Tuba fotopowielacza - Photomultiplier tube

Fotopowielacz

Fotopowielacze rury ( fotopowielacze lub PMT krócej), członków klasy rurek próżniowych , a dokładniej próżniowe phototubes są bardzo czułe detektory światła w zakresie ultrafioletu , widzialnego oraz bliskiej podczerwieni zakresach widma elektromagnetycznego . Detektory te zwielokrotniają prąd wytwarzany przez światło padające nawet 100 milionów razy lub 108 (tj. 160 dB ), w wielu stopniach dynodowych , umożliwiając (na przykład) wykrywanie pojedynczych fotonów, gdy strumień padającego światła jest niski.

Dynody w fotopowielaczu

Połączenie wysokiego wzmocnienia , niski szum , odpowiedzi o wysokiej częstotliwości, lub, równoważnie, bardzo krótki czas reakcji, oraz dużej powierzchni zbierania utrzymuje fotopowielacze zasadnicze miejsce w niskiej spektroskopii poziomu światła , mikroskopii konfokalnej , spektroskopii Ramana , spektroskopia fluorescencyjna , jądrowe i cząstki fizyka , astronomia , diagnostyka medyczna , w tym badania krwi , obrazowanie medyczne , skanowanie filmów ( telecine ) , zagłuszanie radaru i wysokiej klasy skanery obrazu znane jako skanery bębnowe . Elementy techniki fotopowielacza, inaczej zintegrowane, stanowią podstawę noktowizorów . Badania, które analizują rozpraszanie światła , takie jak badanie polimerów w roztworze, często wykorzystują laser i PMT do zbierania danych o rozproszonym świetle.

Urządzenia półprzewodnikowe , w szczególności fotopowielacze krzemowe i fotodiody lawinowe , stanowią alternatywę dla klasycznych fotopowielaczy; jednak fotopowielacze są wyjątkowo dobrze przystosowane do zastosowań wymagających niskoszumowego, wysokoczułego wykrywania światła, które jest niedoskonale skolimowane .

Struktura i zasady działania

Rys.1: Schemat fotopowielacza połączonego ze scyntylatorem . Ten układ służy do wykrywania promieni gamma .
Rys. 2: Typowy obwód dzielnika napięcia fotopowielacza wykorzystujący ujemne wysokie napięcie.

Fotopowielacze są zwykle zbudowane z próżniową szklaną obudową (przy użyciu niezwykle szczelnego i trwałego uszczelnienia szkło-metal, jak inne lampy próżniowe ), zawierającej fotokatodę , kilka dynod i anodę . Fotony padające uderzają w materiał fotokatody , który jest zwykle cienką warstwą przewodzącą osadzoną w postaci pary po wewnętrznej stronie okienka wejściowego urządzenia. Elektrony są wyrzucane z powierzchni w wyniku efektu fotoelektrycznego . Elektrony te są kierowane przez elektrodę skupiającą w kierunku powielacza elektronów , gdzie elektrony są powielane w procesie emisji wtórnej .

Powielacz elektronów składa się z szeregu elektrod zwanych dynodami . Każda dynoda jest utrzymywana na potencjale bardziej dodatnim, ≈100 woltów, niż poprzednia. Elektron pierwotny opuszcza fotokatodę z energią przychodzącego fotonu, czyli około 3 eV dla fotonów „niebieskich”, minus praca fotokatody. Mała grupa elektronów pierwotnych jest tworzona przez przybycie grupy fotonów początkowych. (Na rys. 1 liczba pierwotnych elektronów w początkowej grupie jest proporcjonalna do energii padającego promieniowania gamma o wysokiej energii). Elektrony pierwotne poruszają się w kierunku pierwszej dynody, ponieważ są przyspieszane przez pole elektryczne. Każdy z nich przybywa z energią kinetyczną ~100 eV nadaną przez różnicę potencjałów. Po uderzeniu w pierwszą dynodę emitowane jest więcej elektronów o niskiej energii, które z kolei są przyspieszane w kierunku drugiej dynody. Geometria łańcucha dynodowego jest taka, że ​​występuje kaskada z wykładniczo rosnącą liczbą elektronów wytwarzanych na każdym etapie. Na przykład, jeśli na każdym etapie powstaje średnio 5 nowych elektronów dla każdego przychodzącego elektronu i jeśli jest 12 stopni dynodowych, to na ostatnim etapie oczekuje się na każdy elektron pierwotny około 5 12 ≈ 10 8 elektronów. Ten ostatni etap nazywa się anodą . Ta duża liczba elektronów docierających do anody skutkuje ostrym impulsem prądowym, który jest łatwo wykrywalny, na przykład na oscyloskopie, sygnalizujący przybycie fotonu(ów) do fotokatody ≈50 nanosekund wcześniej.

