DE69600547T2 - Photoverfielfacher - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Photovervielfacher.
• Bei dem Photovervielfacher handelt es sich um einen hochempfindlichen Lichtdetektor, um eine geringe Intensität aufweisendes Licht in ein verstärktes, elektrisches Signal zu demodulieren. Der Photovervielfacher weist im wesentlichen einen vakuumdichten Behälter auf, in welchem eine Photokathode, eine fokussierende Elektrode, ein Elektronenvervielfacher bzw. eine Dynodenanordnung sowie eine Anode angeordnet sind. Auf die Photokathode auftreffendes Licht kann mit Hilfe derselben in Photoelektronen umgewandelt werden. Die Photoelektronen können über die fokussierende Elektrode zu der Dynodenanordnung geleitet werden. Die Dynodenanordnung kann bei Auftreffen eines Elektrons Sekundärelektronen durch Sekundäremissionseffekt bei einer vorgegebenen Vervielfachungsrate emittieren. Die Anode kann die durch die Dynodenanordnung emittierten, vervielfachten Sekundärelektronen auffangen und ein elektrisches Signal abgeben, um auf diese Weise das, eine geringe Intensität aufweisende Licht in das verstärkte, elektrische Signal entsprechend umzuwandeln.
• In der Regel besteht der vakuumdichte Behälter eines konventionellen Photovervielfachers aus einem transparenten Glaskolben. Zuweilen kann aufgrund einfallender kosmischer Strahlen oder umgebender Gammastrahlen eine Cerenkov- Strahlung in der Glaswand erzeugt werden. Licht wird bisweilen auch durch Elektronen erzeugt, durch die Dynodenanordnung vervielfacht und trifft dann auf den Glaskolben auf.
• Das erzeugte Licht kann durch den transparenten Glaskolben übertragen werden, so daß dieses auf die Photokathode auftrifft, wodurch eine Photoelektronenemission hervorgerufen wird. Werden diese Photoelektronen zu der Dynodenanordnung geleitet, so werden sie von dieser vervielfacht und als Rauschsignal nachgewiesen.
• Die Japanische Patentpublikation Nr. Sho 56-40941 offenbart einen Photovervielfacher, bei welchem auf einer Innenseite eines Glaskolbens eine Behandlung zur Aufrauhung der Oberfläche durchgeführt wird, um die Lichterzeugung infolge des Auftreffens der einer Vervielfachung unterworfenen Elektronen auf dem Glaskolben zu reduzieren. Der offenbarte Photovervielfacher kann jedoch die Erzeugung einer Cerenkov-Strahlung aufgrund des Auftreffens externer, kosmischer Strahlen oder umgebender Gammastrahlen nicht verhindern.
• Aus diesem Grunde ist es denkbar, den inneren Randbereich oder den äußeren Randbereich des transparenten Kolbens mit einer Metallschicht abzudecken, so daß das Eindringen von, aus kosmischen Strahlen oder umgebenden Gammastrahlen erzeugtem Licht in das Innere des Glaskolbens eingeschränkt werden kann. Alternativ wird der Kolben durch einen vakuumdichten Metallbehälter dargestellt.
• Wenn jedoch der innere Randbereich des transparenten Glaskolbens mit Metall versehen ist, wird ein starkes, elektrisches Feld zwischen der Metallfläche des inneren Randbereiches und dem Elektronenvervielfachungsteil erzeugt. Hierdurch nimmt das Problem des erhöhten Rauschens zu. Das gleiche Problem besteht bei dem Metallkolben. Kosmische Strahlen, umgebende Gammastrahlen und dergleichen können durch das Metall hindurchgehen, wenn lediglich der äußere Randbereich des transparenten Glaskolbens mit Metall versehen ist. Daher wird eine Cerenkov- Strahlung sowie Rauschen in der gleichen Weise wie bei dem konventionellen, transparenten Glaskolben erzeugt.
• Die Japanische Patentanmeldung Kokai Nr. Sho 61-68848 offenbart einen Photovervielfacher, bei welchem eine Cr-Beschichtung auf einer Innenseite eines Glaskolbens an einem anderen Teil als einem Lichteinfallfenster vorgesehen wird, um zu verhindern, daß Licht durch einen anderen Bereich als das Fenster eintritt, wodurch eine Reduktion des Signal-Rausch-Verhältnisses verhindert wird. Zwar kann durch die Cr-Beschichtung eine Lichtabschirmung vorgenommen werden, jedoch kann immer noch eine Cerenkov-Strahlung auftreten, wenn sich kosmische Strahlen oder umgebende Gammastrahlen in einer Art totaler Reflexion in einer Wand des Glaskolbens ausbreiten und schließlich durch den nicht beschichteten Teil, d. h. das Fenster, in das Innere des Glaskolbens eintreten.
• Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Photovervielfacher vorzusehen, mit welchem es möglich ist, Rauschen aus in einem Glaskolben erzeugten Licht, vornehmlich infolge der Cerenkov-Strahlung, zu begrenzen.
• Der Aufsatz "Electron induced noise in star tracker photo multiplier tubes" von Favale et al bezieht sich ebenfalls auf das durch Elektronenbestrahlung hervorgerufene Rauschproblem bei Photovervielfachern und schlägt einen Photovervielfacher gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 vor, wobei weiterhin eine Aluminiumabschirmung vorgesehen wird.
• Die vorliegende Erfindung sieht, wie mit Anspruch 1 beansprucht, einen verbesserten, vakuumdichten Behälter vor, welcher eine Behälterwand, eine Photokathode, eine Dynodenanordnung, eine fokussierende Elektrode und eine Anode aufweist. Die Photokathode ist auf einer Oberfläche des Behälters vorgesehen, um Photoelektronen bei Lichtaufnahme zu emittieren. Die Dynodenanordnung ist in dem Behälter angeordnet, um von der Photokathode emittierte Photoelektronen zu vervielfachen. Die fokussierende Elektrode ist in dem Behälter vorgesehen, um Photoelektronen von der Photokathode zu der Dynodenanordnung zu leiten. Die Anode ist in dem Behälter zum Auffangen von, durch die Dynodenanordnung vervielfachten Elektronen vorgesehen. Der Behälter ist durch einen Glaskolben dargestellt, welcher einen transparenten Teil, um von diesem auf die Photokathode auftreffendes Licht zu leiten, und einen farbigen Teil aufweist, um in der Behälterwand erzeugtes, unerwünschtes Licht darin zu absorbieren. Bevorzugte Merkmale der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen 2-6 erläutert.
• Präziser gesagt, wenn es sich bei dem Photovervielfacher um einen Head-on-Typ handelt, das heißt, wenn ein im wesentlichen zylindrischer Glaskolben, bei welchem beide Enden geschlossen sind und eines der geschlossenen Enden zusammen mit einer Photokathode ausgebildet ist, als vakuumdichter Behälter verwendet wird, ist der transparente Teil durch den geschlossenen, zusammen mit der Photokathode ausgebildeten Endabschnitt, der farbige Teil durch den Seitenwandabschnitt des Glaskolbens dargestellt. Ebenso kann der geschlossene Teil auf der anderen Seite des Glaskolbens farbig sein. Eine wünschenswerte Farbe für den farbigen Teil ist schwarz.
• Bei dem oben beschriebenen Aufbau wird, selbst wenn kosmische Strahlen, umgebende Gammastrahlen oder aus dem Inneren des Elektronenvervielfachers entwichene Elektronen auf den farbigen Teil des Glaskolbens auftreffen und Licht erzeugen, das Licht absorbiert bzw. in dem farbigen Teil angelagert. Daher kann die Erzeugung von Rauschsignalen reduziert werden. Infolgedessen kann der Photovervielfacher gemäß der vorliegenden Erfindung bei Flüssigkeits- Szintillationszählern, hochenergetischen Neutrinodetektoren, Versuchen zur Bestätigung von Elektron-Positron-Paarvernichtungen sowie weiteren Messungen von, eine geringe Intensität aufweisendem Licht besonders effektiv eingesetzt werden.
• Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in den beigefügten Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher erläutert. Es zeigen:
• Fig. 1 - einen Querriß, welcher einen Photovervielfacher gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung schematisch darstellt;
• Fig. 2 - eine erläuternde Ansicht, welche eine Testeinrichtung zum Vergleichen der Leistung eines Photovervielfachers gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel mit dieser eines konventionellen Photovervielfachers schematisch darstellt;
• Fig. 3 - eine grafische Darstellung, welche die Ergebnisse von Tests gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt.
• Im folgenden wird eine Photovervielfacherröhre gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 3 beschrieben.
• Das erste Ausführungsbeispiel bezieht sich auf einen Head-on-Photovervielfacher. Ein zylindrischer Glaskolben 1 dient als vakuumdichter Behälter, dessen beide Enden geschlossen sind, um ein Vakuum im Inneren aufrechtzuerhalten. Ein geschlossenes Ende (das Ende auf der Oberseite der Zeichnung) wird als oberer Abschnitt 2 und das weitere geschlossene Ende als unterer Abschnitt 3 bezeichnet. Auf der Innenseite des oberen Abschnittes 2 ist eine Photokathode 4 ausgebildet, welche durch Aufbringen eines photoelektronenemittierendes Material vorgesehen wird.
