[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bildsignalauskopplung bei positionsgebenden
Hochvakuum-Detektoreinrichtungen für Quanten oder Teilchenstrahlung gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1 sowie eine Detektoreinrichtung, die nach dem Verfahren arbeitet
und die Merkmale gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 2 zur Grundlage hat.
[0002] Für den Nachweis einzelner UV- oder anderer elektromagnetischer Strahlungsquanten,
Teilchen oder dergleichen, werden für unterschiedliche Anwendungen positionsgebende,
elektronisch arbeitende Detektorsysteme benötigt. Um mit solchen Detektorsystemen
einzelne Strahlungsquanten mit hoher Effizienz nachweisen zu können, werden Vielkanal-Elektronen-Multiplier
verwendet, die je nach Anwendung in spezielle hochevakuierte Glaskörper eingebaut
werden müssen. Um eine zweidimensionale Ortsbestimmung oder Positionierung des Photonennachweises
zu erhalten, müssen bei den herkömmlichen Systemen (vgl. Fig. 5) komplexe, resistive
Anodenstrukturen 1 mit beispielsweise vier nach außen geführten Kontakten im Hochvakuum
7 mit eingebaut werden, die eine digitale ortsauflösende Bestimmung des Strahlungsnachweises
ermöglichen. Das Montieren und Aufbringen der komplexen Anodenstruktur 1 im evakuierten
Glaskörper 6 mit dazu notwendigen Drahtdurchführungen für hochfrequente Signale bedeutet
für die Detektorherstellung nicht nur große technische Schwierigkeiten, sondern schließt
auch die Möglichkeit aus, die Anodenstruktur 1 später einer veränderten Meßaufgabe
individuell optimiert anpassen zu können. Bei den herkömmlichen Verfahren und Detektoreinrichtungen
bilden die einzelnen Detektorkomponenten eine nicht mehr trennbare oder veränderbare
Einheit.
[0003] Bei dem bekannten Detektorsystem gemäß Fig. 5 sind außer dem bereits erwähnten, evakuierten
Glaskörper 6 und der schichtförmigen, resistiven Anodenstruktur 1 mit nachgeschalteter
Elektronik mit Anschlüssen 13 für beispielsweise jeweils vier Vorverstärker, eine
Elektronenkonverterschicht 4 (UV-Quanten-Elektronen-Konverterschicht), aufgebracht
auf der Innenseite eines strahlungsdurchlässigen Decksubstrats 10, ein Chevron-Plattensystem
3 als Ladungsvervielfacher mit herausgeführten Hochspannungszuführungen 9 sowie die
auf der vakuumseitigen Innenfläche des Gegensubstrats 11 aufgebrachte, resistive Anodenstruktur
1 vorhanden. Eine durch ein UV-Quant auf der Anodenstruktur 1 erzeugte lokale Ladungslawine
ist mit Bezugshinweis 8 angegeben.
[0004] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei Detektoreinrichtungen der beschriebenen
Art für Quanten oder Teilchenstrahlung eine technisch wesentlich einfachere und zuverlässigere
elektronische Positionierung, d.h. ortsbezogene Bildsignalauskopplung ohne direkte
elektrische Kontakte durch die Vakuum-Trennwand mit der Möglichkeit der Anpassung
an veränderte Meßaufgaben zu schaffen.
[0005] Die Erfindung ist bei einem Verfahren zur Bildsignalauskopplung bei positionsgebenden
Hochvakuum-Detektoreinrichtungen für Quanten oder Teilchenstrahlung, die über eine
Elektronen-Vervielfachereinrichtung als Elektronenlawine auf eine ortsauflösende Anodenstruktur
auftreffen, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektronenlawine innerhalb des Vakuums
auf der Anodenseite der Detektoreinrichtung durch eine hochohmige, leitende Dünnschicht
kurzzeitig örtlich gesammelt bleibt und die gesammelte Ladung durch eine niederohmige,
der hochohmigen Dünnschicht außerhalb des Vakuums gegenüberstehend angeordnete und
für eine Ortsbestimmung geeignet strukturierte Anodenschicht als Bildladung kapazitiv
durch eine Vakuum-Wand hindurch koppelnd ausgelesen wird.
