Фотоэлектронные умножители
Фотоэлектронные умножители: решаемые задачи и возможности
В конце 1920-х годов, спустя 30 лет после изобретения фотоэлектронного умножителя (ФЭУ), астроном по имени А.Т.Янг написал статью с интригующим названием "Фотоэлектронные умножители - их проклятия и лечение", этот заголовок был изменен в последующих публикациях. Мистер Янг назвал свою статью таким вызывающим названием "их проклятия и лечения", чтобы каждый ученый или инженер, обладающий даже минимальным опытом работы с ФЭУ, мог понять, о чем идет речь. К счастью, современные пользователи ФЭУ больше не испытывают подобного трепетного чувства, которое поразило Говарда Картера, когда он впервые оказался в гробнице Тутанхамона. Несмотря на мнение некоторых специалистов в области фотоники, которые считают, что фотоэлектронные умножители представляют собой устаревшие приборы и создают определенные трудности в решении различных прикладных задач, ФЭУ по-прежнему являются наиболее предпочтительными детекторами во многих научных, медицинских и промышленных применениях.
Первое коммерческое использование фотоэлектронных умножителей представляло собой считывание звуковой дорожки на 16 мм пленке для показа «говорящих» фильмов. Для этой цели был выбран ФЭУ 931А с боковым входным окном, производство которого прекратилось только несколько лет назад. Как следует из названия фотоэлектронного умножителя, световой поток проходит сквозь боковое окно в стенке колбы и детектируется непрозрачным фотокатодом.
Открытие сцинтилляционного материала йодида натрия, сделанное Робертом Хофштедтером в 1940 году, подтолкнуло производителей фотоэлектронных умножителей к созданию ФЭУ с торцевым входным окном, на внутреннюю поверхность которого осажден фотокатод. Следующим важным шагом в изменении геометрической формы ФЭУ стало создание в 1970-х годах полусферических фотоэлектронных умножителей. К радости астрофизиков эти приборы имеют большую детектирующую поверхность и широкий угол обзора. Непрерывные улучшения всех технических параметров производительности фотоэлектронных умножителей сопровождали эти фундаментальные изменения в геометрии ФЭУ.
Чувствительность к отдельным фотонам
Работа фотоэлектронного умножителя начинается с фотокатода, преобразующего попадающие на его поверхность фотоны в фотоэлектроны. Самый большой полусферический ФЭУ с диаметром колбы 20 дюймов имеет активную площадь для детектирования фотонов порядка 200 000 мм2. Выбор единицы измерения в виде квадратного миллиметра является неслучайным, т.к. полупроводниковые лавинные фотодиоды и pin-фотодиоды, выступающие конкурентами для ФЭУ в некоторых применениях, обычно имеют активную площадь 1 мм2 или менее, а в связке с несколькими приборами до 100 мм2. Стоимость квадратного миллиметра активной площади полусферического ФЭУ значительно отличается от стоимости активной площади кремниевых приборов и может составлять менее 10 центов за квадратный миллиметр, по сравнению со $100 за квадратный миллиметр для полупроводниковых приборов.
Способность детектора обнаруживать нескольких фотонов имеет важное значение во многих применениях. Эта способность характеризуется количественным соотношением числа электронов порожденных падающим световым потоком к количеству падающих фотонов и называется квантовой эффективностью. ФЭУ имеют преимущество в УФ-области спектра, хотя кремниевые приборы, как известно, обладают более высоким квантовым выходом около 80% в диапазоне длин волн от 500 до 800 нм. Чувствительность ФЭУ повышалась на протяжении многих лет, однако, даже принимая во внимание самые современные фотокатоды, квантовая эффективность ФЭУ в сине-зеленой области спектра составляет не более 50%.
Система электронного умножения является важной составляющей структуры ФЭУ, без которой все преимущества большой активной площади обнаружения будут потеряны. В большинстве режимов работы фотоэлектронному умножителю достаточно произвести только один фотоэлектрон, энергии которого хватит для создания заряда достаточной величины, чтобы выходной сигнал с ФЭУ был обработан электронной схемой. Когда электронный заряд равный 1,6 × 10-19 Кл усиливается в 10^7 степени раз, возникает заряд величиной 1,6 пКл, а интеграция этого заряда на емкости конденсатора 1 пФ приводит к появлению напряжения 1 В. В данном случае мы рассматривали конденсатор очень малой емкости, но и этот пример дает представление о том, какие возможности предлагает детектор способный обнаруживать отдельный фотон. Некоторые ФЭУ имеют коэффициент усиления до 10^9, что является более чем достаточным для обнаружения отдельного фотона и получения сигнала на экране осциллографа. Высокий коэффициент усиления не имеет смысла, если он распространяется на достаточно широкую полосу пропускания, однако, и детектор является относительно бесшумным в этом случае. Некоторые электронные умножители, используемые в ФЭУ, имеют пропускную способность, распространяющуюся на гигагерцовую область, и вместе с высоким коэффициентом усиления позволяют получить непревзойденную производительность.
Уникальные применения ФЭУ
Типичным примером уникального применения фотоэлектронных умножителей является лауреат Нобелевской премии нейтринный детектор Супер-Камиоканде в Японии. Все данные об этом научном эксперименте внушают благоговейный трепет: детектор представляет собой стальную сферу диаметром 34 м и высотой 40 м заполненную сверхчистой водой. Внутри сферы установлены 13 035 фотоэлектронных умножителей, каждый диаметром 20 дюймов и общая активная площадь всех ФЭУ составляет 2000 м2. Эти фотоэлектронные умножители регистрируют редко случающиеся процессы нейтринного взаимодействия, создающие очень слабую вспышку света.
