Что такое фотоумножительная трубка?

Что такое фотоэлектронный умножитель?

Фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) — один из самых чувствительных оптических датчиков, способных преобразовывать свет (фотоны) в электричество.

Он состоит из стеклянной трубки в вакууме с окном падения, фотокатода, динода и других компонентов. Принцип основан на внешнем фотоэлектрическом эффекте — явлении, при котором электроны испускаются с поверхности металла при облучении его светом в вакууме.

Поскольку даже один фотон может быть преобразован в большой электрический сигнал с высокой скоростью (10-9 секунд), фотоэлектронные умножители используются в электронных микроскопах, оборудовании для анализа окружающей среды, медицинском оборудовании, спектрофотометрах и оборудовании для спектрального анализа в качестве фотодетекторов.

Применение фотоэлектронных умножителей

Фотоумножительные трубки используются в качестве вторичных электронных детекторов в электронных микроскопах и в фотоаналитических приборах, таких как УФ-видимые спектрофотометры и эмиссионные спектрометры. Они также используются в пылесчетчиках для измерения частиц в воздухе, в лазерных радарах (LiDAR) для обнаружения света, рассеянного взвешенными частицами в воздухе, и в медицинских приборах, таких как позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ) и компьютерная томография (КТ), используемых для скрининга рака.

LiDAR обеспечивает средства обнаружения положения и движения объектов вокруг транспортного средства, а также, как ожидается, станет ключевой технологией для полностью автоматизированного вождения. Super-Kamiokande, самый передовой в мире объект для исследования нейтрино, использует 13 000 фотоумножительных трубок диаметром 20 дюймов для захвата черенковского света (света, который возникает, когда электроны превышают скорость света в воде), генерируемого в 50 000-тонном резервуаре с водой.

Фотоэлектронные умножители чрезвычайно чувствительны и способны преобразовывать слабый свет в достаточное количество электрических сигналов. С другой стороны, у них также есть недостатки, такие как необходимость высокого напряжения для использования и склонность к улавливанию шума, вызванного тепловыми электронами. Поэтому источник питания для фотоэлектронных умножителей должен иметь чрезвычайно низкий уровень шума и высокую стабильность.

Принцип работы фотоэлектронных умножителей

Рисунок 1. Базовая структура фотоэлектронных умножителей

Фотоэлектронные умножители представляют собой оптические датчики, которые могут обнаруживать свет от одного фотона и преобразовывать его в электрический сигнал. На рисунке 1 показана общая структура фотоумножительной трубки.

Стеклянная трубка в вакуумном состоянии содержит окно, через которое проникает свет, фотокатод, преобразующий фотоны в электроны посредством внешнего фотоэлектрического эффекта (эффект испускания электронов в вакуум), фокусирующий электрод, собирающий фотоэлектроны, динод с примерно 10 каскадами, умножающий вторичные электроны, и анод, генерирующий электронный сигнал. Постоянное напряжение около 1000 В приложено ко всей области от фотокатода до анода.

1. Материал окна

В качестве оконных материалов используются боросиликатное стекло, кварцевое стекло, УФ-пропускающее стекло, кристалл MgF2 и т. д. в зависимости от диапазона длин волн света, в основном на стороне коротких длин волн.

2. Фотокатод

Рисунок 2. Фотокатод и внешний фотоэлектрический эффект (изображение)

Фотокатод формирует квантово-эффективный (эффективность генерации фотоэлектронов) активный слой на поверхности, контактирующей с высоким вакуумом. В видимой области были разработаны бищелочные металлические фотокатоды, многощелочные металлические фотокатоды трех или более типов с чувствительностью вплоть до инфракрасной области, щелочно-галоидные фотокатоды для обнаружения УФ-излучения и фотокатоды с использованием полупроводниковых соединений III-V с высокой чувствительностью в УФ- и ближней инфракрасной области.

3. Узел кристалла

Рисунок 3. Структура и функция динода (изображение)

Фотоэлектроны ускоряются фокусирующим электродом и собираются в диноде. Динод образует активный слой, который увеличивает коэффициент вторичной электронной эмиссии на металлической подложке, такой как никель или нержавеющая сталь. Щелочной металл-сурьма (например, SbCs), оксид бериллия и оксид магния обычно осаждаются на слоях.

Когда электроны ударяют по диноду, испускается большое количество вторичных электронов. Испускаемые вторичные электроны сталкиваются со следующим динодом, где испускается еще больше вторичных электронов. Этот процесс повторяется до тех пор, пока количество электронов не увеличится более чем в миллион раз и не будет обнаружено как достаточное количество электрического сигнала.

Другая информация о фотоумножительных трубках

Структура умножителя вторичных электронов

Для умножителя вторичных электронов были разработаны различные структуры, такие как тип круглой клетки, тип линейного фокуса, тип коробки и сетки, тип мелкой сетки и тип металлического канала, в зависимости от расположения и формы динодов и других компонентов.

Для каждой структуры оптимальная конструкция электрода создается с помощью анализа электронных орбиталей. Электроны движутся в высоком вакууме, что позволяет быстро получать характеристики времени. Высокая чувствительность и быстродействие, позволяющие считать свет крупинкой, являются причинами, по которым ФЭУ используются на передовых позициях в отрасли.