Referát z 34OPT
vypracoval: Martin Řehák



Photomultiplier Tubes See the Light
- One Photon at a Time
(Photonics Dec. 1996)



Princip činnosti:

Planck princip fotonásobiče


     Fotonásobič využívá vnější fotoelektrický efekt. Skládá z vyčerpané skleněné baňky na jejíž části je (zevnitř) nanesena fotokatoda, elektrodového systému dynod (typ. kolem 10-ti) a anody. Foton zkoumaného záření dopadne na fotokatodu. Je-li frekvence záření vyšší než kritická, dojde k překonání výstupní práce materiálu fotokatody a emisi elektronu. Statisticky ne každý vhodný foton vybudí elektron, což udává tzv. kvantová účinnost fotokatody. Fotokatoda má nejnižší elektrický potenciál ze všech elektrod. Další elektrody-dynody mají potenciál vyšší (obvykle rovnoměrně odstupňovaný) a anoda nejvyšší. Tím je dosaženo, že elektron emitovaný z fotokatody je elektrickým polem urychlován k první dynodě. Ta je pokryta materiálem s činitelem sekundární emise > 1, tzn. že při dopadu jednoho elektronu emituje více elektronů. Protože potenciál další dynody je vyšší než potenciál předchozí jsou elektrony opět urychlovány směrem k další dynodě. Tím dochází k lavinovému násobení elektronů, které jsou nakonec zachyceny anodou. Typický zisk je řádu 10^5-10^7.
     Pro napájení fotonásobiče je třeba napětí kolem 1000V i více. Dříve se používal vn zdroj a odporový dělič,

napájení dynod děličem

dnes spíše diodový kaskádní násobič.
napájení dynod násobičem


historické fotonásobiče ČSSR a SSSR

fotonásobič FEU-35 fotonásobič FEU-35 - datasheet

fotonásobič 61KP412 fotonásobič 65KP423 fotonásobič FEU-31

současné zahraniční fonásobiče

fotonásobič R4443 fotonásobič OMNIS


Pracovní režimy fotonásobičů:
     Signál z fotonásobiče lze vyhodnocovat analogově nebo číslicově. V prvním případě stačí anodu zapojit přes rezistor a snímat na něm úbytek napětí, který se buď zesílí nebo rovnou měří voltmetrem (sloužícím i jako integrátor) Střední hodnotě proudu fotonů pak odpovídá střední hodnota napětí. V druhém režimu, tzv. čítání fotonů se používá složitější obvod:
čítač fotonů
     signál se nejprve zesílí, komparátorem se oddělí pulsy s dostatečnou amplitudou od šumu a dále se signál vytvaruje a převede na standardní logické úrovně TTL. Impulsy je pak možno počítat běžným čítačem nebo zaznamenávat počítačem. Tato metoda je složitější ale dosahuje většího odstupu šumu a stability.

Parametry fotonásobičů:
konstrukční: plocha a tvar fotokatody, počet a tvar dynod, baňka, patice...
elektrické:
-spektrální charakteristika citlivosti
-zisk (průměrný počet elektronů na anodě vybuzených jedním fotonem)
-citlivost fotokatody [uA/lm]
-citlivost anody [A/lm]
-anodový proud za tmy [nA]
-doba průletu elektronu [ns]
-doba náběhu impulsu [ns]
-max. anodové napětí [V]
-max. anodový střední proud [mA]


spektrální charakteristika fotonásobiče Hamamatsu R2066
spektrální char. R2066
Katalogové údaje fotonásobiče Hamamatsu R2066

     Fotokatoda a dynody vlivem tepelných kmitů mřížky emitují elektrony i když zrovna nedopadá žádné záření. Vzniká tak výstřelový šum. Odpovídající střední hodnota anodového proudu se pak nazývá temný proud nebo proud za tmy. Pokud je nežádoucí elektron emitován na některé z dalších dynod, nedojde k plnému zesílení a výsledný impuls má znatelně menší amplitudu než impuls vyvolaný fotonem. Pokud využíváme režim čítání fotonů, nastavíme komparátor tak, aby na tyto menší impulsy nereagoval. Problém je však v tom, že zisk jednotlivých dynod kolísá a tak i regulérní impuls může mít někdy menší amplitudu, která by mohla být zaměněna se šumem. Nastavení rozhodovací úrovně je tedy třeba volit opatrně. Každopádně získáme znatelně lepší odstup signál/šum než při prostém integrálním měření.

