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Die Erfindung wurde im Rahmen des Advanced Technology Michrochannel Plate
Entwicklungsprogramm, das vom National Institute of Standards und Technology zuerkannt
wurde, gemacht. Die Regierung behält sich bestimmte Rechte an der Erfindung vor.
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Die Erfindung bezieht sich auf die Herstellung von Elektronenvervielfachern mit
diskreten Dynoden und insbesondere auf die Herstellung solcher Einrichtungen unter
Verwendung von Mikrobearbeitungstechniken.
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Elektronenvervielfacher mit diskreten Dynoden sind bekannt. Im Stand der Technik
sind verschiedene Techniken zur Herstellung solcher Einrichtungen offenbart. Der Stand der
Technik offenbart jedoch nicht die Verwendung von Silizium-Mikrobearbeitungstechniken
und Dünnschichtaktivierung, um integrierte Elektronenvervielfacher mit diskreten Dynoden
herzustellen.
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US-A-4 482 836 offenbart einen Diskret-Elektronenvervielfacher.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf dem Erkennen, daß ein
Elektronenvervielfacher mit diskreten Dynoden unter Verwendung von Halbleiter-Bearbeitungstechniken erzeugt
werden kann, und zwar insbesondere von Mikrobearbeitungstechniken in Kombination mit
der Dünnschichtdynodenaktivierung.
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Gestalten eines
vollständig in Mikrobearbeitung hergestellten Elektronenvervielfachers mit diskreten Dynoden
(DDM), der mit einer Dünnschicht-Dynodenoberfläche aktiviert wird. Obwohl andere
Materialien verfügbar sein mögen, ist die beispielhafte Ausführungsform so ausgestaltet, daß sie
insbesondere bei Silizium (Si)-Substraten verwendet werden kann. Dies hat den Vorteil
umfassender Nutzbarkeit und niedriger Kosten von Si und erlaubt die Verwendung von
Halbleiter-Bearbeitungstechniken. Die Verwendung von Si erleichtert außerdem die Integration in
eine weitere MOS-Bearbeitung und vermeidet so Probleme, die mit der Materialkompatibilität
zusammenhängen. Zusätzlich erlaubt Si das direkte Integrieren von Unterstützungselektronik
in den Elektronenvervielfacher.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen eines
Elektronenvervielfachers mit diskreten Dynoden vorgesehen, das die Schritte umfaßt:
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Ausbilden eines ätzbaren ebenen Substrats mit ersten und zweiten Seiten und geeignet,
einen Strom zu führen, der dem Wiederauffüllen/Ergänzen von Elektronen genügt;
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Ausbilden einer elektrischen Isolationsschicht auf den Seiten des Substrats;
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Ausbilden einer ersten Maskenschicht, die über der Isolationsschicht auf dem Substrat
liegt;
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Ausbilden einer Photoresist-Schablonen-Maskenschicht mit Öffnungen darin auf der
ersten Maskenschicht auf der ersten Seite des Substrats;
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Übertragen der Schablone von der Photoresist-Maskenschicht durch die erste
Maskenschicht und die elektrische Isolationsschicht durch anisotropes Ätzen der ersten
Maskenschicht und der Isolationsschicht durch die Öffnungen in der
Photoresist-Schablonen-Maskenschicht zur ersten Seite des Substrats nahe der Schablonen-Maskenschicht
zum Herstellen entsprechender Öffnungen in der ersten Maskenschicht und der
Isolationsschicht;
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anisotropes oder isotropes Ätzen des Substrats durch die entsprechenden Öffnungen
zum Erzeugen einer Öffnungsstruktur mit Oberflächen quer zur Achse der Öffnung
durch das Substrat zur zweiten Seite davon und isotropes Ätzen einer Öffnung durch
die Isolationsschicht zur ersten Maskenschicht auf der zweiten Seite des Substrats;
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Entfernen der Schablonenmaske, der ersten Maskenschicht und der Isolationsschicht
benachbart zur Schablonen-Maskenschicht;
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Ausrichten und Verbinden eines Paares Substrate in einander gegenüberliegender
Beziehung auf der Seite davon entfernt von der mit Öffnungen versehenen
