Фотоэлектронный умножитель

     Большие возможности для миниатюризации ФЭУ и систем с их применением представляются при использовании непрерывного динода с распределенным сопротивлением. В этой системе нет отдельных динодов. Умножение электронного потока происходит при его движении внутри замкнутого объема (например, трубки, рис. 4), ограниченного поверхностью с хорошей вторичноэмиссионной способностью. Если внутренние стенки трубки покрыты полупроводящим слоем и к торцам ее приложена разность потенциалов, то внутри мы получим продольное ускоряющее поле. Точки соударений электронов со стенкой случайны, но при правильном выборе соотношения диаметра и длины (примерно 1:50) свойства умножителя получаются прекрасными. На таких системах могут быть построены микроканальные пластины, представляющие собой пластинку, испещренную каналами диаметром в 10-20 мкм, с шагом 20-40 мкм, т.е. имеющую 1000 - 2000 миниатюрных умножителей на 1 . Торцы пластины металлизируются, и к ним подводятся рабочие потенциалы, одновременно ко всем каналам. Толщина пластины 0,5-2 мм. Коэффициент усиления может достигать -. 

Анодный блок 

     Обычно  анодный блок состоит из последнего динода и коллектора (анода). От конструкции анодного блока зависит величина линейного участка световой характеристики, быстродействие ФЭУ и возможность правильного согласования с последующей радиотехнической цепью. Эти задачи конструкторы решают достаточно успешно, так что не приходится выбирать ФЭУ по способу построения анодного блока. Можно считать, что параметры ФЭУ определяются только типами фотокатодов и динодных систем. 

Принцип работы и режимы использования  ФЭУ 

     Фотоэлектронный умножитель - электровакуумный прибор, преобразующий поток падающего на него излучения (в ультрафиолетовой, видимой, ближней инфракрасной областях спектра) в электронный поток в вакууме, с последующим его усилением. При этом существенно, что усиление электронного потока происходит в процессе вторичноэлектронной эмиссии. Шумовые характеристики такого усилителя много лучше, чем у любого твердотельного (в котором преобразуются электронные потоки внутри твердого тела), ибо каждый акт появления в потоке нового электрона требует преодоления энергетического барьера, много превышающего kT. Энергия связи электронов в твердом теле (термоэлектронная работа выхода) обычно превышает 4 эВ. Для фотокатодов ФЭУ, работающих в длинноволновой области, разработаны специальные сложные системы с предельно малой работой выхода, порядка 1 эВ. Но и это много больше kТ, равного при комнатной температуре ~ 0.025 эВ.

     Эмиссия электронов в вакуум может происходить  либо при получении ими достаточно большой энергии возбуждения, либо при квантовомеханическом туннелировании сквозь поверхностный потенциальный барьер в сильном вытягивающем поле. Поскольку дополнительная энергия может быть получена электроном из разных источников, то и параметры ФЭУ определяются четырьмя основными видами электронной эмиссии: фотоэлектронная, электрон-электронная (или вторичноэлектронная), термоэлектронная, автоэлектронная (или “полевая”, или “холодная”).

     Принцип работы ФЭУ прост: фотон выбивает из фотокатода “первичный” электрон, который ускоряется электрическим полем до 50-200 эВ и вытягивается на первый динод. Там его энергия на очень малой глубине проникновения, порядка размеров атома, целиком рассеивается на возбуждение собственных электронов материала динода, так что возникает уже несколько электронов, возбужденных не столь сильно, но способных преодолеть поверхностный потенциальный барьер и выйти в вакуум. В этом процессе, называемом

вторичноэлектронной эмиссией, должна образоваться пачка из 3-5-ти и более электронов на каждый упавший, иначе работа динодной системы будет малоэффективной. Вторичные электроны, так же как и фотоэлектроны, имеют малые энергии, но междинодное поле их вытягивает, ускоряет и фокусирует на второй динод. Далее все повторяется, до анода.

     В этом заключается процесс генерации  полезного сигнала на выходе умножителя.