Niezbędny rozkład napięcia wzdłuż szeregu dynod jest tworzony przez łańcuch dzielnika napięcia, jak pokazano na rys. 2. W przykładzie fotokatoda jest utrzymywana na ujemnym wysokim napięciu rzędu 1000 V, podczas gdy anoda jest bardzo zbliżona do potencjał ziemi . Kondensatory na ostatnich dynodach działają jak lokalne zbiorniki ładunku, pomagając utrzymać napięcie na dynodach, podczas gdy lawiny elektronowe rozchodzą się w rurze. W praktyce stosuje się wiele odmian projektu; pokazany projekt jest jedynie ilustracyjny.

Metalizacja wewnętrzna jako ekran ochronny przed niepożądanymi źródłami światła

Istnieją dwie powszechne orientacje fotopowielaczy, konstrukcja czołowa lub skierowana w przód (tryb transmisji), jak pokazano powyżej, w której światło wpada do płaskiego, okrągłego wierzchołka rury i przechodzi przez fotokatodę, oraz konstrukcja boczna (tryb odbicia ), gdzie światło wpada w określone miejsce z boku tuby i pada na nieprzezroczystą fotokatodę. Konstrukcja side-on jest stosowana na przykład w typie 931 , pierwszym masowo produkowanym PMT. Oprócz różnych materiałów fotokatodowych, na wydajność wpływa również przepuszczanie materiału okiennego , przez który przechodzi światło, oraz rozmieszczenie dynod. Dostępnych jest wiele modeli fotopowielaczy posiadających różne kombinacje tych i innych zmiennych projektowych. Instrukcje producentów dostarczają informacji potrzebnych do wyboru odpowiedniego projektu dla konkretnego zastosowania.

Zakres temperatury

Wiadomo, że w temperaturach kriogenicznych fotopowielacze wykazują wzrost (pęczniejącej) emisji elektronów wraz ze spadkiem temperatury. Zjawisko to nadal nie jest wyjaśnione przez żadną teorię fizyki .

Historia

Wynalezienie fotopowielacza opiera się na dwóch wcześniejszych osiągnięciach, oddzielnych odkryciach efektu fotoelektrycznego i emisji wtórnej .

Efekt fotoelektryczny

Pierwsza demonstracja efektu fotoelektrycznego została przeprowadzona w 1887 roku przez Heinricha Hertza przy użyciu światła ultrafioletowego. Znaczące z praktycznych zastosowań, Elster i Geitel dwa lata później zademonstrowali ten sam efekt, stosując metale alkaliczne uderzające w światło widzialne (potas i sód). Dodatek cezu , innego metalu alkalicznego , umożliwił rozszerzenie zakresu wrażliwych długości fal w kierunku dłuższych fal w czerwonej części widma widzialnego.

Historycznie rzecz biorąc, efekt fotoelektryczny jest związany z Albertem Einsteinem , który polegał na tym zjawisku, aby ustalić fundamentalną zasadę mechaniki kwantowej w 1905 roku, za co Einstein otrzymał w 1921 roku Nagrodę Nobla . Warto zauważyć, że Heinrich Hertz, pracując 18 lat wcześniej, nie zauważył, że energia kinetyczna emitowanych elektronów jest proporcjonalna do częstotliwości, ale niezależna od natężenia optycznego. Ten fakt po raz pierwszy implikował dyskretną naturę światła, czyli istnienie kwantów .

