5. Фотоэлектронный умножитель, устройство и принцип действия.
Регистрация сцинтилляционных вспышек в современных детекторах осуществляется с помощью фотоэлектронных умножителей. ФЭУ представляет собой электровакуумный прибор, соединяющий в себе свойства фотоэлемента и усилителя тока [5].
Основные конструктивные особенности ФЭУ представлены следующими элементами.
Фотокатод – тонкий проводящий слой специального состава (на основе щелочных металлов [6]), наносящийся на внутреннюю поверхность плоского торца стеклянного баллона ФЭУ цилиндрической формы. Именно к внешней стороне этого торца ФЭУ крепится сторона со стеклом блока сцинтиллятора. Фотокатод с малой работой выхода фотоэлектронов имеет высокую чувствительность к внешнему фотоэффекту, причем область спектральной чувствительности фотокатода соответствует спектральному составу излучения сцинтиллятора. Коэффициент термоэмиссии фотокатода при рабочих температурах (комнатные) должен быть минимальным, в противном случае термоэлектроны создадут значительные шумы на выходе ФЭУ.
Система динодов– система последовательно расположенных в пространстве электродов, изготовленных из металлов с большим коэффициентом вторичной электронной эмиссии. Число динодов (обычно 10-12 шт.) определяет коэффициент умножения (усиления) ФЭУ.
Анод – отдельный электрод, расположенный после динодов, на который собирается усиленный («умноженный») поток электронов.
Фотокатод, диноды и анод ФЭУ собраны в вакуумированной цилиндрической стеклянной колбе, с плоским торцом со стороны фотокатода для удобства создания светового контакта с блоком сцинтиллятора. Расположение в колбе динодов и анода ФЭУ предусматривает максимально возможное собирание потока электронов. Колба ФЭУ имеет выводы от каждого электрода фотоумножителя, размещеные на другом торце баллона (на рис. эти выводы для простоты рисунка показаны сбоку). От высоковольтного источника питания с помощью специального делителя из резисторов на электроды ФЭУ подается напряжение, причем положительный потенциал относительно фотокатода последовательно растет от фотокатода к следующему очередному диноду вплоть до анода.
Отметим, что на приведенной схеме «+» источника высокого напряжения заземлен, т.е. анод ФЭУ находится под нулевым потенциалом относительно Земли (корпуса детектора, блоков питания и т.п.). В такой схеме включения ФЭУ, конденсатор С, через который импульс с анода ФЭУ поступает на последующие блоки измерительной аппаратуры, не требует особо высокого рабочего напряжения. В зависимости от конструктивных особенностей сцинтилляционного детектора возможна и схема с противоположным включением полярности высоковольтного питания делителя ФЭУ.
Принцип действия фотоэлектронного умножителя состоит в следующем. Фотоны сцинтилляции, попадая на фотокатод ФЭУ, за счет фотоэффекта вырывают из его светочувствительного слоя некоторое количество электронов, пропорциональное в среднем числу фотонов вспышки. Под действием приложенного электрического поля электроны, ускоряясь, направляются последовательно на диноды ФЭУ, которые, в результате бомбардировки, за счет вторичной электронной эмиссии испускают электроны в количестве, значительно превышающем число пришедших на диноды, однако, пропорциональном ему.
Таким образом, на аноде ФЭУ собирается достаточно большое количество электронов, для наиболее распространенных фотоумножителей примерно в М 10 6 раз большее числа первичных, и пропорциональное, в среднем, числу первичных фотоэлектронов, т.е. числу фотонов или энергии сцинтилляционной вспышки, т.е. энергии регистрируемой частицы. Эти электроны создают на аноде ФЭУ импульс тока с амплитудой, пропорциональной энергии частицы, зарегистрированной детектором, который в дальнейшем исследуется комплексом измерительной аппаратуры.
ФОТОЭЛЕКТРОННЫЙ УМНОЖИТЕЛЬ
Физический энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия . Главный редактор А. М. Прохоров . 1983 .
