ФОТОЭЛЕКТРОННЫЙ УМНОЖИТЕЛЬ
PHOTOELECTRIC MULTIPLIER

Изобретение относится к фотоэлектронным умножителям (ФЭУ) и представляет собой высокочувствительный быстродействующий приемник оптического излучения, преобразующий энергию этого излучения в электрический сигнал.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Известны две принципиально отличающиеся конструкции вакуумных фотоэлектронных умножителей (ФЭУ): 1) ФЭУ с полупрозрачным фотокатодом и 2) ФЭУ с массивным фотокатодом (отражающий фотокатод). В качестве аналогов изобретения взяты: R374 (с полупрозрачным фотокатодом) и R636-10 (с массивным фотокатодом) из каталога фирмы Hamamatsu Photonics «РМТ (photomultiplier tubes) CATALOG». Область применения таких ФЭУ - это широкий класс приборов научного и медицинского назначения, системы управления и навигации, астрономия и астрофизика, Физика Высоких Энергий (High Energy Physics HEP), особенно в тех случаях, где требуется высочайшая светочувствительность и быстродействие. Соответственно, широк и ассортимент изделий, выпускаемых указанной выше фирмой и многими другими фирмами.
Внешний вид и схема внутреннего устройства аналогов представлены на Фиг. 1а) - ФЭУ с полупрозрачным фотокатодом (схематический продольный разрез), и Фиг. 1б) - ФЭУ с массивным фотокатодом (схематический поперечный разрез). Оба аналога имеют вакуумный баллон 1, обычно в форме тела вращения, в частности цилиндра, с входным окном 2 для приема светового потока. У ФЭУ с полупрозрачным фотокатодом Фиг. 1а) входное окно расположено на верхнем торце баллона, а у ФЭУ с массивным фотокатодом Фиг. 1б) на боковой стенке. Видно, что у ФЭУ с полупрозрачным фотокатодом внутренние элементы расположены вдоль направления входного светового потока и, в общем, выполняется симметрия, а у ФЭУ с массивным фотокатодом расположение внутренних элементов не совпадает с направлением входного светового потока и симметрия взаимного расположения фотокатода и прочих элементов отсутствует. Угол зрения - направление, из которого ФЭУ способен принимать световой поток, у обоих типов ФЭУ близок к полусфере (2π), а в некоторых особых применениях (Физика Высоких Энергий) желателен и более широкий угол зрения (патент РФ 2503082).
Общий для обоих типов ФЭУ (Фиг. 1а) и б) принцип устройства и работы таков: энергия светового потока, входящего через входное окно 2 и падающего на эмиссионный слой 5 фотокатода 3, вызывает эмиссию фотоэлектронов в вакуумный объем баллона 1. Напряжения, приложенные от внешних цепей к фотокатоду 3 и к прочим электродам, создают электростатические поля, и под действием этих полей фотоэлектроны направляются на вход системы 8 умножения вторичных электронов. Умноженный поток электронов приходит на анод (коллектор) 9 и через выход (выходы) 10 выводится в виде электрического сигнала наружу. Таким образом, ФЭУ работает как фотоэлемент с использованием внешнего фотоэффекта и, одновременно, как умножающий усилитель, работающий по принципу вторичной электронной эмиссии.
Существенное отличие ФЭУ Фиг. 1а) в том, что полупрозрачный фотокатод 3 принимает световой поток с одной стороны, а фотоэлектроны эмитирует с другой стороны попутно с направлением светового потока. Это позволяет организовать эффективное фокусирование фотоэлектронов с помощью электродов 6 (электростатических линз), расположенных в колбе ФЭУ сразу за фотокатодом 3. Эта часть внутреннего объема и устройства ФЭУ именуется «катодная камера» 7 и обычно хорошо различима снаружи. Отличие ФЭУ Фиг. 1б) в том, что его фотокатод («массивный фотокатод»), имеющий непрозрачное металлическое основание 4, эмитирует фотоэлектроны навстречу входному световому потоку. Поэтому у всех известных ФЭУ с массивным фотокатодом системы фокусирования фотоэлектронов как таковой нет.
