Жоғары сезімтал, төмен қысымды фотоэлектрон детекторлары

Жарық детекторлары: Фотокөбейтілгіштер (PMT) – ультракүлгін, көрінетін және жақын инфрақызыл сәулелерді анықтайтын жоғары сезімтал, төмен қысымды құрал. 🔬✨

16 мин оқу

100%

Дереккөз: Photomultiplier tube — Wikipedia

Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.

Мазмұны

Кіріспе

Жылдам, жоғары сезімталдығы бар, аз шулы электрондық фотон детекторы.

Фотомультипликатор түтіктері (қысқаша фотомультипликаторлар немесе ПМТ) – электромагниттік спектрдің ультракүлгін, көрінетін және жақын инфрақызыл диапазондарындағы жарыққа өте сезімтал детекторлар. Олар вакуумдық түтіктер класына жатады, дәлірек айтқанда вакуумдық фототүтіктер. Бұл детекторлар түскен жарықтан туындаған токты 100 миллион есеге немесе 108 (яғни 160 дБ) бірнеше динодтық сатыларда көбейтеді, бұл жарық ағыны төмен болғанда жеке фотондарды анықтауға мүмкіндік береді. Жоғары күшейту, төмен шу, жоғары жиілікті жауап беру немесе, балама ретінде, өте жылдам жауап беру және үлкен жинау алаңы фотокөбейтушілерді төмен жарық деңгейіндегі спектроскопияда, конфокалды микроскопияда, Раман спектроскопиясында, флуоресценттік спектроскопияда, ядролық және бөлшектер физикасында, астрономияда, медициналық диагностикада (қан сынақтарын қоса алғанда), медициналық бейнелеуде, киноленталарды сканерлеуде (телесин), радиолокациялық қарсы шараларда және барабанды сканерлер деп аталатын жоғары сапалы бейне сканерлерінде маңызды рөл атқарады. Фотокөбейту технологиясының элементтері, басқаша біріктірілгенде, түнгі көру құрылғыларының негізін құрайды. Жарық шашырауын талдауға арналған зерттеулер, мысалы, ерітіндіштегі полимерлерді зерттеу, көбінесе лазер мен ПМТ арқылы шашыраған жарық деректерін жинау үшін қолданылады. Жартылай өткізгіш құрылғылар, әсіресе кремний фотокөбейтушілер және лавиналық фотодиодтар, классикалық фотокөбейтушілерге балама болып табылады; алайда, фотокөбейтушілер төмен шуды, жоғары сезімталдықты талап ететін және толық емес коллимацияланған жарықты анықтау үшін ерекше жарамды.

Құрылымы мен жұмыс істеу қағидаттары

Фотокөбейтуші әдетте эвакуацияланған шыны корпусымен (басқа вакуумдық құбырлар сияқты металлға тығыз және берік шыны байланысымен) құрастырылады, ішінде фотокатод, бірнеше динодтар және анод болады. Фотондар фотокатод материалына түседі, ол әдетте құрылғының кіретін терезесінің ішкі бетінде орналасқан жұқа, буланған өткізгіш қабат. Фотоэлектрлік эффектінің нәтижесінде электронтар беттен шығарылады. Бұл электрондар фокустық электрод арқылы электрон көбейтушіге бағытталады, онда екіншілік эмиссия процесі арқылы электрондар көбейтіледі. Электрон көбейтуші динодтар деп аталатын электродтардан тұрады. Әр динод алдыңғысына қарағанда шамамен 100 Вольтқа жоғары потенциалда ұсталады. Бірінші электрон фотокатодтан кіріс фотонның энергиясымен, немесе "көк" фотондар үшін фотокатодтың жұмыс функциясынан шамамен 3 эВ кем энергиямен шығады. Бастапқы фотондардың тобы келген кезде кішкентай топтағы бірінші электрондар пайда болады. (1-суретте, бастапқы топтағы бірінші электрондардың саны түсетін жоғары энергиялы гамма-сәулесінің энергиясына пропорционалды.) Бірінші электрондар электр өрісінің әсерінен үдеп, бірінші динодқа қарай қозғалады. Олардың әрқайсысы потенциалдық айырмашылықтан туындаған шамамен 100 эВ кинетикалық энергиямен келеді. Бірінші динодқа соққанда, төмен энергиялы электрондар эмиссияланады, және осы электрондар екінші динодқа қарай үдеп кетеді. Динодтар тізбегінің геометриясы каскадтық эффектіге мүмкіндік береді, әр сатыда экспоненциалды түрде көбейтілген электрондар пайда болады. Мысалы, егер әр сатыда әрбір кіретін электрон үшін орташа есеппен 5 жаңа электрон туындаса және 12 динодтық саты болса, онда соңғы сатыда әрбір бірінші электрон үшін шамамен 512 ≈ 108 электрон күтіледі. Бұл соңғы саты анод деп аталады. Анодқа жететін электрондардың көп саны осциллографта оңай анықталатын өткір ток импульсін тудырады, бұл фотон(дар)дың фотокатодқа шамамен 50 наносекунд бұрын келгенін көрсетеді. Динодтар тізбегі бойындағы кернеуді қажетті бөлуді кернеуді бөлетін тізбек қамтамасыз етеді, 2-суретте көрсетілгендей. Мысалда, фотокатод 1000 В шамасындағы теріс жоғары кернеуде ұсталады, ал анод жерге жақын потенциалда болады. Динодтардың соңғы бірнешеуіне қосылған конденсаторлар электрондық лавиналар түтік арқылы өтетінінде динодтардағы кернеуді сақтауға көмектесетін зарядты сақтайтын жергілікті резервуарлар болып табылады. Іс жүзінде көптеген конструкциялық нұсқаулар қолданылады; көрсетілген конструкция тек иллюстрациялық мақсатта қолданылады. Фотокөбейтушілердің екі кең таралған орналасуы бар: жоғарыда көрсетілгендей, жарық түтіктің жалпақ, дөңгелек жоғарғы жағынан кіретін және фотокатодты өтетін конструкция (беріліс режимі), және жарық түтіктің бүйіріндегі белгілі бір нүктеден кіретін және мөлдір емес фотокатодқа түсетін бүйірлік конструкция (көрініс режимі). Бүйірлік конструкция, мысалы, 931 типінде, алғашқы жаппай өндірілген ФЭП-та қолданылды. Фотокатодтың әртүрлі материалдарынан басқа, өнімділікке жарық өтетін терезе материалының өткізу қабілеті және динодтардың орналасуы да әсер етеді. Көптеген фотокөбейтуші модельдері осы және басқа да конструкциялық параметрлердің әртүрлі комбинацияларын ұсынады. Өндірушілердің нұсқаулықтарында нақты қолдану үшін тиісті конструкцияны таңдауға қажетті ақпарат берілген.

