DE1539755C

DE1539755C - Electron multiplier

Info

Publication number: DE1539755C
Application number: DE19661539755
Authority: DE
Inventors: Henri Paris Rougeot
Original assignee: CSF Compagnie Generale de Telegraphie sans Fil SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1965-03-24
Filing date: 1966-03-24
Publication date: 1973-02-22

Description

Die Erfindung betrifft einen Elektronenvervielfacher, bei dem ein Strahl primärer Elektronen durch eine Reihe von Sekundärelektronenemissionen in einem Satz von geraden parallelen Kanälen vervielfacht wird, die in einem elektrischen Längs-Feld angeordnet sind.The invention relates to an electron multiplier in which a beam of primary electrons through multiplies a series of secondary electron emissions in a set of straight parallel channels which are arranged in a longitudinal electric field.

Derartige Elektronenvervielfacher und deren Anwendungen in Bildverstärkern sind in verschiedenen Veröffentlichungen beschrieben, z.B. in der USA.-Patentschrift 3,128,408.Such electron multipliers and their applications in image intensifiers are various Publications described, e.g., in U.S. Patent 3,128,408.

Es sei daran erinnert, daß Elektronenvervielfacher der betreffenden Art einen Isolierkörper aufweisen, der von Kanälen sehr kleinen Durchmessers durchzogen ist. Die Innenwände der Kanäle sind mit einer sehr dünnen, einen elektrischen Widerstand aufweisenden Schicht überzogen, welche die Eigenschaft der Sekundärelektronenemission mit einem Koeffizienten δ >1 aufweist. Wenn ein elektrisches Feld in den Kanälen dadurch erzeugt wird, daß eine entsprechende Potentialdifferenz zwischen den Enden der Widerstandsüberzüge hergestellt wird, bewirkt ein Strahl von Primärelektronen, der in die Kanäle unter verschiedenen Winkeln eindringt, eine Reihe von Sekundärelektronenemissionen an den inneren Überzügen. Die Anzahl von Elektronen am Ausgang der Kanäle ist dann erheblich gesteigert im Vergleich zu dem Primärstrahl.It should be remembered that electron multipliers of the type in question have an insulating body, which is traversed by channels of very small diameter. The inner walls of the channels are with a very thin, electrically resistive layer coated, which has the property of secondary electron emission with a coefficient δ> 1. When an electric field in the ducts is generated by a corresponding potential difference between the ends of the resistive coatings is produced, causes a beam of primary electrons, which in the channels under various Entering angles, a series of secondary electron emissions from the internal coatings. The number of electrons at the exit of the channels is then considerably increased compared to that Primary beam.

Unangenehmerweise ist die Herstellung der Emissionsüberzüge für diese Elektronenvervielfacher ziemlich schwierig, weil der Durchmesser der Kanäle einige zehn Mikron nicht übersteigt, während die Dicke und der spezifische elektrische Widerstand der Überzugsschichten über die gesamte Länge der Kanäle gleichförmig sein muß. Eine andere Schwierigkeit liegt in der Notwendigkeit zu verhindern, daß der elektrische Strom, welcher in den Überzügen fließt, einen zu hohen Wert annimmt, welcher die Kanäle beeinträchtigen könnte.Unfortunately, the manufacture of the emission coatings for these electron multipliers is quite difficult because the diameter of the channels does not exceed a few tens of microns, while the Thickness and the specific electrical resistance of the coating layers over the entire length of the channels must be uniform. Another difficulty lies in the need to prevent the electric current flowing in the coatings becomes too high a value, which the channels could affect.

Die Erfindung hat einen verbesserten Aufbau eines Elektronenvervielfachers zum Ziel, bei dem die Nachteile der bekannten Anordnungen vermieden werden.The invention aims to provide an improved structure for an electron multiplier in which the disadvantages the known arrangements can be avoided.

Gemäß der Erfindung ist ein Elektronenvervielfacher der eingangs genannten Gattung dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle in den Körper einer Siliziumdiode gebohrt sind, die in Sperrichtung vorgespannt ist. Unter diesen Umständen besteht keine Notwendigkeit mehr, Kanäle mit einem inneren Überzug vorsehen zu müssen, da das Silizium selbst einen Sekundärelektronenemissionskoeffizienten > 1 besitzt.According to the invention, an electron multiplier of the type mentioned at the outset is characterized in that that the channels are drilled in the body of a silicon diode which is reverse biased is. Under these circumstances there is no longer a need for ducts with an internal coating must be provided because the silicon itself has a secondary electron emission coefficient > 1 owns.

