ФОТОУМНОЖИТЕЛЬ
PHOTOMULTIPLIER

Изобретение относится к области электронной техники и может быть использовано для регистрации слабых световых сигналов в исследованиях по физике высоких энергий, ядерной физике, применяться в радиационной медицине, оптике и в других различных технических приложениях, в том числе для использования в многоканальных системах регистрации световых сигналов и в качестве позиционно-чувствительного фотоприемника.
Известны конструкции позиционно-чувствительных фотоумножителей, в которых координата места освещения фотокатода определяется по времени дрейфа фотоэлектронов в скрещенных электрическом и магнитном полях (Описание изобретения к авторскому свидетельству 542412). Однако высокое пространственное разрешение при слабых световых сигналах (единицы и десятки фотоэлектронов в световом сигнале) достижимо лишь в случае длительности световых импульсов наносекундного диапазона. Кроме того, при типичных величинах удельной задержки 10-20 нс/см и длине протяженного фотокатода в десятки см временное разрешение прибора составляет более 100 нс, что явно недостаточно при частотах световых сигналов более 10 МГц.
2
2
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является конструкция 16-канального фотоумножителя Н6568 фирмы Hamamatsu (http://www.allcomponents.ru/hamamatsu/h6568.htm). Этот фотоумножитель состоит из 16 практически независимых фотоумножителей, каждому из которых соответствует область фотокатода с размерами 4×4 мм при размере общего фотокатода 16×16 мм. Пространственное разрешение данного фотоумножителя определяется размерами отдельной ячейки фотокатода и составляет σ=±4/√12≈1,15 мм, причем величина разрешения не зависит от числа фотоэлектронов, выбиваемых световым сигналом из фотокатода. Этот факт и сама величина разрешения ограничивают применение этого фотодетектора. Кроме того, небольшие размеры фотокатода фотоумножителя создают значительные трудности, возникающие при использовании таких фотоумножителей для съема световых сигналов, например, с набора протяженных сцинтилляторов имеющего поперечные размеры, превышающие характерный размер фотокатода (30 мм). Такие наборы сцинтилляторов, называемые годоскопами, находят широкое применение в физике высоких энергий, ядерной физике, при радиационных измерениях. Для соединения отдельных сцинтилляторов с ячейками фотокатода в этих случаях приходится использовать плексигласовые или полистирольные световоды, в том числе и волоконные, что требует их склейки со сцинтилляторами и последующего необходимого изгиба.
Техническим результатом данного изобретения является существенное упрощение конструкции сцинтилляционных годоскопов и повышение пространственного разрешения фотодетектора.
2
2
2
Предлагаемый фотоумножитель (Фиг.1, Фиг.2) состоит из стеклянного прозрачного корпуса с максимальными размерами поперечного сечения 34×40 мм, сформованного методом вакуумной калибровки из стеклянной трубки диаметром 40 мм. Две грани корпуса (1) и противоположная ей - плоские, остальные две (2, 3) имеют исходный радиус кривизны 20 мм. Внешняя поверхность одной из этих округлых граней (2) шлифуется до получения плоской грани с размерами 10×200 мм. На внутренней поверхности этой грани сформирован протяженный бищелочной фотокатод (4) с размерами активной области 10×200 мм. Алюминиевая манжета (5, 6) обеспечивает надежный контакт с фотокатодом и экранирует прикатодное пространство от внешних электрических полей. Динодная система линейного типа состоит из 11 протяженных напыленных динодов (8-18), захватывающая с помощью фокусирующего электрода (7) весь угловой аксептанс вылетающих из фотокатода фотоэлектронов. Анодная система состоит из 20 анодов (19), каждый длиной 10 мм, расположенных под динодной системой вдоль направления протяженности фотокатода и динодов. Фокусирующий электрод, диноды и аноды крепятся к керамическим пластинам поддержки (21, 22) и к никелевым траверсам диаметром 1 мм с помощью прецизионной сварки. Все электроды с помощью траверс подсоединяются к коваровым выводам на двух ножках прибора, приваренных к торцам стеклянного корпуса.
2
Фотоумножитель работает следующим образом. При засветке (24) узкой (до 3 мм) области вдоль фотокатода ФЭУ выбитые из него фотоэлектроны (25) под действием электрического поля ускоряются в направлении первого динода и соударяются с ним. Выбитые из первого динода вторичные электроны (26), в свою очередь, ускоряются в направлении второго динода и так далее. Благодаря малой глубине динодной системы (около 30 мм) и относительно высоким электрическим полям в междинодных промежутках ширина электронного потока на последнем диноде оказывается значительно меньше 10 мм ширины анода. Например, в случае сцинтилляторов с размером поперечного сечения 3×10 мм, установленных на фотокатоде таким образом, что торец каждого сцинтиллятора занимает вдоль фотокатода 3 мм и, соответственно, 10 мм поперек, кроссток между анодами не превышает 2%. Таким образом, в подобных случаях один такой прибор эквивалентен 20 дискретным фотоумножителям.
Предлагаемый фотоумножитель позволяет осуществить режим работы с непрерывной позиционной чувствительностью. Реализация этого режима предполагает измерение зарядов от каждого из 20 анодов.
При локальной (в доли мм) засветке вдоль фотокатода взвешивание зарядов от соседних в районе засветки анодов позволяет определять по центру тяжести координату области засветки с точностью лучше 1 мм даже при выбивании из фотокатода отдельных фотоэлектронов.
На фиг.3 приведена зависимость положения центра тяжести взвешенных зарядов, снятых с соседних динодов (измеренная координата), от координаты области засветки фотокатода оптическим волокном диаметром 1 мм. В таблицах 1, 2 приведены расчетные значения пространственного разрешения ФЭУ, которые при 10 мм анодах совпадают с экспериментально измеренными.
Таблица 1
Размер сцинтиллятора вдоль фотокатода, мм
Пространственное разрешение, мм
N<sub>ф.э.</sub>=5
N<sub>ф.э.</sub>=10
N<sub>ф.э.</sub>=15
0,5
0,55
0,37
0,26
1,0
0,60
0,40
0,29
2,5
0,86
0,57
0,39
5,0
1,38
0,88
0,60
Таблица 2
Размер сцинтиллятора вдоль фотокатода, мм
Пространственное разрешение, мм
N<sub>ф.э.</sub>=5
N<sub>ф.э.</sub>=10
N<sub>ф.э.</sub>=15
0,5
0,36
0,23
0,17
1,0
0,38
0,25
0,19
2,5
0,54
0,36
0,26
5,0
0,92
0,60
0,43