Оптический метод регистрации излучений

2.4. Шумы ФЭУ. Темновой  ток

Чрезвычайно важным являются параметры ФЭУ, определяющие минимальные величины световых потоков, которые могут быть измерены с их помощью. Нижний придел измеряемых световых потоков определяется темновым током и шумами ФЭУ.

 

1 – усиленная термоэлектронная  эмиссия фотокатода и динодов; 2 – ток утечки; 3 – полная величина  темнового тока; 4 – область нестабильной работы.

Рис.2.4.1. Зависимость  составляющих темнового тока от величины напряжения питания фотоумножителя.

Темновой токт - это постоянный ток в цепи анода ФЭУ, полностью защищенного от излучений, которые могут воздействовать на него. Величина темнового тока является характерной для каждого экземпляра ФЭУ и существенно зависит от его рабочего напряжения. Источниками темнового тока являются: термоэлектронная эмиссия фотокатода и динодов (особенно первого), автоэлектронная эмиссия электродов, ток, обусловленный ионной и оптической обратными связями, ток утечки в анодной цепи. В зависимости от напряжения на ФЭУ каждая из этих составляющих по-разному влияет на величину темнового тока. Обычно различают три области (рис.2.4.1): Ι – при низких напряжениях основной вклад в величину темнового тока дают токи утечки, ΙΙΙ – при высоких напряжениях темновой ток обусловлен автоэлектронной эмиссией и обратными связями; рабочей областью ФЭУ является область ΙΙ, в которой изменение величины темнового тока с напряжением пропорционально изменению анодной чувствительности.

В зависимости от конструкции и технологии изготовления ФЭУ могут изменяться соотношения протяженности этих областей и величины напряжений для каждой из них. В малогабаритных ФЭУ область ΙΙ обычно существенно уже, чем в крупногабаритных, в ФЭУ с напыленными динодами область ΙΙΙ смещена в сторону более низких напряжений чем в ФЭУ с динодами на основе сплавов.

Качество ФЭУ в схеме регистрации постоянного тока характеризуется световым эквивалентом темнового тока, являющимся отношением темнового тока к анодной чувствительности: [лм] = [A]/ [A/лм]. Область значений величины напряжения питания и анодной чувствительности, при которых    является минимальным, определяется конструкцией ФЭУ. Разброс величины для ФЭУ одного типа достигает 1 – 1,5 порядка величины, для ФЭУ разных типов – нескольких порядков. На рис. 2.4.2 приведены характерные зависимости = f ().

 

1 – ФЭУ-58; 2 – ФЭУ-55; 3 - ФЭУ-54; 4 - ФЭУ-81, ФЭУ-93; 5 - ФЭУ-19, ФЭУ-29; 6 - ФЭУ-51; 7 - ФЭУ-85; 8 - ФЭУ-17, ФЭУ-18; 9 - ФЭУ-64; 10 - ФЭУ-79, ФЭУ-106; 11 - ФЭУ-91; 12 - ФЭУ-92.

Рис.2.4.2. Зависимость светового эквивалента темнового тока от напряжения питания

Флуктуации темнового тока являются источником собственных шумов ФЭУ, причем в их равномерно представлены составляющие всех частот (белый шум). Это позволяет применять радиотехнические методы улучшения отношения сигнал/шум. В режиме регистрации модулированных световых сигналов частота модуляции светового потока совпадает со средней частотой пропускания усилителя. Улучшения отношения сигнал /шум добиваются сужением его полосы пропускания, так как ~Δf. Характерными являются два случая приема модулированных сигналов: при отсутствии и при наличии освещения фотокатода постоянным световым фоном. Для количественной оценки величины шумов ФЭУ соответственно используются два параметра: порог чувствительности (иногда его называют темновым порогом чувствительности) и порог чувствительности при постоянном световом фоне.

Порог чувствительности [] – это такой световой поток от стандартного источника света типа А, который, падая на фотокатод, создает на выходе ФЭУ сигнал, равный среднеквадратичному значению напряжения собственных шумов.

