Elektrische Kontakte

Für den Betrieb eines Elektronenvervielfacher-Kanals muß eine Potenzialdifferenz zwischen dem CEM-Eingang und dem CEM-Ausgang angelegt werden. Dieses Potenzial muß grundsätzlich vom CEM-Eingang zur Anode hin positiv ansteigen, so dass die Anode auf dem höchsten positiven Potenzial liegt. Eine Spannungsdifferenz von 100 V zwischen dem CEM-Ausgang und der Anode (Ziehspannung) beschleunigt die Elektronenwolke zusätzlich aus dem Kanal in Richtung Anode, was zu einer maximalen Verstärkung und einer minimalen Pulshöhenverteilung führt.

Gebrauch eines Widerstandes R zur Erzeugung einer Spannungsdifferenz von 100 V zwischen CEM und Anode

Abhängig von der Polarität der einfallenden primären Teilchen muß entweder eine positive Hochspannung an den CEM-Ausgang oder eine negative Hochspannung an den CEM-Eingang gelegt werden. Es ist wichtig, den einfallenden Primärteilchen keine Potenzialbarriere entgegenzusetzen, die deren Eintritt in die CEM-Öffnung verhindern könnte. Diese Überlegung gilt natürlich nicht für den Nachweis von UV- und Röntgenphotonen. Die einfachste Methode um eine Spannungsdifferenz zwischen CEM-Ausgang und Anode zu erzeugen, ist der Gebrauch eines Widerstandes von etwa 10 MOhm für Standard-CEMs mit einem typischen Wandwiderstand von 250 MOhm and 3 MOhm für die EDR-CEMs, der in Serie mit dem CEM geschaltet wird. Abb. 3 zeigt ein Beispiel für eine positive Betriebsspanung. Hier muß ein Kondensator in die Signalleitung, um den Ausgangspuls verarbeiten zu können.

Gebrauch einer Z-Diode zur Erzeugung einer Spannungsdifferenz von 100 V zwischen CEM und Anode

Um eine von der angelegten Hochspannung unabhängige Spannungsdifferenz von 100 V zu  erzeugen, ist es leichter, eine Z-Diode zu verwenden. Die Ziehspanung hängt nicht mehr vom genauen Wandwiderstand des CEMs ab, der sich im Laufe der Zeit erhöht und auch während des Betriebes von der Temperatur des Detektors abhängt. Es ist auch unabhängig davon, ob ein Standard- oder EDR-Typ benutzt wird. Eine geeignete Z-Diode ist beispielsweise der Typ BZX85C120 von VISHAY Semiconductors. Wichtig ist lediglich, dass die Z-Diode richtig herum eingebaut wird.

	Abb. 7 Die Kontrolleinheiten (gebaut von WMT-Elektronik GmbH) die wir verwenden, um die CEM-Eigenschaften zu bestimmen, wird benutzt zur Messung der
			Einbrennphase
			Startspannung
			Verstärkungscharakteristik nach dem Einbrennen
			Dunkelpulsrate
			Pulshöhenverteilung
			Verstärkung ggn. Zählraten-Diagramm
			Zählrate ggn. Betriebsspannung-Diagramm
	Die exzellenten Erfahrungen, die wir im Laufe der Jahre mit diesen Kontrolleinheiten gemacht haben, führte zur Entwicklung des Messsystems MEASAR und ermöglicht dem Kunden den Betrieb von CEMs mit einem einzigen Gerät.

Benutzung eines CEMs der Serie KBL im geschlossenen Modus (nur 2 elektrische Verbindungen)

Nicht immer sind ausreichend viele Vakuumdurchführungen vorhanden, um einen Widerstand oder eine Z-Diode verwenden zu können. Dies ist häufig der Fall bei alten Massenspektrometern, in denen CEMs eingebaut wurden, die geschlossen sind (geschlossener Modus). Ein wesentlicher Nachteil der geschlossenen CEMs ist, dass sie eine geringere Verstärkung bei gleicher Betriebsspannung haben als offene Sensoren, weil Raumladungseffekte am Ende des Kanals nicht durch die Betriebsspannung ausgeglichen werden. Die Lebensdauer eines solchen CEMs ist dadurch reduziert, dass weniger Spielraum für eine Erhöhung der angelegten Spannung bleibt, nachdem der Verstärkungsabfall begonnen hat.

Abb. 8 Vergleich der Verstärkungen eines Standard-CEMs im offenen und geschlossenen Modus bei mittlerer Zählrate. Der konstante Anoden-strom betrug 1 x 10e-6 A   Abb. 9 Vergleich der Verstärkungen eines Standard-CEMs im offenen und geschlossenen Modus bei sehr hoher Zählrate. Der konstante Anodenstrom betrug 1 x 10e-5 A

Elektronenvervielfacher-Kanäle als Teil eines elektro-optischen Systems

Sehr oft sind CEMs Teil eines elektro-optischen Systems, das aus Eingangsspalten, Ringelektroden oder Gittern besteht. Der Einfluß ihrer elektrischen Felder muß berücksichtigt werden. Neben erwünschten Effekten wie der Abstoßung geladener Teilchen durch ein Gitter oder der Vergrößerung der effektiven CEM-Fläche durch eine Ringelektrode können auch unerwünschte Effekte auftreten. Wenn der Abstand zwischen dem CEM und anderen elektro-optischen Elementen zu gering ist, kann dies zu Feldelektronenemission und damit zu unerwünschten Dunkelpulsen führen. Ein Massepotenzial vor einem CEM, das mit negativer Hochspannung betrieben wird, erzeugt ein Beschleunigungspotenzial für die Sekundärelektronen im CEM-Trichter und kann die Verstärkung signifikant verringern.

Widerstände, Kondensatoren und Z-Dioden innerhalb oder außerhalb der Vakuumkammer?

Leider gibt es keine elektronischen Komponenten, die für das Ultrahoch-Vakuum geeignet sind und bis 200°C ausgeheizt werden können. Ausnahmen sind Komponenten in SMD-Technologie (Surface-mounted device technology). Wir empfehlen deshalb, die notwendigen elektronischen Komponenten so nahe wie möglich an den Vakuumdurchführungen zu installieren, wenn sehr hohe Zählraten gemessen werden sollen. Die Länge der Signalkabels ist unkritisch (bis zu einigen Metern), solange der Eingangswiderstand des Vorverstärkers an die charakteristische Impedanz des Kabels angepaßt ist (normalerweise 50 Ohm). Dies ist der Fall bei den angebotenen Vorverstärkern der Serie PAD. Für positive Hochspannung sollte der Kopplungskondensator direkt an der Vakuumdurchführung positioniert sein. Das Signalkabel darf keine Hochspannung führen, weil das starke elektrische Feld im Kabel Dunkelpulse erzeugen würde.