[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kanal-Sekundärelektronenvervielfacher mit
einem Trägerkörper, der einen Langgestreckten, rohrförmigen Vervielfacherkanal enthält,
welcher einen Hauptteil und einen sich an diesen anschließenden, sich trichterartig
erweiternden Anfangsabschnitt aufweist, und mit einer Beschichtung, die auf der Innenwand
des Vervielfacherkanals einschließlich des Anfangsabschnittes angeordnet ist und deren
Oberfläche eine sekundäremissionsfähige Widerstandsschicht bildet.
[0002] Kanal-Sekundärelektronenvervielfacher (im folgenden kurz "Kanalvervielfacher") sind
z.B. aus US-A-4305744, DE-B-1964665, DE-A-1902293 und GB-A-1440037 sowie dem Valvo-Datenblatt
X914AL, X914BL bekannt und werden seit längerem zur Elektronenstromverstärkung in
Detektoren für Elektronen, Ionen und Photonen verwendet. Die im Handel erhältlichen
Kanalvervielfacher des hier hauptsächlich interessierenden Typs, die einen einzigen
langgestreckten, im allgemeinen gekrümmten Vervielfacherkanal enthalten (im Gegensatz
zu den sog. "Kanalplatten", die eine Vielzahl nahe benachbarter, kurzer und meist
gerader Vervielfacherkanäle enthalten), bestehen im allgemeinen aus einem gekrümmten
Rohr aus Bleiglas. Der sich an die Eintrittsöffnung anschließende Anfangsabschnitt
des durch das Glas-. rohr gebildeten Vervielfacherkanales kann zur Vergrößerung des
Einfangquerschnittes für die nachzuweisenden Teilchen trichterartig erweitert sein.
Die Oberfläche des durch das Glasrohr gebildeten Vervielfacherkanales besteht aus
einer elektrisch leitfähigen Schicht mit hohem Sekundäremissionskoeffizienten, die
im allgemeinen durch Reduktion des Bleiglases gebildet worden ist.
[0003] Die aus einem Glasrohr bestehenden bekannten Kanalvervielfacher sind mechanisch sehr
empfindlich, wodurch auch ihre Abmessungen auf verhältnismäßig kleine werte beschränkt
werden. Dieser Nachteil wird bei dem Kanalvervielfacher, der aus der oben bereits
genannten-US-A-4 305 744 bekannt ist, durch die Verwendung eines mechanisch widerstandsfähigen
Trägerkörpers aus Keramik vermieden, der den Vervielfacherkanal bildet. Die Innenwand
des Kanals ist mit einem sekundäremissionsfähigen Material beschichtet, das vom Material
des Trägerkörpers verschieden ist und aus letzterem auch nicht durch Reduktion oder
irgendeine andere chemische Umsetzung gebildet wird. Die Beschichtung kann z.B. aus
Bleiglas bestehen, das an der Oberfläche reduziert ist. Die Beschichtung und die Keramik
des Trägerkörpers sollen im wesentlichen den gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten
haben, wobei Unterschiede bis zu 8 % als zulässig angesehen werden.
[0004] Durch die Verwendung eines Trägerkörpers aus einem mechanisch widerstandsfähigen
Werkstoff wird es zwar möglich, Kanalvervielfacher mit größeren Abmessungen, die mechanisch
verhältnismäßig robust sind, herzustellen, dabei treten dann jedoch andere Probleme
auf. Es hat sich nämlich gezeigt, daß bei Vergrößerung des Durchmessers des trichterförmigen
Anfangsabschnittes des Vervielfacherkanals das Sammlungsvermögen für die nachzuweisenden
Teilchen nicht im gleichen Maße wie die Abmessungen des Trichters zunimmt. Ferner
treten häufig elektrische Instabilitäten auf.
[0005] Der vorliegenden Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, einen Kanalvervielfacher
der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, daß ein stabiles Arbeiten gewährleistet
ist und daß er ohne übermäßige Beeinträchtigung der elektrischen Eigenschaften auch
in größeren Abmessungen hergestellt werden kann.
