ФОТОУМНОЖИТЕЛЬ С БОЛЬШОЙ ПЛОЩАДЬЮ ФОТОКАТОДА
PHOTOMULTIPLIER WITH LARGE AREA OF PHOTOCATHODE

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 и для наблюдения крайне слабых световых сигналов, регистрация которых возможна лишь при использовании фотоприемников с большой площадью фотокатода.
2
Известны конструкции фотоумножителей, имеющих плоские фотокатоды с диаметром до 15 см и соответствующей площадью фотокатода около 180 см (http://www.ekran-os.ru/feu-200). Однако в целом ряде случаев плоский фотокатод таких размеров оказывается крайне неудобным для применения в детекторах частиц, например в случае высокочувствительных портальных детекторов для обнаружения несанкционированного перемещения радиоактивных и делящихся материалов. Кроме того, и сама площадь фотокатода во многих случаях оказывается недостаточной.
2
Известным техническим решением, позволившим создать фотоумножители с большой площадью фотокатода, являются фотоумножители типа "рыбий глаз". Эти фотоумножители имеют фотокатоды, сформированные на внутренней поверхности полусферических стеклянных колб диаметром до 50 см и с площадью фотокатодов до 2000 см (например, ФЭУ Hamamatsu R3600-02, каталог Hamamatsu "PHOTOMULTIPLIER TUBES AND ASSEMBLIES REVISED SEPT. 2012"). Недостатками такой конструкции фотоумножителей для ряда применений, как и в случае аналога, являются большие габаритные размеры фотокатодов. Кроме того, для аксиально симметричных физических установок требуются ФЭУ с протяженными аксиально-симметричными фотокатодами, что не позволяет использовать в этих случаях ФЭУ с полусферическими фотокатодами.
Наиболее близким техническим решением и выбранным в качестве прототипа является изобретение SU 379183А1 - фотоумножитель, содержащий фотокатод, сформованный в виде полосы на проводящем покрытии, нанесенном на полную поверхность цилиндрической входной камеры, оптоэлектронную систему собирания фотоэлектронов на первый динод, образованную проводящим покрытием и двумя диаметрально противоположными полупроводниковыми фокусирующими электродами, динодную систему. Собирание фотоэлектронов на первый динод осуществляется за счет распределения электрического потенциала вдоль проводящего покрытия и вдоль фокусирующих электродов. Основным недостатком прототипа является то обстоятельство, что фотокатод принципиально имеет вид полосы и не может покрывать полную поверхность входной камеры фотоумножителя из-за наличия двух фокусирующих электродов концентричными с поверхностью фотокатода. Это в свою очередь приводит к значительному уменьшению размеров площади фотокатода, что видно из фиг. 1 описания изобретения SU 379183 А1.
Техническим результатом данного изобретения является создание фотоумножителя с фотокатодом, сформованным на полной протяженной цилиндрической внутренней поверхности части стеклянного корпуса прибора при эффективном собирании фотоэлектронов на первый динод, осуществляемого с помощью распределенного делителя напряжения в виде напыленного полоскового резистора, что обеспечивает высокую однородность распределения потенциала вдоль фотокатода, необходимую для эффективного сбора фотоэлектронов в динодную систему.