Недостатки ФЭУ с полупрозрачным фотокатодом - это недостатки самого фотокатода, о которых далее, в плане сравнения двух типов фотокатодов. Разработчики ФЭУ вынуждены мириться с этими недостатками полупрозрачного фотокатода ради возможности эффективного фокусирования фотоэлектронов. Суть в том, что катодная камера 7, с фотокатодом 3 и фокусирующими электродами 6, представляет собой систему проекции электронного образа фотокатода, наподобие той, которая используется в электронно-оптических преобразователях. Это свойство фокусирующей системы позволяет применить в сочетании с ней не только динодные системы умножения вторичных электронов, но и канальные (PerkinElmer, Channel Photomultiplier), а также мультиканальные и с микроканальными пластинами (SU 1295953, РМТ Hamamatsu R3809U-50) и создавать ФЭУ с различными свойствами для различных применений.
Полупрозрачный фотокатод, нанесенный в виде тонкого слоя полупроводника на внутреннюю поверхность входного окна ФЭУ, проявляет при работе свойства, которые в плане заявляемого изобретения можно рассматривать как недостатки. Потеря части световой энергии, связанная со сквозным пролетом значительной части светового потока через эмиссионный слой, - не самая драматичная потеря. Более существенно то, что свет начинает возбуждать электроны на границе с твердым телом - стеклом входного окна - и, чтобы выйти в вакуум, фотоэлектронам предстоит преодолеть всю толщину эмиссионного слоя. Потери на этом пути неизбежны. Другой недостаток полупрозрачного фотокатода - также из его полупроводниковой природы - низкая проводимость. Восполнение потерь электронов, эмитированных с различных участков фотокатода, идет из цепей внешнего питания, присоединенных к тонкому эмиссионному слою полупрозрачного катода по периферии его площади, а сопротивление вдоль тонкого эмиссионного слоя очень велико. Возникающие дефекты потенциального рельефа эмиссионного слоя выравниваются медленно, что снижает быстродействие и ухудшает шумовые характеристики ФЭУ.
Массивный фотокатод свободен от вышеуказанных недостатков и имеет ряд преимуществ. Возбуждение электронов светом, падающим на эмиссионный слой фотокатода, начинается на границе с вакуумом. Часть света, прошедшая через эмиссионный слой, отражается от металлического основания, еще раз проходит через эмиссионный слой. Оба эти фактора значительно увеличивают эффективность эмиссии фотоэлектронов сравнительно с полупрозрачным фотокатодом. Низкая проводимость эмиссионного слоя никак не сказывается на работе массивного фотокатода, поскольку восполнение потери эмитированных фотоэлектронов идет с металлического основания не вдоль тонкого эмиссионного слоя, а поперек.
Подробности устройства и работы ФЭУ в целом и фотокатодов, в частности, рассматриваются во многих учебных, научно-методических и информационных источниках. В патентах (например, патент US 8212457 B2), относящихся к совершенствованию состава и свойств эмиссионных слоев фотокатодов, непременно отмечается преимущество массивного фотокатода, причем по всем, как энергетическим, так и технологическим показателям.
Замечания, относящиеся к влиянию проводимости эмиссионного слоя на работу двух типов фотокатодов можно подытожить так: полупрозрачный фотокатод критичен в отношении световых нагрузок на фотокатод, а массивный не критичен и выдержит любую интегральную и импульсную световую нагрузку.
До настоящего времени не найдено конструктивного решения для использования массивного фотокатода совместно с фокусирующей системой. Однако ввиду важнейшей роли, которую играет система фокусирования фотоэлектронов в работе ФЭУ как в рассмотренных выше аналогах, так и в данном изобретении, за прототип изобретения взят ФЭУ с полупрозрачным фотокатодом.
