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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Fotovervielfacherröhre zum Umwandeln von
einfallendem Licht in Fotoelektronen und zur Vervielfachung der Fotoelektronen
durch eine Serie von Dynoden.
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Eine Fotovervielfacherröhre wird verwendet, um einfallendes Licht zu empfangen
und ein verstärktes elektrisches Signal zu erzeugen, das das einfallende Licht
anzeigt. In der Fotovervielfacherröhre ist ein Elektronenvervielfacherabschnitt
zwischen einer Fotokathode und einer Anode vorgesehen. Der
Elektronenvervielfacherabschnitt weist ein Feld von aufeinanderfolgend angeordneten Dynoden auf.
Wenn Licht auf die Fotokathode eingestrahlt wird, sendet die Fotokathode
Fotoelektronen aus. Wenn die Fotoelektronen auf die erste Dynode indem Feld treffen,
emittiert die erste Dynode Sekundärelektronen, die auf eine zweite Dynode treffen,
welche weitere Sekundärelektronen emittiert usw. Auf diese Weise werden
Elektronen aufeinanderfolgend durch eine Serie von Dynoden vervielfacht. Die
Elektronen werden anschließend durch die Anode gesammelt und als ein verstärktes
Stromsignal ausgegeben.
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Verschiedene Arten von Fotovervielfacherröhren wurden bisher vorgeschlagen.
Jedoch besitzen herkömmliche Fotovervielfacherröhren eine unzureichende TTS
(Übergangszeitausdehnung = Transit Time Spread). Das heißt, die Zeitdauer, die die
Elektronen in einer herkömmlichen Fotovervielfacherröhre zur Bewegung
benötigen, ist stark verteilt. Demgemäß geben die Elektronenvervielfacherröhren häufig
einen kleinen Vorpuls aus unmittelbar bevor der einen empfangenden Laserpuls
anzeigende Hauptpuls kommt, wenn die Fotovervielfacherröhre in einem
Pulsdetektionsmodus arbeitet, um einen Laserpuls zu detektieren.
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Aus EP 0539229 ist ein Fotovervielfacher bekannt geworden, der eine
"Verzögerungs"-Elektrode zwischen einer ersten und einer zweiten Dynode aufweist, um
selektiv Sekundärelektronen zu verzögern, die von der ersten Dynode emittiert
wurden, wodurch der TTS reduziert wird.
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Eine theoretische Betrachtung ergibt, dass eine Fotovervielfacherröhre einen
Vorpuls und einen Hauptpuls in der nachfolgend beschriebenen Weise erzeugt.
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Fig. 1 zeigt den Aufbau einer denkbaren Fotovervielfacherröhre 100. Wie in den
Zeichnungen dargestellt, wird fast der gesamte Lichtpuls durch die Fotokathode 101
in Fotoelektronen umgewandelt, wenn ein Lichtpuls auf die Fotovervielfacherröhre
100 fällt. Folglich bewegen sich die erzeugten Fotoelektronen entlang einem Pfad
"a", um auf eine erste Dynode (nachfolgend mit Dy1 bezeichnet) zu fallen. Wenn
die Fotovervielfacherröhre 100 einen Durchmesser von 20 cm (8 inch) aufweist,
benötigen die. Elektronen beispielsweise 21 nsec, um sich von der Fotokathode 101
zu der ersten Dynode Dy1 zu bewegen. Die Elektronen treffen auf die erste Dynode
Dy1, die Sekundärelektronen erzeugt. Die Sekundärelektronen werden anschließend
in einem Elektronenvervielfachungsabschnitt 102 durch eine zweite Dynode Dy2,
eine dritte Dynode Dy3 usw. vervielfacht, bevor sie an einer Anode 103 gesammelt
werden. Die vervielfachten Elektronen werden von der Anode 103 als Hauptpuls
ausgegeben.
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Ein kleiner Teil des Lichtpulses tritt jedoch durch die Fotokathode 101. Das Licht,
d. h. die Photonen, benötigen ungefähr 0,44 nsec, um sich entlang eines anderen
Pfades "b" von der Fotokathode 110 zu der ersten Dynode Dy1 zu bewegen. Die
Photonen treffen auf die erste Dynode Dy1 auf, die im Ergebnis Sekundärelektronen
erzeugt. In einer ähnlichen Weise wie oben beschrieben werden die Sekundärelektronen
nachfolgend in dem Elektronenvervielfachungsabschnitt 102 vervielfacht,
bevor sie als ein Vorpuls ausgegeben werden. Der so erzeugte Vorpuls wird 20,6
nsec vor dem Hauptpuls auftreten.
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Basierend auf der oben beschriebenen Theorie haben die Erfinder eine
Fotovervielfacherröhre wie in Fig. 1 dargestellt und einen Lichtschirm über der Fotokathode
101 angeordnet, um das Photon am Durchtritt durch die Fotokathode zu hindern. Die
Fotovervielfacherröhre mit der Lichtblende schaffte es jedoch nicht, die Erzeugung
des Vorpulses zu unterdrücken.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin festzustellen, wie ein
Vorpuls in einer Fotovervielfacherröhre erzeugt wird und eine verbesserte
Fotovervielfacherröhre bereitzustellen, die in der Lage ist, die Erzeugung eines Vorpulses zu
unterdrücken.
