Фотоэлектронные умножители (ФЭУ)

Фотоэлектронные умножители – это электровакуумные приборы, в которых происходит преобразование светового потока в ток фотоэлектронной эмиссии и усиление этого тока посредством вторичной эмиссии.

 

Фотоэлектронный умножитель состоит из входной (катодной) камеры (рис. 5.9), которая образуется поверхностями фотокатода 1, диафрагмы 2 и кольцом 3 (это фокусирующие электроды), и первого динода Д₁ – эмиттера вторичных электронов. Второй элемент ФЭУ – умножительная динодная система, состоящая из совокупности эмиттеров вторичных электронов – динодов (Д₂¸Д₂₃) и анода 5. ФЭУ – прибор высоковакуумный, и электроны, двигаясь от динода к диноду, не испытывают столкновений с атомами. Световой поток Ф падает на полупрозрачный фотокатод и выбивает из него электроны. Эмиттированные фотоэлектроны ускоряются и фокусируются на первый динод Д₁ электростатическим полем, создаваемым электродами катодной камеры, имеющими необходимые конфигурации и распределение потенциалов. Ускоренные и сфокусированные фотоэлектроны направляются на первый динод Д₁. При бомбардировке фотоэлектронами первого динода с его поверхности выходят вторичные электроны, которые ускоряются электрическим полем в направлении второго динода и выбивают из него вторичные электроны. Аналогичные процессы повторяются на последующих динодах.

Напряжение на электроды ФЭУ подается таким образом, чтобы между каждой парой динодов создавалось электрическое поле, ускоряющее электроны от предыдущего электрода к последующему. Это обеспечивается при помощи делителя напряжения (R₁¸R₇).

Количество электронов, попадающих на анод, и анодный ток соответственно равны:

N_a=N_к× a₁s₁ × a₂s₂¼a_ns_n =N_кM,

где N_a – количество электронов, попадающих на анод,

N_К – количество электронов, покидающих фотокатод

a_I – коэффициэнт предачи тока, равный отношению числа электронов, достигающих (i + 1) динода, к числу электронов, эмиттированных i-м динодом,

s – коэффициент вторичной эмиссии динода,

n – число динодов в фотоумножителе.

Если предположить, что коэффициенты усиления всех динодов одинаковы, тогда

М= a ⁿs ⁿ; I_a = I_к× M,

где М – коэффициент умножения ФЭУ по току,

I_a – ток в цепи анода,

I_к – ток фотоэмиссии катода.

Коэффициент усиления ФЭУ зависит от коэффициента вторичной эмиссии каждого динода, межкаскадного напряжения и коэффициента передачи тока от динода к диноду. В реальных ФЭУ часть потока электронов в процессе умножения рассеивается. Расчеты и экспериментальные исследования показывают, что значения лежат в пределах 0,7¸0,95.

Конструкция ФЭУ должна обеспечивать требуемое усиление, оптимальные условия попадания излучения на фотокатод, высокую эффективность сбора фотоэлектронов на первый динод и вторичных электронов на каждый последующий динод, малые разбросы времен пролета электронов, определяющих быстродействие ФЭУ и линейность световых характеристик. Динодные системы ФЭУ можно классифицировать по способу управления движением электронов с динода на динод. Управление осуществляется с помощью:

1) электростатических полей;

2) электростатических и магнитных полей;

3) высокочастотных электрических и магнитных полей.

Конструкции динодных систем весьма разнообразны, однако с учетом основных особенностей их можно разделить на следующие группы:

а) системы на дискретных динодах;

б) системы на распределенных динодах;

в) системы с полупроводниковыми умножающими элементами.

Основные требования, предъявляемые к эмиттерам вторичных электронов (динодам), используемым в ФЭУ:

1) коэффициент вторичной эмиссии динода должен быть большим при сравнительно малых энергиях первичных электронов (60¸100 эВ);

2) коэффициент вторичной эмиссии должен быть стабильным в рабочем режиме;

3) динод не должен обладать фотоэлектронной и термоэлектронной эмиссиями, создающими дополнительный шум;

4) изготовление динодов должно быть простым и не оказывать вредного воздействия на параметры фотокатода;

5) эмиттеры должны иметь достаточно хорошую проводимость.

Число динодов ФЭУ может достигать 23. Напряжение источника питания зависит от числа динодов и достигает 2500¸3000 В.

Интегральная чувствительность ФЭУ (К_ф) равна произведению интегральной чувствительности фотокатода (К_к) на коэффициент усиления ФЭУ:

 

.

 

Интегральная чувствительность фотокатода такая же, как в любом фотоэлементе, и составляет 20¸100 мкА/лм. При коэффициенте усиления М» 10⁶ интегральная чувствительность ФЭУ достигает 100 А/лм ток анода может достигать величины 10 мА.

