Fotokordisti

Fotokordisti

Dünoodid fotokordisti toru sees

Fotokordisti ehk fotoelektronkordisti on elektronseadis, milles elektromagnetkiirguse toimel fotokatoodist väljuvate elektronide voogu – fotovoolu – võimendatakse sekundaaremissiooni rakendades. Fotokordisti on tundlik optiline tajur, mis on suuteline võimendama foto voolu 100 miljonit korda (160 dB), võimaldades näiteks märgata ülinõrka valgusvoogu, isegi üksikut footonit.

Ajalugu

Fotokordisti leiutamine sai võimalikuks tänu kahele varasemale saavutusele, milleks on fotoelektriline efekt ja sekundaaremissioon.

Fotoelektriline efekt

Esimest korda demonstreeris fotoelektrilist efekti aastal 1887 Heinrich Hertz, kes kasutas seejuures ultraviolettkiirgust.^[1] Kaks aastat hiljem näitasid Julius Elster ja Hans Geitel sama efekti praktilistes katsetes leelismetallidega, kasutades nähtavat valgust.^[2] Tseesiumi lisamine on võimaldanud suurendada tundlike lainepikkuste vahemikku nähtava spektri punase osa suunas.

Ajalooliselt seostatakse fotoelektrilist efekti Albert Einsteiniga, kes 1905. aastal sellele nähtusele toetudes sõnastas kvantmehaanika põhimõtte.^[3] Kuigi Hertz tegeles juba 18 aastat varem samade katsetega, ei märganud ta, et eraldunud elektroni kineetiline energia on võrdeline sagedusega.

Sekundaaremissioon

Sekundaaremissiooni nähtust märgati algselt puhtelektrooniliste, mitte fototundlikkusega seotud leiutiste juures. 1902. aastal teatasid L. W. Austin ja J. Stark, et elektronkiirtega mõjutatud metallipinnalt eraldub rohkem elektrone kui tavaliselt.^[4] Kuid alles 1919. aastal tegi J. Slepian oma patendis ettepaneku äsja avastatud sekundaaremissiooni rakendamiseks elektrisignaali võimendamisel.^[5]

Esimesed fotokordistid

1920. aastatel kiirenes elektrovaakumseadiste (elektronlampide ja elektronkiiretorude) tehnoloogia arengutempo ja valmisid fotokordisti leiutamiseks vajaminevad osised. Loogiline jätk sellele oli televisioonikaamera väljatöötamine. Fotokordisti tehnoloogia seisukohalt oli oluline tundlike telekaameratorude (nt ikonoskoobi) leiutamine. Seega oli loodud alus ühendamaks fotoemissioon sekundaaremissiooniga, mis võimaldaski luua praktilise fotokordisti.

1934. aasta alguses dokumenteeris firma RCA esimese fotokordisti esitluse. Harley Iams ja Bernard Salzberg olid esimesed, kes paigaldasid vaakumtorusse fotokatoodi ja sekundaaremissioonelektroodi . Seadis koosnes poolsilindrilisest fotokatoodist, teljele paigaldatud sekundaaremitterist ja seda ümbritsevast kollektorvõrest (anoodist). Torul oli ligikaudu kaheksakordne võimendus. Enne 1934. aasta juunit jõutigi lõpliku lahenduseni, nagu ka IEEE-le (Elektri- ja Elektroonikainseneride Instituut) esitatud kirjas.^[6]

Sekundaarelektrone emiteerivat elektroodi hakati edaspidi nimetama dünoodiks.

Püüeldi aina suurema võimenduse suunas. Samas oli katseliselt tõestatud, et sekundaarelektronide hulk on piiratud, sõltumata kiirendavast pingest. Seepärast seati eesmärgiks mitmeastmelised fotokordistid, kus fotoelektronide hulka saaks järk-järgult mitmekordistada, kasutades fotoelektronide põrkumist järjest kõrgemalt pingestatud elektroodidega. Algselt rakendati elektronide edasisuunamiseks tugevat magnetvälja, mis painutas elektronide trajektoore. Selle meetodi esitas 1919. aastal J. Selpian.