Isolationsschicht zum Erzeugen eines diskreten Dynodenelements;
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Aktivieren der anisotrop oder isotrop geätzten Oberflächen der Dynodenelemente, die
in dem Substrat gebildet sind; und
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Ausrichten und Stapeln einer Mehrzahl diskreter Dynodenelemente.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Fig. 1 stellt das allgemeine Flußdiagramm eines Prozesses zum Mikrobearbeiten von
Elektronenvervielfachern mit diskreten Dynoden gemäß der vorliegenden Erfindung
dar;
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Fig. 2A und 2B zeigen im Schnitt eine entsprechende Draufsicht und Seitenansicht
einer quadratischen Öffnung in einer Si-Wafer mit der Form eines
Pyramidenstumpfes;
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Fig. 2C und 2D zeigen entsprechende Draufsicht und geschnittene Seitenansicht
einer kreisförmigen Öffnung in einer Si-Wafer in Form einer abgestumpften
Halbkugel;
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Fig. 3 ist eine geschnittene Seitenansicht eines Elektronenvervielfachers mit
diskreten Dynoden gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
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Fig. 3A ist ein vergrößerter teilweiser Querschnitt der in Fig. 3 gezeigten
emittierenden Oberfläche;
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Fig. 4 ist eine geschnittene Seitenansicht eines Elektronenvervielfachers mit
diskreten Dynoden gemäß einer Ausführungsform der Erfindung unter Verwendung einer
Zwischenlage/-schicht zwischen Öffnungsvorformen;
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Fig. 5 ist eine geschnittene Seitenansicht eines Elektronenvervielfachers mit
diskreten Dynoden gemäß einer Ausführungsform der Erfindung unter Verwendung einer
Widerstandslage/-schicht zwischen Dynodenelementen; und
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Fig. 6 ist ein Diagramm der Werte der Verstärkung über der angelegten Spannung
für eine beispielsweise Ausführungsform der Erfindung.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Ein allgemeines Flußdiagramm des Prozesses ist in Fig. 1 gezeigt und stellt Schritte
(a)-(h) dar. Der Prozeß beginnt bei Schritt (a) durch Bilden einer Wafer 20 und Erzeugen
einer Hartmaske 22 darauf. Bevorzugt nimmt man eine Silizium-Wafer 20, die n-Typ dotiert
und so leitfähig wie möglich (0,001-1.0_Ω-cm) ist. Ebenfalls nützlich können Wafer, die p-
Typ dotiert sind, sein, um die Ladungserneuerungseigenschaften der Dynodenstruktur zu ändern.
Geeignete Hartmaskenmaterialien umfassen Polymere, Dielektrika, Metalle und
Halbleiter. Ein Beispielsprozeß verwendet eine Verbundstruktur aus SiO&sub2;, die eine äußere
Isolationsschicht 24 bildet, die entweder durch direkte thermische Oxidation des Siliziumsubstrats
20 oder durch chemische Dampfablagerung (CVD) erzeugt ist; und aus SiOyNx, das eine
äußere Hartschicht 26 bildet, die durch CVD erzeugt ist. Die Hartmaske 22 kann eines dieser
Materialien verwenden, oder sie kann ein Verbund dieser Materialien sein, wie diese in dem
hier beschriebenen Prozeß aufgezeigt sind. Die Verbund-Hartmaske 22, die in der
beispielhaften Ausführungsform verwendet wird, erhält die Sauberkeit und Ebenheit des jeweiligen
Oberteils und Bodens der Substrat-Wafer 20 besser für das spätere Bonden.
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In Schritt (b) wird die Hartmaske mit einem photosensitiven Polymer oder
Photoresist 30 beschichtet, und es wird in dem Photoresist 30 durch optische Lithographie eine
Schablone einer oder mehrerer Öffnungen 32 erzeugt. Es können auch andere lithographische
Verfahren wie Elektronenstrahl, Ionenstrahl oder Röntgen-Lithographie eingesetzt werden.
Jedoch ist Photolithographie leicht verfügbar und weniger kostenaufwendig als andere
lithographische Prozesse. Unabhängig davon, wie die Schablone 32 anfänglich in dem Photoresist
30 erzeugt wird, wird sie als Öffnung 34 durch reaktives Teilchenätzen (RPE) durch die
Hartmaske 22 übertragen.
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In der Verfahrensfolge, die in Fig. 1 dargestellt ist, ist das auf die Hartmaske 22
übertragene Muster eine quadratische Öffnung 34. Die Größe dieser Öffnung 34 kann
zwischen ungefähr 50 bis 1000 um liegen.