[0006] Die vorliegende Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß die elektrischen Mängel,
die bei Vergrößerungen der Abmessungen von Kanalvervielfachern der obengenannten Art
auftreten, im wesentlichen auf zwei Ursachen zurückzuführen sind: Erstens bilden sich
in der aktiven, sekundäremissionsfähigen Schicht feine Risse, die elektrische Unstetigkeiten
zur Folge haben und dadurch das Arbeiten des Vervielfachers beeinträchtigen. Zweitens
wird die Feldverteilung im trichterförmig erweiterten Anfangsabschnitt des Kanals
mit zunehmenden Abmessungen des Trichters im Hinblick auf die Sammlung der dort auftreffenden
oder erzeugten Primärelektronen immer schlechter. Diese Mängel können einerseits dadurch
beseitigt werden, daß man den Ausdehnungskoeffizienten des Trägermaterials wesentlich
größer, insbesondere mindestens 10 %, vorzugsweise 15 %, am zweckmäßigsten mindestens
20 bis 25 % größer als den Ausdehnungskoeffizienten der die sekundäremissionsfähige
Schicht bibdenden Beschichtung macht und diese z.B. aus einem Glasurüberzug bei einer
Temperatur bildet, die wesentlich über den im Betrieb zu erwartenden maximalen Temperaturen
liegt, so daß die Beschichtung unter allen Betriebsbedingungen unter einer erheblichen
Druckspannung gehalten wird. Durch diese Druckspannung wird das Auftreten von Rissen
und Unstetigkeiten weitestgehend verhindert.
[0007] Dadurch, daß man die sekundäremissionsfähige Schicht im Trichter durch eine spiralenförmige
schmale Unterbrechung unterteilt, so daß sie im Trichter einen spiralenförmigen Streifen
bilden, ergibt sich eine Feldverteilung, die gewährleistet, daß alle aus der Trichteroberfläche
herausgeschlagenen Elektronen in den Kanal gesaugt werden.
[0008] Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung
näher erläutert.
[0009] Es zeigen:
Fig. 1 eine teilweise geschnittene Seitenansicht eines Kanalvervielfachers gemäß einer
ersten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 1a eine Schnittansicht eines Teiles des Trägerkörpers des Kanalvervielfachers
gemäß Fig. 1 in größerem Maßstab;
Fig. 2 einen Axialschnitt eines Kanalvervielfachers gemäß der zweiten Ausführungsform
der Erfindung und
Fig. 3 eine Ansicht in einer Ebene III-III der Fig. 2.
[0010] Der in Fig. 1 dargestellte Kanalvervielfacher 10 hat einen einzigen langgestreckten
rohrförmigen, gebogenen Kanal, der durch einen Trägerkörper 12 aus Metall, insbesondere
nichtrostendem Stahl, gebildet wird. Der Trägerkörper 12 hat einen wendelförmigen
Hauptteil 12a, der vorne in einen sich konisch erweiternden Anfangsabschnitt oder
Trichter 12b und hinten in ein gerades Stück 12c übergeht. Der Trichter 12b bildet
eine Eintrittsöffnung 12d, bei der er mit einem Befestigungsflansch 14 vakuumdicht
verbunden ist. Ein metallisches, an einem Ende geschlossenes Endstück 20 ist mit seinem
offenen Ende über ein Keramik-Zwischenstück 18 isoliert an das gerade verlaufende
Kanalende 12c vakuumdicht angeschmolzen.
