Weigele, K.

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Februar 1967Institut für Experimentelle KernphysikEin Kathodenstrahlrohr als schneller Vielfachschalter mithohem EingangswiderstandK. WeigeleKFK 552Februar 1967KERNFORSCHUNGSZENTRUM KARLSRUHEKFK 552Institut für Experimentelle KernphysikEin Kathodenstrahlrohr als schneller Vielfachschalter mithohem EingangswiderstandKlaus WeigeleGesellschaft für Kernforschung m.b.H.KarlsruheA b s t r a c tA multiple Tswitch t has been developed, by means of whichnumerous high impedance sources (e.g capacitffiWBs)can bescanned by an electron beam for both positive and negativevoltages, The model described in this paper has nine inputchanals having input impedances between 10 11 and 1012 Ohmsif the switch is Toff! 0 Scanning of each chanal takes about100 ~s. Positive voltages up to 10 V and higher and negativevoltages up to about -2V can be transfered linearly. Severalimprovements are discussed.- 3 -I n h alt s ver z e ich n i s1. Einleitung2. Konstruktion und Herstellung3. Elektrische Eigenschaften, Messungen~. Diskussion5. A n h a n gLiteraturhinweiseAbbildungen- 4 -10 Ein 1 e i tun gIn der Kern- und Hochenergiephysik wird die Verarbeitung derMeßdann zu einem immer schwierigeren Problem. Experimente mithundert oder mehr Detektoren sind keine Seltenheit mehr. Be-sonders aufwendig wird die Datenverarbeitung dann 5 wenn dieInformationen als Analogsignale geliefert werden~ z.Bo vonProportionalzählrohren (1) oder von Funkenkammern im Pro-portionalbereich. In diesem Fall muß für jedes Zählrohr bzw.jeden Funkenkammerdraht ein eigener Verstärker und ein Analog-speicher vorgesehen werden, der den Impuls bis zu~iner Weiter-verarbeitung aufnimmt. Dieser Aufwand läßt sich vermeiden~wenn man als Specher nicht irgendeine ele0roni~e Anordnung~sondern die Detektorkapazität selbst benutzt. Das Abfrageneines solchen elektrostatischen Specners nach Spannungen vonbestenfalls einigen Zehntel Volt stellt jedoch außergewöhn-liche Anforderungen an den abfragenden 'Schalter'. In geöffne-tem Zustand muß - je nach der erforderlichen Speicherzeit -sein Eingangswiderstand sehr hoch seb~ das Öffnen und Schließendes Schalters muß möglichst schnell vor sich gehen j und dieSchaltersteuerung darf in der Meßleitung keine störenden Im-pulse erzeugen. Da sich diese Forderungen mit mechanischen,elektrischen oder photoelektrischen Schaltern nicht erfüllenlassen 5 haben wir einen Vorschlag von Budal (2) aufgegriffenund einen 'Schalter' entwickelt~ der nach einem anderen Prinziparbeitet. Seine Wirkungsweise soll anhand der Abbo 1 erläutertwerden. Die Mäntel der drei Zählrohre Z1~ Z2~ Z3 sind übereinen gemeinsamen Arbeitswiderstand R mit dem negativen Polder Hochspannung verbunden. Die Zähldrähte tragen an ihremEnde Platten aus einem Material hoher Sekundärelektronenaus-beute~ sog. Dynoden. Diese Dynoden werden der Reihe nach voneinem periodisch abgelenkten Elektronenstrahl getrofr,en undnehmen infolgedessen ungefähr das Potential des Gitters g an.Solange dieses Gleichgewichtspotential nicht gestört wird,verlassen genau soviel Elektronen die Dynoden~ wie durch denStrahl zugeführt werdenr d h. über die Zählrohrkapazität undden Arbeitswiderstand R fließt kein Stromo Ändert sich jedoch- 5 -das