Вакуумні фотоелектронні прилади Сцинтилляторы — вещества, обладающие способностью

Вакуумні фотоелектронні прилади

Сцинтилляторы - вещества, обладающие способностью излучать свет при поглощении ионизирующего излучения. Сцинтилляционные детекторы ядерных излучений — основное применение сцинтилляторов. В сцинтилляционном детекторе свет, излученный при сцинтилляции, собирается на фотоприёмнике фотоэлектронного умножителя — ФЭУ, фотодиоды. Первое использование сцинтиллятора произошло в 1903 году. Уильям Крукс наблюдал вспышки от пластины ZnS, при попадание на его α-излучения. Сегодня, сцинтилляционные датчики используются очень широко: фундаментальные исследования в ядерной физике, разведке ископаемых, спектрометрии, просмотре багажа и контейнеров, обеспечении ядерной безопасности и контроля, медицинской диагностике и терапии.

Фотоелектронними приладами називаються електронні прилади, керування струмом яких відбувається за рахунок зміни інтенсивності або спектрального складу падаючого на них світлового потоку. Вони розділяються на - електровакуумні; - іонні; - напівпровідникові.

Залежність кількості фотоелектронів, що виходять із фотокатода, тобто фотоемісійного струму jfe від величини світлового потоку Ф (від кількості квантів), при відповідній частоті v світлового потоку визначається законом Столетова Г.О. jfe =() де коефіцієнт пропорційності () називається спектральною віддачею фотокатода. () пропорційний квантовому виходу Y і характеризується тією ж частотною залежністю. Якщо світловий потік складається з коливань різних частот, () замінюють на інтегральну віддачу . Величина світлового потоку виміряється в люменах, струм фотоемісії у мікроамперах, коефіцієнти () і  мають розмірність мкА/лм , або А/Вт.

Рис. 1 Будова фотокатодів: а) киснево-цезієвого; б) сурмяно-цезієвого. Рис.2 Залежність спектральної віддачі киснево-цезієвого та сурмяно-цезієвого фотокатодів від частоти

Киснево-цезієвий фотокатод характеризується низькою роботою виходу (мінімальна величина 0,72 еВ) і малою квантовою чутливістю (порядку 0,005—0,05). Цей катод має досить високу термоемісійну здатність, що приводить до необхідності врахування емісії електронів навіть при кімнатній температурі. Чутливість вакуумних киснево-цезієвих фотоелементів дорівнює 20- 30 мкА/лм, доходячи в деяких зразках до 50 - 60 мкА/лм, у газонаповнених фотоелементах робочий струм внаслідок іонізації газу збільшується і чутливість дорівнює в середньому 150-200 мкА/лм.

Киснево-цезієвий фотокатод характеризується низькою роботою виходу (мінімальна величина 0,72 еВ) і малою квантовою чутливістю (порядку 0,005—0,05). Має високу термоемісійну здатність при кімнатній температурі. Чутливість вакуумних киснево-цезієвих фотоелементів дорівнює 20- 30 мкА/лм (в деяких зразках до 50 - 60 мкА/лм), у газонаповнених фотоелементах чутливість дорівнює 150-200 мкА/лм. Спектральна характеристика має два максимуми, низькочастотний - в інфрачервоній частині спектра (емісія з напівпровідника), а високочастотний – в ультрафіолетовій (емісія із срібної підкладки). Чутливий до іонного бомбардування, перегріву і легко окисляється. Фотоемісійна здатність залежить від часу опромінення.

Емісійні властивості сурм'яно-цезієвого катода гірші, ніж у киснево-цезієвого, а значить вплив термоемісії на фотострум практично відсутній. Робота виходу його порядку 1,4 еВ. Квантова чутливість досягає 0,25-0,3 і катод має інтегральну віддачу більше 100 мкА/лм. У сурм'яно-цезієвих фотоелементах спектральна віддача дорівнює 60 - 90 мкА/лм, досягаючи в газонаповнених фотоелементах величини 150-200 мкА/лм. Максимум спектральної характеристики лежить у видимій області спектру. Сурм'яно-цезієві катоди більш стабільні і менше чутливі до перегрівів ніж киснево-цезієві. Проте вони більш чутливі до іонного бомбардування і працюють при понижених напругах на аноді.

Рис. 4. Пристрій електровакуумного фотоелементу Рис. 3 Принципова схема включення фотоелемента

Рис.5 Основні характеристики фотоелемента: а) вольт-амперна характеристика; б) світлова характеристика; в) вольт-амперна характеристика іонного фотоелемента

Основні характеристики фотоелемента: 1) вольт-амперні характеристики, що показують залежність струму фотоелемента від величини анодної напруги при постійному світловому потоці, тобто криві Iа = f(Ua), при різних  = const 2) світлові характеристики, що показують залежність струму фотоелемента від величини світлового потоку при постійній анодній напрузі, інакше, криві Ia = f(), при різних Ua = const. Іонний фотоелемент має нелінійну характеристику — збільшення емісійного струму супроводжується більш інтенсивною іонізацією і непропорційним збільшенням струму на аноді. При використанні іонних фотоелементів неможливо уникнути нелінійних викривлень; 3) крутість світлової характеристики =dia/d мкА/лм характеризує роботу фотоелемента при змінному світловому потоці.