Emisja wtórna

Zjawisko emisji wtórnej (zdolność elektronów w lampie próżniowej do powodowania emisji dodatkowych elektronów poprzez uderzenie w elektrodę ) ograniczało się początkowo do zjawisk i urządzeń czysto elektronicznych (które nie miały światłoczułości ). W 1899 roku efekt został po raz pierwszy zgłoszony przez Villarda. W 1902 Austin i Starke donieśli, że metalowe powierzchnie, na które uderzają wiązki elektronów, wyemitowały większą liczbę elektronów niż padały. Zastosowanie nowo odkrytej emisji wtórnej do wzmacniania sygnałów zostało zaproponowane dopiero po I wojnie światowej przez naukowca z Westinghouse , Josepha Slepiana, w patencie z 1919 roku.

Wyścig w kierunku praktycznej elektronicznej kamery telewizyjnej

Składniki do wynalezienia fotopowielacza zostały zebrane w latach dwudziestych XX wieku, gdy tempo technologii lamp próżniowych przyspieszyło. Podstawowym celem wielu, jeśli nie większości pracowników, była potrzeba praktycznej technologii kamer telewizyjnych. Telewizja była przedmiotem zainteresowania prymitywnymi prototypami przez dziesięciolecia przed wprowadzeniem w 1934 roku pierwszego praktycznego aparatu fotograficznego ( ikonoskopu ). Wczesne prototypowe kamery telewizyjne nie miały czułości. Zastosowano technologię fotopowielacza, aby lampy kamer telewizyjnych, takie jak ikonoskop i (później) ortikon , były wystarczająco czułe, aby były praktyczne. Tak więc przygotowaliśmy scenę do połączenia podwójnych zjawisk fotoemisji (tj. efektu fotoelektrycznego) z emisją wtórną , które zostały już zbadane i odpowiednio zrozumiane, w celu stworzenia praktycznego fotopowielacza.

Pierwszy fotopowielacz, jednostopniowy (pocz. 1934)

Pierwsza udokumentowana demonstracja fotopowielacza pochodzi z wczesnych osiągnięć grupy RCA z siedzibą w Harrison w stanie New Jersey w 1934 roku. Harley Iams i Bernard Salzberg jako pierwsi zintegrowali katodę z efektem fotoelektrycznym i pojedynczy stopień wzmocnienia emisji wtórnej w pojedynczej powłoce próżniowej i jako pierwsi scharakteryzowali jego działanie jako fotopowielacza ze wzmocnieniem elektronowym. Osiągnięcia te zostały sfinalizowane przed czerwcem 1934, jak wyszczególniono w rękopisie przedłożonym do Proceedings of Institute of Radio Engineers (Proc. IRE). Urządzenie składało się z półcylindrycznej fotokatody , emitera wtórnego zamontowanego na osi oraz siatki kolektora otaczającej emiter wtórny. Lampa miała wzmocnienie około ośmiu i pracowała na częstotliwościach znacznie powyżej 10 kHz.

Fotopowielacze magnetyczne (połowa 1934-1937)

