NL8900646A - Deeltjesdetector. - Google Patents

Description

Titel: Deeltjesdetector.

De uitvinding heeft betrekking op een detector voor het detecteren van geladen deeltjes, die door een elektrisch veld direkt of indirekt naar de detector worden bewogen, alsmede op een inrichting voorzien van een derge-lijke deeltjesdetector.

Een dergelijke detector voor geladen deeltjes, bijvoorbeeld elektronen is bijvoorbeeld de anode van een fotovermenigvuldigerbuis, of de anode van een beeldver-sterkerbuis, maar ook de trefplaat van een televisiecamerabuis of de anode van een klystron. In het geval van een fotovermenigvuldigerbuis zijn de elektronen, die de anode bereiken indirekt van de kathode afkomstig, doordat tussen kathode en anode een aantal dynodes is geplaatst, die middels secundaire emissie een vermenigvuldiging van het oorspronkelijk door de kathode geëmitteerde aantal elektronen veroorzaken.

Ook in een beeldversterkerbuis, die al dan niet van het proximity-focus type kan zijn kan van secundaire emissie-effecten gebruik worden gemaakt, evenals in een televisiecamerabuis. In een beeldversterkerbuis kan voorts bijvoorbeeld een zgn. "multi-channel plate" worden toegepast.

De uitvinding beoogt een verbeterde detector voor geladen deeltjes met een relatief hoog rendement en een snelle responsie die invallende geladen deeltjes kan detecteren en een corresponderend elektrisch uitgangssignaal kan verschaffen. Hiertoe wordt een detector voor geladen deeltjes van de boven beschreven soort gekenmerkt doordat de detector tenminste één meerlaags halfgeleiderelement omvat, dat in bedrijf de geladen deeltjes opvangt en omzet in een corresponderend elektrisch uitgangssignaal.

In het volgende zal de uitvinding nader worden beschreven met verwijzing naar de bijgevoegde tekening van enkele uitvoeringsbeelden.

Figuur 1 toont schematisch een voorbeeld van een gemodificeerde fotovermenigvuldigerbuis, voorzien van een deeltjes detector volgens de uitvinding met een GaAs-transistor; figuur 2 illustreert schematisch bij wijze van voorbeeld de opbouw van een npn-transistor van een detector volgens figuur 1? figuur 3 toont een vervangingsschema van de inrichting van figuur 1; figuur 4 toont een modificatie van figuur 3? en figuur 5 en figuur 6 tonen vervangingsschema's van nog twee varianten van de inrichting van figuur 1.

Figuur 1 toont schematisch een voorbeeld van een gemodificeerde fotovermenigvuldigerbuis voorzien van een detector volgens de uitvinding met een transistor.

De gemodificeerde fotovermenigvuldigerbuis omvat een huis 1 met een ingangsvenster 2. In het huis heerst in bedrijf vacuum. Het ingangsvenster 2 is op gebruikelijke wijze aan de binnenzijde voorzien van een foto-kathode 3, die in responsie op invallend licht 4 elektronen 5 emitteert. De geëmitteerde elektronen worden middels focusserings- en versnellingselektroden 6,7 op een elektronendetector 8 gericht. De elektronendetector 8 omvat volgens de uitvinding tenminste één meerlaags halfgeleiderelement, dat in het getoonde voorbeeld een transistor, bijvoorbeeld een silicium npn-transistor, is. Door toepassing van een dergelijke bipolaire transistor verkrijgt de buis een zodanig rendement, dat de gebruikelijke dynodes kunnen worden weggelaten.

De getoonde buis zou derhalve ook als een gemodificeerde beeldversterkerbuis opgevat kunnen worden. Door toepassing van een transistor als elektronendetector wordt een buis met een snelle responsie en een relatief grote versterking verkregen, terwijl bovendien door het ontbreken van dynodes een compacte bouw mogelijk is. Dergelijke buizen zijn zeer geschikt voor toepassing als fotodetector.

Figuur 3 toont een elektrisch vervangingsschema van de inrichting van figuur 1. De onder invloed van invallend licht 4 door de fotokathode 3 geëmitteerde elektronen 5 worden door een geschikt elektrisch veld naar de elektronendetector 8 bewogen. De elektronendetector is uitgevoerd als npn-transistor. De elektronen 5 dringen door de emitter 9 heen en genereren elektron-gat paren in de basis 10. Hierdoor wordt de transistor geactiveerd.

Per +_ 3,6 eV energie van een invallend elektron ontstaat in silicium ongeveer één elektron-gat paar.

Daar een invallend elektron een energie van een groot aantal malen 3,6 eV kan hebben, bijvoorbeeld 20 keV, genereert elk elektron een groot aantal elektron-gat paren. Bovendien treedt door de werking van een transistor nog een extra versterking op, zodat een zeer hoge totale versterking verkregen kan worden.

De transistor is op gebruikelijke wijze ingesteld middels een collectorspanning Vc. De emitter ligt via een emitter-impedantie 12 aan aarde. Het uitgangssignaal verschijnt over de emitter-impedantie en kan desgewenst binnen of buiten de buis verder versterkt worden met behulp van een geschikte versterker.

Figuur 2 toont bij wijze van voorbeeld de opbouw van een geschikte npn-transistor, bijvoorbeeld een sili-ciumtransistor. Op een substraat 13 zijn op bekende wijze een collector, basis en emitter gevormd. De emitter 9 kan uit een relatief dunne laag n-type materiaal bestaan.

De basis 10 kan uit een dikkere laag p-type materiaal bestaan en de collector 11 weer uit een relatief dikke laag n-type materiaal. Het substraat 13 kan uit p-type materiaal bestaan.

Op de emitter 9 en tussen de collector 11 en het substraat 13 kan nog een contactlaag of contactgebied van bijvoorbeeld n+-type materiaal zijn aangebracht.

Dergelijke contactlagen zijn schematisch aangegeven met 14 en 15 in figuur 2. De laag 9 dient de invallende elektronen door te laten en wordt daarom relatief dun uitgevoerd.

Opgemerkt wordt, dat voor het detecteren van positief geladen deeltjes, zoals protonen of positieve ionen pnp-transistoren kunnen worden toegepast.

Voorts is de beschreven detectiemethode ook geschikt voor het detecteren van andere negatief geladen deeltjes dan elektronen.

Voorts kunnen in alle gevallen eventueel diodes worden toegepast.

Figuur 4 toont een variant van figuur 3 waarbij in de buis een extra versterkingstrap in de vorm van een transistor 26 is toegepast. Evenals in figuur 3 zijn de instelweerstanden niet getoond.

Het is als alternatief mogelijk de transistor te voorzien van een materiaallaag, die de opvallende geladen deeltjes omzet in licht met een geschikte golflengte.

Het licht wordt door de in dat geval als fotogevoelig element functionerende transistor weer omgezet in elektron-gat paren, waardoor op de reeds beschreven wijze weer een elektrisch uitgangssignaal ontstaat, dat al dan niet verder versterkt kan worden.

Met voordeel kan gebruik worden gemaakt van een licht van een geschikte golflengte verschaffend fosforscherm, dat direkt op het halfgeleiderelement kan zijn aangebracht, doch ook op enige afstand daarvan.

Figuur 5 toont een elektrisch vervangingsschema van een dergelijke configuratie. Een fosforscherm 27 vangt de door de kathode 3 geëmitteerde elektronen 5 op en emitteert licht. Het licht passeert de emitter van de transistor 8 en wordt in de basis van de transistor geabsorbeerd en omgezet in elektron-gat paren. De emitter kan uit n-type materiaal bestaan, dat het licht doorlaat.

De basis kan uit p-type materiaal bestaan, dat niet transparant is voor het geëmitteerde licht, en de collector weer uit n-type materiaal. Het verkregen uitgangssignaal kan desgewenst weer verder versterkt worden. Voorts kunnen zoals eerder beschreven weer contactlagen zijn toegepast. Eventueel kan in plaats van een transistor een diode worden toegepast.

Een voordeel van de toepassing van een fosforscherm of een ander onder invloed van invallende deeltjes oplichtend scherm is, dat het scherm een extra versterking kan verschaffen.

Volgens een andere variant, die schematisch in figuur 6 is getoond, worden de geëmitteerde elektronen opgevangen met behulp van een geleidende opvangplaat 30, die met de stuurelektrode van een transistorelement, zoals bijvoorbeeld een veldeffecttransistor 31 is verbonden.

De optredende versterking is in dat geval beperkt tot de door het transistorelement verschafte versterking.

Een veldeffecttransistor (unipolaire transistor) kan evenals een bipolaire transistor worden gebruikt om direkt geladen deeltjes op te vangen, die dan weer in elektron-gat paren worden omgezet en een elektrisch uitgangssignaal verschaffen.

In alle beschreven gevallen is het mogelijk de detector uit te voeren als een matrix van detectorelementen van één van de beschreven typen. De elektrische uitgangssignalen van de verschillende elementen representeren dan gezamenlijk een tweedimensionaal beeld. Met behulp van een matrix van transistoren kan dan op eenvoudige wijze een camerabuis of een (proximity focus) beeldversterker met grote versterking gemaakt worden.

Opgemerkt wordt, dat na het voorgaande diverse modificaties voor de deskundige voor de hand liggen.

Zo kunnen de door een detector verschafte elektrische uitgangssignalen op diverse wijzen worden versterkt en/of verder verwerkt. Ook kunnen de verschillende lagen van de transistoren volgens de daartoe bekende technieken zijn onderverdeeld in dunnere lagen, die op verschillende wijzen gedoopt zijn.

Bij toepassing van een matrix van transistoren kan desgewenst op dezelfde chip geïntegreerde uitlees-elektronica worden toegepast zoals ook bijvoorbeeld bij CCD-arrays wordt toegepast.

Voorts wordt opgemerkt dat een detector volgens de uitvinding zou kunnen worden toegepast bij analysetechnieken onder vacuum, zoals bijvoorbeeld in aftastende elektronenmicroscopen (Scanning Electron Microscope) waarin een te onderzoeken substraat met van een elektronenkanon afkomstige elektronen gebombardeerd wordt en door het substraat geëmitteerde elektronen gedetecteerd dienen te worden.

Voorts zouden de elektronen vanaf de collectorzijde de basis kunnen bereiken.

In plaats van de beschreven typen transistoren kunnen ook andere typen .transistoren worden toegepast.

Voorbeelden van bruikbare meerlaags halfgeleiderelementen zijn van silicium vervaardigde bipolaire junctietransistoren en heterojunctietransistoren van InP/GalnAsP vervaardigd.

Dergelijke modificaties worden geacht binnen het kader van de uitvinding te vallen.

Claims (13)

1. Detector voor het detecteren van geladen deeltjes, die door een elektrisch veld direkt of indirekt naar de detector worden bewogen, met het kenmerk, dat de detector tenminste één meerlaags halfgeleiderelement omvat, dat in bedrijf de geladen deeltjes opvangt en omzet in een corresponderend elektrisch uitgangssignaal.

2. Detector volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het tenminste ene halfgeleiderelement tenminste één bipolaire transistor omvat.

3. Detector volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het tenminste ene halfgeleiderelement tenminste één unipolaire transistor omvat.

4. Detector volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de detector een voor het tenminste ene halfgeleiderelement aangebracht scherm omvat van een materiaal, dat in responsie op invallende geladen deeltjes licht afgeeft, en dat het tenminste ene halfgeleiderelement onder invloed van licht een elektrisch uitgangssignaal kan verschaffen.

5. Detector volgens conclusie 4, met het kenmerk, dat het scherm direkt op het tenminste ene halfgeleiderelement is aangebracht.

6. Detector volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het tenminste ene halfgeleiderelement is voorzien van een plaat van geleidend materiaal, die invallende geladen deeltjes opvangt en die elektrisch is verbonden met de stuurelektrode van een transistor.

7. Detector volgens conclusie 6, met het kenmerk, dat de transistor een veldeffecttransistor is.

8. Detector volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de detector een matrix van halfgeleiderelementen omvat.

9. Detector volgens conclusie 8, met het kenmerk, dat de matrix van halfgeleiderelementen althans deels samen met uitleeselektronica op één chip is geïntegreerd .

10. Inrichting omvattend althans één in bedrijf geladen deeltjes emitterend orgaan dat in een afgesloten huis is geplaatst gekenmerkt door een deeltjesdetector volgens één of meer der conclusies 1 t/m 9 voor het opvangen van direkt of indirekt van het emitterende orgaan afkomstige geladen deeltjes.

11. Inrichting volgens conclusie 10, met het kenmerk, dat de inrichting een proximity focus beeldversterkerbuis is, waarin het anaodescherm een als matrix uitgevoerde voor elektronen gevoelige deeltjesdetector volgens conclusie 8 is.

12. Inrichting volgens conclusie 11 gekenmerkt door een tussen het deeltjes emitterende orgaan en de detector geplaatste "multi-channel"-plaat.

13. Analyse-inrichting voor materiaalanalyse onder vacuum, zoals een aftastende elektronenmicroscoop, gekenmerkt door een detector volgens één of meer der conclusies 1 t/m 9.