Фотоелектронний помножувач з регульованим коефіцієнтом підсилення

Винахід відноситься до приладів, що використовують вторинну електронну емісію, а саме до електронних помножувачів, у яких один або декілька електродів емітують вторинні електрони, і може бути використаний в експериментальній фізиці, в імпульсній фотометрії, лазерній техніці, астрономічних дослідженнях, космічній навігації, медицині й у засобах обчислювальної техніки. Відомий багатоелементний електронний прилад [А. с. СССР № 24040, "Многоэлементный электронный прибор" /Л.А.Кубецкий, 1930.], у якому у вакуумному балоні розміщені фотокатод і група електродів, що забезпечують із використанням магнітного фокусування посилення (множення) первинного потоку фотоелектронів за рахунок використання ефекту вторинної емісії. Недоліком даного пристрою є малі прискорюючі градієнти потенціалів у фотоемітуючої поверхні та значне їх розходження в центрі і на краях фотокатода. Внаслідок цього відрізняються довжини крайових і центральних траєкторій фотоелектронів та їх дисперсії часу прольоту, що перешкоджає використанню цієї конструкції для виміру термінів кореляцій часових процесів. Зазначеної нелінійності характеристики позбавлений пристрій фотоелектронного помножувача [Knapp A.G. Large area channel electron multiplier for CRT application/IEEE Proc. — 1984. — № 1. — P. 6—9.], що містить набір тонких металевих дисків, перфорованих отворами, стінки яких мають бочко- або келихоподібну форму і покриті прошарком MgO із d » 4,2 при каскадній напрузі 300 В, диски ізольовані один від одного ізолюючими прокладками і зібрані так, що збіжні отвори утворюють наскрізні канали. Недоліком даного пристрою є неможливість керування коефіцієнтом підсилення і спотворення вихідного сигналу при високому вхідному, а також за рахунок електронного насичення усередині каналу з наступним блокуванням виходу. Задачею винаходу є одержати пристрій фотоелектронного помножувача з регульованим коефіцієнтом підсилення, що виключає утворення потенційних ям, які перешкоджають підсиленню вихідного сигналу. Поставлена задача вирішується тим, що фотоелектронний помножувач з регульованим коефіцієнтом підсилення, що містить багатокаскадне джерело живлення, набір тонких дисків із перфорованими отворами, стінки яких покриті прошарком із високим коефіцієнтом вторинної емісії (КВЕ), причому диски зібрані так, що збіжні отвори утворюють наскрізні канали, додатково містить систему термостабілізації, яка має тепловий контакт із зазначеним набором тонких дисків, багатоелектродний комутатор, включений між електродами набору тонких дисків і багатокаскадним джерелом живлення з можливістю одночасної зміни відповідних джерел живлення на електродах набору тонких дисків у напрямку від входу до виходу наскрізного каналу, причому площини тонких дисків набору тонких дисків виконані електропровідними, до яких приєднані електроди, внутрішні крайки отворів наскрізного каналу виконані у вигляді прямої і/або сферичної фаски, групу конденсаторів, кожний із яких електричне приєднаний паралельно до тонких дисків за допомогою їхніх електродів, наскрізний канал заповнений ізотропним середовищем, напрямний елемент із першою регульованою діафрагмою і керованим обтюратором установлені на регуляторі кута падіння, суміщеному з регулятором центрування і встановлені з можливістю зміни положення виходу напрямного елемента щодо осі входу наскрізного каналу, вихідний регульований відсікач із другою регульованою діафрагмою, фільтр, зазначені перша і друга діафрагми, регулятор кута падіння, регулятор центрування і вихідний регульований відсікач оснащені відповідними органами керування з відліковими шкалами, входом пристрою є вхід керованого обтюратора, що оптично зв'язаний через першу регульовану діафрагму, через напрямний елемент із входом наскрізного каналу, вихід якого оптично зв'язаний через вихідний регульований відсікач, через другу регульовану діафрагму з фільтром, вихід якого є виходом пристрою. Зазначений багатоелектродний комутатор виконаний у вигляді електронного пристрою. Тонкі диски зазначеного набору тонких дисків виконані з напівпровідникового матеріалу. Зазначений