Что такое фотоэлектронный умножитель
Перейти к содержимому

Что такое фотоэлектронный умножитель

  • автор:

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 Д1 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 Iф), идущие с фотокатода, выбивают из динода Д1вторичные электроны, число которых в σ раз больше числа первичных электронов (σ — коэффициент вторичной эмиссии динода Д1 обычно равный нескольким единицам). Таким образом, ток вторичных электронов с первого динода I1 = σIф. Ток I1направляется на второй динод Д2, имеющий более высокий положительный потенциал. Тогда от динода Д2 за счет вторичной эмиссии начинается ток электронов I2, который в σ раз больше тока I1(для упрощения будем считать, что у всех динодов коэффициент вторичной эмиссии один и тот же), т. е. I2 = σI1 = σ 2 Iф. В свою очередь, ток I2направляется на третий динод Д3, у которого положительный потенциал еще выше, и от этого динода течет ток электронов I 3 = σI2 = σ 3 Iф, и т. д.

С последнего, n-го, динода Дn электронный ток In направляется на анод А, и тогда ток анода 1а =In = σ n Iф. Таким образом, коэффициент усиления тока ki= σ n . Например, если σ = 10 и п = 8, то ki =10 8 . 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 RH, 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 Fшу них обычно 1,5 — 2,0 (напомним, что у идеального «нешумящего» усилителя Fш= 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 Iа=f(Ф), а также зависимости коэффициента усиления kiи интегральной чувствительности SΣот напряжения питания Eа (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.

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 — ФЭУФотоэлектронный умножитель ФЭУ-145

Фотоумножитель

Фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) — электровакуумный прибор, в котором поток электронов, излучаемый фотокатодом под действием оптического излучения (фототок), усиливается в умножительной системе в результате вторичной электронной эмиссии; ток в цепи анода (коллектора вторичных электронов) значительно превышает первоначальный фототок (обычно в 10 5 раз и выше). Впервые был предложен и разработан Л. А. Кубецким в 1930-34.

Наиболее распространены ФЭУ, в которых усиление потока электронов осуществляется при помощи нескольких специальных электродов изогнутой формы — «динодов», обладающих коэффициентом вторичной эмиссии больше 1. Для фокусировки и ускорения электронов на анод и диноды подаётся высокое напряжение (600—3000 В). Иногда также применяется магнитная фокусировка, либо фокусировка в скрещенных электрическом и магнитном полях.

Основные параметры ФЭУ

  • Световая анодная чувствительность (отношение анодного фототока к вызывающему его световому потоку при номинальных потенциалах электродов), составляет 1-10 4 а/лм
  • Спектральная чувствительность (равная спектральной чувствительности фотокатода, умноженной на коэффициент усиления умножительной системы, лежащий обычно в пределах 10 3 —10 8 );
  • Темновой ток (ток в анодной цепи в отсутствие светового потока), как правило, не превышает 10 -9 -10 -10 А.

Применение

  • Спектрометрия — сцинтилляционные счётчики; — в установках для изучения кратковременных процессов (временные ФЭУ); , телевидение, лазерная техника.

См. также

Wikimedia Foundation . 2010 .

Полезное

Смотреть что такое «Фотоумножитель» в других словарях:

фотоумножитель — фотоумножитель … Орфографический словарь-справочник

фотоумножитель — Электровакуумный прибор, преобразующий энергию оптического излучения в электрическую, обычно с преобразованием оптического сигнала в электрический и содержащий фотокатод, вторично электронный умножитель и анод. [ГОСТ 13820 77] фотоумножитель… … Справочник технического переводчика

ФОТОУМНОЖИТЕЛЬ — (фотоэлектронный умножитель), электронный прибор, преобразующий световой сигнал или пучок света в эквивалентный усиленный электрический сигнал. ЭЛЕКТРОНЫ, высвобождаемые ФОТОЭЛЕКТРОННОЙ ЭМИССИЕЙ на освещенном КАТОДЕ, бомбардируют труппу других… … Научно-технический энциклопедический словарь

фотоумножитель — сущ., кол во синонимов: 1 • умножитель (3) Словарь синонимов ASIS. В.Н. Тришин. 2013 … Словарь синонимов

фотоумножитель — фотоэлектронный умножитель; отрасл. фотоэлемент со вторичной электронной эмиссией; фэу; фотодинатрон; фотоумножитель Фотоэлемент электронного разряда, ток фотоэлектронной эмиссии в котором усиливается посредством вторичной электронной эмиссии … Политехнический терминологический толковый словарь

фотоумножитель — fotodaugintuvas statusas T sritis automatika atitikmenys: angl. photomultiplier; photomultiplier tube vok. Photoelektronenvervielfacher, m; Photomultiplikatorröhre, f rus. фотоумножитель, m; фотоэлектронный умножитель, m pranc. tube… … Automatikos terminų žodynas

фотоумножитель — fotodaugintuvas statusas T sritis radioelektronika atitikmenys: angl. photomultiplier; photomultiplier tube vok. Photoelektronenvervielfacher, m; Photomultiplikatorröhre, f; Photovervielfacher, m rus. фотоумножитель, m; фотоэлектронный умножитель … Radioelektronikos terminų žodynas

фотоумножитель — fotodaugintuvas statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. photomultiplier vok. Photoelektronenvervielfacher, m; Photovervielfacher, m rus. фотоумножитель, m; фотоэлектронный умножитель, m pranc. photomultiplicateur, m … Fizikos terminų žodynas

Фотоумножитель — ВИДЫ ПРИБОРОВ 1. Фотоумножитель D. Photovervielfacher E. Photomultiplier F. Photomultiplicateur По ГОСТ 13820 77 Источник: ГОСТ 20526 82: Приборы электровакуумные фотоэлектронные. Термины и определения … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

фотоумножитель с дискретными динодами — fotodaugintuvas su atskirais dinodais statusas T sritis radioelektronika atitikmenys: angl. photomultiplier with discrete dynodes vok. Diskretdynoden Photovervielfacher, m; Photovervielfacher mit diskreten Dynoden, m rus. фотоумножитель с… … Radioelektronikos terminų žodynas

ФОТОУМНОЖИТЕЛЬ — см. Фотоэлектронный умножитель … Большой энциклопедический политехнический словарь

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.