Фотоэлектронный умножитель

В спектральных приборах широко используются в качестве фотоприемных элементов фотоэлектронные умножители (ФЭУ). Работа ФЭУ основана на внешнем фотоэффекте, заключающемся, как известно, в испускании электронов поверхностью металла при падении на нее потока электромагнитного излучения. Испущенные в вакуумный объем с поверхности металлического электрода (фотокатода) фотоэлектроны могут ускоряться приложенным между катодом и анодом электрическим полем, образуя фототок. Особенность ФЭУ состоит в том, что ускоренные электроны попадают не сразу на анод, а на промежуточные электроды (диноды), дающие вторичную эмиссию электронов за счет передачи энергии от ускоренных фотоэлектронов. Тем самым фототок с катода, изначально очень слабый, лавинообразно усиливается за счет вторичной эмиссии с динодов. Коэффициент усиления по току для ФЭУ достигает 10⁸, поэтому в принципе ФЭУ может работать в режиме счета отдельных фотонов и тем самым реализовывать квантовый предел чувствительности (темновой ток ФЭУ можно сделать очень малым).

Высокая чувствительность ФЭУ не исчерпывает его достоинств как фоторегистрирующего элемента. Еще одно его несомненное преимущество – это высокое быстродействие, прямо связанное с малой инерционностью электронов в вакууме как носителей заряда, реагирующих на изменение падающего на фотокатод светового потока. Постоянная времени ФЭУ, т.е. характерное время запаздывания отклика на мгновенное изменение светового потока, измеряется наносекундами (от 10^-9 с при усилении 10⁶ до 10^-8 с при усилении 10⁸). Как видно, за очень большое усиление приходится платить некоторым падением быстродействия, хотя и 10 нс — это такое быстродействие, которое позволяет успешно решать большинство возникающих спектроскопических задач.

Весьма привлекательной особенностью ФЭУ является его относительно большой динамический диапазон, т.е. линейная зависимость выходного тока от освещенности фотокатода. Это, впрочем, не освобождает экспериментатора от необходимости защищать ФЭУ от посторонних засветок, делающих крайне затруднительным измерение малых световых сигналов. Но то, что ФЭУ способен регистрировать и на 3-4 порядка бóльшие потоки, чем минимально обнаружимые, существенно облегчает метрологическое обеспечение спектральных исследований.

Особый интерес представляет спектральная чувствительность ФЭУ, представляющая собой зависимость отклика (фототока) от длины волны при заданной величине монохроматического светового потока. Это характеристика, отражающая собственно физику фотоэффекта и наиболее сильно ограничивающая возможности регистрации исследуемого излучения. Всякий внешний фотоэффект имеет свою красную границу, определяемую работой выхода используемого материала фотокатода. Поэтому спектральные приборы, использующие ФЭУ в качестве фоторегистрирующего элемента, не могут работать на длинах волн, превышающих красную границу. В комплексе КСВУ-23 используются ФЭУ, верхний предел регистрируемых длин волн для которых составляет 1200 нм (чтобы перекрыть диапазон от 200 до 1200 нм, используются два ФЭУ ― ФЭУ-100 для коротковолнового участка 200-800 нм и ФЭУ-62 для длинноволнового 600-1200 нм). В других спектральных приборах используются специализированные ФЭУ, предназначенные для работы в ультрафиолетовой области (ФЭУ-18А, ФЭУ-57, ФЭУ-71); с повышенными метрологическими требованиями (ФЭУ-14, ФЭУ-58, ФЭУ-70, ФЭУ-81, ФЭУ-92); с повышенным быстродействием (ФЭУ-30, ФЭУ-77); с особо малым темновым током (ФЭУ-103, ФЭУ-112, ФЭУ-113) и др.

Отмечая достоинства ФЭУ, обуславливающие его применение в спектральных приборах, нельзя не отметить и его принципиальные недостатки, ограничивающие возможности спектрального анализа. Один из них ― наличие красной границы внешнего фотоэффекта ― уже отмечен выше. Второй — необходимость вакуумного объема, усложняющий технологию изготовления высококачественных ФЭУ и ухудшающий его эксплуатационные характеристики (как правило, спектральные приборы с ФЭУ являются стационарными, требующими прецизионной настройки и высокой инженерной культуры обслуживания, что неизбежно сужает сферу их применения). Третий ― необходимость использования высокого напряжения для питания ФЭУ, что повышает требования электробезопасности и создает благоприятную среду для различных наводок. Кроме того, в силу принципа работы ФЭУ не может быть сделан миниатюрным, что ограничивает возможности конструирования малогабаритных и портативных спектральных приборов. Поэтому наряду с ФЭУ в спектральной аппаратуре широко используются и другие фотодетекторы, работающие на внутреннем фотоэффекте. Необходимость их применения диктуется прежде всего задачами, возникающими в ИК диапазоне.

 

Устройство и работа комплекса

Принцип действия

Функциональная схема комплекса типа КСВУ представлена на рис.1. Свет от источника излучения И направляется с помощью зеркального или линзового конденсора К на входную щель монохроматора М. Излучение, выделенное выходной щелью монохроматора, направляется в кюветное отделение КО, куда устанавливаются исследуемые образцы. Пройдя кюветное отделение, излучение попадает на фотокатод приёмника излучения ФЭУ. В качестве приёмника излучения для области спектра 200-800 нм используется фотоэлектронный умножитель ФЭУ-100, для области спектра 600-1200 нм – фотоэлектронный умножитель ФЭУ-62.

Рис. 1. Функциональная схема КСВУ (базовый вариант)

Оптический сигнал, преобразованный фотоэлектронным умножителем в электрический, поступает на вход усилителя постоянного тока УПТ. С выхода усилителя сигнал попадает на аналого-цифровой преобразователь. Преобразованный в код сигнал поступает в устройство ввода-вывода УВВ и далее на вычислительное устройство ВУ. В вычислительном устройстве сигналы обрабатываются и либо запоминаются, либо выводятся на дисплей Д в цифровом виде и на печатающее устройство ПУ в цифровом или графическом виде.

Сканирование спектра производится с помощью шагового двигателя ШД, питание на который поступает с блока управления БУ. Блок управления работает в двух режимах: с управлением от вычислительного устройства и автономно. При работе в составе комплекса блок работает с управлением от вычислительного через устройство ввода-вывода УВВ. В этом случае вычислительное устройство выполняет роль генератора тактовых импульсов шагового двигателя, и сканирование спектра может производиться по любой заданной вычислительным устройством программе. При автономной работе блока управления импульсы на шаговый двигатель формируются генератором, встроенным в блок.

Питание источников излучения осуществляется от стабилизатора Ст, а фотоэлектронного умножителя ― от высоковольтного стабилизатора ВС, встроенного в устройство ввода-вывода. Комплекс работает в однолучевом режиме.

 

Оптическая схема

Оптическая схема каждого комплекса состоит из схемы монохроматора, осветителя, кюветного отделения и блока фотоприёмной головки.

Монохроматор имеет сменные дифракционные решетки и сменные светофильтры для срезания высших порядков дифракции.

В комплекте монохроматора имеется линзовая кварцевая конденсорная система для освещения входной щели различными источниками излучения.

Входящий в комплекс осветитель с дейтериевой лампой ДДС-30 и лампой накаливания ОП-33-0,3 содержит эллиптический зеркальный конденсор, расположенный внутри осветителя; при переходе от одной лампы к другой положение конденсора изменяется. В приёмных блоках и в кюветной камере имеются линзы, проецирующие зрачок монохроматора на фотокатод фотоэлектронного умножителя.