eng
TS_pub
technospheramag
technospheramag
ТЕХНОСФЕРА_РИЦ
Выпуск #2/2024
С. К. Кулов, Т. Д. Алкацева, Г. В. Федотова, Е. И. Сенцова
МКП-ФЭУ – счетчики фотонов для УФ- и видимой областей спектра
МКП-ФЭУ – счетчики фотонов для УФ- и видимой областей спектра
Просмотры: 733
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2024.18.2.160.165
Сообщается о разработке МКП-ФЭУ – счетчиков фотонов в ультрафиолетовой и видимой областях спектра для оптико-физических измерений. Рассматриваются особенности конструкции и технологии разработанных ФЭУ с МКП, позволяющие достичь высокого отношения пик/долина, низкого уровня скорости счета темновых импульсов, повышенного уровня долговечности. Приводятся различные варианты конструктивного исполнения ФЭУ (в виде вакуумных блоков и со встроенным в единый корпус с вакуумным блоком делителем напряжения).
Сообщается о разработке МКП-ФЭУ – счетчиков фотонов в ультрафиолетовой и видимой областях спектра для оптико-физических измерений. Рассматриваются особенности конструкции и технологии разработанных ФЭУ с МКП, позволяющие достичь высокого отношения пик/долина, низкого уровня скорости счета темновых импульсов, повышенного уровня долговечности. Приводятся различные варианты конструктивного исполнения ФЭУ (в виде вакуумных блоков и со встроенным в единый корпус с вакуумным блоком делителем напряжения).
Теги: dark count rate ion feedback peak-to-valley ratio photon counting detectors pmt with integrated voltage divider pulse height distribution амплитудное распределение импульсов ионная обратная связь отношение пик/долина скорость счета темновых импульсов счетчики фотонов фэу со встроенным делителем напряжения
МКП-ФЭУ – счетчики фотонов для УФ- и видимой областей спектра
С. К. Кулов, Т. Д. Алкацева,Г. В. Федотова, Е. И. Сенцова
ООО ВТЦ «Баспик», г. Владикавказ, Россия
Сообщается о разработке МКП-ФЭУ – счетчиков фотонов в ультрафиолетовой и видимой областях спектра для оптико-физических измерений. Рассматриваются особенности конструкции и технологии разработанных ФЭУ с МКП, позволяющие достичь высокого отношения пик/долина, низкого уровня скорости счета темновых импульсов, повышенного уровня долговечности. Приводятся различные варианты конструктивного исполнения ФЭУ (в виде вакуумных блоков и со встроенным в единый корпус с вакуумным блоком делителем напряжения).
Ключевые слова: счетчики фотонов, амплитудное распределение импульсов, скорость счета темновых импульсов, ионная обратная связь, отношение пик/долина, ФЭУ со встроенным делителем напряжения
Статья получена:11.01.2024
Статья принята: 05.02.2024
При регистрации очень слабых световых сигналов для извлечения максимальной информации используется метод счета фотонов. Счетчики фотонов являются одним из основных типов детекторов в физике высоких энергий и ядерной физике. В качестве детекторов-счетчиков фотонов обычно используются ФЭУ с дискретными динодами, ФЭУ с МКП, лавинные диоды, гибридные ФЭУ. Среди этих видов детекторов ФЭУ с МКП выгодно отличаются высоким усилением и быстродействием, повышенной площадью рабочей поверхности, низким энергопотреблением, стабильной работой в условиях воздействия магнитных полей. Полупроводниковые детекторы оптического излучения уступают ФЭУ с МКП по шумовым характеристикам, временному разрешению, площади рабочей поверхности.
Низкий уровень шума является необходимым условием при фотонном счете. Эффективность детектирования в значительной степени зависит от порогового уровня, устанавливаемого для режима счета (дискриминации). Распределение амплитуд импульсов является критической характеристикой для работы в режиме счета фотонов. Наличие одноэлектронного пика в режиме счета отдельных квантов (рис. 1, 2) позволяет отсекать большое число шумовых импульсов малой амплитуды без существенной потери эффективности регистрации. Так как обычно нижний порог амплитуды импульса устанавливается (дискриминируется) на позиции долины, высокое соотношение пик/долина в распределении импульсов по амплитудам создает условия для более эффективной регистрации сверхслабых объектов свечения, позволяя повысить отношение сигнал/шум.
