6.2.3 Фотоэлектронные умножители (фэу)

Фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) – это фотоэлемент с многократным усилением, основанным на явлении вторичной эмиссии. ФЭУ состоит из фотокатода, фокусирующего устройства, нескольких эмиттеров (динодов) и анода. Все электроды ФЭУ помещены в баллон с высоким вакуумом (рисунок 6.8).

В ФЭУ электроны ускоряются и фокусируются с помощью электростатического поля, определяемого конфигурацией электродов и распределением потенциалов на них. Для подачи напряжения на электроды, используется делитель, состоящий из омических сопротивлений. К концам делителя приложено напряжение (U_к) от источника высокого напряжения.

Спектральная чувствительность ФЭУ зависит, главным образом, от спектральной чувствительности фотокатода. В частности, максимальная длина волны света, к которой чувствителен фотокатод, определяется его красной границей и непосредственно связана с величиной работы выхода фотокатода.

Рис. 6.8 Схема фотоэлектронного умножителя (ФЭУ).

Наиболее полно требованиям, предъявляемым к фотокатодам ФЭУ для сцинтилляционных счетчиков, отвечают сурьмяно-цезиевый, кислородно-сурьмяно-цезиевый и висмуто-серебряно-цезиевый фотокатоды, которые чаше всего применяют в серийных фотоумножителях. В последние годы стали использовать новую группу высокоэффективных фотокатодов, состоящих из щелочных металлов, так называемые много- или мультищелочные фотокатоды, а также состоящие из GaAs и GaAsP. В таблице 6.2 приведены данные о наиболее распространенных фотокатодах ФЭУ.

Фотокатод наносится в виде тонкого полупрозрачного слоя на внутреннюю сторону торцовой стенки стеклянного баллона ФЭУ.

Для повышения чувствительности ФЭУ в области ближнего ультрафиолета торцовая стенка изготавливается из увиолевого стекла. Эти фотокатоды обладают весьма высокой чувствительностью (~50 мкА/лм). Такая чувствительность соответствует тому, что на каждые 100 световых квантов, попадающих на фотокатод, из него вырывается в среднем около 10 электронов. Спектральная область высокой чувствительности лежит в пределах 3500-5500 Α. Диноды и аноды, изготовленные из металла для увеличения коэффициента вторичной эмиссии, покрываются пленкой вещества с малой работой выхода электронов.

Таблица 6.2 – Основные характеристики наиболее распространенных фотокатодов

Фотокатод	Длина волны при максимуме чувствии-тельности, нм	Максимальная квантовая эффектив-ность, %	Квантовая граница чувстви-тельности, нм	Интегральная чувстви-тельность, мкА/мл
Sb-Cs	450	10	650	25
Sb-Cs-О	480	20	700	90
Bi-Ag-O-Cs	480	10	750	90
Sb-K-Ns	400	10	620	60
Sb-K-Na-Cs	400	20	850	200
|Ga-As-P	360	25	760	200

_{Амплитудные и временные характеристики ФЭУ}

Увеличение числа электронов при движении от фотокатода к аноду называют коэффициентом усиления ФЭУ. Промышленные ФЭУ имеют коэффициент усиления 10⁵-10⁸. Его величина зависит от колебаний напряжения, от температуры, от внешнего магнитного поля.

Коэффициент вторичной эмиссии не зависит от числа падающих электронов, поэтому ФЭУ представляет собой линейный прибор, т.е. заряд, приносимый лавиной на анод, пропорционален числу первичных фотоэлектронов, собираемых с фотокатода, а, следовательно, пропорционален интенсивности световой вспышки, попавшей на катод.

Если к ФЭУ предъявляется требование линейности в широком диапазоне интенсивности световых вспышек, то это накладывает ограничение на величину коэффициента усиления. Другой причиной ограничения коэффициента усиления может явиться резкое возрастание шумов ФЭУ. В хорошем ФЭУ шумы при полном затемнении и отсутствии сцинтиллятора имеют вид отдельных импульсов относительно малой величины, которые вызываются вылетом единичных электронов при термоэлектронной эмиссии с поверхности фотокатода и первых эмиттеров. Число таких шумовых импульсов не зависит от напряжения питания, а определяется температурой фотослоя фотокатода и динодов. Однако наряду с указанными шумами в большинстве ФЭУ при высоком напряжении питания и большом коэффициенте усиления наблюдается появление дополнительных шумов, интенсивность которых резко возрастает при дальнейшем повышении напряжения.

Так как ФЭУ усиливает сигнал пропорционально числу первичных фотонов, то сигнал на выходе ФЭУ будет пропорционален энергии, поглощенной в сцинтилляторе. Однако в результате статистических флуктуаций во всех стадиях преобразования энергии частицы в импульс напряжения амплитудное разрешение детектора имеет всегда конечную величину, обусловленную разбросом амплитуд импульсов на выходе фотоумножителя. На рисунке 7.9 изображено распределение величин амплитуд импульсов А на выходе фотоумножителя, возникающих при прохождении через сцинтиллятор моноэнергетических заряженных частиц (Е – постоянно).

Рис. 6.9 Распределение амплитуд импульсов А на выходе ФЭУ.

Экспериментально амплитудное разрешение сцинтилляционного детектора R можно определить через отношение ширины распределения на половине высоты к средней амплитуде распределения при условии облучения сцинтиллятора моноэнергетическим излучением

.

Так как амплитуда импульса на выходе детектора прямо пропорционально поглощенной энергии ~ , то можно получить энергетическое разрешение

.

Время пролета электронов испытывает значительные отклонения от среднего значения вследствие разброса начальных скоростей электронов по величине и по направлению, а также вследствие различия в данных их траекторий (из-за недостаточной фокусировки). Поэтому даже от мгновенной световой вспышки в сцинтилляторе на аноде ФЭУ будет возникать импульс, растянутый до 10^‑9‑10^–8 с, таким образом, ФЭУ обладает конечным временным разрешением.

При использовании в сцинтилляционных детекторах неорганических сцинтилляторов, время высвечивания которых сравнительно велико (>10^–7 c), флуктуации времени пролета электронов через ФЭУ практически не играют никакой роли. В этом случае разрешающее время сцинтилляционного детектора будет определяться только временем высвечивания сцинтиллятора.

При работе с органическими сцинтилляторами разрешающее время фотоумножителя может оказаться сравнимым по величине со временем высвечивания сцинтиллятора, и его необходимо учитывать при определении временной разрешающей способности сцинтилляционного детектора.

В экспериментах, требующих особо высокого разрешения по времени, применяют ФЭУ специальной конструкции, временное разрешение которых сведено к 10^-10 с.