DE1220050B - Photozelle mit Sekundaerelektronenvervielfacher - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

HOIj

Deutsche KL: 21g-29/20

Nummer: 1220 050

Aktenzeichen: R 30101 VIII c/21 g

Anmeldetag: 14. April 1961

Auslegetag: 30. Juni 1966

Die Erfindung betrifft eine Photozelle mit Sekundärelektronenvervielfacher, in deren evakuiertem Kolben eine Photokathode und eine Käfigelektrode angeordnet sind, die eine Anzahl von im Abstand voneinander angeordneten und von isolierenden Halterungen getragenen Sekundäremissionselektroden sowie eine Anode umschließt.

Photozellen mit Sekundärelektronenvervielfacher (im folgenden kurz SEV), die eine großflächige Photokathode aufweisen, werden beispielsweise in Szintillationszählern benötigt. Bei solchen Einrichtungen fällt die beispielsweise aus einem radioaktiven Stoff stammende Strahlung auf einen Phosphor und regt diesen zur Lumineszenz an; das vom Phosphor emittierte Licht verursacht seinerseits die Photoemission von Elektronen aus der Photokathode der Röhre. Die Photoelektroden werden durch ein elektrostatisches, elektronenoptisches Feld zu einer Vervielfacheranordnung innerhalb der Röhre geleitet. Die Vervielfacheranordnung enthält normalerweise eine Anzahl von gestaffelt angeordneten Elektroden, die beim Auftreffen von Elektronen ihrerseits Sekundärelektronen abgeben. Der von der Photokathode emittierte Elektronenstrom wird auf diese Weise durch die Sekundäremission verstärkt.

Die bekannten SEV-Röhren sind im Hinblick auf die erzielbaren Ausgangsströme durch die Größe der Potentiale begrenzt, die an die einzelnen Vervielfacherstufen angelegt werden können. Die Größe der Betriebspotentiale an den Vervielfacherstufen oder Dynoden ist dadurch begrenzt, daß in der Röhre immer ein gewisser Dunkelstrom fließt, der im allgemeinen mit wachsender Dynodenspannung steigt. Eine bekannte Ursache für diese Dunkelströme ist Licht, das entstehen kann, wenn Elektronen mit hoher Geschwindigkeit auf die Oberfläche einer Dynode auftreffen. Das Licht kann unter Umständen zurück zur Photokathode gelangen und dort die Emission von Elektronen verursachen. Eine weitere Ursache für die Dunkelströme ist eine Kopplung der Dynodenanordnung mit der Photokathode über Ionen, metastabile Atome oder Moleküle sowie Röntgenstrahlung, die an der Dynodenanordnung gebildet werden können. Die Rückkopplung über Ionen tritt im allgemeinen im Bereich zwischen der Photokathode und der ersten Dynode auf, da die Potentialverhältnisse normalerweise bewirken, daß die irgendwo in der Röhre entstehenden Ionen durch die Dynodenanordnung gesammelt werden. Außerdem kommt es gelegentlich vor, daß im Anodenbereich des Vervielfachers gebildete Ionen mit genügender Energie auf den Glaskolben auftreffen, um Photozelle mit Sekundärelektronenvervielfacher

Anmelder:

Radio Corporation of America,

New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter:

Dr.-Ing. E. Sommerfeld, Patentanwalt,

München 23, Dunantstr. 6

Als Erfinder benannt:
Arthur Frederick McDonie,
Robert Macpherson Matheson,
Lancaster, Pa. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 5. Mai 1960 (27 066)

diesen zur Lumineszenz oder Fluoreszenz anzuregen. Das auf diese Weise entstehende Licht kann dann zur Photokathode gelangen und dort eine Störemission verursachen. Metastabile, also ungeladene Atome oder Moleküle können an der Photokathode eine Emission verursachen, ganz gleich in welchem Bereich der Röhre sie entstehen, da sie nieht durch die Dynodenanordnung angezogen werden. Auch Strahlungsenergie, wie Röntgenstrahlen, können Störemissionen an der Photokathode verursachen, wenn sie in irgendeinem Bereich der Röhre entstehen, da sie ebenfalls nicht von den Dynoden angezogen werden.

Durch die Erfindung sollen diese störenden Effekte verringert werden.

