DE3638893A1 - Positionsempfindlicher strahlungsdetektor - Google Patents
Positionsempfindlicher strahlungsdetektorInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen positionsempfindlichen
Strahlungsdetektor wie er im Hinblick auf die Veröffentlichung von
C Martin et al im "Rev. Sci. Instrum." 52 (7), Jul. 1981,
1067-1074, als bekannt vorausgesetzt wird.
Strahlungsdetektoren der hier interessierenden Art enthalten eine
auf der Oberfläche eines Substrats angeordnete elektrisch leitende
Elektrodenanordnung, deren Konfiguration und Anordnung eine Posi
tionsbestimmung eines auftreffenden Ladungsträgerbündels in zwei
Koordinatenrichtungen gestattet. Eine bekannte Elektrodenanordnung
dieser Art enthält vier Elektroden, und zwar ein Elektrodenpaar mit
einander gegenüberliegenden und jeweils zur anderen Elektrode hin
zulaufenden keilförmigen Elektrodenteilen und ein zweites, mit dem
ersten verschachteltes Elektrodenpaar aus nebeneinander liegenden
streifenförmigen Elektroden, deren Breiten sich quer zu ihrer
Längsrichtung gegenläufig ändert. Der Auftreffort eines Strahlungs
bündels ausreichenden Querschnitts läßt sich bei dieser Elektroden
anordnung in zwei aufeinander senkrecht stehenden Koordinatenrich
tungen aus dem Verhältnis der von den einzelnen Elektroden aufge
nommenen Ladungsträgerströme ermitteln. Es gibt auch Elektro
denanordnungen dieser Art mit nur drei Elektroden sowie Anoden
anordnungen, bei denen die Position eines auftreffenden Ladungsträ
gerstrahlbündels in Polarkoordinaten ermittelt werden kann. Wenn es
sich bei der Strahlungsverteilung um optische (elektromagnetische)
Strahlung handelt, wird sie möglichst positionsgetreu in eine
entsprechende Ladungsträgerverteilung, insbesondere Elektronenver
teilung umgewandelt, was z. B. durch eine Photokathode und eine
anschließende Photoelektronenvervielfacheranordnung, z. B. Mikroka
nalplatten, erfolgen kann.
Außer positionsempfindlichen Strahlungsdetektoren der obengenannten
Art, die mit elektronischer Signalerfassung arbeiten, ist aus der
Veröffentlichung von Panitz in J. Vac. Sci. Technol., 17 (3),
Mai/Juni 1980, 757, 758 auch ein positionsempfindlicher Strahlungs
detektor bekannt, der mit optischer Signalerfassung arbeitet. Bei
diesem optischen Strahlungsdetektor wird durch die zu erfassende
Strahlungsverteilung eine Leuchtstoffschicht zur Lumineszenz ange
regt und die dabei entstehende optische Strahlungsverteilung wird
mit einer Fernsehkamera, z. B. Vidicon-Kamera, z. in ein entspre
chendes elektrisches Videosignal umgesetzt.
Es gibt ferner positionsempfindliche Strahlungsdetektoren, deren
Elektrodenanordnung aus einer einzigen Widerstandselektrode oder
eine Anordnung aus Silizium-Photoelement-Segmenten enthalten, siehe
z. B. die Dissertation von Thomas Schiller, TU Berlin, 1985 S. 30,
31.
Nachteilig an den bisherigen Strahlungdetektoren ist, daß sie keine
gleichzeitige optische und elektrische Signalerfassung ermöglichen.
Dies wäre jedoch z. B. wünschenswert, wenn bei Messungen, in denen
geringe Eingangssignalintensitäten zu erwarten sind, in einem Vorver
such mit hohen Intensitäten die Justierung durch visuelle Beobach
tung erfolgen kann. Detektoren auf Silizium-Basis haben ein hohes
Störrauschen und sind nur bedingt ausheizbar. Detektoren mit
Widerstandselektroden leiden an hohen geometrischen Verzeichnungen.