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Nach der vorliegenden Erfindung weist eine Fotovervielfacherröhre Folgendes auf:
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eine Fotokathode zum Emittieren von Fotoelektronen nach Empfang von
einfallendem Licht und einen Elektronenvervielfachungsabschnitt zum Vervielfachen von
Fotoelektronen, die von der Fotokathode kaskadenartig bereitgestellt werden, wobei
der Elektronenvervielfachungsabschnitt eine erste Dynode zum Empfangen von
Fotoelektronen aufweist, die von der Fotokathode bereitgestellt werden und eine
zweite Dynode zum Empfangen von Elektronen, die von der ersten Dynode
bereitgestellt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Dynode ein
Sekundärelektronen-Emissionsverhältnis besitzt, das im Wesentlichen mit Bezug auf die an diese
angelegte elektrische Spannung gesättigt ist.
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Die zweite Diode kann bevorzugt ein Sekundärelektronen-Emissionsverhältnis
besitzen, das im Wesentlichen feststeht im Verhältnis zu Elektronen, die von der
ersten Dynode stammen und im Verhältnis zu anderen Elektronen, die von der ersten
Dynode reflektiert werden.
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Die erste Dynode kann mit einer ersten elektrischen Spannung versorgt werden und
die zweite Dynode kann mit einer zweiten elektrischen Spannung versorgt werden,
die größer als die erste elektrische Spannung ist. Die zweite Dynode kann ein
Sekundärelektronen-Emissionsverhältnis besitzen, das im Wesentlichen festliegt im
Verhältnis zu der Energie eines einfallenden Elektrons, die mindestens im Bereich
der Differenz zwischen der ersten und zweiten elektrischen Spannung und der
zweiten elektrischen Spannung liegt.
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Die obigen und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden
nachfolgend bei der Lektüre der folgenden Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsform in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen deutlicher:
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Fig. 1 zeigt schematisch eine Theorie dazu, wie ein Vorpuls in einer
Fotovervielfacherröhre erzeugt wird,
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Fig. 2 zeigt schematisch eine Schnittansicht einer Fotovervielfacherröhre einer
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
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Fig. 3 ist eine vergrößerte Ansicht eines wesentlichen Abschnitts der
Fotovervielfacherröhre aus Fig. 2, und
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Fig. 4 ist ein Graph, der ein Sekundärelektronen-Emissionsverhältnis δ einer Dynode
relativ zu der Energie der einfallenden Elektronen zeigt.
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Die Erfinder haben die Elektronenvervielfacherröhre aus Fig. 1 in der nachfolgend
beschriebenen Weise untersucht und haben festgestellt, dass der Vorpuls von
Fotoelektronen erzeugt wird, die an der ersten Dynode elastisch gestreut werden und
anschließend auf die zweite Dynode fallen.
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Die Erfinder haben daher die in Fig. 1 gezeigte Fotovervielfacherröhre 100
hergestellt. Diese Fotovervielfacherröhre 100 besitzt einen Durchmesser von 20 cm (8
inch). Die Fotokathode 100 wurde nicht mit Lichtblenden versehen. Die
Fotovervielfacherröhre 100 wurde betrieben, um ein einzelnes Photonereignis detektieren
zu können. Mit anderen Worten, die Anzahl von auf die Fotovervielfacherröhre 100
einfallenden Photonen wurde derart eingestellt, dass die Fotokathode 101 ein
Fotoelektron zu einer Zeit erzeugt. Ein Messsystem wurde angeordnet, um eine
Übergangszeitverteilung (TTS) der Fotovervielfacherröhre 100 zu messen. Das
Messsystem hat daher die Verteilung der Zeit für die von den Elektronen benötigte Zeit
zur Bewegung in der Fotovervielfacherröhre 100 gemessen.
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Ein Vorpuls würde ungefähr in einem von hundert Fällen beobachtet. Mit anderen
Worten, die Wahrscheinlichkeit zur Beobachtung eines Vorpulses betrug ungefähr
1/100. Der Vorpuls wurde ungefähr 5 bis 6 nsec vor dem Hauptpuls beobachtet. Es
kann daher abgeschätzt werden, dass dieser Vorpuls durch Elektronen erzeugt wird,
die die Anode 103 ungefähr 5 bis 6 nsec vor den anderen Elektronen erreicht, die
den Hauptpuls erzeugen.
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Anschließend wurde die Anzahl der auf die Fotovervielfacherröhre 100 fallenden
Photonen erhöht, so dass die Fotokathode 101 ungefähr 40 Photonen gleichzeitig
erzeugt. Unter dieser Bedingung wurde ein Vorpuls ungefähr 40 mal bei ungefähr
100 Hauptpulsen beobachtet. Die Wahrscheinlichkeit zur Beobachtung eines Vorpulses
hatte daher auf ungefähr 40/100 zugenommen. Es ist daher offensichtlich,
dass die Anzahl der Elektronen, die den Vorpuls bilden, im Verhältnis zu der Anzahl
der einfallenden Photonen wesentlich gestiegen ist.
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Wenn der Vorpuls ein Teil des Hauptpulses gewesen ist, selbst wenn die Anzahl der
einfallenden Photonen sich erhöht, hätte sich die Wahrscheinlichkeit zur
Beobachtung des Vorpulses nicht geändert. Es kann daher gefolgert werden, dass der
Vorpuls kein Teil des Hauptpulses ist.
