Что такое фотоэлектронный умножитель?
Фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) — это высокочувствительный электровакуумный прибор, предназначенный для регистрации и усиления слабых световых сигналов. Его основной принцип действия основан на двух физических явлениях: внешнем фотоэффекте и вторичной электронной эмиссии. Когда свет попадает на фотокатод, он выбивает из него первичные электроны. Затем эти электроны многократно умножаются в специальной системе, что позволяет усилить первоначальный фототок в сотни тысяч и даже миллионы раз (обычно в 105 раз и более). Изобретение прибора связано с именем советского учёного А. Кубецкого, который разработал его в период с 1930 по 1934 год.
Устройство и типы умножительных систем
Сердцем классического ФЭУ является система дискретных динодов — электродов специальной формы (жалюзийной, коробчатой или корытообразной), расположенных по кругу или линейно. Каждый динод имеет коэффициент вторичной эмиссии больше единицы (σ > 1). Это означает, что при бомбардировке его поверхности ускоренными электронами, каждый падающий электрон выбивает несколько вторичных, создавая лавинообразный процесс усиления.
Для управления электронным потоком используется электростатическая фокусировка. С помощью высоковольтного источника (напряжением от 600 до 3000 В) на электроды — фотокатод, диноды и анод — подаются возрастающие потенциалы. Это создаёт электрическое поле, которое фокусирует электроны, вылетевшие из фотокатода, в узкий пучок и последовательно направляет их от одного динода к другому, обеспечивая эффективное умножение. В некоторых конструкциях также применяется магнитная фокусировка или комбинация электрических и магнитных полей.
Канальные умножители
Помимо систем с дискретными динодами, существуют ФЭУ с непрерывными распределёнными динодами. К ним относятся:
- Одноканальные умножители: Представляют собой трубку (канал), внутренняя поверхность которой покрыта слоем с высоким омическим сопротивлением. При подаче высокого напряжения вдоль канала создаётся однородное электрическое поле. Электроны, влетая в канал, многократно ударяются о стенки, каждый раз вызывая вторичную эмиссию и усиливая сигнал.
- Микроканальные пластины (МКП): Это развитие идеи канального умножителя. Пластина состоит из миллионов микроскопических каналов (диаметром в десятки микрометров), работающих параллельно, что позволяет создавать компактные и быстродействующие детекторы с пространственным разрешением.
Материалы и ключевые компоненты
Фотокатоды изготавливаются из сложных полупроводниковых соединений на основе элементов I или III группы таблицы Менделеева (например, цезий, галлий) с элементами V группы (сурьма, мышьяк). Часто используются полупрозрачные фотокатоды, которые наносятся на внутреннюю сторону входного стеклянного окна баллона прибора.
Материалы для динодов выбираются исходя из высокого коэффициента вторичной эмиссии. Для дискретных динодов применяются сплавы меди с бериллием или алюминием и магнием (CuBe, CuAlMg), а также покрытия на основе антимонида цезия (Cs3Sb) или арсенида галлия (GaP). Каналы непрерывных динодов делают из свинцового стекла, которое после специальной обработки в водородной атмосфере приобретает необходимое поверхностное сопротивление (107–1010 Ом).
Основные параметры и характеристики
Для оценки эффективности ФЭУ используются несколько ключевых параметров:
- Световая анодная чувствительность: Отношение усиленного анодного тока к вызвавшему его световому потоку. Может достигать значений от 1 до 10 000 А/лм.
- Спектральная чувствительность: Определяется свойствами фотокатода и показывает, как чувствительность прибора зависит от длины волны света. Усиленная умножительной системой, она может лежать в диапазоне 103–108.
- Темновой ток: Ток на аноде в полной темноте, являющийся основным источником шума. Обычно составляет всего 10-9–10-10 А и обусловлен термоэлектронной эмиссией с фотокатода и динодов.
Области применения
Благодаря своей исключительной чувствительности и быстродействию, фотоэлектронные умножители нашли широкое применение в науке и технике:
- Ядерная физика и спектрометрия: Для регистрации слабых вспышек света (сцинтилляций) в сцинтилляционных детекторах, что позволяет анализировать энергию и природу частиц.
- Исследование быстропротекающих процессов: Специальные быстрые (временные) ФЭУ используются в лазерной технике, физике плазмы и для изучения люминесценции.
- Оптоэлектроника и телевидение: В высокочувствительных телевизионных камерах, системах ночного видения и лазерных дальномерах.
Эволюция технологии: гибридные ФЭУ
В 1960-х годах появилось новое направление — гибридные фотоэлектронные умножители. В них традиционная вакуумная умножительная система была заменена полупроводниковым кристаллом с p-n переходом. Ускоренные фотоэлектроны бомбардируют кристалл, создавая в нём лавину электронно-дырочных пар, что также приводит к значительному усилению сигнала. Это направление позже стало основой для создания современных твердотельных фотодетекторов, таких как лавинные фотодиоды.