Poszukiwano wyższych zysków niż te dostępne z wczesnych jednostopniowych fotopowielaczy. Jednakże faktem empirycznym jest, że wydajność elektronów wtórnych jest ograniczona w dowolnym procesie emisji wtórnej, niezależnie od napięcia przyspieszenia. Tak więc każdy fotopowielacz jednostopniowy ma ograniczone wzmocnienie. W tym czasie maksymalny możliwy do osiągnięcia przyrost pierwszego stopnia wynosił około 10 (bardzo znaczący rozwój w latach 60. pozwolił na osiągnięcie przyrostów powyżej 25 przy użyciu dynod o ujemnym powinowactwie elektronowym ). Z tego powodu ważnym celem były wielostopniowe fotopowielacze, w których wydajność fotoelektronów mogła być zwielokrotniana sukcesywnie w kilku etapach. Wyzwanie polegało na tym, aby fotoelektrony uderzały kolejno w elektrody o wyższym napięciu, zamiast przemieszczać się bezpośrednio do elektrody o najwyższym napięciu. Początkowo wyzwanie to przezwyciężono, wykorzystując silne pola magnetyczne do zaginania trajektorii elektronów. Taki schemat został wymyślony przez wynalazcę J. Slepiana już w 1919 roku (patrz wyżej). W związku z tym wiodące międzynarodowe organizacje badawcze zwróciły uwagę na ulepszanie fotopowielaczy, aby osiągnąć wyższy zysk na wielu etapach.

W ZSRR sprzęt radiowy produkowany przez RCA został wprowadzony na szeroką skalę przez Józefa Stalina do budowy sieci nadawczych, a nowo utworzony Ogólnounijny Instytut Badań Naukowych dla Telewizji przygotowywał program badawczy dotyczący lamp próżniowych, który był zaawansowany jak na tamte czasy i miejsce. Personel naukowy RCA odbył liczne wizyty w ZSRR w latach 30., przed zimną wojną , aby poinstruować radzieckich klientów o możliwościach sprzętu RCA i zbadać potrzeby klientów. Podczas jednej z tych wizyt, we wrześniu 1934 r., Vladimirowi Zworykinowi z RCA pokazano pierwszy fotopowielacz z wieloma dynodami, czyli powielacz fotoelektronowy . To pionierskie urządzenie zaproponował Leonid A. Kubetsky w 1930 r., a następnie zbudował je w 1934 r. W czerwcu 1934 r. urządzenie osiągnęło wzrost rzędu 1000 razy lub więcej. Jak podkreślono, praca została przedłożona do druku dopiero dwa lata później, w lipcu 1936 r. w niedawnej publikacji Rosyjskiej Akademii Nauk (RAS) z 2006 r., która określa ją jako „tubę Kubeckiego”. Radzieckie urządzenie wykorzystywało pole magnetyczne do ograniczania elektronów wtórnych i opierało się na fotokatodzie Ag-O-C, która została zademonstrowana przez General Electric w latach 20. XX wieku.

W październiku 1935 Vladimir Zworykin , George Ashmun Morton i Louis Malter z RCA w Camden, NJ złożyli rękopis opisujący pierwszą wszechstronną eksperymentalną i teoretyczną analizę rury z wieloma dynodami – urządzenie nazwane później fotopowielaczem – do Proc. GNIEW. Prototypowe fotopowielacze RCA wykorzystywały również fotokatodę Ag-O-Cs ( tlenek srebra - cez ). Wykazali szczytową wydajność kwantową 0,4% przy 800 nm .

Fotopowielacze elektrostatyczne (1937-obecnie)

Podczas gdy te wczesne fotopowielacze wykorzystywały zasadę pola magnetycznego, fotopowielacze elektrostatyczne (bez pola magnetycznego) zostały zademonstrowane przez Jana Rajchmana z RCA Laboratories w Princeton, NJ pod koniec lat 30. XX wieku i stały się standardem dla wszystkich przyszłych fotopowielaczy komercyjnych. Pierwszy masowo produkowany fotopowielacz, Typ 931, był tego projektu i do dziś jest produkowany komercyjnie.

Ulepszone fotokatody

Również w 1936 roku P. Görlich doniósł o znacznie ulepszonej fotokatodzie Cs 3 Sb ( cez - antymon ). Fotokatoda cezowo-antymonowa miała znacznie poprawioną wydajność kwantową o 12% przy 400 nm i została użyta w pierwszych komercyjnie udanych fotopowielaczach wyprodukowanych przez RCA (tj. typ 931) zarówno jako fotokatoda, jak i jako materiał emitujący wtórnie do z dynodes . Różne fotokatody dawały różne odpowiedzi spektralne.