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Wenn andererseits der Vorpuls durch Photonen erzeugt worden wäre, die durch die
Fotokathode 101 wie oben beschrieben passiert sind, sollte der Vorpuls ungefähr
20,56 nsec vor dem Hauptpuls beobachtet werden. Es kann daher gefolgert werden,
dass der Vorpuls ebenfalls nicht durch diese Photonen erzeugt wird.
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Die Erfinder haben daher geschätzt, dass einige der Fotoelektronen, die von der
Fotokathode 101 emittiert werden, elastisch an die erste Dynode Dy1 streuen.
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Die Fotoelektronen werden lediglich von der ersten Dynode Dy1 reflektiert und
bewegen sich zu der zweiten Dynode Dy2, ohne Sekundärelektronen an der ersten
Dynode Dy1 zu erzeugen. Wenn die Fotoelektronen auf die zweite Dynode Dy2
treffen, erzeugt die zweite Dynode Dy2 jedoch Sekundärelektronen. Die
Sekundärelektronen werden anschließend durch die aufeinanderfolgenden Dynoden
vervielfacht, bevor sie durch die Anode 103 als Vorpuls gesammelt werden. Diese
Theorie wird durch die unten beschriebenen Punkte (1) bis (3) bestätigt.
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(1) Diese Theorie stimmt mit dem beobachteten Zeitunterschied von 5 nsec
zwischen dem Vorpuls und dem Hauptpuls überein.
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Ein Elektron, das den Hauptpuls bildet, wird die dritte Dynode Dy3 32 nsec
erreichen, nachdem die Fotokathode 101 das ursprüngliche Fotoelektron emittiert hat.
Das heißt, ein Fotoelektron benötigt 21 nsec, um von der Fotokathode 101 zu der
ersten Dynode Dy1 zu gelangen. Ein Sekundärelektron, das von der ersten Dynode
Dy1 emittiert wurde, benötigt 8 nsec, um sich von der ersten Dynode Dy1 zu der
zweiten Dynode Dy2 zu bewegen. Ein von der zweiten Dynode Dy2 emittiertes
Sekundärelektron benötigt 3 nsec, um von der zweiten Dynode Dy2 zu der dritten
Dynode Dy3 sich zu bewegen.
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Wenn ein von der Fotokathode 101 emittiertes Fotoelektron andererseits einen
elastischen Stoß mit der ersten Dynode Dy1 ausführt, werden die Fotoelektronen
von der ersten Dynode Dy1 reflektiert und bewegen sich zu der zweiten Dynode
Dy2. Das Fotoelektron verlässt die erste Dynode Dy1 mit seiner
Einfallgeschwindigkeit. Demgemäß braucht das von der ersten Dynode Dy1 reflektierte Elektron nur
3 nsec, um sich von der ersten Dynode Dy1 zu der zweiten Dynode Dy2 zu
bewegen. Die Laufzeiten von der Fotokathode 101 zu der ersten Dynode Dy1 und
von der zweiten Dynode Dy2 zu der dritten Dynode Dy3 sind gleich. Demgemäß
erreicht ein Elektron, das einen Vorpuls bildet, die dritte Dynode Dy3 27 nsec
nachdem die Fotokathode 101 das ursprüngliche Fotoelektron emittiert.
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Somit ist bewiesen, dass der Vorpuls 5 nsec vor dem Hauptpuls beobachtet wird.
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(2) Die Theorie beweist, dass die Wahrscheinlichkeit zur Beobachtung des
Vorpulses mit der Anzahl der einfallenden Elektronen steigt.
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Allgemein werden ungefähr 10% der auf die erste Dynode Dy1 einfallenden
Elektronen an der ersten Dynode Dy1 elastisch gestreut. Ebenfalls ungefähr 10% der von
der ersten Dynode Dy1 reflektierten Elektronen wird tatsächlich die zweite Dynode
Dy2 erreichen. Ausgedrückt als ein einziges Photonereignis ist die
Wahrscheinlichkeit, dass ein reflektiertes Elektron die zweite Dynode Dy2 erreichen wird, ungefähr
1/100. Dieser Wert stimmt mit den Beobachtungen für die einzelnen
Photonenereignisse überein.
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Wenn die Anzahl von einfallenden Photonen erhöht wird, steigt die Gesamtanzahl
der von der Fotokathode 101 emittierten Fotoelektronen an. Demgemäß steigt
ebenfalls die Anzahl von Elektronen, die von der ersten Dynode Dy1 reflektiert sind.
Dies zeigt, dass die Wahrscheinlichkeit, einen Vorpuls zu beobachten, steigt, wenn
die Anzahl der einfallenden Photonen auf die Fotovervielfacherröhre steigt.
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(3) Die Erfinder führten ein weiteres Experiment aus, bei dem sie das Niveau einer
unteren Diskriminierungsschwelle (LLD Lower Level Discrimination Level) bis auf
einen Wert erhöht haben, der der Ladung des Hauptpulses entspricht. Im Ergebnis
wurde kein Vorpuls beobachtet. Dieses Messergebnis zeigt, dass die Ladung des
Vorpulses geringer ist als die Ladung des Hauptpulses. Dieses Messergebnis stimmt
ebenfalls mit der Theorie wie nachfolgend beschrieben überein.
