Фотоэлектронный умножитель, сокращенно ФЭУ, остается одним из самых чувствительных детекторов света, созданных инженерной практикой двадцатого века и до сих пор не вытесненных полностью твердотельными приборами. Прибор регистрирует единичные фотоны, превращая их в электрические импульсы, которые легко измерить штатной электроникой, и делает это с коэффициентом усиления порядка миллиона при внутреннем шуме, позволяющем уверенно отличать один фотоэлектрон от двух. Вакуумная колба, полупрозрачный фотокатод из соединений щелочных металлов, цепочка динодов и анод образуют вместе усилитель, у которого нет полосы пропускания в привычном смысле, но есть динамический диапазон от одного кванта света до миллионов фотонов в импульсе. Понимание работы ФЭУ необходимо всем, кто имеет дело со сцинтилляционной спектрометрией, дозиметрией, приборами ночного видения, люминесцентным анализом и времяпролетными измерениями, потому что именно этот прибор определяет порог чувствительности и временное разрешение большинства таких систем. Ниже рассмотрены устройство колбы и фотокатода, физика вторичной эмиссии на динодах, схема питания и делителя напряжения, статистика однофотонных импульсов и темнового тока, а также сравнение с лавинными фотодиодами и кремниевыми фотоумножителями.
Вакуумная колба и фотокатод
ФЭУ собран внутри стеклянной или металлокерамической вакуумной колбы, из которой откачан воздух до давления практически полного безвоздушного пространства; вакуум нужен не только для защиты чувствительных поверхностей от окисления, но и для того, чтобы электроны свободно пролетали между электродами, не сталкиваясь с молекулами газа. На входном окне колбы, изнутри, нанесен полупрозрачный фотокатод толщиной в десятки нанометров. Свет проходит через стекло или кварц входного окна и поглощается в слое фотокатода, где фотон с достаточной энергией выбивает электрон за пределы материала в вакуум. Материал фотокатода определяет спектральную чувствительность прибора. Классический состав на основе сурьмы и цезия, обозначаемый Cs-Sb, перекрывает область от ультрафиолета до примерно 650 нм, а так называемые биалкали-катоды из двух щелочных металлов, например K-Cs-Sb, дают квантовый выход до 25 процентов в синей области спектра, что примерно соответствует максимуму свечения большинства сцинтилляторов. Многощелочные катоды расширяют красную границу до 850 нм, но ценой повышенного темнового тока. Квантовый выход типичного фотокатода лежит в диапазоне от 10 до 25 процентов: это означает, что лишь каждый четвертый или десятый падающий фотон порождает фотоэлектрон, вышедший в вакуум и способный начать усилительный каскад. Именно эта цифра задает фундаментальный предел полезной эффективности прибора: усиление может быть сколь угодно большим, но число зарегистрированных событий никогда не превысит число фотоэлектронов, выбитых с катода. Поэтому физик, проектирующий систему регистрации слабого света, всегда начинает расчет с квантового выхода катода и только потом считает усиление.
Динодная система и вторичная эмиссия
Электрон, вырванный фотоном из фотокатода, сам по себе несет заряд, слишком малый для прямого измерения: единичный электрон на входе обычного усилителя тонет в его собственных шумах. ФЭУ решает эту задачу каскадным умножением на вторичной электронной эмиссии. Фотоэлектрон ускоряется электрическим полем между катодом и первым динодом и фокусируется электронно-оптической системой на рабочую поверхность этого динода. Ударившись о поверхность с энергией в сотни электронвольт, электрон выбивает из материала динода несколько вторичных электронов; коэффициент вторичной эмиссии для качественных динодных покрытий, традиционно тех же щелочных и сурьмянистых составов либо оксидов бериллия и магния, составляет обычно 4-6 при типичном междинодном напряжении. Эти вторичные электроны ускоряются к следующему диноду, где процесс повторяется. При числе динодов от 10 до 14 и среднем коэффициенте умножения около 4-5 на ступень полное усиление достигает десяти в шестой - десяти в седьмой степени. Один фотоэлектрон превращается на аноде в пакет из нескольких миллионов электронов, то есть в заряд порядка пикокулона, собранный за наносекунды. Такого заряда уже достаточно, чтобы сформировать импульс напряжения в десятки милливольт на нагрузке пятьдесят ом и зарегистрировать его быстрым осциллографом или дискриминатором без всякого предварительного усилителя. Геометрия динодной системы бывает разной: линейно-фокусированная, венецианская решетка, ячеистая, коробчатая, метаканальная. Выбор геометрии определяет время пролета электронов от катода до анода, которое у быстрых ФЭУ составляет примерно 10-30 нс, и разброс этого времени, от которого зависит временное разрешение прибора в физике высоких энергий и во времяпролетных измерениях расстояний.