Порог чувствительности при постоянном световом фоне  [лм/] определяется аналогично, но при наличии фоновых шумов. При освещении фотокатода ФЭУ монохроматическим излучением аналогично же может быть определен спектральный порог чувствительности [Вт/].

 

 

1 – ФЭУ-26; 2 - ФЭУ-31А; 3 - ФЭУ-20; 4 - ФЭУ-27; 5 - ФЭУ-51; 6 - ФЭУ-17, ФЭУ-18; 7 - ФЭУ-69; 8 - ФЭУ-64, ФЭУ-79, ФЭУ-106

 

 

Рис.2.4.3. Зависимость порога чувствительности от величины анодной чувствительности

2.5.Принцип умножения  электронов

Принцип действия ФЭУ основан на выбивании электронов с поверхности световыми квантами ħw (внешний фотоэффект) и последующем  усилении электронного потока с помощью вторичной электронной эмиссии.

Фотоэлектронная эмиссия из твердого тела порождается тремя следующими друг за другом процессами: 1) поглощением падающего фотона, приводящим к передаче энергии от фотона к электрону; 2) диффузией возбужденного электрона к поверхности твердого тела; 3) прохождением электрона через поверхностный потенциальный барьер в вакуум. Энергия, необходимая электрону для преодоления потенциального барьера, называется работой выхода.

При бомбардировке твердого тела электронами, обладающими достаточной энергией, происходит испускание вторичных электронов, называемое вторичной эмиссией. Физические процессы, связанные  с вторичной эмиссией, во многом схожи с фотоэмиссией. Основное различие заключается в том, что эмиссию в данном случае вызывает ударная ионизация при взаимодействии электронов твердого тела с первичными электронами, а не с фотонами.

Механизм вторичной эмиссии заключается в следующем:

- первичные электроны  взаимодействуют с электронами  твердого тела и возбуждают их до более высоких энергетических состояний;

- часть возбужденных электронов  перемещаются в направлении к  границе вакуум – твердое тело;

- электроны, достигающие  поверхности с энергией, превышающей  высоту поверхностного потенциального барьера, переходят в вакуум.

При падении пучка первичных электронов часть из них испытывает упругое отражение от атомов кристаллической решетки, остальные проникают внутрь тела и взаимодействуют с электронами твердого тела. Причем одни,  испытав неупругое отражение, покидают твердое тело, имея энергию, другие в результате  столкновения с внутренними электронами полностью теряют сваю энергию и остаются в теле. Так как число связанных электронов в любом твердом теле значительно больше, чем число свободных, первичный электрон будет передавать сваю энергию в основном связанным электронам. При этом он или приводит атомы в возбужденное состояние или ионизирует их. Наиболее интенсивную ионизацию первичный электрон производит в конце пробега. Выбитые из атомов возбужденные электроны, перемещаясь в объеме тела в направлении к поверхности, быстро теряют энергию  в результате взаимодействия с электронами твердого тела и кристаллической решеткой.

Электроны, возбудившиеся вблизи поверхности тела, могут приблизиться к границе вакуум – твердое тело с анергией , достаточной для преодоления потенциального барьера, и вылететь как вторичные. Такие электроны называются истинными вторичными электронами.

 

Рис.2.5.1.Типичные кривые зависимости коэффициента вторичной эмиссии от энергии первичных электронов

Зависимость коэффициента вторичной эмиссии от энергии первичных электронов – одно из основных свойств  вторичной эмиссии. Характерной особенностью этой зависимости является наличие широкого максимума. Энергия первичных электронов, при которой σ достигает максимального значения, изменяется для обычных эмиттеров в пределах от 100 до 1800 эВ. Увеличение σ при энергиях первичных электронов, меньших макс коэффициент вторичной эмиссии уменьшается,так как наибольшее число втроичных электронов эмитируется во все более глубоких слоях материала и не может достигнуть поверхности с энергией, достаточной для преодоления потенциального барьера.