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Wenn ein Fotoelektron von der ersten Dynode Dy1 reflektiert wird und sich zu der
zweiten Dynode Dy2 bewegt, wird das Fotoelektron nicht an der ersten Dynode Dy1
vervielfacht. Demgemäß wird der von dem reflektierten Fotoelektron erzeugte
Vorpuls eine geringere Ladung besitzen als der Hauptpuls.
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Wie oben beschrieben, ist die Theorie der Erfinder mit den Messergebnissen für alle
Parameter konsistent: die Elektronenbewegungszeitdauer, die
Vorpulsbeobachtungswahrscheinlichkeit und die Vorpulsanzahl. Demgemäß kann gefolgert werden,
dass der Vorpuls durch an der ersten Dynode Dy1 reflektierte Elektronen erzeugt
wird.
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Die vorliegende Erfindung sieht daher, um den Einfluss von den so reflektierten
Fotoelektronen zu unterdrücken vor, dass die zweite Dynode Dy2 aus einem
Material hergestellt ist, das eine Sekundärelektronen-Emissionsrate besitzt, die mit Bezug
auf die angelegte elektrische Spannung im Wesentlichen gesättigt ist. Wenn eine
Dynode ein Elektron mit einer großen Energie empfängt, wird die Dynode im
Allgemeinen eine große Anzahl von Sekundärelektronen emittieren. In anderen
Worten, wenn die Energie der einfallenden Elektronen steigt, steigt die
Sekundärelektronen-Emissionsrate der Dynode ebenfalls an. Wenn eine Dynode eine
gesättigte Sekundärelektronen-Emissionsrate besitzt, dann steigt selbst wenn die Dynode
ein hochenergetisches Elektron empfängt, die Sekundärelektronen-Emissionsrate
nicht stark an, verglichen dazu, wenn die Dynode ein niederenergetisches Elektron
empfängt.
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Es sei angemerkt, dass die von der ersten Dynode Dy1 reflektierten Fotoelektronen
durch eine elektrische Potentialdifferenz beschleunigt werden, die zwischen der
Fotokathode 101 und der ersten Dynode Dy1 besteht. Demgemäß besitzen die
Fotoelektronen eine größere Energie oder Geschwindigkeit als die Sekundärelektronen,
die von der ersten Dynode Dy1 emittiert werden oder von dieser herrühren. Weil die
zweite Dynode Dy2 ein gesättigtes Sekundärelektronen-Emissionsverhältnis mit
Bezug auf die einfallenden Elektronen besitzt, obwohl die zweite Dynode Dy2 die
Fotoelektronen empfängt, die von der ersten Dynode Dy1 reflektiert werden, wird
die zweite Dynode Dy2 keine Sekundärelektronen mit einem stark vergrößerten
Emissionsverhältnis emittieren. Es ist daher möglich, den Einfluss der reflektierten
Fotoelektronen zu begrenzen und dadurch die Intensität des Vorpulses zu
reduzieren.
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Ausführungsbeispiele für das Material mit einem gesättigten Sekundärelektronen-
Emissionsverhältnis sind: Aluminium (Al), Kupfer (Cu), Beryllium (Be), Nickel
(Ni), Eisen (Fe), Molybdän (Mo), Wolfram (W) und nichtrostender Stahl. Die zweite
Dynode Dy2 ist daher bevorzugt aus einem dieser Materialien hergestellt.
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Die zweite Dynode Dy2 kann bevorzugt aus einem leitenden Substrat hergestellt
werden, das mit einem Film aus einem der folgenden Materialien überzogen ist:
Aluminium (Al), Kohlenstoff (C), Chrom (Cr), Eisen (Fe), Zink (Zn), Nickel (Ni)
und Wolfram (W). Diese Filme können auf das Substrat durch ein
Verdampferverfahren im Vakuum aufgebracht werden.
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Die erste und zweite Dynode können bevorzugt mit elektrischen Spannungen
versorgt werden derart, dass eine elektrische Potentialdifferenz von 200 Volt oder mehr
zwischen der ersten und der zweiten Dynode anliegt.
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Wenn die elektrische Spannung zwischen der ersten und zweiten Dynode auf 200
Volt oder mehr erhöht wird, ist es möglich, die Zeitdauer, die die von der ersten
Dynode emittierten Sekundärelektronen benötigen, um von der ersten Dynode zu der
zweiten Dynode sich zu bewegen, zu verlängern. Es ist daher möglich, den
Unterschied zwischen der Zeitdauer, die die Sekundärelektronen zur Bewegung zwischen
der ersten und der zweiten Dynode benötigen, und der Zeitdauer, die die
Fotoelektronen, welche einen elastischen Stoß an der ersten Dynode ausführen, benötigen,
um von der ersten zur zweiten Dynode zu gelangen, zu verkürzen.
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Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer
Fotovervielfacherröhre der vorliegenden Erfindung beschrieben, wobei in den Fig. 2 bis 4 gleiche
Teile und Komponenten durch dieselben Referenznummern bezeichnet sind.
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Fig. 2 zeigt eine Fotovervielfacherröhre einer bevorzugten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung.