С другой стороны, ФЭУ с традиционными МКП (в отличие от МКП с ALD-покрытием) свойственен такой недостаток, как непродолжительный срок службы. По данным источников литературы [1–3], существенное ухудшение характеристик ФЭУ наблюдается, когда общий заряд, проходящий через МКП, превышает десятые, а иногда даже и сотые доли Кл / см2. Низкий срок службы связывают с ионной бомбардировкой фотокатода ФЭУ. Ионы возникают в каналах МКП в результате разложения и десорбции посторонних веществ на стенках каналов при бомбардировке их электронами и в результате ионизации десорбированных соединений и остаточных газов потоками электронов. Образующиеся ионы ускоряются электрическим полем по направлению к фотокатоду, где они либо поглощаются, либо разрушают молекулярную структуру. Следствием является снижение квантового выхода фотокатода. Ионная обратная связь также негативно влияет на амплитудное разрешение, отношение пик / долина, уровень темнового счета.
Для повышения срока службы ФЭУ с МКП некоторые разработчики наносят защитную алюминиевую пленку на первую, а иногда на вторую МКП (чтобы не снижать физическую прозрачность входа шевронной сборки МКП). Пленка пропускает электроны, но непрозрачна для ионов. Такой прием использует фирма Hamamatsu в серии счетчиков фотонов R 3809U.
Однако алюминиевая пленка, нанесенная на поверхность МКП, поглощает 30–50% бомбардирующих ее электронов, т. е. снижает полезный сигнал, ухудшая отношение сигнал/шум.
Конструкция ФЭУ и способ электронного обезгаживания МКП, примененный в этой конструкции, разработанные в ООО ВТЦ «Баспик», позволяют практически исключить ионную обратную связь. За счет этого удается минимизировать плотность скорости счета темновых импульсов, улучшить одноэлектронное амплитудное распределение импульсов, повысить отношение пик/долина до уникально высоких значений, повысить допустимую загрузку на входе и расширить динамический диапазон ФЭУ, значительно повысить долговечность ФЭУ до уровня единиц Кл / см2.
Разработаны две модификации ФЭУ, отличающиеся типом фотокатода: «Сапфир‑2А» с теллур-цезиевым фотокатодом (для УФ-области спектра) и «Топаз» с бищелочным фотокатодом (для видимого диапазона спектра). Типовые спектральные характеристики фотокатодов показаны на рис. 3 и рис. 4.
Разработанные ФЭУ конструктивно представляют собой металлостеклянные вакуумные блоки с торцевым оптическим входом (бищелочной сурьмяно-калиево-натриевый фотокатод на стеклянной подложке или теллур-цезиевый фотокатод на подложке из фтористого магния), собранными в шеврон двумя МКП с рабочим диаметром 18 мм и диаметром канала 8 мкм и металлическим коллектором. Рабочий диаметр фотокатода ФЭУ «Сапфир‑2А» составляет 15 мм, ФЭУ «Топаз» – 17 мм. ФЭУ имеют электронную иммерсионную линзу на входе – систему электродов, обеспечивающих сбор электронов с фотокатода на вход первой МКП. Конструкция содержит подогревный газопоглотитель ПЦ‑1М, расположенный в конусной части анода катодной камеры. Внешний вид ФЭУ представлен на рис. 5.
Применение в ФЭУ с МКП иммерсионной линзы на входе способствует повышению скорости допустимой загрузки (из-за большего расстояния между электродами, снижающего вероятность пробоя при резком увеличении входного сигнала). Больший, чем в бипланарных конструкциях, объем изделия приводит к тому, что одинаковое количество выделяющихся при электронной бомбардировке газов в процессе эксплуатации ФЭУ вызывает меньшее изменение остаточного давления, что снижает количество образующихся ионов.
Разработанные ФЭУ могут длительное время (на практике сотни часов) работать при скоростях счета порядка 1–3 МГц. Типовое отношение пик/долина в одноэлектронном амплитудном распределении импульсов разработанных ФЭУ составляет около 20 (рис. 2), тогда как в динодных ФЭУ для аналогичных применений, а также в ФЭУ с МКП других производителей (рис. 1) типовое значение близко к 2. Такое высокое отношение пик/долина по данным литературы [5] не зафиксировано ни в одном ФЭУ с МКП. Авторы [5] сообщают, что в их экспериментах с ФЭУ с 2 МКП наилучшее значение пик/долина составило 6, при этом амплитудное разрешение было равно 86% и отмечают, что, по их данным, эти значения являются наилучшими из известных для ФЭУ с двумя МКП. Фирма Hamamatsu [6] оценивает как большой успех получение в ЭОП – счетчике фотонов с 3 МКП отношение пик/долина 5,6 и амплитудного разрешения 104%, в то время как в ФЭУ «Сапфир‑2А» и «Топаз» с двумя МКП типичное значение этих параметров составляет 20 и 90% соответственно. Счетная характеристика ФЭУ имеет участок плато продолжительностью почти 300 В (рис. 6). Основные технические характеристики ФЭУ «Сапфир‑2АМ» и ФЭУ «Топаз-М» приведены в табл. 1 и табл. 2.