Области применения мнокаскадных ФЭУ очень разнообразны, так как ФЭУ имеют большой коэффициент усиления, малую инерционность и низкий уровень собственных шумов.

С точки зрения применения, все ФЭУ можно разделить на две группы, взяв за основу классификации характер регистрируемого излучения:

1) ФЭУ для измерения предельно малых постоянных или медленно изменяющихся потоков излучения;

2) ФЭУ для регистрации кратковременных быстро изменяющихся малых потоков излучения.

ФЭУ первой группы используются в астрономии и оптической спектроскопии, второй – в ядерной спектроскопии, телевидении (передающие телевизионные трубки) и в качестве приемников излучения оптических квантовых генераторов (ОКГ).

Микроканальные пластины

Микроканальная пластина (МКП) – это стеклянная пластина, пронизанная большим числом параллельных каналов (рис. 5.10).

 

Внутренняя поверхность каналов покрыта полупроводниковым слоем с определенной проводимостью и коэффициентом вторичной электронной эмиссии s > 1. На обе торцевые поверхности нанесены низкоомные металлические слои. Разность потенциалов, приложенная к ним, создает осевое электрическое поле во всех каналах. Электрон, влетая в канал и ударяя по его стенке, вызывает появление вторичных электронов. Электрическое поле ускоряет вторичные электроны в осевом направлении. Двигаясь одновременно под воздействием начальной скорости в радиальном направлении, они ударяются о стенки канала, вызывая появление новых вторичных электронов. Количество электронов внутри канала нарастает, пока не кончится канал. Число каналов в МКП может быть подсчитано по формуле:

N_к» 0,907 ,

где N _к – число каналов, Д_п – диаметр пластины, h_к – расстояние между центрами каналов.

Так, в микроканальной пластине диаметром 30 мм при h_к =12 мкм содержится около 5,7 миллиона каналов.

Микроканальная пластина обеспечивает высокий коэффициент усиления (~10¹⁰), который зависит от величины коэффициента вторичной эмиссии поверхности каналов, напряжения на пластине и от отношения длины каналов l_к (толщины МКП) к диаметру канала d_к.. Это отношение g_к называют калибром канала:

.

 

Если между металлическими слоями пластины приложено напряжение U_п, то напряженность электрического поля в канале E = U_п / l_п. Анализ показывает, что существует оптимальное значение калибра канала:

 

g_к.опт. = .

 

Это означает, что максимальное усиление достигается в том случае, когда разность потенциалов между двумя точками по длине канала, отстоящими друг от друга на расстоянии его диаметра, равно постоянной величине 22 В.

Средняя величина энергии электронов, выходящих из МКП составляет 70 эВ при g_к = 60 и U_п = 1000 В.

При умножении электронов в канале образуются ионы, число которых зависит от остаточного газа и от газа, поглощенного стенками. Интенсивная ионизация газа наблюдается на последних 30% пути в канале, где плотность электронов наибольшая. Ионы ускоряются к фотокатоду, бомбардируют его, а это искажает временные характеристики и разрушает катод. При этом значительно сокращается срок службы. Чтобы избежать этого, совершенствуют технологию откачки, улучшают обезгаживание электродов, применяют МКП с криволинейными каналами, устанавливают две или три пластины с прямолинейными наклонными каналами, чтобы затруднить движение ионов к катоду. В результате коэффициент усиления снижается до 10⁶, а срок службы возрастает в несколько раз.

В передающих современных трубках на вход микроканальной пластины методом распыления наносят алюминиевую пленку толщиной 13 нм (рис. 5.11).

 

 

 

Рис. 5.11 – Схема ФЭУ с алюминиевой пленкой

 

 

На фотокатод 1 падает поток света (). Электроны эмиттируются фотокатодом и попадают в ускоряющее поле анода (4). Однако на их пути расположена алюминиевая пленка 2 и микроканальная пластина 3. Электроны, ускоренные до энергии ~ 1,3 кэВ, проникают через алюминиевую пленку и ударяются многократно в канале пластины. Внутренняя поверхность канала имеет коэффициент вторичной эмиссии . В одной пластине обеспечивается коэффициент усиления В конце пути в канале образуются ионы, которые полем анода ускоряются в противоположном направлении к катоду. Однако алюминиевая пластина для ионов - непреодолимое препятствие, они не могут пройти через нее, поскольку имеют большую массу, а следовательно, значительно меньшую скорость. В результате алюминиевая пластина решила почти все проблемы, стоящие перед МКП. Сейчас они широко применяются в передающих ЭЛТ.

Микроканальные пластины нашли применение в электронно-оптических преобразователях, электронно-лучевых трубках, ФЭУ. МКП размещается перед экраном прибора, при этом резко улучшаются все параметры прибора при значительно меньших токах луча электронов, улучшаются временные характеристики.