Die beiden letztgenannten Detektortypen können nicht mehr als 106
Ereignisse/Sekunde erfassen.
Die im Patentanspruch 1 gekennzeichnete Erfindung löst die Aufgabe,
einen positionsempfindlichen Strahlungsdetektor zu schaffen, der
gleichzeitig sowohl eine elektronische als auch eine optische
Signalerfassung gestattet.
Außer der Möglichkeit einer gleichzeitigen elektronischen und
optischen Signalerfassung hat der vorliegende Strahlungsdetektor
noch den weiteren wesentlichen Vorteil eines hohen dynamischen
Bereiches, der bis etwa 1013 Ereignisse/Sekunde reicht.
Die Elektrodenanordnung des vorliegenden Strahlungsdetektors ent
hält vorzugesweise Elektroden aus einem Gemisch von Indiumoxid und
Zinnoxid. Das Verhältnis von Indium zu Zinn beträgt vorzugsweise
etwa 20:1.
Vorzugsweise liegt das Zinnoxid ausschließlich in der Form SnO2 vor,
während das Indiumoxid in allen seinen Oxidationsstufen In2O3...InO
auftreten kann.
Die durchsichtige Elektrodenanordnung bildende Schicht kann chemisch
aus der Gasphase durch CVD (Chemical Vapor Deposition) oder durch
ein Sprühverfahren als dünne Schicht niedergeschlagen werden.
Wenn es sich bei der nachzuweisenden Strahlung um elektromagnetische
Strahlung handelt, wird sie z. B. durch eine Photokathode positions
getreu in eine entsprechende Ladungsträger - insbesondere Elektro
nenverteilung umgesetzt.
Die Ladungsträgerverteilung wird vorzugsweise durch einen Vervielfa
cher, wie eine Kanalplatte oder andere SEV-Anordnung, verstärkt,
bevor sie auf die Elektrodenanordnung des Strahlungsdetektors fällt.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezug
nahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines positionsempfindlichen
Strahlungsdetektors;
Fig. 2 einen stark vergrößerten Querschnitt durch einen Teil einer
Detektoranode;
Fig. 3 eine Draufsicht auf ein bevorzugtes Elektrodensystem für eine
Detektoranode und
Fig. 4, 5 und 6 Einzelansichten der drei Elektroden des Elektro
densystems gemäß Fig. 3.
Das in Fig. 1 schematisch dargestellte Strahlungsdetektorsystem
enthält eine flächige Photokathode (10) zur positionsgetreuen
Umwandlung einer einfallenden optischen Strahlungsverteilung (12)
(Strahlungsmuster, Bild) in eine entsprechende Elektronenverteilung.
Die Elektronenverteilung wird durch einen Sekundärelektro
nenvervielfacher positionsgetreu verstärkt. Der Sekundärelektronen
vervielfacher kann beispielsweise, wie dargestellt, zwei hinterein
andergeschaltete Mikrokanalplatten enthalten. Die verstärkte Elek
tronenverteilung (16) fällt auf eine als Anodenanordnung (18)
geschaltete Elektrode, die auf einer Oberfläche eines Substrats (20)
angeordnet ist. Die Elektrodenanordnung (18) enthält mehrere Elek
troden (siehe z. B. Fig. 3 und die oben erwähnten Veröffentlichung
von Martin et al.), deren Konfiguration und Anordnung eine Posi
tionsbestimmung eines auftreffenden Ladungsträgerbündels ausreichen
den Querschnitts ermöglicht. Soweit beschrieben, ist der Strahlungs
detektor bekannt.