Potential dadurch 9 daß in einem der Zählrohre eine Ent-ladung stattgefunden und die zugehörige Dynode negativ aufge-laden hat 9 so wird der Elektronenstrahl beim nächsten Durch-gang die aufgebrachte Ladung in Form von Sekundärelektronenabführen und das Gleichg~wichtspotentialwiederherstellen~Das bewIrkt einen Stromfluß im Zählrohrkreis: und am Wider-stand R entsteht ein Spannungsimpuls 9 dessen Höhe der Poten-tialänderung der Dynode proportional ist.Natürlich kann der in dieser Arbeit beschriebene 'Schalter'nicht nur zum Abfragen von Proportionalzählrohren oder Funken-kammern im Proportionalbereich benutzt werden 9 sondern kannüberall dort Verwendung finden 9 wo von vielen sehr hochohmigenQuellen relativ kleine positive oder negative Signale abge-nommen werden sollen 9 die der Quellspannung proportional sind.2. Konstruktion und HerstellungDa ein Schalter ein möglichst handliches Gerät sein sollte 9wurde das Kathodenstrahlrohr als statisches 9 abgeschlossenesSystem konzipiert. Abb. 2 zeigt das Rohr in schematischer Dar-stellung. Der linke Tei1 9 der die Systeme zur Ablenkung undFokussierung des Elektronenstrahls enthält~ ist eine Oszillo-graphenröhre vom Typ DG7 - 74 A der Firma Telefunken und weistkeine Besonderheiten auf. Der rechte Teil enthält dort 9 wo sichnormalerweise der Leuohtschirm befindet 9 das Sekundäremissions-system, Vom Aufbau und den Eigenschaften dieses Systems hängtes entscheidend ab 9 ob das Rohr zufriedenstellend arbeitetoder nicht 9 und es soll deshalb anhand der Abb. 3 etwas aus-führlicher beschrieben werden.Der das Sekundäremissionssystem tragende Teller ist in Sinter-glastechnik (3) ausgeführt. Grobkörniges Pulver aus Normalglas16 III (Schott und Gen. Mainz) wurde in einer mittels Hoch-frequenz auf 10000 C erhitzten Graphitform unter Schungas mit- 6 -vorher in Wasserstoff geglühten stabformigen Metalldurchführun-gen aus Vacovit 501 (Vacuumschmelze Ranau) verschmolzen. Miteingescr~olzenwurde ein Raster aus 0,3 mm dickem, ca 2mmbreitem Band aus Vacovit 501, das sämtliche Dynodenzuführungenkastenförmig umschließt. Die innen aus dem Glas herausragendenTeile des Rasters und der Dynodenzuführungen wurden abgeschlif-fen, so daß eine möglichst glatte Oberfläche entstand.Nachdem mit Glaslot ein Rohrstutzen an den Teller angelötetworden war (in Abb. 3 nicht gezeichnet), wurde die Sekundär-emissionsschicht im Vakuum aufgedampft. Der Einfachheit halberwurde Gold verwendet, obwohl seine Sekundärelektronenausbeutenur 1,4 beträgt (4). Eine Goldschicht läßt sich jedoch leichtgleichmäßig aufdampfen, braucht nicht formiert zu werden undkann beliebig lange an Luft lagern. Während des Aufdampfensbefand sich ein Gitter aus 0,16 mm dicken Stahldrähten dichtvor der Glasoberfläche, so daß einzelne, voneinander getrennteFelder ent9tanden: in der Mitte neun quadratische Dynoden,jede 4 x 4 mm 2 groß, getrennt durch ca 2mm breite Streifenund umgeben von einem ca 5 mm breiten Streifen. Die Streifenwerden durch das eingeschmolzene Raster leitend verbunden undbilden zusammen eine Art Schutzring um jede Dynode. DieseSch~lektrode ist für ein zufriedenstelIendes Arbeiten desRohres von wesentlicher Bedeutung, wie weiter unten gezeigt wer-den wird.Dicht über der Goldschicht befindet sich ein Gitter aus