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In Schritt (c) wird durch die Wafer 20 mittels anisotropen Naßätzens eine Öffnung
36 ausgebildet. Die in dem Prozeß-Flußdiagramm der Fig. 1 gezeigte Öffnung 36 ist das
Ergebnis von auf der Si-Wafer 20 in der [100] Ausrichtung aufgebrachtem Kaliumhydroxid
(KOH). Die Seite 38 der quadratischen Öffnung 36 ist entlang der (111) Ebene so
ausgerichtet, daß sich nur minimale Unterätzung der Hartmaske 22 ergibt. Das Ergebnis ist eine
Öffnung 36, die eine vergrößerte Öffnung 40 an der Vorderfläche 28 und eine relativ kleinere
Öffnung 42 an der Rückfläche 29 aufweist. Die Öffnung oder das Loch 36 durch die Wafer 20
hat die Form eines umgekehrten Pyramidenstumpfes, wie in Fig. 2A und 2B gezeigt. Es
können auch andere Öffnungen und Ätzsysteme eingesetzt werden. Beispielsweise kann eine
kreisförmige Öffnung 40 mit einem Si-Ätzen wie HNA (Fluß-Salpeter-Essigsäure) geschaffen
werden. Die sich aus solch einem Ätzen ergebende Geometrie ist in Fig. 2C und 2D dargestellt
und wirft ein Schlaglicht auf die Unterätzung der Hartmaske, der sich aus einem
isotropen Ätzen ergibt. In Fig. 2C und 2D weist das Loch oder die Öffnung 40 die Form einer
umgekehrten abgestumpften Halbkugel auf.
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Unabhängig von der genauen Geometrie des Loches durch die Wafer ist der übrige
Teil des Prozesses im allgemeinen der gleiche. Nachdem das Loch in der Wafer 20 in Schritt
(c) geformt worden ist, wird die äußere Nitridschicht 26 von der Vorderfläche 28 mit
Trockenätzen, wie in Schritt (d) gezeigt, entfernt.
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In Schritt (e) werden die darunterliegenden Oxidschichten 24 von der Vorderfläche
28 und von der Bodenöffnung 42 des Loches 36 durch HF-Naßätzen entfernt.
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In Schritt (f) wird das verbleibende Nitrid 26 von der Wafer 22 mit heißer (140-
160ºC) Phosphorsäure (H&sub3;PO&sub4;) entfernt, die sowohl gegenüber Si wie auch SiO&sub2; hoch
empfindlich ist. Das Ergebnis ist eine Dynodenöffnung-Vorform 50 mit einer resultierenden
Isolationsschicht 52 und einer in dem Substrat 20 ausgebildeten Durchgangsöffnung 54. Die
Isolationsschicht 52 ist der Teil der äußeren, oben erwähnten Isolationsschicht 24, die nach
den verschiedenen Ätzschritten verbleibt.
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In Schritt (g) wird ein Paar Dynodenöffnung-Vorformen 50 mit ihren Vorderflächen
28 in zueinander gegenüberliegender Beziehung zusammengefügt, und die Öffnungen 54
werden, wie gezeigt, miteinanderdeckend ausgerichtet. Die Dynodenöffnung-Vorformen 50
werden dann Oberfläche gegen Oberfläche gebonded/verbunden, und zwar ohne
Zwischenschicht, um eines oder mehrere diskrete Dynodenelemente 56 zu bilden. Diese werden später
aktiviert, um zu aktiven Dynoden zu werden, wie dies nachfolgend beschrieben wird.
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Das Bonden der Dynodenöffnung-Vorformen 50 wird allgemein durch direktes
Fusionsbonden vervollständigt. Diese Technik erfordert, daß die Oberfläche der Teile extrem
eben, glatt und frei von irgendwelchen Teilchen ist. Die sauberen Oberflächen werden
miteinander in Berührung gebracht und für einen Zeitraum von ungefähr ein bis ungefähr drei
Stunden auf eine Temperatur in einem Bereich von ungefähr 600-1000ºC erwärmt. Dieses führt
zum vollständigen Bonden der Dynodenöffnung-Vorformen 50, um die diskreten
Dynodenelemente 56 auszubilden. Zusätzlich zum direkten Fusionsbonden kann auch ein
feldgestütztes Bonden angewendet werden.
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Im Schritt (h) wird, wenn die Dynodenöffnung-Vorformen 50 gebonded worden
sind, um die diskreten Dynodenelemente 56 auszubilden, eine Anzahl solcher diskreter
Dynodenelemente zusammengestapelt und gebonded, um einen diskreten Dynodenstapel 60, zum
Beispiel fünf oder mehr Dynodenelemente, zu bilden. Eine Eingangsöffnung 62, eine
Ausgangsöffnung 64 und eine Anode 66 können zum Vervollständigen der gestapelten Struktur
hinzufügt werden, wie dies in Fig. 1 und 3-5 gezeigt ist. Die betreffenden Eingangs- und
Ausgangsöffnungen 62 und 64 können jeweils eine beispielhafte einzelne
Dynodenöffnung-Vorform 50, wie oben erörtert, sein, die zum Stapel 60 verbunden worden ist.
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Es ist zu beachten, daß die Dynodenöffnung-Vorformen 50 direkt obere Fläche mit
oberer Fläche verbunden werden können, und zwar ohne Zwischenschicht, wie gezeigt, wenn
diskrete Dynodenelemente 56' ausgebildet werden. Wahlweise können die Dynodenöffnung-
Vorformen 50 durch eine Zwischenisolierschicht oder eine Halbleiterschicht 68, wie in der
Ausführungsform der Fig. 4 gezeigt, getrennt werden.
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Die Anode 66 kann eine integrierte Struktur sein, die mit dem gleichen Basisprozeß
wie oben beschrieben hergestellt wird. Der Unterschied ist nur an einem Schritt des Prozesses
erkennbar, nämlich Schritt (c). Das KOH-Naßätzen der Dynodenöffnung 36 wird angehalten,
bevor die Rückseite der Wafer 22 durchdrungen wird, wodurch eine Bodenoberfläche 70
belassen wird, um die abgegebenen Elektronen zu sammeln. Die Anode 66 kann dann mit der
Ausgangsöffnung 64 verbunden werden, um die gezeigte integrierte Struktur zu bilden.
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Um die konisch zulaufenden Oberflächen 38 der diskreten Dynodenelemente 50 zu
aktivieren, wird eine Elektronen emittierende Schicht 80 mit guten Sekundäreigenschaften der
Elektronenabgabe in Schritt (h), Fig. 1 und Fig. 3A, eingesetzt. Allgemein wird die Schicht 80
auf den Oberflächen 38 durch im Niederdruck erfolgende chemische Dampfablagerung
(LPCVD) auf eine Stärke von ungefähr 2 bis ungefähr 20 nm abgelagert. Geeignete
Materialien umfassen SiO&sub2; oder Si&sub3;N&sub4;, obwohl Al&sub2;O&sub3; AIN, C (Diamant) oder MgO auch als
ausgezeichnete Verwendungsanwärter dienen können. Beispielsweise können Siliziumnitrid (SiNx)
oder Siliziumoxynitrid (SiNxOy) mit einer Kombination von Dichlorsilan (SiCl&sub2;H&sub2;),
Ammoniak (NH&sub3;) und Distickstoffoxid (NO&sub2;) im Temperaturbereich von ungefähr 700 bis ungefähr
900ºC bei einem Druck von ungefähr 100 bis ungefähr 300 mtorr abgelagert werden. Eine
direkte thermische Oxidation kann bei ungefähr 800 bis ungefähr 1100ºC in trockenem O&sub2; bei
Atmosphärendruck ausgeführt werden. Weitere Verfahren zum Erzeugen einer Elektronen
emittierenden Schicht 80 umfassen chemische Dampfablagerung unter atmosphärischem
Druck (APCVD) und Oberflächenmodifikation durch thermische Oxidation oder
Nitriertechniken.
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Ein diskreter Dynodenvervielfacher gemäß der Erfindung kann auf eine von zwei
Weisen, direkt oder indirekt, mit Vorspannung versehen werden. Die konventionellste
Methode des Aufbringens von Vorspannung auf diese Einrichtungen ist das direkte
Verfahren. Dieses ist in Fig. 3 durch Anwendung von Leitungen 82 zu den diskreten
Dynodenelementen 56, der Eingangsöffnung 62 und der Anode 66 und dem Aufrechterhalten eines
Potentials an jedem Element mittels eines externen Widerstandsnetzwerks 84 gezeigt. Die
direkte Vorspannungstechnik ist weiter beispielhaft in Fig. 4 gezeigt, worin unterschiedliche
Spannungen getrennt an jede Dynodenöffnung-Vorform 50, die das diskrete Dynodenelement
56' bildet, angelegt werden können. Wie oben festgestellt, ist jede Dynodenöffnung-Vorform
50 von einer benachbarten Vorform durch die isolierende innere Lage 68 getrennt. Ein
Nachteil der direkten Vorspannungstechnik, wie sie in Fig. 3 und 4 dargestellt ist, ist ein Anstieg
der Herstellungskomplexität und der -kosten, die im Zusammenhang mit den mehrfachen
elektrischen Kontakten und mehrfachen Widerständen gegeben sind. Auch macht es diese
Technik schwierig, die Einrichtung zu verkleinern.