Gemäß der Erfindung besteht das Substrat (20) aus einem transparen
ten Werkstoff, wie Glas. Ferner bestehen die Elektroden der
Elektrodenanordnung (18) aus einem elektrisch leitenden und transpa
renten Werkstoff. Weiterhin ist zumindest auf den Elektroden,
vorzugsweise auf der ganzen elektrodenseitigen Oberfläche der
Elektroden-Substrat-Anordnung eine Schicht (22) aus einem Lumines
zenzmaterial (Leuchtstoff) angeordnet, wie in Fig. 2 genauer
dargestellt ist. Das Lumineszenzmaterial kann in bekannter Weise aus
einer dotierten Halbleiterverbindung, wie CdSe/Ag, bestehen.
Die Elektroden der Elektrodenanordnung (18) bestehen z. B. aus einem
Metall, wie Au; aus ggf. mit einem Nichtmetall, wie Fluor, dotierten
Metalloxiden, wie SnO2, In2O3, RuO und sogenannten "organischen
Metallen" wie Polycarbazolen, Polyphenothiazinen (mit Jod dotiert),
welche in Form einer dünnen Schicht durchsichtig oder zumindest
durchscheinend sind. Bevorzugt wird derzeit ein Gemisch von Indium
oxid und Zinnoxid. Das Verhältnis von Indium zu Zinn beträgt
vorzugsweise etwa 20:1. Das Zinnoxid liegt vorzugsweise ausschließ
lich in der Form von SnO2 vor, während das Indiumoxid in allen
Oxidationsstufen In2O3...InO auftreten kann.
Die Indiumoxid-Zinnoxidschicht kann chemisch aus der Gasphase durch
CVD (Chemical Vapor Deposition) oder durch ein Sprühverfahren in
bekannter Weise niedergeschlagen werden.
Die Elektrodenanordnung (18) gestattet es, die Position und Inten
sität von auftreffenden Elektronenimpulsen in bekannter Weise
mittels einer Signalverarbeitungseinheit (24) zu erfassen, die z. B.
ein digitales Ausgangssignal liefert. Mit dem Strahlungsdetektor
gemäß der Erfindung ist jedoch außerdem auch eine gleichzeitige
optisch-elektronische Signalerfassung möglich. Hierzu ist bei dem in
Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel auf der der Elektrodenan
ordnung (18) abgewandten Seite des durchsichtigen Substrats (20) ein
opto-elektronisches Bildaufnahmesystem (26) angeordnet, welche ein
nur schematisch angedeutetes Objektiv (28) sowie eine Fernsehkamera
(30) enthält, die z. B. mit einem Vidicon oder einer Ladungsgekop
pelten Einrichtung (CCD) arbeiten kann und ein Videosignal liefert,
welches die von der Leuchtstoffschicht (22) erzeugte optische
Strahlungsverteilung darstellt. Anstelle des optisch-elektronischen
Bildaufnahmesystems (26) oder zusätzlich zu diesem können auch
Mittel zur visuell-optischen Betrachtung und/oder photographischen
Registrierung des durch die Lumineszenzschicht (22) erzeugten
sichtbaren Bildes vorgesehen sein, z. B. ein Okular (34) und ein
zwischen dem Substrat (20) und dem Objektiv (28) angeordneter
teildurchlässiger Spiegel (36).
Eine vorteilhafte Elektrodenanordnung, die im Prinzip aus der
Veröffentlichung von Martin et al. (l.c.) bekannt ist, ist in den
Fig. 3 bis 6 dargestellt. Fig. 3 zeigt die Elektrodenanordnung
als Ganzes. In den Fig. 4, 5 und 6 sind die drei Elektroden
(18 a), (18 b) und (18 c) der Elektrodenanordnung getrennt dargestellt.