[0006] Während bei bisherigen Strahlungsquanten-Detektoreinrichtungen die ortsauflösende
Anodenstruktur im Inneren des Hochvakuums angeordnet ist mit einer Mehrzahl von vakuumdichten
Stromdurchführungen für hochfrequente Signale für die nachgeschaltete Elektronik ohne
nachträgliche Justier- oder Anpassungsmöglichkeit an unterschiedliche Meßaufgaben,
beruht die Erfindung auf dem Gedanken, die strahlungsquanteninduzierten Ladungslawinen
auf der dem Strahlungseintritt gegenüberliegenden Innenfläche des Gegensubstrats durch
eine durchgängig einheitliche hochohmig leitende Schicht kurzzeitig ortsgebunden zu
sammeln und dann durch die Vakuumwand (Substratschicht) hindurch kapazitiv auf eine
niederohmige, strukturierte Anodenschicht außerhalb des Vakuums zu koppeln.
[0007] Eine positionsgebende Detektoreinrichtung für elektromagnetische Strahlung oder Teilchenstrahlung,
bei der innerhalb eines durch ein flächiges, strahlungsdurchlässiges Decksubstrat
und ein auf Abstand dazu gehaltenes Gegen-Substrat umgrenzten und hochevakuierten
Raums schichtartig aufeinanderfolgend auf der Strahlungseinfallseite eine plattenartige
Elektronen-Vervielfacher-Anordnung und dieser auf Abstand gegenüberstehend eine Flächen-Anode
vorhanden sind, ist
erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die Anode zur kapazitiven, positionsbezogenen Bildsignalauslesung
als Schichtanordnung derart ausgebildet ist, daß auf der vakuumseitigen Innenfläche
des Gegen-Substrats eine hochohmige Ladungssammelschicht und dieser auf der Außenfläche
des Gegen-Substrats, also außerhalb des Vakuums gegenüberstehend eine für eine Ortsbestimmung
geeignet strukturierte, niederohmige Anodenschicht vorhanden sind.
[0008] Gegenüber herkömmlichen Detektoreinrichtungen für elektromagnetische Strahlungsquanten
oder Teilchenstrahlung bietet die Erfindung vor allem den Vorteil, daß vergleichsweise
einfache, einheitliche Detektorelemente oder Baugruppen verwendet werden können, deren
elektronische Positionsauslesung durch unterschiedliche Strukturierung der niederohmigen,
außerhalb des Vakuums liegenden Anodenschicht an unterschiedliche Meßaufgaben individuell
und optimiert angepaßt werden können. Ein weiterer wesentlicher Vorteil liegt darin,
daß in das Vakuum keine elektrischen Durchführungen für hochfrequente Stromimpulse
notwendig sind. Außerdem ergibt sich die Möglichkeit, die Verstärker- und Digitalisierungselektronik
im Verbund mit der niederohmigen Anodenstruktur als hochintegrierte Schaltung (z.
B. in SMD Technologie, als Hybrid oder als ASIC) herzustellen.
[0009] Vorteilhaft ist es, die niederohmige, strukturierte Anodenschicht etwa in Form einer
sogenannten Wedge & Strip-Anode (Keil-Streifen-Anode) auszubilden, wobei die Ladungs-Sammelbereiche
oder -Sammelschienen für eine bildladungsanteilige Auslesung an wenigstens zwei, vorzugsweise
an drei Randseiten der Anodenschicht jeweils im rechten Winkel zueinander stehend
angeordnet sind. Es sind jedoch auch beliebige andere geeignete Strukturen anwendbar,
wie z. B. eine Vernier-Anode, eine Spiralstruktur, eine Delay-Line-Schicht oder ein
Pixelsystem, das mittels eines CCDs digital ausgelesen wird. Weiterhin ist es notwendig
oder zumindest zweckmäßig, die inneren Widerstände von Ladungssammelschicht einerseits
und kapazitiv gekoppelter äußerer Anodenschicht und Folgeelektronik andererseits im
Hinblick auf eine Optimierung der Ortsauflösung zu wählen unter gleichzeitiger Berücksichtigung
des durch die Gegen-Substratschicht gegebenen Dielektrikums.
[0010] Um Bildfehler im Randbereich der Detektoreinrichtung zu vermeiden, ist es zweckmäßig,
die sensitive Fläche der äußeren, niederohmigen Anodenschicht über die Bildränder
der vakuumseitigen Ladungssammelschicht hinausragen zu lassen.
[0011] Die Erfindung und vorteilhafte Einzelheiten werden nachfolgend unter Bezug auf die
Zeichnungen durch eine beispielhafte Ausführungsform näher erläutert.
