Фотоэлектронный умножитель (ФЭУ)

ФЭУ относится к электровакуумным приборам. Он преобразует вспышку света в фосфоре в импульс электрического тока. Принцип работы ФЭУ по преобразованию вспышки света фосфора в поток электронов и по дальнейшему их умножению основан на фотоэффекте (рисунок 10.3).

Рисунок 10.3 – Схема умножения потока электронов в ФЭУ:
1 – источник излучения; 2 – фосфор; 3 – фотокатод;
4 – диноды; 5 – анод.

Фотоны вырывают из материала фотокатода некоторое количество электронов. Затем электроны фокусируются специальными электродами и ускоряются электрическим полем в пространстве между фотокатодом и первым умножающим электродом (динодом). Фокусировка потока электронов осуществляется подбором формы электрического поля, создаваемого электродами ФЭУ. Поверхность динода покрыта материалом, имеющим небольшую работу выхода электронов. Тормозясь в диноде, каждый ускоренный электрон выбивает из динода несколько вторичных электронов. Геометрия динода обеспечивает фокусировку и направление выбитых электронов на второй динод. Между первым и вторым динодами прикладывается напряжение, ускоряющее электроны. После ускорения поток электронов умножается на втором диноде и т. д. Путем такого многократного умножения происходит усиление потока электронов в ФЭУ.

Фотокатод ФЭУ изготовляют в виде полупрозрачного слоя вещества, наносимого на внутреннюю поверхность торцовой части ФЭУ. В качестве вещества фотокатода применяют сплавы сурьмы и цезия (сурьмяно–цезиевые фотокатоды) или сплав висмута, серебра и цезия. В некоторых ФЭУ сплав наносят на тонкую подкладку из алюминия. Поверхность динодов также покрывают сплавом сурьмы и цезия или сплавом алюминия, магния и кремния. Число динодов в ФЭУ не превышает 16. Конструкция динодов в значительной степени определяет характеристики ФЭУ.

Усиление потока электронов в ФЭУ зависит от величины ускоряющего напряжения между двумя последовательными динодами. Для характеристики размножения электронов в ФЭУ введен коэффициент усиления i -ro каскада ФЭУ k_i. Он равен отношению числа испущенных динодом электронов к числу упавших на него. Полный коэффициент усиления ФЭУ потока электронов:

k=k₁´ k₂´ k₃´….´k_n (10.5)

где k₁, k₂,.... k_n – коэффициенты усиления на первом, втором и последующих динодах. Коэффициент усиления отдельного каскада ФЭУ может достигать 10. Если усиление каскадов одинаково, то коэффициент усиления ФЭУ:

(10.6)

Поток электронов собирается на последнем электроде ФЭУ, называемом анодом. В цепь анода включают сопротивление нагрузки, на котором выделяется импульс напряжения. Электрическая схема ФЭУ обеспечивает распределение потенциалов между электродами и формирует импульс напряжения на сопротивлении нагрузки. Она состоит из делителя напряжения, собираемого из активных сопротивлений, емкостей, блокирующих два–три последних каскада ФЭУ, и сопротивления нагрузки R в цепи анода ФЭУ.

В процессе термоэмиссии из фотокатода постоянно вылетают электроны. Они создают в ФЭУ небольшой ток, который называют темновым. Для уменьшения темнового тока на фотокатод ФЭУ подают отрицательный потенциал, а анод заземляют.

По делителю от анода к катоду протекает ток I_д. Он создает падения напряжения на сопротивлениях делителя и тем самым обеспечивает заданные потенциалы на электродах ФЭУ. Кроме стабильности напряжения, источник питания должен обеспечить заметную величину тока I_д.

В цепь анода ФЭУ включается сопротивление нагрузки R, на котором выделяется импульс напряжения, регистрируемый последующей электронной схемой. В зависимости от величины вспышки света фосфора и типа ФЭУ на сопротивлении R выделяется импульс от долей вольта до нескольких вольт.

Время пролета электронов в ФЭУ составляет примерно 10^-7 с. Сцинтилляционный детектор как единый узел состоит из фосфора, ФЭУ, монтажа электрической схемы питания, защиты ФЭУ от попадания на него дневного света и действия магнитных полей. Этот узел называют головкой сцинтилляционного счетчика.

Электрическую схему монтируют непосредственно на панели ФЭУ или на отдельной плате. Расположение отдельных элементов головки сцинтилляционного счетчика зависит от типа проводимых измерений. Чаще всего их располагают конструктивно в тонкостенном стальном или алюминиевом кожухе с разъемами для подвода высокого напряжения и вывода сигнала с ФЭУ. Для лучшего согласования выхода ФЭУ с последующей регистрирующей аппаратурой в головке монтируют катодный повторитель. В такой конструкции головки предусматривают разъем для подачи питания катодного повторителя.

Иногда необходимо отделить пространственно фосфор и ФЭУ. Тогда эти элементы сцинтилляционного счетчика соединяют между собой световодом (светопроводом). Хорошим световодом является оптический кварц, однако он трудно обрабатывается и весьма дорогостоящий. Гораздо дешевле и легче в механической обработке органическое стекло. Его светопроводящие свойства значительно хуже, чем у кварца. В частности, органическое стекло поглощает ультрафиолетовое излучение фосфора. Применение световода приводит к значительной потере света при передаче его от фосфора к ФЭУ. Потери света уменьшаются, если на боковой поверхности световода происходит полное внутреннее отражение. Это условие удовлетворяется выбором формы боковой поверхности световода в случае, когда размер фосфора меньше размеров ФЭУ. Световоды часто изготовляют в виде усеченных конусов, диаметры оснований которых соответственно равны диаметрам фосфора и ФЭУ. Боковую поверхность световода покрывают отражателем света (окисью магния, тефлоном). Опытным путем подбирают оптимальное соотношение между диаметром и высотой световода, при котором потери света в нем минимальны. Если диаметр фосфора больше диаметра фотокатода ФЭУ, то свет передается по световоду с большими потерями, так как невозможно обеспечить полное внутреннее отражение света на боковой поверхности световода. В длинных световодах потери света достигают 80—90% и более.

В сцинтилляционном счетчике жесткие требования предъявляют к усилителю выходных импульсов с ФЭУ и источнику питания ФЭУ. Так как передний фронт выходного импульса с ФЭУ очень крутой, что обеспечивает хорошее разрешающее время сцинтилляционного счетчика, то усилитель таких сигналов должен быть широкополосным. Кроме того, он должен иметь стабильный коэффициент усиления порядка 5000 с максимальной выходной амплитудой импульса 100 в. Особое значение имеет стабильность высокого напряжения, подаваемого на ФЭУ. Стабильность напряжения поддерживается с погрешностью до 0,01%, так как коэффициент усиления ФЭУ с каждого каскада в отдельности весьма сильно зависит от потенциала электродов ФЭУ. Сигналы с ФЭУ на усилитель передаются через высокочастотный кабель типа РК-20 или РК-50. Применение высокочастотного кабеля уменьшает искажение формы выходного импульса с ФЭУ.