Изобретение относится к области электронной техники и может быть использовано для регистрации слабых световых сигналов в исследованиях по физике высоких энергий, ядерной физике, применяться в радиационной медицине, оптике и в других различных технических приложениях, в том числе для использования в многоканальных системах регистрации световых сигналов.
Известны конструкции фотоумножителей с цилиндрическими стеклянными корпусами, торцевыми полупрозрачными фотокатодами и умножительными системами на основе активированных металлических динодов различных типов, имеющих размеры диаметров корпусов не менее 10 мм, например, фотоумножитель R414 фирмы Hamamatsu (каталог "PHOTOMULTIPLIERS, photomultipliers, Solar Blind photomultipliers and Biplanar Phototubes"), 2003 г. Дальнейшее уменьшение диаметра корпусов фотоумножителей приводит к усложнению технологии изготовления приборов и соответствующему увеличению их стоимости.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является конструкция фотоумножителя с умножительной системой каналового типа (Perkin Elmer optoelectronics. "Channel photomultipliers. Overview and Specifications"), состоящая из полупрозрачного фотокатода и каналового умножителя - стеклянного капилляра с раструбом на входе и внутренней поверхностью, покрытой электропроводящим слоем (обычно окисью свинца), обладающим эффективной вторичной электронной эмиссией. Минимальный диаметр подобных фотоумножителей фирмы Perkin Elmer optoelectronics составляет 10.5 мм. Недостаточная эффективность собирания фотоэлектронов в умножительную систему, потеря эффективности их регистрации на входе в умножительную систему, связанная с относительно невысокой величиной коэффициента вторичной эмиссии каналового умножителя, не превышающая значения 3, и величина диаметра приборов, составляющая более 10 мм, затрудняют использование указанных ФЭУ для эффективной и, особенно, многоканальной регистрации черенковского или сцинтилляционного излучений, обеспечивающей высокое пространственное разрешение.
Техническими результатами данного изобретения являются существенное повышение эффективности собирания фотоэлектронов, выбитых из фотокатода, в умножительную систему, увеличение эффективности регистрации фотоэлектронов в умножительной системе и уменьшение поперечных размеров фотоумножителя до значений менее 10 мм. Предлагаемый фотоумножитель содержит стеклянный цилиндрический секционированный корпус с торцевым окном, торцевой полупрозрачный фотокатод, манжету фотокатода и электрод-диафрагму, составляющие фотокатодную камеру, вторично-эмиссионный умножитель электронов по заявке на изобретение №2007126018/09 (028325), состоящий из электрода-диафрагмы, проводящей резистивной пленки, нанесенной на внутреннюю поверхность стеклянного цилиндрического корпуса и обладающей высоким значением коэффициента вторичной эмиссии, тонкую проводящую нить, расположенную по оси цилиндра, анодный узел и выводы от электродов, выполненных в виде металлических колец, впаиваемых между секциями стеклянного корпуса ФЭУ. Данная конструкция обеспечивает близкую к 100% эффективность регистрации и дает возможность существенно уменьшить поперечные размеры фотоумножителя по сравнению с прототипом. На фиг.1 показан общий вид прибора, а на фиг.2 - его продольное, вдоль оси цилиндрического корпуса, сечение.
Заявляемый фотоумножитель содержит цилиндрический стеклянный секционированный корпус 7 с торцевым окном 1 и нанесенным на его внутреннюю поверхность фоточувствительным слоем - полупрозрачным фотокатодом. Фоточувствительный слой наносится также на внутреннюю поверхность цилиндрического корпуса вблизи торцевого окна фотокатода и образует манжету фотокатода. Внутри корпуса последовательно расположены вдоль продольной оси прибора: кольцевой металлический ввод 2, обеспечивающий контакт с манжетой фотокатода и через нее с фотокатодом; электрод-диафрагма 3 с кольцевым металлическим вводом, обеспечивающим также контакт к началу проводящей резистивной пленки 5 вторично-эмиссионного умножителя электронов, нанесенной на внутреннюю поверхность стеклянного цилиндрического корпуса и обладающей высоким значением коэффициента вторичной эмиссии; иглообразный металлический электрод с металлической конусообразной манжетой 4, электрически соединенный с электродом-диафрагмой и скрепленный через стеклянный изолятор с тонким осевым электродом 6 вторично-эмиссионного умножителя электронов; кольцевой металлический ввод 8, обеспечивающий контакт к концу проводящей резистивной пленки 5; анодный узел 9 с кольцевым металлическим вводом.
Фотоумножитель работает следующим образом. Падающее на фотокатод 1 световое излучение вызывает фотоэлектронную эмиссию. Фотоэлектроны, сфокусированные электрическим полем между фотокатодом, манжетой фотокатода и электродом-диафрагмой, составляющими фотокатодную камеру, пролетают через отверстие в диафрагме во вторично-эмиссионный умножитель электронов, где под действием электрического поля вблизи игловидного электрода попадают на начало проводящей резистивной пленки с высоким значением коэффициента вторичной эмиссии, вызывая вторичную электронную эмиссию. Вторичные электроны под действием электрического поля между внутренней поверхностью корпуса и тонким осевым электродом движутся к оси прибора, а под действием распределенного вдоль резистивной пленки потенциала набирают скорость в направлении оси прибора. При толщине осевого электрода 20-50 мкм только незначительная часть вторичных электронов сталкивается с ним, основная же часть вторичных электронов пролетает мимо электрода и при дальнейшем движении они сталкиваются с резистивной пленкой и выбивают новые вторичные электроны. Указанный процесс повторяется многократно, что позволяет получить коэффициент умножения умножительной системы (длиной около 5 см), превышающий 106. В конце умножительной системы вторичные электроны собираются на аноде, с которого снимается электрический сигнал. Длительность электрического сигнала с анода фотоумножителя от отдельного фотоэлектрона не превышает нескольких наносекунд.
