Устройство фотоэлектронного умножителя с МКП
PHOTOELECTRIC MULTIPLIER DEVICE WITH MCP

Изобретение относится к области электронной техники, в частности к конструкции и технологии изготовления вакуумных фотоэлектронных приборов (ФЭП), содержащих микроканальные пластины (МКП) в шевронной сборке, таких как фотоэлектронные умножители (ФЭУ), позиционно-чувствительные детекторы (ПЧД) и электронно-оптические преобразователи (ЭОП).
Известен ФЭУ на микроканальных пластинах с рабочим диаметром 25 мм бипланарной конструкции, характеризующейся параллельным расположением фотокатода, блока микроканальных пластин и анода [А. Долотов, П. Коновалов, Р. Нуртдинов. Сильноточный ФЭУ на микроканальной пластине для регистрации субнаносекундных световых импульсов. Научно- технический журнал «Фотоника», Выпуск 5, 2015 г.].
Недостатком аналога является чрезвычайно малое расстояние между электродами, что приводит к ограничению скорости его загрузки по входу, из-за возможности пробоя, а также к снижению срока службы. Это обусловлено изменением свойств фотокатода под воздействием ионной бомбардировки, имеющей место вследствие образования ионов в процессе электронно-стимулированной десорбции при ударе электронов о стенку канала МКП в процессе работы прибора. Бомбардировка фотокатода и стенок каналов МКП ионами приводит, с одной стороны, к эмиссии вторичных «паразитных» электронов и ухудшению отношения сигнал/шум, а с другой - к снижению чувствительности фотокатода. Сочетание большого количества десорбируемого с МКП газа с малым внутренним объемом фотоэлектронного прибора, приводит к значительному ухудшению вакуума и отравлению фотокатода в работающем приборе.
Известен фотоэлектронный умножитель, в котором для повышения срока службы на вход МКП наносят тонкую алюминиевую пленку. Пленка пропускает электроны, но не прозрачна для ионов [Каталог Hamamatsu Photomultiplier Tubes с официального сайта, 2016 г. РМТ - MCPR3809U].
Недостатком аналога является то, что пленка поглощает 30-50% бомбардирующих ее электронов, т.е. снижает полезный сигнал, ухудшая отношение сигнал/шум.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является фотоэлектронный умножитель, включающий корпус, фотокатод на стеклянной подложке, блок микроканальных пластин в шевронной сборке, газопоглотитель и коллектор, [http://ndip.in 2p3.fr/ndip11/M. Yu. Barnyakov. Photocathodeag in gin microchannel plate PMT. Budker Institute of Nuclear Physics, Novosibirsk, Russia.06.07.11].
Недостатком прототипа являются высокая скорость счета темновых импульсов, низкое отношение пик/ долина в одноэлектронном распределении импульсов по амплитудам, невысокий срок службы в модификации с бищелочным (сурьмяно-натриево-калиевым) фотокатодом в отсутствии ионно-барьерной пленки на МКП.
При регистрации очень слабых световых сигналов для извлечения максимальной информации из светового сигнала используется метод счета фотонов. Низкий уровень скорости счета темновых импульсов является необходимым условием при фотонном счете. Эффективность детектирования в значительной степени зависит от порогового уровня, устанавливаемого для режима счета (дискриминации). Распределение амплитуд импульсов также является критической характеристикой для работы в режиме счета фотонов. Наличие одноэлектронного пика в режиме счета отдельных квантов позволяет отсекать большое число шумовых импульсов малой амплитуды без существенной потери эффективности регистрации. Так как нижний порог амплитуды импульса устанавливается (дискриминируется) на позиции долины, то высокое соотношение пик/долина при распределении импульсов по амплитудам создает условия для более эффективной регистрации сверхслабых объектов свечения, позволяя повысить отношение сигнал/шум.
Техническим результатом предлагаемого технического решения является улучшение параметров скорости счета темновых импульсов и отношения пик/долина в одноэлектронном распределении импульсов, повышение допустимого уровня световой загрузки, а также увеличение долговечности ФЭУ.
Технический результат достигается тем, что устройство фотоэлектронного умножителя с МКП, включающее корпус, фотокатод на стеклянной подложке, блок микроканальных пластин в шевронной сборке, газопоглотитель и коллектор, согласно изобретению, снабжено боковым фокусирующим электродом, соединенным с фотокатодом на стеклянной подложке, и анодом, выполненным в виде усеченного конуса с отверстием в центре его торцевой поверхности, соединенным со входом МКП, которые в совокупности с фотокатодом образуют иммерсионную линзу для фокусировки и сбора электронов на вход МКП, причем отношение расстояний от фотокатода до торцевой поверхности анода к диаметру фокусирующего электрода составляет 0,84±0,005, диаметра фокусирующего электрода к диаметру отверстия на торцевой поверхности анода составляет 10±0,05, отношение диаметра фокусирующего электрода к диаметру торцевой части анода составляет 2,5±0,04, а отношение расстояния от фотокатода до торцевой поверхности анода к расстоянию от торцевой поверхности анода до входа первой микроканальной пластины составляет 0,56±0,005, при этом газопоглотитель расположен в конусной части анода, и устройство снабжено стеклянным штенгелем для присоединения к откачной системе.
Фотокатод выполнен теллур-цезиевым со спектральным диапазоном чувствительности 120-360 нм.
Фотокатод выполнен сурьмяно-натриево-калиевым со спектральным диапазоном чувствительности 300-650 нм.
Данное техническое решение позволит улучшить параметры скорости счета темновых импульсов и отношения пик/долина в одноэлектронном распределении импульсов, повысить допустимый уровень световой загрузки, а также увеличит долговечность ФЭУ.