Photomultipliers are typically constructed with an evacuated glass housing (using an extremely tight and durable glass to metal seal like other vacuum tubes), containing a photocathode, several dynodes, and an anode. Incident photons strike the photocathode material, which is usually a thin vapor deposited conducting layer on the inside of the entry window of the device. Electrons are ejected from the surface as a consequence of the photoelectric effect. These electrons are directed by the focusing electrode toward the electron multiplier, where electrons are multiplied by the process of secondary emission. The electron multiplier consists of a number of electrodes called dynodes. Each dynode is held at a more positive potential, by ≈100 Volts, than the preceding one. A primary electron leaves the photocathode with the energy of the incoming photon, or about 3 eV for "blue" photons, minus the work function of the photocathode. A small group of primary electrons is created by the arrival of a group of initial photons. (In Fig. 1, the number of primary electrons in the initial group is proportional to the energy of the incident high energy gamma ray.) The primary electrons move toward the first dynode because they are accelerated by the electric field. They each arrive with ≈100 eV kinetic energy imparted by the potential difference. Upon striking the first dynode, more low energy electrons are emitted, and these electrons are in turn accelerated toward the second dynode. The geometry of the dynode chain is such that a cascade occurs with an exponentially increasing number of electrons being produced at each stage. For example, if at each stage an average of 5 new electrons are produced for each incoming electron, and if there are 12 dynode stages, then at the last stage one expects for each primary electron about 512 ≈ 108 electrons. This last stage is called the anode. This large number of electrons reaching the anode results in a sharp current pulse that is easily detectable, for example on an oscilloscope, signaling the arrival of the photon(s) at the photocathode ≈50 nanoseconds earlier. The necessary distribution of voltage along the series of dynodes is created by a voltage divider chain, as illustrated in Fig. 2. In the example, the photocathode is held at a negative high voltage of order 1000 V, while the anode is very close to ground potential. The capacitors across the final few dynodes act as local reservoirs of charge to help maintain the voltage on the dynodes while electron avalanches propagate through the tube. Many variations of design are used in practice; the design shown is merely illustrative. There are two common photomultiplier orientations, the head on or end on (transmission mode) design, as shown above, where light enters the flat, circular top of the tube and passes the photocathode, and the side on design (reflection mode), where light enters at a particular spot on the side of the tube, and impacts on an opaque photocathode. The side on design is used, for instance, in the type 931, the first mass produced PMT. Besides the different photocathode materials, performance is also affected by the transmission of the window material that the light passes through, and by the arrangement of the dynodes. Many photomultiplier models are available having various combinations of these, and other, design variables. The manufacturers manuals provide the information needed to choose an appropriate design for a particular application.

Тарих

Фотокөбейтушінің өнертабысы екі бұрынғы жетістікке байланысты: фотоэлектрлік эффектінің және екіншілік эмиссияның жеке-жеке ашылуы.

Фотоэлектрлік әсер

Фотоэлектрлік әсерді алғаш рет 1887 жылы Генрих Герц ультракүлгін сәулелерді пайдаланып көрсетті. Екі жыл өткен соң, Элстер мен Гейтель практикалық қолдану үшін маңызды болған осы әсерді көрінетін жарықпен әрекеттесетін сілті металдарын (калий мен натрий) қолданып қайталады. Цезийдің, тағы бір сілті металдың қосылуы, сезімтал толқын ұзындығының диапазонын көру спектрінің қызыл бөлігіндегі ұзын толқын ұзындықтарына қарай кеңейтуге мүмкіндік берді. Тарихи тұрғыдан алғанда, фотоэлектрлік әсер Альберт Эйнштейнмен байланысты, ол 1905 жылы кванттық механиканың негізгі принципін орнату үшін осы құбылысты пайдаланды, және осы жетістігі үшін 1921 жылы Нобель сыйлығын алды. Генрих Герц 18 жыл бұрын осымен айналысқан болатын, бірақ шығарылған электрондардың кинетикалық энергиясы жиілікке пропорционалды, ал жарықтың қарқындылығына тәуелсіз екенін түсінбеді. Бұл факт алғаш рет жарықтың дискретті табиғаты, яғни кванттардың бар екендігін көрсетті.

