Файл: Слабкий Л.И. Методы и приборы предельных измерений в экспериментальной физике.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 11.04.2024
Просмотров: 126
Скачиваний: 0
Амплитуда. имлульсоИ, отн. ед.
Рис. 111. Функции распределения числа импульсов ФЭУ для шума (а) и для сиг нала (б)
Изменение напряжения питания ФЭУ оказывает определенное влияние на его шумовые характеристики. На рис. 109 [39] при ведены зависимости количества шумовых импульсов на выходе ФЭУ за 30 с от напряжения питания для 13-каскадного ФЭУ типа ФЭУ-1 С, обладающего низким уровнем шума (отобранный эк земпляр).
Как видно из этого графика, имеется пологий участок (плато), который соответствует оптимальному напряжению питания. Об ласть плато показывает, что регистрируется каждый вырванный из фотокатода электрон, причем усиление здесь максимально, в то время как область правее плато характеризует появление самопро извольных разрядов в ФЭУ. Чем больше область плато и чем более пологой является кривая N = N (U), тем более стабильны шумы ФЭУ, что является также одним из важных факторов, которые надо учитывать при выборе того или иного экземпляра ФЭУ.
Одной из наиболее характерных особенностей шумов ФЭУ яв ляется превышение величины «статического» шумового тока / т
над «динамическим» шумовым током / д = |
іѴт qc G (здесь NT— число |
термоэлектронов, qe — заряд электрона, |
G — динамический коэф |
фициент усиления ФЭУ). Это, по-видимому, связано с добавочной
эмиссией динодов или другими процессами. Величина |
фактора |
£ = / т//д может служить одним из критериев пригодности |
данного |
экземпляра ФЭУ для предельных измерений, поскольку она харак теризует стабильность его шумов. Так, величина t, для хороших экземпляров умножителей должна лежать в пределах 1 .^ і< 1 0 , причем чем ближе £ к единице, тем лучше.
Для снижения уровня шумов ФЭУ пользуются различными ме тодами — экранированием электростатическим экраном с отри цательным потенциалом, равным потенциалу катода, применением дополнительных фокусирующих магнитных систем, а также пони жением температуры ФЭУ. Этот последний способ, как правило, является наиболее эффективным и для некоторых экземпляров ФЭУ (порядка нескольких процентов из партии) позволяет в ІО2—103 раз понизить уровень шумов.
216
Обычно температуру ФЭУ понижают до—■175 Ч---- 190°С путем охлаждения баллона колбы (а в некоторых случаях и электродов цоколя) жидким азотом или сухим льдом — твердой углекислотой. На рис. ПО [39] приведена зависимость уровня шума ФЭУ при разных температурах, а на рис. 111 даны графики функции числа отсчетов от амплитуды выходного импульса для шумов (а) и сигна
ла (б) светового потока |
Ф = ІО-13 лм (шум вычтен), охлажден |
ного до температуры Т = —190° С ФЭУ типа RCA-1P21. |
|
§ 2. Фотоумножители для измерения |
|
предельно |
слабых световых потоков |
Температурное изменение чувствительности фотокатода ФЭУ зависит от целого ряда различных факторов — от типа фоточувствительного слоя на фотокатоде, от длины волны X падающего на катод света, от конструкции самого катода, главным образом от наличия или отсутствия у него металлической подложки.
Различные типы ФЭУ имеют разные конструкции фотокатодов. Так, например, ФЭУ-17, ФЭУ-18 и другие им аналогичные имеют фотослой с массивной металлической подложкой, в то время как ФЭУ-19, ФЭУ-39 и ФЭУ-46 не имеют такой подложки, а фотослой у них нанесен на стекло.
Некоторые типы ФЭУ (напримёр, железные, ФЭУ с сурьмяно цезиевыми фотокатодами) имеют фотослой на стекле, покрытом полупрозрачной металлической подложкой.
Каждый из этих типов умножителей по-разному ведет себя при охлаждении до низких температур. Так, например, фотоумножители с катодами без подложки очень сильно уменьшают свою чувстви тельность при охлаждении ниже — 60° С (при температуре жидкого азота она уменьшается в 50—80 раз) [39—41 ].
Что касается других типов ФЭУ, то их чувствительность остается практически постоянной при охлаждении.
Охлаждение фотоумножителей можно проводить как парами жидкого азота, так и жидким азотом или твердой углекислотой — соответствующие температуры при этом равные^ — 130, —196 и —57° С.
Рассмотрим несколько конкретных способов исследования рабо ты-ФЭУ при низких температурах.
