Электронный умножитель

В усилителях света и электронных проекторах применяемые электрические поля должны обеспечивать получение на экране световых изображений, подобных тем электронным изображе­ниям, которые возникают на первичном катоде. Иными словами, в обоих рассматриваемых приборах существует проблема переноса и формирования конечного изображения, оптически подобного исходному. В противоположность этому в электрон­ных умножителях нет необходимости в создании электронно-оптического изображения. Электрические поля должны здесь только последовательно направлять электронные потоки внутри прибора с предыдущего электрода на последующий. При этом происходит усиление первичных очень слабых электронных потоков путем использования явления вторичной эмиссии на ряде электродов-эмиттеров.

Для понимания механизма действия прибора необходимо напомнить основные факты, относящиеся к явлению вторичной электронной эмиссии. При бомбардировке поверхности твер­дого тела пучком первичных электронов эта поверхность начинает, в свою очередь, испускать медленные, вторичные электроны.

Число вторичных электронов зависит как от свойств пучка первичных электронов - энергии, угла падения, интенсивно­сти, - так и от свойств самой бомбардируемой поверхности. Так как число вторичных электронов, как правило, пропор­ционально числу первичных, то для характеристики вторичной эмиссии вводят величину, называемую коэффициентом вторич­ной эмиссии , которая принимается равной отношению вто­ричного тока к первичному.

Величина при увеличении энергии первичных электронов сначала довольно быстро возрастает, достигает пологого мак­симума и затем начинает медленно уменьшаться (рис. 6.9). Легко понять причины такой зависимости. Быстрый первичный электрон, проникая в глубь твердого тела, производит на протяжении своего пробега возбуждение и ионизацию атомов вещества. Как известно, потери энергии, а вместе с тем и плотность ионизации на единице пути, максимальны в конце пробега. Глубина проникновения первичного электрона при энергии в 1000 эB составляет величину порядка 10^-5 см. Воз­никающие вдоль пути первичного электрона медленные вто­ричные электроны могут выйти наружу только из небольших глубин, удаленных от по­верхности на расстояние порядка длины своего пробега. Поэтому для определения силы вторич­ного тока, а следова­тельно, и величины , надо знать число вторич­ных электронов, зарожда­ющихся именно в этом тонком поверхностном слое. Пока энергия пер­вичных электронов мала, почти все вторичные эле­ктроны появляются вблизи поверхности, и число электронов, покидающих эмиттер, должно увеличи­ваться с ростом энергии первичных электронов. При дальнейшем увели­чении энергии первичных электронов и возрастании их пробега область мак­симальной ионизации сме­щается в глубь эмитте­ра, и хотя общее число вторичных электронов, ра­зумеется, продолжает ра­сти, число ионизации в поверхностном слое, а вместе с тем и число вторичных электронов, выходящих наружу, начинает уменьшаться.

Аналогичные простые рассуждения показывают, что вели­чина должна увеличиваться при скользящем падении пер­вичного пучка. При наклонном падении первичные электроны проникают на меньшую глубину внутрь эмиттера, вторичные электроны зарождаются ближе к поверхности и имеют боль­ший шанс на выход наружу. Экспериментальное исследование этого важного для практики вопроса показывает, что вторичная эмиссия действительно возрастает на 50 — 70% при переходе от нормального падения к углам скольжения в 20 — 30° (рис. 6.10).

Рис. 6.9. Зависимость коэффициента вторич­ной эмиссии от энергии первичных элект­ронов, а) Металлы. 6) Диэлектрики и эф­фективные эмиттеры.

Движение медленных вторичных электронов к поверхности эмиттера сильно зависит от рода вещества - от того, проис­ходит ли это движение в металле, полупроводнике или ди­электрике. В первом слу­чае интенсивное взаимо­действие с электронами проводимости должно привести к сильному со­кращению пробега вто­ричных электронов и, сле­довательно, к тому, что лишь малая доля возник­ших вторичных электро­нов сможет достигнуть границы металла. В полу­проводниках и диэлектри­ках судьбы вторичных электронов складываются более благоприятно, они должны встретить значи­тельно меньше препят­ствий на своем пути. Поэтому, если существу­ют эффективные эмитте­ры вторичных электронов, то их не следует искать среди металлов. Опыты полно­стью согласуются с приведенными качественными соображе­ниями: для чистых металлических поверхностей максималь­ные значения не превышают 1,5-1,7, тогда как среди полу­проводниковых эмиттеров, применяемых на практике, обычны значения , равные 10-12 (см. рис. 6.9). Разумеется, приве­денные качественные соображения крайне схематичны и не охва­тывают многих интересных сторон явления, однако они доста­точны для разъяснения дальнейшего.

Принцип действия электронного умножителя исключительно прост. Слабый электронный ток, испускаемый первичным като­дом (обычно это фотокатод), направляется на первый эмиттер; возникающие на нем вторичные электроны ускоряются по направлению к следующему эмиттеру, где процесс повторяется, и т.д. (рис. 6.11). Если коэффициент вторичной эмиссии данного эмиттера превышает 1, то на каждом каскаде проис­ходит усиление падающего пучка в раз. При n каскадах общий коэффициент усиления определится по очевидной формуле:

(6.10)

Для распространенных типов эмиттеров при рабочем напряже­нии легко получается значение =4; тогда при десяти каска­дах общий коэффициент усиления умножителя достигнет ве­личины 4¹⁰ 10⁶, а при 90 каскадах один-единственный электрон дал бы 10⁵⁴ электронов, и для поддержания со­ответствующего тока не хватило бы всех электронов земного шара.