[0011] Die den KanaL begrenzende Innenfläche des metallischen Trägerkörpers 12 einschließlich
des Trichters 12b ist im wesentlichen vollständig mit einer zusammenhängenden Schicht
22 (Fig. 1a) aus einer Bleiglasglasur überzogen. Die freie Oberfläche der Glasurschicht
22 ist in üblicher Weise reduziert, um eine Widerstandsschicht 22a mit hohem Sekundäremissionskoeffizienten
zu bilden. Bei der Fertigung ist darauf zu achten, daß eine dünne, zusammenhängende
unreduzierte Bleiglasschicht 22b zwischen der reduzierten Schicht und dem Metall des
Trägerkörpers verbleibt, um einen Kurzschluß zwischen der sekundäremissionsfähigen
Schicht 22a und dem leitenden Trägerkörper 12 zu verhindern. Die dünne halbleitende
sekundäremissionsfähige Schicht 22a bildet mit der Metallwand des Körpers 12 einen
elektrischen Kondensator, dessen Dielektrikum aus der unreduzierten Bleiglasschicht
22b besteht. Dieser Kondensator kann als Energiespeicher für den Elektronen-Lawinenstrom
im Ende des Vervielfacherkanals genutzt werden. Dadurch können bei jedem Impuls mehr
Sekundärelektronen freigesetzt werden, als es bei einem konventionellen Kanalvervielfacher
möglich ist.
[0012] Bei dem KanaLvervieLfacher gemäß Fig. 1 kann der Flansch 14 als der eine Anschluß
an die halbleitende Vervielfacherschicht dienen, während der andere Anschluß durch
das Endstück 20 gebildet wird, das sowohl als Anode als auch als Auffänger dient und
im Betrieb auf einer Spannung von ca. +3,0 kV bezüglich des auf Masse liegenden Flansches
14 gehalten werden kann. Es ist jedoch auch möglich, den Anschluß am offenen Ende
des Trichters-12b vom Flansch 14 elektrisch zu trennen, z.B. durch die Glasur oder
eine Emaillierung, und zwischen den Flansch 14 und eine Anschlußelektrode an der Eintrittsöffnung
des Trichters 12b eine Ziehspannung von 0 bis 200 V (Eingangsflansch negativ bei positiven
Primärtei lchen) zu legen, um das Einsammeln geladener Primärteilchen zu verbessern.
[0013] Die Eintrittsöffnung des Trichters 12b kann bei der beschriebenen Konstruktion ohne
weiteres einen Durchmesser von mehr als 20 mm, z.B. 25 mm haben.
[0014] Ein Vorteil der anhand von Fig. 1 beschriebenen Metallbauweise ist die relativ gute
thermische Leitfähigkeit des Trägerkörpers, was bei hoher Belastung ebenfalls zur
Stabilität beiträgt.
[0015] Um den gewünschten großen Eingangstrichter und den daran anschließenden engen Kanal
gleichmäßig und möglichst in einem Arbeitsgang mit der Glasur zu beschichten, wird
vorzugsweise ein cremiger Brei aus feingemahlenem Glaspulver in einem flüssigen Trägermaterial,
insbesondere IsopropyLaLkohoL verwendet. Dieser Brei wird durch Eingießen, Streichen
oder Spritzen aufgebracht. Die gesamte Schicht kann auf diese Weise bereits bei Zimmertemperatur
auf der gewünschten Oberfläche verteilt und noch vor dem Einbrennen visuell kontrolliert
werden. Der Träger wird nun Langsam so weit erhitzt, bis die Glasur glatt verfließt,
also beispielsweise auf etwa 800 °C, und anschließend wieder abgekühlt. Bisher hat
man die Glasurschicht durch Eingießen und Hindurchpressen einer flüssigen Glasmasse
hergestellt, die dabei eine weit geringere Zähigkeit und damit eine wesentlich höhere
Temperatur (ca. 1000 °C) haben muß aLs es für das Verlaufen der GLaspuLverschicht
erforderlich ist, was bei den bekannten Verfahren 'die AnzahL der verwendbaren TrägermateriaLien
begrenzt, einen wesentlich höheren Aufwand erfordert und speziell für große Trichter
kaum anwendbar ist.
[0016] Vor dem VerschmeLzen wird das Glasurmaterial vorzugsweise entgast. Das Einbrennen
sollte daher im Vakuumofen erfolgen mit anschließendem Glattbrennen in oxidierender
Atmosphäre. Die Bleiglas-Glasurschicht wird dann in üblicher Weise reduziert, z.B.
durch Erhitzen auf 370 bis 400 °C für etwa sechs Stunden in Wasserstoff von 100 bis
200 kPa, um eine gleichmäßige Emissionsschicht von ca. 10 nm Dicke zu erzeugen. Damit
wird der Kanalwiderstand als Funktion des Kanalquerschnitts und der Länge berechenbar
und optimierbar.
