Fotokordisti

Fotokordisti ehk fotoelektronkordisti on elektronseadis, milles elektromagnetkiirguse toimel fotokatoodist väljuvate elektronide voogu – fotovoolu – võimendatakse sekundaaremissiooni rakendades. Fotokordisti on tundlik optiline tajur, mis on suuteline võimendama foto voolu 100 miljonit korda (160 dB), võimaldades näiteks märgata ülinõrka valgusvoogu, isegi üksikut footonit.
Ajalugu.
Fotokordisti leiutamine sai võimalikuks tänu kahele varasemale saavutusele, milleks on fotoelektriline efekt ja sekundaaremissioon.
Fotoelektriline efekt.
Esimest korda demonstreeris fotoelektrilist efekti aastal 1887 Heinrich Hertz, kes kasutas seejuures ultraviolettkiirgust. Kaks aastat hiljem näitasid Julius Elster ja Hans Geitel sama efekti praktilistes katsetes leelismetallidega, kasutades nähtavat valgust. Tseesiumi lisamine on võimaldanud suurendada tundlike lainepikkuste vahemikku nähtava spektri punase osa suunas.
Ajalooliselt seostatakse fotoelektrilist efekti Albert Einsteiniga, kes 1905. aastal sellele nähtusele toetudes sõnastas kvantmehaanika põhimõtte. Kuigi Hertz tegeles juba 18 aastat varem samade katsetega, ei märganud ta, et eraldunud elektroni kineetiline energia on võrdeline sagedusega.
Sekundaaremissioon.
Sekundaaremissiooni nähtust märgati algselt puhtelektrooniliste, mitte fototundlikkusega seotud leiutiste juures. 1902. aastal teatasid ja , et elektronkiirtega mõjutatud metallipinnalt eraldub rohkem elektrone kui tavaliselt. Kuid alles 1919. aastal tegi oma patendis ettepaneku äsja avastatud sekundaaremissiooni rakendamiseks elektrisignaali võimendamisel.
Esimesed fotokordistid.
1920. aastatel kiirenes elektrovaakumseadiste (elektronlampide ja elektronkiiretorude) tehnoloogia arengutempo ja valmisid fotokordisti leiutamiseks vajaminevad osised. Loogiline jätk sellele oli televisioonikaamera väljatöötamine. Fotokordisti tehnoloogia seisukohalt oli oluline tundlike telekaameratorude (nt ikonoskoobi) leiutamine. Seega oli loodud alus ühendamaks fotoemissioon sekundaaremissiooniga, mis võimaldaski luua praktilise fotokordisti.
1934. aasta alguses dokumenteeris esimese fotokordisti esitluse. Harley Iams ja Bernard Salzberg olid esimesed, kes paigaldasid vaakumtorusse fotokatoodi ja sekundaaremissioonelektroodi . Seadis koosnes poolsilindrilisest fotokatoodist, teljele paigaldatud sekundaaremitterist ja seda ümbritsevast kollektorvõrest (anoodist). Torul oli ligikaudu kaheksakordne võimendus. Enne 1934. aasta juunit jõutigi lõpliku lahenduseni, nagu ka IEEE-le (Elektri- ja Elektroonikainseneride Instituut) esitatud kirjas.
Sekundaarelektrone emiteerivat elektroodi hakati edaspidi nimetama dünoodiks.
Püüeldi aina suurema võimenduse suunas. Samas oli katseliselt tõestatud, et sekundaarelektronide hulk on piiratud, sõltumata kiirendavast pingest. Seepärast seati eesmärgiks mitmeastmelised fotokordistid, kus fotoelektronide hulka saaks järk-järgult mitmekordistada, kasutades fotoelektronide põrkumist järjest kõrgemalt pingestatud elektroodidega. Algselt rakendati elektronide edasisuunamiseks tugevat magnetvälja, mis painutas elektronide trajektoore. Selle meetodi esitas 1919. aastal J. Selpian.
Sealt alates pöörasid juhtivad rahvusvahelised teadusorganisatsioonid peatähelepanu mitmeastmeliste fotokordistite täiustamisele, et saavutada suurem võimendus. NSV Liidus demonstreeris 28-aastane Leonid A. Kubetski fotokordistit, mis saavutas 1000-kordse võimenduse. Seadet kutsuti "Kubetsky toruks" ja see esitati 1936. aasta juulis avaldamiseks teaduskomisjonile. See seade kasutas sekundaarelektronide suunamiseks magnetvälja ja Ag-O-Cs- (hõbeoksiid-tseesium) fotokatoodi, mida General Electric oli tutvustanud 1920. aastatel.
1935. aasta oktoobriks esitasid RCA leiutajad ja insenerid (V. Zvorõkin, G. A. Morton ja L. Malter]]) esimese mitmedünoodilise fotokordisti üksikasjalise kirjelduse IEEE-le. RCA fotokordistite prototüüp kasutas samuti Ag-O-Cs-footonkatoodi. Nad saavutasid 800 nm lainepikkusega valguse juures 0,4-protsendilise kvantefektiivsuse.
Kui varasemad fotokordistid kasutasid magnetväljade põhimõtet, siis RCA Princetoni labori liige tutvustas 1930. aastate lõpul elektrostaatilisi fotokordisteid. Need saidki kaubanduslike fotokordistite standardiks (esimene masstootmisse läinud fotokordisti oli tüübinumbriga 931).
Fotokatoodide täiustamine ja standardimine.
