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Die Erfindung betrifft eine Detektorvorrichtung, die dazu ausgebildet ist Licht zu empfangen und elektrische Signale zu erzeugen, mit einem Gehäuse und einem in dem Gehäuse angeordneten Detektor.
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Detektorvorrichtungen der eingangs genannten Art weisen oft einen temperaturabhängigen Dunkelstrom auf, der Rauschen verursacht. Durch Kühlen kann dieser Dunkelstrom verringert werden.
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Aus
DE 10 2009 036 066 A1 ist ein optoelektronischer Detektor bekannt, der eine mit dem Detektor wärmeleitend verbundene Kühlvorrichtung, nämlich ein Peltier-Element, aufweist. Zur Vermeidung des Entstehens von Tauwasser auf einer Oberfläche des optoelektronischen Detektors, ist ein Sensor zur Ermittlung eines momentanen Werts bezüglich der Umgebungsluftfeuchte und der Umgebungstaupunkttemperatur vorgesehen. Der Sensor ist mit einer Steuereinheit verbunden, welche die Kühlvorrichtung in Abhängigkeit des Werts steuert. Dieser optoelektronische Detektor hat den Vorteil, dass auf eine Kühlung nicht gänzlich verzichtet ist. Er hat jedoch den Nachteil, das die tatsächliche Kühlleistung auf ein geringes Maß begrenzt ist; nämlich auf das Maß, bei dem kein Tauwasser entsteht. Dies hat im Ergebnis zur Folge, dass ein Detektorrauschen nur unzureichend vermieden ist.
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In derselben Druckschrift wird eine andere Detektorvorrichtung erwähnt, bei der Detektor samt der Kühlvorrichtung, typischerweise einem Peltier-Element, in einem luftdichten Gehäuse verkapselt ist, das mit einem getrockneten Gas gefüllt oder evakuiert ist. Die Abwärme der Kühlvorrichtung kann bei dieser Vorrichtung einem Kühlkörper zugeführt werden, der mit der Kühlvorrichtung wärmeleitend verbunden ist und/oder zum Beheizen anderer Bauteile, beispielsweise einem Eintrittsfenster des Gehäuses, verwendet werden. Diese Detektorvorrichtung wird jedoch als nachteilig ausgewiesen, weil die luftdichte Verkapselung aufwendig ist.
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Tatsächlich hat sich in der Praxis sogar gezeigt, dass diese Detektorvorrichtung noch weitere Nachteile hat. insbesondere ist das Kühlen oft nicht sehr effektiv. Darüber hinaus gestaltet sich das Kühlen als besonders schwierig, wenn sich der Detektor auf einem anderen elektrischen Potentialniveau befinden muss, als das Gehäuse. In diesem Fall kann das Peltier-Element nicht einfach zwischen Gehäuse und Detektor angeordnet werden. Eine solche Potentialdifferenz ist zumeist dann notwendig, wenn innerhalb des Detektors eine Beschleunigung von Photoelektronen erfolgen soll.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Detektorvorrichtung anzugeben, die ein effizienteres Kühlen, insbesondere auch bei Verwendung von Detektoren, die auf einem anderen elektrischen Potentialniveau liegen, als das Gehäuse, ermöglicht.
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Die Aufgabe wird durch eine Detektorvorrichtung gelöst, die dadurch gekennzeichnet, dass
- a. innerhalb des Gehäuses ein Kühlbauteil angeordnet ist und dass ein Lichtweg für das zu detektierende Licht festgelegt ist, der durch das Kühlbauteil hindurch verläuft und/oder dass
- b. innerhalb des Gehäuses ein Kühlbauteil angeordnet ist, das als wärmeleitendes, elektrisch isolierendes Zwischenelement ausgebildet ist und/oder dass
- c. innerhalb des Gehäuses ein Kühlbauteil angeordnet ist, das in unmittelbarem Kontakt zu einem Lichtsensor des Detektors, insbesondere einer Photokathode, und/oder in unmittelbaren Kontakt zu einem einen Lichtsensor, insbesondere eine Photokathode, tragenden (insb. transparenten) Substrat steht.
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Bei einer ganz besonders vorteilhaften Ausführungsform ist innerhalb des Gehäuses ein weiteres Kühlbauteil vorgesehen. Insbesondere kann vorteilhaft ein weiteres Kühlbauteil vorgesehen sein, das mit dem Kühlbauteil in Wärme leitendem Kontakt steht.
