FOTONÁSOBIČE.

Prezentace na téma: "FOTONÁSOBIČE."— Transkript prezentace:

1 FOTONÁSOBIČE

2 Fotonásobiče slušná kvantová účinnost (zejména v UV a VIS) nízký šum
rychlá odezva

3 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

4 Alkalická fotokatoda Emax = hν – EG – EA
výstupní práce typicky > 2eV

5 III-V polovodičová fotokatoda
vytvoření povrchu s negativní elektronovou afinitou výstupní práce typicky > 1,4eV

6 Uspořádání fotonásobičů
Reflexní – materiál fotokatody je nanesen na kovový substrát a elektrony se uvolňují proti dopadajícímu světlu (side-on) circular-cage

7 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

8 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

9 Elektronový násobič (dynody)
zesílení na jedné dynodě: 10x-100x materiály Xsb, BeO, MgO, GaP, GaAsP na substrátu z niklu, oceli nebo CuBe slitin

10 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

11 Výběr fotonásobičů

12 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%)

13 Režimy činnosti (obvody)

14 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 – 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

15 Reflexní fotokatody

16 Transmisní fotokatody

17 IR fotokatody

18 Materiály okének

19 Časová odezva dána zejména časem průchodu elektronů – nejlepší pro linear-focused a metal-channel (5-20 ns) klesá s odmocninou napětí

20 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

21 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 ( Pa), kosmické záření (Čerenkovovo záření z muonů), radioizotopy (40K ve skle, β)

22 Temný šum vs. teplota

23 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.

24 Poměr signál/šum (SNR)
SNR = Ip/ip+d = (Ip+d-Id)/ip+d SNR = Ip / [2eB.δ/(δ-1).(Ip+2Id)+NA2]1/2

25 Čítání fotonů

26 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