Фотоэлектронные умножители. 
Устройство. 
Принцип работы

Фотоэлектронные умножители (ФЭУ) — это электровакуумные приборы, в которых ток фотоэлектронной эмиссии усиливается посредством вторичной электронной эмиссии.

ФЭУ представляет собой электровакуумный фотоэлемент, объединенный с электронной усилительной системой в едином корпусе (баллоне). Действие усилительной системы основано на явлении вторичной электронной эмиссии. Устройство фотоэлектронного умножителя одного из типов показано на рис. 16.46.

Эмитируемые фотокатодом ФК фотоэлектроны /2_К, ускоряемые и фокусируемые электродами Э (в ФЭУ, изображенном на рис. 16.46, вместо этих электродов использована только сетка Э), попадают на первый динод Д,. Динод (анод) — это электрод, обладающий большим коэффициентом вторичной эмиссии (а ~ 6…8). Часть электронов теряется в фокусирующей и ускоряющей системе (сетка на рис. 16.46, а), что при расчетах обычно учитывается с помощью коэффициента эффективности у (у, — отношение числа фотоэлектронов, достигающих в единицу времени первого динода Д_1Э к числу ежесекундно эмитируемых катодом фотоэлектронов п_к). Таким образом, на первый динод по;

Рис. 16.46.

ступит п_ку_к электронов. С поверхности первого динода выйдет в раз большее число электронов, чем на него упадет. Появившиеся после бомбардировки первого динода вторичные электроны ускоряются полем второго динода Д₂, выбивают из него вторичные электроны, т. е. со второго динода при у₂ ⁼ 1 уйдет в а, о₂ раз большее число электронов и т. д. К аноду придет поток электронов в с^т раз больший (при у_к = у₁ = у₂ = … * у_т — 1; о_х «= а₂ ^в … = о_т), чем было испущено катодом (т — число динодов). В общем случае с учетом эффективности каскадов количество электронов, попадающих в единицу времени на анод, можно вычислить по следующей формуле:

где у_і— эффективность /-го каскада усиления (у ~ 0,7…0,95), равная отношению числа электронов, достигающих (і + 1)-го динода, к числу электронов, эмитированных / м динодом; о, — — коэффициент вторичной эмиссии /-го динода; о/уі — коэффициент усиления і-го каскада; т — число динодов.

С учетом (16.17) запишем выражение для тока, протекающего в цепи анода:

где /_к — ток фотоэмиссии с катода, величина М = П о, у, называется коэффициентом усиления фотоэлектронного умножителя по току.

Коэффициент усиления М и эффективности у₁ сбора электронов динодами зависят как от эмитирующей способности динодов, так и от конструкции входных камер и динодных систем. В настоящее время существует достаточно большое количество типов фотоумножителей, предназначенных для различных применений (телевидение, оптоэлектроника, лазерная техника, дозиметрия, астрономия и т. д.).

Входная камера, как правило, состоит из фотокатода и электронно-оптической системы, обеспечивающей фокусирование потока фотоэлектронов в направлении первого динода. Фотокатод в зависимости от конструкции и назначения ФЭУ может быть, как полупрозрачным, расположенным в торце прибора, так и массивным при боковом входе оптического сигнала. Диаметры катодов достигают нескольких десятков см, однако наиболее часто встречаются ФЭУ с размерами фотокатодов от 1,0 до 5 см.

Одним из основных требований, предъявляемых к электронно-оптическим системам ФЭУ, особенно быстродействующим, является требование минимального разброса времен пролета электронов от поверхности фотокатода до первого динода (изохронность траекторий электронов). Неодинаковость времени пролета обусловлена разбросом начальных скоростей и длин пробега электронов, вылетевших с различных участков фотокатода, неоднородностью электрических полей и рядом других факторов. Наилучшие результаты получаются во входных камерах со сферической формой электродов (см. рис. 16.46, а), где входная камера ФЭУ повторяет конструкцию каскада умножительной системы.

Динодные системы весьма разнообразны по конструкции. К ним предъявляются следующие требования: большое усиление и быстродействие, линейность энергетических (световых) характеристик, высокая эффективность, простота изготовления и эксплуатации. Наибольшее распространение получили динодные системы с электростатическими полями, обладающие наилучшими эксплуатационными характеристиками. Они могут быть разделены на системы с дискретными динодами и системы с распределенными динодами.

В первой группе наибольшее распространение получили системы, использующие фокусировку электронов, и системы «сквозного* типа (жалюзи, сетки, пленки на «прострел*), в которых умножительные каскады сконструированы таким образом, что они не требуют специальной фокусировки электронных пучков в пространстве между вторичными эмиттерами (см. рис. 16.46, б). Системы на дискретных динодах сквозного типа малочувствительны к воздействию внешних магнитных полей и из-за развитой рабочей поверхности динодов обеспечивают работу при больших токах нагрузки. К их недостаткам следует отнести более низкие эффективность динодов и временное разрешение по сравнению с ФЭУ, имеющими электростатическую фокусировку.

Системы на распределенных динодах бывают трех типов: пластинчатые, целевые и канальные. Последние из них в простейшем случае представляют собой трубку определенного калибра (отношение длины к диаметру), внутренняя поверхность которой обладает нужным электрическим сопротивлением и хорошим коэффициентом вторичной электронной эмиссии. Если на концы трубки с калибром 50… 100 подать высокий потенциал (> 2…2,5 кВ), то в канале трубки сформируется однородное электрическое поле.

Фотоэлектроны выбивают с внутренней поверхности трубки вторичные электроны, которые под действием электростатического поля ускоряются и бомбардируют стенки канала, находящиеся под большим потенциалом (см. рис. 16.46, б). Коэффициент усиления М трубки зависит от ее калибра, поверхности канала и приложенного к его концам напряжения. Величина М достигает значений 10⁵…10⁶. Канальные системы не требуют внешнего делителя напряжения, необходимого для систем на дискретных динодах, имеют простую конструкцию и малые размеры.

В последние годы были разработаны гибридные ФЭУ, в которых в качестве умножающих элементов используются полупроводниковые диодные или транзисторные структуры. Их принцип действия основан на образовании свободных носителей в полупроводнике с р—л-переходом при бомбардировке его электронами с энергией ~ 10 кэВ. На р—л-переход подано обратное смещение. Образовавшиеся в результате бомбардировки электронно-дырочные пары разделяются полем р—л перехода, образуя ток в цепи анода. Коэффициент усиления пропорционален коэффициенту умножения носителей в полупроводнике и достигает величины 10³ для диодных и 10⁶ для транзисторных структур.

Гибридные ФЭУ имеют большие выходные токи (~0,5А в стационарном режиме и до 20 А в импульсном), малые габариты, высокое быстродействие (~ 10^_1() с). Они не чувствительны к внешним магнитным полям.