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Die Fotovervielfacherröhre weist eine Vakuumkammer auf, die mit einer im
Wesentlichen sphärischen lichtempfangenden Oberfläche 1, einem Tropfenabschnitt
2 und einem zylindrischen Stengelabschnitt 3, der als eine Standbasis dient,
aufgebaut ist. Eine fotoelektrische Kathode 5 ist auf der Innenfläche der
lichtempfangenden Oberfläche 1 gebildet. Einfallendes Licht auf der lichtempfangenden
Oberfläche 1 strahlt auf die Fotoelektrode 5, worauf Fotoelektronen von der
fotoelektrischen Kathode 5 emittiert werden. Die fotoelektrische Kathode 5 liegt bei 0 Volt.
Ein Elektronenvervielfacherabschnitt 6 ist gegenüberliegend von der Fotokathode 5
zur Vervielfachung der an der Fotokathode 5 bereitgestellten Fotoelektronen
vorgesehen.
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Fig. 3 zeigt eine vergrößerte Ansicht eines Elektronenvervielfacherabschnitts 6. Der
Abschnitt 6 ist in einer Fotoelektrode 7 aufgenommen, die eine im Wesentlichen
rechteckige parallele Rohrform aufweist. Die Elektrode 7 dient zur Abschirmung des
Elektronenvervielfacherabschnitts 6 gegen Einflüsse von dem Potential der
Fotokathode 5. Die rechteckige parallele Röhrenelektrode 7 ist an ihrem zum Stiel 3
weisenden Abschnitt offen. Die Fokalelektrode 7 besitzt eine Einfallöffnung 7a an
ihrem oberen Abschnitt, der zu der Fotokathode 5 weist. Die Einfallöffnung 7a ist
mit einer Gitterelektrode 9 bedeckt. Wie in der Zeichnung dargestellt, stehen die
Wände um die Einfallöffnung 7a in einer Richtung zu der Fotokathode 5 vor. Die
Wände dienen zur Zusammenführung der Fotoelektronen von der Fotokathode 5 zu
der Einfallöffnung 7a. Die Fokalelektrode 7 und die Gitterelektrode 9 sind
verbunden und besitzen das gleiche elektrische Potential.
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Eine erste Dynode Dy1 zum Empfangen von Fotoelektronen, die durch die
Einfallöffnung 7a getreten sind, und zum Emittieren von entsprechenden
Sekundärelektronen, ist gegenüber der Einfallöffnung 7a angeordnet. Die erste Dynode Dy1
besitzt beispielsweise eine gekrümmte Form, die einem Viertelabschnitt eines
Zylinders entspricht. Eine Dynodengruppe Dy ist gegenüberliegend von der ersten
Dynode Dy1 angeordnet.
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Die Dynodengruppe Dy weist zweite bis neunte Dynoden Dy2 bis Dy9 auf und eine
Anode 12, die in einer linear fokussierten Weise angeordnet ist. Die Dynodengruppe
Dy ist derart angeordnet, dass die zweite Dynode Dy2 der ersten Dynode Dy1
gegenüberliegt.
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Eine Plattenelektrode 11 und eine Polelektrode 10 sind zusätzlich zwischen der
ersten Dynode Dy1 und der Gitterelektrode 9 vorgesehen. Sowohl die Polelektrode
10 als auch die Plattenelektrode 11 erstrecken sich in eine Richtung senkrecht zu der
Zeichenebene in Fig. 3.
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Jede von den Elektroden 9, 10, 11 und den Dynoden Dy1 und Dy3 bis Dy9 sind aus
einem nichtrostenden Stahl hergestellt. Jede der Dynoden Dy1 und Dy3 bis Dy9 ist
mit einer Sekundärelektronen-Emissionsoberfläche an seiner Innenseite versehen.
Die Sekundärelektronen-Emissionsoberfläche ist aufgebaut aus einem Antimonfilm
(Sb), der durch einen Bedampfungsprozess im Vakuum gebildet ist. Die zweite
Dynode Dy2 ist ebenfalls aus einem nichtrostenden Stahlmaterial hergestellt. Jedoch
ist die zweite Dynode Dy2 nicht mit einem Antimonfilm versehen.
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In der vorliegenden Ausführungsform liegen die erste und zweite Dynode Dy1 und
Dy2 auf einer elektrischen Spannung derart, dass eine elektrische Potentialdifferenz
von 249 Volt zwischen ihnen besteht. Dieses elektrische Potential ist zweimal so
groß wie das elektrische Potential von 100 Volt, die üblicherweise zwischen der
ersten und zweiten Dynode einer Fotovervielfacherröhre anliegen. Beispielsweise
liegen an der ersten Dynode Dy1 800 Volt und an der zweiten Dynode Dy2 1049
Volt.
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Die Fokalelektrode 7 und die Gitterelektrode 9 sind mit einer elektrischen Spannung
versorgt, die größer als die an der ersten Dynode Dy1 anliegende elektrische
Spannung ist. Die Polelektrode 10 und die Plattenelektrode 11 liegen ebenfalls an einer
elektrischen Spannung, die größer sind als die an der ersten Dynode Dy1 anliegende
elektrische Spannung.
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Mit dem oben beschriebenen Aufbau werden die Elektronen, die von der ersten
Dynode Dy1 reflektiert oder emittiert werden, zu der zweiten Dynode Dy2 geführt.