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Auch in Bezug auf das weitere Kühlbauteil kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass ein Lichtweg für das zu detektierende Licht festgelegt ist, der durch das weitere Kühlbauteil hindurch verläuft.
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Um zu ermöglichen, dass ein Lichtweg für das zu detektierende Licht durch das Kühlbauteil und/oder durch das weitere Kühlbauteile hindurch verlaufen kann, kann das Kühlbauteil und/oder das weitere Kühlbauteil einen Durchgang, insbesondere eine Durchgangsbohrung, aufweisen. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass das Kühlbauteil und/oder das weitere Kühlbauteil zwei- oder mehrteilig aufgebaut ist, wobei die Teile derart zueinander angeordnet sind, dass ein Zwischenraum verbleibt, durch den hindurch der Lichtweg für das detektierende Licht verläuft.
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Auch das weitere Kühlbauteil kann vorteilhaft als wärmeleitendes, elektrisch isolierendes Zwischenelement ausgebildet sein. Insbesondere kann, was im Detail im Folgenden noch beschrieben wird, das weitere Kühlbauteil als passives Kühlbauteil, insbesondere als wärmeableitender Ring, ausgebildet sein, der zwischen dem Detektor und einem aktiven Kühlbauteil, bspw. einen Peltier-Element, angeordnet ist.
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Auch das weitere Kühlbauteil kann bei einer vorteilhaften Ausführung derart angeordnet sein, dass es in unmittelbarem Kontakt zu einem Lichtsensor des Detektors, bspw. einer Photokatode, steht. Es kann – alternativ oder zusätzlich – auch vorgesehen sein, dass das weitere Kühlbauteil in unmittelbarem Kontakt zu einem Substrat steht, das einen Lichtsensor, bspw. eine Photokatode, trägt.
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Durch den unmittelbaren Kontakt des Kühlbauteils und/oder des weiteren Kühlbauteils zu einem Lichtsensor des Detektors und/oder zu einem Substrat, das einen Lichtsensor trägt, wird eine besonders effektive Kühlung erreicht.
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Insbesondere hat eine solche Ausführung den Vorteil, dass lediglich die Bauteile gekühlt werden, die tatsächlich ein temparaturabhängiges Rauschverhalten zeigen.
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Darüber hinaus ist bei einer solchen Ausführung vorteilhafter Weise eine wesentlich geringere Kühlleistung erforderlich, was insbesondere von Vorteil ist, wenn das Kühlbauteil und/oder das weitere Kühlbauteil als aktives Kühlbauteil, bspw. als Peltier-Element, ausgebildet ist. In dem Fall, dass das Kühlbauteil und/oder das weitere Kühlbauteil als aktives Kühlbauteil ausgebildet ist, fällt in vorteilhafter Weise daher auch weniger Abwärme an, die nach außen transportiert werden muss.
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Wie bereits erwähnt, kann das Kühlbauteil und/oder das weitere Kühlbauteil vorteilhaft als aktives Kühlbauteil, insbesondere als Peltier-Element oder als Wärmepumpe oder als Heat-Pipe ausgebildet sein. Bei einer ganz besonders vorteilhaften Ausführung ist das Kühlbauteil als ringförmiges Peltier-Element ausgebildet. Eine solche Ausführung bietet den Vorteil, dass durch die Ringmitte der Lichtweg für das zu detektierende Licht verlaufen kann, so dass der Lichtweg beim Durchtritt durch das ringförmige Peltier-Element im Wesentlichen koaxial zur Rotationssymmetrieachse des ringförmigen Peltier-Elements angeordnet ist.
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Bei einer ganz besonders vorteilhaften Ausführung ist das Kühlbauteil und/oder das weitere Kühlbauteil derart angeordnet, dass die Abwärme des Kühlbauteils und/oder des weiteren Kühlbauteils wenigstens ein Eintrittsfenster des Gehäuses und/oder eine Eintrittsoptik des Gehäuses erwärmt. Eine solche Ausführung hat den ganz besonderen Vorteil, dass sich auf den Oberflächen des Eintrittsfensters bzw. auf den Oberflächen der Eintrittsoptik, bspw. eine Linse oder eine Anordnung mehrerer Linsen, kein Tauwasser absetzt. Dies ist insbesondere dann gewährleistet, wenn unter Ausnutzung der Abwärme die Temperatur der Oberflächen des Eintrittsfensters bzw. der Optik oberhalb des Taupunktes gehalten wird.