(ФЭУ) — фотоэлектронный прибор, в к-ром фототок усиливается с помощью вторичной электронной эмиссии; предназначен для регистрации слабых излучений. Состоит из фотокатода, эмитирующего поток электронов под действием оптич. излучения (фототок), э л е к т р о н н о-о п т и ч е с к о й с и ст е м ы в х о д а (входной камеры), создающей электрич. поле, фокусирующее или собирающее электроны с фотокатода на вход умножит. системы, д и н о д н о й у м н о ж и-т е л ь н о й с и с т е м ы, обеспечивающей умножение электронов в результате вторичной электронной эмиссии, и анода — коллектора вторичных электронов (рис. 1). ФЭУ впервые предложен и разработан Л. А. Кубецким в 1930-1934.
Рис. 1. Схемы фотоэлектронных умножителей с линейными дискретными динодными системами: а- с корытообразны ми динодами; б- с жалюзийными динодами; Ф — световой поток; К — фотокатод; В — фокусирующие электроды вход ной камеры; Э — диноды; А — анод. Штрихпунктирными линиями изображены траектории электронов.
В ФЭУ используются те же фотокатоды, что и в фотоэлементах с внеш. фотоэффектом. Обычно их выполняют из полупроводниковых материалов на основе соединений типов A I B V и A III B V (Cs 3 Sb, GaAs и др.). Наиб. распространены ФЭУ с полупрозрачным фотокатодом, нанесённым на внутр. торцевую поверхность стеклянного баллона.
Кроме электростатич. фокусировки иногда применяются магн. фокусировка и фокусировка в скрещённых электрич. и магн. полях.
Основные параметры ФЭУ: с в е т о в а я а н о д н а я ч у в с т в и т е л ь н о с т ь (отношение анодного фототока к вызывающему его световому потоку при номинальных потенциалах электродов) составляет 1 -10 4 А/лм; с п е к тр а л ь н а я ч у в с т в и т е л ь н о с т ь находится обычно в диапазоне 105-1200 нм (чувствительность в УФ-области спектра определяется характеристиками входного окна ФЭУ, в ближней ИК-области — красной границей фотоэффекта); коэф. усиления лежит, как правило, в пределах 10 3 -10 8 ; т е м н о в о й т о к (ток в анодной цепи в отсутствие светового потока) не превышает 10 -9 -10 -10 А.
Наиб. широко используются ФЭУ, в к-рых усиление электронного потока осуществляется при помощи системы д и с к р е т н ы х д и н о д о в — электродов корытообразной, коробчатой, тороидальной или жалюзийной формы с линейным либо (реже) круговым расположением, обладающих коэф. вторичной эмиссии s>1 . Усиленный во много раз (от 10 до 10 8 ) фототок, снимаемый с анода, получается в таких ФЭУ в результате умножения электронов последовательно на каждом из отд. динодов. Питание ФЭУ подаётся через делитель напряжений, распределяющий напряжение между электродами. Существуют также умножит. системы, представляющие собой н е п р е р ы в н ы й динод — канал (относительно длинная трубка, прямая или изогнутая, либо близко расположенные пластины), к концам к-рого приложено напряжение (обычно 1-3 кВ), На внутр. поверхности канала создан активный слой (s>1), обладающий распределённым электрич. сопротивлением. Перемещение вторичных электронов происходил под действием аксиального электрич. поля (рис. 2). Коэф усиления в прямом канале достигает 10 4 -10 5 , в изогнутом (дуги, спирали и т. п.) -10 6 -10 9 . В быстродействующих и координато-чувствительных ФЭУ применяют многоканальные умножительные системы в виде одной или нескольких т. н. микроканальных пластин — стеклянных пластин толщиной 0,4-1 мм, пронизанных множеством (10 5 -10 6 ) параллельных каналов диаметром 5-50 мкм и обеспечивающих коэф. усиления 10 4 -10 8 . В координато-чувствительных ФЭУ аноды выполнены в виде полос, квадрантов и др. Для изготовления дискретных динодов обычно используют сурьмяно-щелочные слои, нанесённые на металлич. подложку, а также сплавы на основе Сu и Аl (напр., Сu — Be, Сu — Al — Mg) и полупроводниковые соединения элементов III и V групп периодич. системы, проактивированные спец. образом с целью получения бoльших ст. Каналы непрерывных динодов изготовляют, как правило, из стекла с высоким содержанием Рb.