напрямний елемент виконаний у вигляді поверхні, що відбиває, наприклад, світловоду. Зазначений напрямний елемент виконаний у вигляді оптичного каналу, наприклад, світловода. Світловод виконаний одномодовим. Вихідний регульований відсікач виконаний у вигляді поглинача з розподіленими каналами. Фільтр виконаний змінним. Фільтр виконаний з матеріалу із селективними спектральними характеристиками, наприклад, у вигляді напівпровідникової пластини. Зазначене ізотропне середовище виконане з матеріалу, що пропускає електромагнітне випромінювання. Зазначене ізотропне середовище виконане з матеріалу із високим коефіцієнтом вторинної емісії. Поглинач виконаний із фотопоглинаючого матеріалу із металізацією та з можливістю заземлення, а розподілені канали виконані у вигляді хвилеводів. Оскільки зазначені відмітні ознаки відсутні в прототипу, запропоноване технічне рішення відповідає критерію "новизна". Таким чином, в отриманого пристрою з'являється властивість, що дозволяє за рахунок конструктивних особливостей управляти коефіцієнтом підсилення фотоелектронного помножувача. На фіг. 1 подана конструкція фотоелектронного помножувача з регульованим коефіцієнтом підсилення. Фотоелектронний помножувач із регульованим коефіцієнтом підсилення містить суміщений із регулятором центрування 1 регулятор кута падіння 2, на якому встановлені керований обтюратор 3 оптично зв'язаний через першу регульовану діафрагму 4, через напрямний елемент 5 із входом 6 наскрізного каналу 7. Причому, регулятор центрування 1 і регулятор кута падіння 2 установлені з можливістю зміни положення виходу напрямного елемента 5 щодо осі входу 6 наскрізного каналу 7. Наскрізні канали 7 (схематично поданий один із безлічі) утворені збіжними отворами, перфорованими в наборі 8 тонких дисків 9, площини 10 яких виконані електропровідними, до яких приєднані електроди 11. Набір 8 тонких дисків 9 має тепловий контакт із системою термостабілізації 12. Внутрішні крайки 13 наскрізного каналу 7 виконані у вигляді прямої і/або сферичної фаски і покриті прошарком 14 із високим коефіцієнтом вторинної емісії (КВЕ). Кожний із групи конденсаторів 15 електричне приєднаний паралельно до тонких дисків 9 за допомогою електродів 11. Наскрізний канал 7 заповнений ізотропним середовищем 16. Багатокаскадне джерело живлення 17 електричне приєднане через багатоелектродний комутатор 18 до електродів 11 набору 8 тонких дисків 9. Багатоелектродний комутатор 18 включений між зазначеним багатокаскадним джерелом живлення 17 і електродами 11 набору 8 тонких дисків 9, із можливістю одночасної зміни відповідних джерел живлення 17 на електродах 11 тонких дисків 9 у напрямку від входу 6 наскрізного каналу 7 до його виходу 19, що оптично зв'язаний через розподілені канали 20 вихідного регульованого відсікача 21, через другу регульовану діафрагму 22 із фільтром 23, вихід якого є виходом пристрою. Регулятор центрування 1, регулятор кута падіння 2, керований обтюратор 3, перша регульована діафрагма 4, вихідний регульований відсікач 21 і друга регульована діафрагма 22 оснащені відповідними органами керування 24, 25, 26, 27, 28 і 29. Регулятор центрування 1, регулятор кута падіння 2, перша регульована діафрагма 4, вихідний регульований відсікач 21 і друга регульована діафрагма 22 оснащені відповідними відліковими шкалами 30, 31, 32, 33 і 34. Поглинач вихідного регульованого відсікача 21 виконаний із фотопоглинаючого матеріалу із металізацією 35 із можливістю заземлення 36. Регулятор центрування 1 (фіг. 1) призначений для регульованого зсуву вхідного сигналу щодо центру наскрізного каналу 7. Це дозволяє формувати не тільки меридіональні (осьові), але й косі траєкторії відбиття електронів. Відомо, що при косих траєкторіях відбиття, електрони перетерплюють більшу кількість відбиттів від стінок наскрізного каналу 7, проходячи від входу 6 до виходу 19. Регулятор кута падіння 2 дозволяє змінювати кут падіння фотонів щодо входу 6 наскрізного каналу 7. Керований обтюратор 3, відкриваючи або закриваючи свій вхідний отвір, дозволяє дозувати потік фотонів на вхід пристрою. Перша регульована діафрагма 4 служить для зміни площі перетину