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

200 6,2300 4,2400 3,1500 2,5600 2,1700 1,8800 1,6900 1,4

1000 1,2

lambda [nm] E=hc/lambda [eV]

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

Transmisní – fotokatoda je nanesena na skleněné desce a elektrony se uvolňují ve směru dopadajícího světla (head-on)

box-and-grid

linear-focused 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 světloKritérium výběru

Fotonásobič Elektrický obvod

vlnová délka

intenzita

rozměr svazku

rychlost jevu časová odezva šířka pásma

materiál okýnka, spektrální odezva fotokatody

počet dynod, typ dynod, napětí na dynodách

analogové nebo digitální zpracování signálu

průměr fotokatody, konfigurace side-on nebo head-on

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 linear-focused a metal-channel (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 emiseidark

~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/i

p+d = (I

p+d-I

d)/i

p+d

SNR = Ip / [2eB.δ/(δ-1).(I

p+2I

d)+N

A2]1/2

Čítání fotonů

Čítání fotonů

lepší stabilita (signál závisí jen slabě na stabilitě napětí)

lepší poměr signál/šum

SNR = Ns/[2(N

s+2N

d)]1/2

nezávisí na šumovém faktorunižší temný šum