Sekundärelektronen, die von der zweiten Dynode Dy2 emittiert werden, werden zu
der dritten Dynode Dy3 geführt. Folglich werden Elektronen aufeinanderfolgend in
kaskadenartiger Weise durch diese Dynoden vervielfacht, bevor sie an der Anode 12
gesammelt werden.
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Fig. 4 zeigt einen Graph, der Sekundärelektronen-Emissionsverhältnisse δ von einer
allgemeinen Dynode, die aus einem rostfreien Stahl besteht, der mit einem
Antimonfilm (Sb) (nachfolgend als "Sb-beschichtete Dynode" bezeichnet) und einer Dynode
aus nichtrostendem Stahl, die mit keinem Film überzogen ist (nachfolgend als "nicht
beschichtete SUS-Dynode" bezeichnet). Die vorliegende Ausführungsform
verwendet die Sb-beschichtete Dynode für jede der Dynoden Dy1 und Dy3 bis Dy9 und
verwendet die nicht beschichtete SUS-Dynode für die Dynode Dy2. In dem Graphen
bezeichnet die horizontale Achse die Energie der auf die Dynode einfallenden
Elektronen, d. h. Elektronenvolt [Volt], die das einfallende Elektron als Energie besitzt,
bevor es auf die Dynode trifft. Die vertikale Achse bezeichnet ein Sekundärelektronen-Emissionsverhältnis
δ für jede Art von Dynode. Das
Sekundärelektronen-Emissionsverhältnis δ gibt die Anzahl von Sekundärelektronen an, die die
Dynode bei Auftreten eines Primärelektrons emittiert, das eine gewisse Energie
besitzt. Eine als "V-δ-Kurve von Sb" bezeichnete Kurve zeigt das
Sekundärelektronen-Emissionsverhältnis δ der Sb-beschichteten Dynode abhängig von der
Energie der einfallenden Elektronen. Die andere mit "V-δ-Kurve von SUS" bezeichnete
Kurve zeigt das Sekundärelektronen-Emissionsverhältnis δ der nicht beschichteten
SUS-Dynode abhängig von der Energie der einfallenden Elektronen.
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Wie aus dem Graphen deutlich wird, nimmt das
Sekundärelektronen-Emissionsverhältnis δ der beschichteten Dynode schrittweise mit der Energie der einfallenden
Elektronen zu. Im Gegensatz dazu nimmt das
Sekundärelektronen-Emissionsverhältnis δ der nicht beschichteten SUS-Dynode sehr wenig zu, wenn die Energie
der einfallenden Elektronen steigt. Die nicht beschichtete SUS-Dynode besitzt daher
eine gesättigte Sekundärelektronen-Emissionscharakteristik. Insbesondere wenn die
Energie der einfallenden Elektronen oberhalb von 400 Elektronenvolt liegt, bleibt
das Sekundärelektronen-Emissionsverhältnis δ konstant bei einem Wert von 5.
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In der vorliegenden Ausführungsform wird eine nicht beschichtete SUS-Dynode als
Sekundärdynode Dy2 verwendet. Demgemäß nimmt das Sekundärelektronen-
Emissionsverhältnis δ wohl sehr wenig zu, wenn die Energie der auf die zweite
Dynode Dy2 einfallenden Elektronen zunimmt.
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Nachfolgend werden die durch erfindungsgemäße Fotovervielfacherröhre erzielten
Vorteile näher beschrieben, wobei die zweite Dynode Dy2 aus einer Dynode mit
einer gesättigten Sekundärelektronen-Emissionscharakteristik aufgebaut ist. Die
Vorteile werden im Zusammenhang mit einem Vergleichsbeispiel beschrieben, bei
dem die zweite Dynode Dy2 vom allgemeinen Typ einer Sb-beschichteten Dynode
ist.
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Ein Verhältnis der Anzahl von Elektronen, die einen Vorpuls bilden verglichen mit
der Anzahl von Elektronen, die einen Hauptpuls bilden, wird sowohl für die
Fotovervielfacherröhre der vorliegenden Ausführungsform und des Vergleichsbeispiels
berechnet. Diese Berechnung wird ausgeführt, wenn die Fotovervielfacherröhre
betrieben wird, um ein einzelnes Photon zu detektieren und für die Anzahl der
Elektronen, die die dritte Dynode Dy3 erreichen.
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Es wird nun angenommen, dass die Dynoden in dem Vergleichsbeispiel von dem
allgemeinen Typ einer Sb-beschichteten Dynode aufgebaut sind. Die erste Dynode
Dy1 wird mit einer Spannung von 800 Volt versorgt und die zweite Dynode Dy2 mit
einer Spannung von 900 Volt. Aus Fig. 4 ist ersichtlich, dass beim Auftreten der
Elektronen von 800 Elektronenvolt die erste Dynode Dy1 Sekundärelektronen in
einem Sekundärelektronen-Emissionsverhältnis δ von 24 emittieren wird, weil 100
Volt (= 900 - 800) zwischen der ersten und zweiten Dynode Dy1 und Dy2 anliegen.
Die zweite Dynode Dy2 empfängt Elektronen von 100 Elektronenvolt von der ersten
Dynode Dy1. Die zweite Dynode Dy2 emittiert daher Sekundärelektronen in einem
Sekundärelektronenverhältnis δ von 5. Demgemäß werden 120 (= 24 · 5)
Elektronen die dritte Dynode Dy3 erreichen. Diese Elektronen bilden den Hauptpuls.