Eine Photozelle mit Sekundärelektronenvervielfacher, in deren evakuierten Kolben eine Photokathode und eine Käfigelektrode angeordnet sind, die eine Anzahl von im Abstand voneinander angeordneten und von isolierenden Halterungen getragenen Sekundäremissionselektroden sowie eine Anode umschließt, ist gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen der Käfigelektrode und den Sekundäremissionselektroden so klein bemessen ist, wie es die Betriebsspannungen zulassen, und daß die Käfigelektrode die Sekundäremissionselektroden und die Anode mit Ausnahme einer

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Eintrittsöffnung für die aus der Photokathode aus- isolierenden Halterungen, die bei den Enden dei

gelösten Elektronen vollständig umgibt. Dynoden verlaufen, dadurch gekennzeichnet, daß die

Photozellen mit Sekundärelektronenvervielfacher, Käfigelektrode in einem Abstand von etwa 0,76 mm

deren Sekundäremissionselektroden (Dynoden) und an jeder einzelnen Dynode vorbeiläuft und mit der

Anode von einer Abschirmung umgeben sind, sind 5 rohrförmigen Abschirmung elektrisch verbunden ist.

bereits bekannt (z. B. USA.-Patentschrift 2 676 282). Die einzige Figur zeigt ein Ausführungsbeispiel der

Es ist jedoch bisher offensichtlich nicht erkannt wor- Erfindung im Schnitt.

den, daß es zur Unterdrückung der oben geschilder- Die dargestellte SEV-Röhre besitzt einen evakuierten Störungen ganz wesentlich darauf ankommt, daß ten Kolben 10, der vorn durch eine im wesentlichen die Dynoden und die Anode von der die Abschir- io quer verlaufende Stirnplatte 12 geschlossen ist. Auf mung bildenden Käfigelektrode so eng umschlossen der Innenfläche der transparenten Stirnplatte 12 bewerden muß, wie dies im Hinblick auf die verwende- findet sich eine emissionsfähige Photokathode 14 in ten Betriebsspannungen möglich ist, und daß die Käfig- Form einer elektrisch ununterbrochenen, photoelektrode außer der Eintrittsöffnung für die von der emissionsfähigen Schicht. Diese Schicht kann aus be-Photokathode emittierten Elektronen keinerlei 15 liebigen bekannten Werkstoffen bestehen und beiDurchbrechungen aufweisen darf. spielsweise Mangan, Antimon, Sauerstoff und Cae-Es ist ferner ein Sekundärelektronenverstärker be- sium oder eine Mischung von Alkalimetallen entkannt, dessen Photokathode, Dynoden und Anode halten.

innerhalb eines Metallrohres angeordnet sind, daß Das System der Röhre enthält eine topfförmige also praktisch das Gehäuse des Sekundärelektronen- 20 Abschirmelektrode 16 für die Dynoden, die sich in Verstärkers darstellt (deutsche Patentschrift 682157). einem gewissen Abstand von der Photokathode 14 Es sind auch Bildverstärker bekannt, welche eine befindet und deren Boden mit einer Öffnung 18 verAnzahl netzartiger, paralleler Vervielfacherelektro- sehen ist. Innerhalb der Abschirmung 16 befindet sich den enthalten, die in einem rohrförmigen Körper ge- eine Fokussierelektrode 20 in Form eines hohlen, lagert sind (schweizerische Patentschrift 192 229). 25 rohrförmigen Bauelementes, das etwas unterhalb dem Photokathode bzw. Anode liegen im Abstand vor den oberen Rand der Abschirmung 16 beginnt und eine Enden dieses rohrförmigen Körpers, der einen ver- Öffnung 22 aufweist, die einen Innenring 24 umfaßt, hältnismäßig großen Durchmesser hat. Eine Ab- Der Ring 24 ist an der Dynodenabschirmung 16 beschirmung wird hier weder angestrebt noch erreicht. festigt. Der Ring 24 dient zum Schutz der Elektroden-Die Käfigelektrode der beschriebenen Photozelle 30 elemente in der Röhre gegen eine Verunreinigung mit Sekundärelektronenvervielfacher ist vorzugsweise durch das Material, das von der Dynodenseite der zwischen zwei Halterungsteilen angeordnet und an Beschleunigungselektrode oder Dynodenabschirmung diesen befestigt. 16 während der Herstellung der Photokathode 14 ab-

Gemäß einer Weiterbildung der beschriebenen Ein- gedampft wird.

