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Ein Sekundärelektronenvervielfacher SEV ist eine Elektronenröhre in welcher durch Sekundärelektronenemission kleinste El
Sekundärelektronenvervielfacher
Ein Sekundärelektronenvervielfacher (SEV) ist eine Elektronenröhre, in welcher durch Sekundärelektronenemission kleinste Elektronenströme oder sogar Einzelelektronen mit hoher Zeitauflösung um viele Größenordnungen bis zu messbaren Größen verstärkt werden können.
Sie werden in Photomultipliern, Bildverstärkern (Restlichtverstärkern) und Detektoren für Elementarteilchen eingesetzt. Wegen der Abfolge zahlreicher gleichartiger Elektroden auf abgestuft abfallenden Spannungsniveaus wird die Röhre auch Kaskadenröhre genannt.
Funktionsweise
Ein Elektron erzeugt beim Auftreffen auf eine Metallfläche oder auch auf Halbleiter oder andere schlecht leitende Stoffe bei genügender Energie mehrere sogenannte Sekundärelektronen, die den Körper in das umgebende Vakuum verlassen. Ein flacher Einfallswinkel und eine geringe Austrittsarbeit verstärken diesen Effekt. Auch Beschichtungen, wie z. B. eine Monolage Adsorbat (z. B. Wasser) ändern die Austrittsarbeit und somit den Vervielfachungsfaktor.
Auf diese Weise können aus einem freien Elektron mehrere freie Elektronen geringerer Energie entstehen und es findet eine Vervielfachung um den Faktor δ von 3…10 statt. Dieser Faktor hängt außerordentlich empfindlich von der Beschleunigungsspannung zwischen den Elektroden ab und muss deshalb sehr gut stabilisiert sein. Die herausgeschlagenen Elektronen werden durch ein elektrisches Feld zur nächsten Elektrode (Dynode genannt) beschleunigt, um dort ihrerseits jeweils weitere Sekundärelektronen zu erzeugen. Auf diese Weise wird mit einer Anzahl von n hintereinandergeschalteter Dynoden eine Stromverstärkung von δn erzielt. Mit sieben Dynoden und einer Gesamtspannung von 1500 V kann man Verstärkungen von etwa 107 erzielen (siehe auch: Photomultiplier).
Die Kette von Dynoden ansteigenden Potenziales kann auch durch schlecht leitende Kanäle ersetzt werden, entlang derer das Potenzial ansteigt und in deren Inneren ständig neue Sekundärelektronen erzeugt werden (siehe auch: Kanalelektronenvervielfacher, Mikrokanalplatte).
Bauformen
- Aufbau mit diskreten Dynoden siehe Photomultiplier
- Kontinuierlich: Kanalelektronenvervielfacher
- Kontinuierlich und flächenaufgelöst: Mikrokanalplatte
Es werden auch parallele, diskrete Multiplier in einer gemeinsamen Fassung angeboten.
Die Flugzeiten der Elektronen begrenzen die Reaktionsgeschwindigkeit, deshalb sind kleine Bauformen geeigneter für hohe Zeitauflösung.
Elektronik und Besonderheiten
Diskrete (mit Dynoden arbeitende) Sekundärelektronenvervielfacher benötigen eine von Dynode zu Dynode ansteigende Spannung (typ. 200 V Spannungsdifferenz zwischen den Dynoden). Diese Spannungen werden mit einem Spannungsteiler aus der Gesamtspannung (z. B. 2 kV) erzeugt.
Die letzte Elektrode (Anode, positivstes Potential) liegt über einen Arbeitswiderstand üblicherweise auf Massepotential, um insbesondere bei analogen Messungen die nachfolgende Auswerteelektronik zu vereinfachen.
Je nach Anwendung besteht die Auswertung aus einer Strommessung (Messung geringster Elektronenströme oder Strahlungsintensitäten), einer Zeitintegration des Stromes (Messung geringster Elektronen- oder Lichtmengen) oder einem sehr schnellen Halbleiterverstärker mit der Möglichkeit, die Impulshöhe zu bestimmen (Zählen einzelner Elektronen, Ereignisse und deren Energie).
Ein solcher Impulsverstärker besitzt hierzu einen Diskriminator und eine Frequenzweiche, um die „echten“ Impulse vom Rauschen und von Schwankungen der Gleichspannungsquelle unterscheiden zu können.
Um eine hohe Zeitauflösung bis in den ns-Bereich zu erreichen, müssen die Dynodenabstände möglichst klein sein (typ. wenige mm), um Laufzeiteffekte zu verringern. Die Form der Dynoden oder zusätzliche Gitter verringern die Zeitdispersion, die durch in verschiedene Richtungen fliegende Elektronen verursacht wird.