[0017] Bei den bekannten Kanalvervielfachern mit trichterartig erweitertem Eintritt hängt
die Wirksamkeit der einzelnen Flächenbereiche der Trichteroberfläche davon ab, in
welchem Maße die aus der Schicht herausgeschlagenen ELektronen auch in den Anfang
des Hauptteiles 12a des Kanals hineingesaugt werden. Da die Erweiterung des Querschnitts
des Trichters 12b eine Verringerung des Widerstandes in Axialrichtung bewirkt und
damit eine VerkLeinerung der FeLdstärke, ist der Trichter im Grunde genommen nur innen
beim übergang zum Kanal 12a voll wirksam. Zum vorderen (eintrittsseitigen) Rand hin
fällt die Empfindlichkeit schnell ab und man erreicht bald einen Punkt, bei dem eine
Vergrößerung des Trichterdurchmessers keinen Gewinn mehr bringt. Gemäß der Erfindung
wird die Widerstands- und Emissionsschicht im Trichter durch eine schmale spiralige
Trennung, d.h. einen nichtleitenden Zwischenraum, in einen spiralenförmigen Streifen
unterteilt. Die Breite des Streifens ist vorzugsweise wenigstens annhähernd gleich
dem inneren Umfang des Kanals 12a. Durch Variation der Breite des Streifens hat man
es in der Hand, ein Führungsfeld in Richtung zur Trichtermitte zu erzeugen und damit
alle Elektronen von allen Teilen des Trichters einzusammeln. Die Breite der z.B. durch
Ritzen erzeugten Trennung 234 soll klein gegen die Breite des spiralenförmigen Streifens
26 sein. Die Trennung 24 kann auch durch entsprechende Formgebung des Trägerkörpers
12 erzeugt werden. Bei dem Kanalvervielfacher gemäß Fig. 1 kann man den die innere
Oberfläche des Trägers vor dem Glasieren mit einer Emaille beschichten, um eine hohe
elektrische Durchschlagsfestigkeit bei gleichzeitig großer Kapazität zu erreichen.
Der Schmelzpunkt dieser Emaille-Zwischenschicht muß selbstverständlich zwischen der
des Trägers und der der GLasur liegen und kann die unreduzierte Schicht 22b ersetzen.
[0018] Die in den Fig. 2 und 3 dargestellte Ausführungsform des vorliegenden Kanalvervielfachers
enthält einen Trägerkörper 112 aus Isolierkeramik. Der Trägerkörper 112 hat eine im
wesentlichen zylindrische Außenwand und bildet einen Vervielfacherkanal mit einem
trichterförmigen Anfangsabschnitt ("Trichter") 115 und einem spiralenförmigen Kanalteil
117 (siehe auch Fig. 3), dessen axiale Mittellinie im wesentlichen in einer Ebene
liegt. Der Kanalteil 117 wird durch eine spiralenförmige Ausnehmung, z.B. zunehmender
Tiefe und im wesentlichen konstanter Breite, z.B. etwa 2 mm in der hinteren ebenen
Stirnfläche des im wesentlichen zylindrischen Trägerkörpers 112 gebildet. Um eine
gewünschte FeLdstärkeverteiLung im Kanal zu erreichen, können Tiefe und Breite des
KanaLs variiert werden. Der Kanalteil 117 des Vervielfacherkanals wird durch eine
Keramikplatte 119 geschlossen. Die Krümmung des Vervielfacherkanals ist möglichst
gleichmäßig und um dies beim übergang vom Trichter 115 in den Kanalteil 117 zu erreichen,
kann die PLatte 119 eine entsprechende Vertiefung 121 enthalten, die einen TeiL der
Kanalwand bildet und dadurch einen übergang mit gleichmäßiger Krümmung vom Trichter
zur Spirale ermöglicht. Das sich an den Trichter anschließende erste Stück des Kanalteiles
117 ist vorzugsweise etwas enger als der Rest des Kanalteiles 117.