Другим примером применения ФЭУ является аэробный телескоп MAGIC, который регистрирует нейтринные взаимодействия в атмосфере Земли. Энергия частицы и ее направление движения определяются из регистрируемого света и расстояния, которое этот поток прошел сквозь чувствительную область тарелки телескопа. Матрица, состоящая из фотоэлектронных умножителей применяемых в аэробных телескопах, регистрирует свет в звездном небе. Несмотря на то, что свет от звезд воспринимается очень тускло для человеческого глаза, он очень интенсивен для регистрации с помощью ФЭУ. Для лучшего обзора телескопы такого типа часто расположены на большой высоте и в условиях пустыни, что приводит к значительным колебаниям температуры.
Стеклянные фотоэлектронные умножители часто оказываются непригодными для применения в жестких условиях и агрессивной окружающей среде. Одним из таких применений является гамма-каротаж (радиоактивный каротаж) нефтяных скважин, который может потребовать использования прочного фотоэлектронного умножителя, работающего при температурах окружающей среды до + 200 °C и экстремальных вибрациях. Наиболее надежные ФЭУ для данного применения выполнены из металлических и керамических колец с сапфировым торцевым входным окном. Для применения в научных экспериментах, выполняющихся при экстремальных отрицательных температурах или в антарктическом льде, используются ФЭУ погруженные в жидкий аргон.
Вопрос таможенного контроля, а также радиационной защиты и мониторинга представляет еще одну группу задач решаемых фотоэлектронными умножителями, которые используются для обнаружения взрывных устройств или радиоактивных веществ, изотопов и ядерных материалов. Задача заключается в возможности сделать это быстро и эффективно. Новейшие системы позволяют достичь высокую пропускную способность с помощью мощного источника зондирующего излучения, зачастую получаемого из линейного ускорителя настроенного для получения нейтронов. Точная и быстрая идентификация контрабандного товара основывается на использовании множества сцинтилляционных кристаллов йодида натрия прикрепленных к торцевым входным окнам фотоэлектронных умножителей, позволяющих получить высокое разрешение при большой скорости счета.
Потенциальные заменители для фотоэлектронных умножителей
А что же другие виды фотоэлектронных умножителей? Гибридный ФЭУ представляет собой электровакуумный прибор, в котором структура динодов (электронный умножитель) заменяется кремниевым детектором, как правило с ячеистой структурой (множество пикселей). Благодаря этой особенности данный прибор может регистрировать отдельные фотоны и быть нечувствительным к работе в сильных магнитных полях. Большая активная площадь, соизмеримая с площадью обычного стеклянного ФЭУ, может быть получена с помощью нескольких таких приборов.
Интересные разработки и открытия произошли в течение последних пяти лет в отношении кремниевых фотоумножителей (Si ФЭУ). Эти приборы представляют собой микропиксельные лавинные фотодиоды, состоящие из большого числа элементарных ячеек (пикселей), соединенных друг с другом общей подложкой и работающих в общей нагрузке. Каждый пиксель работает в гейгеровском режиме с коэффициентом усиления 10^6. Благодаря тому, что свет может распространяться через несколько пикселей кремниевые ФЭУ позволяют получить высокое разрешение многофотонных сигналов. Хотя эти детекторы обладают высокой квантовой эффективностью, иммунитетом к магнитным полям и хорошим разрешением, активная область Si ФЭУ, состоящая из множества пикселей, занимает только от 25% до 50% от геометрических размеров корпуса прибора. Чувствительность Si ФЭУ от зеленой к красной области спектра превышает тот уровень, который позволяют получить обычные стеклянные ФЭУ, однако активная площадь кремниевых фотоумножителей существенно меньше.
Газонаполненные детекторы, имеющие свойства аналогичные ФЭУ, подают большие надежды как крупноформатные плоские детекторы способные регистрировать отдельные фотоны и предназначенные для применение в рентгенодиагностической аппаратуре и во многих научных экспериментах.
Фотоэлектронные умножители находились "на грани исчезновения" на протяжении последних 30 лет. Однако их производство по-прежнему процветает благодаря тому, что ФЭУ позволяют получить большую площадь обнаружения с минимальным темновым током, высокий и относительно бесшумный коэффициент усиления, быстрые временные характеристики, относительно низкую стоимость и способность работать в агрессивных средах.
Несмотря на то, что ежегодно в мире производится до полумиллиона фотоэлектронных умножителей, они могут создавать определенные проблемы в применении для новых пользователей. Наличие специализированной литературы от производителей ФЭУ облегчает использование ФЭУ, однако включение ФЭУ в регистрирующие свет модули играет важную роль в обеспечении более широкого использования. Как следует из названия, модули ФЭУ представляют собой готовый детекторный блок предназначенный для специализированных применений, например счет фотонов, измерение медленно меняющихся световых сигналов или счета импульсов. Такие модули могут состоять из встроенного высоковольтного источника питания, настроенного в заводских условиях на соответствующие рабочие напряжения. Многие модули ФЭУ предназначенные для счета фотонов используют напряжение питания 5 В и интерфейс RS232 или USB для подключения к компьютеру.
