DE2128017C3 - Photodetektorröhre - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Photodetektorröhre mit einer Photokathode, die durch eine auf einem Träger angebrachte photoempfindliche Schicht gebildet ist, mit einer durch eine Fläche eines ersten Leiters einer Leitung gebildeten Anode, auf die die Photoelektronen auftreffen, sowie mit einer in der Nähe der Anode zwischen Photokathode und Anode angebrachten, für Elektronen durchlässigen Elektrode, die mit dem zweiten Leiter der Leitung elektrisch leitend verbunden und auf ein Potential gebracht ist, das etwa gleich dem der Anode ist und die so eine Beschleunigungselektrode bildet. Es sind bereits sogenannte superschnelle Photodi- > odenzellen bekannt, deren Ansprechzeit entsprechend einem Einheitsschritt in der Größenordnung von 70 Pikosekunden liegt. Die Wirkung dieser Zellen gründet sich auf einen Kompromiß zwischen verschiedenen einander gegengesetzten Anforderungen, und zwar:

- Kapazität am Ende der Leitung,

- Übergangszeit von der Photokathode zu der Anode,

- durch die Raumladung bestimmte und durch den ι"' Durchmesser der Kathode begrenzte Linearität.

Unter Berücksichtigung des auf dem Pegel der Photokathode höchstzulässigen elektrischen Feldes erreichen diese Zellen tatsächlich die theoretisch errechneten Grenzwerte.

■ϊ" Eine Anordnung der eingangs genannten Art ist aus der Zeitschrift »Applied Physics Letters«, Bd. 2, Nr. H) vom 15. Mai 1963, S. 194-196, bekannt. In diesem Falle wird die Photokathode durch einen zylindrischen Sektor gebildet, der einer Abschirmung 2'i des Mantels eines Koaxialkabels gegenüber angeordnet ist, dessen Innenleiter als Kollektor verwendet wird. Das Lichtsignal fällt unter einem sehr großen Winkel auf die Photokathode ein. Die Struktur der Anordnung erfordert eine Dämpfung am Ende der in Leitung, was einen Verlust gleich der Hälfte des Signals mit sich bringt.

Bei einer derartigen Anordnung ist es unmöglich, ein Gitter zu verwenden, so daß, wenn der Spalt schmal ist, nur wenig Elektronen die Anode erreichen r> können.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Photodetektorröhre gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 so weiterzubilden, daß die Kapazität am Ende der Leitung vermindert und dadurch die Ansprechgeschwin-4i] digkeit der Photodetektorröhre gesteigert wird.

Diese \ufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die die Anode bildende Fläche des ersten Leiters seine Endfläche ist.

Die Photokathode kann die Form eines Kugelseg-•Γ) ments aufweisen, wobei die Mitte der Kugel in der Nähe der Anode liegt.

Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen und der Zeichnung im folgenden näher erläutert. Es zeigt

Vi !"ig. 1 eine Ausführungsform zur Anwendung in einer Anordnung koaxialer Struktur,

Fig. 2 eine weitere Ausführungsform zur Anwendung in einer Anordnung mit einer flachen Leitungsstruktur.

Vi Bei der Ausführungsform der Erfindung nach Fig. 1 wird zwischen der Photokathode 1 und der Endfläche des einen Leiters bzw. der Anode 5 eine Beschleunigungselektrode 4 angeordnet, die durch ein flaches Gitter oder durch eine mit einer öffnung W) versehene Metallmembran gebildet werden kann; dieses Gitter 4 befindet sich in der Nähe der Anode 5 und weist einen offenen Teil auf, dessen Größe der der Oberfläche der gegenüberliegenden Anode 5 entspricht. Die Anode 5 wird durch die Endfläche des b5 Innenleiters 8' eines Koaxialkabels mit angepaßter Impedanz gebildet; das Gitter ist unmittelbar mit dem Mantel 7 dieses erwähnten Kabels verbunden.