     Но  первичный электрон из фотокатода (и  динодов) может также вылететь и без света, в результате термо- или автоэлектронной эмиссии. Их появление, никак не связанное со световым сигналом, возбуждает тот же процесс умножения и тоже дает на выходе измеримый сигнал. Имеются и другие причины, по которым на аноде может возникнуть ток. Например, ток утечки по элементам конструкции. Все они . паразитные, создающие шумовой сигнал, называемый темновой ток ФЭУ. В нем следует разделять три основных составляющих, поразному зависящих от температуры и от напряжения питания: термоэмиссия, автоэмиссия и токи утечки ФЭУ. Термоэмиссия из динодов не существенна по сравнению с термоэмиссией из фотокатода. У динодов и работа выхода больше, и рожденные на них электроны в среднем проходят меньший тракт усиления. Автоэмиссия, напротив, возникает чаще в динодной системе и приводит к возникновению неустойчивостей ФЭУ при больших напряжениях питания. Порог ее появления сильно зависит от качества изготовления динодной системы.

     Величина  темнового сигнала определяет предельную чувствительность ФЭУ. Можно измерить только такой световой поток, который дает на выходе сигнал, превышающий шумы. Но оказывается, что значительная часть темнового тока имеет параметры, по которым она может быть выделена и отсеяна в усилительном устройстве. Этот вопрос крайне существенен, и невозможно обсуждать измерительные параметры ФЭУ без обсуждения метода регистрации его сигнала.

     Здесь необходимо учитывать, во-первых, то, что  ФЭУ является источником тока с бесконечным внутренним сопротивлением. Действительно, на анод ФЭУ приходит электронный поток, вытягиваемый с последнего динода относительно большим потенциалом, порядка 100 В и малые изменения его не влияют на величину тока. Во-вторых, существенна и временная структура полезного сигнала ФЭУ и шумов. 

Форма сигнала на выходе ФЭУ 

     Каждый  первичный фотоэлектрон инициирует весь процесс умножения и, независимо от остальных, дает на выходе пачку, среднее число электронов в которой К определяется коэффициентом усиления динодного каскада σ (равен коэффициенту вторичной эмиссии, умноженному на эффективность каскада) и количеством динодов n: Эта величина называется коэффициентом усиления ФЭУ. Обычно в рабочем режиме К = -

     Импульс тока на аноде не может быть бесконечно узким не только потому, что при большой пространственной плотности электронов окажется  существенным их расталкивание, но еще и потому, что сказывается разброс времен пролета электронов, идущих в динодной системе по разным траекториям. Временная ширина пачки из К электронов зависит от того, как выполнена вся умножительная система и в лучшем случае может составлять доли наносекунды. Обычно δt ≈ (1…10) нс. На рис. 5 приведена ожидаемая форма одноэлектронного  импульса, выходного импульса ФЭУ, рожденного одним электроном с фотокатода. И δt, и К - величины вероятностные, так что

амплитуда импульса тока довольно сильно флуктуирует. Если выходной усилитель регистрирует не ток, а количество электричества в импульсе, то ширина импульса не важна, амплитуда сигнала определяется только величиной К.

     На  языке теории вероятностей процесс  формирования пачки электронов в  динодной системе описывается как  дискретный марковский процесс (марковская цепь) . дискретная цепь случайных событий, в которой каждый последующий результат зависит только от предыдущего и является случайной величиной случайного аргумента. Действительно, количество электронов, эмитированных n-м динодом, есть случайная величина () , зависящая от коэффициента умножения динода (σ) и от количества электронов,  пришедших на него с предыдущего, (n–1)-го. Совершенно не важно, какова предыстория

возникновения этих электронов. Каждый из них, независимо от остальных, пошлет на (n+1)-й динод некоторое случайное количество электронов ξ_i, так что при получим 

. 