richtung ist eine Photozelle der oben angegebenen 35 Auf der Innenfläche des Röhrenkolbens 10 wird Art mit einem langgestreckten Kolben, an dessen im Bereich oberhalb des Bodens der Dynodeneinem Ende sich eine Photokathode befindet, ferner abschirmung 16 nach einem an sich bekannten Vermit einer Anzahl länglicher, nebeneinander angeord- fahren ein metallischer Wandüberzug 26 in Form neter Dynoden, von denen die der Photokathode am einer dünnen Schicht aus Aluminium gebildet. Die nächsten benachbarte ungefähr auf der Kolbenachse 4° Aluminiumschicht 26 reicht von der Photokathode liegt, während die übrigen Dynoden im Zickzack auf in Axialrichtung der Röhre an der Röhrenwand nach gegenüberliegenden Seiten einer Ebene angeordnet unten und bildet auf diese Weise eine zylindrische sind, die im Abstand parallel zur Röhrenachse ver- Fokussierelektrode, die koaxial zur Dynodenabschirläuft, und mit zwei ebenen, elektrisch isolierenden mung 16 verläuft. Die Photokathode ist über den Halterungen für die Dynoden, die etwa senkrecht zu 45 Wandbelag 26 mittels einer nicht dargestellten Leider genannten Ebene und parallel zur Röhrenachse tung elektrisch mit einem Sockelstift 28 im Fuß der bei den gegenüberliegenden Enden der Dynoden ver- Röhre verbunden. Die Schicht 26 trägt nicht nur zur laufen, dadurch gekennzeichnet, daß die Käfigelek- Bildung eines elektronenoptischen Feldes bei, das trode den Bereich zwischen den beiden isolierenden die aus der Photokathode 14 austretenden Elektro-Halterungen überspannt, daß die Seitenwände der 50 nen in den Vervielfacherteil sammelt, sondern ver-Käfigelektrode etwa parallel zu der genannten Ebene hindert auch, daß sich Ladungen auf dem an die verlaufen, wobei jedoch ein Teil einer Seitenhand Photokathode 14 angrenzenden Wandteil sammeln einen Winkel mit dieser Ebene bildet und in nahem können.

Abstand an der der Photokathode am nächsten be- Die Vervielfacheranordnung 30 ist für einen genachbarten Dynode vorbeiläuft, und daß die beiden 55 raden Durchlauf eingerichtet und enthält eine An-Seitenwände der Käfigelektrode hinten durch einen zahl von länglichen Dynoden 31 bis 40. Die Dynoden quer verlaufenden Bodenteil verbunden sind. 31 bis 40 können aus irgendeinem geeigneten Werk-Gemäß einer anderen Weiterbildung der Photo- stoff bestehen, der einen hohen Sekundäremissionszelle der oben angegebenen Art mit einem länglichen faktor besitzt, z. B. aus einer Kupfer-Beryllium-Le-Kolben, dessen eines Ende innen eine Photokathode 60 gierung. Die Dynoden 31 bis 40 sind gegenüber einer trägt, mit einer im Abstand von der Photokathode Ebene gestaffelt angeordnet, so daß die von der angeordneten rohrförmigen Abschirmung, die eine Photokathode 14 emittierten Elektronen zuerst auf Mittelöffnung aufweist, mit einem rohrförmigen die Dynode 31 auftreffen und dort eine Sekundär-Fokussierring innerhalb der Abschirmung, dessen emission mit einem Faktor größer als 1 bewirken. Mittelöffnung koaxial zur Mittelöffnung der Abschir- 65 Der Strom der Sekundärelektronen wird durch ein mung liegt, einer Anzahl länglicher Dynoden, denen ruhendes elektrostatisches Feld beschleunigt und der Elektronen von der Photokathode durch die Mittel- Reihe nach auf die folgenden Dynoden 32 bis 40 geöffnung zugeführt werden, und mit zwei elektrisch leitet. Die beschleunigenden Felder entstehen da-

Claims (1)

