Вторичные электронные умножители

   ФЭУ, фотоэлектронные умножители - достаточно известный класс приборов. А вот подобные им ВЭУ - куда более редкая вещь.

   Вообще говоря, вторичные электронные умножители, как таковые, являются составной частью некоторых электровакуумных приборов (тех же ФЭУ, электронно-оптических преобразователей, ряда передающих электронно-лучевых приборов — диссекторов, суперортиконов и др., а также приемно-усилительных ламп). Однако, когда обычно их упоминают, то имеют в виду самостоятельные приборы, служащие для непосредственной регистрации электромагнитного излучения или частиц.

   ВЭУ находят широкое применение в ядерной физике, космических исследованиях, метрологии и др. Приборы предназначены для регистрации заряженных частиц малых энергий, а также жесткого ультрафиолетового и мягкого рентгеновского излучений. Эти излучения сильно поглощаются веществом оболочки, поэтому вторично-электронные умножители изготавливаются с открытым входом.

   Такие приемники, выполняемые без оболочки или имеющие незащищенное (открытое) входное окно, называются ВЭУ открытого типа. Их используют в установках, работающих в условиях естественного вакуума (при космических исследованиях), и в высоковакуумных измерительных устройствах (сканирующих электронных микроскопах, масс-спектрометрах и др.) при давлениях обычно не более 10−3 Па.

   Специфическое требование, предъявляемое к ВЭУ открытого типа, — способность сохранять рабочие параметры при соприкосновении его эмитирующих поверхностей с воздухом. Этому способствуют защитные свойства тонкой (2,5-5нм) оксидной эмиссионной пленки (Al2O3, BeO) на алюминии или сплаве CuBe.

    В отличии от ФЭУ, вторичные электронные умножители не имеют специального фотокатода. Роль катода - непосредственного приемника исследуемого излучения - выполняет первый динод в жалюзийных ВЭУ (ВЭУ-1; ВЭУ-2; ВЭУ-5) и начало канала в каналовых ВЭУ (ВЭУ-4; ВЭУ-6).

   Достоинство ВЭУ - устойчивость параметров к воздействию воздуха, а каналовых ВЭУ, кроме того, малые габариты, масса и удобство в эксплуатации.

   Напряжение питания ВЭУ 2,5…4,5 кВ, коэффициент усиления составляет 107...108, собственные шумы не более 1 одноэлектронного импульса в секунду. Как видно, параметры достаточно хороши, чтобы с такими умножителями было удобно работать в режиме счета одноэлектронных импульсов для измерения слабых потоков.

   ВЭУ очень удобны во многих отношениях, в том числе тем, что не требуют для питания делителей напряжения. Их внутренняя поверхность покрыта тонким полупроводниковым окисным слоем, по которому при рабочем напряжении питания течет ток порядка долей миллиампера. Из-за этого возникают два интересных эффекта.

   Во-первых, амплитуда одноэлектронного импульса на выходе ограничена. Короткий (порядка 10-8 с) выходной импульс уносит с поверхности около 10-10...10-11 Кл, так что поверхность заряжается положительно. Увеличение напряжения питания не поможет поэтому сделать амплитуду импульса больше некоторой, при которой эта положительная зарядка станет критичной. В рабочем режиме одноэлектронные импульсы ВЭУ имеют поэтому существенно более узкое амплитудное распределение, чем в обычных ФЭУ. Это удобно, но одновременно возникает второй, неудобный эффект.

   При токе питания 10-4 А наведенный заряд 10-10 Кл может быть нейтрализован только за время порядка 10-6 с. Следовательно, в течение примерно микросекунды ВЭУ не способен отработать следующий импульс, так что допустимая скорость счета ВЭУ ограничена загрузками примерно 105 или меньше импульсов в секунду.

  Канальные умножительные системы представляют собой трубку, которую изготовляют из материала, обладающего необходимыми величинами электрического сопротивления и коэффициента вторичной электронной эмиссии, например высокосвинцового стекла, у которого после термообработки в водороде образуется слой окиси свинца с R = 107-108 Ом, коэффициентом эмиссии 3,5-4,5 при Ер = 300 эВ. При подаче напряжения около 2,5 кВ на концы трубки в слое канала возникнет ток, создающий падение напряжения вдоль канала. Распределенный вдоль канала потенциал создает внутри него однородное поле. Вторичные электроны, выбитые из внутренней стенки канала у входа трубки, под действием электростатического поля ускоряются и ударяются о стенку канала в области более высокого потенциала.

   Коэффициент усиления при калибре трубки (отношении длины к внутреннему диаметру) К = 50 и рабочем напряжении 1,5-2 кВ может достигать 105—106. Для обеспечения линейности световой характеристики выходной ток сигнала не должен превышать десятой доли тока, протекающего в стенках канала. Значение тока в стенках канала ограничено возможным разогревом и разрушением эмиссионного слоя. Поэтому канальные умножительные системы являются слаботочными. У канальных умножителей эффективность сбора вторичных электронов мала, так как часть потока вторичных электронов за счет распределения по углам вылета попадает в тормозящее поле и не участвует в процессе умножения. В канальных системах из-за отсутствия фокусировки наблюдается значительно большая неоднородность траекторий электронов, чем в дискретных системах. Однако это не приводит к значительному разбросу времен пролета электронов за счет малых размеров канала и абсолютная величина разброса может быть существенно меньше, чем в системах на дискретных динодах.

   Недостатками прямых трубок являются оптическая и ионная обратные связи, поэтому их изгибают или придают форму спирали.

ВЭУ-6

Пожалуй, это самый распространенный из ВЭУ, он выпускается и до сих пор.

Вторично-электронный умножитель канального типа, с электростатической фокусировкой электронов и открытым входом, предназначен для регистрации заряженных и нейтральных частиц, ультрафиолетового и мягкого рентгеновского излучений.

Конструктивные особенности - имеет открытый вход, диаметр входного окна 8 мм. Число динодов - 1.

Канал ВЭУ-6 представляет собой тонкую трубку, диаметром около 1.5 мм, изогнутую по радиусу 5...6 мм. На входе канал расширяется конусом 90° до диаметра 1 см.

Функции делителя напряжения выполняют собственно каналовые эмиттеры.

Существует в двух модификациях - с клеевым или механическим креплением умножителя и выводов к корпусу.

Подробные данные на него от производителя, заводской паспорт и справочный лист из отраслевого справочника.

Производитель - орджоникидзевский завод "Гран".

Электрические параметры

Коэффициент усиления напряжения - не менее 1х108
Ток питания канала при напряжении 4000 В - 5...20 мкА
Напряжение между источником электронов и входом прибора - 200...600 В
Темновой фон - не более l имп/с
Амплитудное разрешение - не более 0,5
Скорость счета - не более 105 имп/с.
Средний выходной ток - не более 1 мкА
Напряжение питания - не более 4 кВ
Коэффициент усиления 1х108...7х108
Температура прогрева в вакууме не ниже 133х10-5 Па (10-5 мм рт. ст.) в течение не более 5 ч - 200°C
Наработка - 300 ч

Источники:

1. Кацнельсон Б.В. и др. Электровакуумные электронные и газоразрядные приборы: Справочник / Б.В. Кацнельсон, А.М. Калугин, А.С. Ларионов; Под общ. ред. А.С. Ларионова. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 1985.

домой