Диноды и коэффициент усиления ФЭУ

Электроны, покидающие катод в результате фотоэффекта, направляются на первый динод с помощью специальной диафрагмы, создающей ускоряющее и фокусирующее поле в пространстве между катодом и первым динодом. Для улучшения условий собирания электронов на первом диноде на внутреннюю поверхность баллона ФЭУ в области фокусировки наносят обычно проводящее покрытие.

Диноды имеют форму корыта, ковша или короба и монтируются последовательно в виде круговой или линейной системы. Круговое расположение динодов позволяет существенно сократить габаритные размеры ФЭУ. Иногда в ФЭУ используются диноды жалюзного типа; в этом случае расположение динодов, естественно, линейное. Число динодов в фотоумножителе обычно равно 10—12. Типичные конструкции динодных чсистем ФЭУ схематически изображены на рисунках.

По типу полей, применяемых для управления движением или для фокусировки электронов, динодные системы делят на три класса:

1) системы с электростатическими полями;

2) системы с магнитным и электростатическим полями;

3) системы с магнитным и высокочастотным электрическими полями.

Внутри каждого класса существуют различные типы динодных систем, отличающихся формой самих динодов и их расположением.

Наибольшее распространение получили динодные системы с электростатическими полями, главным образом благодаря простоте их эксплуатации. Из большого числа разнообразных конструкций этого класса динодных систем наиболее широко применяются умножающие системы с фокусировкой электронов. В таких умножающих системах, поток вторичных электронов фокусируется в пространстве между каждым динодом, т.е. траектории движения вторичных электронов взаимно пересекаются внутри каскадного промежутка, как это показано на рис. 4.6.

Если сечение электронного потока (размеры участка поверхности динода, бомбардируемого электронами) уменьшается по мере перехода от первого каскада к последующим, т.е. электронный поток концентрируется, плотность тока возрастает быстрее, чем ток, – динодная система называется системой с острой фокусировкой электронов.

Рис. 4.6. Динодные системы с корытообразными динодами:
а – цилиндрическая часть динода одного радиуса, б – цилиндрическая часть динода двух радиусов; в – круговая система расположения динодов; г – динодная система со сложным профилем динода; д – двнодная система с торовидными динодами (тонкие линии со стрелками – траектории электронов)

На рис. 4.7 показаны два варианта систем, в которых диноды выполнены в виде коробок (коробчатая динодная система). Профиль динодов может быть треугольным, прямоугольным или цилиндрическим.

Рис. 4.7. Динодные системы с коробчатыми динодами: а – диноды с сетками; б – диноды с козырьками; 1 – диафрагма; 2 – диноды;
3 –анод; 4 – сетка

В современных динодных системах ФЭУ, как отечественных, так и зарубежных, чаще всего применяются диноды в виде четверти цилиндра, закрытого с торцов. Одна сторона коробчатого динода обычно прикрывается сеткой с высокой проницаемостью, препятствующей провисанию поля предыдущего динода в пространстве последующего динода. Торцы динодов закрываются боковыми крышками. Это исключает влияние зарядки боковых изоляторов, к которым крепятся диноды, на поле внутри динода. Такая конструкция характеризуется значительной эффективностью каскада, достигающей 95%. Основным преимуществом коробчатых динодов является то, что они позволяют создавать компактные малогабаритные конструкции ФЭУ, хорошо сочетающиеся с торцовым фотокатодом.

Недостатком коробчатой системы, показанной на рис. 4.7 а, является наличие сквозного канала от анода к фотокатоду. По этому каналу ионы и фотоны, которые образуются в последних каскадных промежутках и на аноде ФЭУ, например, в результате возбуждения и ионизации остаточных газов, могут попадать на фотокатод, создавая оптическую и ионную обратную связь. Для исключения обратной связи вместо сеток между каскадами применяют козырьки, которые, выполняя роль сеток, одновременно перекрывают сквозной центральный канал динодной системы (рис. 4.7 б).