Разработанные ФЭУ уже находят применение в ядерной физике в качестве детекторов черенковского излучения.
Конструкция ФЭУ предполагает их поставку как в виде вакуумных блоков, так и со встроенным в единый корпус с вакуумным блоком делителем напряжения. В этом случае на вакуумный блок монтируется резистивный делитель напряжения, который обеспечивает необходимые потенциалы электродов ФЭУ. На рис. 7 представлен МКП-ФЭУ со встроенным делителем напряжения. Все устройство помещается в корпус и герметизируется компаундом, на торцевом выходе корпуса располагается 50‑омный разъем для снятия выходного сигнала SMA и высоковольтный разъем SHV для подачи напряжения питания.
REFERENCES
Anashin V. V., Beschastnov P. M., Golubev V. B. Photomultipliers with microchannel plates. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A. 1995;357:103–109.
Lehmann A. et al. Recent Developments with Microchannel-Plate PMTs Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. 2017; 976:42–47
Thomas M.Connely, James S. Milnes, Joh Howorth. Extended lifetime MCP-PMTs. URL: https://archive.org/details/arxiv‑1010.1057.
Bulter A. Single-Photon Counting Detectors for the Visible Range between 300 and 1,000 nm. Springer International Publishing. Switzerland. 2014.
Orlov D. A., DeFazio J., Pinto S. D., Glazenborg R., Kernen E. High quantum efficiency S‑20 photocathodes in photon counting detectors. JINST. 2016; 11: C04015. URL: http://iopscience.iop.org/1748–0221/11/04/C04015.
Mizuno I., Nihashi T. et al. Development of UV image intensifier tube with GaN photocathode. Proc. Of SPIE. 2008;6945. DOI:10.1117/12.778539.
АВТОРЫ
Кулов Сослан Кубадиевич, д. т. н., ген.дир., ООО ВТЦ «Баспик», г. Владикавказ, Россия.
Алкацева татьяна Даниловна, е. т. н., дир. по качеству, ООО ВТЦ «Баспик», г. Владикавказ, Россия.
Федотова Галина Васильевна, нач. лаб. МКП-детекторов, ВТЦ «Баспик», г. Владикавказ, Россия.
Сенцова Елена Игоревна, ст. инж., лаб. МКП-детекторов, ВТЦ «Баспик», г. Владикавказ, Россия.
Конфликт интересов
Статья подготовлена на основе работы всех членов авторского коллектива. Все авторы приняли участие в написании статьи и дополнили рукопись в части своей работы. Авторы декларируют отсутствие между ними конфликта.
С. К. Кулов, Т. Д. Алкацева,Г. В. Федотова, Е. И. Сенцова
ООО ВТЦ «Баспик», г. Владикавказ, Россия
Сообщается о разработке МКП-ФЭУ – счетчиков фотонов в ультрафиолетовой и видимой областях спектра для оптико-физических измерений. Рассматриваются особенности конструкции и технологии разработанных ФЭУ с МКП, позволяющие достичь высокого отношения пик/долина, низкого уровня скорости счета темновых импульсов, повышенного уровня долговечности. Приводятся различные варианты конструктивного исполнения ФЭУ (в виде вакуумных блоков и со встроенным в единый корпус с вакуумным блоком делителем напряжения).
Ключевые слова: счетчики фотонов, амплитудное распределение импульсов, скорость счета темновых импульсов, ионная обратная связь, отношение пик/долина, ФЭУ со встроенным делителем напряжения
Статья получена:11.01.2024
Статья принята: 05.02.2024
При регистрации очень слабых световых сигналов для извлечения максимальной информации используется метод счета фотонов. Счетчики фотонов являются одним из основных типов детекторов в физике высоких энергий и ядерной физике. В качестве детекторов-счетчиков фотонов обычно используются ФЭУ с дискретными динодами, ФЭУ с МКП, лавинные диоды, гибридные ФЭУ. Среди этих видов детекторов ФЭУ с МКП выгодно отличаются высоким усилением и быстродействием, повышенной площадью рабочей поверхности, низким энергопотреблением, стабильной работой в условиях воздействия магнитных полей. Полупроводниковые детекторы оптического излучения уступают ФЭУ с МКП по шумовым характеристикам, временному разрешению, площади рабочей поверхности.