Die in Fig. 4 dargestellte erste Elektrode (18 a) mit einem Anschluß
(A) besteht aus einer kammartigen Anordnung von Streifen mit von
links nach rechts abnehmender Breite. Die in Fig. 5 dargestellte
zweite Elektrode (18 b) mit einem Anschluß (B) enthält eine Anordnung
gleicher keilförmiger Elektrodenteile, die in die Zwischenräume
zwischen die Streifen der Elektrode (18 a) hineinreichen. Zwischen
den vorspringenden Elektrodenteilen der Elektroden (18 a) und (18 b)
befindet sich eine dritte, mäanderförmige Elektrode (18 c), die bei
der Elektrodenanordnung gemäß Fig. 3 den Zwischenraum zwischen den
Elektroden (18 a) und (18 b) einnimmt und zwei Anschlüsse (C 1), (C 2)
hat. Die Breite der in Fig. 3 oberen, im wesentlichen V-förmigen
Enden der Mäanderwindung nimmt von links nach rechts zu, außerdem
ändert sich das Verhältnis der Breiten der Schenkel dieser Windungen
in der aus Fig. 6 ersichtlichen Weise.
Die Erfindung läßt sich selbstverständlich auch mit anderen Elektro
denkonfigurationen realisieren, z. B. anderen Konfigurationen, die
in der erwähnten Veröffentlichung von Martin et al. beschrieben sind
sowie auch mit einer Widerstandselektrode der eingangs erwähnten
Art. Sie läßt sich nicht nur bei Positionsdetektoren der beschriebe
nen und erwähnten Art anwenden, sondern auch z. B. bei Feldionenmi
kroskopen, Transmissions-Rastermikroskopen, Röntgenmikroskopen,
Bildwandlern und -verstärkern, wie Nachsichtgeräten, Bildaufnahme
einrichtungen für astronomische Zwecke, LEED-Systeme (low energy
electron diffraction) u. a. m.
Claims (10)
1. Positionsempfindlicher Strahlungsdetektor mit einem Substrat (20)
und einer auf einer Oberfläche des Substrats angeordneten Elektro
denanordnung (18), deren Konfiguration und Anordnung eine Positions
bestimmung eines auf sie auftreffenden Ladungsträgerbündels (16)
gestattet, dadurch gekennzeichnet, daß
- a) die Elektrodenanordnung (18) aus einem transparenten, elektrisch leitenden Material besteht;
- b) das Substrat (20) aus einem transparenten Material besteht; und
- c) auf der vom Ladungsträgerbündel beaufschlagten Seite der Elek trodenanordnung (18) eine Leuchtstoffschicht (22) vorgesehen ist.
2. Strahlungsdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Leuchtstoffschicht (22) sowohl die Elektrodenanordnung (18) als
auch etwaige elektrodenfreie Bereiche der Oberfläche des Substrats
(20) bedeckt.
3. Strahlungsdetektor nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch
eine Vorrichtung (26; 34, 36) zur optischen Erfassung der von der
Leuchtstoffschicht (22) erzeugten optischen Strahlungsverteilung.
4. Strahlungsdetektor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß
die Vorrichtung zur optischen Signalerfassung eine opto-elektroni
sche Einrichtung, wie eine Fernsehkamera (30) enthält.
5. Strahlungsdetektor nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeich
net, daß die Vorrichtung zur optischen Signalerfassung eine Vorrich
tung (34, 36) zur visuellen Betrachtung der optischen Strah
lungsverteilung enthält.
6. Strahlungsdetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß vor der Elektrodenanordnung (18) ein
Sekundärelektronenvervielfacher (14) angeordnet ist.
7. Strahlungsdetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die transparente Elektrodenanordnung aus
einem Gemisch von Indiumoxid und Zinnoxid besteht.
8. Strahlungsdetektor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß
das Verhältnis von Indium zu Zinn etwa 20:1 beträgt.
9. Strahlungsdetektor nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeich
net, daß Zinnoxid als SnO2 vorliegt, während das Indiumoxid in
verschiedenen Oxidationsstufen vorliegt.
10. Strahlungsdetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß die Elektrodenanordnung eine aus Widerstandsmate
rial bestehende Elektrode enthält.
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