Что такое фотоэлектронный умножитель
Перейти к содержимому

Что такое фотоэлектронный умножитель

  • автор:

Что такое фотоэлектронный умножитель

Фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) — это фотоэлектрический приемник излучения, преобразующий световой сигнал в электрический. Он состоит из откаченного небольшого баллончика со стеклянным или кварцевым окошком, через которое свет падает на фотокатод ФК. В баллон впаяны электроды, между которыми приложено напряжение. Фотоэлектроны, эммитируемые при освещении фотокатода, ускоряются электрическим полем и попадают на первый электрод (динод Д 1 ), вызывая эмиссию вторичных электронов. Большинство вторичных электронов после ускорения попадают на следующий динод, где процесс повторяется, и т.д. Вторичные электроны с последнего из динодов собираются на аноде А. В результате, сила тока на выходе ФЭУ будет пропорциональна интенсивности падающего на фотокатод излучения. Общий коэффициент усиления такой системы, имеющей 10-15 динодов, достигает , что позволяет измерять очень малые световые потоки.

Счет фотонов.

При измерении малых световых потоков, когда на фотокатод ФЭУ в единицу времени попадают отдельные фотоны, оказывается выгоднее измерять не силу тока в анодной цепи ФЭУ, а считать отдельные импульсы тока, образующиеся на выходе ФЭУ в результате попадания фотонов на фотокатод. Считая число импульсов (фотонов), можно определить световой поток и интенсивность падающего на фотокатод излучения. Этот метод измерения световых потоков называется счетом фотонов.

Фотоэлектронные умножители

Двухэлектродные электровакуумные фотоэлементы являются малочувствительными приборами, даже при использовании в них современных высокоэффективных фотокатодов. При значительных световых потоках этот недостаток не имеет существенного значения. Однако практически изменения световых потоков, воздействующих на фотоэлемент, редко превышают сотые доли люмена. Поэтому изменения фототока под воздействием подобных меняющихся световых потоков измеряются всего лишь долями микроампера. Если учесть, что в схемах, работающих на звуковых частотах, например в усилителях звукового кино, сопротивление нагрузки фотоэлемента не может превышать 150— 200 ком, то нетрудно убедиться, что на выходе фотоэлемента (на его нагрузочном сопротивлении) получается очень слабое переменное напряжение — порядка десятков милливольт, которое может быть практически использовано лишь после значительного усиления.

С целью получения достаточно большого выходного напряжения от фотоэлементов применяются фотоэлектронные умножители — приборы, в которых осуществляется внутреннее усиление фототоков за счет явления вторичной электронной эмиссии. Если у обычных двухэлектродных ионных фотоэлементов коэффициент усиления достигает 6—8, то в фотоэлектронных умножителях можно получить усиление порядка сотен тысяч раз, чувствительность их достигает нескольких ампер на люмен.

Рис. 64 поясняет принцип действия трехступенного фотоэлектронного умножителя. Он состоит из фотокатода, нескольких динодов (вторичных катодов, на рис. 64 их два) и анода.

Рис. 64. Принципиальная схема, иллюстрирующая действие фотоэлектронного умножителя.

Под действием света фотокатод покидает некоторое количество электронов. Эти электроны, попадая в ускоряющее электрическое поле между фотокатодом и первым динодом, бомбардируют динод и выбивают из него вторичные электроны. Материал динода подобран таким, чтобы коэффициент вторичной эмиссии его был не менее 8—10, т. е. чтобы каждый первичный электрон выбивал с поверхности динода 8—10 электронов. Вторичные электроны попадают в ускоряющее электрическое поле, которое должно довести их до второго динода. Со второго динода выбивается еще большее количество электронов, которые устремляются к аноду фотоэлектронного умножителя и образуют ток в анодной цепи.

Если обозначить ток фотокатода через I ф1, то анодный ток фотоэлектронного умножителя будет равен

где σ — коэффициент вторичной эмиссии, определяемый конструктивными особенностями прибора и распределением потенциалов между электродами; n — число динодов.

Выражение (81) справедливо при одинаковых коэффициентах σ вторичной эмиссии у всех динодов данного фотоумножителя. Отсюда коэффициент усиления фотоумножителя приближенно можно определить по формуле

Получаемое по формуле (82) значение коэффициента усиления является приближенным, так как эта формула не учитывает возможности рассеяния вторичных электронов на участках их полета между динодами, а также различных значений а у разных динодов. Поэтому в формулу (82) вводят поправочный коэффициент, характеризующий реальную эффективность работы фотоумножителя,

Величина θ меньше единицы (порядка 0,5—0,6).