Екіншілік эмиссия

Екіншілік эмиссия құбылысы (вакуумдық түтікшедегі электрондардың электродыға соғылып, қосымша электрондардың шығуына себеп болатын қабілеті) бастапқыда таза электрондық құбылыстар мен құрылғылармен шектелген (оларда фотосезгіштік болмаған). 1899 жылы бұл әсерді алғаш рет Виллард хабарлады. 1902 жылы Остин мен Старк электрондар шоғының әсерінен металл беттерден түскеннен артық электрондардың шығатынын анықтады. Жаңадан ашылған екіншілік эмиссияны сигналдарды күшейту үшін қолдану туралы ұсыныс Бірінші дүниежүзілік соғыстан кейін, 1919 жылы Вестингхаус ғалымы Джозеф Слепианның патентында жарияланды.

Қолда бар электрондық теледидар камерасына деген жарыс

1920 жылдары вакуумдық түтіктер технологиясының даму қарқыны шарықтаған кезде фотокөбейтушіні ойлап табуға қажетті жағдайлар қалыптаса бастады. Көптеген, тіпті басым бөлігі жұмыс істейтіндердің мақсаты – практикалық теледидар камерасы технологиясын жасау болатын. Теледидар 1934 жылы алғашқы практикалық бейнекамера (иконоскоп) ұсынылғанға дейін ондаған жылдар бойы қарапайым үлгілермен іздестіріліп келді. Алғашқы теледидар камераларының үлгілері жеткілікті сезімталдыққа ие болмады. Фотомультипликатор технологиясы иконоскоп сияқты теледидар камераларының түтікшелерін және (кейінірек) ортиконды практикалық деңгейге жеткілікті сезімтал ету үшін зерттелді. Осылайша, бұрын зерттелген және толыққанды түсінілген фотоэмиссия (яғни, фотоэлектрлік эффект) және екіншілік эмиссияның екі құбылысын біріктіре отырып, практикалық фотокөбейтуші жасауға мүмкіндік туды.

Бірінші фотокөбейтуші, бір сатылы (1934 жылдың басында)

Фотокөбейтушілердің алғашқы құжатталған демонстрациясы 1934 жылдың басында Нью-Джерси штатының Харрисон қаласындағы RCA тобының жетістіктерімен байланысты. Харли Ямс және Бернард Зальцберг фотоэлектрлік эффект катодын және бір вакуумдық баллон ішіндегі жалғыз екіншілік эмиссиялық күшейткіш сатысын біріктірген алғашқылар болды, сондай-ақ электрондық күшейтумен фотокөбейтуші ретінде оның жұмысын сипаттаған алғашқылар да олар еді. Бұл жетістіктер 1934 жылдың маусымына дейін аяқталды, бұл туралы мәліметтер Proceedings of the Institute of Radio Engineers (Proc. IRE) басылымында жарияланды. Құрылғы жартылай цилиндрлі фотокатодтан, осіне орнатылған екіншілік эмитерден және екіншілік эмитерді қоршап тұрған коллекторлық тордан тұрды. Түтіктің күшейту коэффициенті шамамен сегізді құрады және 10 кГц-тен жоғары жиіліктерде жұмыс істеді.

Магниттік фотокөбейтуші (1934-1937 жж.)

