Фотоэлектронные умножители

6.2.1 Принцип действия и конструктивные особенности. Фотоприемники, использующие для усиления слабых электронных потоков испускаемых фотокатодами явление вторичной электронной эмиссии, называются фотоэлектронными умножителями (ФЭУ). Электоды ФЭУ, на которых наблюдается вторичная электронная эмиссия, называются динодами, а вся система динодов – динодной системой ФЭУ.

Конструктивно от вакуумного фотоэлемента ФЭУ отличается тем, что кроме фотокатода 2 и анода 6 содержит еще фокусирующую систему 4, диафрагму 5 и дополнительные электроды Д₁ …Д₆ (диноды), являющиеся эмиттерами вторичных электронов (рисунок 10). В некоторых типах ФЭУ имеется модулятор электронного потока 3, в виде сетки, расположенной вблизи фотокатода. На модулятор подается переменное напряжение. В этом случае отпадает необходимость в модуляции регистрируемого излучения.

Падающий на фотокатод поток излучения вызывает электронную эмиссию пропорциональную потоку. Электроны вылетают из фотокатода с разными скоростями и под разными углами. Фокусирующая система собирает их на первый динод. Пространство между первым динодом и фотокатодом называется входной камерой ФЭУ. Во входной камере осуществляется фокусировка и ускорение фотоэлектронов, направляемых на первый динод. Качество электронно-оптической системы входной камеры ФЭУ характеризуется коэффициентом сбора электронов g_к, представляющим собой отношение числа электронов, достигших первого динода, к числу электронов, вылетевших из фотокатода. У современных ФЭУ этот коэффициент близок к единице.

1 – стеклянная вакуумированная колба; 2 – полупрозрачный фотокатод; 3 – модулятор; 4 – фокусирующий электрод; 5 – диафрагма; 6 – анод; Д₁…Д₆ –диноды.

Рисунок 10 – Схема ФЭУ со схемой питания

Фотоэлектроны, падая на первый динод, вызывают вторичную электронную эмиссию. Эффективность вторичной электронной эмиссии характеризуется коэффициентом вторичной эмиссии, который определяется как отношение числа вылетевших из динода электронов к числу электронов, упавших на динод. Коэффициент вторичной эмиссии определяется энергией первичных электронов, плотностью вещества, углом падения первичных электронов на динод, состоянием поверхности динода. при энергиях электронов меньших, чем 1800 эВ почти все вторичные электроны образуются у поверхности и могут выйти в вакуум. На динодах применяются слои из сурьмянистого цезия, окисленные сплавы AlMg, AgMg, CuMg, CuBe. В настоящее время используется GaP, легированный цезием, который имеет значительно больший коэффициент вторичной электронной эмиссии по сравнению с другими материалами. Форму динодов выбирают из соображений лучшего сбора электронов, эмитированных предыдущим динодом.

Для современных ФЭУ при среднем коэффициенте вторичных электронов s=4 и числе динодов m=12 реализуется коэффициент усиления тока, равный 10⁷, что достаточно для измерения в анодной цепи ФЭУ импульса, вызываемого одним электроном.

Конструкция фотокатода. Фотокатоды ФЭУ аналогичны фотокатодам вакуумных фотоэлементов и работают также на просвет или на отражение. При работе на просвет полупрозрачный фотокатод формируется на плоском входном окне колбы в виде круга диаметром до 250 мм. Но наибольшее рапространение получили фотокатоды диаметром 10-50 мм. При работе на отражение излучение на фотокатод попадает со стороны вакуума, а входное окно может располагаться на боковой поверхности колбы.

Для работы ФЭУ в ультрафиолетовом диапазоне применяют входные окна ФЭУ, изготовленные из материалов, пропускающих ультрафиолетовое излучение. Коротковолновая граница пропускания входных окон ФЭУ составляет 105 нм для фторида лития, 145 нм – для сапфира (Al₂O₃), 160 нм – для плавленого кварца, 170 нм – для фторфлогопита, 200 нм – для увиолевого стекла, 300-340 нм – для электровакуумных стекол.

Для регистрации излучения с длиной волны менее 105 нм применяются ФЭУ с открытым входом.

Динодные системы. Форма и расположение динодов ФЭУ должны обеспечивать эффективный сбор электронов с динода на динод, близкий к 100 %. С этой целью разработаны шесть конструкций динодных систем.

По типу полей, применяемых для управления движением или для фокусировки электронов, динодные системы делятся на три класса:

а) с электростатическими полями;

б) с магнитными и электростатическими полями;

в) с магнитными и высокочастотными полями.

На практике наибольшее распространение получили динодные системы с электростатическими полями благодаря простоте их эксплуатации.

Анод в рассмотренных типах ФЭУ может быть выполнен в виде сетки; он расположен между предпоследним и последним динодами. Электроны от предпоследнего динода ускоряются анодом-сеткой и, умножаясь на последнем диноде, собираются на анод. Такой анод называют рефлексным. Недостатком такого анода является то, что часть электронов перехватывается им, не долетев до последнего динода, что ухудшает временные параметры ФЭУ.