вхідного потоку фотонів. Направляючий елемент 5 служить з'єднуючою ланкою входу пристрою з входом 6 наскрізного каналу 7. Вхід 6 є вхідною частиною наскрізного каналу 7. Наскрізний канал 7 є середовищем поширення електронного потоку. Набір 8 тонких дисків 9 є конструктивним елементом фотоелектронного помножувача, і призначений для виконання операції множення електронного току в наскрізному каналі 7. Електропровідні площини 10 служать для підводу електричних потенціалів до елементів наскрізного каналу 7. Електроди 11 електричне зв'язують електропровідні площини 10 набору 8 тонких дисків 9 із зовнішніми електричними компонентами. Система термостабілізації 12 забезпечує температурну стабілізацію фотоелектронного помножувача, відводячи з нього виділену теплову енергію. Внутрішні крайки 13 наскрізного каналу 7, виконані у вигляді прямої і/або сферичної фаски, надають стінкам наскрізного каналу 7 складний рельєф, що дозволяє збільшити час перебування електронного току в наскрізному каналі 7. Прошарок 14 із високим коефіцієнтом вторинної емісії (КВЕ) дозволяє збільшувати кількість вторинних електронів при падінні первинних. Конденсатори 15, електричне приєднані паралельно до тонких дисків 9 за допомогою електродів 11, служать для накопичення електричних потенціалів, а в момент переключення багатоелектродним комутатором 18 — підтримують (на короткий час) різницю потенціалів на прошарках 14 внутрішніх крайок 13. Ізотропне середовище 16 забезпечує нормальне поширення електронного току в наскрізному каналі 7. Багатокаскадне джерело живлення 17 служить джерелом електричного живлення фотоелектронного помножувача. Багатоелектродний комутатор 18, включений між багатокаскадним джерелом живлення 17 і електродами 11 набору 8 тонких дисків 9, дозволяє змінювати елементарні джерела живлення 17 на електродах 11 тонких дисків 9 у напрямку від входу 6 наскрізного каналу 7 до його виходу 19, запобігаючи, таким чином, утворенню потенційних ям. Вихід 19 наскрізного каналу 7, є його виходом для потоку електронів. Розподілені канали 20 призначені для виводу електронів із каналу, під визначеними кутами. Регульований відсікач 21 служить для регулювання вихідних електронів. Друга регульована діафрагма 22 служить для зміни площі перетину вихідного потоку електронів. Фільтр 23 пропускає виділений спектр випромінювання і є виходом пристрою. Органи керування 24, 25, 26, 27, 28 і 29 регулятора центрування 1, регулятора кута падіння 2, керованого обтюратора З, першої регульованої діафрагми 4, вихідного регульованого відсікача 21 і другої регульованої діафрагми 22, відповідно, служать для керування режимами роботи і регулювання фізичних параметрів (вручну або автоматично). Відлікові шкали ЗО, 31, 32, 33 і 34, регулятора центрування 1, регулятора кута падіння 2, першої регульованої діафрагми 4, вихідного регульованого відсакача 21 і другої регульованої діафрагми 22, відповідно, служать для визначення значень змінюваних параметрів. Металізація 35 на поглиначеві вихідного регульованого відсікача 21 служить для стікання надлишкових зарядів із можливістю їх заземлення 36. Пристрій працює таким чином. Робота фотоелектронного помножувача заснована на посиленні електронного потоку в процесі каналювання за рахунок багатократної вторинної емісії. Поступаючи через керований обтюратор 3 (фіг. 1), через першу регульовану діафрагму 4 і далі з виходу напрямного елемента 5, потік фотонів направляється через вхід 6 наскрізного каналу 7 і поглинається прошарком 14 із високим КВЕ, що знаходиться в збудженому стані. Це пов'язано з тим, що на внутрішні крайки 13, покриті прошарком 14 подається напруга живлення від багатокаскадного джерела живлення 17 через багатоелектродний комутатор 18 за допомогою електродів 11 і електропровідних площин 10 тонких дисків 9. Первинні електрони, у залежності від їхньої енергії иП проникають у прошарок емітеру 14 на визначену глибину z. Кількість вторинних електронів (BE), що генерують, характеризується функцією генерації G = uП/wz= const, (1) де w - середня енергія, необхідна для утворення однієї пари електрон - дірка. Потім BE рухаються до поверхні прошарку 14. Цей рух