Darüber hinaus ist der elektrische Strom, welcher das Silizium durchfließt (Verluststrom), Null oder vernachlässigbar, da die Diode sich im Sperrzustand befindet. In addition, the electrical current that flows through the silicon (leakage current) is zero or negligible, because the diode is in the blocking state.

Die Erfindung wird im folgenden anhand derThe invention is illustrated below with reference to

ίο Zeichnung im einzelnen beschrieben; in dieser zeigt:ίο drawing described in detail; in this shows:

Fig. 1 einen Bildverstärker mit einem Elektronenvervielfacher der bekannten Art, die1 shows an image intensifier with an electron multiplier of the known kind, the

F i g. 2 und 3 einen Elektronenvervielfacher gemäß der Erfindung, wobei Fig. 3 einen Schnitt nach LinieF i g. 2 and 3 an electron multiplier according to the invention, FIG. 3 being a section along the line

ι j IH-III von F i g. 2 zeigt, und ι j IH-III from F i g. 2 shows, and

F i g. 4 schematisch einen Bildverstärker mit einem Elektronenvervielfacher gemäß der Erfindung.F i g. 4 schematically an image intensifier with an electron multiplier according to the invention.

Der in Fig. 1 dargestellte bekannte Bildverstärker umfaßt innerhalb eines evakuierten Gefäßes einen isolierenden Zylinder 2, z.B. aus Glas, der von Kanälen 3 durchzogen ist, deren Innenwände mit einem Überzug 4 aus einer Widerstandssubstanz überzogen ist, der durch Oberflächenbehandlung abgelagert ist und beim Auftreffen von Primärelektronen Sekundärelektronen mit einem Verhältnis δ >1 emittieren kann. Auf den gegenüberliegenden Seiten des Zylinders 1 sind eine Fotokathode 5 und ein Leuchtschirm 6 angeordnet, zwischen denen von einer Stromquelle 7 eine Gleichspannung von einigen hundert oder einigen tausend Volt anliegt. Die Enden der Kanäle 3, die der Fotokathode gegenüberliegen, sind auf einem etwas geringeren Potential als der Schirm gehalten.The known image intensifier shown in Fig. 1 comprises an insulating inside an evacuated vessel Cylinder 2, e.g. made of glass, which is traversed by channels 3, the inner walls of which are covered with a coating 4 is coated with a resistance substance deposited by surface treatment and when primary electrons strike secondary electrons with a ratio δ > 1 can emit. A photocathode 5 and a fluorescent screen 6 are arranged on the opposite sides of the cylinder 1, between those from a power source 7 a DC voltage of a few hundred or a few a thousand volts. The ends of the channels 3 facing the photocathode are on one slightly lower potential than the screen.

Wenn ein Lichtbild auf die Fotokathode 5 projiziert wird, dringen von dieser emittierte Elektronen unter verschiedenen Winkeln in die Kanäle 3 ein. Diese Primärelektronen verursachen auf den Emissionsüberzügen 4 die Emission von Sekundärelektronen, welche ihrerseits auf die Emissionswandungen auftreffen und die Emission von tertiären Elektronen bewirken usw. Da der Koeffizient δ größer als 1 ist, sind die Elektronen an dem Ausgang der Kanäle 3 vervielfacht und erzeugen auf dem Fluoreszenzschirm 6 ein Bild 9 mit größerer Helligkeit im Vergleich zu dem anfänglichen Bild 8.When a light image is projected onto the photocathode 5, electrons emitted therefrom penetrate into channels 3 at different angles. These primary electrons cause emission on the coatings 4 the emission of secondary electrons, which in turn hit the emission walls and cause the emission of tertiary electrons etc. Since the coefficient δ is greater than 1, the electrons are multiplied at the output of the channels 3 and generate on the fluorescent screen 6 shows an image 9 with greater brightness compared to the initial image 8.

