Сильноточные фотоэлектронные умножители с улучшенными характеристиками для регистрации быстропротекающих процессов

Abstract

Приведены результаты исследовательских работ по совершенствованию технических характеристик сильноточных фотоэлектронных умножителей производства ФГУП “ВНИИА”, применяемых в сцинтилляционных детекторах для исследований импульсного гамма-нейтронного излучения. Описана конструкция и представлены результаты внедрения новых технологических процессов изготовления фотоэлектронных умножителей.

Full Text

1. ВВЕДЕНИЕ

Сцинтилляционные детекторы на основе фотоэлектронных умножителей (ФЭУ) широко применяются при исследованиях быстро протекающих физических процессов, сопровождающихся импульсным гамма-нейтронным излучением. Экспериментальные работы с применением сцинтилляционных детекторов в основном проводятся в области воздействия различных внешних факторов, таких как сильное электромагнитное поле и воздействие ударных волн. Поэтому с целью снижения влияния воздействующих факторов на результаты измерений и защиты фотоэлектронного умножителя от поражающих факторов во ФГУП “ВНИИА” был создан сцинтилляционный детектор с удаленной системой ФЭУ и волоконно-оптическим светосбором на основе спектросмещающих световодов. Детектор с волоконно-оптическим светосбором имеет модульную конструкцию, в которой излучение сцинтиллятора передается на ФЭУ с помощью спектросмещающих органических волокон. Используемые в таких детекторах зеленые спектросмещающие световоды имеют спектр высвечивания с максимумом в точках 492 и 476 нм [1]. В то же время сурьмяно-цезиевый фотокатод сильноточных фотоэлектронных умножителей СНФТ3-1 и СНФТ5-1, которые применяются в сцинтилляционных детекторах ФГУП “ВНИИА”, имеет максимум спектральной чувствительности на длине волны 400 нм (рис. 1). Данное несоответствие приводит к снижению чувствительности сцинтилляционного детектора к ионизирующему излучению.

Рис. 1. Спектральная характеристика ФЭУ с сурьмяноцезиевым фотокатодом.

Кроме того, в ряде задач требуется обеспечить регистрацию импульсов ионизирующего излучения длительностью до 20 мкс. В таких случаях в фотоэлектронных умножителях с полупрозрачным фотокатодом при больших освещенностях и, следовательно, больших плотностях фототока, поверхность фотокатода при значительной величине его продольного сопротивления (у сурьмяно-цезиевого фотокатода от 10⁵ до 10⁷ Ом/квадрат) становится неэквипотенциальной. Отбор фототока с катода сопровождается прохождением электрического тока по поверхности катода, при этом на поверхности фотокатода возникает потенциальный рельеф, приводящий к искажению фокусирующего поля, что приводит к ухудшению условий собирания фототока и расфокусировке электронного пучка. При большой величине потенциального рельефа (больше 200 В) наступает запирание фотокатода, так как его края находятся под большим отрицательным потенциалом относительно центра, и вблизи катода возникает тормозящее поле, которое препятствует выходу фотоэлектронов. Осциллограмма, показанная на рис. 2, иллюстрирует запирание высокоомного фотокатода в результате возникновения потенциального рельефа на его поверхности при длительной засветке.

Рис. 2. Искажение формы импульса на выходе ФЭУ при освещении фотокатода световым импульсом прямоугольной формы длительностью 20 мкс.

В данной работе приведены результаты исследований, направленных на улучшение технических характеристик сильноточных ФЭУ СНФТ3-1 и СНФТ5-1, серийно выпускаемых ФГУП “ВНИИА”, с целью получения максимума спектральной чувствительности ФЭУ на длине волны 500 нм и регистрации световых импульсов длительностью 20 мкс, что позволит увеличить информативность регистрации и повысить точность измерений ионизирующего излучения с помощью сцинтилляционных детекторов при исследованиях быстропротекающих процессов.

2. ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИИ И ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ФЭУ СНФТ3-1 И СНФТ5-1

Фотоэлектронные умножители СНФТ3-1 и СНФТ5-1 являются модернизированными версиями разработанных во ФГУП “ВНИИА” в 1967–1969 г. ФЭУ СНФТ3, СНФТ5 [2] и по настоящее время используются для регистрации световых импульсных потоков и преобразования их в электрический аналог в составе сцинтилляционных детекторов. ФЭУ имеют временное разрешение не более 5 нс, предел линейности световой характеристики в импульсном режиме не менее 2.5 А (при освещении фотокатода световой вспышкой длительностью 0.5 мкс) и чувствительны в видимой области спектра (от 350 до 650 нм). Отличаются приборы коэффициентом усиления — у СНФТ3-1 он составляет от 10⁸ до 10⁹, у СНФТ5-1 от 10⁵ до 10⁷.

Фотоэлектронные умножители СНФТ3-1 и СНФТ5-1 (рис. 3) представляют собой вакуумные приборы, основными функциональными узлами которых являются вакуумная металлостеклянная оболочка, катодный узел, электронно-фокусирующая система, умножительная система и анодный блок. Различие конструкции этих ФЭУ состоит в том, что СНФТ3-1 имеет 12 каскадов усиления, а СНФТ5-1 – 8 каскадов.

Рис. 3. Внешний вид ФЭУ СНФТ3-1, СНФТ5-1.

В фотоумножителях СНФТ3-1 и СНФТ5-1 используется торовидная умножительная система, имеющая ряд преимуществ перед известными [3], эмиттеры которой выполнены из сплава магниевой бронзы, обладающего высоким коэффициентом вторичной эмиссии.

Важным узлом конструкции ФЭУ является анодный блок, определяющий линейный участок световой анодной характеристики, величина которого должна быть достаточной для передачи формы световых импульсов большой амплитуды. Конструкция анодного блока ФЭУ СНФТ3-1 и СНФТ5-1 позволяет создать в промежутке “последний эмиттер–анод” напряженность электрического поля порядка 1000 В/мм, которая необходима для рассасывания объемного заряда на этом участке при прохождении больших токов.

Система фокусирующих электродов обеспечивает оптимальный режим работы анодного блока и ФЭУ в целом и позволяет подбором индивидуального эксплуатационного режима получить параметры, соответствующие требованиям технических условий.

3. СИЛЬНОТОЧНЫЕ ФЭУ С МАКСИМУМОМ СПЕКТРАЛЬНОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ НА ДЛИНЕ ВОЛНЫ 500 нм

В настоящее время известно множество основных типов эффективных фотокатодов, чувствительных в диапазоне от 200 до 900 нм. Согласно литературным данным [4–6] требование по максимуму спектральной чувствительности на длине волны 500 нм должны обеспечить многощелочной и GaAs-фотокатоды.

Несмотря на однозначное преимущество GaAs-фотокатода по уровню интегральной чувствительности, применительно к технике изготовления металлостеклянных ФЭУ важно отметить следующее:

• GaAs-фотокатоды невозможно изготовить на подложках сложной формы: внутренняя часть катодного узла ФЭУ СНФТ3-1 и СНФТ5-1 представляет собой сферическую поверхность, использование плоского катодного узла потребует значительной переработки фокусирующей системы ФЭУ;
• технология изготовления GaAs-фотокатода требует сверхвысокого вакуума;
• GaAs-фотокатоды особо чувствительны к ионной бомбардировке, в результате которой время их жизни сокращается в несколько раз и может составить всего 50–100 ч. Для сравнения, современные многощелочные фотокатоды относительно “безболезненно” переносят ионную бомбардировку, и время жизни таких фотокатодов в аналогичных условиях может достигать 10000 ч.

Таким образом, использование многощелочного фотокатода для создания сильноточного ФЭУ с максимумом спектральной чувствительности на длине волны 500 нм является оптимальным с точки зрения сохранения конструкции и ресурса ФЭУ.