Die Photokathode 1 ist in einiger Entfernung vor

dem Gitter 4 angeordnet und hat eine gewölbte Form, damit sie die Photoelektronen auf die Anode 5 fokussieren kann. Diese konkave Form hat zur Folge, daß die empfindliche Oberfläche der Photokathode 1 in bezug auf die der Anode 5 vergrößert und bei demselben Wert des elektrischen Feldes auf dem Pegel der Photokathode 1 der Linearitätsbereich im Vergleich zu der eingangs erwähnten superschneilen Photodiode erheblich erweitert wird. Die Photokathode 1 wird in einer Umhüllung 2 untergebracht, die aus Glas oder aus Metall bestehen kann. Die Photokathode 1 besteht aus einer alkalischen halbdurchlässigen Schicht, die auf einem leitenden, lichtdurchlässigen oder massiven Träger angebracht ist, wenn das Lichtsignal in seitlicher Richtung eintritt. Das Koaxialkabel 7, 8' ist mechanisch durch eine Glas/Metall-Schweiße 3 mit der Umhüllung 2 verbunden. Der Innenleiter 8' der Koaxialleitung wird von einem Glasring 6 in seiner Lage gehaltert und gegen die Umgebung isoliert, welcher Ring einen Übergang zwischen der Umgebung und einem angepaßten Vakuum bildet. Das zusammengeschmolzene Gebilde wird vorzugsweise, aber nicht notwendigerweise, mit Hilfe einer Transportvorrichtung erhalten, wobei ein geeignetes Vakuum im Inneren der Umhüllung 2 aufrechterhalten wird. Zum Beispiel können die angelegten Spannungen folgende Werte haben: Photokathode: 0, Gitter: 10 kV Anode: 11 kV.

Die Anordnung des Gitters 4 und der Anode 5 ermöglicht es, die Ansprechgeschwindigkeit der Zelle zusteigern, und zwar aus zwei gleichartigen Gründen:

1. Die Beeinflussungszeit, die der von dem sich zu der Anode 5 bewegenden Elektron induzierten elektromagnetischen Induktion entspricht, wird auf die Zeit herabgesetzt, die dieses Elektron benötigt, um von der Mittelebene des Gitters 4 zu der Anode 5 zu gelangen; diese Zeit ist von dem Raum zwischen Kathode 1 und Gitter 4 unabhängig. Da das Gitter 4 auf ein Potential gebracht wird, das nahezu gleich, aber etwas niedriger als das Potential der Anode 5 ist, ist es einleuchtend, daß diese Beeinflussungszeit weiter herabgesetzt werden kann als bei den Photodioden, bei denen die Elektronen die Kathode mit einer Anfangsgeschwindigkeit verlassen, die in bezug auf die hohe angelegte Spannung gleich null oder vernachlässigbar ist.

2. Die Kapazität am Ende der Leitung kann in erheblichem Maße herabgesetzt werden, indem der Durchmesser der Anode 5 verringert wird; diese Durchmesserverringerung beeinflußt nicht, wie bei der einfachen Photodiode die Linearität der Detektion der hohen Lichtströme. Es ist einleuchtend, daß diese Röhre andere geometrische Formen aufweisen kann; z. B. kann eine flache "> Photokathode in der Nähe des Gitters 4 angeordnet sein.

Infolge der Geometrie ist eine sehr hohe Spannung zulässig, die nicht durch den Abstand zwischen Photokathode 1 und Anode 5 beschränkt wird; außerdem hi ist das Gitter 4 nicht mit Alkalimetallen überzogen, so daß das an seiner Oberfläche zulässige elektrische Feld wesentlich höher ist.

Wenn eine Übertragungsleitung in Form eines flachen Bandes 8, 8' erregt werden soll, ist es günstig, ι ι wenn die Umdrehungsgeometrie der Photokathode 1 durch eine halbzylindrische Geometrie nach Fig. 2 erseizt wird. In dieser Figur sind entsprechende Elemente mit den gleichen Bezugsziffern wie in Fig. 1 bezeichnet.

j» Die Photokathode 1 ist dabei so angeordnet, daß ihre Achse etwa in der Nähe der Endfläche S des einen flachen Leiters 8' zu liegen kommt, während das abgewinkelte Ende des zweiten flachen Leiters 8 zwischen der Photokathode 1 und der Anode 5 liegt und 2"> in diesem Ende ein Gitter 4 angebracht ist. Bei dieser Geometrie wird die Anode 5 durch die Endfläche des flachen Leiters 8' gebildet, wobei es erforderlich ist, eine Anpassungsbelastung anzubringen.