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   durch, daß die aufeinanderfolgenden Dynoden gegen- mung bei der Dynode 31 wurden ebenfalls ausproüber der jeweils vorhergehenden Dynode positiv, biert, ergaben jedoch keine nennenswerte Erhöhung beispielsweise um 300 V, vorgespannt sind. Bei der der Verstärkung ohne gleichzeitige Vergrößerung des letzten Dynode 40 befindet sich eine gitterartige Dunkelstromes. Anscheinend sammelt der Dynoden-Anode, an der die Ausgangssignale abgenommen 5 käfig 44 positive Ionen, bevor sie die Photokathode werden können. Die Dynoden 31 bis 40 und die erreichen können, absorbiert außerdem Ionen, die Anode 42 sind in einer nicht durchbrochenen Käfig- Fluoreszenz in den Kolbenwänden bewirken, verelektrode 44 eingeschlossen, die an der Unterseite schluckt das Licht, das von den die Dynoden treffender Dynodenabschirmung 16 beginnt und alle Dyno- den Elektronen erzeugt wird, und bewirkt, daß metaden umschließt. Der Abstand zwischen der Käfig- io stabile Teilchen ihre Energie abgeben, und verhindert elektrode und der Dynodenanordnung ist so klein, schließlich, daß erzeugte energiereiche Strahlung wie es die vorgesehenen Betriebsspannungen zu- nicht zurück zur Photokathode gelangen kann,
   lassen. Als Beispiel für einen normalen Abstand sei

   etwa 1,25 mm angegeben. Röhren mit Abständen Patentansprüche:

   zwischen 0,75 und 12,5 mm sind mit zufriedenstel- 15

   lendem Ergebnis gebaut worden. Die Käfigelektrode 1. Photozelle mit Sekundärelektronen verviel-44 schmiegt sich eng an die einzelnen Dynoden an, fächer, in deren evakuiertem Kolben eine Photoso daß in der Nähe der Dynoden ein Potential kathode und eine Käfigelektrode angeordnet herrscht, das gleich dem Potential der ringförmigen sind, die eine Anzahl von im Abstand vonein-Abschirmung 16 ist. Die Käfigelektrode 44 kann aus 20 ander angeordneten und von isolierenden Halteirgendeinem leitenden Werkstoff, beispielsweise einer rungen getragenen Sekundäremissionselektroden Chrom-Nickel-Legierung bestehen. Die Dynoden31 sowie eine Anode umschließt, dadurch g e bis 40, die Anode 42 und die Käfigelektrode 44 sind kennzeichnet, daß der Abstand zwischen zwischen elektrisch isolierenden Abstandshalterplat- der Käfigelektrode (44) und den Sekundärten 46 gehaltert. In der Darstellung ist aus Gründen 25 emissionselektroden (31 bis 40) so klein bemesder Übersichtlichkeit halber nur der hintere Ab- sen ist, wie es die Betriebsspannungen zulassen, Standshalter 46 dargestellt. Die einzelnen Dynoden und daß die Käfigelektrode die Sekundäremissind an den Haltedrähten angeschlossen, die die Hai- sionselektroden und die Anode (42) mit Austerungsplatten 46 durchsetzen. Diese Drähte führen nähme einer Eintrittsöffnung (18) für die aus dann zu den Durchführungen und Anschlußstiften 28 30 der Photokathode (14) ausgelösten Elektronen im Fuß des Röhrenkolbens 10. vollständig umgibt.

   Die dargestellte Röhre kann beispielsweise mit 2. Photozelle nach Anspruch 1, dadurch gefolgenden Gleichspannungspotentialen betrieben kennzeichnet, daß die Käfigelektrode (44) zwiwerden: sehen zwei Halterungsteilen (46) angeordnet und

   Kathode 14 -3600 Volt ³⁵ ^f^ ^h*^tef& ^ist\ _A . , , ·

   _ÄKc > · „„„„1/r amnx/ u 3. Photozelle nach Anspruch 1 mit einem

   Fokus~n^gg24 .. \\ \\ \\ \\.. Z% VoS langgestreckten Kolben, a/dessen einem Ende

   Dynode 31 - 3000 Volt die Photokathode angeordnet ist, mit einer An-

   Dvnode32 -2700VoIt länglicher, nebeneinander angeordneter

   _n„ _Λ, -ι-, o,inr> \r i* 4° Dynoden, von denen die der Photokathode am

   Dynode 33 — 2400 Volt .r , . , ,, j..., _r , _Tr n.