Второй важной характеристикой  вторичной эмиссии является распределение  вторичных электронов по скоростям. Наибольшее число истинных вторичных электронов имеют энергию в несколько электрон-вольт и значительная часть их покидает тело со скоростями, близкими к нулю. Упруго и не упруго отраженные электроны имеют энергию, близкую к энергии первичных электронов.

2.6.Источники высокого  напряжения для ФЭУ

К источникам высокого напряжения применяемым для питания фотоэлектронных умножителей предъявляются особые требования, принципиальным из которых является стабильность выходного напряжения составляющая от 0,1 от 0,01 % (прибора спектрометрии), также учитывая, что источник будет работать в составе чувствительных радиометрических комплексов, к высоковольтным источникам предъявляются жесткие требования по величине кондуктивных и индуктивных помех.

Высоковольтный источник питания обеспечивает формирование напряжение анодного питания ФЭУ, величина которого устанавливается по командам, поступающим от блока управления.

 Высоковольтный источник  питания ФЭУ обеспечивает формирование  высоковольтного напряжения в диапазоне от 0 до 2000 Вольт при максимальном токе в нагрузке до 10 мА.

 Уровень выходного  напряжения устанавливается путем  записи 12-разрядного кода во внутренние  регистры задающего ЦАП. На выходе  ЦАП устанавливается напряжение, которое поступает на усилитель сигнала ошибки рассогласования.

 На второй вход усилителя  сигнала ошибки поступает сигнал, пропорциональный величине напряжения на выходе высоковольтного источника питания. Этот сигнал снимается с высоковольтного резистивного делителя напряжения, буферизированного повторителем на ОУ, так, что при изменении выходного напряжения источника от 0 до 2000 Вольт, сигнал, снимаемый с делителя, изменяется в диапазоне от 0 до 2 Вольт.

 Усилитель сигнала  ошибки выделяет дифференциальный  сигнал рассогласования и формирует сигнал управления для управляемого генератора с тем, чтобы свести к минимуму величину сигнала рассогласования. Усилитель собран по схеме дифференциального усилителя с разорванной петлей ООС по постоянному току, чем обеспечивается максимальное усиление сигнала ошибки рассогласования. Частотная коррекция времени реакции осуществляется емкостью в цепи ООС.

В состав управляемого генератора высоковольтного преобразователя входит:

задающий генератор;

широтно-импульсный модулятор;

импульсный фазовращатель.

Задающий генератор формирует тактовые острые импульсы частотой 18 - 20 кГц. Тактовые импульсы поступают на широтно-импульсный модулятор обеспечивают формирование импульсов с частотой следования, определяемой задающим генератором, и длительностью, определяемой величиной постоянного напряжения управления, поступающего с усилителя ошибки рассогласования. Так, при напряжении управления порядка 0 Вольт, ширина импульсов минимальна (вплоть до отсутствия импульсов), а при повышении напряжения управления, ширина импульсов увеличивается. Таким образом, изменением величины напряжения управления обеспечивается изменение скважности импульсов в широких пределах.

 Важно отметить, что  при максимальном значении напряжения  управления, импульсы имеют "зазор" для предотвращения возникновения сквозных токов в ключевом усилителе мощности.

 Импульсный фазовращатель  формирует парафазный сигнал, необходимый  для функционирования двухтактного  ключевого усилителя мощности. Ключевой  усилитель мощности обеспечивает  усиление импульсов и формирование  импульсов высокого напряжения, поступающих на высоковольтный выпрямитель и емкостной фильтр высокого напряжения. Ключевой усилитель собран по двухтактной схеме, обладающей низким уровнем импульсных и электромагнитных помех, что особо важно с учетом близкого расположения высокочувствительных каскадов усиления фототока ФЭУ. Полученное высокое напряжение поступает на ФЭУ и делитель напряжения динодов, конструктивно расположенный внутри темновой камеры в непосредственной близости от ФЭУ.

