Фотоэлектронный умножитель

Фотоэлектронный умножитель:

1. Введение;
2. Устройство и основные узлы фотоэлектронного умножителя:

1. Фотокатод;
2. Катодная камера;
3. Динодная система;
4. Анодный блок;

3. Принцип работы и режимы использования ФЭ:

1. Форма сигнала на выходе ФЭУ;
2. Режим счета одноэлектронных импульсов;
3. Режим постоянного тока;
4. Режим счета многоэлектронных импульсов;
5. Питание ФЭУ;

4. Вывод;

5. Литература.

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Введение 

     В 1934 году Л.А. Кубецким был получен первый действующий образец нового фотоэлектрического прибора – фотоэлектронного умножителя (ФЭУ).

     Трудно  переоценить значение этого изобретения  и его практического осуществления  для развития науки и техники, когда фотоэлектронные умножители получили столь широкое распространение  и стали незаменимым орудием  исследования в ядерной физике, в  оптике и астрономии, в биологии, медицине и сельском хозяйстве, в  химии и металлургии и находят  все более широкие технические  применения в автоматизации управления производственными процессами, в  поисках полезных ископаемых и т. п. Необходимо иметь в виду также, что сам метод вторично-электронного усиления умножения сделал возможной  непосредственную регистрацию отдельных  молекулярных, атомных и ядерных  частиц (электронные умножители), а  также нашел важные применения в  электронных лампах.

     Изобретение Л. А. Кубецкого, и особенно практическое его осуществление, открыло новый этап в развитии исследования любых явлений, связанных или могущих быть так или иначе связанными с испусканием и поглощением света, дав в руки исследователей электронный инструмент непревзойденной и принципиально непревосходимой чувствительности, точности и быстроты действия.

     Все значение фотоэлектронных умножителей  было оценено далеко не сразу. Оно

раскрылось лишь после того, как было показано, что  ни с каким другим приемником в  ядерной физике не может быть получено такой подробной информации об исследуемых

процессах, как  при посредстве фотоэлектронного умножителя. Этот новый этап развития начался  в 1948 г., т. е. на 14 лет позже рождения первого ФЭУ.

     Фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) - очень распространенный и во многих случаях незаменимый детектор излучения. Он позволяет регистрировать и предельно слабые и довольно интенсивные потоки. От единиц до … фотонов в секунду. Постоянная времени - порядка … с, т.е. допускает весьма высокие частоты модуляции. Может быть размещен на воздухе и в вакууме. На выходе дает легко измеримый сигнал. Все это с лихвой компенсирует неудобства, связанные с необходимостью использования высоковольтных блоков питания (0.5…2.5 кВ) и довольно большими габаритами ФЭУ. 

Устройство  и основные узлы фотоэлектронного умножителя 
 

 

Рис. 1 Схематичное изображение устройства ФЭУ. 

     Фотоэлектронный умножитель состоит из фотокатода (1), катодной камеры (1)–(3), динодной системы (3)–(14) и анодного узла (14)–(16), размещенных внутри вакуумного объема. Световой поток Φ поглощается фотокатодом, эмитирующим в вакуум электроны. В электростатическом поле, создаваемом электродами катодной камеры, электроны ускоряются и фокусируются на первый динод (3). Ускоренный первичный электрон способен выбить с поверхности несколько вторичных, медленных (отношение числа вторичных электронов к числу первичных называется коэффициентом вторичной эмиссии  и обычно обозначается буквой σ). Умноженные на первом диноде, вторичные электроны ускоряются и фокусируются на второй динод. Далее этот процесс повторяется на всех каскадах и с последнего динода усиленный электронный поток собирается анодом. Каждый динод работает и анодом, собирая электроны с предыдущего, и катодом, эмитируя усиленный поток. Отсюда и название - динод. 

