Фотоумножители

Приборы, в которых усиление слабых фототоков осуществляется с помощью вторичной электронной эмиссии, называются фотоэлектронными умножителями. Простейший однокаскадный умножитель содержит катод, анод и динод, заключенные в стеклянном вакуумном баллоне. Катод и динод наносятся на внутреннюю поверхность стекла. Анодом служит кольцо, расположенное перед динодом.

Фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) представляет собой электровакуумный прибор, в котором электронный фотоэлемент дополнен устройством для усиления фототока за счет вторичной электронной эмиссии. Впервые в мире ФЭУ были изобретены советским инженером Л. А. Кубецким в 1930 г. В дальнейшем ряд удачных конструкций ФЭУ создали П. В. Тимофеев и С. А. Векшинский.

Рис. 7. Принцип устройства и работы ФЭУ

Принцип работы ФЭУ иллюстрирован на рис. 7. Световой поток Ф вызывает электронную эмиссию из фотокатода ФК. Фотоэлектроны под действием ускоряющего электрического поля направляются на электрод Д ₁ 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 Д ₁вторичные электроны, число которых в σ раз больше числа первичных электронов (σ — коэффициент вторичной эмиссии динода Д ₁ обычно равный нескольким единицам). Таким образом, ток вторичных электронов с первого динода I ₁ = σ I _ф. Ток I ₁направляется на второй динод Д ₂, имеющий более высокий положительный потенциал. Тогда от динода Д ₂ за счет вторичной эмиссии начинается ток электронов I ₂, который в σ раз больше тока I ₁(для упрощения будем считать, что у всех динодов коэффициент вторичной эмиссии один и тот же), т. е. I ₂ = σ I ₁ = σ² I _ф. В свою очередь, ток I ₂направляется на третий динод Д ₃, у которого положительный потенциал еще выше, и от этого динода течет ток электронов I ₃ = σ I ₂ = σ³ I _ф, и т. д.

С последнего, n-го, динода Д _n электронный ток I _n направляется на анод А, и тогда ток анода 1 _а =I _n = σⁿ I _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.

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.

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. 8). В цепь анода включается нагрузочный резистор R _H, с которого снимается выходное напряжение.

Рис. 8. 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).

Рис. 9. 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. 9).

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.

Список литературы

1.Соболева Н.А., Берковский А.Г., Чечик Н.О. Фотоэлектронные приборы.,Москва., "НАУКА", 1965.

2.Аксенов А.И., Злобина А.Ф., Панковец Н.Г., Носков Д.А. Вакуумные и плазменные приборы и устройства.Томск, 2007.

3. http://shpat.com/news/2009-07-13/6.html

4. http://tubeamplifier.narod.ru/mess053.htm