Напряженность поля у рабочей поверхности динодамала (≈ 5 в/мм ). Этот недостаток, свойственный и другим конструкциям коробчатых динодов, приводит к большому разбросу времен пролета электронов внутри каскадов умножения (≈ 10^-8 с)и ограничивает величину максимального выходного тока (10…100 мка), при котором еще сохраняется линейная зависимость между током и световым потоком. Это обстоятельство практически исключает возможность применения коробчатых динодных систем в ФЭУ с высоким временным разрешением.

Большое распространение получили умножающие системы с динодами, выполненными в виде пластины со щелями, образованными наклонными лопастями (так называемые жалюзийные диноды). Конструкция жалюзийного динода показана на рис. 4.8.

Рис. 4.8. Конструкция жалюзийного динода: а – картина электрического поля; С – сетка; D – жалюзи; тонкими линиями указаны эквипотенциальные линии электрического поля; б – пролетный динод; в – не пролетный динод

Для того чтобы экранировать динод от тормозящего поля предыдущего динода, перед каждой пластиной помещают сетку с высокой проницаемостью, находящуюся под потенциалом последующего динода. Динодные пластины набираются в пакет таким образом, чтобы лопасти (i +1)-ro динода перекрывали зазоры между лопастями i -го динода. Несмотря на такое расположение динодов, все же имеет место прямой пролет (без умножения) некоторого числа электронов, наибольший на первом диноде. Часть электронов, пролетающих сквозь щели в диноде без умножения, зависит также от конструкции жалюзийных пластин. Пролет электронов является основным недостатком жалюзийных динодных систем. Он уменьшает коэффициент усиления и увеличивает разброс времен пролета электронов, т.е. ухудшает временное разрешение ФЭУ. Несмотря на эти недостатки, жалюзийные диноды нашли широкое применение в ФЭУ, поскольку благодаря большим рабочим поверхностям динодов и отсутствию острой фокусировки вторичных электронов они допускают работу при повышенных токах на выходе ФЭУ. Кроме того, усиление системы мало зависит от влияния внешних магнитных полей.

В ФЭУ с высоким временным разрешением нашли применение диноды, форма которых позволяет получить вблизи эмигрирующей поверхности сравнительно большие градиенты потенциала электрического поля. На рис. 4.6 представлены системы с так называемыми корытообразными динодами. Диноды представляют собой пластинки, согнутые в форме плоского козырька, переходящего в цилиндрическую часть одного (рис. 4.6 а) или двух (рис. 4.6 б) радиусов. Второй вариант характеризуется более высокой эффективностью каскада. Поле вблизи эмитирующей поверхности динода в этом случае более однородно и напряженность его значительно выше, чем в системах с коробчатыми динодами. Разновидность динодной системы с корытообразными электродами приведена на рис. 6 в. Круговое расположение динодов позволяет уменьшить габариты ФЭУ и получить более высокие напряженности поля у эмигрирующих поверхностей, что улучшает временное разрешение таких систем. Недостаток кругового расположения динодов заключается в том, что без существенной переделки конструкции нельзя увеличить количество динодов (что легко сделать при линейном расположении динодов). В связи с этим коэффициент усиления круговой системы ограничен, он не превышает 10⁵…10⁶. Некоторое усложнение формы динодов в системе, изображенной на рис. 6 г, создает конфигурацию поля с более высокой напряженностью у эмитирующей поверхности динода (рис. 6 д), что способствует улучшению временного разрешения ФЭУ.

Для существенного увеличения временного разрешения динодных систем, т.е. уменьшения разброса времен пролета электронов, в междинодное пространство помещают специальные вспомогательные электроды, форму и расположение которых подбирают с таким расчетом, чтобы траектории и скорости электронов, выходящих с разных точек динода, были одинаковыми. Это достигается либо значительным увеличением напряженности поля у эмитирующей поверхности динода введением сеток, расположенных вблизи динода и имеющих потенциалы последующих динодов (рис. 4.9 а), либо улучшением равномерности распределением градиентов потенциала электрического поля в междинодном пространстве помещением специальных электродов вдали от рабочей части динода.

