Принцип и особенности работы фотоэлектронных умножителей
Фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) представляет собой, электровакуумный прибор, в котором поток электронов, эмитируемый фотокатодом под действием оптического излучения, усиливается в умножительной системе в результате вторичной электронной эмиссии.
Фотоэлектронный умножитель получает свет через стеклянное или кварцевое окно, покрытое фоточувствительной поверхностью – фотокатодом, который испускает электроны, а они в свою очередь умножаются в специальных электродах, называемых диноды. Обычно количество динодов ФЭУ бывает от 9 до 13. Работа динода основана на эффекте вторичной электронной эмиссии — явления, когда первичный электрон, попадая на динод, выбивает несколько электронов (называемых вторичными). Сколько в среднем появляется вторичных электронов, зависит и от энергии первичного электрона и от материала динода. Эта величина называется коэффициентом вторичной эмиссии δ и обычно для современных ФЭУ лежит в пределах от 3 до 10. Чтобы вылетевший из фотокатода фотоэлектрон пришел на 1-ый динод, имея достаточную энергию, потенциал динода должен быть на несколько десятков или сотен вольт более положительным.Аналогично, чтобы появившиеся с 1-ого динода примерно δ вторичных электронов достигли следующего 2-ого динода, обладая достаточной энергией, потенциал 2-ого динода также должен превышать потенциал 1-ого на 100–200 В. Очень важно при этом, чтобы все вторичные электроны попали именно на динод, а не на стойки электродов и стекло колбы. Реальные конструкции динодных систем весьма разнообразны, каждый тип имеет свои особенности. В конце динодной системы находится анод или собирательный электрод. Как правило, ток, идущий через анод пропорционален фототоку, генерируемому фотокатодом. Выводы от всех электродов ФЭУ осуществлены через основание колбы, заделанной в пластмассовый цоколь.
Для того чтобы на каждый электрод ФЭУ подать соответствующий потенциал, обеспечивающий оптимальную работу прибора, используется делитель напряжения, простейший вариант которого состоит из нескольких одинаковых сопротивлений, включенных последовательно друг с другом. Общее сопротивление делителя обычно составляет 2 – 10 МОм. На один конец делителя, соединенный с фотокатодом, подается питающее напряжение U обычно около –2000 В, а другой конец заземлен, т.е. находится при нулевом потенциале. В таком делителе междинодное напряжение равно U/13, т.е. примерно 150 В. Диноды последовательно подключаются к точкам соединения резисторов. Анод соединяется с землей через нагрузочное сопротивление RL. Существенным является то, что параллельно с этим сопротивлением обязательно включена некая емкость C — это либо реальный конденсатор, либо просто паразитная емкость, образованная элементами реальной конструкции и входной емкостью дальнейшей электронной схемы. Эти три элемента образуют выходную (анодную) цепь ФЭУ, сигнал с которой и подается на вход электронной схемы (усилителя) для дальнейшего усиления и регистрации.
Фотоэлектронные умножители могут производить сигнал даже в отсутствии света, т.к. существуют темновой ток, возникающий из-за термальной эмиссии электронов из фотокатода, утечка тока между динодами, а также случайные излучения. Электрический шум также относится к темновому току и обычно включается в значение темнового тока. Фотоэлектронные умножители не хранят заряда и отвечают на изменения входящих световых потоков в течении нескольких наносекунд. Благодаря этому, ФЭУ могут быть использованы для обнаружения и записи очень кратковременных событий. Характерной особенностью фотоэлектронных умножителей, используемых в научных целях, является высокое отношение сигнал-шум при умножении более одного миллиона вторичных электронов. Это связано с тем, что темновой шум может быть существенно снижен благодаря охлаждению фотоэлектронного умножителя.
К основным параметрам ФЭУ относится световая анодная чувствительность (отношение анодного фототока к вызывающему его световому потоку при номинальных потенциалах электродов); спектральная чувствительность (равная спектральной чувствительности фотокатода, умноженной на коэффициент усиления умножительной системы; темновой ток (ток в анодной цепи в отсутствие светового потока). Такие характеристики фотоэлектронного умножителя как спектральная чувствительность, квантовая эффективность, чувствительность, темновой ток, определяются структурой фотокатода. Лучшие фотокатоды, работающие в видимой области света, имеют квантовую эффективность менее 30%. Это означает, что 70% фотонов, попадающих на фотокатод, не производят фотоэлектронов, т.е. не детектируются. Толщина фотокатода является важным параметром, за которым необходимо следить, что бы отклик от поглощенных фотонов был корректным. Если фотокатод будет толстым, то больше фотонов поглотится при меньшем количестве эмитированных электронов, а если фотокатод будет очень тонким, то слишком много фотонов пролетит сквозь него без поглощения.
Существует ряд эффектов, искажающих прямо пропорциональную зависимость между световым потоком, падающим на фотокатод фотоэлектронного умножителя, и фототоком или числом зарегистрированных анодных импульсов тока. Прежде всего, это темновой ток или темновой сигнал, который обнаруживается на выходе ФЭУ, даже если прибор находится в полной темноте. Источников для возникновения такого сигнала несколько.
При комнатной температуре наиболее существенным является термоэмиссия электронов с фотокатода и динодов. Термоэмиссия обусловлена тем, что распределение электронов по энергиям при ненулевой температуре не ограничено со стороны высоких энергий и, с учетом большого числа электронов в объеме фотокатода, всегда есть электроны, способные эмиттировать из фотокатода. Такой электрон не отличим от фотоэлектрона и также приводит к образованию лавины и появлению выходного сигнала. Величина термоэмиссии зависит от свойств материала фотокатода (эффективные в красной области спектра фотокатоды как правило имеют и большую термоэмиссию), тонкостей технологии (наличие примесей) размеров фотокатода (пропорционально площади) и температуры (охлаждение на 20°C понижает термоэмиссию на порядок). Для реальных ФЭУ она может быть от единиц до многих десятков тысяч импульсов в секунду при обычной температуре. Термоэмиссия с динодов имеет меньшее значение, поскольку число степеней умножения для таких электронов, по крайней мере, на 1 меньше, и выходные импульсы в среднем на порядки раз слабее. В методе счета фотонов существенная часть таких импульсов может быть исключена из дальнейшей регистрации. Другими источниками темнового сигнала (тока) являются: распад радиоактивных атомов в стекле колбы, космические лучи, автоэмиссия под действием электрического поля и т.д. Именно флюктуации темнового сигнала называются собственным шумом ФЭУ, который ограничивает возможность измерения слабых световых потоков.
Другим важным эффектом, искажающим уже линейную зависимость между потоком излучения и выходным сигналом ФЭУ, является нелинейность. Нелинейность присуща как методу измерения тока, так и методу счета фотонов, хотя ее причины различны. Для первого метода основным является эффект пространственного заряда, искажающего электрическое поле между динодами. При большой освещенности количество электронов, находящихся одновременно, между последними динодами так велико, что их электрическое поле препятствует нормальному ускорению последующих электронов. Следовательно, коэффициент умножения ФЭУ уменьшается.
Наиболее широкое применение ФЭУ нашли в ядерной физике в качестве элемента сцинтилляционного счётчика. Счётчик состоит из сцинтиллятора ― вещества, высвечивающего при поглощении ионизирующего излучения, ФЭУ, преобразующего вспышки сцинтиллятора в короткие электрические импульсы, и регистрирующего устройства, измеряющего количество импульсов в единицу времени или их амплитуду. Число вспышек в сцинтилляторе пропорционально количеству поглощённых частиц, а интенсивность вспышек ― энергии частиц.