анодна чутливість ФЕП Керування електронами здійснюється за допомогою: електростатичних полів; електростатичних і магнітних полів; високочастотних електричних і магнітних полів. Конструкційна класифікація динодних систем : а) системи на дискретних динодах; б) системи на розподілених динодах; в) системи з напівпровідниковими елементами, що помножують струм. ФОТОЕЛЕКТРОННІ ПОМНОЖУВАЧІ

Основні вимоги до динодів ФЕП: коефіцієнт вторинної емісії динода повинен бути більшим при порівняно малих енергіях первинних електронів (60-100 еВ); коефіцієнт вторинної емісії повинен бути стабільним у робочому режимі; динод не повинен мати фотоелектронну і термоелектронну емісії, що створюють додатковий шум; виготовлення динодів повинне бути простим і не виявляти шкідливого впливу на параметри фотокатода; емітери повинні мати достатню провідність.

Рис. 6 Схема найпростішого монокаскадного ФЕП

Рис.7 Принципова схема багатокаскадного ФЕП

Рис.8 Конструкція багатокаскадного ФЕП з фокусуючими динодами

Рис. 9 Конструкції ФЕП наскрізної дії.

Рис. 10 Конструкція МКП, типова мікроканальна пластина, виготовлена з нержавіючої сталі. g = exp (σ(L/d)), коефіцієнт посилення МКП

Рис. 11 – Схема ФЕП на МКП з алюмінієвою плівкою Рис. 12 – Схема ФЕП з двома МКП Рис. 13 – Пристрій та схема включення гібрідного (вакуумно-напівпровідникового) ФЕП на МКП

Рис. 14 Схема простого ЕОПа: 1- оптичне зображення, 2- електронне зображення, 3-електро-оптична система, 4- екран Iф= K Фк,-фотострум. Фe=K  Фк   Ua – світловий потік з екрану,  - світловіддача екрану лм/Вт ф = K  Uа   - коефіцієнт перетворення по яскравості (посилення світлового потоку)

Параметри електронно-оптичних перетворювачів та посилювачів яскравості оптичних зображень 1. Коефіцієнт перетворення по яскравості (посилення світлового потоку)   Фк   Ua – світловий потік з екрану,  - світловіддача екрану лм/Вт, Iф=  Фк-- фотострум 2. mе = 1/ Ге --- електронно-оптичне збільшення ЕОП. 3. Перетворення спектрального діапазону обумовлене різними областями спектральних характеристик фотокатода і екрана. 4. Роздільна здатність, під якою розуміється максимальне число пар, які знаходяться на лінійному міліметрі і складаються із світлої і темної лінії, які спроектовані на фотокатод можуть бути помітні на екрані. 5. Найважливішою характеристикою ЕОП, що визначає якість зображення на екрані, є збереження контрасту зображення, який визначається співвідношенням Всв – яскравість світлових ділянок екрана, Вт – яскравість темних ділянок екрана. ф =   Uа  

6. Зонна характеристика – залежність чутливості фотокатода від координати точки опромінення, що обумовлюється нерівномірністю чутливістю фото емісійного шару та відмінністю збору електронів з різних точок фотокатоду на перший динод. 7. Темновий струм, що утворюється за рахунок термоелектронної емісії з перших динодів, струмами витіку між анодом та іншими електродами, іонним струмом. Ступінь вкладу складових темнового струму залежить від режиму роботи. 8. Світловий (енергетичний) еквівалент темнового струму визначається потоком світла (енергії) на фотокатод, що приводить до фотоструму еквівалентному темновому. 9. Граничний потік приладу залежить від чутливості до потоку випромінювання відповідного спектрального складу та сумарного струму шумів на виході фотоелектронного приладу.

Класифікація по способу переносу електронного зображення з фотокатода на екран ЕОПа : 1) ЕОП з паралельним переносом зображення в одноріднім електричнім полі (плоский); 2) ЕОП з електромагнітним фокусуванням; 3) ЕОП з електростатичним фокусуванням у неодноріднім полі.

Рис.15 Конструкція двокамерного підсилювача яскравості зображення:1- вхідний фотокатод; 2,5 – електронно-оптична система; 3- проміжний екран; 4- катод другої камери; 6 - вихідний екран .

Методи посилення яскравості зображення: Збільшення чутливості фотокатода. Збільшення світлової віддачі екрана. Збільшення енергії електронів. Стиск електронно-оптичного зображення.