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In besonders vorteilhafter Weise kann vorgesehen sein, dass das Kühlbauteil und/oder das weitere Kühlbauteil als passives Kühlbauteil ausgebildet ist, durch das hindurch ein Wärmestrom stattfindet. Von besonderem Vorteil ist es, wenn das passive Kühlbauteil und/oder das weitere passive Kühlbauteil eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweist, um einen schnellen Wärmetransport zu gewährleisten. Insoweit kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass das Kühlbauteil und/oder das weitere Kühlbauteil eine Wärmeleitfähigkeit größer 1 W/mK, insbesondere größer 10 W/mK, insbesondere großer 100 W/mK, ganz insbesondere größer 500 W/mK aufweist.
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Bei einer ganz besonders vorteilhaften Ausführung ist das passive Kühlbauteil und/oder das weitere passive Kühlbauteil derart geformt und dimensioniert, dass es sich passgenau und möglichst großflächig an das zu kühlende Bauteil der Detektorvorrichtung, insbesondere an einen Lichtsensor und/oder an ein lichtsensortragendes Substrat, anschmiegen kann. Hierdurch ist eine besonders gute Kühlung erreichbar. Gleiches gilt in analoger Weise auch für den Fall, dass das Kühlbauteil als aktives Kühlbauteil ausgebildet ist und/oder das das weitere Kühlbauteil als aktives weiteres Kühlbauteil ausgebildet ist. Die Ausformung des Kühlbauteils bzw. des weiteren Kühlbauteils erfolgt jedoch vorzugsweise stets derart, dass die Funktion des Detektors und/oder die Funktion von Teilen des Detektors nicht nachteilig, bspw. durch Abschattung eines Lichtweges, beeinträchtigt wird.
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Bei einer ganz besonders vorteilhaften Ausführung, die insbesondere dann einsetzbar ist, wenn der Detektor und/oder Teile des Detektors auf einem anderen elektrischen Potentialniveau liegen, als das Gehäuse, ist das Kühlbauteil und/oder das weitere Kühlbauteil elektrisch weitgehend isolierend ausgebildet. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das Kühlbauteil und/oder das weitere Kühlbauteil eine elektrische Leitfähigkeit kleiner als 10–7 S/m, insbesondere kleiner als 10–8 S/m aufweist.
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Eine solche Ausführung hat den ganz besonderen Vorteil, dass der Detektor über das Kühlbauteil bzw. das weitere Kühlbauteil in mechanischem Kontakt zum Gehäuse stehen kann, während der Detektor dennoch elektrisch zumindest soweit isoliert ist, dass er auf dem erforderlichen Potentialniveau betrieben werden kann. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass der Detektor eine Beschleunigungsvorrichtung zum Beschleunigen von mittels einer Photokatode erzeugter Elektronen aufweist, wobei die beschleunigten Elektronen bspw. einer Avalanchediode zugeleitet werden können. Es kann alternativ auch vorgesehen sein, dass der Detektor einen Sekundärelektronenvervielfacher beinhaltet. Insoweit kann es vorkommen, dass zwischen dem Detektor oder Teilen des Detektors und dem Gehäuse eine elektrische Spannungsdifferenz von mehreren 1000 Volt anliegen muss.
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Insbesondere um solchen Spannungsdifferenzen standhalten zu können, ist bei einer besonderen Ausführungsform des Detektors vorgesehen, dass das Kühlbauteil und/oder das weitere Kühlbauteil zumindest teilweise aus einem elektrisch isolierenden und thermisch leitenden Material, insbesondere aus Bornitrid, Aluminiumnitrid, Aluminiumoxid, Diamant, synthetischem Diamant oder einer Kombination aus diesen Materialien besteht. Diese Stoffe zeichnen sich einerseits durch eine hohe Wärmeleitfähigkeit und andererseits durch eine sehr geringe elektrische Leitfähigkeit aus. Darüber hinaus bieten diese Materialien den Vorteil, dass sie, bspw. durch Schleifen, Drehen oder Fräsen, einfach und genau bearbeitbar sind.
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Bei einer ganz besonderen Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Kühlbauteil und/oder das weitere Kühlbauteil, insbesondere zur Erhöhung der Kriechstromfestigkeit, wenigstens einen umlaufenden Vorsprung oder wenigstens eine umlaufende Nut aufweist. Eine solche Ausführung hat den besondern Vorteil, dass der Kriechweg entlang der Oberfläche des Kühlbauteils bzw. des weiteren Kühlbauteils verlängert wird, so dass die Gefahr eines elektrischen Überschlags zumindest vermindert ist.
