Фотоэлектронный умножитель

     Основной недостаток метода - малый динамический диапазон измеряемых сигналов. Если собственное “мертвое время” измерительного тракта составляет 20 нс (за такое время он полностью справляется с обработкой сигнала и восстанавливает способность принять следующий импульс), то уже при средней частоте поступления случайных (во времени) импульсов 5 МГц вероятность совпадения пары импульсов примерно 3%. Возникает ошибка в измерениях, ибо вместо двух импульсов мы зарегистрируем один. Стандартные усилители имеют полосу пропускания порядка 50-100 МГц, так что динамический диапазон для этого режима - примерно 6 порядков, в области предельно слабых потоков. На больших частотах уже возможно перекрывание и собственных импульсов ФЭУ. 

Режим постоянного тока 

     Этот  режим используется наиболее часто. Не нужно слишком буквально понимать слова "постоянный ток". ФЭУ - очень малоинерционный прибор, так что модуляция сигнала на частотах до нескольких килогерц не изменяет сколь-нибудь существенно параметров, определенных на нулевой частоте.

     В режиме постоянного тока измерительная  система, характеризующаяся относительно большой постоянной времени τ, интегрирует все поступающие импульсы, в том числе и темновые. Измеряется просто количество электричества, перенесенное с динодов на анод, т.е. произведение частоты поступления одноэлектронных импульсов на коэффициент усиления К и на время τ. Ограничений сверху на частоту поступающих импульсов здесь не возникает,

существенна только мощность, выделяемая на последних динодах, а также - электрическая мощность цепей питания. Ток питания должен существенно превышать ток сигнала ФЭУ.

     От  темновых токов здесь не избавиться. Их среднюю величину можно учесть, но шум темнового тока остается и ограничивает обнаружительную способность. Тем не менее, динамический диапазон может достигать 9 – 12-ти порядков. Охлаждение фотокатода ФЭУ и в этом случае весьма полезно, так как уменьшает количество темновых импульсов большой амплитуды и в результате уменьшает темновой ток в несколько раз, а иногда - на порядки. 
 

Режим счета многоэлектронных импульсов 

     Он  часто используется в ядерной  физике в экспериментах такого типа: частица высокой энергии направляется на люминофор и там порождает вспышку, число фотонов в которой велико и пропорционально энергии частицы. В ФЭУ, регистрирующем эту вспышку, одновременно генерируется несколько первичных фотоэлектронов и на аноде возникает импульс тока, амплитуда которого пропорциональна числу фотонов во вспышке, т.е. энергии частицы. С выхода ФЭУ сигнал подается на амплитудный  анализатор  импульсов, который преобразует амплитуду в код, по коду выбирает нужную ячейку памяти и добавляет в нее единицу, отмечая тем самым, что пришел еще один импульс такой-то амплитуды. Как и для токового режима, здесь величина и, главное, стабильность коэффициента усиления имеют первостепенное значение.

     Понятие динамического диапазона здесь  двояко. Допустимую частоту поступления регистрируемых частиц лимитирует обычно не ФЭУ, а анализатор импульсов. Время преобразования амплитуды в код в многоканальных системах измеряется микросекундами, так что допустимая частота поступления импульсов обычно не выше нескольких килогерц.

     Амплитуда пачки может быть значительной. В  специальных ФЭУ с нежесткой фокусировкой она ограничивается просто электрической емкостью последних динодов и в основном определяется тем, как будут сделаны цепи питания. Реально оказывается возможным получить амплитудное разрешение более 100. 
 

     Питание ФЗУ 

     Рис. 7. Обычная, резистивная схема питания ФЭУ. 

     Чаще  всего питание осуществляется от источника высокого напряжения

= –(1…2,5) кВ через  резисторный делитель, рис. 7. Обычно все сопротивления в делителе одинаковы, но нужно обязательно ознакомиться с паспортом ФЭУ, могут быть делители неравномерные. Иногда на первых динодах нужно сильнее ускорять электроны, чем на оконечных для улучшения условий вытягивания с фотокатода и уменьшения разброса амплитуд выходных импульсов. Все определяется конструкцией динодной системы и

материалом динодов.