Wolfram-draht von 25 ~ ~. Der Draht wurde mit 0,5 mm Steigung über einenca 2 mm dicken Rahmen aus Vernicon (Ni/Cu 45/55) gewickelt;der Abstand der unteren Gitterebene von den Dynoden beträgtca 0,1 mm. Als Anode dient ein ringförmig gebogener,O,2.mmdicker und 30 mm breiter Blechstreifen aus Vernicon.Der Isolationswiderstand der einzelnen Dynoden gegen dieSch~lektrode liegt zwischen 1,5 . i0 11 JL und 10 12JL . DieKapazität einer Dynode gegen Gitter und Sch~UTing zusammenist sicher kleiner als 4pF.- 7 -Der an den Sinterglasteller angelötete Rohrstutzen wurde mitdem Kolben der Oszillographenröhre verschmolzen. Dann wurdedas Rohr auf 10-7 Torr evakuiert und ausgeheizt und anschließenddie Kathode formiert. Damit gegebenenfalls das System leichterumgebaut werden konnte~ wurde das Rohr nicht abgeschmolzen,sondern an der Pumpe belassen3. Elektrische Eigenschaften, MessungenDie im vorigen Abschnitt beschriebene Konstruktion ist dasErgebnis vieler Versuche mit Systemen verschiedener Geometrieund aus verschiedenen Materialien, Das Hauptproblem besteht -neben technologischen Schwierigkeiten - darin, daß bei ungün-stiger Systemgeometrie am Arbeitswiderstand R (vgl. Abb. 1 und 4)jedesmal ein Impuls entsteht, wenn der Elektronenstrahl eineDy.node überstreicht, auch ohne daß deren Potential vorher vonaußen geändert wurde~ so daß eine Variation des Dynodenpoten-tials sich den unerwünschten Störimpulsen nur als geringfügigeModulation überlagert +), Diese Störimpulse entstehen dadurch,daß zwischen zwei Strahldurchgängen langsame Streu- oder Se-kundärelektronen . die Dynoden negativ aufladen; trifft nun derStrahl eine Dynode, so führt er die überschüssige Ladung inForm von Sekundärelektronen ab und stellt das Gleichgewichts-potential wieder her. Die Sekundärelektronen bilden je nachden herrschenden Feldverhältnissen entweder eine Raumladungs-wolke, aus der sie allmählich auf die Dynode zurückfallen yoder gelangen auf andere Elektroden, vorzugsweise auf kurzzuvor abgetastete und daher positive Dynoden, eine vom Ikono-skop her bekannte Erscheinung. Es findet also innerhalb desRohres eine Elektronenwanderung statt. Gemittelt über eineAbtastperiode ist für jede Dynode die Zahl der zufließendenimmer gleich der der abfließenden Ladungen, nicht aber inner-halb eines Zeitraums~ der klein ist verglichen mit der Zeit,+)Hier liegt der grundsätzliche Unterschied zu der von Jonkerund van Gelder beschriebenen 'Wählröhre' (5), mit der solcheImpulse offenbar gerade erzeugt werden sollen.- 8 -die der Elektronenstrahl zum Abtasten einer Dynode benötigt.Um dies zu erreichen~ wurde das im vorigen Abschnitt beschriebeneund in Abb. 3 dargestellte Sekundäremissionssystem konstruiert.Das Gitter läßt unmittelbar vor den Dynoden keine Raumladungentstehen~ und die Schutzelektrode verhindert~ daß streifendaustretende Sekundärelektronen auf andere Dynoden gelangen.Mit diesen-Maßnahmen allein können die Störimpulse jedochnicht völlig unterdrückt werden; es muß noch eine geeigneteStrahlführung hinzukommen. Lenkt man den nicht moduliertenElektronenstrahl in üblicher Weise durch eine Sägezahn-Span-nung ab, so läßt sich ein Elektronenübergang von der Schutz-elektrode zu den Dynoden nicht vermeiden. Legt man jedocheine Treppen-Spannung an die Ablenkplatten$ so daß der Elek-tronenstrahl praktisch nur die Mitten der Dynoden trifft,so wird dieser Ladungsaustausch unmöglich gemacht, und dieStörimpulse sind verschwunden.Zur Messung der elektrischen Eigenschaften des Rohres dientedie in Abb. 4 dargestellte Schaltung. Die Zählrohre von Abb. 1wurden durch die Kapazitäten C ersetzt. Über die 100 MJl -Widerstände konnte von außen eine Spannung an die Dynodengelegt werden. Zur Messung der Dynodenspannungen diente einQuadrantelektrometer. Das Potential der Schutzelektrode swar regelbar und wurde so eingestellt, daß die Störimpulseverschwanden bzw. möglichst klein wurden. Die am WiderstandR entstehenden Impulse wurden mit einem Oszillographen beobach-tet. Bei der in Abb. S wiedergegebenen Schirmbildaufnahmewurde der Elektronens'trahl mit Hilfe einer Treppenspannung(obere Bildhälfte) nacheinander auf die Dynoden d 4 > d S undd6 gelenkt und die am Arbeitswiderstand R entstehenden Impulseaufgezeichnet (untere Bildhälfte). Das Potential der Schutz-elektrode s wurde so eingestellt, daß an Dynode d6 kein Impulsauftrat; wenn nicht - wie in Bild S - von außen eine Spannungangelegt war. Daß an den Dynoden d 4 und d S kleine Störimpulseauftraten, beruht nicht etwa auf einer gegenseitigen Beein-flussung der Dynoden - an d6 konnte kein Impuls beobachtetwerden, wenn an die übrigen Dynoden eine Spannung gelegt war - ,- 9 -sondern hat seinen Grund darin, daß die Oberflächenbeschaffen-heit und der Gitterabstand nicht bei allen Dynoden genau gleichwar +); infolgedessen ließ sich eine exakte Kompensation nurfür eine Dynode - hier d6 - erreichen. Dazu mußte die Schutz-elektrode auf +2V gebracht werden; die Dynode d6 stellte sichauf ein Gleichgewichtspotential von + 2,4 V ein. Eine Änderungdieses Potentials umdU ~ - 1V erzeugte am ArbeitswiderstandR = 220 KS'L einen Impuls von 80 mV Höhe (Abb. 5 rechts unten);seine Form gibt den Stromverlauf durch die Dynode wieder.Die Impulshöhe oder anders ausgedrückt, die Empfindlichkeit desRohres hängt kaum von der Strahlstromstärke ab, jedoch starkvon der Systemgeometrie. Dies zeigt ein Vergleich mit den inAbb. 6 dargestellten Messungen an einem Rohr mit ungünstigerSystemkonstruktion. Statt 80 mV/V beträgt hier die Empfindlich-keit ~ei gleichem Arbeitswiderstand R = 220 KJL nur ca 20mV/Vziemlich unabhängig davon, welcher Strahlstrom eingestellt war.Der Strahlstrom hat hingegen, wie man ebenfalls Abb. 6 entneh-men kann, beträchtlichen Einfluß auf die Größe des Bereiches,in dem ein linearer Zusammenhang zwischen Dynodenpotentialund Impulshöhe besteht. Dieser Bereich hat dort seine Grenze,wo der über die Dynode fließende Impulsstrom nicht mehr durchdas Dynodenpotential bestimmt, sondern durch Sättigung begrenztwird. Bei negativen Dynodenspannungsänderungen ist hierfürnicht der Strahlstrom I allein maßgebend, sonder das Produkt1(0 - 1); 6 ist die Sekundärelektronenausbeute. Da bei allenunseren Messungen d<2 war, war der lineare Bereich für po-sitive Dynodenspannungsänderungen stets größer als für negative,ein Effekt, der durch die Form der Energieverteilung der Se-kundärelektronen noch unterstützt wird (6).+)Ein unter Schutzgas geschmolzener Glasteller enthält vielekleine Gasbläschen, so daß sich seine Oberflächengüte durchSchleifen und Polieren nicht verbessern läßt. Abhilre schafft ISchmelzen im Vakuum.