Фотоэлектронный умножитель . электровакуумный прибор,
преобразующий поток падающего на него излучения (в ультрафиолетовой,
видимой, ближней инфракрасной областях спектра) в электронный поток в
вакууме, с последующим его усилением. При этом существенно, что усиление
электронного потока происходит в процессе вторичноэлектронной эмиссии.
Шумовые характеристики такого усилителя много лучше, чем у любого
твердотельного (в котором преобразуются электронные потоки внутри твердого
тела), ибо каждый акт появления в потоке нового электрона требует преодоления
энергетического барьера, много превышающего kT. Энергия связи электронов в
твердом теле (термоэлектронная работа выхода) обычно превышает 4 эВ. Для
фотокатодов ФЭУ, работающих в длинноволновой области, разработаны
специальные сложные системы с предельно малой работой выхода, порядка 1 эВ.
Но и это много больше kТ, равного при комнатной температуре ∼ 0.025 эВ.
Характеристики ФЭУ
Спектральная характеристика
Спектральная область чувствительности ФЭУ ограничивается с
длинноволновой стороны порогом чувствительности фотокатода, а с
коротковолновой . границей пропускания оптического окна. Наиболее часто в
ФЭУ используются следующие окна:
Материал Область пропускания
Стекло λ>320 нм
Увиолевое стекло
(без примесей Fe)
λ>180.200 нм
Кварцевое стекло λ>150 нм
Фтористый магний,
MgF2
λ>110 нм
Во всей видимой области спектра (400.700 нм) можно работать и со
стеклянным окном. Увиолевое позволяет охватить всю область ближнего
ультрафиолета, до так называемой вакуумной ультрафиолетовой (ВУФ) области1.
ФЭУ с кварцевыми окнами имеют смысл и при работе не в вакуумном УФ, так
как кварц более прозрачен, чем увиоль. Окна из MgF2 незаменимы в ВУФ. Этот
материал имеет практически рекордную область прозрачности (уступает только
LiF . 105 нм), но имеет хорошие механические свойства, спаивается со стеклом,
негигроскопичен. У чистого MgF2 довольно резкая граница пропускания.
Практически рабочая область простирается с ним до h ν = 11 эВ (112 нм). Дальше
просто нет прозрачных веществ, но при таких энергиях фотонов фотоэмиссия
идет довольно эффективно почти из всех материалов, так что в более
коротковолновой области можно использовать .открытые. умножители . то же,
что динодные системы ФЭУ, но изготовлены без баллона и помещаются
непосредственно в вакуумную камеру экспериментальной установки. Если
освещать первый динод, то получится ФЭУ с вполне приличными
характеристиками и темновыми токами порядка 1 электрона в секунду (с первого
динода).
Чувствительность фотокатода удобнее всего характеризовать
величиной квантового выхода фотоэмиссии Yк(hω) или квантовой
эффективностью Кλ. Это . безразмерные величины, равные отношению числа
эмиттированых электронов к числу поглощенных (или упавших) квантов света.
Yк(hω) или Кλ далеко не постоянны в рабочей области. Они отличны от нуля
только при hω ≥ hω0 = Iph, называемой порогом, или красной границей
фотоэффекта, или фотоэлектрической работой выхода. При продвижении в
коротковолновую сторону Yк(hω) быстро растет, пропорционально exp[Const ⋅(hω
– hω0)]. Величина Const зависит от типа материала и конструкции фотокатода.
Обычно фотокатоды . сложные двух- или многослойные системы, в которых
1 Кислород воздуха эффективно поглощает излучение, начиная примерно со 180.190 нм. Более
коротковолновая область требует вакуумирования приборов, отсюда и название.
приняты специальные меры к уменьшению поверхностного потенциального
барьера.
Рис.. Спектральные 
характеристики
различных
фотокатодов фирмы
RCA (США):
1. сурьмяно-цезиевого;
2. оксидного;
3. мультищелочного;
4.6. сложных
фотокатодов с
отрицательным
сродством к
электрону.
Kλ. квантовая
эффективность
фотокатода
Наилучшими свойствами обладают так называемые фотокатоды с
отрицательным сродством к электрону . полупроводниковые системы, в
которых возбужденный в объеме фотоэлектрон выходит в вакуум без
дополнительного потенциального барьера. В них Yк(hω) быстро достигает
максимального значения, иногда более 0,5, и остается примерно постоянным в
относительно широкой области. Спектральная характеристика ФЭУ с такими
катодами может быть близка к П-образной. . В общем же случае
можно ожидать самых разных форм спектральной зависимости чувствительности,
в том числе и с выраженной структурой, как у оксидного фотокатода .
Для технических целей часто используется такая характеристика ФЭУ, как
спектральная чувствительность фотокатода. почти то же, что квантовый
выход, но отнесена к энергии падающего излучения, а не к числу квантов, и
приводится в единицах А/Вт. Например, для ФЭУ-130 (SbCsK-фотокатод,
спектральная область 200.650 нм, максимум чувствительности . 400…420 нм)
паспортная спектральная чувствительность на длине волны 410 нм (hω = 3.024
эВ) равна 0,03 А/Вт, т.е. квантовый выход фотоэмиссии Yк(3 эВ) = 0.091.
Традиционно приводится и светотехническая характеристика .
чувствительность фотокатода (интегральная, не спектральная), измеряемая в
единицах А/лм.
На рис. 2.7.8 приведены спектральные характеристики ряда ФЭУ
американской фирмы RCA, имеющих стеклянные или увиолевые окна.
Большинство отечественных ФЭУ имеют характеристики типа 1.3.
Все фотокатоды по спектральной характеристике грубо можно разделить на
три группы:
. инфракрасные (оксидный катод, порог . 1,2 мкм);
. УФ-видимые (сурьмяно-цезиевый и мультищелочные катоды с порогом
650.850 нм);
. .солнечно-слепые. или просто .слепые., нечувствительные к видимому
или даже ближнему УФ-излучению. Обычно их фотокатоды . металлы или
простые двойные соединения. Например, полупрозрачный CsJ-фотокатод на окне
из MgF2 чувствителен в области 112.210 нм (11.0.5.9 эВ), причем на 210 нм
его чувствительность составляет всего 1% от максимальной (ФЭУ-154).
В заключение отметим, что для каждого эксперимента нужно специально
подбирать ФЭУ. Спектральная характеристика не должна простираться далеко в
длинноволновую область, иначе будут чрезмерны термоэмиссионные темновые
токи с фотокатода, пропорциональные exp(–ФT/kT). По этой причине ФЭУ с
оксидным катодом применяют только в специальных случаях, когда необходима
длинноволновая граница чувствительности. Если нужно работать только в
ультрафиолете, предпочтение отдают сурьмяно-цезиевым или солнечно-слепым
фотокатодам.
Область приминения
Дата: 2019-12-10, просмотров: 283.