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In vorteilhafter Weise kann das Kühlbauteil und/oder das weitere Kühlbauteil im Wesentlichen ringförmig oder zylinderförmig ausgebildet sein. Wie bereits erwähnt, bietet dies sowohl besondere Vorteile im Hinblick darauf, das Kühlbauteil bzw. das weitere Kühlbauteil für eine effektive Kühlung günstig, bspw. in Kontakt zu einem Lichtsensor oder einem einen lichtsensortragenden Substrat, zu bringen und andererseits den weiteren Vorteil, dass ein Durchbruch für den Lichtweg des zu detektierenden Lichts besteht.
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Bei einer besonders effektiv und zuverlässig arbeitenden Ausführungsform sind das Kühlbauteil und das weitere Kühlbauteil thermisch in Reihe geschaltet. Insbesondere kann ganz besonders vorteilhaft vorgesehen sein, dass das Kühlbauteil als passives Kühlbauteil, bspw. als Bornitridring, ausgebildet ist und in unmittelbarem Kontakt zu einem Lichtsensor und/oder zu einem lichtsensortragenden Substrat steht.
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Darüber hinaus kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass dieses Kühlbauteil mit einem weiteren Kühlbauteil thermisch in Kontakt steht, das als aktives Kühlbauteil, bspw. als ringförmiges Peltier-Element ausgebildet ist.
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Vorzugsweise sind das ringförmige Kühlbauteil und das ringförmige weitere Kühlbauteil koaxial zueinander angeordnet, wobei der Lichtweg für das zu detektierende Licht entlang der Rotationssymmetrieachse des Kühlbauteils und des weiteren Kühlbauteils verläuft. Darüber hinaus kann in vorteilhafter Weise vorgesehen sein, dass das weitere, aktive Kühlbauteil, bspw. die heiße Seite eines Peltier-Elements, in Kontakt zu einem Eintrittsfenster oder einer Eintrittsoptik des Gehäuses steht. Eine solche Anordnung zeichnet sich dadurch aus, dass ein Lichtsensor des Detektors besonders effektiv gekühlt werden kann, weil ein direkter Wärmetransport von dem Lichtsensor bzw. seinem Substrat über das passive Kühlbauteil zu dem aktiven Kühlbauteil erfolgt. Darüber hinaus wird in vorteilhafter Weise die Abwärme des aktiven Kühlbauteils zur Vermeidung des Entstehens von Tauwasser auf dem Eintrittsfenster bzw. der Eintrittsoptik verwendet. Wenn bei dieser Anordnung als Kühlbauteil ein elektrisch weitgehend isolierendes Material eingesetzt wird, bspw. Bornitrid, so ist es in sehr vorteilhafter Weise ermöglicht, den Detektor auf einem Potentialniveau zu betreiben, das sich vom Potentialniveau des Gehäuses unterscheidet.
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Insbesondere zur Vermeidung des Entstehens von Tauwasser kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass das Gehäuse gasdicht ist und/oder das in dem Gehäuse ein Vakuum vorliegt. Bspw. kann auch vorgesehen sein, dass das gasdichte Gehäuse mit einem Gas, vorzugsweise einem getrockneten Gas, gefüllt wird, dessen Taupunkt besonders niedrig liegt. Beispielsweise kann es vorteilhaft sein, ein Trocknungsmittel in das Gehäuse einzubringen. Dieses dient dazu, eventuell noch vorhandene Restfeuchte zu entfernen oder eindringende Feuchtigkeit zu absorbieren.
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Ganz besonders vorteilhaft lässt sich die erfindungsgemäße Detektorvorrichtung mit oder in einem Mikroskop, insbesondere einem Scanmikroskop oder einem konfokalen Scanmikroskop, einsetzen. Bei einer ganz besonders vorteilhaften Ausführung eines konfokalen Scanmikroskopes weist dieses mehrere der erfindungsgemäßen Detektorvorrichtungen auf. Bspw. kann vorgesehen sein, dass den einzelnen Detektorvorrichtungen unterschiedliche Detektionsspektralbereiche zugeordnet sind und/oder zuordenbar sind.