Vývoj fotonásobičů:
     Fotonásobiče se už vyrábí desítky let. U nás je vyráběl VÚVET (Výzkumný Ústav Vakuové ElektroTechniky). Stále se zvyšuje kvantová účinnost fotokatod a rozšiřuje oblast spektrální citlivosti. Díky rozvoji, integraci a poklesu cen polovodičů se stále více využívá režim čítání fotonů a fotonásobiče se integrují do malých kompaktních bloků spolu s elektronikou. Širokou nabídku fotonásobičů dnes dodává např. japonská firma Hamamatsu.

Využití fotonásobičů:
     Jednoduše všude tam, kde je potřeba detekovat slabé světelné záření s velkým odstupem signál/šum. Např. v potravinářství se využívá ATP (Adenosine TriPhosphate [využívaný buňkami k ukládání energie]) bioluminiscence ke kontrole výrobního zařízení na kontaminaci bakteriemi. Zkoumaná plocha se potře speciální směsí chemikálií, která narušuje buněčné stěny bakterií a uvolní z nich ATP. ATP oxiduje určitou složku směsi, která pak slabě světélkuje. Toto světélkování se pak měří pomocí fotonásobiče a je přímo úměrné množství bakterií. Klasická metoda zkoumání vzorků v laboratoři by jinak trvala několik dní. Podobně se tato metoda využívá i v lékařství ke zkoumání krve.

Využití v astronomii:
     Projekt OMNIS (Observatory for Multiflavor NeutrInos from Supernovae), Km3 group, IceCube...
Při zániku supernovy (k této události dochází v naší galaxii každých 10-30let) se uvolní energie řádu 10^46 J během asi 10 s. To je 1000x více energie než vydá naše Slunce během celé své doby života. Z toho se 99% vyzáří ve formě neutrin. Neutrina velmi málo interagují s hmotou a podaří se jich zachytit jen několik. Pro tento účel bylo postaveno několik obřích detektorů využívajících fotonásobiče.
     Detektor se skládá z několika bloků:
1) scintilátor, je materiál v němž dochází při průletu částice ke vzniku Čerenkova záření (emise fotonů při průletu částice jejíž rychlost je větší než rychlost světla v daném materiálu). Každá částice generuje řádově tisíce fotonů. Používá se voda, led, plasty, organické látky...
2) světlovod, který koncentruje generované fotony na vhodnou plochu a přivádí je k fotokatodě fotonásobiče

scintilátor         světlovod

3) fotonásobič jenž detekuje fotony a násobicím efektem vygeneruje dostatečný proudový impuls
4) vyhodnocovací elektronika jenž převede fotoproud na digitální signál + čítač

fotonásobič do ledu         elektronika čítače fotonů

     Abychom byli schopni detekovat malé množství neutrin přicházejících z kosmu, má scintilátor rozměry řádu km v podobě ledu či vody. Na světě fungují zatím dvě tyto zařízení: AMANDA (Antarctic Muon And Neutrino Detector Array) v ledovci na Jižním pólu a BAJKAL v jezeře Bajkal na Sibiři. Další dvě, NESTOR - Řecko a ANTARES - Francie, jsou ve vývoji. V rámci projektu AMANDA byla do ledovce vyvrtána 2-kilometrová díra pomocí proudu horké vody (3-4 dny). Do ní byl ponořen řetězec kulových fotonásobičů s vestavěnou elektronikou a do 36-ti hodin voda zmrzla. Data z fotonásobičů se pak vyhodnocovala počítačem.

vrtání ledovce


Creatin ethyl ester nejsilnější forma creatinu