[0012] Es zeigen:
Fig. 1 die Prinzip-Schnittdarstellung einer Detektoreinrichtung mit positionsgebender Auslesung
für elektromagnetische Strahlungsquanten bzw. Teilchenstrahlung gemäß der Erfindung;
Fig. 2 die Teilschnitt-Darstellung eines Abschnitts des Gegen-Substrats der Detektoreinrichtung
nach Fig. 1;
Fig. 3 in schematischer Draufsicht-Darstellung einen Teilausschnitt einer Wedge & Strip-Anode,
wie sie zur positionsgebenden Bildsignal-Auskopplung gemäß der Erfindung vorteilhaft
verwendet werden kann;
Fig. 4 ein Beispiel für ein Meßergebnis (unten) unter Verwendung eines Versuchsaufbaus (oben)
mit einem erfindungsgemäßen Detektor mit kapazitiv gekoppelter, positionsgebender
Anodenstruktur; und
Fig. 5 die schematische Schnittdarstellung einer herkömmlichen, positionsgebenden Detektoreinrichtung
für elektromagnetische Strahlungsquanten oder Teilchenstrahlung.
[0013] Beim Detektorsystem nach Fig. 1 ist das Bildverstärkersystem, nämlich die Photoelektronen-Konverterschicht
4, das darunter liegende Chevron-Plattensystem 3 eines Vielkanal-Elektronen-Multipliers
sowie die erfindungsgemäße, hochohmige Anodenschicht 1 wie bisher in ein Hochvakuum
7 eingebaut. Anders als beim Stand der Technik jedoch ist die komplexe Anodenstruktur
2 zur elektronischen Positionsauslesung außerhalb des Vakuums 7 auf der Rückseite
des Detektors, d.h. beispielsweise auf der Rückseite des Gegen-Substrats 6 aufgebracht
oder angeordnet. Die Übertragung der genauen Ortsinformation der Position eines einfallenden
Strahlungsquants (UV-Quant) oder Teilchens erfolgt nach entsprechender Ladungsverfielfachung
kapazitiv durch das vorzugsweise aus Glas bestehende Gegen-Substrat 6 des Bildverstärkersystems
auf die außerhalb des Vakuums sich befindende niederohmige Anodenstruktur 2.
[0014] Diese kapazitive Übertragung ist möglich, weil die auf der Innenseite des Boden-
oder Gegensubstrats 6, also im Vakuum ausgebildete Ladungssammelschicht als hochohmige
(Anoden-)Schicht aufgebracht ist, auf der die von einem einzelnen Strahlungsquant
oder Teilchen induzierte Elektronenlawine 8 gesammelt wird und dort wegen des voraussetzungsgemäß
hohen Schichtwiderstands (Mega-Ohmbereich) einige 10ns verharrt, wie die Fig. 2 verdeutlicht.
Diese örtliche Ladungslawine 8 koppelt kapazitiv durch die Glasschicht des Gegen-Subtrats
6 hindurch und erzeugt auf bzw. in der gegenüberliegenden, niederohmigen Anodenstruktur
2 eine Bildladung. Die niederohmige Anodenstruktur 2 kann beispielsweise als Wedge
& Strip-Anode mit drei Kontaktbereichen a, b und c ausgebildet sein. Die Struktur
dieser Anode läßt sich auf vergleichsweise einfacher Weise an die jeweils geforderte
Positionsauflösung anpassen. Die Anodenstruktur 2 befindet sich dabei auf der Außenseite
des Gegen-Substrats 6, d.h. in normaler Luftatmosphäre. Die genaue Position der Bildladung
läßt sich dann über entsprechend angepaßte, schnelle ladungsempfindliche Vorverstärker
und eine nicht dargestellte, prinzipiell bekannte Auswertelogik bestimmen. Die kapazitive
Auskopplung ermöglicht eine hohe Ortsauflösung, wenn die inneren Widerstände der beiden
Anodenschichten 1,2 optimal aufeinander angepaßt werden und die Anodenstruktur 2 geometrisch
entsprechend hochauflösend strukturiert ist. Außer einer Wedge & Strip-Anode, wie
sie beispielsweise in den Veröffentlichungen Lit[1] und [2] beschrieben ist, kommen
auch andere ortsauflösende Anodenstrukturen im Rahmen der Erfindung in Frage, beispielsweise
eine Vernier-Anode, eine Anode in Spiralstruktur, eine Delay-Line-Schicht oder ein
Pixelsystem, das mittels eines CCDs digital ausgelesen wird.