Odpowiedź spektralna fotokatod

Na początku lat czterdziestych JEDEC (Joint Electron Device Engineering Council), komitet branżowy ds. normalizacji, opracował system wyznaczania odpowiedzi widmowych. Filozofia obejmowała ideę, że użytkownik produktu musi się martwić tylko o reakcję urządzenia, a nie o to, jak urządzenie może zostać wyprodukowane. Różnym kombinacjom materiałów fotokatodowych i okiennych przypisano „numery S” (liczby widmowe) od S-1 do S-40, które są nadal w użyciu. Na przykład S-11 wykorzystuje fotokatodę cezowo-antymonową z okienkiem ze szkła wapiennego, S-13 wykorzystuje tę samą fotokatodę z okienkiem z topionej krzemionki, a S-25 wykorzystuje tak zwaną fotokatodę „wieloalkaliczną” (Na-K-Sb). -Cs, czyli sód - potas - antymon - cez ), który zapewnia przedłużoną odpowiedź w czerwonej części widma światła widzialnego. Do tej pory nie doniesiono o żadnych odpowiednich powierzchniach fotoemisyjnych do wykrywania fal o długości większej niż około 1700 nanometrów, do których można się zbliżyć specjalną fotokatodą (InP/InGaAs(Cs)).

Korporacja RCA

RCA przez dziesięciolecia była odpowiedzialna za wykonywanie najważniejszych prac związanych z rozwojem i udoskonalaniem fotopowielaczy. RCA była również w dużej mierze odpowiedzialna za komercjalizację fotopowielaczy. Firma skompilowała i opublikowała autorytatywny i powszechnie używany podręcznik dotyczący fotopowielaczy . RCA dostarczyło drukowane kopie bezpłatnie na żądanie. Podręcznik, który następcy RCA nadal bezpłatnie udostępniają w Internecie, uważany jest za podstawowe źródło informacji.

Po rozpadzie korporacji pod koniec lat 80-tych, obejmującym przejęcie RCA przez General Electric i przekazanie oddziałów RCA licznym stronom trzecim, działalność fotopowielaczy RCA stała się niezależną firmą.

Lancaster, zakład w Pensylwanii

Zakład w Lancaster w Pensylwanii został otwarty przez US Navy w 1942 roku i obsługiwany przez RCA do produkcji lamp radiowych i mikrofalowych . Po II wojnie światowej obiekt marynarki został przejęty przez RCA. RCA Lancaster, jak go nazwano, była bazą dla rozwoju i produkcji komercyjnych produktów telewizyjnych . W kolejnych latach dodano kolejne produkty, takie jak lampy „katodowe”, lampy fotopowielaczowe, czujniki ruchu do sterowania oświetleniem oraz systemy telewizji przemysłowej .

Burle Industries

Burle Industries, jako następca RCA Corporation, prowadził działalność fotopowielaczy RCA po 1986 roku, z siedzibą w zakładzie Lancaster w Pensylwanii. Przejęcie w 1986 r. RCA przez General Electric spowodowało zbycie dywizji nowych produktów RCA Lancaster. W związku z tym 45 lat po założeniu przez US Navy, jej zespół zarządzający, kierowany przez Ericha Burlefingera, zakupił dywizję iw 1987 roku założył Burle Industries.

W 2005 roku, po osiemnastu latach działalności jako niezależne przedsiębiorstwo, Burle Industries i kluczowa spółka zależna zostały przejęte przez Photonis, europejski holding Photonis Group . Po przejęciu Photonis składał się z Photonis Netherlands, Photonis France, Photonis USA oraz Burle Industries. Photonis USA prowadzi dawną grupę Galileo Corporation Scientific Detector Products Group ( Sturbridge, Massachusetts ), która została zakupiona przez Burle Industries w 1999 roku. Grupa znana jest z multiplikatorów elektronów z detektorem mikrokanałowym (MCP) – zintegrowanej wersji fotopowielaczy z lampą mikropróżniową . MCP są wykorzystywane do obrazowania i zastosowań naukowych, w tym urządzeń noktowizyjnych .