Необходимо дополнительно отметить особенности прототипа, которые в плане данного изобретения рассматриваются как недостатки. Выше упоминалось, что угол зрения обоих типов ФЭУ близок к полусфере (2π), а иногда желателен и более широкий. Это свойство полезным образом используется во многих приложениях, особенно в области Физики Высоких Энергий, когда непредсказуемо направление, с которого «прилетит» к ФЭУ световой импульс. Однако многие иные применения ФЭУ в научных и медицинских приборах, в системах управления и навигации требуют апертурного согласования с объектом - источником излучения, которое в этом случае выполняется с помощью дополнительных оптико-механических средств. Это приводит к потерям световой энергии и к усложнению аппаратуры. В плане данного изобретения отсутствие у прототипа возможности задавать оптическую направленность ФЭУ за счет конструктивных параметров элементов рассматривается как недостаток.
Недостатком прототипа является также сложность осуществления охлаждения фотокатода с целью снижения шумов ФЭУ. Известна система охлаждения фотокатода (Патент ЕР 2615621 А1), а также серия модулей С10372б 3-73 фирмы Hamamatsu Photonics. Эти системы представляют собой внешние по отношению к ФЭУ агрегаты. Недостаток этих и других подобных систем - громоздкость и сложность. Известна другая система, (Патент СССР 1091253), с очень низким энергопотреблением на охлаждение, но требующая существенного усложнения технологии производства. Во всех случаях охлаждение полупрозрачного фотокатода, снижая шумы ФЭУ, влечет за собой ухудшение его частотных характеристик из-за ухудшения проводимости эмиссионного слоя.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Целью изобретения является создание ФЭУ, в котором совмещено использование массивного фотокатода, с его преимуществами, и системы фокусирования фотоэлектронов, что позволит производить ФЭУ с набором параметров, отсутствующих у аналогов, в том числе с определенными, задаваемыми при производстве углами зрения, а также с эффективным охлаждением эмиссионного слоя фотокатода через металлическую подложку при предельно малых затратах энергии на это охлаждение.
Эта цель достигается тем, что согласно изобретению в фотоэлектронном умножителе, в основном подобном прототипу по геометрии и функциям, используется массивный фотокатод в виде отдельной от стекла колбы плоской детали. Этот фотокатод согласно изобретению установлен в непосредственной близости или вплотную к внутренней поверхности входного окна так, что его основание обращено навстречу входному световому потоку. Площадь фотокатода выбирается меньшей или существенно меньшей площади входного окна. Световой поток может проходить через свободную часть входного окна в катодную камеру, где расположена система фокусирования фотоэлектронов. На стороне катодной камеры, противоположной входному окну, установлен зеркальный отражатель, предназначенный для того, чтобы менять направление входного светового потока и посылать его на эмиссионный слой фотокатода. Этот отражатель может быть самостоятельным функциональным и конструктивным элементом или являться частью электродной системы фокусирования фотоэлектронов. Соотношение размеров фотокатода и отражателя, их форма и взаимное расположения в катодной камере определяют угол зрения ФЭУ. Фотокатод может быть выполнен мозаично, в виде нескольких отдельных эмиссионных участков на общем металлическом основании для придания ФЭУ чувствительности по угловой направленности, реализуемой с помощью многоканальной системы умножения.
Дополнительно в специальном исполнении в состав внутренних компонент ФЭУ может быть включена система охлаждения фотокатода. Система состоит из дополнительно включаемого в конструкцию ФЭУ термоэлемента, металлического основания фотокатода, имеющего контакт с «холодной» стороной термоэлемента и стекла баллона ФЭУ, имеющего контакт с «горячей» стороной термоэлемента.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг. 1 - пояснения существенных признаков аналогов имеющих отношение к данному изобретению.
Фиг. 2 - общая схема ФЭУ с массивным фотокатодом, фокусирующей системой и отражателем в катодной камере. На данной схеме для простоты показано, что отражатель выполнен как часть фокусирующего электрода. Этот частный случай не ограничивает возможности отдельного исполнения отражателя в виде самостоятельной детали.
ВАРИАНТЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Варианты изобретения, описанные ниже, предназначены только для пояснения существенных отличий изобретения, но не для ограничения изобретения этими конкретными примерами.
Осуществимость изобретения опирается на возможности, освоенные в области конструирования и производства ФЭУ. Включение существенно нового элемента - отражателя - технических трудностей не представляет. Включение функции охлаждения фотокатода опирается на перспективные разработки охлаждающих для чип-индустрии (ООО «РМТ») и на специфику теплового баланса охлаждаемого элемента, находящегося в вакууме.
Сущность изобретения поясняется схемой Фиг. 2. Согласно изобретению массивный фотокатод 3 установлен непрозрачным основанием 4 навстречу входному световому потоку и перекрывает часть светового потока, падающего снаружи на входное окно 2. Эти потери светового потока в случае фотокатода относительно больших размеров, как на Фиг. 2), составляют примерно 1/4, что меньше потерь, связанных со сквозным пропусканием света полупрозрачным фотокатодом. Эти потери световой энергии в ФЭУ по данному изобретению компенсируются более высокой квантовой эффективностью массивного фотокатода. Отражатель 6 а) на данной схеме показан как часть электродной системы фокусирования 6 а) и 6 б). Такое исполнение осуществимо, поскольку металлические электроды, или часть их поверхности, могут быть выполнены зеркальными. Отражатель может быть выполнен и как самостоятельный элемент, отдельный от электродов системы фокусирования фотоэлектронов. Отражатель 6 а) перенаправляет световой поток, прошедший в катодную камеру 7, в сторону фотокатода 3, причем в зависимости от задачи конкретного исполнения, возможны различные варианты оптической фокусировки.
Симметричное расположение компонентов в катодной камере ФЭУ по данному изобретению и малая площадь фотокатода 3 по сравнению с полным размером входного окна 2 создает преимущественные условия для фокусирования фотоэлектронов на вход системы 8 умножения вторичных электронов. Система фокусирования фотоэлектронов может быть настроена как на острую фокусировку фотоэлектронов на вход динодной системы умножения, так и на проекцию электронного образа фотокатода на входную поверхность многоканальной системы умножения, снабженную в таком случае мульти-анодным коллектором и соответствующим числом выходов. (Подобные технические решения, касающиеся систем умножения вторичных электронов, известны, применяются в ФЭУ (патент SU 12959534, выпускаемые Hamamatsu Photonics R3809U-50) и не являются отличительными признаками по данному изобретению.)
Использование массивного фотокатода согласно данному изобретению возможно совместно с использованием полупрозрачного фотокатода, нанесенного на внутреннюю поверхность входного окна.
Дополнительно в ФЭУ по данному изобретению может быть включена система охлаждения фотокатода для снижения его тепловых шумов. В частном исполнении система охлаждения включает в себя охлаждающий элемент 11, холодная сторона которого имеет тепловой контакт с основанием 4 фотокатода 3, а горячая сторона имеет тепловой контакт со стенками баллона. Приток тепла к фотокатоду, контактирующего с холодной стороной элемента 11, ничтожен, поскольку этот приток возможен только за счет лучистой энергии и по проводу питания катода, а достаточная толщина этого провода очень мала. Даже при низком КПД охлаждающего элемента, например элемента Пельтье (типа разрабатываемых ООО «РМТ» для охлаждения микрочипов и фотодиодов), отвести тепло с «горячей» стороны элемента сможет стекло баллона ФЭУ. При этом образование конденсата на поверхности входного окна исключено за счет его нагрева от элемента 11, а для работы ФЭУ нагрев стекла входного окна на единицы градусов по отношению к температуре окружающей среды не имеет значения. Образование конденсата на эмиссионной поверхности охлажденного фотокатода исключено, поскольку он целиком находится в вакууме.