Фотоэлектронный умножитель

Фотоэлектронный умножитель, сокращённо ФЭУ — детектор излучения, представляющий собой электровакуумный прибор, в котором световой поток, от инфракрасного до ультрафиолетового спектра, преобразуется в поток электронов с дальнейшим его усилением.

Световые характеристики ФЭУ близки к линейным. Выходной сигнал легко регистрируется и поддаётся измерению. ФЭУ регистрирует как предельно слабые, так и интенсивные потоки излучения: от единиц до 1012 фотонов в секунду при высоких частотах модуляции. Широкий диапазон измерений делает этот прибор распространённым, а в ряде случаев и незаменимым фотодетектором. В полупроводниковой электронике ещё не созданы приборы, способные заменить ФЭУ.

Конструктивно ФЭУ состоит из элементов, указанных на приведённой выше схеме.

Фотокатод выполняется из соединений полупроводниковых материалов с невысокой проводимостью — таких, как арсенид галлия GaAs, антимонид цезия Cs3Sb и др. — нанесённых на внутреннюю поверхность стеклянной колбы прибора. Фотокатод бывает полупрозрачным — работающим «на просвет», либо плотным — работающим «на отражение».

Фокусирующая система состоит из группы электродов, имеющих определённые размеры и форму. Они обеспечивают фокусировку электронов, испускаемых фотокатодом, и направление их на первый динод. Фокусирующая система бывает электростатической, магнитной и их комбинацией.

Динодная система фотоэлектронного умножителя включает в себя до 15-20 электродов с высоким коэффициентом вторичной эмиссии. Они работают одновременно анодом, притягивая электроны с предыдущего элемента, и катодом — испуская их на последующий элемент. Отсюда и «объединяющее» название — динод. Материалом для рабочего слоя динодов служат окиси бериллия — ВеО, или магния — MgO.

Анод ФЭУ является «замыкающим» электродом схемы, с которого сигнал снимается для дальнейшей обработки. Он изготавливается из тугоплавкого металла — никель, молибден и др. Через него протекает суммарный ток всех остальных электродов прибора.

Электропитание ФЭУ осуществляется через резистивный делитель напряжения. На каждом электроде, начиная с первого динода, напряжение на 50-100 V выше, чем на предыдущем.

Принцип работы ФЭУ следующий. Фотон светового потока выбивает из фотокатода в вакууме «первичный» электрон, получающий ускорение в электрическом поле, созданном разностью потенциалов между электродами. Этот электрон притягивается к первому диноду, которому отдаёт свою энергию. При этом в материале самого́ динода возбуждается уже несколько электронов, которые ускоряются и притягиваются ко второму диноду, где каждый из них возбуждает по несколько электронов, которые… и т.д. до анода. Таким образом, в результате многократного умножения на выходе прибора появляется сигнал, пропорциональный числу фотонов, попавших на катод.

ФЭУ нашли широкое применение: в ядерной физике как элемент сцинтилляционного счётчика; в устройствах лазерной и телевизионной техники; в оптической аппаратуре; для регистрации слабых излучений и др.

В средствах неразрушающего контроля ФЭУ исполняют функцию детектора в составе сканеров для оцифровки рентгеновских плёнок. Здесь свет от источника, проходя через плёнку, попадает на катод детектора, где преобразуется в электрический сигнал, который затем обрабатывается в компьютере.

Фотоэлектронный умножитель ФЭУ-145

Источник

В чем состоит принцип работы фотоэлектронного умножителя фэу

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.

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.

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.

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.

Источник

В чем состоит принцип работы фотоэлектронного умножителя фэу

Фотоэлектронные умножители: решаемые задачи и возможности

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

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.

Источник

Фотоэлектронный умножитель

Исследование устройства фотоэлектронного умножителя, его принципов работы, сферы применения. Достоинства недостатки фотоэлектронных умножителей. (ФЭУ). Зависимость коэффициента усиления тока и интегральной чувствительности от напряжения питания ФЭУ.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

ФОТОЭЛЕКТРОННЫЙ УМНОЖИТЕЛЬ

Устройство фотоэлектронного умножителя показано на Рис.1 [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 g_к (g_к— отношение числа фотоэлектронов на первом диноде Д₁ к числу фотоэлектронов n_к), т.е. на первый динод поступит n_кg_к электронов. С поверхности первого динода выйдет в s 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].

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. 3). В цепь анода включается нагрузочный резистор R_H, с которого снимается выходное напряжение [1].

Рис. 3.Схема включения ФЭУ.

Рис. 3. 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_Уот напряжения питания E_а (рис. 3) [3].

фотоэлектроннчый умножитель ток напряжение

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

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

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

Выбор делителя фотоэлектронного умножителя и сцинтилятора для блока детектирования дозиметра гамма-излучения. Преобразование тока анода ФЭУ в последовательность стандартных импульсов. Анализ параметров интегральных схем для построения преобразователя.

дипломная работа [179,6 K], добавлен 11.12.2015

Общее представление о мощных БИП-транзисторах Зависимость эффективности эмиттера от концентрации примеси в нем. Характеристика падения коэффициента усиления по току при больших плотностях тока. Сущность монолитного мощного транзистора Дарлингтона.

курсовая работа [676,6 K], добавлен 04.04.2015

Классификация полупроводников по различным признакам, их разновидности и характеристика, отличительные черты. Порядок и схемы включения и применения фотоэлектронных приборов. Динамические свойства аналоговых интегральных микросхем, порядок составления.

реферат [108,9 K], добавлен 03.04.2009

Формирование двух различных схем включения стабилитрона, направления их исследования и взаимодействия элементов. Зависимость тока стабилитрона от его напряжения полярность при изменении напряжения питания исследуемой схемы переменных резистором.

лабораторная работа [172,8 K], добавлен 07.10.2013

Прямые и косвенные измерения напряжения и силы тока. Применение закона Ома. Зависимость результатов прямого и косвенного измерений от значения угла поворота регулятора. Определение абсолютной погрешности косвенного измерения величины постоянного тока.

лабораторная работа [191,6 K], добавлен 25.01.2015

Источник

ФОТОЭЛЕКТРОННЫЙ УМНОЖИТЕЛЬ

В ФЭУ используются те же фотокатоды, что и в фотоэлементах с внеш. фотоэффектом. Обычно их выполняют из полупроводниковых материалов на основе соединений типов A I B V и A III B V (Cs 3 Sb, GaAs и др.). Наиб. распространены ФЭУ с полупрозрачным фотокатодом, нанесённым на внутр. торцевую поверхность стеклянного баллона.

Кроме электростатич. фокусировки иногда применяются магн. фокусировка и фокусировка в скрещённых электрич. и магн. полях.

ФЭУ широко используются для регистрации слабых излучений (вплоть до уровня одиночных квантов), т. к. обладают большим усилением при низком уровне собств. шумов, а также для изучения кратковрем. процессов. Наиб. применение ФЭУ получили в ядерной физике в качестве элементов сцинтилляц. счётчика. Кроме того, ФЭУ применяются в оптич. аппаратуре, устройствах телевиз. и лазерной техники и др. Умножительные системы с анодами (без фотокатодов) используются для непосредственной регистрации в вакууме низкоэнергетических частиц, вакуумного ультрафиолета и мягкого рентгеновского излучения- т. н. вторично-электронные умножители с открытым входом.

Источник