• Gegenüber dem oberen Abschnitt 2 ist eine fokussierende Elektrode 5 angeordnet. Unterhalb der fokussierenden Elektrode 5 ist ein Elektronenvervielfachungssegment 6 vorgesehen. An die fokussierende Elektrode 5 schließt sich eine Öffnung 7 zur Fokussierung von Photoelektronen von der Photokathode 4 und Einbringen derselben in das Elektronenvervielfachungssegment 6 an.
• Obgleich verschiedene Arten Elektronenvervielfachungssegmente 6 zur Verfügung stehen, wird das Elektronenvervielfachungssegment 6 dieses Ausführungsbeispieles aus einer gitterartigen Dynode 8 mit Mehrstufengehäuse gebildet. Ebenso ist eine plattenartige Dynode 9 auf der abschließenden Stufe des Elektronenvervielfachungssegmentes 6 angeordnet. Auf der Vorderseite der Dynode 9 ist eine Anode 10 zum Einfangen von Elektronen vorgesehen.
• In dem zylindrischen Glaskolben 1 ist lediglich der obere Abschnitt 2 transparent, während die weiteren Teile, das heißt, die zylindrische Seitenwand 11 und der untere Abschnitt 3 farbig, vorzugsweise schwarz sind. Die Färbung wird bei Herstellung des Glases vorgesehen. Das heißt, das Glas wird unter Zugabe eines Farbmittels, wie zum Beispiel Fe und Mn, geschmolzen. Das gefärbte, geschmolzene Glas wird gezogen, um ein röhrenförmiges Glaselement vorzusehen. Sodann wird der gefärbte, obere Abschnitt der Röhre gegen einen transparenten Glasabschnitt ausgetauscht, um den oberen Teil 2 vorzusehen.
• Bei dieser Anordnung findet bei Anlegen einer Spannung zwischen der Photokathode 4 und der Anode 10 durch Anschließen an eine Hochspannungsquelle eine aus dem Licht L resultierende Emission von Photoelektronen statt, welche auf den oberen Abschnitt 2 auftreffen, durch diesen hindurchgehen und auf die Photokathode 4 auftreffen. Die Photoelektronen werden zu dem Elektronenvervielfachungssegment 6 geleitet, wo diese von den Dynoden 8 und 9 der Dynodenanordnung 6 durch den Sekundärelektronenemissionseffekt vervielfacht werden. Die Photoelektronen werden durch die Anode 10 als Ausgangssignal eingefangen. Ein solcher Operationsmodus ist bereits bekannt.
• Bei Auftreffen eines Strahles R einer externen Strahlung, wie zum Beispiel eines umgebenden Gammastrahles oder eines kosmischen Strahles, auf die Seitenwand 11 des Glaskolbens 1 wird im Inneren der Seitenwand 11 durch wechselseitige Einwirkung des Strahles R der externen Strahlung und des Materials des Glaskolbens 1 eine Cerenkov-Strahlung C erzeugt. Die Cerenkov-Strahlung C wird jedoch in der geschwärzten Seitenwand 11 absorbiert bzw. eingefangen, so daß die Cerenkov- Strahlung C nicht zu dem Innenraum des Glaskolbens 1 hin emittiert wird und nahezu kein aus der Cerenkov-Strahlung resultierendes Licht die Photokathode 4 erreicht. Somit ist das nachgewiesene Rauschsignal in hohem Maße abgeschwächt.
• Des weiteren wird der die Seitenwand 11 passierende Strahl R der externen Strahlung durch den Innenraum des Glaskolbens 1 bis zu der Seitenwand 11 auf der gegenüberliegenden Seite geleitet, wo er von der Oberfläche des inneren Randbereiches zu der Oberfläche des äußeren Randbereiches der gegenüberliegenden Seitenwand 11 geleitet wird. In diesem Falle wird ebenfalls eine Cerenkov-Strahlung C erzeugt. Die auf der Seitenwand 11 auf der gegenüberliegenden Seite erzeugte Cerenkov-Strahlung C wird jedoch ebenfalls durch die geschwärzte Seitenwand 11 absorbiert bzw. eingefangen, so daß ein Rauschen verhindert wird. Obgleich in den Zeichnungen nicht dargestellt, wird eine Cerenkov-Strahlung, welche aus, durch den unteren Abschnitt 3 geleiteten Strahlen der externen Strahlung resultiert, selbstverständlich in der gleichen Weise absorbiert.
• Wie durch den Buchstaben E in Fig. 1 dargestellt, entweichen Elektronen zuweilen aus der Dynodenanordnung 6. Bisweilen wird ebenfalls Licht erzeugt, wenn entwichene Elektronen E die Seitenwand 11 des Glaskolbens 1 oder den unteren Abschnitt 3 erreichen. Dieses Licht wird jedoch in der gleichen Weise wie bei der Cerenkov-Strahlung durch die geschwärzte Seitenwand 11 bzw. den unteren Abschnitt 3 absorbiert.