Bei Mikrokanalplatten (MCP) ist der Gesamtaufbau besonders elegant vereinfacht: mikroskopisch feine Kanäle aus schlecht leitendem Material bilden sowohl Spannungsteiler als auch in ihrem Inneren die Oberfläche zur Auslösung der Sekundärelektronen. Etliche nebeneinander liegende Kanäle ermöglichen zudem eine Ortsauflösung.
Der Ort kann durch Absaugen und Abbildung der austretenden Sekundärelektronen erfolgen (Bildwandlerröhre) oder durch Auftreffen auf eine quer verlaufende Verzögerungsleitung bzw. einen Wellenleiter, wobei die Zeitpunkte des Eintreffens des Impulses an beiden Enden der Leitung bestimmt werden.
Auch mit Mikrokanalplatten (MCP) ist der Nachweis einzelner Elektronen möglich.
Es können auch zwei Mikrokanalplatten hintereinander geschaltet werden, wobei die Verstärkung am Ende der zweiten Platte gesättigt ist.
Zum Nachweis und der Identifizierung geladener Teilchen muss man das Potential der vorderen Mikrokanalplatte anpassen können.
Der Sekundärelektronenprozess besitzt ein starkes Rauschen, zum einen, weil die Kanäle von einem Teilchen verschieden gut getroffen werden können, zum anderen durch thermische Effekte. Um Einzelpulse gleicher Höhe zu erhalten, nutzt man Mikrokanalplatten mit so feinen und langen Kanälen, dass die Verstärkung am Ende eines Kanals in der zweiten Platte aufgrund der Raumladung gesättigt wird.
Man erhält so Pulse definierter Höhe mit einer Flanke, die in fester zeitlicher Beziehung zum Eintreffzeitpunkt des Teilchens steht.
Anwendung
- Photonen: Photomultiplier, Bildverstärker
- Elektronen: Elektronenspektrometer, LEED, Elektronenmikroskop, Photoelektronenspektroskopie
- Ionen: Massenspektrometer
- Gammastrahlen, Neutronen, Neutrinos, Kosmische Strahlung: Szintillationszähler (Nachweis der im Szintillator ausgelösten Lichtpulse)
Weblinks
- Eintrag zu Sekundärelektronenvervielfacher im Flexikon, einem Wiki der Firma DocCheck
Autor: www.NiNa.Az
Veröffentlichungsdatum:
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Ein Sekundarelektronenvervielfacher SEV ist eine Elektronenrohre in welcher durch Sekundarelektronenemission kleinste Elektronenstrome oder sogar Einzelelektronen mit hoher Zeitauflosung um viele Grossenordnungen bis zu messbaren Grossen verstarkt werden konnen Sekundarelektronenvervielfacher zur Detektion von Elektronen Links ist die Eintrittsoffnung die vielen Platten rechts davon sind Halteplatten fur die Dynoden zum Einbau im Vakuum Sie werden in Photomultipliern Bildverstarkern Restlichtverstarkern und Detektoren fur Elementarteilchen eingesetzt Wegen der Abfolge zahlreicher gleichartiger Elektroden auf abgestuft abfallenden Spannungsniveaus wird die Rohre auch Kaskadenrohre genannt FunktionsweiseEin Elektron erzeugt beim Auftreffen auf eine Metallflache oder auch auf Halbleiter oder andere schlecht leitende Stoffe bei genugender Energie mehrere sogenannte Sekundarelektronen die den Korper in das umgebende Vakuum verlassen Ein flacher Einfallswinkel und eine geringe Austrittsarbeit verstarken diesen Effekt Auch Beschichtungen wie z B eine Monolage Adsorbat z B Wasser andern die Austrittsarbeit und somit den Vervielfachungsfaktor Auf diese Weise konnen aus einem freien Elektron mehrere freie Elektronen geringerer Energie entstehen und es findet eine Vervielfachung um den Faktor d von 3 10 statt Dieser Faktor hangt ausserordentlich empfindlich von der Beschleunigungsspannung zwischen den Elektroden ab und muss deshalb sehr gut stabilisiert sein Die herausgeschlagenen Elektronen werden durch ein elektrisches Feld zur nachsten Elektrode Dynode genannt beschleunigt um dort ihrerseits jeweils weitere Sekundarelektronen zu erzeugen Auf diese Weise wird mit einer Anzahl von n hintereinandergeschalteter Dynoden eine Stromverstarkung von dn erzielt Mit sieben Dynoden und einer Gesamtspannung von 1500 V kann man Verstarkungen von etwa 107 erzielen siehe auch Photomultiplier Die Kette von Dynoden ansteigenden Potenziales kann auch durch