   tv j~ ίλ nt cn λ τ κ. nächsten benachbarte ungefähr auf der Kolben-

   Dynode 34 -210OVoIt , ,. .., , ,.^& .., · τ^ ,

   Dvnode35 -1800VoIt ^g' ^{wanrend die} übrigen Dynoden im

   Dvnode36 -1500VoIt Zickzack auf gegenüberliegenden Seiten einer

   Dynode 37 ]'.'.'.'.'.'.'.'.'.'.'.'.'.'.'. ^-1200 Volt ^Ebe?⁶ ™&^οτά™} ^sind> ^die *^m Abstand parallel

   Dynode 38 - 900 Volt ^{45 zu der} ₁ R°^hrenachse verlauft und mit zwei ebe-

   D ode 39 — 600 V It ^nen' ^el^ektnsch isolierenden Halterangen fur die

   -rJ„_{nAo Λη} onn \t ι+ Dynoden, die etwa senkrecht zu der genannten

   Dynode 40 — 300 Volt „/ ' , ,, , „.., , °, . _A

   λ α λί r\\T u Ebene und parallel zur Rohrenachse bei den

   Anode 42 0 Volt .., ,. ^r , „ , , „. ,

   gegenüberliegenden Enden der Dynoden ver-

   Es hat sich gezeigt, daß es infolge des Dynoden- 5° kufen, dadurch gekennzeichnet, daß die Käfigkäfigs 44 möglich ist, die zehn Dynodenstufen der elektrode (44) den Bereich zwischen den beiden Röhre mit einer Spannung bis zu 4000 Volt zwi- isolierenden Halterungen (46) überspannt, daß sehen Kathode und Anode zu betreiben, wodurch die Seitenwände der Käfigelektrode etwa pardie Verstärkung des zehnstufigen Vervielfachers auf allel zu der genannten Ebene verlaufen, wobei etwa das Zehnfache dessen erhöht wurde, was mit 55 jedoch ein Teil einer Seitenwand einen Winkel bekannten Röhren dieser Art erreichbar ist. Man mit dieser Ebene bildet und in nahem Abstand kann, mit anderen Worten gesagt, die Verstärkung an der der Photokathode (14) am nächsten beder Röhre um etwa den Faktor 10 gegenüber den be- nachbarten Dynode (31) vorbeiläuft und daß die kannten Röhren erhöhen, indem man die Dynoden- beiden Seitenwände der Käfigelektrode hinten spannung etwa verdoppelt, bevor die Rückkopp- 6o durch einen quer verlaufenden Bodenteil verlungseffekte auf die Photokathode die bei den be- bunden sind,
   kannten Röhren übliche Größenordnung erreichen. 4. Photozelle nach Anspruch 1 mit einem

   Völlig klar ist die Wirkungsweise der vorgeschla- länglichen Kolben, an dessen einem Ende innen genen Anordnung nicht. Ein Gitterkäfig in derselben die Photokathode angeordnet ist, mit einer im Lage, wie die geschlossene Käfigelektrode 44, eine 6₅ Abstand von der Photokathode angeordneten leitende Schicht auf der Innenwand des Kolbens 10, rohrförmigen Abschirmung, die eine Mitteleine undurchsichtige Schicht auf der Außenwand des öffnung aufweist, mit einem rohrförmigen Fokus-Kolbens 10 und eine nicht durchbrochene Abschir- siering innerhalb der Abschirmung, dessen

   Mittelöffnung koaxial zur Mittelöffnung der Abschirmung liegt, eine Anzahl länglicher Dynoden, denen Elektronen von der Photokathode durch die Mittelöffnungen zugeführt werden, und mit zwei elektrisch isolierenden Halterungen, die bei den Enden der Dynoden verlaufen, dadurch gekennzeichnet, daß die Käfigelektrode (44) in einem Abstand von etwa 0,76 mm von jeder einzelnen Dynode (31 bis 40) angeordnet ist und daß die rohrförmige Abschirmung (16) mit der Käfigelektrode (44) elektrisch verbunden ist.

   In Betracht gezogene Druckschriften:

   Deutsche Patentschrift Nr. 926 804; schweizerische Patentschrift Nr. 192 229; USA.-Patentschriften Nr. 2 676 287, 2 908 840;

   Zeitschrift für Angewandte Physik, 8 (1956), S. 143;

   Technische Informationen Valvo, H. 515, S. 2; Hartmann—Bernhard, »Fotovervielfacher«, S 82*

   Bull. Ass. Suisse electr., 44 (1953), S. 993; Nucleonics, 14 (1956), S. 115.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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