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
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
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 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