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Einige von den Elektronen, die durch das Elektronenpotential von 800 Volt
beschleunigt werden, führen eine elastische Streuung an der ersten Dynode Dy1 aus
und emittieren daher keine Sekundärelektronen. Die reflektierten Elektronen werden
durch die an der zweiten Dynode Dy2 anliegenden 900 Volt beschleunigt. Die
Elektronen mit 900 Elektronenvolt empfangend emittiert die zweite Dynode Dy2
Sekundärelektronen bei einem Sekundärelektronen-Emissionsverhältnis von 24,5. Diese
Sekundärelektronen werden die dritte Dynode erreichen, um einen Vorpuls zu
erzeugen.
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Das Verhältnis der Anzahl von Elektronen, die den Vorpuls bilden, relativ zu der
Anzahl der Elektronen des Hauptpulses errechnet sich zu 0,2 (δ 24,5/120).
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Nachfolgend wird das Verhältnis der Anzahl der Elektronen, die einen Vorpuls
bilden, relativ zu der Anzahl der den Hauptpuls bildenden Elektronen für die
Fotovervielfacherröhre der vorliegenden Ausführungsform berechnet. In der
Fotovervielfacherröhre ist die zweite Dynode Dy2 aus einer nicht beschichteten SUS-Dynode
mit einer gesättigten Sekundärelektronen-Emissionscharakteristik aufgebaut. In der
Ausführungsform liegt an der ersten Dynode 800 Volt an und die zweite Dynode
Dy2 liegt auf 1049 Volt. Aus Fig. 4 ist offensichtlich, dass das Auftreffen von
Elektronen mit 800 Elektronenvolt, die erste Dynode Dy1 Sekundärelektronen bei einem
Sekundärelektronen-Emissionsverhältnis δ von 24 emittiert. Weil 249 Volt zwischen
den ersten und zweiten Dynoden Dy1 und Dy2 anliegen, empfängt die zweite
Dynode Dy2 Elektronen von 249 Elektronenvolt und emittiert Sekundärelektronen
bei einem Sekundärelektronen-Emissionsverhältnis δ von 4. Demgemäß ist die
Anzahl der Elektronen, die die dritte Dynode erreichen, 96 (= 24 · 4). Diese
Elektronen bilden den Hauptpuls.
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Wenn die mit einer elektrischen Spannung von 800 Volt beschleunigten Elektronen
eine elastische Streuung an der ersten Dynode Dy1 ausführen, werden die
Elektronen jedoch durch die elektrische. Spannung von 1049 Volt, die an der zweiten
Dynode Dy2 anliegen, weiter beschleunigt. Auf die Elektronen von 1049
Elektronenvolt wird die zweite Dynode Dy2 Sekundärelektronen bei einem
Sekundärelektronen-Emissionsverhältnis δ von 5 emittieren. Diese Elektronen werden die
dritte Dynode Dy3 erreichen und bilden einen Vorpuls. Demgemäß ist das Verhältnis
der Anzahl von Elektronen, die den Vorpuls bilden, relativ zu der Anzahl der den
Hauptpuls bildenden Elektronen 0,05 (δ 5/96).
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Die obigen Rechenergebnisse zeigen, dass wenn die Sekundärdynode Dy2 aus einer
Dynode mit einem gesättigten Sekundärelektronen-Emissionsverhältnis aufgebaut
ist, selbst wenn die LLD auf einen Wert von Null gesetzt ist, der für das einzelne
Photon gemessene Vorpuls auf ein Viertel (= 0,05/0,2) des Wertes bei einer
herkömmlichen Fotovervielfacherröhre reduziert wird.
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In herkömmlichen Fotovervielfacherröhren wird zur Reduktion des Vorpulses das
LLD auf einen Wert gleich oder größer als 20% der Hauptpulsintensität gesetzt. Im
Gegensatz dazu kann bei der erfindungsgemäßen Fotovervielfacherröhre der
Vorpuls durch Setzen des LLD auf 10% der Hauptpulsintensität hinreichend entfernt
werden. Dies ist möglich, weil das Verhältnis der Vorpulsintensität relativ zu der
Hauptpulsintensität lediglich 0,05 beträgt. Durch Senken des LLD der
Fotovervielfacherröhre ist es möglich, eine kleinere Menge von Licht zu detektieren, selbst
wenn die Fotovervielfacherröhre zur Verwendung in einem großen Bereich von
einem ein Photon-Niveau bis zu mehreren Hundert Photonen verwendet wird. Weil
die Vorpulsintensität ungefähr einige Hundertstel der Hauptpulsintensität beträgt,
wenn die Anzahl der auf die Fotokathode einfallenden Photonen steigt, wird TTS
den Ausdruck auf 1/N senken (wobei N die Anzahl der Photonen angibt) und diesen
nicht steigern.