•В работе [40] фотоумножители охлаждались парами жидкого азота при слабой подсветке фотокатода от лампы СВД-120А через кварцевый светопровод. С помощью монохроматора выделялась определенная спектральная область излучения, которое после со
ответствующего ослабления |
фильтрами |
до величины порядка 5 -ІО3 |
|
(«слабый» поток) — 5 -ІО5 |
(«сильный» |
поток) |
фотонов!с подается |
на катод ФЭУ. |
|
|
при этом ~ 5 -10 -8 А |
Величина фототока на выходе ФЭУ равна |
|||
для ФІ1Ѵ= 5- ІО5 фотонов и может быть зарегистрирована стрелоч ным микроамперметром или гальванометром.
Регистрация сигналов (импульсов) при слабых потоках осуществ лялась при помощи широкополосного импульсного усилителя УШ-2 и пересчетного прибора типа ПС-10000. Напряжение на ФЭУ по давалось от выпрямителя ВС-22, причем напряжения катод— динод /, динод / — динод II и т. д. были одинаковы.
Исследовавшиеся в [41 ] фотоумножители типа ФЭУ-39 и ФЭУ-46А с сурьмяно-цезиевыми фотокатодами без проводящей подложки обладают следующими особенностями. При охлаждении до температуры —120° С их чувствительность возрастала примерно в 1,5 раза (для «слабых» световых потоков), а при «сильных» свето вых потоках наблюдается постепенное (в течение нескольких ми нут) уменьшение чувствительности, которое, однако, может быть восстановлено при выключении «сильной» подсветки в течение при мерно 30—40 мин. На рис. 112 дамы типичные кривые зависимости чувствительности от температуры для случая «слабой» и «сильной» засветки [41 ], а на рис. 113 дан график уменьшения темнового тока (темновых импульсов) при охлаждении ФЭУ.
Спектральные характеристики ФЭУ-39 и ФЭУ-46А при охлаж дении несколько изменяются: для X = 0,3 мкм чувствительность при 0—20° С увеличивается в 1,5 раза, в то время как для X = 0,55 мкм чувствительность падает при Т-у0, уменьшаясь при мерно вдвое для Т = —80° С.
Практически для всех типов ФЭУ всегда имеется некоторая дли на волны X, при которой отношение сигнала к шуму является мак симальным, причем с уменьшением температуры ФЭУ эта длина
волны сдвигается в коротковолновую часть спектра на 200—500Ä , а квантовая чувствительность фотокатода сохраняется на уровне 2—4%.
NT,c
-120 |
-80' |
-40 |
0 Т /'С |
Рис. 112, Относительная чувствительность ФЭУ-46А к слабым световым потокам при низких температурах
1 — для X = 0,3126 мкм; 2 — 0,365 мкм; 3 — 0,436 мкм; 4 — 0,546 мкм
Рис. 113. Уменьшение количества импульсов 1ѴТ темнового тока при охлаждении для ФЭУ-39 (/) и ФЭУ-46А (2)
218
Т а б л и ц а 4
|
Н ап ряж е |
|
Число иіумовых им- |
и |
|
|||
|
Коэфф. |
пульсо в N , импje* |
о |
о |
||||
|
ние |
пита |
|
|
|
о |
||
Тип ФЭУ |
усиления |
|
|
|
сч |
|
||
ния |
ФЭУ |
|
|
|
I Ѵ /о |
|||
|
и . |
В |
усилителя |
|
|
Т = — 70 °С |
, |
г- |
|
Г = 20 |
°С |
Ь |
| |
||||
|
|
|
|
( Г = —180 °Г.) |
||||
|
|
|
|
|
|
5SV |
||
|
|
|
|
|
|
|
||
ФЭУ-51 № 7 |
1600 |
5 000 |
580 |
|
18 |
32 |
|
|
ФЭУ-51 № 62 |
1700 |
5 000 |
185 |
|
9 |
20 |
|
|
ФЭУ-27 |
1650 |
5 000 |
5600 |
|
8 |
700 |
|
|
ФЭУ-64 № 3-ѴІІ-63 |
1100 |
500 |
80 |
|
(0,8**) |
100 |
|
|
ФЭУ-64 № 40-ѴІ-63 |
900 |
500 |
20 |
|
(1.5) |
13 |
||
ФЭУ-46 |
1500 |
15 000 |
350 |
|
(6) |
58 |
|
|
6094 В |
1450 |
500 |
175 |
|
(8) |
22 |
|
|
ФЭУ-15А |
1650 |
15 000 |
575 |
|
250 |
2,3 |
|
|
*Уровень дискриминации равен 20 В .
