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-2

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

Такая вот здоровенная "труба" – это лишь заготовка в транспортной таре. Для того, чтобы пользоваться им, транспортный баллон разбивают, амортизирующие оправки, на которых собственно сам ВЭУ висит внутри баллона, удаляют, а ВЭУ устанавливают в аппаратуру и герметизируют.

Данные из отраслевого каталога на него от производителя и заводской паспорт.

Электрические параметры

ВЭУ-2 (вместе с ВЭУ-1) - первые отечественные промышленно выпускаемые вторично-электронные умножители с открытым входом для непосредственной регистрации потоков заряженных и нейтральных частиц, вакуумного ультрафиолетового и мягкого рентгеновского излучения.

ВЭУ-2 и ВЭУ-1 были разработаны в 1967г. силами ВНИИ Электронно-лучевых приборов (ныне НПО "Электрон", Санкт-Петербург) и в 1970г. освоены в серийном производстве. Производитель - орджоникидзевский завод "Гран".

По условиям применения ВЭУ должны выдерживать длительное хранение на воздухе: в наземной аппаратуре - при неоднократных вскрытиях лабораторного оборудования, в космической аппаратуре - в течение всего времени от установки изделия в аппарат до выведения его в космическое пространство. Поэтому для динодов ВЭУ с открытым входом должны использоваться особые материалы и технологии, которые обеспечивают необходимую стабильность параметров после нахождения на открытом воздухе. В разработке ВЭУ-1, ВЭУ-2 был применен целый ряд принципиально новых решений. В качестве материала динодов была использована алюминиевая фольга, что обеспечило коэффициент усиления 10⁵...10⁶ при высокой стабильности характеристик. Был разработан делитель напряжения в виде дистанционных прокладок из высокосвинцового стекла, прошедшего специальный прогрев в водороде для образования резистивного слоя. Эти резистивные прокладки заменили часть обычных керамических прокладок между рамками динодов. Для обеспечения малых темновых токов была разработана специальная конструкция экранирующего электрода обтекаемой формы на входе ВЭУ, а также конструкция анода с охранным кольцом. Исследования показали, что разрабатываемые ВЭУ практически не изменяют своих характеристик как при хранении на воздухе , так и при прогревах в вакууме при температуре до 370°С. 

Эти ВЭУ были использованы в экспериментах по изучению плазмы на установках "Огра-2", "Огра-2Т", "Огра-3" и "Огра-3Б", а также нашли довольно широкое применение в различной масс-спектрометрической аппаратуре. Разработка ВЭУ-1 и ВЭУ-2 начиналась по инициативе сотрудников ФТИ им А.Ф. Иоффе и ИАЭ им. И.В. Курчатова для лабораторного применения. В связи с проявленным интересом со стороны сотрудников СНИИПа и ИКИ АН СССР была повышена прочность конструкции и выделена модификация ВЭУ-2. Разработанная с этими ВЭУ аппаратура была использована на ИСЗ "Прогноз", "Прогноз-7", "Ореол-3", АМС "Венера-11", "Венера-12", для измерения основных ионных компонент солнечного ветра, геомагнитосферы, природы полярных сияний и т.д.

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 данные из отраслевого справочника версий 1979 и 2007 годов.

   Производитель - орджоникидзевский завод "Гран".

Электрические параметры

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.
2. Photomultipliers catalogue. ELORG, USSR, Moscow, 1988.
3. Айнбунд М.Р. 2001-15. К истории разработки вторично-электронных умножителей ВЭУ-1, ВЭУ-2. XIII международный симпозиум по истории авиации и космонавтики, посвященный сорокалетию полета человека в космическое пространство. Тезисы докладов. Москва, ИИЕТ РАН, 2001.
4. Приборы электронной техники народнохозяйственного назначения. Изделия квантовой электроники. Сборник справочных листов. РД 11 0829.7-2007.- ОАО "РНИИ "Электронстандарт", 2007.

домой