Рис. 6.10. Зависимость коэффициента вто­ричной эмиссии от угла падения пер­вичного пучка.

Рис. 6.11. Принцип действия электронного умножителя; 1 -5 - эмиттеры.

Процесс усиления первичного электронного потока проис­ходит в умножителе описанным способом в предположении, что электроны последовательно, без пропусков, поступают с каждого предыдущего катода на последующий, и в пред­положении, что коэффициент вторичной эмиссии на всех электродах один и тот же. Выполнение последнего условия приблизительно обеспечивается тождественностью технологи­ческой обработки и заданием одинаковых напряжений между всеми эмиттерами. Первое условие легко реализовать путем придания эмиттерам подходящей формы. Широко распростра­нены две конфигурации электродных систем: в одной из них эмиттерам придается форма жалюзи (рис. 6.12), во второй эмиттеры имеют ковшеобразную форму (рис. 6.13). Эквипо­тенциальные поверхности и электронные траектории, которые получаются между эмиттерами в ковшеобразной системе, изображены на рис. 6.14. Приведенная картина получена в ре­зультате исследований данной конструкции электродов на меха­нической модели с резиновым полотном, как это описано в § 5. Моделирование показывает, что электрон, вышедший из некоторой точки эмиттера, попадает на следующий эмиттер в точке, расположенной ближе к центральной части электрода. Таким образом, в процессе последовательных умножений элект­ронные потоки оказываются всё более концентрированными. На последних каскадах при больших выходных токах начинает сказываться влияние пространственного заряда, замедляющее сжатие пучка, но и здесь электронный поток не выходит за пределы эмиттера, и потери электронов отсутствуют. В элект­ронных умножителях с электродной системой типа жалюзи также удается обеспечить достаточно эффективный сбор элект­ронов с поверхности эмиттера и последовательное прохожде­ние электронами всех каскадов умножения.

Рис. 6.12. Умножитель с эмиттерами в форме жалюзи и электронные тра­ектории в нем. 1-11 -эмиттеры.

В канальных умножителях (см. предыдущий раздел) про­цесс усиления электронного потока происходит на внутренней стенке канала, покрытой непрерывным полупроводящим слоем, вдоль которого распределяется напряжение, приложен­ное к пластине. Понятие о дискретном числе каскадов здесь неприменимо, и можно лишь говорить о среднем числе актов эмиссии на длине канала.

Современные стандартные умножители обычно содержат 10-13 каскадов и при общем напряжении в 1000-3000 B усиливают первичные токи в 10⁶-10⁷ раз. Таким образом, с помощью небольшого вакуумного прибора удается про­стыми средствами, без применения какой-либо дополнитель­ной аппаратуры, усиливать очень слабые фототоки в огромное число раз. Электронный умножитель - это вакуумный прибор, и потому он выгодно отличается своей малой инерционностью от любых фотоэлектрических устройств, содержащих газонапол­ненные приборы.

Применения умножителей многочисленны и разнообразны, однако существуют две области физики, где их использование оказалось особенно успешным, - это спектроскопия и ядерная физика.

Рис. 6.13. Умножитель с ковшеобразными электродами, а) Форма эмиттера. 6) Размещение электродной системы. 1 -8 - эмиттеры.

Рис. 6.14. Эквипотенциальные поверхности и электронные траектории в умно­жителе с ковшеобразной формой эмиттеров.

Интенсивность спектрально разложенного света нередко оказывается очень малой и недоступной для фотографической регистрации, поэтому применение электронных умножителей приносит здесь неоценимые преимущества. Далее, при спект­ральных исследованиях часто приходится вести наблюдения за быстрыми изменениями интенсивности той или иной линии или участка непрерывного спектра; в этом случае ничтожная инерция умножителя облегчает наблюдения.

Важно подчеркнуть, наконец, что хороший электронный умножитель позволяет как измерять ничтожно малые интен­сивности света в токовом режиме, так и вести счет отдель­ных световых квантов.

В ядерной физике умножители применяются как для счета частиц, так и для определения их энергии. Регистрирующим инструментом служит комбинация электронного умножителя с люминофором, так называемый сцинтилляционный счетчик. Быстрая частица, проходя через люминофор, производит в нем ионизацию и возбуждение. Возникшее возбуждение спустя короткое время ликвидируется путем испускания фотонов. Длительность этой люминесцентной вспышки при использова­нии органических кристаллов (нафталин, антрацен, стильбен) или люминесцирующих пластмасс оказывается чрезвычайно малой (несколько наносекунд). Световая вспышка регистри­руется фотокатодом умножителя, который в сцинтилляционном счетчике находится в оптическом контакте с кристаллом (рис. 6.15). Кратковременность вспышки позволяет вести реги­страцию частиц при очень высокой скорости счета. Если про­бег частицы укладывается в кристалле, то величина световой вспышки в широком интервале энергии оказывается монотон­ной и приблизительно линейно возрастающей функцией энер­гии. Это обстоятельство позволяет использовать подобные устройства не только как счетчики, но и как сцинтилляционные спектрометры.

Рис. 6.15. Схема сцинтилляционного счетчика с применением светопровода между кристаллом и катодом умножителя. 1, 2 2 эмиттеры.