[0015] Das Prinzip der kapazitiven, ortsbezogenen Signalauskopplung für eine digitale Positionsauslesung
läßt sich mit Bezug auf Fig. 2 wie folgt kurz beschreiben: Die in der Chevron-Platte
3 im Vakuum erzeugte lokale Ladungswolke 8 trifft auf die hochohmige Anodenschicht
1 auf, die beispielsweise eine Ge-Schicht mit einer Dicke von einigen 100nm sein kann
und verharrt dort für einige 10ns. Während dieser Zeit baut sich durch kapazitive
Kopplung auf der anderen, außerhalb des Vakuums liegenden Seite des Gegen-Substrats
6 auf der niederohmigen Anodenstruktur 2 eine Bildladung auf. Je nach der Geometrie
dieser niederohmigen Anodenstruktur 2, zum Beispiel als dreiteilige Wedge-strip-Anode
(vgl. Fig. 3) ist jeder Ort durch ein spezifisches Bildladungsverhältnis eindeutig
bestimmt. Für eine niederohmige Anodenstruktur kann diese Bildladungsverteilung durch
schnelle Elektronik-Komponenten bestimmt werden. Aus den Verhältnissen der Bildladungen
Q1, Q2 und Q3 kann wiederum der Ort X,Y in der Bildebene präzise ermittelt werden
gemäß folgenden Beziehungen:

Eine auf der Anodenstruktur 2 sich ausbildende Bildladungswolke 20 ist in Fig. 3
durch einen schraffierten Bereich angedeutet.
Mit einer erfindungsgemäßen Detektoreinrichtung lassen sich Einzelereignisse mit sehr
hoher ortsbezogener Zeitauflösung erfassen. Die örtliche Auflösung beträgt bei den
zur Zeit in der Erprobung befindlichen Detektoren etwa 1/250 der Detektorbreite oder
bei Verwendung geeigneter Linsensysteme 0,5°.
Fig. 4 zeigt einen Meßaufbau (oben) und Ergebnisse (unten) zur Positionsbestimmung
von ein fallender Strahlung. Als Strahlungsquelle 22 wurde ein Alphateilchen strahlendes
radioaktives Präparat verwendet. Bei dieser Anordnung entfällt das strahlungsdurchlässige
Decksubstrat und die Photoelektronen-Konverterschicht, da die Alphateilchen direkt
am Eintritt in die Chevron-Platte 3 Elektronen freisetzen können. Zwischen der Strahlungsquelle
22 und der Chevron-Platte 3 ist eine Schattenmaske 21 aus 0,2 mm dicken Drähten angebracht,
deren Bild elektronisch erfaßt werden soll.
[0016] Das untere Bild der Fig. 4 zeigt das über die Wedge & Stripstruktur der niederohmigen
Anode 2 und die Folgeelektronik aufgenommene Schattenbild der senkrecht zueinander
gespannten Drähte der Schattenmaske 2. Das bei diesen Messungen ermittelte Auflösungsvermögen
lag bei unter 0,2 mm, bedingt durch die Wahl der Anodenstruktur.
[0017] Die besonderen Vorteile der Erfindung lassen sich wie folgt zusammenfassen:
1. Die erfindungsgemäße Art der Bildsignalauskopplung benötigt im Vakuum nur eine
einfache hochohmige Monoschicht mit einer einzigen durchgeführten Spannungskontaktierung.
Es werden keine Durchführungen für hochfrequente Stromimpulse benötigt. Dies führt
zu einer wesentlichen Vereinfachung der Herstellung des Vakuum-Bauteils.
2. Im Vergleich zu herkömmlichen Detektoren dieser Art wird zwischen der Channel-
oder Chevron-Platte 3 und der hochohmigen Anodenschicht 1 nur eine moderate Spannung
von typischerweise 200 Volt benötigt, die einen einfacheren und zuverlässigeren Betrieb
des Detektors ermöglicht. Damit wird die Dunkelentladungsrate des Detektorsystems
merklich reduziert und eine Zerstörung der Anodenstruktur durch Spannungsüberschläge
im Detektor praktisch ausgeschlossen.
3. Die ortsauflösende, niederohmige Anodenstruktur 2 ist außerhalb des Vakuums 7 angeordnet
und läßt sich den Anwenderwünschen entsprechend nahezu beliebig anpassen und austauschen,
so daß eine Anpassung an die Genauigkeit der Ortsbestimmung individuell in einem weiten
Bereich an jedes Anwenderproblem möglich ist, zum Beispiel eine relative Ortsauflösung
von 1 bis 0,1 %.
4. Die Verstärker- und Digitalelektronik 5 läßt sich in moderner SMD- oder Hybrid-Technik
direkt an der Anodenstruktur 2 außerhalb des Vakuums integriert ansetzen, wodurch
sich eine wesentlich bessere Auflösung sowie eine deutliche Vereinfachung der Elektronik
mit entsprechenden Kosteneinsparungen ergibt. Die ortsauflösende, niederohmige Anodenstruktur
2 läßt sich entweder auf einer getrennten Platte oder direkt auf die Außenseite der
Vakuumtrennwände des Gegen-Substrats 6 aufbringen.