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Es sei angemerkt, dass der Vorpuls hinreichend unterdrückt werden kann, wenn die
zweite Dynode Dy2 fast das gleiche Sekundärelektronen-Emissionsverhältnis mit
Bezug auf die Elektronen (Sekundärelektronen) besitzt, die von der ersten Dynode
Dy1 emittiert werden oder von dieser stammen und mit Bezug auf die Elektronen
(Fotoelektronen), die von der ersten Dynode Dy1 reflektiert werden. Elektronen, die
auf die zweite Dynode Dy2 fallen, besitzen von der ersten Dynode Dy1 emittiert
oder von dieser ausgehend eine Energie E1, die durch eine Differenz zwischen den
elektrischen Potentialen V1 und V2, die zwischen der ersten und der zweiten
Dynode Dy1 und Dy2 anliegt. Wenn diese auf die zweite Dynode Dy2 fallen,
besitzen Elektronen, die von der ersten Dynode Dy1 reflektiert wurden, eine Energie
E2, die gebildet wird, wenn das elektrische Potential V2 an der zweiten Dynode Dy2
anliegt. Demgemäß kann der Vorpuls hinreichend unterdrückt werden, wenn die
zweite Dynode Dy2 ein fast festes oder unverändertes Emissionsverhältnis mit
Bezug auf die einfallende Elektronenenergie mindestens in dem Bereich von E1 (=
V2 - V1) bis E2 (= V2) besitzt. In dem obigen Beispiel liegen an der ersten Dynode
Dy1 800 Volt an und die zweite Dynode Dy2 ist mit 1049 Volt versorgt. Der
Vorpuls wird hinreichend unterdrückt, weil die nicht beschichtete SUS (zweite Dynode
Dy2), wie in Fig. 4 gezeigt, ein fast gesättigtes Emissionsverhältnis in Bezug auf die
einfallende Elektronenenergie in dem Bereich von 240 Elektronenvolt bis 1049
Elektronenvolt besitzt.
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Bei der erfindungsgemäßen Fotovervielfacherröhre liegt eine elektrische
Potentialdifferenz von 200 Volt oder mehr zwischen der ersten Dynode Dy1 und der zweiten
Dynode Dy2 an. Die elektrische Potentialdifferenz ist größer als ein Wert zweimal
so groß wie eine elektrische Potentialdifferenz zwischen erster und zweiter Dynode
in der herkömmlichen Fotovervielfacherröhre. Demgemäß können die Zeitdauern,
die für die Sekundärelektronen, die von der ersten Dynode Dy1 emittiert wurden,
zur Bewegung zwischen der ersten und der zweiten Dynode verkürzt werden. Es
wird möglich, die Differenz zwischen dieser Sekundärelektronenlaufzeit und einer
Zeitdauer der Fotoelektronen, die eine elastische Streuung an der ersten Dynode
Dy1 ausführen, für die Strecke zwischen der ersten und zweiten Dynode zu
verkürzen.
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Demgemäß kann eine Verteilung von Elektronenlaufzeiten vermindert werden.
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In dem obigen Ausführungsbeispiel ist die zweite Dynode Dy2 aus nichtrostendem
Stahlmaterial. Jede Art von nichtrostendem Stahl kann zum Aufbau der zweiten
Dynode Dy2 verwendet werden, weil solche nichtrostenden Stähle im Wesentlichen
die gleiche Charakteristik aufweisen. Metallmaterialien aus Aluminium (Al), Kupfer
(Cu), Beryllium (Be), Nickel (Ni), Eisen (Fe), Molybdän (Mo) und Wolfram (W)
bilden die zweiten Elektronen-Emissionsverhältniskurven, die im Wesentlichen
dieselben wie die für nichtrostenden Stahl in Fig. 4 gezeigten sind. Demgemäß können
dieselben Vorteile erzielt werden, wenn die zweite Dynode aus diesen
Metallmaterialien besteht. Die zweite Dynode Dy2 kann aus leitendem Substrat hergestellt sein,
das mit einem Metallfilm von einem der folgenden Materialien Aluminium (Al),
Kohlenstoff (C), Chrom (Cr), Eisen (Fe), Zink (Zn), Nickel (Ni) und Wolfram (W)
überzogen ist. Der Film kann durch ein Aufdampfverfahren im Vakuum gebildet
sein. Diese Dynode besitzt die Sekundärelektronen-Emissionsverhältniskurve im
Wesentlichen gleich zu der von nichtrostendem Stahl in Fig. 4.
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Andere Dynoden als die zweite Dynode können aus Halbleiterdynoden hergestellt
sein. Beispielsweise können die Sekundärelektronen-Emissionsoberflächen dieser
Dynoden aus Halbleitern wie GaAs, GaIn u.Ä. hergestellt sein.
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Wie oben beschrieben, ist die zweite Dynode der erfindungsgemäßen
Fotovervielfacherröhre ein im Wesentlichen gesättigtes
Sekundärelektronen-Emissionsverhältnis. Demgemäß emittiert die zweite Dynode, selbst wenn auf die zweite Dynode
Elektronen mit stark schwankenden Energien auftreffen, Sekundärelektronen mit
fast einem gleichmäßigen Sekundärelektronen-Emissionsverhältnis. Es wird daher
möglich, einen Vorpuls zu unterdrücken, der durch Elektronen erzeugt wird, die
elastisch an der ersten Dynode streuen und auf die zweite Dynode mit einer größeren
Energie treffen.
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Während die Erfindung im Detail mit Bezug auf eine spezielle Ausführungsform
dieser beschrieben wurde, ist es für den Fachmann offensichtlich, dass verschiedene
Änderungen und Abwandlungen an dieser durchgeführt werden können, ohne den
Schutzbereich der Ansprüche zu verlassen.