Делитель напряжения и высоковольтное питание
Каждая ступень умножения требует перепада потенциалов между соседними динодами, поэтому ФЭУ питается высоким постоянным напряжением, обычно от 800 до 2500 вольт, которое распределяется по электродам резистивным делителем. Цепочка одинаковых резисторов, чаще всего с номиналами от сотен килоом до единиц мегаом на ступень, формирует междинодные напряжения порядка 80-150 вольт. Полярность может быть выбрана так, что катод находится под отрицательным высоким напряжением, а анод близок к земле, что удобно для прямого вывода сигнала без разделительного конденсатора; иногда применяют и обратную схему с заземленным катодом ради снижения паразитных засветок и коронных разрядов у входного окна. Химера, которую следует избегать, связана с просадкой делителя при больших анодных токах: когда световой поток велик, ток делителя становится соизмерим с током последних динодов, междинодные напряжения падают, усиление нелинейно сползает вниз, и линейность прибора разрушается. Практические приемы против этого хорошо известны: увеличение тока делителя до миллиамперного уровня, шунтирование последних ступеней конденсаторами, запасающими заряд для коротких импульсов, а в требовательных задачах активные делители на транзисторных стабилизаторах. Усиление ФЭУ зависит от напряжения очень круто, примерно как седьмая-девятая степень питающего напряжения, поэтому стабильность источника в сотые доли процента становится необходимым условием точной спектрометрии; дрейф питания на один процент меняет усиление почти на десять процентов.
Однофотонный режим и статистика импульсов
Наиболее показательный режим работы ФЭУ наступает тогда, когда на катод падает так мало света, что фотоны приходят по одному, разделенные интервалами, заметно превышающими длительность импульса. Осциллограф показывает в этом случае одиночные выбросы одинаковой формы длительностью несколько наносекунд, но с разбросанной амплитудой. Амплитуда гуляет потому, что сам процесс умножения статистичен: число вторичных электронов на каждом диноде флуктуирует вокруг среднего значения. При коэффициенте умножения на ступень порядка четырех-пяти основной вклад в разброс дает первая ступень, поэтому конструкторы поднимают напряжение именно между катодом и первым динодом, улучшая одноэлектронное разрешение. Распределение амплитуд однофотонных импульсов имеет ярко выраженный пик, подобный узкому дельта-пику в идеальном приборе, и при хорошем первом диноде одноэлектронный пик четко отделен от пьедестала шумов электроники и от зоны двойных событий. Это позволяет ставить дискриминационный порог в долине между пьедесталом и пиком и считать именно фотоэлектроны, а не свет: если средняя кратность события равна двум фотоэлектронам, распределение числа зарегистрированных импульсов подчиняется статистике Пуассона, и по доле нулевых событий можно абсолютно откалибровать средний световой поток без эталонного источника. Метод пуассоновской калибровки через долю пустых измерений, P(0) равно экспоненте от минус среднего, является классическим приемом фотометрии слабых потоков. Временная структура импульса тоже определяется каскадом: фронт нарастания занимает единицы наносекунд, спад задается постоянной времени нагрузки, а джиттер появления импульса относительно момента прихода фотона, разброс транзитного времени, у лучших быстрых ФЭУ укладывается в доли наносекунды.