Сущность предлагаемого технического решения поясняется иллюстрациями, где на фиг. 1 изображен общий вид устройства, на фиг. 2 - график распределения одноэлектронных импульсов по амплитудам, и таблицей, в которой представлены параметры предлагаемого ФЭУ с двумя типами фотокатодов в сравнении с прототипом.
Устройство фотоэлектронного умножителя с МКП (фиг. 1) состоит из корпуса 1, фотокатода 2 на стеклянной подложке, соединенного с боковым фокусирующим электродом 3, анода 4, выполненного в виде усеченного конуса, в центре торцевой поверхности которого выполнено отверстие 5, а в его конусной части расположен подогревный газопоглотитель 6, двух микроканальных пластин в шевронной сборке 7 и коллектора 8. Устройство снабжено стеклянным штенгелем 9 для присоединения ФЭУ к откачной системе (на фиг. 1 не показана). При этом фотокатод 2, расположенный на торцевой поверхности ФЭУ, боковой фокусирующий электрод 3, соединенный с фотокатодом 2, и анод 4 с отверстием 5 в центре, соединенный со входом микроканальной пластины образуют иммерсионную линзу, фокусирующую фотоэлектроны на вход первой МКП 7. Подогревный газопоглотитель 6 служит для поглощения выделяемых в процессе электронного обезгаживания газов, а также газов, выделяемых при отпайке штенгеля 9 от откачной системы.
Отношения расстояний от фотокатода 2 до торцевой поверхности анода 4 к диаметру фокусирующего электрода составляет 0,84, диаметра фокусирующего электрода 3 к диаметру отверстия 5 на торцевой поверхности анода 4 составляет 10, отношение диаметра фокусирующего электрода 3 к диаметру торцевой поверхности анода 4 составляет 2,5, а отношение расстояния от фотокатода до торцевой поверхности анода 4 к расстоянию от торцевой поверхности анода 4 до входа первой микроканальной пластины 7 составляет 0,56.
Фотокатод 2 выполнен теллур-цезиевым со спектральным диапазоном чувствительности от 120 до 360 нм или сурьмяно-натриево-калиевым со спектральным диапазоном чувствительности 300-650 нм.
Устройство фотоэлектронного умножителя работает следующим образом.
Регистрируемые сигналы поступают через стеклянную подложку на фотокатод 2, образующиеся фотоэлектроны полем иммерсионной линзы под действием приложенного ускоряющего напряжения 600-800 В собираются в узкий пучок в непосредственной близости от отверстия 5, далее фотоэлектроны, после прохождения отверстия 5, снова расходятся в соответствии со своими первоначальными траекториями, достигая поверхности входной МКП 7. Поступившие на вход первой МКП 7 фотоэлектроны умножаются в каналах двух МКП 7, собранных в виде шеврона. Ускоряющее напряжение подают на вход первой и выход второй МКП 7, его величину подбирали так, чтобы количество электронов с выхода второй МКП 7 увеличилось в 106 раз. Затем, двигаясь под действием приложенного ускоряющего напряжения 200±100 В, электроны поступают на коллектор 8, с которого снимают зарегистрированный и усиленный сигнал.
Электронное обезгаживание проводили дважды: до отпайки ФЭУ после изготовления фотокатода 2 и после отпайки ФЭУ от откачной системы.
В процессе изготовления фотокатода 2 (теллур-цезиевого или сурьмяно-натриево-калиевого) при обработке его щелочными металлами, последние оседают на МКП 7 и других внутренних поверхностях ФЭУ, поэтому для улучшения и стабилизации параметров ФЭУ необходимо удалить их из объема ФЭУ. В результате электронной бомбардировки происходила десорбция щелочных металлов, разложение щелочесодержащих соединений с десорбцией летучих компонентов, их откачка из объема ФЭУ до отпайки его от откачной системы.
Проведение электронного обезгаживания после отпайки ФЭУ обусловлено необходимостью удаления с внутренней поверхности ФЭУ и МКП 7 газов, выделяемых при отпайке стеклянного штенгеля 9 от откачной системы и адсорбируемых указанными поверхностями, а также для дальнейшей очистки поверхностей от газов, не удаленных при термовакуумном обезгаживании и при электронном обезгаживании до отпайки ФЭУ от откачной системы.
Для подтверждения достижения предложенного технического результата были изготовлены опытные образцы ФЭУ, типичное распределение одноэлектронных импульсов которых показано на фиг. 2. Из графика видно, что отношение пик/долина составляет более 20.
Данные по скорости счета темновых импульсов в ФЭУ с бищелочным и теллур-цезиевым фотокатодом приведены в таблице, из которой видно, что параметры предлагаемых ФЭУ значительно превосходят параметры прототипа.
Наличие в фотоэлектронном умножителе с МКП иммерсионной линзы на входе способствовало повышению скорости загрузки из-за большого расстояния между электродами, снижающего вероятность пробоя при резком увеличении входного сигнала. Данная конструкция позволила установить ускоряющее напряжение между фотокатодом 2 и входом первой МКП 7 на уровне 600-800 В, что обеспечило максимальный коэффициент первичного соударения фотоэлектронов со входом МКП 7 и способствовало улучшению отношения сигнал/шум.
Больший в несколько раз вакуумный объем разработанного ФЭУ в сравнении с прототипом позволит при равном количестве выделяющихся при электронной бомбардировке газов вызывать меньшее изменение остаточного давления и снизить количество ионов, образующихся в процессе электронной бомбардировки.
Использование устройства фотоэлектронного умножителя с МКП позволит по сравнению с прототипом минимизировать плотность скорости темнового счета, повысить отношение пик/долина в одноэлектронном распределении импульсов, увеличить допустимую скорость загрузки на входе, расширить динамический диапазон ФЭУ и повысить долговечность ФЭУ.