• Es wurden Vergleichsversuche durchgeführt, um die Vorzüge des Photovervielfachers gemäß der vorliegenden Erfindung gegenüber einem konventionellen Photovervielfacher mit einem transparenten Glaskolben zu demonstrieren. Bei den Tests wurde, wie in Fig. 2 dargestellt, eine kastenartige Bleiabschirmung 20 in einem dunklen Raum plaziert. Als Prüfkörper dienende Photovervielfacher 21 und 22 wurden in der Bleiabschirmung gegenüberliegend angeordnet. Die Photovervielfacher 21 und 22 wurden jeweils mit einer Hochspannungsquelle 23 verbunden. Die Ausgangssignale von diesen Photovervielfachern 21 und 22 wurden einer Impulszugabeschaltung 24 und einer Simultan-Schnellzählschaltung 25 zugeführt. Ebenso wurde das Ausgangssignal von der Simultan-Schnellzählschaltung 25 und der Impulszugabeschaltung 24 einem Spitzenwertanalysator 26 zugeführt. Die Testeinrichtung war so konzipiert, daß sie Rauschimpulse zählte, welche durch Cerenkov-Strahlung, die im Inneren der beiden Photovervielfacher 21 und 22 durch Einwirkung von kosmischen Strahlen, umgebenden Gammastrahlen und anderen, durch die Bleiabschirmung 20 hindurchgehenden, externen Strahlungen, gleichzeitig emittierten, erzeugt wurden.
• Es wurden Prüfkörper (a) bis (k) hergestellt. Die Prüfkörper (a) bis (c) entsprechen gemäß dem Ausführungsbeispiel von Fig. 1 konfigurierten Photovervielfachern, während die Prüfkörper (d) bis (k) konventionellen, transparenten Photovervielfachern mit Glasröhren entsprechen. Die Photovervielfacherröhren der Prüfkörper (a) bis (k) weisen exakt die gleichen Abmessungen und den gleichen inneren Aufbau auf. Ebenso weisen die Glaskoben in den Testphotovervielfachern (d) bis (k) und der farbige Teil der Glaskolben in den Testphotovervielfachern (a) bis (c) die aus der nachfolgenden Tabelle 1 hervorgehende Zusammensetzung auf: Tabelle 1
• Die Testergebnisse sind in einer in Fig. 3 gezeigten, grafischen Darstellung aufgeführt. Nach der grafischen Darstellung betrug der geometrische Durchschnittswert der simultanen Rauschzählimpulse der Prüfkörper (a) bis (c) 3,71 CPM (Zählimpulse pro Minute). Dagegen lag der geometrische Durchschnittswert der simultanen Rauschzählimpulse der Prüfkörper (d) bis (k) bei 4,43 CPM.
• Aus den Testergebnissen geht hervor, daß der gemäß Fig. 1 konfigurierte Photovervielfacher die Rauscherzeugung im Vergleich zu dem konventionellen Photovervielfacher verhindert.
• Ein Photovervielfacher gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 4 dargestellt. Bei dem ersten Ausführungsbeispiel sind der untere Abschnitt 3 und die Seitenwand 11 des Glaskolbens 1 farbig. In dem zweiten Ausführungsbeispiel ist jedoch der untere Abschnitt 3 transparent und lediglich die Seitwand 11 farbig. Dieses ist darin begründet, daß die Dynodenanordnung 6 als optische Barriere zwischen dem unteren Abschnitt 3 und der Photokathode 4 dient, so daß die Dynodenanordnung 6 den Großteil des am unteren Abschnitt 3 erzeugten Lichtes daran hindert, die Photokathode 4 zu erreichen. Aus diesem Grunde könnte der untere Abschnitt 3 transparent und lediglich die Seitenwand 11 farbig sein. So können zum Beispiel in der Tabelle 1, oben, dahingehend Änderungen vorgenommen werden, daß der Glaskolben 1 geschwärzt wird, indem der Zusammensetzung Fe&sub2;O&sub3; und MnO beigemengt werden. Die Zusammensetzung zur Färbung ist jedoch nicht auf die in Tabelle 1 angegebene beschränkt. Auch ist die Färbung nicht auf die Farbe schwarz beschränkt. Besteht der Wunsch, Licht einer besonderen Wellenlänge zu absorbieren, so könnte jede Farbe verwendet werden, welche diese Lichtwellenlänge absorbiert.
• Darüber hinaus ist die vorliegende Erfindung nicht auf einen Head-on- Photovervielfacher beschränkt. Die vorliegende Erfindung könnte auf weitere Röhrenarten, wie zum Beispiel einen Side-on-Photovervielfacher, angewandt werden. Wird die vorliegende Erfindung auf einen Side-on-Photovervielfacher angewandt, wären selbstverständlich sämtliche Teile, mit Ausnahme des Lichteinfallfensters gegenüber der Reflexionskathode, farbig.