Низкий уровень шума является необходимым условием при фотонном счете. Эффективность детектирования в значительной степени зависит от порогового уровня, устанавливаемого для режима счета (дискриминации). Распределение амплитуд импульсов является критической характеристикой для работы в режиме счета фотонов. Наличие одноэлектронного пика в режиме счета отдельных квантов (рис. 1, 2) позволяет отсекать большое число шумовых импульсов малой амплитуды без существенной потери эффективности регистрации. Так как обычно нижний порог амплитуды импульса устанавливается (дискриминируется) на позиции долины, высокое соотношение пик/долина в распределении импульсов по амплитудам создает условия для более эффективной регистрации сверхслабых объектов свечения, позволяя повысить отношение сигнал/шум.
С другой стороны, ФЭУ с традиционными МКП (в отличие от МКП с ALD-покрытием) свойственен такой недостаток, как непродолжительный срок службы. По данным источников литературы [1–3], существенное ухудшение характеристик ФЭУ наблюдается, когда общий заряд, проходящий через МКП, превышает десятые, а иногда даже и сотые доли Кл / см2. Низкий срок службы связывают с ионной бомбардировкой фотокатода ФЭУ. Ионы возникают в каналах МКП в результате разложения и десорбции посторонних веществ на стенках каналов при бомбардировке их электронами и в результате ионизации десорбированных соединений и остаточных газов потоками электронов. Образующиеся ионы ускоряются электрическим полем по направлению к фотокатоду, где они либо поглощаются, либо разрушают молекулярную структуру. Следствием является снижение квантового выхода фотокатода. Ионная обратная связь также негативно влияет на амплитудное разрешение, отношение пик / долина, уровень темнового счета.
Для повышения срока службы ФЭУ с МКП некоторые разработчики наносят защитную алюминиевую пленку на первую, а иногда на вторую МКП (чтобы не снижать физическую прозрачность входа шевронной сборки МКП). Пленка пропускает электроны, но непрозрачна для ионов. Такой прием использует фирма Hamamatsu в серии счетчиков фотонов R 3809U.
Однако алюминиевая пленка, нанесенная на поверхность МКП, поглощает 30–50% бомбардирующих ее электронов, т. е. снижает полезный сигнал, ухудшая отношение сигнал/шум.
Конструкция ФЭУ и способ электронного обезгаживания МКП, примененный в этой конструкции, разработанные в ООО ВТЦ «Баспик», позволяют практически исключить ионную обратную связь. За счет этого удается минимизировать плотность скорости счета темновых импульсов, улучшить одноэлектронное амплитудное распределение импульсов, повысить отношение пик/долина до уникально высоких значений, повысить допустимую загрузку на входе и расширить динамический диапазон ФЭУ, значительно повысить долговечность ФЭУ до уровня единиц Кл / см2.
Разработаны две модификации ФЭУ, отличающиеся типом фотокатода: «Сапфир‑2А» с теллур-цезиевым фотокатодом (для УФ-области спектра) и «Топаз» с бищелочным фотокатодом (для видимого диапазона спектра). Типовые спектральные характеристики фотокатодов показаны на рис. 3 и рис. 4.
Разработанные ФЭУ конструктивно представляют собой металлостеклянные вакуумные блоки с торцевым оптическим входом (бищелочной сурьмяно-калиево-натриевый фотокатод на стеклянной подложке или теллур-цезиевый фотокатод на подложке из фтористого магния), собранными в шеврон двумя МКП с рабочим диаметром 18 мм и диаметром канала 8 мкм и металлическим коллектором. Рабочий диаметр фотокатода ФЭУ «Сапфир‑2А» составляет 15 мм, ФЭУ «Топаз» – 17 мм. ФЭУ имеют электронную иммерсионную линзу на входе – систему электродов, обеспечивающих сбор электронов с фотокатода на вход первой МКП. Конструкция содержит подогревный газопоглотитель ПЦ‑1М, расположенный в конусной части анода катодной камеры. Внешний вид ФЭУ представлен на рис. 5.