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Weitere Ziele, Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles anhand der Zeichnung. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger sinnvoller Kombination den Gegenstand der vorliegenden Erfindung, auch unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung.
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Es zeigen:
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1 schematisch eine erfindungsgemäße Detektorvorrichtung und
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2 schematisch eine andere erfindungsgemäße Detektorvorrichtung.
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1 zeigt eine Detektorvorrichtung 1, die dazu ausgebildet ist, Licht 2 zu empfangen und an einem elektrischen Ausgang 3 elektrische Signale bereitzustellen. Die Detektorvorrichtung 1 weist ein Gehäuse 4 auf, in dem ein Detektor 5 angeordnet ist.
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Der Detektor 5 weist einen Lichtsensor 6, nämlich eine auf einem Substrat 7 angeordnete Photokathode 8 auf, die in Transmissionsanordnung betrieben wird. Dies bedeutet, dass die Photokathode 8 auf ihrer einer Eintrittsoptik 9 des Gehäuses 4 zugewandten Seite das zu detektierende Licht 2 empfängt und auf der von dieser abgewandten Seite Fotoelektronen abgibt.
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Die Photokathode 8 und ihr Substrat 7 liegen auf einem Potentialniveau von – 8000 V, während das Gehäuse 4 auf einem Potentialniveau von 0 V liegt.
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Der Detektor 5 weist darüber hinaus eine Avalanchediode 10 auf, die auf einem Potentialniveau von – 400 V liegt. Die von der Photokathode 8 erzeugten Fotoelektronen werden auf Grund der zwischen der Photokathode 8 und der Avalanchediode 10 bestehenden Potentialdifferenz beschleunigt und treffen auf eine Avalanchediode 10, die elektrische Signale über den elektrischen Ausgang 3 ausgibt.
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Die Detektorvorrichtung 1 weist innerhalb des Gehäuses 4 ein Kühlbauteil 11 auf, das als passives Kühlbauteil ausgebildet ist. Konkret ist das Kühlbauteil 11 als wärmeleitendes, elektrisch isolierendes Zwischenelement 12 ausgebildet. Das Zwischenelement 12 weist eine ringförmige Form auf, wobei die Mittelachse des Zwischenelements koaxial zum Lichtweg des zu detektierenden Lichts 2 verläuft.
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Die Detektorvorrichtung 1 weist darüber hinaus innerhalb des Gehäuses 4 ein weiteres Kühlbauteil 13 auf, das als ringförmiges Peltier-Element 14 ausgebildet ist. Das ringförmige Peltier-Element 14 ist koaxial zu dem ringförmigen Zwischenelement 12 angeordnet.
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Das ringförmige Peltier-Element 14 steht in wärmeleitendem Kontakt zu dem Zwischenelement 12. Das Zwischenelement 12 steht in wärmeleitendem Kontakt zum Substrat 7.
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Über das wärmeleitende, elektrisch isolierende Zwischenelement 12 kann die Kühlleistung zur Kühlung des Substrats 7 und der Photokathode 8 besonders effektiv genutzt werden. Darüber hinaus ist vorgesehen, dass die warme Seite des ringförmigen Peltier-Elements 14 dem Gehäuse 4 und der Eintrittsoptik 9 zugewandt ist. Hierdurch wird die Eintrittsoptik 9 neu erwärmt, so dass sich kein Tauwasser niederschlagen kann. Der übrige Zwischenraum zwischen dem Detektor 5, dem Zwischenelement 12 und dem ringförmigen Peltier-Element 14 zu dem Gehäuse 4 ist mit einer thermisch und elektrisch isolierenden Vergussmasse gefüllt. Der Bereich zwischen der Eintrittsoptik 9 und der Photokathode 8 ist mit einem getrockneten Gas gefüllt.
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2 zeigt eine andere Detektorvorrichtung, bei der das Zwischenelement 12 in unmittelbarem, wärmeleitenden Kontakt zur Photokathode 8 steht.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Detektorvorrichtung
- 2
- zu detektierendes Licht
- 3
- elektrischer Ausgang
- 4
- Gehäuse
- 5
- Detektor
- 6
- Lichtsensor
- 7
- Substrat
- 8
- Photokathode
- 9
- Eintrittsoptik
- 10
- Avalanchediode
- 11
- Kühlbauteil
- 12
- Zwischenelement
- 13
- Weiteres Kühlbauteil
- 14
- Peltier-Element
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009036066 A1 [0003]