     Ток через делитель рис. 7 должен существенно превышать средний ток сигнала ФЭУ. Обычно он составляет от долей до единиц миллиампер. Но в счетном режиме, особенно при счете многоэлектронных импульсов, может оказаться, что при малом среднем токе ФЭУ пиковый ток в импульсе велик и разумные сопротивления делителя не обеспечивают пиковую мощность. В таких случаях резисторы последних каскадов шунтируют конденсаторами.

     Из-за сильной зависимости коэффициента усиления К от напряжения к стабильности источника питания предъявляются высокие требования. Стабильность должна быть не хуже – , особенно - для работы в токовом режиме. В счетном режиме это требование может быть слабее. Если частота поступления импульсов амплитудой , на которой установлен уровень дискриминации, невелика ( рис. 6), то малые изменения К почти не скажутся на регистрируемой скорости счета. На кривой зависимости скорости счета от напряжения питания наблюдается "плато". 

Вывод 

      Наиболее  распространены ФЭУ, в которых усиление электронного потока осуществляется при помощи системы дискретных динодов - электродов корытообразной, коробчатой или жалюзийной формы с линейным, либо круговым расположением, обладающих коэффициентом вторичной эмиссии s > 1. В таких ФЭУ для ускорения и фокусировки электронов катодной камере (собирающей электроны, вылетевшие с фотокатода, в пучок и направляющей этот пучок на вход динодной системы), динодам и аноду сообщают определенные потенциалы относительно фотокатода при помощи высоковольтного источника (напряжением 600-3000 в). Кроме электростатической фокусировки, в ФЭУ иногда применяют магнитную фокусировку и фокусировку в скрещенных электрическом и магнитном полях. 

     Существуют  также ФЭУ с умножительной системой, представляющей собой непрерывный (распределённый) динод - одноканальный, в виде трубки (канала) с активным (s > 1) слоем на её внутренней поверхности, обладающим распределённым электрическим сопротивлением, либо многоканальный, выполненный из т. н. микроканальной пластины. При подключении канала к источнику высокого напряжения в нём создаётся электрическое поле, ускоряющее вторичные электроны, которые многократно соударяются с внутренними стенками канала, вызывая при каждом столкновении вторичную электронную эмиссию с поверхности активного слоя.  

     Фотокатоды  ФЭУ выполняют из полупроводников  на основе соединений элементов I или III группы периодической системы Менделеева с элементами V группы (Css Sb, GaAs и др.). Полупрозрачные фотокатоды обычно наносят на внутреннюю поверхность входного окна стеклянного баллона ФЭУ. Для изготовления дискретных динодов используют следующие материалы: Cs3Sb, наносимый в виде слоя на металлическую подложку; сплавы CuBe, CuAlMg; эпитаксиальные слои GaP на Mo, обработанные O₂ и др. Каналы непрерывных динодов изготавливают из стекла с высоким содержанием свинца (такие каналы после термообработки в H₂ имеют удельное сопротивление поверхностного слоя     10⁷ -10¹⁰ ом×м). 

     Основные  параметры ФЭУ: световая анодная  чувствительность (отношение анодного фототока к вызывающему его световому  потоку при номинальных потенциалах электродов), составляет 1 - 10⁴ А/лм; спектральная чувствительность (равная спектральной чувствительности фотокатода, умноженной на коэффициент усиления умножительной системы, лежащий обычно в пределах 10^{3 -} 10⁸); темновой ток (ток в анодной цепи в отсутствие светового потока), как правило, не превышает 10^-9 - 10^-10 А.  

     Наибольшее  применение ФЭУ получили в ядерной  физике (спектрометрические ФЭУ) и в установках для изучения кратковременных процессов (временные ФЭУ). ФЭУ используют также в оптической аппаратуре, устройствах телевизионной и лазерной техники. 

     В 60-х гг. разработаны ФЭУ, в которых  усиление фототока осуществляется бомбардировкой полупроводникового кристалла с  электронно-дырочным переходом электронами  с энергиями, достаточными для образования в кристалле парных зарядов электрон - дырка (такие ФЭУ называются гибридными). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Литература: 

1. И.И.Анисимова, Б.М. Глуховской, Фотоэлектронные умножители. М., 1974.
2. А.А.Боровков, Теория вероятностей. М., Наука, 1986.
3. http://bse.chemport.ru/fotoelektronnyj_umnozhitel.shtml;
4. Успехи физических наук, выпуск 2,