2
2
2
2
На фиг. 1 и фиг. 3 показана конструкция фотоумножителя, состоящая из цилиндрического стеклянного корпуса (1) диаметром 64 мм и фотокатода (2), сформованного на полной внутренней поверхности части корпуса фотоумножителя с размерами ⌀62×200 мм и соответствующей площадью около 400 см. Реально диаметр корпуса может превышать 100 мм, а площадь фотокатода при его длине 200 мм - 620 см. Собирание фотоэлектронов на первый динод осуществляется за счет однородного распределения электрического потенциала вдоль фотокатода, осуществляемого с помощью полоскового резистора (3) с шириной не более чем 2 мм, напыляемого на внутреннюю поверхность фотокатодной части корпуса фотоумножителя вдоль образующей к этой поверхности и рядом из 9 эквидистантных проводящих поясков (8) с шириной не более 1 мм, напыленных на внутреннюю поверхность фотокатодной части корпуса фотоумножителя аксиально-симметрично его оси. Через вывод (4) подается напряжение на алюминиевую манжету начала цилиндрического фотокатода (5). Алюминиевая манжета (6) служит для подачи напряжения на конец цилиндрического фотокатода. Динодная система жалюзийного типа (7) располагается за концом цилиндрического фотокатода и состоит из 12 динодов типа жалюзи (7с, 7d и т.д.) с зазорами между отдельными жалюзи 1,74 мм и одного плоского динода (7р). Перед каждым динодом установлены сетки (7s) с размерами ячеек 1,5×4 мм, привариваемые к нему точечной сваркой. Возможен вариант использования в качестве первого динода динода жалюзийного типа и остальных динодов с электростатической фокусировкой. Для увеличения эффективности регистрации фотоэлектронов наиболее перспективным является использование в качестве первого динода динода на прострел, имеющего более высокую эффективность регистрации фотоэлектронов по сравнению с жалюзийными динодами (например, динода, описанного в работе С.А. Белянченко и др. Фототриоды и фототетроды с высоким усилением. Препринт ИФВЭ 2004-23).
6
Фотоумножитель работает следующим образом. Падающее на протяженный цилиндрический фотокатод (2) световое излучение (L) вызывает фотоэлектронную эмиссию. Фотоэлектроны (Е) под действием однородного электрического поля вдоль оси цилиндрического фотокатода, образованного распределением электрического потенциала вдоль полоскового резистора (3) и проводящими поясками (8), ускоряются в направлении динодной системы (7) и соударяются с первым динодом (7с), вызывая вторичную электронную эмиссию. Выбитые из первого динода вторичные электроны ускоряются в направлении второго динода (7d), и таким образом происходит умножение электронов, обеспечивающее коэффициент усиления динодной системы не менее 10. Сетки (7s) значительно ослабляют электрическое поле от предыдущего динода, благодаря чему вторичные электроны проходят через жалюзи к следующему диноду. Вторичные электроны, выбитые из последнего, плоского динода (7р), собираются на сеточном аноде (7а).
2
На фиг. 2 показана расчетная зависимость эффективности собирания фотоэлектронов от диаметра цилиндрического фотокатода и распределения потенциала вдоль фотокатода, из которой видна явная тенденция к увеличению собирания фотоэлектронов с увеличением диаметра фотокатода и величины распределения потенциала вдоль фотокатода. Фото общего вида опытного экземпляра предлагаемого фотоумножителя показано на фиг. 3. На фиг. 4 показан прототип счетчика портального детектора со встроенным в объем сцинтиллятора одним из действующих прототипов предлагаемого фотоумножителя. При возбуждении удаленных от фотоумножителя областей сцинтиллятора среднее количество фотоэлектронов, регистрируемое лучшим отечественным фотоумножителем ФЭУ 184 (площадь фотокатода около 20 см), пристыкованным к торцу сцинтиллятора, и прототипом, было практически одинаковым. Следует отметить, что усредненная по площади фотокатода синяя чувствительность прототипа предлагаемого фотоумножителя составляет S=15 мА/Вт при чувствительности ФЭУ 184 около S=120 мА/Вт. В то же время ожидаемая чувствительность серийных предлагаемых фотоумножителей должна составлять не менее 120 мА/Вт, так как падающий на ФЭУ свет дважды пересекает поверхность фотокатода и, кроме того, возможна оптимизация толщины фотокатода под двойное прохождение света. Таким образом, в конфигурации счетчика портального детектора ожидаемое превышение эффективности регистрации сцинтилляционного излучения предлагаемым фотоумножителем по сравнению с эффективностью регистрации фотоумножителем ФЭУ 184 должно составлять по крайней мере в 10 раз.