Детекторы заряженных частиц и фотонов

Вторично-электронные умножители (ВЭУ) и фотоэлектронные умножители (ФЭУ) — наиболее часто применяемые детекторы потоков заряженных частиц и фотонов. В этих приборах используются явления фотоэлектронной (в ФЭУ) и вторичной электронной (в ВЭУ) эмиссий, благодаря которым получаются фотоэлектроны, или вторичные электроны. Число движущихся электронов увеличивается благодаря каскаду электродов, на которых реализуется эмиссия. При этом возможности увеличения числа электронов в принципе не имеют предела. Для достижения большого умножения электронов достаточно создать условия, обеспечивающие ускорение вторичных электронов за счет прохождения ими достаточно большой разности потенциалов, так, чтобы они в свою очередь вызвали дальнейшую вторичную эмиссию. Этот процесс может повторяться многократно. Как показано на рис. 2.15, на любой ступени умножения (предполагается, что на всех ступенях разности потенциалов одинаковы) каждый из падающих на поверхность металла электронов вызывает одно и то же умножение. Поэтому общий коэффициент умножения М для п ступеней дается выражением М = д^п, где д — число вторичных электронов, образующихся на один падающий электрон. Отсюда следует, что если на первый из десяти каскадов умножения падает один электрон и д = 4, то с последнего каскада выйдет 10⁶ электронов. Очевидно, мы имеем дело с простым и достаточно эффективным усилителем заряда с высоким коэффициентом усиления.

Действительно, умножители с усилением 10⁶ существуют, хотя для этого необходимо обеспечивать не только высокий коэффициент вторичной эмиссии (т. е. использовать материалы с низкой работой выхода), но и с помощью либо электростатической, либо магнитной фокусировки — низкие потери электронов в процессе каскадного умножения. Рассмотрим некоторые другие характеристики электронного умножителя. Например, за какое время формируется импульс усиленного заряда при попадании отдельного электрона па первый электрод?

Для упрощения расчета будем считать электрическое поле между электродами постоянным, расстояние s между электродами — равным 1 см, а разность потенциалов между ними — 100 В. Тогда время пролета I между соседними электродами можно определить из приближенного выражения: s = at²12, где а — ускорение. Таким образом,.

Рис. 2.15. Электронные умножители: а — эквивалентная схема; б — форма и расположение электродов, обеспечивающие максимальную эффективность собирания электронов при вторичной эмиссии; е — электроны.

Полное время пролета для десятикаскадного электронного умножителя будет порядка 30 нс. Ясно, что по мере того как заряды перемещаются от каскада к каскаду, ток должен нарастать.

Поскольку число электронов на каждом каскаде увеличивается приближенно в соответствии с выражением AN/At ~ (S-)N, мы вправе ожидать, что импульс тока будет нарастать по экспоненте (рис. 2.16). Вычислим максимальный ток, который протекает, когда заряд проходит от предпоследнего каскада усиления к последнему. В грубом приближении он равен отношению величины заряда, приходящего на последний каскад, к времени пролета:

Эту грубую оценку можно было бы уточнить, учитывая реальную конфигурацию поля. Однако при этом мы также получим лишь приближенный результат; точный расчет потребовал бы знания разброса величины времени пролета, который, в свою очередь, зависит от геометрии детектора.

Рис. 2.16. Форма импульса тока на выходе электронного умножителя

Такой же метод умножения чаще всего используется в ФЭУ, однако в случае ФЭУ первый каскад вместо электронов запускается светом, то есть путем фотоэлектронной эмиссии. Из эксперимента известно, что, если в обычном вакуумном диоде нанести на поверхность катода материал с низкой работой выхода, например типа щелочного металла натрия, и облучать катод видимым светом, от катода к аноду потечет электронный ток. Поскольку катод испускает лишь электроны, ток может течь лишь в одном направлении. Такой прибор называется фотодиодом. Рис. 2.17 по аналогии с вакуумными диодами с накаливаемым катодом. Используя фотодиод в качестве первого каскада ВЭУ, мы превращаем ВЭУ в ФЭУ, чувствительность которого к свету оказывается на несколько порядков величины выше, чем у фотодиода.

Рис. 2.17. Схемы фотодиода и ФЭУ 63.

Обсуждавшиеся типы ФЭУ не обладают позиционной чувствительностью в отличие от рассмотренных ниже микроканальной пластины и ПЗС матрицы.