     Фотокатод 

     Конструкция каждого ФЭУ должна обеспечить оптимальные  условия попадания светового излучения на фотокатод (оптический вход ФЭУ), поэтому применяются различные геометрические расположения фотокатода относительно оси вакуумной колбы и различные материалы входных окон.

     Для регистрации несфокусированного излучения используется торцевой оптический вход, изображенный на рис. 1. В этом случае полупрозрачный фотокатод, работающий на просвет (излучение попадает на фотокатод со стороны подложки), формируется при изготовлении в виде тонкой пленки непосредственно на плоском входном окне. Диаметр фотокатода может превышать 250 мм, но наиболее широко применяются ФЭУ с диаметрами рабочей площади от 5 до 50 мм.

     Сфокусированные световые пучки можно регистрировать и с фотокатодом малой площади, в том числе, работающим на отражение (излучение попадает на фотокатод со стороны вакуума). Входное окно при этом располагается или на торце, или на боковой стенке колбы.

     В этом случае мы имеем массивный фотокатод, формируемый на металлической, т.е. хорошо проводящей поверхности. Он имеет существенные преимущества перед полупрозрачным и по эмиссионным свойствам и, главное, по электрическим. Дело в том, что материал фотокатода - полупроводник с невысокой и сильно зависящей от температуры проводимостью. Электрод к полупрозрачному фотокатоду может быть подведен только по периферии, так что при больших интенсивностях света и соответственно больших токах эмиссии проводимость вдоль тонкой пленки от периферии к центру может оказаться недостаточной, особенно если фотокатод придется охлаждать для уменьшения

темнового тока. В массивном фотокатоде ток от металлического электрода к поверхности течет не вдоль, а поперек слоя и ограничений по величине фототока практически не возникает. 

     Катодная  камера 

     Катодная  камера ФЭУ образуется поверхностями  фотокатода и первого динода, а также расположенными между ними электродами, форма и распределение потенциалов на которых определяют ее электронно-оптические свойства. У неё две функции: вытягивание электронов с фотокатода и фокусировка их на первый динод. Отсюда и характеристические параметры.

• эффективность, т.е. коэффициент сбора электронов с фотокатода на первый динод.
• фокусировка, определяющая допустимое отношение рабочих площадей фотокатода и первого динода.
• разброс времен полета электронов вылетающих с различных точек фотокатода. Он приводит к неопределенности времени задержки импульса на выходе ФЭУ относительно момента поглощения фотона и определяет временную ширину многоэлектронного импульса.

 

 

Рис. 2. Некоторые варианты электронно-оптических систем для ФЭУ с торцевым входом. Числа у Электродов - потенциалы. 

     На  рис. 2 показаны три типа катодных камер ФЭУ с торцевым входом (и полупрозрачным фотокатодом). Ради улучшения эффективности сбора фотоэлектронов и, главное, ради уменьшения разброса времен их пролета из разных точек фотокатода, иногда приходится собирать довольно сложные электронно-оптические системы, как у ФЭУ-87 (рис. 2,в). 

     Динодная  система 

     Материал  динода и энергия падающих на него электронов определяют только коэффициент вторичной эмиссии. Кроме него, умножительные свойства каждого каскада и динодной системы в целом зависят и от следующих параметров, чувствительных к конструкции системы:

• эффективность, т.е. отношение величины усиления динода к коэффициенту вторичной эмиссии применяемого материала. Эффективность может быть меньше единицы из-за возможного выталкивания электронов объемным зарядом за пределы динода-мишени. В жалюзийных  системах возможен также прямой пролет электронов, минуя ближайший динод на следующий.
• разброс времени пролета электронов на каскад, определяющий быстродействие системы - ширину одноэлектронного импульса на выходе ФЭУ.
• величина градиента потенциала у эмитирующей поверхности, от которой зависят и быстродействие, и линейность световой характеристики. Нелинейность возникает на последних каскадах, где велики плотности тока. При малом градиенте потенциала медленные вторичные электроны могут создать объемный заряд у поверхности эмитирующего динода, достаточный для того, чтобы часть электронов вернулась на динод.
• острота фокусировки, определяющая критичность выполнения заданных геометрических размеров и распределения потенциалов на электродах.
• рабочая площадь, определяющая токоустойчивость и постоянство характеристик в широком диапазоне интенсивностей, а значит, и величин токов на динодах.
• обратная связь в динодной системе, возникающая при переносе возбуждения в сторону фотокатода. Обратная связь может возникать вследствие ионизации молекул остаточных газов либо возбуждения люминесценции поверхностей или остаточных газов электронным ударом. Положительный ион вытягивается полем в сторону, противоположную электронному потоку и, упав на динод, выбивает из него электроны, включающиеся в общий поток. Генерируемый квант люминесценции также может поглотиться и создать дополнительный .затравочный. фотоэлектрон где-нибудь близ первого динода. Конструкции динодных систем бывают различны. В основном, в выпускаемых промышленно ФЭУ используются коробчатые системы, жалюзийные, корытообразные. Реже - системы с непрерывным динодом.
• в коробчатой системе (рис. 3 а, б (определенный ниже)) динод представляет собой часть поверхности цилиндра (в сечении обычно 1/4 окружности), закрытую с торцов крышками. Эта система характеризуется неострой фокусировкой электронов, малой напряженностью электрического поля у поверхности динода и малой величиной его рабочей площади.

 

     Достоинства коробчатой системы . высокая эффективность  каскада (~95%) при использовании различных типов вторично-эмиссионных поверхностей (SbCs и BeO на СuBe), жесткость формы динода, почти полная экранировка пролетных промежутков от влияния крепежных изоляторов, компактность. Широко применяется при создании малошумящих механически устойчивых ФЭУ. 
 

     

 

     Рис. 3. Динодные системы ФЭУ.  

     Корытообразные  дидоны (рис. 3,в) - почти тоже самое, что и коробчатые, но у них нет боковых стенок, а форма поверхности динода обеспечивает нужную фокусировку электронов. В системах с острой фокусировкой используются различные варианты корытообразных динодов. Например, тороидальные диноды, представляющие собой поверхности тела вращения этого профиля. Так же и в вакуумном диоде, кенотроне. Для полного сбора на анод термоэлектронов, испущенных катодом, т.е. насыщения анодного тока, требуются анодные напряжения порядка ста вольт.

     Жалюзийная  система (рис. 3, г) имеет диноды, состоящие из наклонных полосок . лопастей жалюзи, являющихся эмиттерами вторичных электронов, и прозрачной сетки, находящейся под тем же потенциалом. Сетка экранирует жалюзи от тормозящего поля предыдущего динода, обеспечивая попадание вторичных электронов на лопасти следующего динода. У такой системы рабочая площадь динода относительно велика, а междинодное расстояние может быть сделано достаточно малым. Электрическое поле между жалюзийными динодами является приблизительно однородным. При переходе с каскада на каскад по мере увеличения числа и плотности электронов в пачке происходит ее расширение из-за взаимного расталкивания электронов. Жалюзийная система характеризуется неострой фокусировкой и не препятствует этому расширению, что увеличивает площадь динода, по которой распределяется электронный поток, и обеспечивает устойчивость сигнала ФЭУ при больших токовых нагрузках. В то же время, напряженность электрического поля у поверхности динода велика и это позволяет довести разброс времен пролета электронов между двумя каскадами до величин менее 1 нс. 

     

 

     Рис. 4 Фотоэлектронный умножитель, состоящий из полупрозрачного фотокатода (1), электронного умножителя с непрерывным динодом (2) и коллектора (3). 

     Недостатком жалюзийной системы является возможность  пролета электронов через динод без умножения, т.е. невысокая эффективность динодного каскада. Эта же причина ухудшает и временное разрешение.