Жоғарырақ күшейту, ертедегі бір сатылы фотокөбейтілгіштерден қол жетімді күшейтуден артық күшейту ізделді. Дегенмен, екіншілік электрондардың шығымы, үдеу кернеуіне қарамастан, кез келген екіншілік эмиссия процесінде шектеледі деген эмпирикалық факті бар. Осылайша, кез келген бір сатылы фотокөбейтілгіштің күшейтуі шектеулі. Сол кезде бірінші сатыдағы максималды күшейту шамамен 10-ды құрады (1960 жылдардағы маңызды жетістіктер теріс электрондық туыстығы бар динодтарды пайдалану арқылы 25-тен жоғары күшейтуге қол жеткізуге мүмкіндік берді). Сондықтан, фотоэлектрондық шығымды бірнеше сатыда тізбектей көбейтуге болатын көп сатылы фотокөбейтілгіштер маңызды мақсат болып табылды. Мұндағы міндет – фотоэлектронды тікелей ең жоғары кернеулі электродқа емес, бірінен соң бірі жоғары кернеулі электродтарға соқтығыстыру болды. Бастапқыда бұл қиындық электрондардың траекториясын иілу үшін күшті магниттік өрістерді қолдану арқылы шешілді. Мұндай схеманы 1919 жылы Ж. Слепян ұсынған болатын (жоғарыда қараңыз). Осыған байланысты, жетекші халықаралық зерттеу ұйымдары көп сатылы күшейтуге қол жеткізу үшін фотокөбейтілгіштерді жақсартуға назар аударды. КСРО-да Иосиф Сталин радиожабдықтарын кеңінен енгізіп, хабар тарату желілерін құруға жағдай жасады, ал жаңадан құрылған Бүкілодақтық Телевизия ғылыми-зерттеу институты вакуумдық құбырлар саласындағы озық зерттеу бағдарламасын дамытты. 1930 жылдары, суық соғысқа дейін, RCA ғылыми қызметкерлері КСРО-ға көптеген сапарлар жасап, советтік тұтынушыларға RCA жабдықтарының мүмкіндіктерін түсіндірді және тұтынушылардың қажеттіліктерін зерттеді. Осы сапарлардың бірінде, 1934 жылдың қыркүйегінде, RCA-ның Владимир Зворыкиніне алғашқы көп динодты фотокөбейтілгіш немесе фотоэлектрон көбейтілгіші көрсетілді. Бұл жаңа құрылғыны 1930 жылы Леонид А. Кубецкий ұсынды және 1934 жылы жасады. Құрылғы 1934 жылдың маусымында демонстрацияланғанда 1000 есе немесе одан да көп күшейтуге қол жеткізді. Бұл жұмыс екі жылдан кейін, 1936 жылдың шілдесінде жарияланды, бұл туралы 2006 жылы Ресей Ғылым академиясы (РАҒ) жариялаған материалдарында айтылған, және оны «Кубецкийдің құбыры» деп атады. Советтік құрылғы екіншілік электрондарды шектеу үшін магниттік өріс қолданды және 1920 жылдары General Electric компаниясы көрсеткен Ag O Cs фотокатодын пайдаланды. 1935 жылдың қазанында Владимир Зворыкин, Джордж Эшмун Мортон және Нью-Джерси штатының Камден қаласындағы RCA-дан Луис Малтер көп динодты құбырдың алғашқы толық тәжірибелік және теориялық талдауын сипаттайтын қолжазбаларын Proc. IRE журналына ұсынды. RCA прототипі фотокөбейтілгіштері де Ag O Cs (күміс оксидінің цезиі) фотокатодын қолданды. Олардың кванттық тиімділігі 800 нм толқын ұзындығында 0,4% құрады.

Higher gains were sought than those available from the early single stage photomultipliers. However, it is an empirical fact that the yield of secondary electrons is limited in any given secondary emission process, regardless of acceleration voltage. Thus, any single stage photomultiplier is limited in gain. At the time the maximum first stage gain that could be achieved was approximately 10 (very significant developments in the 1960s permitted gains above 25 to be reached using negative electron affinity dynodes). For this reason, multiple stage photomultipliers, in which the photoelectron yield could be multiplied successively in several stages, were an important goal. The challenge was to cause the photoelectrons to impinge on successively higher voltage electrodes rather than to travel directly to the highest voltage electrode. Initially this challenge was overcome by using strong magnetic fields to bend the electrons' trajectories. Such a scheme had earlier been conceived by inventor J. Slepian by 1919 (see above). Accordingly, leading international research organizations turned their attention towards improving photomultipliers to achieve higher gain with multiple stages. In the USSR, RCA manufactured radio equipment was introduced on a large scale by Joseph Stalin to construct broadcast networks, and the newly formed All Union Scientific Research Institute for Television was gearing up a research program in vacuum tubes that was advanced for its time and place. Numerous visits were made by RCA scientific personnel to the USSR in the 1930s, prior to the Cold War, to instruct the Soviet customers on the capabilities of RCA equipment and to investigate customer needs. During one of these visits, in September 1934, RCA's Vladimir Zworykin was shown the first multiple dynode photomultiplier, or photoelectron multiplier. This pioneering device was proposed by Leonid A. Kubetsky in 1930 which he subsequently built in 1934. The device achieved gains of 1000x or more when demonstrated in June 1934. The work was submitted for print publication only two years later, in July 1936 as emphasized in a recent 2006 publication of the Russian Academy of Sciences (RAS), which terms it "Kubetsky's Tube." The Soviet device used a magnetic field to confine the secondary electrons and relied on the Ag O Cs photocathode which had been demonstrated by General Electric in the 1920s. By October 1935, Vladimir Zworykin, George Ashmun Morton, and Louis Malter of RCA in Camden, NJ submitted their manuscript describing the first comprehensive experimental and theoretical analysis of a multiple dynode tube — the device later called a photomultiplier — to Proc. IRE. The RCA prototype photomultipliers also used an Ag O Cs (silver oxide caesium) photocathode. They exhibited a peak quantum efficiency of 0.4% at 800 nm.

Электростатикалық фотокөбейтуші (1937 жылдан қазіргі уақытқа дейін)

Алғашқы фотомультипликаторлар магнит өрісі принципін қолданса, 1930 жылдардың соңында Принстон қаласындағы RCA зертханасының Ян Раджман электростатикалық фотомультипликаторларды (магнит өрісі жоқ) ұсынды, және олар болашақтағы барлық коммерциялық фотомультипликаторлар үшін стандартқа айналды. Алғашқы жапсарып өндірілген фотомультипликатор, 931 типті, осы конструкцияға сәйкес жасалған және бүгінгі күнге дейін коммерциялық өндірісте сақталып келеді.

Жақсартылған фотокатодтар

1936 жылы П.Герлих Cs3Sb (цезий антимоны) фотокатодын күрт жетілдірді. Цезий-антимоны фотокатоды 400 нм толқын ұзындығында 12% кванттық тиімділікке ие болды, бұл үлкен жақсарту болды, және RCA (атап айтқанда 931 түрі) компаниясы өндірген алғашқы коммерциялық қабылданысқа ие болған фотомультипликаторларда фотокатод ретінде де, динодтар үшін екіншілік эмиссия материалдары ретінде де қолданылды. Әртүрлі фотокатодтар әртүрлі спектрлік сезімталдықтарды қамтамасыз етті.

Фотокатодтардың спектрлік жауабы

1940 жылдардың басында стандарттау жөніндегі өнеркәсіптік комитет JEDEC (Joint Electron Device Engineering Council) спектралдық жауаптарды белгілеу жүйесін жасады. Бұл жүйенің негізгі идеясы – өнімнің қолданушысын құрылғының жасалу жолы емес, оның жауап беру қабілетімен ғана қызықтыру. Әртүрлі фотокатодтар мен терезе материалдарының комбинацияларына S1-ден S40-қа дейін "S нөмірлері" (спектралдық нөмірлер) тағайындалды, және олар бүгінге дейін қолданылып келеді. Мысалы, S11 – цезий-антимон фотокатодын және лайм шыны терезесін пайдаланады, S13 – сол фотокатоды қорытылған кварц терезесімен пайдаланады, ал S25 – "көпсілтілі" фотокатодты (Na K Sb Cs, яғни натрий-калий-антимон-цезий) пайдаланады, ол көрінетін жарық спектрінің қызыл бөлігінде жауап беру диапазонын кеңейтеді. Шамамен 1700 нанометрден ұзын толқынды анықтауға қабілетті фотоэмиссиялық беттер әлі хабарланбады, бірақ арнайы (InP/InGaAs(Cs)) фотокатоды арқылы оған жақындасуға болады.

RCA корпорациясы

Онжылдап RCA фотокөбейтушілерді әзірлеу және жетілдірудегі ең маңызды жұмыстың орындалуына жауапты болды. RCA фотокөбейтушілерді коммерциялық түрде енгізуде де маңызды рөл атқарды. Компания сенімді және кеңінен қолданылатын фотокөбейтушілер жөніндегі нұсқаулықты жинақтап, жариялады. RCA оны сұраған кез келген адамға баспа түрінде тегін ұсынды. RCA-ның құқығын мұрагерлік еткен компаниялар осы нұсқаулықты қазірге дейін ақысыз түрде онлайн режимінде қолжетімді етуде, ол маңызды анықтамалық материал саналады. 1980-ші жылдардың соңында RCA компаниясы General Electric тарапынан сатып алынып, RCA бөлімшелері көптеген үшінші тараптарға өткізілгеннен кейін, RCA-ның фотокөбейтуші бизнесі тәуелсіз компанияға айналды.

Ланкастер, Пенсильвания нысандары

Ланкастер, Пенсильваниядағы зауыт 1942 жылы АҚШ Әскери-теңіз күштерімен ашылды және радио және микротолқынды құбырларды өндіру үшін RCA компаниясы басқарды. Екінші дүниежүзілік соғыстан кейін әскери-теңіз күштерінің базасы RCA-ға өткенімен, RCA Lancaster деп белгілі болды және коммерциялық теледидар өнімдерін әзірлеу мен өндіру орталығына айналды. Келесі жылдары "катод сәулелі" түтіктер, фотокөбейтуші түтіктер, қозғалысқа сезімтал жарық басқару қосқыштары және жабық телеарналық жүйелер сияқты басқа да өнімдер қосылды.

Бёрл индустриясы

Burle Industries, RCA корпорациясының мұрагері ретінде, 1986 жылдан бастап RCA фотомультипликаторларын дамытуды жалғастырды, бұл жұмыс Ланкастер, Пенсильваниядағы өндіріс орнында жүргізілді. 1986 жылы General Electric компаниясының RCA-ны сатып алуы RCA Lancaster жаңа өнімдер бөлімшесінің сатылуына әкелді. Осылайша, АҚШ Әскери-теңіз күштерімен құрылғаннан кейін 45 жыл өткен соң, бөлімді Эрих Бурлефингер басқаруымен басқару тобы сатып алып, 1987 жылы Burle Industries компаниясын құрды. 2005 жылы, тәуелсіз кәсіпорын ретінде он сегіз жыл жұмыс істегеннен кейін, Burle Industries және оның маңызды еншілес компаниясы еуропалық холдинг компаниясы Photonis Group-қа сатылды. Сатып алынғаннан кейін Photonis компаниясы Photonis Netherlands, Photonis France, Photonis USA және Burle Industries компанияларынан тұрды. Photonis USA 1999 жылы Burle Industries сатып алған бұрынғы Galileo Corporation ғылыми детекторлар тобын (Sturbridge, Массачусетс штаты) басқарады. Бұл топ микроканалдық пластина детекторы (MCP) электрондық күшейткіштерімен – фотокөбейтушілердің интеграцияланған микро вакуумдық түтігінің нұсқасымен танымал. МКК бейнелеу және ғылыми қолданыстарда, соның ішінде түнгі көру құрылғыларында қолданылады. 2009 жылдың 9 наурызында Photonis компаниясы Пенсильвания штатындағы Ланкастер және Франциядағы Брив зауыттарында фотомультипликаторлар өндірісін тоқтату туралы хабарлады.