Рис. 2. Одноканальный электронный умножитель; d -диаметр канала; l -длина канала; стрелки — тра ектории электронов.
ФЭУ широко используются для регистрации слабых излучений (вплоть до уровня одиночных квантов), т. к. обладают большим усилением при низком уровне собств. шумов, а также для изучения кратковрем. процессов. Наиб. применение ФЭУ получили в ядерной физике в качестве элементов сцинтилляц. счётчика. Кроме того, ФЭУ применяются в оптич. аппаратуре, устройствах телевиз. и лазерной техники и др. Умножительные системы с анодами (без фотокатодов) используются для непосредственной регистрации в вакууме низкоэнергетических частиц, вакуумного ультрафиолета и мягкого рентгеновского излучения- т. н. вторично-электронные умножители с открытым входом.
Лит.: Берковский А. Г., Гаванин В. А., Зайдель И. Н., Вакуумные фотоэлектронные приборы, 2 изд., М., 1988; Одноэлект-ронные фотоприемники, 2 изд., М., 1986; Айнбунд М. Р., Поленов Б. В., Вторично-электронные умножители открытого типа и их применение, М., 1981; Дунаевская Н. В., Урвалов В. А., Дунаевский В. Л., Фотоэлектронные умножители — от трубки Ку-бецкого до наших дней, «Электронная техника», 1985, сер. 4, в. 6, с. 15. М. Р. Айнбунд, Н. В. Дунаевская.
Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия . Главный редактор А. М. Прохоров . 1988 .
Фотоумножитель (ФЭУ)
Фотоумножитель (ФЭУ) — электровакуумный прибор, усиление тока в котором происходит за счет вторичной электронной эмиссии. Он используется в качестве детектора в спектральных приборах.
Особенности конструкции
Конструкция ФЭУ состоит из электровакуумного фотоэлемента, объединенного с электронной системой усиления в одном корпусе. Фотокатод эмитирует электроны, которые ускоряются и фокусируются фокусирующим электродом. Затем они попадают на первый динод, после бомбардировки которого с его поверхности выходит большее число электронов, чем упало. Далее умноженные и ускоренные электроны ускоряются вторым динодом, и процесс повторяется на всех каскадах. Таким образом, динод выполняет одновременно функцию анода и катода, что определило его название.
В состав входной камеры, как правило, входит фотокатод и электронно-оптическая система, необходимая для фокусировки потока фотоэлектронов. Исполнение фотокатода зависит от конструкции ФЭУ и назначения прибора. Он может быть полупрозрачным или массивным. В первом случае фотокатод располагается в торце, во втором — на боковом входе сигнала.
Виды динодных систем
Конструкция динодных систем отличается разнообразием, и должна отвечать следующим требованиям:
Фотоумножители
Приборы, в которых усиление слабых фототоков осуществляется с помощью вторичной электронной эмиссии, называются фотоэлектронными умножителями. Простейший однокаскадный умножитель содержит катод, анод и динод, заключенные в стеклянном вакуумном баллоне. Катод и динод наносятся на внутреннюю поверхность стекла. Анодом служит кольцо, расположенное перед динодом.
Фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) представляет собой электровакуумный прибор, в котором электронный фотоэлемент дополнен устройством для усиления фототока за счет вторичной электронной эмиссии. Впервые в мире ФЭУ были изобретены советским инженером Л. А. Кубецким в 1930 г. В дальнейшем ряд удачных конструкций ФЭУ создали П. В. Тимофеев и С. А. Векшинский.
Рис. 7. Принцип устройства и работы ФЭУ
Принцип работы ФЭУ иллюстрирован на рис. 7. Световой поток Ф вызывает электронную эмиссию из фотокатода ФК. Фотоэлектроны под действием ускоряющего электрического поля направляются на электрод Д 1 называемый динодом. Он является анодом по отношению к фотокатоду и одновременно играет роль вторично-электронного эмиттера. Динод делается из металла с достаточно сильной и устойчивой вторичной электронной эмиссией. Поэтому первичные электроны (ток I ф), идущие с фотокатода, выбивают из динода Д 1вторичные электроны, число которых в σ раз больше числа первичных электронов (σ — коэффициент вторичной эмиссии динода Д 1 обычно равный нескольким единицам). Таким образом, ток вторичных электронов с первого динода I 1 = σ I ф. Ток I 1направляется на второй динод Д 2, имеющий более высокий положительный потенциал. Тогда от динода Д 2 за счет вторичной эмиссии начинается ток электронов I 2, который в σ раз больше тока I 1(для упрощения будем считать, что у всех динодов коэффициент вторичной эмиссии один и тот же), т. е. I 2 = σ I 1 = σ 2 I ф. В свою очередь, ток I 2направляется на третий динод Д 3, у которого положительный потенциал еще выше, и от этого динода течет ток электронов I 3 = σ I 2 = σ 3 I ф, и т. д.