Технология изготовления многощелочных фотокатодов известна давно, чрезвычайно сложна и допускает широкое варьирование последовательности и режимов обработки, при этом максимум спектральной чувствительности может находиться в диапазоне от 350 до 750 нм [7, 8] и сильно зависит от конечной толщины фотоэмиссионного материала. Известный способ технологии формирования фотокатода, предложенный Соммером [9], предусматривает напыление сурьмы и последовательное введение внутрь прибора паров щелочных металлов цезия, калия и натрия. Разработанный во ФГУП “ВНИИА” технологический процесс формирования многощелочного фотокатода ФЭУ СНФТ3-1 и СНФТ5-1 отличается от предложенного Соммером и заключается в следующих основных этапах:

• дегазация ФЭУ при температуре 380°С;
• охлаждение ФЭУ до температуры окружающей среды 25–35°С;
• напыление пленки сурьмы на внутреннюю поверхность катодного стекла до потери его прозрачности на 75–80%;
• обработка полученной пленки сурьмы парами натрия, калия, цезия путем нагрева ФЭУ до температуры в диапазоне от 180 до 200°С для цезия, от 200 до 215°С для калия и от 250 до 280°С для натрия.

В результате реакции паров натрия с сурьмой образуется соединение Na₃Sb, паров калия со слоем Na₃Sb — соединение Na₂KSb, паров цезия — соединение Na₂KSb(Cs).

На завершающем этапе формирования фотокатода выполняется его сенсибилизация, повышающая световую и спектральную чувствительности.

По разработанной технологии были изготовлены макеты ФЭУ с многощелочным фотокатодом. Результаты измерений параметров ФЭУ показали следующее: среднее значение световой чувствительности фотокатода увеличилось в 3.5 раза, максимальное значение спектральной чувствительности фотокатода находится в диапазоне от 480 до 500 нм, в классическом варианте СНФТ3-1, СНФТ5-1 максимум спектральной чувствительности лежит в диапазоне от 400 до 450 нм. Также стоит отметить, что разработанная технология позволила сохранить остальные параметры ФЭУ СНФТ3-1 и СНФТ5-1 на прежнем уровне: временное разрешение не более 5 нс, предел линейности световой характеристики в импульсном режиме не менее 2.5 А, коэффициент усиления от 10⁸ до 10⁹ для СНФТ3-1 и от 10⁵ до 10⁷ для СНФТ5-1.

Спектральные характеристики в относительных единицах сильноточных ФЭУ с многощелочным и сурьмяно-цезиевым фотокатодами представлены на рис. 4.

Рис. 4. Спектральная характеристика ФЭУ: 1 — с многощелочным фотокатодом, 2 — с сурьмяноцезиевым фотокатодом.

4. СИЛЬНОТОЧНЫЕ ФЭУ ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ СВЕТОВЫХ ИМПУЛЬСОВ ДЛИТЕЛЬНОСТЬЮ ДО 20 МКС

Как было сказано выше, при больших освещенностях фотокатода возникает искажение распределения электрического поля вблизи него из-за возникновения градиента потенциала на фотокатоде при большом его поверхностном сопротивлении. Поэтому очевидной становится задача снижения потенциального рельефа, причем наиболее эффективным путем снижения потенциального рельефа является уменьшение эффективного сопротивления фотокатода.

Обычно это достигается путем нанесения фотоэмиссионного слоя на прозрачную проводящую подложку, причем собственное сопротивление проводящей подложки должно быть во много раз меньше сопротивления собственно фотоэмиссионного слоя. В этом случае эффективное сопротивление определяется только сопротивлением подложки. Но при этом возникает проблема выбора подходящего материала подложки, обладающего высокой электрической проводимостью и оптической прозрачностью, а также не вызывающего химического отравления фотоэмиссионного слоя, который содержит в себе такие щелочные металлы, как калий, натрий и цезий.

Используются подложки из таких нейтральных к щелочным металлам материалов, как хром, резистивные сплавы, никель. Все они имеют поверхностное сопротивление не меньше примерно 10³ Ом/квадрат.