[0019] Der Trichter 115 und der spiralenförmige Kanalteil 117 sind mit einer GLasur versehen,
die die sekundäremissionsfähige Schicht bildet und ebenso hergestellt werden kann,
wie es oben unter Bezugnahme auf Fig. 1 erläutert worden war. Die Sekundäremissionsschicht
endet an einem Anodenanschluß A, der z.B. aus einer Metallisierung bestehen kann.
Am Ende der den Kanalteil 117 bildenden spiralenförmigen Ausnehmung befindet sich
ein Auffänger 120, der ebenfalls aus einer Metallisierung bestehen kann und von der
Anode A durch ein unbeschichtetes, isolierendes Stück 121 des spiralenförmigen Kanalteils
getrennt ist.
[0020] Die die Anode A und den Auffänger 120 bildenden Metallisierungsschichten sind nach
außen herausgeführt und mit geeigneten Anschlüssen, z.B. 123, verbunden.
[0021] Der eigentliche Kanalvervielfacher ist durch ein am Trägerkörper 112 und der Abschlußplatte
119 angeglastes oder angelötetes becherförmiges Zwischenstück 125 aus Metall in den
Flansch 129 vakuumdicht eingeschweißt. Ein darüber fassendes Gehäuse 127 trägt die
elektrischen Anschlüsse für einen Hochspannungs-Eingang 131 sowie für einen Impulsausgang
133. Im Inneren des Gehäuses können elektrische Bauelemente, z.B. ein Verstärker für
das Ausgangssignal untergebracht werden.
[0022] Die vakuumdichte Ausführung gemäß Fig. 2 erlaubt den Betrieb unter Vakuumbedingungen,
während gleichzeitig die Anschlüsse 123 bzw. 133 sowie Anode bzw. Hochspannungs-Eingang
131 frei zugänglich sind.
[0023] Die Emissionsschicht im Trichter 115 ist vorteilhafterweise durch eine spiralenförmige
schmale Unterbrechung 124 in einen spiralenförmigen Streifen 126 unterteilt, wie es
anhand von Fig. 1 erläutert worden war. Die Breite B des Streifens ist vorzugsweise
etwa gleich 2 d, wobei d die Breite des Hauptteiles des Vervielfacherkanals bildet
(Fig. 3). Im Betrieb kann an der Anode A eine Spannung von +2400 bis +3700 V bezüglich
eines Anschlusses 135 am Eintritt des Trichters 115 liegen, welcher vorzugsweise auf
Massepotential liegt und z.B. über das Zwischenstück 125 mit dem Flansch 129 elektrisch
verbunden ist. Der Auffänger 120 sollte eine Spannung von ca. +10 V ./. +150 V gegenüber
der Anode aufweisen.
[0024] Der Bahnwiderstand des Vervielfacherkanals sollte im allgemeinen kleiner oder gleich
10
8 Ohm betragen.
[0025] Der Kanalvervielfacher gemäß Fig. 2 läßt sich dadurch abwandeln, daß die den Kanal
bildende Oberfläche des keramischen Trägerkörpers 112 zuerst metallisiert und dann
erst mit der GLasur überzogen wird, so daß man ebenfalls einen Kondensator zur Verfügung
hat, wie bei dem Kanalvervielfacher mit metallischem Trägerkörper gemäß Fig. 1.
[0026] Der wendel- bzw. spiralförmige Streifen, aus dem die sekundäremissionsfähige Schicht
im trichterförmigen Anfangsabschnitt besteht, ist zweckmäßigerweise im wesentlichen
koaxial mit der Trichterachse.
1. Kanal-Sekundärelektronenvervielfacher mit einem Trägerkörper (12, 112), der einen
langgestreckten, rohrförmigen Vervielfacherkanal enthält, welcher einen Hauptteil
und einen sich an diesen anschließenden, sich zu einer Eintrittsöffnung hin trichterartig
erweiternden Anfangsabschnitt (12b, 115) aufweist und mit einer Beschichtung (22)
die auf der Oberfläche des Vervielfacherkanals einschließlich des Anfangsabschnittes
angeordnet ist und deren Oberfläche eine sekundäremissionsfähige Widerstandsschicht
(2a) bildet, dadurch gekennzeichnet, daß die sekundäremissionsfähige Widerstandsschicht
(22a) in dem sich trichterartig erweiternden Anfangsabschnitt (12b) einen wendelartigen
Streifen (26) bildet.