С последнего, n-го, динода Д n электронный ток I n направляется на анод А, и тогда ток анода 1 а =I n = σ n I ф. Таким образом, коэффициент усиления тока k i= σ n . Например, если σ = 10 и п = 8, то k i = 10 8 . Практически усиление меньше, так как не удается все вторичные электроны, выбитые из данного динода, направить на следующий динод. Чтобы большее число вторичных электронов было использовано, разработаны ФЭУ с различной формой и различным взаимным расположением электродов. Для фокусировки потока вторичных электронов применяют, как правило, электрическое поле, поскольку фокусировка магнитным полем требует громоздких магнитных систем.
Простейший однокаскадный ФЭУ имеет фотокатод, динод и анод. У многокаскадных ФЭУ может быть коэффициент усиления тока до нескольких миллионов, а интегральная чувствительность достигает десятков ампер на люмен. Как правило, ФЭУ работают при малых анодных токах и малых световых потоках. Ток анода обычно бывает не более десятков миллиампер, а световые потоки на входе могут быть 10 -3 лм и менее.
Поскольку на каждом следующем диноде напряжение выше, чем на предыдущем, то анодное напряжение должно быть высоким (1—2 кВ), что является недостатком ФЭУ. Обычно питание ФЭУ осуществляется через делитель, на который подается полное анодное напряжение (рис. 8). В цепь анода включается нагрузочный резистор R H, с которого снимается выходное напряжение.
Рис. 8. Схема включения ФЭУ
Для ФЭУ, как и для обычных фотоэлементов, характерен темновой ток, обусловленный термоэлектронной эмиссией фотокатода и динодов. Он составляет малые доли микроампера. Этот ток может быть уменьшен охлаждением прибора. Значением темнового тока ограничивается минимальный световой поток, который можно регистрировать с помощью ФЭУ. А минимальные изменения светового потока ограничиваются флюктуациями эмиссии фотокатода и темнового тока. Следует отметить, что эти флюктуации невелики, т. е. ФЭУ являются малошумящими приборами. Коэффициент шума F шу них обычно 1,5 — 2,0 (напомним, что у идеального «нешумящего» усилителя F ш= 1).
Рис. 9. Зависимость коэффициента усиления тока и интегральной чувствительности от напряжения питания ФЭУ
Основные параметры ФЭУ: область спектральной чувствительности (диапазон длин волн), в которой можно применять данный ФЭУ; число ступеней умножения; общий коэффициент усиления тока; напряжение питания; интегральная чувствительность; темновой ток. В качестве характеристик ФЭУ обычно рассматриваются световая характеристика I а =f (Ф), а также зависимости коэффициента усиления k iи интегральной чувствительности S Σот напряжения питания E а (рис. 9).
Фотоэлектронные умножители обладают малой инерционностью и могут работать на весьма высоких частотах. Их применяют для регистрации световых импульсов, следующих через наносекундные промежутки времени. Кроме того, ФЭУ применяются во многих областях науки и техники — в астрономии, фототелеграфии и телевидении, для измерения малых световых потоков, для спектрального анализа и т. д. В полупроводниковой электронике нет пока приборов, заменяющих ФЭУ.
Список литературы
1.Соболева Н.А., Берковский А.Г., Чечик Н.О. Фотоэлектронные приборы.,Москва., "НАУКА", 1965.
2.Аксенов А.И., Злобина А.Ф., Панковец Н.Г., Носков Д.А. Вакуумные и плазменные приборы и устройства.Томск, 2007.
Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями: