XI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2019

Фотоэлектронные умножители (ФЭУ) - это электровакуумные приборы, в которых ток фотоэлектронной эмиссии усиливается посредством вторичной электронной эмиссии. Изначально был разработан и предложен в период 1930—1934 гг. Л. А. Кубецким. Самыми распространенными являются фотоэлектронные умножители, в которых усиление электронного потока производится при помощи системы дискретных динодов – электродов жалюзийной, коробчатой или корытообразной формы с круговым либо линейным расположением, имеющих коэффициент вторичной эмиссии s > 1.Устройство фотоэлектронного умножителя показано на Рис.1 [1].

рис. 1

Под действием света падающего на фотокатод ФК эмитируются фотоэлектроны n_к, которые после ускорения и фокусировки электродами Э (в ФЭУ, изображенном на Рис.6, вместо этих электродов использована только сетка Э), попадают на первый динод Д₁. Часть электронов теряется в фокусирующей и ускоряющей системе (сетка на Рис.1.а), что обычно учитывается с помощью коэффициента _к  (_к- отношение числа фотоэлектронов на первом диноде Д₁ к числу фотоэлектронов n_к), т.е. на первый динод поступит n_к_к  электронов. С поверхности первого динода выйдет в раз большее число электронов, чем на него упадет [2].

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 [2].

Принцип работы ФЭУ иллюстрирован на рис. 2. Световой поток Ф вызывает электронную эмиссию из фотокатода ФК. Фотоэлектроны под действием ускоряющего электрического поля направляются на электрод Д₁ называемый динодом. Он является анодом по отношению к фотокатоду и одновременно играет роль вторично-электронного эмиттера. Динод делается из металла с достаточно сильной и устойчивой вторичной электронной эмиссией. Поэтому первичные электроны (ток I_ф), идущие с фотокатода, выбивают из динода Д₁вторичные электроны, число которых в σ раз больше числа первичных электронов (σ — коэффициент вторичной эмиссии динода Д₁ обычно равный нескольким единицам). Таким образом, ток вторичных электронов с первого динода I₁ = σI_ф. Ток I₁направляется на второй динод Д₂, имеющий более высокий положительный потенциал. Тогда от динода Д₂ за счет вторичной эмиссии начинается ток электронов I₂, который в σ раз больше тока I₁(для упрощения будем считать, что у всех динодов коэффициент вторичной эмиссии один и тот же), т. е. I₂ = σI₁ = σ²I_ф. В свою очередь, ток I₂направляется на третий динод Д₃, у которого положительный потенциал еще выше, и от этого динода течет ток электронов I₃ = σI₂ = σ³I_ф, и т. Д [3].

С последнего, n-го, динода Д_n электронный ток I_n направляется на анод А, и тогда ток анода 1_а = I_n = σⁿI_ф. Таким образом, коэффициент усиления тока k_i= σⁿ. Например, если σ = 10 и п = 8, то k_i = 10⁸. Практически усиление меньше, так как не удается все вторичные электроны, выбитые из данного динода, направить на следующий динод. Чтобы большее число вторичных электронов было использовано, разработаны ФЭУ с различной формой и различным взаимным расположением электродов. Для фокусировки потока вторичных электронов применяют, как правило, электрическое поле, поскольку фокусировка магнитным полем требует громоздких магнитных систем [2].

Простейший однокаскадный ФЭУ имеет фотокатод, динод и анод. У многокаскадных ФЭУ может быть коэффициент усиления тока до нескольких миллионов, а интегральная чувствительность достигает десятков ампер на люмен. Как правило, ФЭУ работают при малых анодных токах и малых световых потоках. Ток анода обычно бывает не более десятков миллиампер, а световые потоки на входе могут быть 10^-3 лм и менее [4].

Рис.2. Принцип устройства и работы ФЭУ.

Д-динод, А-анод, Ф-фотокатод.

Поскольку на каждом следующем диноде напряжение выше, чем на предыдущем, то анодное напряжение должно быть высоким (1—2 кВ), что является недостатком ФЭУ. Обычно питание ФЭУ осуществляется через делитель, на который подается полное анодное напряжение (рис. 2.1). В цепь анода включается нагрузочный резистор R_H, с которого снимается выходное напряжение [1].

Рис. 2.1.Схема включения ФЭУ.

Для ФЭУ, как и для обычных фотоэлементов, характерен темновой ток, обусловленный термоэлектронной эмиссией фотокатода и динодов. Он составляет малые доли микроампера. Этот ток может быть уменьшен охлаждением прибора. Значением темнового тока ограничивается минимальный световой поток, который можно регистрировать с помощью ФЭУ. А минимальные изменения светового потока ограничиваются флюктуациями эмиссии фотокатода и темнового тока. Следует отметить, что эти флюктуации невелики, т. е. ФЭУ являются малошумящими приборами. Коэффициент шума F_шу них обычно 1,5 — 2,0 (напомним, что у идеального «нешумящего» усилителя F_ш= 1) [4].

Рис. 2.2. Зависимость коэффициента усиления тока и интегральной чувствительности от напряжения питания ФЭУ

Основные параметры ФЭУ: область спектральной чувствительности (диапазон длин волн), в которой можно применять данный ФЭУ; число ступеней умножения; общий коэффициент усиления тока; напряжение питания; интегральная чувствительность; темновой ток. В качестве характеристик ФЭУ обычно рассматриваются световая характеристика I_а=f(Ф), а также зависимости коэффициента усиления k_iи интегральной чувствительности S_Σот напряжения питания E_а (рис. 2.2) [3].

Фотоэлектронные умножители обладают малой инерционностью и могут работать на весьма высоких частотах. Их применяют для регистрации световых импульсов, следующих через наносекундные промежутки времени. Кроме того, ФЭУ применяются во многих областях науки и техники — в астрономии, фототелеграфии и телевидении, для измерения малых световых потоков, для спектрального анализа и т. д. В полупроводниковой электронике нет пока приборов, заменяющих ФЭУ [3].

Литература.

А.А.Боровков, Теория вероятностей. М., Наука, 1986

Жигарев А. А., Шамаева Г. Т. Электронно-лучевые и фотоэлектронные приборы: Учебник для вузов. — М.: Высшая школа, 1982. — 463 с., ил.

И.И.Анисимова, Б.М.Глуховской, Фотоэлектронные умножители. М., Сов.радио, 1974

Физический энциклопедический словарь / Гл. ред. А. М. Прохоров. Ред. кол. Д. М. Алексеев, А. М. Бонч-Бруевич, А. С. Боровик и др. — М.: Сов. энциклопедия, 1983. — 982 с. — 100 000 экз.