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Das indirekte Vorspannungsverfahren ist in der Ausführungsform der Fig. 5
dargestellt, worin ein Elektronenvervielfacher 90 mit diskreten Dynoden ein integriertes
Widerstandsnetzwerk verwendet. Bei dieser Anordnung wird eine halbisolierende oder
Widerstandsschicht 92 geeigneten (spezifischen) Widerstands in Schritt (a), in Fig. 1 dargestellt, auf
die Wafer 22 aufgebracht. Die Schicht oder Lage 92, die die diskreten Dynodenelemente 56
trennt, wirkt als Widerstand, um es den diskreten Dynodenelementen zu ermöglichen, nur mit
einer einzelnen elektrischen Verbindung mit der Eingangsöffnung 62, der Ausgangsöffnung
64 und der Anode 66 durch die Einrichtung 90, wie gezeigt, mit Vorspannung versehen zu
werden. Dies ermöglicht allgemein eine vereinfachte Herstellung und eine leichtere
Verkleinerung der Einrichtung.
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Das in Fig. 3 und 4 gezeigte Vorspannen ist zum Sammeln positiv geladener
Partikel, neutraler Partikel, von UV-Strahlen und weichen Röntgenstrahlen konfiguriert. Dies kann
in eine positiv mit Vorspannung versehene Öffnung, wie in Fig. 5 gezeigt, geändert werden,
um negativ geladene Teilchen (d. h. Ionen) durch Gleiten der integrierten Anode 66 mittels
einer elektrischen Isolierlage 96 zu sammeln, um es der Anode 66 zu ermöglichen, den
Ausgangsstrom zu sammeln. Das Gleiten der Anode 66 erfordert es, daß die Isolierlage 96 auf der
Anode abgelagert wird, selbst wenn resistive Zwischen-Vorspannungsschichten 92 verwendet
werden.
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Eine nach dem in Fig. 1 gezeigten Verfahren hergestellte beispielhafte Einrichtung,
die, wie in Fig. 4 gezeigt, mit Vorspannung versehen ist, wurde gebaut und geprüft. Die
Wafer 22 haben jeweils eine Stärke von 380 Mikron, und zwar mit einer vorderseitigen
Öffnung zu jedem Dynodenelement von ungefähr 960 Mikron. Die Einrichtung ist indirekt mit
Vorspannung versehen und verwendet 12 diskrete Dynodenelemente. In Fig. 6 ist eine
Auftragung der Verstärkung der Einrichtung über der angelegten Spannung gezeigt.
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Gemäß der Erfindung und wie in Fig. 3 gezeigt, tritt ein Eingabepartikel, zum
Beispiel ein energiegeladenes Elektron, ein Ion, ein UV-Photon, ein Röntgenstrahl oder
dergleichen 100 in die Eingangsöffnung 62 ein und erzeugt eine Sekundäremission 102, die auf das
diskrete Dynodenelement 56 unmittelbar darunter, wie gezeigt, trifft. Es werden zusätzliche
Sekundärelektronen 104 erzeugt, die danach in Kaskade mit der nächstniedrigeren Ebene und
weiter durch den Stapel der Anode 66 als Ausgangselektronen 106 geschaltet werden. So wird
ein Ausgangsstrom 10 erzeugt, der die Verstärkung der Einrichtung kennzeichnet. Es kann
eine beliebige Zahl Stufen verwendet werden, obwohl angenommen wird, daß ungefähr fünf
bis ungefähr zwanzig Stufen für einen nützlichen Verstärkungsbereich sorgen. Die
beispielsweise Ausführungsform, die die in Fig. 6 dargestellten Daten erzeugt, verwendet 12 Stufen.
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Während vorstehend das beschrieben wurde, was gegenwärtig als die bevorzugten
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung angesehen wird, ist es den Fachleuten dieses
Gebietes klar, daß die verschiedensten Änderungen und Modifikationen durchgeführt werden
können, ohne von der Erfindung abzuweichen, und es ist beabsichtigt, mit den beigefügten
Ansprüchen solche Änderungen und Modifikationen abzudecken, wie sie in Geist und
Umfang der Erfindung fallen.