2. Kanal-Sekundärelektronenvervielfacher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Breite des Streifens (26) in der Größenordnung des Umfangs des sich an den
trichterartig erweiterten Anfangsabschnitt anschließenden HauptteiLs (12a) des VervieLfacherkanaLs
liegt.
3. Kanal-Sekundärelektronenvervielfacher mit einem Trägerkörper (12, 112), der einen
langgestreckten, rohrförmigen Vervielfacherkanal enthält, welcher einen HauptteiL
und einen sich an diesen anschließenden, sich zu einer Eintrittsöffnung hin trichterartig
erweiternden Anfangsabschnitt (12b, 115) aufweist und mit einer Beschichtung (22)
die auf der Oberfläche des Vervielfacherkanals einschließlich des Anfangsabschnittes
angeordnet ist und deren Oberfläche eine sekundäremissionsfähige Widerstandsschicht
(22a) bildet, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff des Trägerkörpers (12, 112)
einen Wärmeausdehnungskoeffizienten hat, der mindestens 15 % größer ist als der Wärmeausdehnungskoeffizient
des Materials der sekundäremissionsfähigen Widerstandsschicht.
4. Kanal-Sekundärelektronenvervielfacher nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Eintrittsöffnung des Vervielfacherkanals vakuumdicht
mit einem Anschlußflansch (14, 129) verbunden ist.
5. Kanal-Sekundärelektronenvervielfacher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekenhzeichnet, daß der Trägerkörper (12) aus Metall besteht, und daß sich zwischen
der sekundäremissionsfähigen Widerstandsschicht (22a) und dem Trägerkörper eine elektrisch
isolierende Schicht (22b) befindet.
6. Kanal-Sekundärelektronenvervielfacher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß der Trägerkörper (112) aus Keramik besteht, eine sich zu einer
Eintrittsöffnung hin trichterförmig erweiternde Ausnehmung, die einen Anfangsabschnitt
(115) eines Vervielfacherkanales bildet, hat und eine Fläche mit einem offenen spiralenförmigen
Kanalteil (117) aufweist, dessen radial innen gelegener Anfang mit dem trichterförmigen
Anfangsabschnitt in Verbindung steht, und daß der spiralenförmige KanaL durch eine
isolierende Platte (119) verschlossen ist (Fig. 2 und 3).
7. KanaL-SekundäreLektronenvervieLfacher nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß
die Platte (119) beim übergang des Kanales vom trichterförmigen Anfangsabschnitt (115)
in den spiralenförmigen Kanalteil (117) eine muldenartige Vertiefung (121) aufweist,
die einen gekrümmten Wandteil des Vervielfacherkanals bildet.
8. Kanal-Sekundärelektronenvervielfacher nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet,
daß der mit dem trichterförmigen Anfangsabschnitt (115) in Verbindung stehende Anfang
des spiralenförmigen Kanalteiles (117) etwas enger ist als der Rest des spiralenförmigen
KanaLs (117).
9. Verfahren zum Herstellen eines Kanal-Sekundärelektronenvervielfachers nach einem
der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine einen Vervielfacherkanal
bildende Wand eines Trägerkörpers mit einer Glaspulversuspension überzogen wird, der
so gebildete überzug getrocknet wird und der Träger mit dem getrockneten überzug auf
eine Temperatur erhitzt wird, die nicht wesentlich höher ist als die Temperatur, bei
der das GLaspuLver zu einer glatten Glasur verschmilzt.
10. Verfahren nach Anspruch 9,- dadurch gekennzeichnet, daß der überzug im Vakuum
ausgegast und vorerhitzt wird und anschließend in einer oxidierenden Atmosphäre glattgebrannt
wird.