**При времени измерения 9 = 1 мин. с ошибкой•с 50% іѴ = 0,4 iiMtifc, что соответствуетО
световому |
потоку на фотокатод Ф = 2.10 |
лм (квантовый выход В (7. = 4960 А) |
= |
= 4,4% , |
Т — —70° С). Для регистрации слабых световых потоков могут такж е быть |
ис |
|
пользованы фотоумножители типа ФЭУ-79 |
и ФЭУ-84 [37]. |
|
|
Фотоумножитель, наиболее пригодный для измерения сверх слабых световых потоков, вплоть до регистрации отдельных фото нов, можно выбрать по табл. 4, в которой приведены некоторые характеристики различных типов ФЭУ при Т =20° Си Т = —180° С (или при Т — —70° С для ФЭУ с сурьмяно-цезиевыми катодами типа ФЭУ-64, ФЭУ-46, 6094В).
Охлаждение фотокатода ФЭУ-79 дает существенное уменьшение скорости счета «шумовых» импульсов. Так, при Т = —60° С ско рость темнового счета составляет всего 2—4 импіс, что при 7 = = 5000 А соответствует световому потоку ~ 1 0 -18 Вт. Следует от метить, что при охлаждении относительная спектральная чувстви тельность фотокатода ФЭУ-79 практически не меняется для %= = 5000-1-6000 Â, в то время как для К = 8000-^8500 А она умень шается на порядок при охлаждении ФЭУ от —40 до —100° С.
Как уже отмечалось выше, некоторая часть шумов (шумовых импульсов) ФЭУ обусловлена люминесценцией стекла колбы ФЭУ за счет радиоактивного распада ничтожных количеств изотопа /С40, имеющегося в стекле (ß-распад), а также возбуждением несфоку сированными электронами остаточных газов, адсорбированных на внутренней поверхности колбы и электродах. Эта компонента шу мового тока не меняется при охлаждении, так же как и компонента, обусловленная воздействием космических лучей; при интенсивности «космических» импульсов, равной всего 1—2 ими!см2 • мин. Этот эффект может дать сильный вклад в шумовой ток при статических (не импульсных) измерениях, поскольку величина «космических»
219
импульсов тока может в сотни раз превышать импульсы от одиноч ных фотоэлектронов. Например, для фотоумножителей типа EMI6256 и 9558 при измерениях на постоянном токе или методом интегрирования заряда «космический» -шум превышает шум тер моэлектронный даже при Т = +10° С [45].
§ 3. Счетчик фотонов видимого диапазона спектра
Для регистрации очень малых световых потоков, соответствую щих потоку всего в несколько квантов в секунду, могут быть исполь зованы фотоумножители типа ФЭУ-13 и ФЭУ-14 [46, 47], охлажден
ные жидким азотом. |
таких ФЭУ при Т = 300° К равен примерно |
Темновой ток I |
|
ІО-23—10-14 Л11, а |
при охлаждении передней половины колбы |
ФЭУ до Т — 78° К |
(температура жидкого азота) темновой ток |
/т уменьшается на 3—4 порядка, что при сохранении чувствитель ности на прежнем уровне позволяет улучшить отношение сигнала к шуму во столько же раз.
Подача напряжения на ФЭУ осуществляется примерно через
10—15 мин после начала охлаждения |
(U = 8004-900 В)\ затем |
напряжение увеличивают до рабочего |
значения 1500—2500 В |
в течение 5—20 мин при непрерывном контроле темнового тока на экране осциллографа.
При величине усиления ФЭУ ~ 5 -1 0 7 и уровне дискриминации около 20% лучшие образцы ФЭУ (из числа 3—4% отобранных из партии) давали на выходе 50—250 «шумовых» импульсов в секунду,
которые при |
анодной нагрузке Rn — 150 Ом имели |
амплитуду |
порядка 0,05 |
В и время нарастания т~ 8 -10 -9 с. При |
увеличении |
напряжения на ФЭУ до 2500—3500 В шумы ФЭУ приближаются к уровню, который характерен для Т = 300° К.Такое увеличение темного тока сопровождается возникновением свечения внутри ФЭУ, которое может быть зарегистрировано с помощью другого охлажденного ФЭУ.
Следует заметить, что такое повышение напряжения не рекомен дуется, поскольку при его последующем снижении шум не умень шается и требуется повторное охлаждение ФЭУ, чтобы его парамет ры приняли первоначальные значения. Оптимальными отношениями питающих напряжений для фотокатода и динодов ФЭУ-13 и ФЭУ-14 являются следующие: 60, 120, 100, 100, . . . В.
Для калибровки чувствительности охлажденного фотоумножи теля может быть использована схема, включающая интерферен ционный узкополосный фильтр и систему нейтральных светофильт ров, дающих суммарное ослабление светового потока приблизи тельно в 10° раз. Используя лампу накаливания и болометр, можно достаточно точно контролировать световой поток, попадающий на катод ФЭУ [46].
11 Это соответствует потоку в ІО6— ІО6 фотоэлектронов в секунду на анод ФЭУ.
220