Темновой ток, шум и охлаждение
Свободные от света ограничения чувствительности ФЭУ задает темновой ток: случайные электроны, покидающие фотокатод без участия фотонов и проходящие то же самое усиление, что и полезные фотоэлектроны. При комнатной температуре темновой счет составляет от десятков до тысяч импульсов в секунду на квадратный сантиметр катода, причем доминирующий источник - термоэлектронная эмиссия с катода: тепловой энергии достаточно, чтобы электрон преодолел работу выхода щелочного фотокатода, которая намеренно снижена ради квантового выхода. Чем краснее спектральная граница катода, тем меньше работа выхода и тем выше темновой ток. Закон Ричардсона предсказывает экспоненциальную зависимость термоэмиссии от температуры, и практика это подтверждает: охлаждение ФЭУ до минус двадцати или минус тридцати градусов Цельсия термоэлектрическими модулями Пельтье снижает темновой счет на два-три порядка, а жидкий азот доводит некоторые приборы до счета единицы событий в минуту. Охлаждение требует аккуратной герметизации камеры ради исключения конденсата и инея на окне. Другие компоненты темнового счета: ионизация остаточных газов с последующей ионной обратной связью, вызывающей послеимпульсы через микросекунды после основного события, свечение стекла при микроразрядах, радиоактивность калия-40 в боросиликатном стекле и космические частицы. Различить их помогает спектр амплитуд: события с катода дают одноэлектронный пик, а послеимпульсы и события с динодов ложатся ниже порога.
Применения от дозиметрии до приборов ночного видения
Совокупность свойств - одиночная чувствительность, усиление 10^6-10^7, наносекундное быстродействие, низкий шум - сделала ФЭУ стандартным детектором в целом ряде областей измерительной техники и экспериментальной физики:
- Сцинтилляционные дозиметры и спектрометры, где ФЭУ оптически сопрягается с кристаллом NaI(Tl), CsI, пластиком и регистрирует вспышки от гамма-квантов и заряженных частиц, а амплитуда суммарного импульса пропорциональна энергии частицы;
- Электронно-оптические преобразователи приборов ночного видения, в которых ФЭУ-подобный каскад вторичного умножения в микроканальных пластинах и вакуумных усилителях яркости усиливает картину ночного неба в тысячи раз;
- Люминометры и флуориметры для биологии и аналитической химии, где измеряются потоки от единиц фотонов в секунду при исследовании хемилюминесценции и меток;
- Времяпролетные измерения расстояний и времени жизни, включая лидары малой дальности, времяпролетную флуорометрию, херенковские детекторы физики высоких энергий с разрешением лучше наносекунды;
- Счет одиночных фотонов в спектроскопии, астрономии, квантовой оптике, где требуется статистика Пуассона и измерение корреляций второго порядка;
- Фотометры гамма-излучения и поисковые радиометры, турбидиметры и нефелометры, детекторы документальной и медицинской диагностики, включая позитронную эмиссионную томографию, где массивы ФЭУ читают сцинтилляционные матрицы.
В каждой из этих областей решающим оказывается либо усиление при нулевом собственном шуме усилителя, либо быстродействие, либо площадь фотокатода, которая у ФЭУ легко достигает десятков и сотен квадратных сантиметров - недостижимый масштаб для твердотельных приборов.
Сравнение с лавинными фотодиодами и кремниевыми фотоумножителями
Твердотельная альтернатива ФЭУ развивалась по двум линиям. Лавинный фотодиод APD представляет собой p-i-n структуру, смещенную ниже границы лавинного пробоя, где ударная ионизация в объеме полупроводника дает усиление порядка ста. Квантовая эффективность APD выше, до 80 процентов в красной области, питание ниже, габариты малы, но усиление скромное, шум лавинного процесса заметен, а одиночные фотоны в линейном режиме не считаются. Кремниевый фотоумножитель SiPM строится как матрица из тысяч микроячеек APD, смещенных выше напряжения пробоя в гейгеровском режиме: каждая ячейка дает стандартный импульс в миллион электронов при каждом срабатывании, а суммарный сигнал пропорционален числу сработавших ячеек. SiPM отлично разрешает однофотонный пик, не чувствителен к магнитным полям, компактен и работает при 30-60 вольтах вместо киловольт, но страдает высоким темновым счетом при комнатной температуре, оптическим кросstalk между ячейками, ограниченным динамическим диапазоном из-за конечного числа ячеек и малым размером приемной площадки. ФЭУ проигрывает твердотельным приборам в квантовой эффективности, энергопотреблении, прочности и магнитной стойкости, однако сохраняет решающие преимущества там, где нужна большая площадь входа, сверхнизкий темновой счет с охлаждением, высочайшая линейность в широком диапазоне освещенностей и времяпролетные характеристики с субнаносекундным разрешением. Поэтому в установках, считающих фотоны годами - от подземных нейтринных обсерваторий до прецизионных спектрометров - вакуумные фотоэлектронные умножители продолжают работать бок о бок с кремниевыми приборами, занимая свою устойчивую нишу измерительной техники крайних чувствительностей.