описується законом дифузії, що для двомірного випадку має вид æ ¶ 2 n ¶ 2 n ö nD ¶n ÷+ + G( x, y ) = Dд ç , (2) ç ¶x 2 ¶y 2 ÷ L2 ¶t è ø d де n - концентрація не рівноважних електронів; Dд - коефіцієнт дифузії електронів; Ld - дифузійна довжина пробігу електронів. На цьому етапі електрони, що мають достатню енергією, переборюють потенційний бар'єр на граничній поверхні прошарку 14 і виходять у вакуум з деякою власною (початковою) енергією. Кількість вторинних електронів залежить від енергії первинних. Електричне поле прискорює вторинні електрони в осьовому напрямку, а під дією початкової швидкості в радіальному напрямку вторинні електрони зштовхуються зі стінками наскрізного каналу 7 і, попадаючи на прошарок 14, поглинаються ним, що викликає народження нових BE. Все наростаюча кількість електронів у наскрізному каналі 7 обмежена його фізичними розмірами. З виходу 19 наскрізного каналу 7 потік електронів проникає через розподілені канали 20 вихідного регульованого відсікача 21, через другу регульовану діафрагму 22 на фільтр 23, вихід якого є виходом пристрою. За основу конструкції був узятий одиночний канал мікроканальної пластини (МКП) [Timothy J.B., Bybee. Multianode microchannel array// SPIE. — 1977. — V. 116. — P. 24—32.], [Sandie W.G., Mende S.B. Characteristic of MPC intensifier// IEEE Trans. Nucl. Sci. — 1982. — V. 29, № 1. — P. 212—216.], [Берковский А.Г., Веретенников А.И. и др. ФЭУ с микроканальной пластиной// Оптико-механическая промышленность. — 1980. № 2. — С. 16—17.], [Hocker L.P., Zagarino P.A. Characterisation ofMCP photomultipliers for plasma diagnostics// IEEE Trans. Nucl. Sci. — 1979. — V. 26, № 1. — P. 356—363.], [Микроканальные пластины. В кн.: Вакуумные фотоэлектронные приборы/ А.Г.Берковский, В.А.Гаванин, И.Н.Зейдель. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Радио и связь, 1988. — С. 85—103.], [Pietri G. Contribution of the channel electron multiplier to the race of vacuum tubes towards picosecond resolution time// IEEE Trans. Nucl. Sci. — 1977. — V. 24, № 1. — P. 228—232.], [Oba К., Sugiyama М., Suzuki Y. A 400 anode chevron multichannel plate PMT for high energy application// IEEE Trans. Nucl. Sci. — 1979. — V. 26, № 1. P. 346—355.]. Конструкція даного пристрою сформувалася на основі аналізу задач комп'ютерного моделювання. Постановка задачі спрощувалася тим, що необхідно було лише визначити траєкторію і кількість відбиттів від стінок каналу, модифікуючи рельєф стінок каналу і кут падіння електрона. Для доступного викладення, сукупність конструктивних елементів, їхні фізичні розміри й орієнтація, будуть названі "умовний конструктивний параметр" (УКП). У якості вихідних даних використовувався одиночний електрон із змінюваними кутами падіння в канал (від 0° до 89°) і змінюваним УКП. У процесі аналізу моделювання, навіть з величиною КВЕ від 1 до 2, - були отримані великі коефіцієнти підсилення G = s m, (3) де, G - коефіцієнт підсилення каналу; s - коефіцієнт вторинної емісії (КВЕ); m - число стадій множення. Так, наприклад, при куті падіння електрона 84°, і при УКП = 89, число стадій множення m склало 50148. Підставивши це число у формулу (3) одержимо Табл.1 Посилення каналу при різноманітних значеннях КВЭ КВЕ, s Підсилення, G 1,0001 150,6 1,001 5,86.1021 Час проходження одноелектронного імпульсу, тобто час затримки каналу Т = t • m, (4) де, t - середній час прольоту до удару об стінку каналу, с; m - число стадій множення. Для результатів обчислення (Табл. 1) час затримки каналу складе 2,5•10-6 с (це лише при умові, що t = 0,005.10-8с). У порівнянні з прототипом, у якому виключається можливість керування роботою фотоелектронного помножувача і запобігання внутрішніх електронних блокувань виходу, запропонований винахід дозволить одержати фотоелектронний помножувач із регульованим коефіцієнтом підсилення, що має широкі спектральні характеристики. Застосування винаходу дасть можливість розширити наукові дослідження в експериментальній фізиці, в імпульсній фотометрії, лазерній техніці, астрономічних дослідженнях, космічній навігації, медицині, дозволить створювати унікальні пристрої в засобах обчислювальної техніки.