Большие возможности для миниатюризации ФЭУ представляются при использовании непрерывного динода с распределенным сопротивлением. В простейшем случае он представляет собой трубку (канал), изготовленный из специального стекла, на поверхности которого в результате термообработки образуется слой, обладающий необходимым удельным сопротивлением Ом и коэффициентом вторичной эмиссии . Схема такого ФЭУ приведена на рисунке 11, а.

а – с прямым каналом; б – со спиральным каналом.

Рисунок 11 – Схема канального ФЭУ

При подаче высокого напряжения через омические контакты на концы канала по поверхности канала течет ток, который создает падение напряжения вдоль канала. Вторичные электроны, выбитые из внутренней стенки канала, под действием электростатического поля ускоряются и ударяются о стенку канала в точках с более высоким потенциалом. Величина усиления фототока зависит от отношения длины канала к его диаметру (калибр), напряжения на концах канала и эмиссионных свойств рабочей поверхности канала. Оптимальной величиной калибра является 50-100. При этом может быть получено усиление 10⁶-10⁷ при напряжении питания порядка 2,5 кВ. Простейшая прямая форма канала не позволяет получить больших усилений из-за увеличения шумов, обусловленных оптической и ионной обратной связью с анода на фотокатод. Для устранения этого явления каналу придают форму пространственной или плоской спирали (рисунок 11, б). Для увеличения сигнала изготавливают несколько параллельных каналов, одновременно закрученных вокруг оси в спираль. Такая динодная система называется спиральтрон.

Недостатком прямых и изогнутых каналов является низкая эффективность эквивалентного каскада умножения, объясняющаяся тем, что часть вторичных электронов выходят под такими углами к оси трубки, что попадают в тормозящее поле и не участвуют в дальнейшем усилении электронного потока. Кроме этого, наблюдается также разброс времени пролета электронов из-за отсутствия фокусировки.

Эти недостатки устранены в ФЭУ со скрещенными магнитными и электрическими полями, схема которого приведена на рисунке 12.

1 – распределенный эмиттер; 2 – вспомогательный электрод; 3 – анод; В – индукция магнитного поля

Рисунок 12 – Динодная система ФЭУ с распределенным эмиттером, работающая в скрещенных электрических и магнитных полях.

В этой системе для ускорения электронов используется электростатическое поле, а для фокусировки – постоянное магнитное поле индукцией В, направленное перпендикулярно электростатическому полю.

Динодная система этого типа состоит из двух параллельных пластин, расположенных на расстоянии несколько миллиметров друг от друга. Одна из них (нижняя) служит распределенным динодом и состоит из высокорезистивного материала, имеющего высокий коэффициент вторичной электронной эмиссии. Начальный участок этой пластины служит массивным фотокатодом. Вторая является вспомогательным электродом, на который подается положительный потенциал относительно динодной системы. Она играет роль ускоряющего электрода. Направление магнитного поля перпендикулярно плоскости чертежа. Электроны, выбитые излучением из начального участка распределенного динода, движутся под действием электростатического поля по направлению к вспомогательному электроду, а под действием электрического поля постоянного тока, протекающего по динодной пластине, смещаются к аноду. Магнитное поле действует на движущиеся электроны и не дает им возможности попасть на вспомогательный электрод, а заставляет их двигаться по циклоиде и каждый период циклоиды соответствует одному каскаду усиления. При увеличении напряженности магнитного поля (или уменьшения электростатического) базис циклоиды уменьшается и, следовательно, увеличивается число каскадов усиления. Но за счет уменьшения энергии электронов, накопленной на более коротком пути, уменьшается коэффициент вторичной эмиссии электронов. После прохождения динодной пластины электроны попадают на анод.

Усиление в ФЭУ с такими динодными системами достигает 10⁷ при напряжении на динодной пластине 1700 В и между пластинами 300 В.

В связи с возрастающими требованиями к временному разрешению ФЭУ получили развитие динодные системы, работающие в магнитных и высокочастотных электромагнитных полях. Это так называемые динамические ФЭУ. Схема одной из конструкций таких ФЭУ приведена на рисунке 13.

Нижний электрод 2 служит эмиттером вторичных электронов. Фотокатод 1 расположен в той же плоскости. Вспомогательный электрод 3 с сеткой 4 служат отражателем электронов. Между динодом и вспомогательным электродом подводится ВЧ-поле, которое отражает электроны в направлении динода и фокусирует электроны. В результате этого образуются сгустки электронов, которые сгруппированы по скорости. В противоположном от фотокатода конце распределенного динода имеется отверстие, возле которого расположен анод 5, на котором собираются вторичные электроны. В результате группирования электронов по скоростям такие ФЭУ имеют временное разрешение 3×10^-10 с.

1 – фотокатод, 2 – распределенный динод; 3 – вспомогательный электрод; 4 – сетка; 5 – анод.

Рисунок 13 – Схема динамической динодной системы с отдельным фотокатодом

6.2.2 Статические параметры и характеристики ФЭУ. Для ФЭУ рассматривают катодную и анодную интегральные чувствительности. Анодная чувствительность зависит от напряжения питания.

В паспортах на ФЭУ указывают величину напряжения питания между фотокатодом и анодом, соответствующую номинальным значениям анодной чувствительности =1, 3, 10, 30, 100, 300, 1000 А/лм. Однако это не означает, что с ФЭУ можно снимать токи в единицы и сотни ампер. Предельная величина тока ограничивается термостойкостью материала динодов (главным образом последних), активный слой которых при определенной плотности тока разрушается, в результате чего ФЭУ выходит из строя. Для разных экземпляров ФЭУ одного и того же типа разброс анодной чувствительности может быть более одного порядка величины.

Спектральная анодная чувствительность определяется материалом фотокатода и входного окна. Она аналогична спектральной характеристике вакуумных фотоэлементов (С1-С20).

Для ФЭУ характерны те же шумы, что и для вакуумных фотоэлементов.

6.2.3 Эксплуатационные параметры ФЭУ. Время установления. Это время с момента подачи напряжения, по истечении которого изменение анодного тока не превышает заданной величины. Наибольшие изменения анодного тока происходят в течение 30 минут после включения. Для увеличения чувствительности применяют охлаждение фотокатода. К примеру, охлаждение Фэу от плюс 40 до минус 40 ⁰С уменьшает на порядок пороговый поток. Для охлаждения ФЭУ разработано много различных устройств.

Фэу являются практически долговечными приборами при отсутствии перегрузок. Изменение интегральной чувствительности в процессе длительной работы на 50-100 % легко компенсируется путем увеличения анодного напряжения на 10-20 % без увеличения темнового тока.

Воздействие электрических и магнитных полей искривляет траектории электронов и изменяет характеристики ФЭУ. Наиболее чувствительны к магнитным полям ФЭУ с острой фокусировкой. ФЭУ с большими фотокатодами чувствительны даже к магнитному полю Земли. При работе с пороговыми потоками излучения ФЭУ необходимо выдерживать в полной темноте порядка суток. Фотокатод и диноды ФЭУ после включения питания необходимо защищать от засветок, так как большие потоки могут вывести ФЭУ из строя.

Для нормальной работы ФЭУ на него подается напряжение питания таким образом, чтобы каждый последующий динод находился под более высоким потенциалом. Для этого используют резистивный делитель напряжения, как приведено на рисунке 10. Рекомендуемые схемы делителя приводятся в паспорте на ФЭУ. Обычно ток делителя должен превышать анодный ток на порядок и выше. Величины сопротивлений делителя выбирают от 20 кОм до 2,5 МОм.

При работе ФЭУ в режиме регистрации коротких импульсов на его выходе могут кратковременно возникать токи порядка 1-1,5 А. В этом случае используют шунтирование последних каскадов делителя конденсаторами (рисунок 10). На тех каскадах, где ток в импульсе составляет меньше 0,1 среднего тока делителя, шунтирующие конденсаторы не требуются.

Выходной сигнал снимается обычно с нагрузки, включенной в цепь питания анода, и имеет отрицательную полярность.

Выходной сигнал ФЭУ весьма чувствителен к изменению напряжения источника питания, поэтому для обеспечения постоянства сигнала с точностью 1 % необходима стабилизация источника 0,05-0,1%.

Список литературы

1 Неразрушающий контроль.- В 5 кн. Кн.4. Контроль излучениями: Практич. пособие/ Б. Н. Епифанцев, Е. А. Гусев, В. И. Матвеев. Ф. Р. Соснин; Под ред. В.В.Сухорукова.- М.: Высш. шк., 1992.- 321 с.

2 Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий: Справ.- В 2-х кн. Кн.1/ Под ред. В. В. Клюева.-М.: Машиностроение, 1986.- 488 с.

3 Неразрушающий контроль: Справ.- В 7 т. Т.6: В 3 кн. Кн.2: Оптический контроль/ В. Н. Филинов, А. А. Кеткович, М. В. Филинов; Под общ. ред. В. В. Клюева.-М.: Машиностроение, 2004.-832 с.

4 Павлов А. В. Приемники излучения автоматических оптико-электронных приборов/ А.В.Павлов, А.И.Черников.- М.:Энергия,1972.-282 с.

5 Ишанин Г. Г. Приемники излучения оптических и оптико-электронных приборов.-М.: Машиностроение, 1986.- 280 с.

6 Аксеенко М.Д. Приемники оптического излучения: Справ. / М. Д. Аксеенко, М.Л.Бараночников.-М.: Машиностроение, 1987.- 296 с.

7 Соболева Н. А. Фотоэлектронные приборы/ Н. А. Соболева, А. Е. Меламид.-М.: Высш. шк., 1974.-288 с

8 Ермолов И. Н. Методы и средства неразрушающего контроля качества/ И. Н. Ермолов, Ю.Я.Останин.- М.: Высш. шк., 1988.-368 с.

9 Якушенков Ю.Г. Основы оптико-электронного приборостроения.- М.: Сов. радио, 1977.-322 с.

10 Ишанин Г. Г. Источники и приемники излучения/ Г. Г. Ишанин, Э. Д. Панков, А. Л. Андреев, Г. В. Польщиков/-СПб.: Политехника, 1991.- 240 с.