Рис. 4.9. Схемы динодных систем с дополнительными электродами: тонкие линии со стрелками – траектории электронов; числа у электродов указывают их потенциалы в относительных единицах; а- с ускоряющими сетками; б – с выравниванием градиента потенциала; в – с компенсацией времен пролета электронов

Эти электроды не увеличивают напряженности поля у поверхности динода, но выравнивают траектории движения электро­нов (рис, 4.9 б). Этого можно достигнуть также (рис. 4.9 в), подбирая форму электродов с расчетом, чтобы более короткой траектории электронов соответствовала меньшая скорость электронов, и наоборот.

Для ФЭУ с высоким временным разрешением весьма существенным параметром является величина допустимого выходного тока. Это связано с тем, что для регистрации очень коротких импульсов тока на выходе ФЭУ необходима очень малая величина нагрузочного сопротивления (R _н≈ 75…90 ом на рис. 4.3), определяющего совместно с паразитной емкостью анода С _а верхнюю границу пропускаемых частот. Соответственно, для получения пригодных для дальнейшей радиотехнической обработки сигналов (порядка десятков вольт), динодные системы должны обеспечить получение выходных токов порядка сотен миллиампер.

Выходной ток ФЭУ определяется, вообще говоря, входным сигналом и коэффициентом усиления. Однако реально допустимая величина выходного анодного тока ограничивается: во-первых, объемным зарядом, который образуется в последних каскадах ФЭУ; во-вторых, допустимой мощностью рассеяния последнего динода, т.е. рабочей площадью и материалом динода.

Ограничение тока, вызванное объемным зарядом, устраняется повышением напряженности поля между динодами. Эту функцию выполняют дополнительные электроды, предназначенные для улучшения временного разрешения. Повысить допустимую мощность рассеяния на динодах можно, прежде всего, увеличением их рабочей поверхности. Поскольку плотность тока достигает наибольшей величины в промежутке последний динод – анод, конструкции этого узла (анодного блока) уделяют особое внимание. На рис. 4.8 а и 4.8 б представлены анодные блоки круговой и линейной динодных систем. Анод может быть выполнен в виде сетки и расположен между предпоследним и последним динодами. Электроны от предпоследнего динода ускоряются анодом – сеткой и, умножаясь на последнем диноде, собира­ются на анод (такого типа анод называется рефлексным). Недостатком этой конструкции является, прежде всего, то, что часть электронов перехватывается анодом – сеткой, не долетая до последнего динода. Кроме того, вокруг анода – сетки возникают колебания электронов, приводящие к ухудшению временного разрешения ФЭУ. Для уменьшения паразитных емкостей и полного согласования волнового сопротивления анода с анодной нагрузкой применяют анодные блоки с коаксиальным выходом. Такая конструкция изображена на рис. 4.10 в.

Рис. 4.10. Анодные блоки динодных систем: 1 – последний динод;
2 – анод; а, б – с рефлексным анодом; в – с коаксиальным выводом анода

Весьма высокое временное разрешение может быть достигнуто с помощью динодной системы, в которой используются пленочные эмиттеры, работающие на прострел. Диноды, имеющие форму диска, располагаются в динодной системе последовательно на близком расстоянии друг от друга. Это создает очень компактную и простую конструкцию динодной системы с близкими к однородным электростатическими полями большой напряженности. Такие системы должны обладать очень высоким временным разрешением (Δ τ ≈ 10^{‑ 11}…10^{‑ 12} с ).

Недостатком пленочных систем является малая величина допустимых токов на пленочных эмиттерах (~0, 1 мка/см² ). Поэтому в реальных конструкциях ФЭУ с пленочными эмиттерами в качестве последних динодов обычно используют сетчатые или жалюзийные диноды. Это приводит к ухудшению временного разрешения до величин, практически не отличающихся от временного разрешения динодных систем с фокусировкой электронного потока (1…2 нс). Поскольку для получения приемлемых коэффициентов вторичной эмиссии на прострел необходимы высокие энергии первичных электронов (2…4 кэв)нормальное для ФЭУ усиление ≈ 10⁶ достигается при рабочих напряжениях порядка нескольких десятков кв. Что также является недостатком пленочных динодных систем. Поэтому ФЭУ с такими динодными системами практически не нашли применения.