1936. aastal valmistas P. Görlich varasematesttunduvalt täiuslikuma Cs3Sb-fotokatoodi. Tseesium-antimon-fotokatoodiga parandati oluliselt kvantefektiivsust (400 nm lainepikkusega valguse korral 12%). Seda kasutati RCA esimestes kaubanduslikult edukates fotokordistites (tüüp 931) nii fotokatoodina kui ka dünoodide sekundaarkiirgava materjalina.
Tootmise standardiseerimiskomitee JEDEC (Joint Electron Devices Engineering Council) töötas 1940. aastate alguses välja spektraalkarakteristikute määratlemise standardi. Erinevate fotokatoodide ja akende materjalide kombinatsioonidele määrati spektraalnumbrid S-1 kuni S-40, mida kasutatakse tänapäevani. Näiteks kasutatakse S-11 tseesium-antimon-fotokatoodiga koos lubiklaasakent, S-13 puhul kasutatakse sama fotokatoodi koos kvartsklaasaknaga ning S-25 puhul kasutatakse nn mitmeleeliselist fotokatoodi (Na-K-Sb-Cs), mis pikendab reaktsiooni nähtava valguse spektri punases osas.
Ehitus ja talitlus.
Fotokordisti on kõrgvaakumini tühjendatud klaastoru, mille sees asuvad fotokatoodid, elektronkordisti ja anood. Elektronkordisti koosneb mitmest elektroodist, mida nimetatakse dünoodideks.
Seadmesse sisenemisel põrkuvad langevad footonid vastu õhukest fotokatoodi kihti. Toimunud fotoelektrilise efekti tagajärjel eralduvad elektronid. Koondav elektrood suunab need elektronid elektronkordisti poole, kus sekundaaremissiooni käigus elektronide hulka suurendatakse. Iga järgnev dünood on kõrgema positiivse pingega kui eelmine. Fotokatoodilt lahkuvaid elektrone kiirendatakse nende kulgemisel esimese dünoodi suunas elektrivälja abil ning nad jõuavad sihtkohta palju suurema energiaga. Tabades esimest dünoodi, eralduvad uued madalama energiaga elektronid, mida omakorda kiirendatakse järgmise dünoodi suunas. Dünoodide jada geomeetria on selline, et igal järgmisel põrkumisel toimub aina suurema koguse elektronide eraldumine. Lõpuks jõuab elektronide voog anoodini, kus laengu kasvu tagajärjel tekib pingeimpulss, mis annab märku footoni saabumisest fotokatoodile.
Valguse sisenemine fotokordistisse võib toimuda kahel erineval režiimil. Edasikanderežiimi puhul siseneb valgus lamedast ümmargusest otsast ja läbib fotokatoodi. Peegeldamisrežiimi korral siseneb valgus toru küljel olevast avast ja langeb läbipaistmatule fotokatoodile.
Fotokordistid vajavad 1000–2000-voldist pinget, et elektrone dünoodide ahelas piisavalt kiirendada. Madalaim pinge on katoodil ja kõrgeim pinge anoodil. Eelistatakse negatiivse kõrgepingega toidet (maandatud plussiga). Selline seadistus võimaldab fotoelektrilist voolu mõõta vooluringi madalama pingega poolelt, nii et sellele järgnevad võimenduslülitused saaksid töötada madalal pingel.
Pinged jaotatakse dünoodidele takistuslike pingejaguritega. On kasutusel erinevate rakenduste jaoks sobivaid jagurimudeleid, sõltuvalt vajalikest sagedusomadustest ja reaktsioonikiirustes.
Fotokatoodi materjalid.
Sõltuvalt materjalidest on fotokatoodidel erisugused omadused. Eeldatavalt on materjalidel küll hea emissioonivõime, kuid paraku kaasnevad termoemissioon, pimevool ja müra (seda on võimalik vähendada fotokatoodi jahutamisega).
Levinumad fotokatoodimaterjalid on järgmised:
Akna materjalid.
Peale fotokatoodimaterjalide mõjutavad kordisti talitlust ka akna materjali läbilaskvus ja dünoodide asetus. Aken on fotokordisti element, mida valgus läbib fotokordistisse sisenedes.
Fotokordisti aknad töötavad lainepikkusfiltritena – äralõigatud lainepikkused jäävad fotokatoodi tundlikkuse piirkonnast välja.
Kasutusalad.
Fotokordisteid kasutatakse tuumafüüsikas, osakestefüüsikas, astronoomias, spektromeetrias, meditsiinidiagnostikas, sh vereanalüüsis, koos stsintillaatoriga (sähvatusluminofooriga) radioaktiivsuse ja osakeste kiirguse tuvastamiseks füüsikakatsetes. ja mujal.
Kuigi fotokordistite alternatiiviks on pooljuhtseadised, eriti laviinfotodioodid, sobivad fotokordistid ideaalselt rakenduste puhul, mis nõuavad madalat mürataset ja nõrga suunatud kiirguse kõrgtundlikku tuvastamist.
Footoneid loendav andur pakub huvi rakenduste puhul, mis on seotud kvantinformatsiooni ja kvantkrüptograafiaga. Fotokordisti tehnoloogia elemente kasutatakse ka öönägemisseadmetes.
Sisselülitatud fotokordisteid tuleb kaitsta ümbritseva valguse eest, et vältida nende hävimist üleergastatuse tõttu. Fotokordisteid peab kaitsma ka tugeva magnetvälja eest, sest see mõjutab elektronide trajektoori.