- 10 -4. DiskussionZum Schluß sollen einige Verbesserungsmöglichkeiten diskutiertwerden. Wünschenswert erscheint eine Erweiterung des Meßbereichssowohl zu größeren - vor allem zu größeren negativen - als auchzu kleineren Spannungen bzw. Ladungen hin. Zur Verarbeitunggrößerer Spannungen muß der Strahlstrom oder - bei negativenSpannungen - die Sekundärelektronenausbeute erhöht werden. Umkleine Spannungen noch genau messen zu können~ müssen die Stör-impulse an allen Dynoden gleichzeitig unterdrückt werden. Dasläßt sich erreichen~ wenn man für alle Dynoden die gleichengeometrischen und elektrischen Bedingungen schafft 9 d.h. glatteDynodenflächen (vgl. Fußnote S. 9) und ein feinmaschiges Gitter"Durch ein feinmaschiges Gitter mit nur einer Ebene kann man auchdie Abfragegeschwindigkeit erhöhen. Der langsame Impulsabfall(Abb" 5 rechts unten) läßt sich dadurch erklären" daß die zuBeginn des Impulses von der Dynode emittierten Sekundärelek-tronen zwischen den bei den Gitterebenen kurzzeitig eine lokaleRaumladung aufbauens welche die nachfolgenden behindert. DieseErklärung wird bestätigt durch Versuches bei denen der Elek-tronenstrahl mit einer Sinus-Spannung von 1 MHz moduliert war.Sie wurden an dem bei Abb" 6 beschriebenen System durchgeführt;dabei waren die Spannungen (Ua= O~ Us= - 23 V, Ud stellte sichauf einen Zwischenwert ein) so gewählt, daß in der Nähe der Dy-noden keine feldfreien Räume vorhanden waren. Am auf 10 K{1 ver-kleinerten Arbeitswiderstand entstanden Impulse, die ein genauesAbbild der den Strahl modulierenden Halbwellen waren, d.h. mitAnstiegs- und Abfallzeiten von ca 0~2 ~scMit der Abfrage-Geschwindigkeit nimmt auch die Empfindlichkeitzu; da die gleiche Ladung in kürzerer Zeit transportiert wird,entstehen am Arbeitswiderstand höhere Impulse.Die Zahl der Dynoden ist im Prinzip nur durch die äußeren Ab-messungen des Rohres und die Größe des Elektronenstrahl-Brenn-fleckes bestimmt, Gibt man beispielsweise jeder Dynode eine- 11 -Fläche von 2 x 2 mm 2 und macht die Streifen dazwischen, welchedie Schutzelektrode bilden 3 ca 2 mm breit wie bei dem hierbeschriebenen Modell J so lassen sich auf einer Fläche von100 x 100 mm2 ca 600 Dynoden unterbringen 0- 12 -Literatur(1) H.-M. Staudenmaier 5 KFK 3455 Kernforschungszentrum Karls-ruhe (1965)(2) K. Budal., Nucl Instr and Meth. 23> 132 (1963) andK. Budal, Arkiv for det Fysiske Seminar i TrondheimNo 9 (1963)(3) W. Espe, Werkstoffkunde der Hochvakuumtechnik, VEB DeutscherVerlag der Wissenschaften, Berlin 1962, Band 11 S 406 ff(4) Ro Kollath in Hdb d Phys" Bd. XXI , S 266 ff, Springer-Verl.Berlin-Göttingen-Heidelberg 1956(5) J.L.H Jonker und 2, van Gelder, Philips' techno Rdsch. 13,82 (1951)(~) R. Kollath in Hdb. d. Physik Bd" XXI, S 241 f (1956)A,p"b,ildungenAbb. 1 Wirkungsweise des IlSchalters ll o demonstriert an einemBeispiel: mit Hilfe des Elektronenstrahles werden nach-einander drei Zählrohre abgefragt, ob eine Entladungstattgefunden hat oder nicht.Abb. 2 Kathodenstrahlrohr mit Sekundäremissionssystem in sche-matischer DarstellungAbb. 