Фотопомножувачі

Фотоелектронний помножувач (ФЕП) - пристрій, призначений для підсилення слабкого світлового сигналу й перетворення його в електричний.

Фотоелектронний помножувач складається із фотокатоду, з якого при поглинанні кванта світла завдяки фотоефекту вибиваються електрони та кількох додаткових електродів, з яких вибиті й прискорені електрони вибивають нові вторинні електрони завдяки вторинній електронній емісії.

Сучасні ФЕП – це високоякісні одноканальні приймачі випромінювання в ультрафіолетовому, видимому, і ближньому інфрачервоному діапазонах спектра (120 – 1200 нм). Світлочутливою поверхнею фото помножувача є фотокатод. Якщо електричним полем зібрати електрони, які вилетіли з фотокатода, ми отримаємо фотоелемент.

Технічний ФЕП являє собою скляну циліндричну колбу, в якій створений вакуум. Щоб виготовити напівпрозорий фотокатод, на внутрішню поверхню переднього торця цієї колби, спочатку наноситься тонка підкладка з металу (як правило з хрому). А потім на неї наноситься речовина, яка добре виділяє електрони під дією світла. Такими речовинами є метали та їхні оксиди, з обов’язковими домішками лужних металів: цезію, рубідію, калію, натрію. При попаданні світла на тонку прозору плівку в цих лужних металів створюється найкраща умова для вивільнення фотоелектронів.

Спектральний квантовий вихід k(λ) = число вибитих електронів / число фотонів в даному інтервалі частот.

Спектральна чутливість ФЕП.

Найменшу чутливість у видимій області має срібно-киснево-цезієвий катод S–1 (за ДСТУ С1). Хоча у цього фотокатода невисока чутливість у видимій області, зона його спектральної чутливості простягається до 11000 – 12000 Ǻ., тобто він продовжує працювати у ближній інфрачервоній області.

Фотопомножувач з катодом типа S–11 (за ДСТУ–С6). Це - сурм'яно-цезієвий катод. В області 4000 Ǻ. він має в 20 разів більший квантовий вихід, в порівняні з катодом типу S-1. До 6500 Ǻ Чутливість того катода спадає практично до нуля.

Фотокатод типу S–20 (за ДСТУ–С11), називається мультилужним. В його склад входить Sb(Na2K), з адсорбованим шаром цезію на поверхні. Ці катоди найбільше використовуються в зоряній астрономії. В будь-якого фотокатода, до якого підключена напруга, виникає фотострум, навіть за відсутності освітлення. Це явище має назву термоелектронної емісії. Воно викликане тепловим рухом електронів. Фотострум, викликаний цим рухом, називаєтся темновим струмом. В срібно-киснево-цезієвих катодах типу S-1, при кімнатній температурі, термоемісія дуже велика: кожну секунду вилітають десятки тисяч термоелектронів. Зменшити темновий струм можна шляхом охолодження фотокатода. Часто використовується охолодження твердою вуглекислотою до температури –70 °C. Фотокатоди типів S-11 і S-20 мають при кімнатній температурі, термоемісію на 3–4 порядки меншу, тому охолодження не використовується.

Загалом робота фотопомножувача визначається

1) спектральною характеристикою його фотокатода,

2) характеристиками темнового струму його фотокатода,

3) підсиленням дінодного ланцюга,

4) ефектами тимчасової дисперсії електронів, що проходять по дінодному ланцюгу,

5) часом прольоту електронів між останнім дінодом і анодом.

темнового струму повинні працювати при температурі приблизно - 25 С.

В паспорті: тип фотокатода, число каскадів, номінальна напруга між анодом і катодом, номінальна напруга між катодом і емітером, інтегральна (анодна) чутливість, А-Лм-1; темновий найбільший струм; область спектральної чутливості, максимальна спектральна чутливість.

Інтегральна чутливість фотоелементів і ФП, які приводяться в каталогах, визначена для стандартного джерела білого світла А.

Використовуеться в:

· Сцинтиляційних лічильниках

· ядерній фізикці - в установках для вивчення короткочасних процесів (тимчасові ФЕУ);

· Оптика, телебачення, лазерна техніка.

· Хемілюмінесценція.

· Фізика елементарних частинок - для реєстрації нейтрино (Проекти "Полтергейст", AMANDA).

Найбільш поширені ФЕУ, в яких посилення потоку електронів здійснюється за допомогою кількох спеціальних електродів зігнутої форми - «дінодів», що володіють коефіцієнтом вторинної емісії більше 1. Для фокусування і прискорення електронів на анод і діноди подається висока напруга (600-3000 В). Іноді також застосовується магнітне фокусування, або фокусування в схрещених електричному і магнітному полях.

Існують ФЕП з напівпровідниковими елементами множення (гібридні), принцип дії яких заснований на явищі іонізації атомів напівпровідника при його бомбардуванні електронами.

Залежно від конструкції дінодної системи ФЕУ поділяються на:

• системи на дискретних дінодах з електростатичним фокусуванням електронних пучків (коробчаті, ковшеподібної і тороідальної форми),

• системи на дискретних дінодах наскрізного типу (дінодами є сітки, жалюзі, плівки),

• системи на розподілених дінодах (пластинчасті, щілинні і трубчасті).

Середній термін служби 800-1000 робочих годин, За правильн. експлуат. - 2-3 тис. роб. год.

КРЕМНІЄВІ ФОТОПОМНОЖУВАЧІ

Твердотільна альтернатива традиційним ФЕП. Високий коефіцієнт підсилення і квантову ефективність, компактні розміри, нечутливість до впливу магнітних полів, низька напруга живлення, механічна міцність і стійкість до зовнішньої засвітки. Високе значення відношення сигналу до шуму і швидкі часові характеристики.