     Можно показать, что если элементарный процесс характеризуется математическим ожиданием М(ξ) = σ и дисперсией D(ξ), то процесс имеет математическое ожидание М() = и дисперсию  

.   (1) 

Элементарный  акт вторично эмиссионного умножения описывается

распределением  Пуассона 

.     (2) 

     Математическое  ожидание и дисперсия этого распределения  равны σ. Легко видеть, что дисперсия получаемого распределения (1) очень велика. Относительная погрешность отношение среднеквадратичного отклонения к среднему значению K = , с ростом n очень быстро стремится к величине и при σ = 3…6 составит 0.7…0.45.

     Реальное  распределение из-за особенностей конструкции  или условий эксплуатации может несколько отличаться от этого по следующим основным причинам:

• сквозной  пролет электронов, при котором они, минуя n-й динод,

попадают сразу  на (n+1)-й, приведет к эффективному уменьшению σ и

увеличению относительной  погрешности за счет увеличения количества

импульсов малой  амплитуды. Если на первых каскадах его  возможность

устранена, то этот эффект мало скажется на конечном результате;

• обратная связь уширит распределение за счет увеличения доли больших импульсов;
• ограничение  амплитуды  пачки  из-за взаимного расталкивания электронов (часть из них может быть потеряна) или из-за ограниченной емкости динода и цепи его питания уменьшит долю больших импульсов и сузит распределение;
• разброс  времен  пролета равномерно уширит распределение, если регистрируется не количество электричества, а ток.

   Единственный  способ сузить распределение – увеличение σ, хотя бы на первом диноде. Одновременно уменьшается вероятность просчетов, потери первичного фотоэлектрона. Ведь при σ = 3…6 вероятность того, что фотоэлектрон не вырвет ни одного вторичного электрона на первом диноде, равна exp(–σ) = 5…0.25%. У ФЭУ-130 на первом диноде σ = 30. Это –хороший "одноэлектронный" ФЭУ. При σ = 30 просчеты почти невероятны и амплитудное

распределение узко.  

Рис. 5. Форма “одноэлектронного” импульса тока на аноде ФЭУ

Рис. 6. Идеализированная форма амплитудного распределения одноэлектронных импульсов 

     Кроме полезных импульсов на выходе будут  и шумовые, составляющие темновой ток ФЭУ. Большинство возможных причин образования первичного электрона, способного инициировать процесс умножения (космическое излучение, авто- и термоэмиссия из динодов и т.д.), проявляется случайным образом в случайной точке усилительного тракта.

Такие электроны  пройдут неполный процесс умножения и на выходе дадут пачку (импульс) малой амплитуды. Сюда же попадут и микропробои по цепи питания и элементам конструкции. Исключение составит только термоэмиссия из фотокатода. Термоэлектроны пройдут тот же процесс умножения, что и фотоэлектроны, и дадут на выходе импульсы, неотличимые от полезных.

     Таким образом, следует ожидать, что суммарное  амплитудное распределение импульсов на выходе ФЭУ будет иметь две составляющие:

– полезные, имеющие довольно широкое амплитудное распределение, но все же с выраженным максимумом (здесь же и термоэлектроны из фотокатода);

     – шумовые импульсы, количество которых растет с уменьшением амплитуды. 

Режим счета одноэлектронных  импульсов 

     Несколько идеализированная форма амплитудного распределения импульсов на выходе ФЭУ представлена на рис. 6. Реальное распределение часто оказывается более гладким, провал между полезными и шумовыми импульсами не всегда существует. Но если он существует (такие ФЭУ называют "счетными"), то, как видно из рис. 6, можно снабдить усилитель пороговым дискриминатором, чтобы отсечь импульсы с амплитудой меньше , и тем самым исключить большую часть шумового сигнала, “почти не потеряв” полезного. Дальше возможен просто подсчет числа (скорости поступления) импульсов.

Отсюда и название этого метода регистрации.

     Преимущество  его именно в минимальных шумах. На хороших счетных ФЭУ (например, ФЭУ-100) при охлаждении фотокатода до температуры порядка и при правильном выборе уровня дискриминации удается снизить скорость счета темновых импульсов до единиц в секунду. Соответственно, минимальный регистрируемый поток излучения - меньше 10 фотонов в секунду при площади фотокатода порядка .