Claims (6)

1. Photovervielfacher mit

einem aus einem Glaskolben hergestellten, vakuumdichten Behälter (1), welcher ein transparentes Lichteintrittsfenster (2) aufweist,

einer, auf einer Oberfläche des Behälters (1) vorgesehenen Photokathode (4), um Photoelektronen bei Lichtaufnahme durch das Lichteintrittsfenster (2) zu emittieren,

einer in dem Behälter (1) vorgesehenen Dynodenanordnung (8), um von der Photokathode emittierte Photoelektronen zu vervielfachen,

einer in dem Behälter (1) angeordneten, fokussierenden Elektrode (7), um Photoelektronen von der Photokathode (4) zu der Dynodenanordnung (8) zu führen, sowie

einer in dem Behälter (1) vorgesehenen Anode (9), um mit Hilfe der Dynodenanordnung (8) vervielfachte Elektronen aufzufangen,

dadurch gekennzeichnet, daß der Glaskolben (1) einen farbigen Abschnitt (11) aufweist, um darin erzeugtes, unerwünschtes Licht zu absorbieren.

2. Photovervielfacher nach Anspruch 1, bei welchem der Glaskolben (1) eine im wesentlichen zylindrische Glasröhre mit einem röhrenförmigen Seitenwandabschnitt (11), einem hermetisch abgeschlossenen Endabschnitt (2) sowie einem weiteren hermetisch abgeschlossenen Endabschnitt (3) aufweist, wobei der hermetisch abgeschlossene Endabschnitt transparent ist, die Eintrittsfenster (2) bildet und zusammen mit der Photokathode (4) ausgebildet ist, um einen Head-on- Photovervielfacher vorzusehen, und wobei der röhrenförmige Seitenwandabschnitt (11) den farbigen Teil darstellt.

3. Photovervielfacher nach Anspruch 1, bei welchem der Glaskolben eine im wesentlichen zylindrische Glasröhre mit einem röhrenförmigen Seitenwandabschnitt (11) vorsieht, wobei der röhrenförmige Seitenwandabschnitt das transparente Eintrittsfenster sowie den farbigen Teil aufweist, um einen Seitenphotovervielfacher vorzusehen.

4. Photovervielfacher nach Anspruch 2 oder 3, bei welchem ein weiterer hermetisch abgeschlossener Endabschnitt (3) ebenfalls einen Teil des farbigen Abschnittes darstellt.

5. Photovervielfacher nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bei welchem der farbige Abschnitt (11) schwarz ist.

6. Photovervielfacher nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bei welchem der farbige Abschnitt (11) Glas sowie ein mit diesem gemischtes Farbmittel enthält.