Для повышения коэффициента усиления фотоэлектронного умножителя диноды делают вогнутыми, чтобы поток вторичных электронов, излучаемых предыдущим динодом, полностью попадал на следующий. Кроме того, применяют электростатическую и магнитную фокусировки, создающие направленное движение электронов.

В фотоумножителях, так же как и в рассмотренных выше фотоэлементах, наблюдается темновой ток. Причинами его появления являются термоэлектронная эмиссия с фотокатода и динодов, автоэлектронная эмиссия, ток утечки. Существенным недостатком фотоэлектронных умножителей являются старение (снижение чувствительности), утомляемость, нестойкость к световым перегрузкам и необходимость высоковольтного источника питания (порядка нескольких сотен вольт).

В фотоэлектронных умножителях находит применение электростатическо-магнитная фокусировка, т. е. электронный поток фокусируется одновременным воздействием на него взаимно перпендикулярных электрического и магнитных полей. При этом напряженность магнитного поля подбирается так, чтобы циклоидные траектории летящих электронов оканчивались на поверхности следующего динода.

Для повышения чувствительности фотоэлектронного умножителя, кроме фокусировки, можно использовать и высокочастотное электрическое поле ( рис. 65 ).

Рис. 65. Фотоэлектронный умножитель с высокочастотным полем. 1—фотокатод; 2 и 3 — катоды; 4 — анод.

При освещении фотокатода 1 пучок электронов проникает в пространство между катодами 2 и 3, к которым приложено переменное напряжение высокой частоты Е2. Расстояние между катодами выбирается таким, чтобы время пролета электронов от одного катода к другому равнялось длительности пол у пер иода высокой частоты. Все электроны, находящиеся в плоскости отверстия катода 2, в момент, когда разность потенциалов между катодами приобретает положительное значение, начинают ускоренно двигаться к катоду 3 и, достигая его поверхности, выбивают оттуда вторичные электроны.

Поскольку в этот момент меняется полярность переменного напряжения между катодами, то вторичные электроны начинают ускоренно двигаться уже в направлении катода 2, вызывая вторичную электронную эмиссию с его поверхности. Таким образом, колебательный ток внутри прибора нарастает с каждым периодом переменного напряжения между катодами. На цилиндрический анод 4, расположенный между катодами, подается небольшой по отношению к ним положительный потенциал. Часть электронного потока отсасывается анодом и в анодной цепи образуется ток, пропорциональный первичному электронному потоку через отверстие катода 2, а значит и освещенности катода. Достоинством таких умножителей является то, что они не нуждаются в высоковольтном источнике питания.

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.

Фотоумножитель (ФЭУ)

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:

  • большое усиление;
  • высокое быстродействие;
  • линейность энергетических характеристик;
  • высокий уровень эффективности.

Основные виды динодных систем:

  • С дискретными динодами. В них умножительные каскады не требуют дополнительной фокусировки. Такая система малочувствительна к воздействию внешнего магнитного поля, однако, по чувствительности и временному разрешению уступают другим аналогичным приборам.
  • С распределенными динодами (пластинчатые, щелевые, канальные).
  • Гибридные ФЭУ. В качестве умножающего элемента используются полупроводниковые диоды или транзисторы. Отличаются большим выходным током, компактностью и высоким быстродействием. Не чувствительны к воздействию внешних магнитных полей.

фотоэлектронный умножитель

Рождение планеты

ФОТОЭЛЕКТРОННЫЙ УМНОЖИТЕЛЬ (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.

5074-46.jpg5074-47.jpg

Рис. 1. Схемы фотоэлектронных умножителей с линейными дискретными динодными системами: а-с корытообразными динодами; б-с жалюзийными динодами; Ф — световой поток; К — фотокатод; В — фокусирующие электроды входной 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 больших ст. Каналы непрерывных динодов изготовляют, как правило, из стекла с высоким содержанием Рb.

5074-48.jpg

Рис. 2. Одноканальный электронный умножитель; d-диаметр канала; l-длина канала; стрелки — траектории 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.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *