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Die vorliegende Erfindung bezieht sich ein Verfahren zum Herstellen eines Photomultipliers nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Ein Photomultiplier wird auch als Photoelektronenvervielfacher oder PMT (englisch: photo-multiplier tube) bezeichnet und dient dem Nachweis einer geringen Lichtmenge, das heißt einer kleinen Anzahl von Photonen.
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Hierzu umfasst ein gattungsgemäßer Photomultiplier eine Photokathode, aus der durch auftreffendes Licht, das heißt durch auftreffende Photonen, Elektronen lösbar sind, ein lichtdurchlässiges Fenster, durch welches Licht auf die Photokathode leitbar ist, und einen Sekundärelektronenvervielfacher, mit dem durch die Elektronen Sekundärelektronen lösbar sind.
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Bei einem gattungsgemäßen Verfahren zum Herstellen eines Photomultipliers wird eine Photokathode mit einem lichtdurchlässigen Fenster verbunden.
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Ein Elektron, das aus der Photokathode gelöst wird, wird mit einer angelegten Spannung beschleunigt und trifft auf eine weitere Komponente, aus welcher es mehrere Elektronen lösen kann. Dadurch wird die Anzahl freier Elektronen, die auf ein einziges Photon zurückgehen, erhöht. Somit kann bereits eine sehr geringe Anzahl auftreffender Photonen als elektrisches Signal gemessen werden.
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Für eine hohe Messempfindlichkeit sollte möglichst jedes Photon, das sich zum Photomultiplier in Richtung der Photokathode fortbewegt, ein Elektron aus der Photokathode lösen. Dieser Wirkungsgrad ist bei herkömmlichen Photomultipliern verbesserungsbedürftig. Von den nachzuweisenden Photonen löst nur ein verhältnismäßig geringer Prozentanteil tatsächlich Elektronen aus der Photokathode.
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Als eine Aufgabe der Erfindung kann angesehen werden, einen Photomultiplier bereitzustellen, dessen Wirkungsgrad bei einfacher Bauweise möglichst hoch ist. Außerdem soll ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Photomultipliers angegeben werden.
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Diese Aufgabe wird durch das Verfahren zum Herstellen eines Photomultipliers mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche und werden außerdem in der folgenden Beschreibung erläutert.
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Bei einem mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellten Photomultiplier der oben genannten Art sind zwischen der Photokathode und dem Fenster Mittel zum Verringern von Lichtreflexionen vorhanden.
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Bei dem vorgenannten Verfahren zum Herstellen eines Photomultipliers werden erfindungsgemäß Mittel zum Verringern von Lichtreflexionen an einer Grenzfläche zwischen der Photokathode und dem Fenster hergestellt.
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Durch unterschiedliche Brechzahlen der Materialien der Photokathode und des Fensters wird ein Anteil des auftreffenden Lichts an der Grenzfläche zwischen der Photokathode und dem Fenster reflektiert. Solche Reflexionsverluste können für Licht des sichtbaren Spektralbereichs bei einer herkömmlichen Multialkali-Photokathode etwa 20% betragen.
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Der reflektierte Lichtanteil dringt nicht in die Photokathode ein und kann dort keine Elektronen lösen. Bei der Erfindung kann der Anteil an Photonen, der durch Reflexion für eine Detektion verlorengeht, durch die Mittel zum Verringern von Lichtreflexionen reduziert werden. Mit diesen wird ein Sprung in der Brechzahl verringert, den Licht beim Übergang vom Fenster zur Photokathode wahrnimmt.
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Besonders bevorzugt wird eine solche Entspiegelung bei hochwertigen Photomultipliern eingesetzt, die beispielsweise GaAsP-Photokathoden verwenden.
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Die Mittel zum Verringern von Lichtreflexionen können beispielsweise eine oder mehrere Schichten aufweisen, die aus anderen Materialien als die Photokathode und das Fenster bestehen und damit andere Brechzahlen als die Photokathode und das Fenster haben.
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Das lichtdurchlässige Fenster kann ein Teil einer Außenwand des Gehäuses des Photomultipliers sein, in welchem die Photokathode und der Sekundärelektronenvervielfacher aufgenommen sind. Das Fenster lässt zumindest einen Anteil des nachzuweisenden Lichts durch, bevorzugt einen möglichst großen Anteil.
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Unter der Photokathode wird eine Komponente verstanden, aus der durch auftreffende Photonen Elektronen gelöst werden können. Die Photokathode kann als eine verhältnismäßig dünne Schicht ausgeführt sein, deren Träger das Fenster ist.
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Der Sekundärelektronenvervielfacher weist mindestens eine Anode auf. Zwischen dieser und der Photokathode kann eine Beschleunigungsspannung angelegt werden, mit der die Elektronen beschleunigt werden, um aus der Anode weitere Sekundärelektronen zu lösen.
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Bevorzugt weist der Sekundärelektronenvervielfacher statt nur einer Anode mehrere Elektroden auf, die auch als Dynoden bezeichnet werden. Die elektrischen Potenziale sind dann so gewählt, dass Elektronen jeweils von einer Dynode zur nächsten beschleunigt werden und an jeder Dynode weitere Elektronen lösen.
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Der Sekundärelektronenvervielfacher kann auch einen oder mehrere Kanalelektronenvervielfacher aufweisen. Hier tritt ein Elektron von der Photokathode in einen Kanal ein, an dessen Wänden sich ein elektrisches Potenzial entlang des Kanals ändert.
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In ähnlicher Weise kann der Sekundärelektronenvervielfacher auch mit einer Mikrokanalplatte gebildet sein. Diese wird auch als MCP bezeichnet (englisch: microchannel plate). Sie umfasst mehrere nebeneinander angeordnete Kanäle, in denen jeweils durch auftreffende Elektronen eine größere Anzahl an Sekundärelektronen lösbar ist.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Photomultipliers weisen die Mittel zum Verringern von Lichtreflexionen mindestens eine Entspiegelungsschicht auf, deren Material eine andere Brechzahl hat als das Fenster und die Photokathode. Die Brechzahl kann zwischen der Brechzahl des Fenstermaterials und der Brechzahl des Photokathodenmaterials gewählt sein. Eine Dicke der Entspiegelungsschicht kann abhängig von der Wellenlänge des nachzuweisenden Lichts so gewählt werden, dass eine Reflexion durch destruktive Interferenz verringert wird. Damit Reflexionen über einen möglichst weiten Wellenlängenbereich verringert werden, sind bevorzugt mehrere Entspiegelungsschichten zwischen der Photokathode und dem Fenster vorhanden. Die Entspiegelungsschichten können sich in ihrer Dicke und/oder ihrer Brechzahl unterscheiden. Solche Schichten können auch als ein dielektrisches Schichtsystem bezeichnet werden.
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Bei einer nicht erfindungsgemäßen Verfahrensvariante zum Herstellen eines Photomultipliers wird zunächst die mindestens eine Entspiegelungsschicht auf dem Fenster aufgebracht. Danach wird die Photokathode auf der mindestens einen Entspiegelungsschicht aufgebracht. Indem das Fenster als Träger für die Entspiegelungsschichten genutzt wird, wird eine verhältnismäßig einfache Herstellung ermöglicht. Für das Aufbringen der Photokathode auf die Entspiegelungsschicht können sodann vorteilhafterweise Herstellungsmethoden genutzt werden, mit denen bei herkömmlichen Photomultipliern die Photokathode auf dem Fenster aufgebracht wird.
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Um Lichtreflexionen möglichst weitgehend zu verringern, müssen die Dicken der Entspiegelungsschichten äußerst genau herstellbar sein. Dies kann erreicht werden, indem das Aufbringen der mindestens einen Entspiegelungsschicht durch Gasphasenabscheidung erfolgt, insbesondere durch thermisches Verdampfen oder Sputtern. Dabei werden Moleküle des Entspiegelungsschichtmaterials in die Gasphase überführt und anschließend auf einem Träger abgelagert, also auf dem Fenster oder einer der Entspiegelungsschichten.
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Abhängig von den verwendeten Materialien kann die Herstellung aber auch einfacher sein, wenn zunächst die mindestens eine Entspiegelungsschicht auf die Photokathode aufgebracht wird und erst danach das Fenster mit der Photokathode, die von der mindestens einen Entspiegelungsschicht bedeckt ist, verbunden wird. Demnach ist keine Gasphasenabscheidung zum Verbinden der Entspiegelungsschicht mit dem Fenster notwendig. An dieser Variante kann auch vorteilhaft sein, dass die Entspiegelungsschichten in umgekehrter Reihenfolge hergestellt werden, verglichen mit dem Aufbringen der Entspiegelungsschichten auf dem Fenster und darauffolgendem Aufbringen der Photokathode.
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Insbesondere nach dem Verbinden des Fensters mit der Photokathode, die von der mindestens einen Entspiegelungsschicht bedeckt ist, kann auch vorgesehen sein, dass die Dicke der Photokathode durch eine materialabtragende Bearbeitung verringert wird. Vorteilhafterweise kann hierdurch das Beschichten der Photokathode und das Verbinden mit dem Fenster mit einem leichter handhabbaren dickeren Bauteil erfolgen. Zum anschließenden Verringern der Dicke der Photokathode kann beispielsweise ein mechanisches Polieren oder ein Ion Beam Sputtering durchgeführt werden, bei welchem mit einem Ionenstrahl Material der Photokathode abgetragen wird.
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Bei einer erfindungsgemäßen Ausführungsform des Photomultipliers sind die Mittel zum Verringern von Lichtreflexionen durch eine Höhenstrukturierung der Grenzfläche zwischen der Photokathode und dem Fenster ausgeführt. Werden zusätzlich eine oder mehrere Entspiegelungsschichten verwendet, so kann eine Höhenstrukturierung an einer Grenzfläche zwischen der Photokathode, der einen Entspiegelungsschicht oder der mehreren Entspiegelungsschichten und dem Fenster vorgesehen sein.
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Die Höhenstrukturierung kann insbesondere als Mikro- oder Nanostrukturierung ausgeführt sein. Bevorzugt ist die Höhenstrukturierung mit hervorstehenden Bergen gebildet, welche eine laterale Ausdehnung und/oder eine Höhe haben, die kleiner als eine Lichtwellenlänge ist, für die eine Verringerung von Lichtreflexionen bereitgestellt wird, insbesondere kleiner als 1 µm oder kleiner als 300 nm. Weil die verhältnismäßig kleine Höhenstrukturierung von auftreffendem Licht nicht aufgelöst wird, entspricht der Bereich der Höhenstrukturierung einer sich kontinuierlich ändernden Brechzahl. Dadurch wird ein flacher effektiver Brechzahlgradient als Übergang zwischen den Brechzahlen des Fensters und der Photokathode erreicht.
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Die Höhenstrukturierung kann eine periodische Struktur haben. Beispielsweise kann sie ein hexagonales Reliefgitter umfassen, das auch als Mottenaugenstruktur bezeichnet wird.
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Alternativ kann die Höhenstrukturierung auch eine nichtperiodische Struktur haben. Dies wird auch als stochastische Oberflächenstruktur bezeichnet.
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Insbesondere abhängig von der gewählten Herstellungsmethode kann das Erzeugen einer periodischen oder einer nichtperiodischen Struktur günstiger sein. Zudem können sich diese Strukturen im Grad der erreichten Entspiegelung unterscheiden.
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Das Herstellen der Höhenstrukturierung erfolgt, indem zuerst eine Höhenstrukturierung auf der Photokathode erzeugt wird und danach die Photokathode mit dem Fenster oder einer gegebenenfalls auf dem Fenster vorhandenen Entspiegelungsschicht verbunden wird.
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Zur Vermeidung von Hohlräumen kann die strukturierte Photokathode auf das Fenster gepresst werden. Dieses kann auch mit einer Schicht versehen sein, die weicher als das Fenster ist, um eine möglichst schlüssige Verbindung zur strukturierten Photokathode zu erreichen.
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Es hat sich gezeigt, dass durch Ionenbeschuss eine Höhenstrukturierung erzeugt werden kann, die besonders effizient Lichtreflexionen verringert.
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Um Lichtverluste noch weiter zu verringern, können weitere Mittel zum Reduzieren von Lichtreflektionen an einer Lichteintrittsseite des Fensters vorgesehen sein. Die Lichteintrittsseite ist die Seite des Fensters, die der Photokathode abgewandt ist. Die Lichteintrittsseite grenzt in der Regel an Umgebungsluft und kann zu Lichtverlusten durch Reflexion von einigen Prozent führen. Die weiteren hier vorgesehenen Mittel zum Reduzieren von Lichtreflektionen können prinzipiell analog gebildet und hergestellt werden wie die zuvor beschriebenen Mittel zum Reduzieren von Lichtreflektionen. Verhältnismäßig wenige transparente und leicht handhabbare Materialien weisen eine Brechzahl auf, die nur geringfügig größer als 1,0 ist. Solche Materialien können aber für eine Entspiegelungsschicht an der Lichteintrittsseite erforderlich sein. Daher wird bei einer bevorzugten Ausführung an der Lichteintrittsseite anstelle von Entspiegelungsschichten eine Höhenstrukturierung genutzt. Zur Photokathode hin können aus den oben genannten Gründen aber auch eine oder mehrere Entspiegelungsschichten gegenüber einer Höhenstrukturierung bevorzugt sein.
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Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung werden nachstehend mit Bezug auf die beigefügten schematischen Figuren beschrieben. Darin zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines nicht zur Erfindung gehörenden Ausführungsbeispiels eines Photomultipliers und
- 2 eine schematische Darstellung von Komponenten eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Photomultipliers.
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Gleiche und gleich wirkende Komponenten sind in beiden Figuren in der Regel mit denselben Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel eines Photomultipliers 100.