В последние годы стали широко использоваться динодные системы с распределенным эмиттером (рис.4.11).

Рис. 4.11. Динодные системы с распределенным эмиттером:
а – прямая трубка; б – спиральная трубка; в – многоканальная система; А – анод

Такая система состоит из трубки (канала) из непроводящего материала, внутренняя поверхность которой покрыта эмиттирующим слоем с высоким сопротивлением (10⁷…10⁸ ом). Если к слою приложить напряжение, то внутри трубки создается электрическое поле с осевой симметрией (рис. 4.11 а). Благодаря наличию нормальной к оси трубки составляющей начальной скорости вторичные электроны, образующиеся на входе канала, при движении вдоль трубки испытывают, по крайней мере, одно столкновение с ее внутренней поверхностью, если отношение длины трубки к диаметру достаточно велико (не меньше 10). При достаточно большом отношении длины канала к диаметру (это отношение называется калибром канала, оптимальный калибр ≈ 50) электроны многократно ударяются о его стенки и распределенный динод заменяет многокаскадную динодную систему, так как каждое столкновение электрона с поверхностью трубки эквивалентно одному каскаду умножения. Коэффициент усиления такого динода может достигать величин 10⁵…10⁶ при рабочем напряжении на концах канала 1, 5…2 кв.

Большим достоинством канальной системы является простота конструкции, возможность создания весьма малогабаритных ФЭУ и осуществления многоканальных систем с использованием пакета каналов, показанных на рис. 4.9 в. Кроме того, канальные динодные системы не нуждаются в делителе напряжения. Благодаря этим достоинствам канальные динодные системы в последние годы находят все большее применение в ФЭУ.

Недостатками прямых каналов являются сильная оптическая и ионная обратная связь. Поэтому трубке придают обычно изогнутую форму или форму пространственной спирали (рис. 4.11 б). Второй недостаток, присущий и прямым и изогнутым каналам, – низкая эффективность эквивалентного каскада умножения, объясняющаяся тем, что часть вторичных электронов, которые выходят под такими углами к оси трубки, что попадают в тормозящее поле и не участвуют в дальнейшем процессе умножения. Третий недостаток – большой разброс времен пролета электронов из-за отсутствия их фокусировки.

Недостатки канальных систем могут быть устранены, если воспользоваться магнитной фокусировкой электронов. Использование для управления движением электронов магнитных полей не нашло применения в промышленных ФЭУ из-за сложности их эксплуатации и больших габаритов. В связи с разработкой миниатюрной динодной системы с распределенным эмиттером и созданием компактных постоянных магнитов в настоящее время все большее внимание привлекают конструкции динодных систем со скрещенными магнитными и электростатическими полями.

Принцип работы динодных систем в скрещенных магнитном и электростатическом полях состоит в том, что для ускорения электронов используют электростатическое поле, а для фокусировки – постоянное магнитное поле. Вектор напряженности магнитного поля направлен по нормали к вектору напряженности электрического поля. Первые ФЭУ, созданные советским ученым Л.А. Кубецким в 1934 году (трубка Кубецкого), работали по этому принципу. Она состоит из двух параллельных пластин, расположенных на близком (несколько миллиметров) расстоянии друг от друга. Одна пластина (нижняя) служит распределенным динодом, вторая пластина – вспомогательным электродом. На нее подается положительный потенциал относительно нижнего электрода динодной пластины. Направление магнитного поля перпендикулярно пластинам. Электроны, выходящие с начального участка динода, ускоряются полем, создаваемым второй пластиной, и отклоняются магнитным полем. При этом они движутся по циклоидам, и каждый период циклоиды соответствует одному каскаду усиления дискретной динодной системы. При увеличении напряженности магнитного поля (или уменьшению электрического) уменьшается базис циклоиды и соответственно увеличивается эквивалентное число каскадов усиления, но при этом вследствие уменьшения энергии, накопленной электронами на более коротком пути, уменьшается коэффициент вторичной эмиссии.