9 marca 2009 roku Photonis ogłosił, że zaprzestanie produkcji fotopowielaczy zarówno w zakładach w Lancaster w Pensylwanii, jak iw Brive we Francji.

Hamamatsu

Japonia -na firmą Hamamatsu Photonics (znany również jako Hamamatsu) pojawiło się od 1950 roku jako lider w branży fotopowielacza. Hamamatsu, zgodnie z tradycją RCA, opublikowało własny podręcznik, który jest dostępny bezpłatnie na stronie internetowej firmy. Hamamatsu stosuje różne oznaczenia dla poszczególnych preparatów fotokatod i wprowadza modyfikacje tych oznaczeń w oparciu o własne badania i rozwój Hamamatsu.

Materiały fotokatodowe

Fotokatody mogą być wykonane z różnych materiałów o różnych właściwościach. Zazwyczaj materiały mają niską funkcję pracy i dlatego są podatne na emisję termionową , powodując szum i ciemny prąd, szczególnie materiały wrażliwe na podczerwień; chłodzenie fotokatody obniża ten szum termiczny. Najpopularniejszymi materiałami fotokatodowymi są Ag-O-C (zwane również trybem transmisji S1), czułe w zakresie 300–1200 nm. Wysoki prąd ciemny; stosowany głównie w bliskiej podczerwieni, z chłodzoną fotokatodą; GaAs: Cs cezu - aktywowany arsenku galu , płaskie reakcji od 300 do 850 nm, zanika w kierunku ultrafioletu i 930 nm; InGaAs:Cs, aktywowany cezem arsenek indowo-galowy , wyższa czułość na podczerwień niż GaAs:Cs, między 900-1000 nm znacznie wyższy stosunek sygnału do szumu niż Ag-O-Cs; Sb-Cs, (zwany także S11) antymon aktywowany cezem , stosowany w fotokatodach w trybie refleksyjnym; zakres odpowiedzi od ultrafioletu do widzialnego, szeroko stosowany; bialkali (Sb-K-Cs, Sb-Rb-Cs), antymon-rubid lub stop antymon-potas aktywowany cezem, podobny do Sb:Cs, o wyższej czułości i niższym poziomie szumów. może być używany w trybie transmisji; korzystna reakcja na błyski scyntylatora NaI:Tl sprawia, że ​​są one szeroko stosowane w spektroskopii gamma i detekcji promieniowania; Bialkali wysokotemperaturowe (Na-K-Sb), mogą pracować do 175 °C, stosowane do pozyskiwania drewna , niski prąd ciemny w temperaturze pokojowej; wieloalkaliczne (Na-K-Sb-Cs), (zwane również S20), szeroka odpowiedź spektralna od ultrafioletu do bliskiej podczerwieni, specjalne przetwarzanie katodowe może rozszerzyć zakres do 930 nm, stosowane w spektrofotometrach szerokopasmowych ; niewrażliwy na promieniowanie słoneczne (Cs-Te, Cs-I), wrażliwy na próżnię-UV i ultrafiolet, niewrażliwy na światło widzialne i podczerwień (Cs-Te ma odcięcie przy 320 nm, Cs-I przy 200 nm).