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Dieser umfasst ein Gehäuse 15 mit einem lichtdurchlässigen Fenster 10. Durch das Fenster 10 kann ein Photon 1, das heißt ein Lichtteilchen, zu einer Photokathode 30 des Photomultipliers 100 gelangen. Durch den äußeren photoelektrischen Effekt kann das Photon 1 aus der Photokathode 30 ein Elektron oder mehrere Elektronen lösen. Mit diesen Elektronen werden mittels eines Sekundärelektronenvervielfachers 50, der ebenfalls im Gehäuse 15 aufgenommen ist, weitere Elektronen gelöst. Damit kann ein elektrisches Signal, dessen Höhe von der Anzahl auftreffender Photonen 1 abhängt, an einem Messausgang 60 ausgegeben werden.
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Ein Anteil der auftreffenden Photonen 1 wird am Übergang vom Fenster 10 zur Photokathode 30 reflektiert und kann dadurch keine Elektronen aus der Photokathode 30 lösen.
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Damit möglichst alle auftreffenden Photonen 1 in der Photokathode 30 absorbiert werden, sind zwischen dem Fenster 10 und der Photokathode 30 Mittel zum Verringern von Lichtreflexionen vorhanden.
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Bei der Ausführungsform von 1 umfassen diese Mittel mehrere Entspiegelungsschichten 21 und 22. Die Brechzahlen dieser Schichten 21 und 22 liegen zwischen denen des Fensters 10 und der Photokathode 30.
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Die Herstellung des Photomultipliers 100 kann umfassen, dass zunächst die Schicht 21 und sodann die Schicht 22 durch Gasabscheidung auf dem Fenster 10 aufgetragen wird. Danach wird die Photokathode 30, bevorzugt ebenfalls durch Gasabscheidung, auf der Schicht 22 aufgebracht.
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So kann verhältnismäßig kostengünstig ein Photomultiplier 100 hergestellt werden, bei dem kaum Photonen 1 durch Reflexion für einen Nachweis verlorengehen.
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Komponenten eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Photomultipliers sind schematisch in 2 gezeigt. Bis auf die Gestaltung der Mittel zum Verringern von Lichtreflexionen kann der Photomultiplier wie in 1 dargestellt gestaltet sein.
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Bei dem Ausführungsbeispiel von 2 umfassen die Mittel zum Verringern von Lichtreflexionen eine Höhenstrukturierung 20 der Grenzfläche zwischen der Photokathode 30 und dem Fenster 10. Die Richtung der Höhe kann dabei als Senkrechte auf die Lichteintrittsseite des Fensters 10 oder als Senkrechte auf die Seite der Photokathode 30, die dem Fenster 10 abgewandt ist, aufgefasst werden.
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Die Strukturgröße der Höhenstrukturierung 20 kann kleiner gewählt sein als die Wellenlänge des nachzuweisenden Photons 1. Dadurch wirkt ein Bereich der Höhenstrukturierung 20 auf das Photon 1 wie ein Bereich mit einem Brechungsindex, der zwischen dem des Fensters 10 und der Photokathode 30 liegt.
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Die Herstellung dieses Photomultipliers kann erfolgen, indem zunächst durch Materialabtrag eine Höhenstrukturierung in dem Fenster 10 erzeugt wird und sodann die Photokathode 30 durch Gasphasenabscheidung auf dem Fenster 10 erzeugt wird.
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Eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann beispielsweise im Ergebnis zu einem Photomultiplier führen, der sinngemäß zu der Ausführung in 2 aufgebaut ist und bei dem die Höhenstrukturierung 20 auf der Photokathode 30 ausgebildet ist.
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Vorteilhafterweise werden hierdurch Reflexionen von Photonen oder Lichtwellen an der Grenzfläche zwischen dem Fenster 10 und der Photokathode 30 verringert. Um Reflexionsverluste noch weiter zu reduzieren, kann auch eine Entspiegelung an der Lichteintrittsseite des Fensters 10 vorgesehen sein (nicht dargestellt).
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Durch die Mittel zum Verringern von Lichtreflexionen dringen mehr Photonen 1 in die Photokathode 30 ein und lösen dort Elektronen. Damit kann der Photomultiplier auch sehr geringe Lichtmengen mit guter Messgenauigkeit nachweisen.
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Besonders vorteilhaft ist der mittels des erfindungsgemässen Verfahrens hergestellte Photomultiplier in einem Mikroskop, insbesondere in einem Laser-Scanning-Mikroskop, im Detektionstrahlengang einsetzbar.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Photon, Licht
- 10
- Fenster
- 15
- Gehäuse
- 20
- Höhenstrukturierung, Mittel zum Verringern von Lichtreflexionen
- 21, 22
- Entspiegelungsschichten, Mittel zum Verringern von Lichtreflexionen
- 30
- Photokathode
- 50
- Sekundärelektronenvervielfacher
- 60
- Messausgang
- 100
- Photomultiplier