Bei der Ausführungsform des superschnellen Phojii todetektors nach Fig. 2 ist die Lichtempfindlichkeit wesentlich gesteigert, wobei die Vorteile der großen Ansprechgeschwindigkeit beibehalten werden. In diesem Falle wird die Verteilung der respektiven Potentiale der Photokathode 1, des Gitters 4 und der ι. Anode 5 derart geändert, daß das Gitter 4 die von der Anode 5 emittierten Elektronen auffängt. Zum Beispiel haben diese Potentiale folgende Werte: Photokathode: 0, Gitter: +4 kV, Anode: +2 kV.

Wenn ö der Sekundärmissionskoeffizient des Ma- -Id terials des Endes der Anode und t die Durchlässigkeit des Gitters für Elektronen ist, wird die Empfindlichkeit dieses Photodetektors um den Faktor t (ö - 1) erhöht.

Diese Anordnung ist besonders vorteilhaft, wenn 4) das Ende der Anode 5 aus einem Material mit hoher Sekundärmission, z. B. Galliumphosphid, besteht, das auf geeignete Weise dotiert und mit Zäsium überzogen ist. Dieses Material hat tatsächlich einen Sekundäremissionskoeffizienten in der Größenordnung von -,o 1 K) bei 2 kV, während das Maximum in der Größenordnung von 180 bei 9 kV liegt.

hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Photodetektorröhre mit einer Photokathode, die durch eine auf einem Träger angebrachte photoempfindliche Schicht gebildet ist, mit einer durch eine Fläche eines ersten Leiters einer Leitung gebildeten Anode, auf die die Photoelektronen auftreffen, sowie mit einer in der Nähe der Anode zwischen Photokathode und Anode angebrachten, für Elektronen durchlässigen Elektrode, die mit dem zweiten Leiter der Leitung elektrisch leitend verbunden und auf ein Potential gebracht ist, das etwa gleich dem der Anode ist und die so eine Beschleunigungselektrode bildet, dadurch gekennzeichnet, daß die die Anode bildende Fläche des ersten Leiters (8') seine Endfläche (5) ist.

2. Photodetektorröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die photoempfindliche Schicht der Photokathode (1) auf der konkaven Seite eines Umdrehungssymmetrie aufweisenden Trägers angebracht ist.

3. Photodetektorröhre nach Anspruch I und 2, bei der die Leitung ein Koaxialkabel mit angepaßter Impedanz ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode durch die Endfläche (5) des Innenleiters (8') dieses Kabels gebildet ist und die Photokathode (1) die Form eines Kugelsegments aufweist, wobei die Mitte der Kugel in der Nähe dieser Endfläche liegt.

4. Photodetektorröhre nach Anspruch 1 und 2, bei der die Photokathode zylindrisch ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitung eine flache Leitung (8, 8') mit angepaßter Impedanz ist und die Achse des Zylinders etwa in der Nähe der Endfläche (5) des einen Leiters (8') liegt.

5. Photodetektorröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die photoempfindliche Schicht der Photokathode (1) auf einem flachen, in der Nähe der für Elektronen durchlässigen Elektrode befindlichen Träger angebracht ist.

6. Photodetektorröhre nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (4) durch ein Gitter gebildet ist, dessen offener Teil etwa der Oberfläche der gegenüberliegenden Endfläche (5) entspricht.

7. Photodetektorröhre nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (4) durch eine mit einer Öffnung versehene Metallmembran gebildet ist, welche Öffnung etwa ebenso groß ist wie die Oberfläche der gegenüberliegenden Endfläche (5) (Fig. 2).