Materiały okienne

Okna fotopowielaczy działają jak filtry długości fali; może to być nieistotne, jeśli długości fal odcięcia są poza zakresem zastosowania lub poza zakresem czułości fotokatody, ale należy zachować szczególną ostrożność w przypadku nietypowych długości fal. Szkło borokrzemianowe jest powszechnie stosowane w bliskiej podczerwieni do około 300 nm. Szkła boranowo-borokrzemowe występują również w wersjach o wysokiej przepuszczalności UV z wysoką przepuszczalnością również przy 254 nm. Szkło o bardzo niskiej zawartości potasu może być stosowane z fotokatodami bialkalicznymi w celu obniżenia promieniowania tła z izotopu potasu-40 . Szkło ultrafioletowe przepuszcza światło widzialne i ultrafioletowe do 185 nm. Stosowany w spektroskopii. Krzemionka syntetyczna przepuszcza do 160 nm, pochłania mniej promieniowania UV niż krzemionka topiona. Inna rozszerzalność cieplna niż kovar (i niż szkło borokrzemianowe, które jest dopasowane do kovar), stopniowana uszczelka potrzebna między oknem a resztą rury. Uszczelka jest podatna na wstrząsy mechaniczne. Fluorek magnezu przepuszcza promieniowanie ultrafioletowe do 115 nm. Higroskopijny , choć mniej niż inne halogenki alkaliczne nadające się do okien UV.

Uwagi dotyczące użytkowania

Lampy fotopowielacza zwykle wykorzystują 1000 do 2000 woltów do przyspieszania elektronów w łańcuchu dynod. (Patrz rysunek u góry artykułu.) Najbardziej ujemne napięcie jest podłączone do katody, a najbardziej dodatnie napięcie jest podłączone do anody. Często preferowane są ujemne źródła wysokiego napięcia (z uziemionym zaciskiem dodatnim), ponieważ ta konfiguracja umożliwia pomiar fotoprądu po stronie niskiego napięcia obwodu w celu wzmocnienia przez kolejne obwody elektroniczne pracujące przy niskim napięciu. Jednak, gdy fotokatoda jest pod wysokim napięciem, prądy upływowe czasami powodują niepożądane impulsy „ciemnego prądu”, które mogą wpływać na działanie. Napięcia są rozprowadzane do dynod przez rezystancyjny dzielnik napięcia , chociaż możliwe są odmiany, takie jak aktywne projekty (z tranzystorami lub diodami ). Projekt dzielnika, który wpływa na pasmo przenoszenia lub czas narastania , może być dobrany do różnych zastosowań. Niektóre instrumenty, które wykorzystują fotopowielacze, mają możliwość zmiany napięcia anodowego w celu kontrolowania wzmocnienia systemu.

Fotopowielacze, gdy są zasilane (zasilane), muszą być osłonięte przed światłem otoczenia, aby zapobiec ich zniszczeniu przez nadmierne wzbudzenie. W niektórych zastosowaniach ochrona ta jest realizowana mechanicznie przez blokady elektryczne lub przesłony, które chronią lampę, gdy komora fotopowielacza jest otwarta. Inną opcją jest dodanie zabezpieczenia nadprądowego w obwodzie zewnętrznym, dzięki czemu gdy zmierzony prąd anodowy przekroczy bezpieczną granicę, wysokie napięcie zostanie zredukowane.

W przypadku stosowania w miejscu o silnych pól magnetycznych , ścieżki elektronów, które mogą Krzywa kierować elektrony z dynodes i powodują utratę wzmocnienia, fotopowielacze są zwykle ekranowane przez warstwę miękkiego żelaza lub mumetal . Ta osłona magnetyczna jest często utrzymywana na potencjale katodowym. W takim przypadku osłona zewnętrzna również musi być izolowana elektrycznie ze względu na wysokie napięcie. Fotopowielacze o dużych odległościach między fotokatodą a pierwszą dynodą są szczególnie wrażliwe na pola magnetyczne.

Aplikacje

Fotopowielacze były pierwszymi urządzeniami elektrycznymi oka , używanymi do pomiaru przerw w wiązkach światła. Fotopowielacze są używane w połączeniu ze scyntylatorami do wykrywania promieniowania jonizującego za pomocą ręcznych i stacjonarnych instrumentów ochrony przed promieniowaniem oraz promieniowania cząsteczkowego w eksperymentach fizycznych. Fotopowielacze są używane w laboratoriach badawczych do pomiaru natężenia i widma materiałów emitujących światło, takich jak złożone półprzewodniki i kropki kwantowe . Fotopowielacze są stosowane jako detektory w wielu spektrofotometrach . Pozwala to na zaprojektowanie przyrządu, który wymyka się limitowi szumów termicznych na czułości , a co za tym idzie, może znacznie zwiększyć zakres dynamiczny przyrządu.