Для создания сильноточных ФЭУ, позволяющих регистрировать световые импульсы длительностью до 20 мкс, была применена запатентованная ФГУП “ВНИИА” технология с нанесением на катодный узел прозрачного проводящего покрытия оксида индия, легированного оловом (так называемая ITO-пленка), и защитного покрытия [10]. Пленки ITO широко используются в промышленности, так как из наиболее известных и относительно доступных покрытий они обладают наилучшим сочетанием оптических и электрических свойств: прозрачностью от 80 до 95% при сопротивлении около 100 Ом/квадрат. Тонкую прозрачную защитную диэлектрическую пленку помещают между проводящим и фотоэмиссионным слоями. Данная пленка химически нейтральна к фотокатоду. При этом электрический контакт между фотоэмиссионным и проводящим слоями находится за пределами рабочего поля фотокатода.

Искажения формы импульса при различных величинах амплитуды анодного тока ФЭУ с фотокатодами без подложки и на проводящей подложке исследовались путем подачи на фотокатод светового импульса прямоугольной формы длительностью 20 мкс и регистрации импульса анодного тока ФЭУ при помощи осциллографа.

При этом численная оценка уровня искажения формы импульса вычислялась через коэффициент искажения, определяемый как

$\delta =\left(1-\frac{U_2}{U_1}\right)\cdot 100\%$, (1)

где U₁ — амплитудное значение в максимуме осциллограммы, U₂ — амплитудное значение в минимуме осциллограммы.

Коэффициент искажения формы импульса анодного тока должен быть не более 30% во всем диапазоне линейности световой характеристики ФЭУ, т.е. при снимаемых токах более 2.5 А.

На рис. 5 показаны осциллограммы выходного импульса ФЭУ СНФТ5-1 с фотокатодом без проводящей подложки при амплитудах анодного тока от 0.1 до 2.9 А. При выходном токе 1.5 А коэффицент искажения формы импульса равен 29%, а при токе 2.9 А — 57%, что наглядно демонстрирует описанное выше ограничение по длительности регистрируемого импульса у стандартных ФЭУ СНФТ3-1 и СНФТ5-1.

Рис. 5. Осциллограммы импульса анодного тока ФЭУ с фотокатодом без проводящей подложки при освещении световыми импульсами длительностью 20 мкс: а — при выходном токе 0.1 А, б — при выходном токе 1.5 А, в — при выходном токе 2.9 А.

На рис. 6 показаны осциллограммы выходного импульса ФЭУ СНФТ5-1 с фотокатодом на проводящей подложке при амплитудах анодного тока от 0.1 до 3.1 А. В этом случае при выходном токе 1.1 А коэффицент искажения формы импульса равен 15%, а при токе 3.1 А — 20%.

Рис. 6. Осциллограммы импульса анодного тока ФЭУ с фотокатодом на проводящей подложке при освещении световыми импульсами длительностью 20 мкс: а — при выходном токе 0.1 А, б — при выходном токе 1.1 А, в — при выходном токе 3.1 А.

Таким образом, применение разработанного во ФГУП “ВНИИА” фотокатода конденсаторного типа в фотоэлектронных умножителях СНФТ3-1 и СНФТ5-1 позволяет получить выходной импульс длительностью 20 мкс с амплитудой до 3.1 А с искажением не более 20%, в то время как у ФЭУ стандартной конструкции искажения формы импульса имеют значительную величину, начиная с выходных токов 1.5 А.

5. ВЫВОДЫ

Формирование многощелочного фотокатода на внутренней поверхности катодных узлов ФЭУ СНФТ3-1, СНФТ5-1 позволило изготовить приборы, имеющие максимум спектральной чувствительности на длине волны от 480 до 500 нм.

Нанесение на внутренние поверхности катодных стекол ФЭУ СНФТ3-1, СНФТ5-1 проводящих полупрозрачных подложек позволило изготовить приборы, обеспечивающие регистрацию световых импульсов длительностью 20 мкс во всем диапазоне линейности световой характеристики ФЭУ

Таким образом, в результате применении новых технологических процессов, были значительно улучшены технические характеристики серийно выпускаемых ФГУП “ВНИИА” сильноточных ФЭУ СНФТ3-1 и СНФТ5-1 для повышения точности измерений ионизирующего излучения с помощью сцинтилляционных детекторов при исследованиях быстропротекающих процессов.