Хамаматсу

Жапониядағы Hamamatsu Photonics компаниясы (әрі Hamamatsu деп те аталады) 1950-ші жылдардан бері фотокөбейту құралдары индустриясындағы жетекші компания ретінде танылды. RCA дәстүрін жалғастыра отырып, Hamamatsu компаниясы өзінің анықтамалығын жариялады, ол компанияның веб-сайтында ақысыз қолжетімді. Hamamatsu нақты фотокатод құрамы үшін әртүрлі белгілеулерді пайдаланады және осы белгілеулерге Hamamatsu-тың өзіндік зерттеулері мен әзірлемелеріне сүйенген өзгерістер енгізеді.

Фотокатодтық материалдар

Фотокатодтар әр түрлі қасиеттері бар әр түрлі материалдардан жасалуы мүмкін. Әдетте, материалдардың жұмыс функциясы төмен болады, сондықтан олар термоиондық эмиссияға бейім, бұл шу мен қараңғы ток тудырады, әсіресе инфрақызыл сәуледе сезімтал материалдарда; фотокатодты салқындату осы жылу шуын азайтады. Ең көп қолданылатын фотокатодтық материалдар: AgO Cs (сонымен қатар S1 деп аталады) – беріліс режимі, 300–1200 нм диапазонында сезімтал. Жоғары қараңғы ток; негізінен инфрақызылға жақын диапазонда, фотокатод салқындатылғанда қолданылады; GaAs:Cs – цезиймен белсендірілген галлий арсениді, 300-ден 850 нм-ге дейін тегіс жауап береді, ультракүлгінге және 930 нм-ге дейін сезімталдығы төмендейді; InGaAs:Cs – цезиймен белсендірілген индий-галлий арсениді, GaAs:Cs-ден инфрақызыл сәулеге жоғары сезімтал, 900–1000 нм диапазонында AgO Cs-қа қарағанда сигнал-шу қатынасы әлдеқайда жоғары; Sb Cs (сонымен қатар S11 деп аталады) – цезиймен белсендірілген антимон, рефлексивті режимдегі фотокатодтар үшін қолданылады; жауап диапазоны ультракүлгіннен көрінетінге дейін, кеңінен қолданылады; биалкали (SbK Cs, SbRb Cs) – цезиймен белсендірілген антимон-рубидий немесе антимон-калий қорытпасы, Sb:Cs-қа ұқсас, бірақ сезімталдығы жоғары және шуы төмен. Беріліс режимінде қолданылуы мүмкін; NaI:Tl сцинтилляторының жарқырауына жағымды жауап беруі оларды гамма-спектроскопиясында және сәулеленуді анықтауда кеңінен қолдануға мүмкіндік береді; жоғары температуралы биалкали (NaK Sb) – 175 °C дейін жұмыс істей алады, ұңғымаларды тіркеуде қолданылады, бөлме температурасында қараңғы тогы аз; мультиалкали (NaK Sb Cs) (сонымен қатар S20 деп аталады) – ультракүлгіннен жақын инфрақызылға дейін кең спектрлік жауап береді, арнайы катодтық өңдеу 930 нм-ға дейін диапазонын кеңейте алады, кең жолақты спектрофотометрлерде қолданылады; күнге өткізбейтін (CsTe, CsI) – вакуумдық ультракүлгінге және ультракүлгінге сезімтал, көрінетін және инфрақызыл сәулеге сезімтал емес (CsTe 320 нм-да, CsI 200 нм-да кесілу нүктесіне ие).

Терезе материалдары

Фотокөбейтушілердің терезелері толқын ұзындығы сүзгілерінің қызметін атқарады; егер кесу толқын ұзындығы қолданылу аймағынан немесе фотокатодтың сезімталдық аймағынан тыс болса, бұл маңызды болмауы мүмкін, бірақ сирек кездесетін толқын ұзындықтарына ерекше назар қажет. Боросиликатты шыны көбінесе жақын инфрақызыл сәулелерге дейін, шамамен 300 нм-ге дейін қолданылады. Жоғары боратты боросиликатты шынылар 254 нм толқын ұзындығында да жоғары УФ сәуле өткізгіштігіне ие нұсқаларда кездеседі. Калийдің мөлшері өте аз шыныны биалкалий фотокатодтарымен бірге пайдалану арқылы калий-40 изотопынан туындайтын фондық сәулеленуді азайтуға болады. Күлдір шыны 185 нм-ге дейінгі көрінетін және күлдір сәулелерді өткізеді. Спектроскопияда қолданылады. Синтетикалық кремний 160 нм-ге дейін сәуле өткізеді, балқытылған кремнийге қарағанда аз күлдір сәулелерді сіңіреді. Ковардан (және ковармен кеңеюі үйлесетін боросиликатты шыныдан) өзгеше жылулық кеңею қасиеттеріне ие, сондықтан терезе мен түтіктің қалған бөлігі арасында біріктіру үшін арнайы герметизациялау қажет. Герметизация механикалық соққыларға осал. Магний фториді күлдір сәулелерді 115 нм-ге дейін өткізеді. Ылғалды сіңіретін қасиеті бар, бірақ күлдір терезелер үшін қолданылатын басқа сілтілік галидтерге қарағанда аз.