Применение в ФЭУ с МКП иммерсионной линзы на входе способствует повышению скорости допустимой загрузки (из-за большего расстояния между электродами, снижающего вероятность пробоя при резком увеличении входного сигнала). Больший, чем в бипланарных конструкциях, объем изделия приводит к тому, что одинаковое количество выделяющихся при электронной бомбардировке газов в процессе эксплуатации ФЭУ вызывает меньшее изменение остаточного давления, что снижает количество образующихся ионов.
Разработанные ФЭУ могут длительное время (на практике сотни часов) работать при скоростях счета порядка 1–3 МГц. Типовое отношение пик/долина в одноэлектронном амплитудном распределении импульсов разработанных ФЭУ составляет около 20 (рис. 2), тогда как в динодных ФЭУ для аналогичных применений, а также в ФЭУ с МКП других производителей (рис. 1) типовое значение близко к 2. Такое высокое отношение пик/долина по данным литературы [5] не зафиксировано ни в одном ФЭУ с МКП. Авторы [5] сообщают, что в их экспериментах с ФЭУ с 2 МКП наилучшее значение пик/долина составило 6, при этом амплитудное разрешение было равно 86% и отмечают, что, по их данным, эти значения являются наилучшими из известных для ФЭУ с двумя МКП. Фирма Hamamatsu [6] оценивает как большой успех получение в ЭОП – счетчике фотонов с 3 МКП отношение пик/долина 5,6 и амплитудного разрешения 104%, в то время как в ФЭУ «Сапфир‑2А» и «Топаз» с двумя МКП типичное значение этих параметров составляет 20 и 90% соответственно. Счетная характеристика ФЭУ имеет участок плато продолжительностью почти 300 В (рис. 6). Основные технические характеристики ФЭУ «Сапфир‑2АМ» и ФЭУ «Топаз-М» приведены в табл. 1 и табл. 2.
Разработанные ФЭУ уже находят применение в ядерной физике в качестве детекторов черенковского излучения.
Конструкция ФЭУ предполагает их поставку как в виде вакуумных блоков, так и со встроенным в единый корпус с вакуумным блоком делителем напряжения. В этом случае на вакуумный блок монтируется резистивный делитель напряжения, который обеспечивает необходимые потенциалы электродов ФЭУ. На рис. 7 представлен МКП-ФЭУ со встроенным делителем напряжения. Все устройство помещается в корпус и герметизируется компаундом, на торцевом выходе корпуса располагается 50‑омный разъем для снятия выходного сигнала SMA и высоковольтный разъем SHV для подачи напряжения питания.
REFERENCES
Anashin V. V., Beschastnov P. M., Golubev V. B. Photomultipliers with microchannel plates. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A. 1995;357:103–109.
Lehmann A. et al. Recent Developments with Microchannel-Plate PMTs Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. 2017; 976:42–47
Thomas M.Connely, James S. Milnes, Joh Howorth. Extended lifetime MCP-PMTs. URL: https://archive.org/details/arxiv‑1010.1057.
Bulter A. Single-Photon Counting Detectors for the Visible Range between 300 and 1,000 nm. Springer International Publishing. Switzerland. 2014.
Orlov D. A., DeFazio J., Pinto S. D., Glazenborg R., Kernen E. High quantum efficiency S‑20 photocathodes in photon counting detectors. JINST. 2016; 11: C04015. URL: http://iopscience.iop.org/1748–0221/11/04/C04015.
Mizuno I., Nihashi T. et al. Development of UV image intensifier tube with GaN photocathode. Proc. Of SPIE. 2008;6945. DOI:10.1117/12.778539.
АВТОРЫ
Кулов Сослан Кубадиевич, д. т. н., ген.дир., ООО ВТЦ «Баспик», г. Владикавказ, Россия.
Алкацева татьяна Даниловна, е. т. н., дир. по качеству, ООО ВТЦ «Баспик», г. Владикавказ, Россия.
Федотова Галина Васильевна, нач. лаб. МКП-детекторов, ВТЦ «Баспик», г. Владикавказ, Россия.
Сенцова Елена Игоревна, ст. инж., лаб. МКП-детекторов, ВТЦ «Баспик», г. Владикавказ, Россия.
Конфликт интересов
Статья подготовлена на основе работы всех членов авторского коллектива. Все авторы приняли участие в написании статьи и дополнили рукопись в части своей работы. Авторы декларируют отсутствие между ними конфликта.
Отзывы читателей