schlecht leitende Kanale ersetzt werden entlang derer das Potenzial ansteigt und in deren Inneren standig neue Sekundarelektronen erzeugt werden siehe auch Kanalelektronenvervielfacher Mikrokanalplatte BauformenAufbau mit diskreten Dynoden siehe Photomultiplier Kontinuierlich Kanalelektronenvervielfacher Kontinuierlich und flachenaufgelost Mikrokanalplatte Es werden auch parallele diskrete Multiplier in einer gemeinsamen Fassung angeboten Die Flugzeiten der Elektronen begrenzen die Reaktionsgeschwindigkeit deshalb sind kleine Bauformen geeigneter fur hohe Zeitauflosung Elektronik und BesonderheitenSchnelle Mikrokanalplatten Elektronik MCP Elektronik mit Zeitauflosung im sub ns Bereich zur ortsaufgelosten Messung Diskrete mit Dynoden arbeitende Sekundarelektronenvervielfacher benotigen eine von Dynode zu Dynode ansteigende Spannung typ 200 V Spannungsdifferenz zwischen den Dynoden Diese Spannungen werden mit einem Spannungsteiler aus der Gesamtspannung z B 2 kV erzeugt Die letzte Elektrode Anode positivstes Potential liegt uber einen Arbeitswiderstand ublicherweise auf Massepotential um insbesondere bei analogen Messungen die nachfolgende Auswerteelektronik zu vereinfachen Je nach Anwendung besteht die Auswertung aus einer Strommessung Messung geringster Elektronenstrome oder Strahlungsintensitaten einer Zeitintegration des Stromes Messung geringster Elektronen oder Lichtmengen oder einem sehr schnellen Halbleiterverstarker mit der Moglichkeit die Impulshohe zu bestimmen Zahlen einzelner Elektronen Ereignisse und deren Energie Ein solcher Impulsverstarker besitzt hierzu einen Diskriminator und eine Frequenzweiche um die echten Impulse vom Rauschen und von Schwankungen der Gleichspannungsquelle unterscheiden zu konnen Um eine hohe Zeitauflosung bis in den ns Bereich zu erreichen mussen die Dynodenabstande moglichst klein sein typ wenige mm um Laufzeiteffekte zu verringern Die Form der Dynoden oder zusatzliche Gitter verringern die Zeitdispersion die durch in verschiedene Richtungen fliegende Elektronen verursacht wird Bei Mikrokanalplatten MCP ist der Gesamtaufbau besonders elegant vereinfacht mikroskopisch feine Kanale aus schlecht leitendem Material bilden sowohl Spannungsteiler als auch in ihrem Inneren die Oberflache zur Auslosung der Sekundarelektronen Etliche nebeneinander liegende Kanale ermoglichen zudem eine Ortsauflosung Der Ort kann durch Absaugen und Abbildung der austretenden Sekundarelektronen erfolgen Bildwandlerrohre oder durch Auftreffen auf eine quer verlaufende Verzogerungsleitung bzw einen Wellenleiter wobei die Zeitpunkte des Eintreffens des Impulses an beiden Enden der Leitung bestimmt werden Auch mit Mikrokanalplatten MCP ist der Nachweis einzelner Elektronen moglich Es konnen auch zwei Mikrokanalplatten hintereinander geschaltet werden wobei die Verstarkung am Ende der zweiten Platte gesattigt ist Zum Nachweis und der Identifizierung geladener Teilchen muss man das Potential der vorderen Mikrokanalplatte anpassen konnen Der Sekundarelektronenprozess besitzt ein starkes Rauschen zum einen weil die Kanale von einem Teilchen verschieden gut getroffen werden konnen zum anderen durch thermische Effekte Um Einzelpulse gleicher Hohe zu erhalten nutzt man Mikrokanalplatten mit so feinen und langen Kanalen dass die Verstarkung am Ende eines Kanals in der zweiten Platte aufgrund der Raumladung gesattigt wird Man erhalt so Pulse definierter Hohe mit einer Flanke die in fester zeitlicher Beziehung zum Eintreffzeitpunkt des Teilchens steht AnwendungPhotonen Photomultiplier Bildverstarker Elektronen Elektronenspektrometer LEED Elektronenmikroskop Photoelektronenspektroskopie Ionen Massenspektrometer Gammastrahlen Neutronen Neutrinos Kosmische Strahlung Szintillationszahler Nachweis der im Szintillator ausgelosten Lichtpulse WeblinksEintrag zu Sekundarelektronenvervielfacher im Flexikon einem Wiki der Firma DocCheckNormdaten Sachbegriff GND 4180794 7 GND Explorer lobid OGND AKS