Transcript Fotonásobiče

FOTONÁSOBIČE
Fotonásobiče



slušná kvantová účinnost (zejména v UV a VIS)
nízký šum
rychlá odezva
Historie








1887 – Hertz – objev vnějšího fotoefektu
1905 – Einstein – interpretace pomocí fotonů
1913 – Elster & Geitel – první fotonka
1929 – Koller & Campbell – Ag-O-Cs první
fotokatoda
1902 – Austin – sekundární emise elektronu
1935 – Iams et al. - první kombinace fotokatody a
jedné dynody
1936 – Zworykin et al. - multidynodový fotonásobič
1939 – Zworykin & Rajchman – fotonásobič s
elektrostatickou fokusací elektronů
Alkalická fotokatoda


Emax = hν – EG – EA
výstupní práce
typicky > 2eV
lambda [nm] E=hc/lambda [eV]
200
6,2
300
4,2
400
3,1
500
2,5
600
2,1
700
1,8
800
1,6
900
1,4
1000
1,2
III-V polovodičová fotokatoda


vytvoření povrchu s
negativní
elektronovou afinitou
výstupní práce
typicky > 1,4eV
Uspořádání fotonásobičů

Reflexní – materiál
fotokatody je
nanesen na kovový
substrát a elektrony
se uvolňují proti
dopadajícímu světlu
(side-on)
circular-cage
Uspořádání fotonásobičů

box-and-grid
linear-focused
Transmisní –
fotokatoda je
nanesena na
skleněné desce a
elektrony se uvolňují
ve směru
dopadajícího světla
(head-on)
žaluzie
Trajektorie elektronů





optimalizuje se pomocí numerické analýzy
zejména se optimalizuje sběrná účinnost
první dynody (60-90%)
pro „rychlé“ fotonásobiče se provádí
optimalizace také na čas průchodu
počet dynod – 1-19
dynody mají zakřivený tvar a jsou vzájemné
uspořádány tak, aby bránily zpětné vazbě
iontů nebo světla
Elektronový násobič (dynody)


zesílení na jedné
dynodě: 10x-100x
materiály Xsb, BeO,
MgO, GaP, GaAsP
na substrátu z niklu,
oceli nebo CuBe
slitin
Anoda



Optimalizována na co nejefektivnější sběr
multiplikovaných elektronů
Většinou ve tvaru tyče, desky nebo sítě
Optimalizuje se zejména výše
potenciálového rozdílu mezi poslední
dynodou a anodou, aby se zabránilo tvorbě
prostorového náboje
Výběr fotonásobičů
Dopadající světlo
vlnová délka
intenzita
rozměr svazku
rychlost jevu
Kritérium výběru
Fotonásobič
Elektrický obvod
materiál okýnka, spektrální
odezva fotokatody
počet dynod, typ dynod, napětí analogové nebo digitální zpracování
na dynodách
signálu
průměr fotokatody, konfigurace
side-on nebo head-on
časová odezva
šířka pásma
Zisk fotonásobiče




Kolekční účinnost efektivní plochy první
dynody α (závisí na napětí ~100V)
Dynodový zisk δ = Uk (U je mezidynodové
napětí a k=0,7-0,8)
Zisk fotonásobiče μ = α.δ1.δ2...δn = α.Ukn
Zisk citlivě závisí na napětí, je třeba dobrá
stabilizace napěťového zdroje (<0,1%)
Režimy činnosti (obvody)
Materiály fotokatod
V současnosti asi 10 druhů, polovodičové směsi zejména z
alkalických kovů (malá výstupní práce)

CsI (<200 nm), CsTe (<300 nm) – solar-blind

Sb-Cs – jen reflexní, pro velké proudy (malý odpor)

Bialkalické (Sb-Rb-Cs), (Sb-K-Cs) – vyšší citlivost a nižší
šum

Vysokotpelotní bialkalické (Sb-Na-K) – až do 175˚C

Multialkalické (Sb-Na-K-Cs) – UV až 900 nm

Ag-O-Cs – 300-1200 nm ale menší citlivost ve viditelné
oblasti

GaAs(Cs), GaAsP(Cs), InGaAs(Cs) – vysoká kvantová
účinnost ve VIS

InP/InGaAsP(Cs), InP/InGaAs(Cs) – pomocí předpětí lze
prodloužit citlivost až do 1700 nm, musí se chladit na -80˚C
kvůli šumu
Reflexní fotokatody
Transmisní fotokatody
IR fotokatody
Materiály okének
Časová odezva


dána zejména časem
průchodu elektronů –
nejlepší pro linearfocused a metalchannel (5-20 ns)
klesá s odmocninou
napětí
Linearita




Obecně u fotonásobičů v širokém rozsahu
Horní hranice linearity 0,01-10 μA
Lepší je u reflexních fotokatod (díky malému
odporu substrátu)
Linearita se zlepšuje, když narůstá napětí s
rostoucím dynodovým stupněm
Temný šum (dark current)
• únikový proud z
dynod na anodu
nebo na patici
• termální emise
idark~T5/4e(-eW/KT)
• scintilace, elektrony
vytrhávané polem
Náhodné šumy:
ion-feedback (10-6-10-5 Pa),
kosmické záření (Čerenkovovo
záření z muonů), radioizotopy
(40K ve skle, β)
Temný šum vs. teplota
Afterpulsing


Rychlé afterpulsy (jednotky až desítky ns)
Zejména v důsledku elastických odrazů na
první dynodě. Lze je sbírat speciální
elektrodou, ale vzhledem k malému zpoždění
zpravidla nejsou hrozbou.
Pomalé afterpulsy (stovky ns až μs)
Zejména v důsledku iontové zpětné vazby
(hlavně He ionty penetrující přes baňku),
problém roste s rostoucím napětím.
Poměr signál/šum (SNR)
SNR = Ip/ip+d = (Ip+d-Id)/ip+d
SNR = Ip / [2eB.δ/(δ-1).(Ip+2Id)+NA2]1/2
Čítání fotonů
Čítání fotonů


lepší stabilita (signál
závisí jen slabě na
stabilitě napětí)
lepší poměr signál/šum
SNR = Ns/[2(Ns+2Nd)]1/2
nezávisí na šumovém
faktoru
nižší temný šum