entsprechend nahezu beliebig anpassen und austauschen, so daß eine Anpassung an die Genauigkeit der Ortsbestimmung individuell in einem weiten Bereich an jedes Anwenderproblem möglich ist, zum Beispiel eine relative Ortsauflösung von 1 bis 0,1 %.
    • 4. Die Verstärker- und Digitalelektronik 5 läßt sich in moderner SMD- oder Hybrid-Technik direkt an der Anodenstruktur 2 außerhalb des Vakuums integriert ansetzen, wodurch sich eine wesentlich bessere Auflösung sowie eine deutliche Vereinfachung der Elektronik mit entsprechenden Kosteneinsparungen ergibt. Die ortsauflösende, niederohmige Anodenstruktur 2 läßt sich entweder auf einer getrennten Platte oder direkt auf die Außenseite der Vakuumtrennwände des Gegen-Substrats 6 aufbringen.
    • 5. Die Anodenstruktur 2 außerhalb des Vakuums 7 läßt sich mit größerer sensitiver Fläche anbringen als es der Chevron- oder Channel-Platte 3 entspricht. Dadurch können Bildfehler am Bildrand vermieden werden.

Claims (14)

  1. Verfahren zur elektronischen, kontaktlosen Bildsignalauskopplung bei positionsgebenden Hochvakuum-Detektoreinrichtungen für elektromagnetische Strahlungsquanten oder Teilchenstrahlung, die über eine Elektronen-Vervielfachereinrichtung (3) als Elektronenlawine (8) auf eine ortsauflösende Anodenstruktur auftreffen, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektronenlawine (8) innerhalb des Vakuums (7) auf der Anodenseite der Detektoreinrichtung durch eine hochohmige, leitende Dünnschicht (1) kurzzeitig gesammelt und die gesammelte Ladung durch eine niederohmige, der hochohmigen Dünnschicht (1) außerhalb des Vakuums (7) gegenüberstehend angeordnete und für eine Ortsbestimmung geeignet strukturierte Anodenschicht (2) als Bildladung kapazitiv ausgelesen wird.
  2. Positionsgebende Detektoreinrichtung für elektromagnetische- oder Teilchen-Strahlung, bei der innerhalb eines durch ein flächiges, strahlungsdurchlässiges Decksubstrat (12) und ein auf Abstand dazu gehaltenes Gegen-Substrat (6) umgrenzten und hochevakuierten Raums (7) schichtartig aufeinanderfolgend auf der Strahlungseinfallseite eine plattenartige Elektronen-Vervielfacheranordnung (3) und dieser auf Abstand gegenüberstehend eine Flächenanode (1) vorhanden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode zur kapazitiven, positionsbezogenen Bildsignalauslesung als Schichtanordnung derart ausgebildet ist, daß auf der vakuumseitigen Innenfläche des Gegen-Substrats (6) eine hochohmige Ladungssammelschicht (1) und dieser auf der Außenfläche des Gegen-Substrats (6) gegenüberstehend eine für eine Ortsbestimmung geeignet strukturierte, niederohmige Anodenschicht (2) vorhanden sind.
  3. Detektoreinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die vakuumseitige, hochohmige Ladungssammelschicht (1) als einheitlich flächige Monoschicht auf dem Gegen-Substrat (6) ausgebildet und über eine vakuumdichte Durchführung (11) von außen mit einem Hochspannungspotential beaufschlagbar ist.
  4. Detektoreinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladungssammelschicht (1) eine hochohmige Halbleiterschicht ist.
  5. Detektoreinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladungssammelschicht (1) eine Germanium (Ge-) Schicht ist.
  6. Detektoreinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die strukturierte, niederohmige Anodenschicht (2) in Form einer Wedge & Strip-Anode ausgebildet ist mit Sammelschienen (a, b, c) für bildladungsanteilige Ladungsauslesung an wenigstens zwei im rechten Winkel zueinander stehenden Randseiten der Anodenschicht (2).
  7. Detektoreinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die strukturierte, niederohmige Anodenschicht (2) in Form einer Vernier-Anode ausgebildet ist.
  8. Detektoreinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die strukturierte, niederohmige Anodenschicht (2) Spiralstruktur aufweist.
  9. Detektoreinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die strukturierte, niederohmige Anodenschicht (2) als Delay-Line-Schicht ausgebildet ist.
  10. Detektoreinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die strukturierte, niederohmige Anodenschicht (2) in Form eines Pixelsystems ausgebildet ist, das mittels eines CCDs digital ausgelesen wird.
  11. Detektoreinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die strukturierte Anodenschicht (2) auf eine separate Platte (10) aufgebracht ist, die mechanisch an die Außenfläche des Gegensubstrats (6) angepaßt ist.
  12. Detektoreinrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die strukturierte Anodenschicht (2) direkt auf die Außenfläche des Gegensubstrats (6) aufgebracht ist.
  13. Detektoranordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die inneren Widerstände von Ladungssammelschicht (1) und kapazitiv gekoppelter äußerer Anodenschicht (2) im Hinblick auf eine Optimierung der Ortsauflösung gewählt sind.
  14. Detektoreinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere, niederohmige Anodenschicht (2) eine über die Bildränder der vakuumseitigen Ladungssammelschicht (1) hinausragende, sensitive Fläche aufweist, so daß Bildfehler im Randbereich vermieden werden.
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