5. Die Anodenstruktur 2 außerhalb des Vakuums 7 läßt sich mit größerer sensitiver
Fläche anbringen als es der Chevron- oder Channel-Platte 3 entspricht. Dadurch können
Bildfehler am Bildrand vermieden werden.
1. Verfahren zur elektronischen, kontaktlosen Bildsignalauskopplung bei positionsgebenden
Hochvakuum-Detektoreinrichtungen für elektromagnetische Strahlungsquanten oder Teilchenstrahlung,
die über eine Elektronen-Vervielfachereinrichtung (3) als Elektronenlawine (8) auf
eine ortsauflösende Anodenstruktur auftreffen, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektronenlawine (8) innerhalb des Vakuums (7) auf der Anodenseite der Detektoreinrichtung
durch eine hochohmige, leitende Dünnschicht (1) kurzzeitig gesammelt und die gesammelte
Ladung durch eine niederohmige, der hochohmigen Dünnschicht (1) außerhalb des Vakuums
(7) gegenüberstehend angeordnete und für eine Ortsbestimmung geeignet strukturierte
Anodenschicht (2) als Bildladung kapazitiv ausgelesen wird.
2. Positionsgebende Detektoreinrichtung für elektromagnetische- oder Teilchen-Strahlung,
bei der innerhalb eines durch ein flächiges, strahlungsdurchlässiges Decksubstrat
(12) und ein auf Abstand dazu gehaltenes Gegen-Substrat (6) umgrenzten und hochevakuierten
Raums (7) schichtartig aufeinanderfolgend auf der Strahlungseinfallseite eine plattenartige
Elektronen-Vervielfacheranordnung (3) und dieser auf Abstand gegenüberstehend eine
Flächenanode (1) vorhanden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode zur kapazitiven, positionsbezogenen Bildsignalauslesung als Schichtanordnung
derart ausgebildet ist, daß auf der vakuumseitigen Innenfläche des Gegen-Substrats
(6) eine hochohmige Ladungssammelschicht (1) und dieser auf der Außenfläche des Gegen-Substrats
(6) gegenüberstehend eine für eine Ortsbestimmung geeignet strukturierte, niederohmige
Anodenschicht (2) vorhanden sind.
3. Detektoreinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die vakuumseitige, hochohmige Ladungssammelschicht (1) als einheitlich flächige
Monoschicht auf dem Gegen-Substrat (6) ausgebildet und über eine vakuumdichte Durchführung
(11) von außen mit einem Hochspannungspotential beaufschlagbar ist.
4. Detektoreinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladungssammelschicht (1) eine hochohmige Halbleiterschicht ist.
5. Detektoreinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladungssammelschicht (1) eine Germanium (Ge-) Schicht ist.
6. Detektoreinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die strukturierte, niederohmige Anodenschicht (2) in Form einer Wedge & Strip-Anode
ausgebildet ist mit Sammelschienen (a, b, c) für bildladungsanteilige Ladungsauslesung
an wenigstens zwei im rechten Winkel zueinander stehenden Randseiten der Anodenschicht
(2).
7. Detektoreinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die strukturierte, niederohmige Anodenschicht (2) in Form einer Vernier-Anode
ausgebildet ist.
8. Detektoreinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die strukturierte, niederohmige Anodenschicht (2) Spiralstruktur aufweist.
9. Detektoreinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die strukturierte, niederohmige Anodenschicht (2) als Delay-Line-Schicht ausgebildet
ist.
10. Detektoreinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die strukturierte, niederohmige Anodenschicht (2) in Form eines Pixelsystems
ausgebildet ist, das mittels eines CCDs digital ausgelesen wird.
11. Detektoreinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die strukturierte Anodenschicht (2) auf eine separate Platte (10) aufgebracht
ist, die mechanisch an die Außenfläche des Gegensubstrats (6) angepaßt ist.
12. Detektoreinrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die strukturierte Anodenschicht (2) direkt auf die Außenfläche des Gegensubstrats
(6) aufgebracht ist.
13. Detektoranordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die inneren Widerstände von Ladungssammelschicht (1) und kapazitiv gekoppelter
äußerer Anodenschicht (2) im Hinblick auf eine Optimierung der Ortsauflösung gewählt
sind.
14. Detektoreinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere, niederohmige Anodenschicht (2) eine über die Bildränder der vakuumseitigen
Ladungssammelschicht (1) hinausragende, sensitive Fläche aufweist, so daß Bildfehler
im Randbereich vermieden werden.