Пайдалануға қатысты ескертулер

Фотокөбейтуші түтіктер әдетте динодтар тізбегіндегі электрондарды үдету үшін 1000-ден 2000 вольтқа дейін пайдаланады. (Мақаланың жоғарғы жағындағы суретті қараңыз.) Ең теріс кернеу катодқа, ал ең оң кернеу анодқа қосылады. Жағымды терминалы жерге қосылған теріс жоғары кернеулі қуат көздері көбінесе артықшылыққа ие, себебі бұл конфигурация фототокты төмен кернеулі тізбектің төмен жағында, төмен кернеуде жұмыс істейтін келесі электрондық тізбектермен күшейту үшін өлшеуге мүмкіндік береді. Дегенмен, фотокатодтың жоғары кернеуде болуынан кейде ағып кету нәтижесінде операцияға әсер ететін "қара ток" импульстары пайда болады. Кернеу динодтарға резистивті кернеу бөлігіш арқылы таратылады, бірақ транзисторлар немесе диодтар сияқты белсенді конструкциялар да болуы мүмкін. Жиілік жауабына немесе көтерілу уақытына әсер ететін бөлігіштің дизайнын әртүрлі қолдануларға сәйкес таңдауға болады. Кейбір фотокөбейтушілерді қолданатын құралдар жүйенің күшейтуін басқару үшін анод кернеуін өзгерту мүмкіндігін қамтиды. Қуаттандырылған (қосылған) кезде фотокөбейтушілерді қоршаған ортаның жарығынан қорғау қажет, әйтпесе олардың шамадан тыс қоздырылу арқылы жойылуына жол бермеу керек. Кейбір қолдануларда бұл қорғау электрлік құлыптар немесе фотокөбейтуші бөлімі ашылғанда түтікті қорғайтын жапқыштар арқылы механикалық түрде жүзеге асырылады. Тағы бір мүмкіндік – сыртқы тізбекте артық токтан қорғауды қосу, сонда өлшенген анод тогы қауіпсіз шектен асқанда жоғары кернеу төмендейді. Егер фотокөбейтушілерді электрондардың жолын қисайтатын, оларды динодтардан ауыстыратын және күшейтуді жоғалтатын күшті магнит өрісі бар жерде қолданса, олар әдетте жұмсақ темір немесе мю-метал қабатымен магниттік қорғанысқа ие болады. Бұл магниттік қалқан көбінесе катодтық потенциалда ұсталады. Мұндай жағдайда, сыртқы қалқан да жоғары кернеуге байланысты электрлік оқшауланған болуы керек. Фотокатод пен бірінші динод арасындағы үлкен қашықтығы бар фотокөбейтушілер магнит өрістеріне ерекше сезімтал. Фотокөбейтушілерді зерттеу зертханаларында жарық шығаратын материалдардың, мысалы, қосылыс жартылай өткізгіштер мен кванттық нүктелердің қарқындылығы мен спектрін өлшеу үшін пайдаланады. Фотокөбейтушілер көптеген спектрофотометрлерде детектор ретінде қолданылады. Бұл құралдың жылу шуының сезімталдық шегінен асып түсуге мүмкіндік береді, соның салдарынан құралдың динамикалық диапазонын едәуір арттыруға болады. Фотокөбейтушілер көптеген медициналық жабдықтардың дизайнында қолданылады. Мысалы, клиникалық медициналық зертханаларда қолданылатын қан талдау құрылғылары, мысалы, ағын цитометрлері, қан үлгілеріндегі әртүрлі компоненттердің салыстырмалы концентрациясын анықтау үшін оптикалық сүзгілер мен қыздырғыш шамдармен бірге фотокөбейтушілерді пайдаланады. Гамма-камерада фотокөбейтушілердің массиві қолданылады. Фотокөбейтушілер әдетте ұшқыш нүкте сканерлеріндегі детектор ретінде қолданылады.

Photomultiplier tubes typically utilize 1000 to 2000 volts to accelerate electrons within the chain of dynodes. (See Figure near top of article.) The most negative voltage is connected to the cathode, and the most positive voltage is connected to the anode. Negative high voltage supplies (with the positive terminal grounded) are often preferred, because this configuration enables the photocurrent to be measured at the low voltage side of the circuit for amplification by subsequent electronic circuits operating at low voltage. However, with the photocathode at high voltage, leakage currents sometimes result in unwanted "dark current" pulses that may affect the operation. Voltages are distributed to the dynodes by a resistive voltage divider, although variations such as active designs (with transistors or diodes) are possible. The divider design, which influences frequency response or rise time, can be selected to suit varying applications. Some instruments that use photomultipliers have provisions to vary the anode voltage to control the gain of the system. While powered (energized), photomultipliers must be shielded from ambient light to prevent their destruction through overexcitation. In some applications this protection is accomplished mechanically by electrical interlocks or shutters that protect the tube when the photomultiplier compartment is opened. Another option is to add overcurrent protection in the external circuit, so that when the measured anode current exceeds a safe limit, the high voltage is reduced. If used in a location with strong magnetic fields, which can curve electron paths, steer the electrons away from the dynodes and cause loss of gain, photomultipliers are usually magnetically shielded by a layer of soft iron or mu metal. This magnetic shield is often maintained at cathode potential. When this is the case, the external shield must also be electrically insulated because of the high voltage on it. Photomultipliers with large distances between the photocathode and the first dynode are especially sensitive to magnetic fields. Photomultipliers are used in research laboratories to measure the intensity and spectrum of light emitting materials such as compound semiconductors and quantum dots. Photomultipliers are used as the detector in many spectrophotometers. This allows an instrument design that escapes the thermal noise limit on sensitivity, and which can therefore substantially increase the dynamic range of the instrument. Photomultipliers are used in numerous medical equipment designs. For example, blood analysis devices used by clinical medical laboratories, such as flow cytometers, utilize photomultipliers to determine the relative concentration of various components in blood samples, in combination with optical filters and incandescent lamps. An array of photomultipliers is used in a gamma camera. Photomultipliers are typically used as the detectors in flying spot scanners.