Gemäß der Erfindung ist der Elektronenvervielfacher nach Fig. 1, der durch den Zylinder 2 und die Kanäle 3 gebildet ist, durch einen verbesserten Elektronenvervielfacher ersetzt, der im Aufriß in Fig. 2 und im Schnitt in Fig. 3 dargestellt ist. Der Elektronenvervielfacher gemäß der Erfindung umfaßt eine dicke Randschicht-Diode (vom Surface-Barrier-Typ), die durch einen Silizium-Einkristall 11 von hohem spezifischen Widerstand gebildet ist, der auf einer seiner Flächen einen gleichrichtenden Goldkontakt 12 und auf der anderen Fläche eine Aluminiumschicht 13 trägt, die einen ohmschen, nicht-gleichrichtenden Kontakt bildet. Kanäle 14 mit einem Durchmesser von etwa 30Mikron und einem Abstand von z.B. 100 Mikron voneinander sind in die Diode gebohrt, deren Dicke ungefähr 1 mm beträgt.According to the invention, the electron multiplier of Fig. 1, which is through the cylinder 2 and the Channels 3 is formed, replaced by an improved electron multiplier, which is shown in elevation in FIG and is shown in section in FIG. The electron multiplier according to the invention comprises one thick edge layer diode (of the surface barrier type), which is through a silicon single crystal 11 of high specific resistance is formed, which has a rectifying gold contact 12 on one of its surfaces and on the other surface an aluminum layer 13 carries an ohmic, non-rectifying one Contact forms. Channels 14 approximately 30 microns in diameter and spaced e.g. 100 microns from each other are drilled into the diode, which is approximately 1 mm thick.

Eine Gleichspannungsquelle 15 legt den gleichrichtenden Kontakt 12 an -1000 Volt bezüglich der Aluminiumschicht (umgekehrte Vorspannung), wodurch entlang der gesamten Länge der Kanäle ein beschleunigendes elektrisches Feld erzeugt wird.A DC voltage source 15 applies the rectifying contact 12 to -1000 volts with respect to the aluminum layer (reverse bias), creating an accelerating effect along the entire length of the channels electric field is generated.

Im Betrieb wird eine Elektronenvervielfachung in den Kanälen durch Sekundäremission nur an den Wänden der Kanäle erhalten, welche nicht irgendei-During operation, a multiplication of electrons in the channels through secondary emission only occurs at the Walls of the ducts, which do not have any

nen komplementären Überzug tragen, da Silizium ein Sekundärelektronen-Emissionsverhältnis δ > 1 besitzt.Wear a complementary coating, since silicon has a secondary electron emission ratio δ > 1 owns.

Da die Diode in der umgekehrten Richtung vorgespannt ist, ist der Verluststrom vernachlässigbar.Since the diode is reverse biased, the leakage current is negligible.

Dicke Dioden können auf verschiedene Weise hergestellt werden. Wenn ein Silizium-Einkristall mit hohem spezifischen Widerstand von z. B. 1 mm Dicke verfügbar ist, werden Kanäle von einigen 10 Mikron in die Probe durch einen Elektronenstrahl, mittels Laserstrahl oder durch irgendein anderes Verfahren, gebohrt. Um Oberflächenversetzungen zu beseitigen und, wenn nötig, die Löcher zu vergrößern, wird die Probe für einige wenige Minuten in eine Ätzlösung getaucht. Die Randschicht-Diode wird dann dadurch gebildet, daß auf eine ihrer Flächen eine dünne Gold- υ schicht und auf die andere Fläche eine Aluminiumoder Indiumschicht schräg aufgedampft wird.Thick diodes can be made in a number of ways. If a silicon single crystal with high resistivity of z. B. 1 mm thickness is available, channels of a few tens of microns will be used into the sample by means of an electron beam, by means of a laser beam or by any other method, drilled. In order to remove surface dislocations and, if necessary, enlarge the holes, the The sample is immersed in an etching solution for a few minutes. The edge layer diode is then formed by that on one of its surfaces a thin gold υ layer and on the other surface an aluminum or Indium layer is evaporated obliquely.

Wenn der spezifische Widerstand des ursprünglichen Einkristalls ausreichend ist, erstreckt sich die Raumladungszone, welche die Zone des elektrischen Feldes bestimmt, über die gesamte Dicke des Kristalls. If the resistivity of the original single crystal is sufficient, the Space charge zone, which determines the zone of the electric field, over the entire thickness of the crystal.

Die Diode kann auch auf einem n-i-p-Gleichrichter aufgebaut sein, wie er in der Technik bekannt ist.The diode can also be built on an n-i-p rectifier, as is known in the art.

Lithium (n-Verunreinigung) wird in einen Einkristall von_ p-Silizium eindiffundiert, wodurch eine η-Zone (Überschuß an Lithium), eine i-Zone (kompensiert) und eine p-Zone (anfängliches Silizium) gebildet wird. Die i-Zone wird durch Abziehen der Lithiumionen in einem elektrischen Feld vergrößert, das durch Vorspannung der Diode in der Sperr-RichtuHg erhalten ^ wird. Die Temperatur muß zwischen 100 und 200° gehalten werden.Lithium (n-impurity) turns into a single crystal von_ p-silicon diffused in, creating an η-zone (excess of lithium), an i-zone (compensated) and forming a p-region (initial silicon). The i-zone is created by withdrawing the lithium ions in an electric field that is generated by biasing the diode in the reverse direction is obtained ^. The temperature must be kept between 100 and 200 °.

Die toten n- und p-Bereiche werden durch Schleifen und Beitzen verringert. Die so erhaltenen Dioden können eine Dicke von einigen Millimetern aufweisen.The dead n and p regions are reduced by grinding and etching. The diodes thus obtained can be a few millimeters thick.

Eine Abwandlung der Technik zur Herstellung dikker Dioden, die ebenfalls bekannt ist, besteht in der vollkommenen Unterdrückung der η-Zone und Abscheidung einer Goldschicht auf der betreffenden Fläche. Danach werden, wie vorstehend, die Kanäle gebohrt, es wird geschliffen, und die Kontakte werden aufgebracht.A modification of the technique for making thick diodes, which is also known, is the complete suppression of the η zone and deposition of a gold layer on the surface in question. Then, as above, the channels are drilled, ground, and contacts are made upset.

F i g. 4 zeigt schematisch einen Bildverstärker mit einem Elektronenvervielfacher nach den Fig. 2 und 3. Der Elektronenvervielfacher ist durch den Block 22 veranschaulicht. Der Bildverstärker umfaßt eine Fotokathode 21 und einen Leuchtschirm 23. Eine Spannungsquelle 24 und ein Spannungsteiler 25 gestatten es, die verschiedenen Elemente auf entsprechende Potentiale zu bringen.F i g. 4 shows schematically an image intensifier with an electron multiplier according to FIGS. 2 and 3. The electron multiplier is illustrated by block 22. The image intensifier includes one Photocathode 21 and a fluorescent screen 23. A voltage source 24 and a voltage divider 25 allow it is to bring the various elements to the appropriate potential.

Die Siliziumdiode des Elektronenvervielfachers 22 ist in der umgekehrten Richtung angeordnet, wobei die Goldfläche (gleichrichtender Kontakt) der Fotokathode 21 gegenüberliegt und die Aluminiumelektrode sich gegenüber dem Leuchtschirm 23 befindet.The silicon diode of the electron multiplier 22 is arranged in the reverse direction, wherein the gold surface (rectifying contact) faces the photocathode 21 and the aluminum electrode is located opposite the luminescent screen 23.

Wie in Fig. 1 wandelt die Fotokathode 21 ein Lichtbild in ein Elektronenbild um. Das letztere dringt in den Vervielfacher 22 ein, von dem es verstärkt wieder austritt und auf den Leuchtschirm 23 auftrifft. Auf diesem erzeugt es ein Bild mit vergrößerter Helligkeit im Vergleich zu dem anfänglichen Bild.As in Fig. 1, the photocathode 21 converts a light image into an electron image. The latter penetrates into the multiplier 22, from which it exits again more strongly, and onto the luminescent screen 23 hits. On this it creates an image with increased brightness compared to the initial image.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

Patent claims:

1. Electron multiplier, in which primary electrons enter straight parallel channels, which are arranged in an electric field in which successive secondary electron emissions multiply the electrons at the exit on the inner surfaces of the channels, characterized in that that the channels are drilled in the body of a reverse biased silicon diode are.

2. Image intensifier with an electron multiplier according to claim 1, characterized in that that a photocathode to the input of the multiplier and a fluorescent screen to the output of the multiplier opposite.