Рабочая поверхность динодов покрыта слоем вещества, для которого коэффициент вторичной эмиссии, показывающий, во сколько раз число вторичных электронов превышает число первичных, больше единицы.

Для изготовления динодов можно использовать сплавы типа А1 — Мg — S1 или Сu — А1 — Мg.

Поверхность таких динодов специально обрабатывается для повышения коэффициента вторичной эмиссии σ. Хорошими свойствами обладают и сурьмяно-цезиевые эмиттеры.

Коэффициент вторичной эмиссии σ зависит от энергии первичных электронов, то есть от ускоряющей разности потенциалов, приложенной к двум соседним динодам. При увеличении энергии первичных электронов коэффициент σ довольно быстро растет и при напряжении между динодами порядка 100 в составляет для сурьмяно-цезиевого эмиттера около 3. Наибольшее значение σ для сурьмяно-цезиевого эмиттера имеет место при энергии первичных электронов 500 эви равно 8—12. При дальнейшем увеличении энергии первичных электронов коэффициент σ уменьшается. Вылетая под разными углами с различных глубин активного покрытия, вторичные электроны имеют кинетические энергии, распределенные в диапазоне от 0 до, примерно 15 эВ.

Коэффициент усиления ФЭУ, имеющего n динодов можно определить как:

М= σ ₁ σ ₂ σ _{3 .}

Здесь предполагается, что коэффициенты, характеризующие эффективность сбора электронов с фотокатода на первом диноде и при переходе от динода к диноду, равны единице.

Если условия для вторичной эмиссии на всех динодах одинаковы, то коэффициент М можно записать в виде: М= σ ⁿ.

При значениях коэффициента вторичной эмиссии о, лежащих в пределах от 2 до 4, и при числе динодов n= 10 — 15, коэффициент усиления ФЭУ может принимать значения от 10³ до 10⁶ раз.

При работе в сцинтилляционном счетчике коэффициент усиления фотоумножителя как правило составляет обычно 10⁵ —10⁶.раз.

Так как коэффициент вторичной эмиссии σ, при прочих равных условиях, зависит только от разности потенциалов между электродами ФЭУ, коэффициент усиления Мбудет определяться величиной напряжения питания умножителя. На рис.5 приведена типичная схема питания ФЭУ. Напряжение высоковольтного источника питания (~1, 5 кВ)подается на электроды с помощью делителя, состоящего из резисторов, R.

Напряжение между отдельными динодами выбирается, как правило, одинаковым; напряжение же между фотокатодом и фокусирующей диафрагмой, а также между последним динодом и коллектором обычно регулируется для получения оптимального режима работы ФЭУ.

При регистрации кратковременных световых вспышек между последними динодами, где электронный ток уже имеет значительную величину, рекомендуется установить шунтирующие конденсаторы.

Рис. 6. Схема включения ФЭУ

Относительное изменение коэффициента усиления Мпри изменении коэффициента вторичной эмиссии 0 на

составляет величину:

В соответствии с этим небольшие колебания напряжения питания ФЭУ, вызывающие сравнительно малые отклонения коэффициента вторичной эмиссии о от его номинального значения, приводят к заметным изменениям коэффициента усиления умножителя М.

Отсюда следует, что для обеспечения постоянства коэффициента Мнапряжение питания фотоумножителя необходимо строго стабилизировать. Так как при энергии первичных электронов порядка 100 в относительные отклонения коэффициента вторичной эмиссии оот его среднего значения примерно равны относительным колебаниям энергии первичных электронов, в обычных умножителях, где число динодов n 10, степень стабилизации напряжения питания должна по меньшей мере на порядок превышать заданную степень постоянства коэффициента усиления М.При меньшем числе динодов п требования к степени стабилизации напряжения несколько снижаются. I