Рис.2.6.1. Источник высокого напряжения для ФЭУ

2.7.Получение напряжений  для электродов ФЭУ

Для того чтобы на каждый электрод ФЭУ подать соответствующий потенциал, обеспечивающий оптимальную работу прибора, используется делитель напряжения, изображенный на Рис.2.7.1. Простейший вариант состоит из нескольких одинаковых сопротивлений, включенных последовательно друг с другом. Общее сопротивление делителя обычно составляет 2 – 10 МОм. На один конец делителя, соединенный с фотокатодом, подается питающее напряжение U обычно около –2000В, а другой конец заземлен, т.е. находится при нулевом потенциале. В таком делителе междинодное напряжение равно U/13, т.е. примерно 150 В. Диафрагма и диноды последовательно подключаются к точкам соединения резисторов. Анод соединяется с землей через нагрузочное сопротивление RL. Существенным является то, что параллельно с этим сопротивлением обязательно включена некая емкость C — это либо реальный конденсатор, либо просто паразитна емкость, образованная элементами реальной конструкции и входной емкостью дальнейшей электронной схемы. Эти три элемента образуют выхоную (анодную) цепь ФЭУ, сигнал с которой и подается на вход электронной схемы (усилителя) для дальнейшего усиления и регистрации.

Рис.2.7.1. Схематичное изображение фотоэлектронного умножителя, включенного в электрическую цепь

2.8.Стабилизация  усиления ФЭУ

Широкое использование фотоумножителей в различных чувствительных измерительных приборах требует применения для питания фотоумножителей (ФЭУ) хорошо стабилизированного напряжения, так как коэффициент усиления ФЭУ существенно зависит от стабильности напряжения питания.Способ стабилизации коэффициента усиления ФЭУ поддержанием постоянным напряжения между двумя соседними динодами неприменим для фотоумножителей типа, например, ФЭУ - 19, ФЭУ - 29 и т. п., ввиду малой чувствительности их к неравномерности распределения напряжения между динодами.

Способ стабилизации коэффициента усиления фотоумножителей путем поддержания неизменным напряжения на одном из динодов не относительно соседнего динода, а относительно следующего за ним динода, позволяет стабилизировать коэффициент усиление практически у всех типов ФЭУ. В этом случае при возрастании общего напряжения на ФЭУ получается уменьшение напряжения между двумя соседними динодами, тогда как при стабилизации усиления при поддержании напряжения между двумя соседними динодами оно оставалось постоянным. При этом напряжение между двумя предыдущими динодами увеличивается больше, чем при первом способе стабилизации.

Вследствие получающегося, при поддержании неизменным напряжения на одном из динодов относительно следующего за ним динода, резкого перераспределения напряжения между динодами, при повышении общего напряжения на фотоумножителе, фокусировка электронов ухудшается, что снижает коэффициент усиления, увеличившийся за счет повышения напряжения между остальными динодами. Поддержание постоянства напряжения осуществляется путем подключения батареи, необходимое напряжение которой примерно равно величине напряжения между стабилизируемыми динодами.

2.9.Счетная характеристика  ФЭУ

Такая кривая называется счетной характеристикой фотоумножителя. Высокое напряжение, разделенное делителем напряжения почти поровну между динодами, создает потенциал, ускоряющий электроны. Для различных фотоумножителей напряжение между динодами составляет 100-200 В, а суммарная разность потенциалов между анодом и катодом равна 1000-2000 В. Для фотоумножителей всех марок, пригодных к работе в режиме счета фотонов, кривая качественно имеет один и тот же вид, но абсолютные значения питающего напряжения различны.

Для примера рассмотрим фотоумножитель ФЭУ-79. Сначала, при низких напряжениях питания, амплитуда возникающих импульсов мала и регистрирующая аппаратура их не чувствует. Поскольку существуют флуктуации коэффициента умножения электронов на каждом диноде, амплитуды импульсов, соответствующим разным фотоэлектронам несколько отличаются друг от друга.