Fotopowielacze znajdują zastosowanie w wielu konstrukcjach sprzętu medycznego. Na przykład urządzenia do analizy krwi używane przez kliniczne laboratoria medyczne, takie jak cytometry przepływowe , wykorzystują fotopowielacze do określania względnego stężenia różnych składników w próbkach krwi w połączeniu z filtrami optycznymi i lampami żarowymi . W kamerze gamma używana jest tablica fotopowielaczy . Fotopowielacze są zwykle używane jako detektory w skanerach latających punktów .

Aplikacje o wysokiej czułości

Po 50 latach, w których półprzewodnikowe elementy elektroniczne w dużej mierze wyparły lampę próżniową, fotopowielacz pozostaje unikalnym i ważnym elementem optoelektronicznym. Być może jego najbardziej użyteczną cechą jest to, że działa elektronicznie jako prawie doskonałe źródło prądu , dzięki wysokiemu napięciu wykorzystywanemu do wydobywania niewielkich prądów związanych ze słabymi sygnałami świetlnymi. Nie ma szumu Johnsona związanego z prądami sygnałowymi fotopowielacza, mimo że są one silnie wzmacniane, np. 100 tysięcy razy (tj. 100 dB) lub więcej. Fotoprąd nadal zawiera szum śrutu .

Fotoprądy wzmacniane fotopowielaczem mogą być wzmacniane elektronicznie przez wzmacniacz elektroniczny o wysokiej impedancji wejściowej (w ścieżce sygnału za fotopowielaczem), wytwarzając w ten sposób znaczne napięcia nawet dla prawie nieskończenie małych strumieni fotonów. Fotopowielacze oferują najlepszą możliwą możliwość przekroczenia szumu Johnsona w wielu konfiguracjach. Wspomniane wyżej odnosi się do pomiaru strumieni świetlnych, które choć niewielkie, to jednak stanowią ciągły strumień wielu fotonów.

W przypadku mniejszych strumieni fotonów fotopowielacz może działać w trybie zliczania fotonów lub Geigera (patrz także Dioda lawinowa jednofotonowa ). W trybie Geigera wzmocnienie fotopowielacza jest ustawione tak wysoko (przy użyciu wysokiego napięcia), że pojedynczy fotoelektron powstały w wyniku pojedynczego fotonu padającego na powierzchnię pierwotną generuje bardzo duży prąd w obwodzie wyjściowym. Jednak ze względu na lawinę prądu wymagany jest reset fotopowielacza. W obu przypadkach fotopowielacz może wykryć pojedyncze fotony. Wadą jest jednak to, że nie każdy foton padający na powierzchnię pierwotną jest liczony albo z powodu niedoskonałej wydajności fotopowielacza, albo ponieważ drugi foton może dotrzeć do fotopowielacza podczas „ czasu martwego ” związanego z pierwszym foton i nigdy nie być zauważonym.

Fotopowielacz wytworzy niewielki prąd nawet bez padających fotonów; nazywa się to ciemnym prądem . Aplikacje zliczania fotonów zazwyczaj wymagają fotopowielaczy zaprojektowanych w celu zminimalizowania ciemnego prądu.

Niemniej jednak zdolność do wykrywania pojedynczych fotonów uderzających w samą pierwotną powierzchnię światłoczułą ujawnia zasadę kwantyzacji, którą przedstawił Einstein . Zliczanie fotonów (jak się je nazywa) ujawnia, że ​​światło, nie tylko będące falą, składa się z dyskretnych cząstek (tj. fotonów ).

Zobacz też

Bibliografia

Bibliografia

Linki zewnętrzne