3 Sekundäremissionssystem im Schnitt (oben) und in Auf-sicht (unten). In der Mitte des Tellers befinden sichdie neun Dynoden d1-dq, eingerahmt und voneinandergetrennt durch die Scnutzelektrode s. Dicht darüberliegt das Gitter g (die Gitterdrähte sind nicht ge-zeichnet). Als Anode dient ein zylinderförmig gebogenerBlechstreifen.Abb. 4 Schaltung zur Messung der elektrischen Eigenschaftendes RohresAbb. 5 Obere Bildhälfte: Horizontal-Ablenkspannung an einerder Platten Ps des Rohres; die Stufen schalten den Elek-tronenstrahl weiter zur nächsten Dynode. Wiederhol-frequenz der gesamten Treppe 50 Hz.Untere Bildhälfte: Spannung am Arbeitswiderstand R.Der Elektronenstrahl (IK ~ 200 ~A, vgl. Text zu Abb. 6)trifft nacheinander die Dynoden d4, d5 und d6. DynodedG befindet sich nicht auf ihrem Gleichgewichtspo-tential von 2,4 V, sondern bei 1,4 V. Diese Spannungs-änderung von ~ U ~ - 1V läßt am ArbeitswiderstandR = 220 Kj)_ einen Impuls von 80 mV Höhe entstehenwenn der Strahl auf die Dynode d6 geschaltet wird.Anstiegs- und Abfallzeit des Impulses werden durchdie Geometrie und Feldverhältnisse des Sekundäremis-sionssystems bestimmt.Abb. 6 Messungen an einem Rohr mit ungünstiger Systemkonstruk-tion. Dargestellt ist die Impulshöhe am Arbeitswider-stand R = 220 K.fL in Abhängigkeit von der Dynoden-spannung Ud. Die Kreise markieren das lImittIereIl Gleich-gewichtspotential. (Sie müssen bei einem Rohr mit guterSystemgeometrie alle die Ordinate 0 haben.) Parameterder Kurvenschar sind Ablenkgeschwindigkeit und Katho-denstrom. 100 ~A Kathodenstrom entsprechen ca 18 ~~Strahlstrom. Der Elektronenstrahl vro.rde mit einemSägezahn abgelenkt, Wiederholfrequenz 50 Hz.Das Sekundäremissionssystem war folgendermaßen auf-gebaut: Über die Dynoden, neun schachbrettartig ange-ordnete Zylinder aus CuBe, war als Schutzelektrode seine neunfach gelochte Scheibe geschoben, so daß die- 14 -Stirnflächen der Zylinder mit der Vorderseite der Schutz-elektrode in einer Ebene lagen. Davor befand sich dieAnode a~ eQenfalls eine gelochte Scheibe~ jedoch mitkleineren Bohrungen, so daß der Elektronenstrahl nurdie Stirnflächen der Dyncden treffen konnte. Ein Gitterwar nicht vorhanjen. Die Schutzelektrode war bei allenMessungen geerä.et. Bei I K = 105 ~A betrug die Anoden-spannung Va = - 10,6 v.+Anode a. I Gitter 9 Zöhlrohi-.~t~----:.:-=--=--=--=--=--=--=--=-:_I_-=--=-...J ZfElektronen- i1---------stahl f --.;. .J Zz!Ir--------------______-JZJJynoden d~Abb.1·...--I-ll--- SignaleR1-Hspg.P.sP/rk g, g,3TgTP" p~I I0,----~ r IIII I 11 0 d....Lj.L I If ~ n :)l 11 I j I I---H--o dsII I I -,- I -r I II I--ii--o d"III'-.670V-t 2ßO Vo s3,3k 22k 2/k..s - Schutzelektroded - DynodeAbb.21 crniIIIIII Ios soAnalea Elektrometer-g 4 ~ a( I I CI d, I I II I II,••t••Idr,.s lBpR 220KOsz.11,5pl10MQ+ 2BOVO,6B/1. TOK lOKAbb.4lOK24 V/1~6(}JJSAbb.5I .3,5 V180mv300 r--""---------------r------------------,------------,mV._--,--+- 100ps/cm/JU / /JU <;::I 20mV/ VJmp d200q,~ 7mslcm~ 1Je =30pA~ 100 +-'--'---~-'--~~-ff-~'---." -----'.100 ps /2 m-o11( =105/JAImslcmo mittleres Gleichge wichtspoten fial';'30 V-20-10-100 1...- --+-... -+- -..._--1oDynodenpoten tiol U«Abb.6

Ein Kathodenstrahlrohr als schneller Vielfachschalter mit hohem Eingangswiderstand

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Ein Kathodenstrahlrohr als schneller Vielfachschalter mit hohem Eingangswiderstand

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