Жоғары сезімталдықты талап ететін қолданбалар

50 жылдан кейін, қатты күйдегі электрондық компоненттер вакуумдық түтіктерді кеңінен ығыстырғаннан кейін, фотокөбейтуші бірегей және маңызды оптоэлектрондық компонент болып қала береді. Оның ең пайдалы қасиеті, әлсіз жарық сигналдарымен байланысты шағын тоқтарды алу үшін қолданылатын жоғары кернеу есебінен, электрондық жағынан дерлік мінсіз ток көзі ретінде жұмыс істеуі болар. Фотокөбейтуші сигнал тоқтарымен байланысты Джонсон шуы болмайды, тіпті олар 100 мың есе (яғни 100 дБ) немесе одан да көп күшейтілген жағдайда да. Фототок әлі де оқ шуын қамтиды. Фотокөбейтуші күшейткен фототокты жоғары кіріс кедергісі бар электрондық күшейткішпен (фотокөбейтушіден кейінгі сигнал жолында) электрондық түрде күшейтуге болады, осылайша тіпті өте шағын фотон ағыны үшін де айтарлықтай кернеулер тудыруға болады. Фотокөбейтушілер көптеген конфигурацияларда Джонсон шуын басып өту үшін ең жақсы мүмкіндіктерді ұсынады. Жоғарыда айтылғандар, шағын болса да, бірнеше фотондардың үздіксіз ағынына тең жарық ағынын өлшеуге қатысты. Егер фотон ағыны одан да аз болса, фотокөбейтушіні фотон санау немесе Гейгер режимінде (қараңыз, сондай-ақ, жеке фотонның күшею диоды) пайдалануға болады. Гейгер режимінде фотокөбейтушінің күшеюі жоғары кернеуді пайдалану арқылы соншалықты жоғары деңгейге орнатылады, бастапқы бетке түскен бір фотоннан туған бір фотоэлектрон шығыс тізбегінде өте үлкен ток тудырады. Алайда, ток күшеюі салдарынан фотокөбейтушіні қайта орнату қажет. Екі жағдайда да фотокөбейтуші жеке фотондарды анықтай алады. Бірақ кемшілігі, фотокөбейтушінің тиімділігі толық емес болғандықтан немесе екінші фотон бірінші фотонмен байланысты "өлі уақыт" кезінде фотокөбейтушіге келсе, ол есепке алынбайды. Фотокөбейтуші фотондар түспеген жағдайда да шағын ток тудырады; бұл қараңғы ток деп аталады. Фотон санау қолданыстары үшін әдетте қараңғы токты азайтуға арналған фотокөбейтушілер қажет. Дегенмен, бастапқы жарық сезімтал бетке түскен жеке фотондарды анықтау мүмкіндігі Эйнштейн ұсынған кванттану принципін көрсетеді. Фотон санау (осылай аталады) жарықтың толқын ғана емес, дискретті бөлшектерден (яғни фотондардан) тұратындығын аңғартады.

After 50 years, during which solid state electronic components have largely displaced the vacuum tube, the photomultiplier remains a unique and important optoelectronic component. Perhaps its most useful quality is that it acts, electronically, as a nearly perfect current source, owing to the high voltage utilized in extracting the tiny currents associated with weak light signals. There is no Johnson noise associated with photomultiplier signal currents, even though they are greatly amplified, e. g., by 100 thousand times (i. e., 100 dB) or more. The photocurrent still contains shot noise. Photomultiplier amplified photocurrents can be electronically amplified by a high input impedance electronic amplifier (in the signal path subsequent to the photomultiplier), thus producing appreciable voltages even for nearly infinitesimally small photon fluxes. Photomultipliers offer the best possible opportunity to exceed the Johnson noise for many configurations. The aforementioned refers to measurement of light fluxes that, while small, nonetheless amount to a continuous stream of multiple photons. For smaller photon fluxes, the photomultiplier can be operated in photon counting, or Geiger, mode (see also Single photon avalanche diode). In Geiger mode the photomultiplier gain is set so high (using high voltage) that a single photo electron resulting from a single photon incident on the primary surface generates a very large current at the output circuit. However, owing to the avalanche of current, a reset of the photomultiplier is required. In either case, the photomultiplier can detect individual photons. The drawback, however, is that not every photon incident on the primary surface is counted either because of less than perfect efficiency of the photomultiplier, or because a second photon can arrive at the photomultiplier during the "dead time" associated with a first photon and never be noticed. A photomultiplier will produce a small current even without incident photons; this is called the dark current. Photon counting applications generally demand photomultipliers designed to minimise dark current. Nonetheless, the ability to detect single photons striking the primary photosensitive surface itself reveals the quantization principle that Einstein put forth. Photon counting (as it is called) reveals that light, not only being a wave, consists of discrete particles (i. e., photons).

Температура диапазоны

Криогендік температурада фотокөбейткіштер температура төмендеген сайын электрондардың (күрт) шығарылуының артуын көрсетеді. Бұл құбылыс әлі ешбір физикалық теориямен түсіндірілмеген.