Sealt alates pöörasid juhtivad rahvusvahelised teadusorganisatsioonid peatähelepanu mitmeastmeliste fotokordistite täiustamisele, et saavutada suurem võimendus. NSV Liidus demonstreeris 28-aastane Leonid A. Kubetski fotokordistit, mis saavutas 1000-kordse võimenduse. Seadet kutsuti "Kubetsky toruks"^[7] ja see esitati 1936. aasta juulis avaldamiseks teaduskomisjonile.^[8] See seade kasutas sekundaarelektronide suunamiseks magnetvälja ja Ag-O-Cs- (hõbeoksiid-tseesium) fotokatoodi, mida General Electric oli tutvustanud 1920. aastatel.

1935. aasta oktoobriks esitasid RCA leiutajad ja insenerid (V. Zvorõkin, G. A. Morton ja L. Malter]]) esimese mitmedünoodilise fotokordisti üksikasjalise kirjelduse^[9] IEEE-le. RCA fotokordistite prototüüp kasutas samuti Ag-O-Cs-footonkatoodi. Nad saavutasid 800 nm lainepikkusega valguse juures 0,4-protsendilise kvantefektiivsuse.

Kui varasemad fotokordistid kasutasid magnetväljade põhimõtet, siis RCA Princetoni labori liige J. A. Rajchman tutvustas 1930. aastate lõpul elektrostaatilisi fotokordisteid. Need saidki kaubanduslike fotokordistite standardiks (esimene masstootmisse läinud fotokordisti oli tüübinumbriga 931).^[10]

Fotokatoodide täiustamine ja standardimine

1936. aastal valmistas P. Görlich varasematesttunduvalt täiuslikuma Cs₃Sb-fotokatoodi.^[11] Tseesium-antimon-fotokatoodiga parandati oluliselt kvantefektiivsust (400 nm lainepikkusega valguse korral 12%). Seda kasutati RCA esimestes kaubanduslikult edukates fotokordistites (tüüp 931) nii fotokatoodina kui ka dünoodide sekundaarkiirgava materjalina.

Tootmise standardiseerimiskomitee JEDEC (Joint Electron Devices Engineering Council) töötas 1940. aastate alguses välja spektraalkarakteristikute määratlemise standardi.^[12] Erinevate fotokatoodide ja akende materjalide kombinatsioonidele määrati spektraalnumbrid S-1 kuni S-40, mida kasutatakse tänapäevani. Näiteks kasutatakse S-11 tseesium-antimon-fotokatoodiga koos lubiklaasakent, S-13 puhul kasutatakse sama fotokatoodi koos kvartsklaasaknaga ning S-25 puhul kasutatakse nn mitmeleeliselist fotokatoodi (Na-K-Sb-Cs), mis pikendab reaktsiooni nähtava valguse spektri punases osas.^[13]

Ehitus ja talitlus

Fotokordisti (koos stsintillaatoriga)

Fotokordisti on kõrgvaakumini tühjendatud klaastoru, mille sees asuvad fotokatoodid, elektronkordisti ja anood. Elektronkordisti koosneb mitmest elektroodist, mida nimetatakse dünoodideks.

Seadmesse sisenemisel põrkuvad langevad footonid vastu õhukest fotokatoodi kihti. Toimunud fotoelektrilise efekti tagajärjel eralduvad elektronid. Koondav elektrood suunab need elektronid elektronkordisti poole, kus sekundaaremissiooni käigus elektronide hulka suurendatakse. Iga järgnev dünood on kõrgema positiivse pingega kui eelmine. Fotokatoodilt lahkuvaid elektrone kiirendatakse nende kulgemisel esimese dünoodi suunas elektrivälja abil ning nad jõuavad sihtkohta palju suurema energiaga. Tabades esimest dünoodi, eralduvad uued madalama energiaga elektronid, mida omakorda kiirendatakse järgmise dünoodi suunas. Dünoodide jada geomeetria on selline, et igal järgmisel põrkumisel toimub aina suurema koguse elektronide eraldumine. Lõpuks jõuab elektronide voog anoodini, kus laengu kasvu tagajärjel tekib pingeimpulss, mis annab märku footoni saabumisest fotokatoodile.

Valguse sisenemine fotokordistisse võib toimuda kahel erineval režiimil. Edasikanderežiimi puhul siseneb valgus lamedast ümmargusest otsast ja läbib fotokatoodi. Peegeldamisrežiimi korral siseneb valgus toru küljel olevast avast ja langeb läbipaistmatule fotokatoodile.

Fotokordistid vajavad 1000–2000-voldist pinget, et elektrone dünoodide ahelas piisavalt kiirendada. Madalaim pinge on katoodil ja kõrgeim pinge anoodil. Eelistatakse negatiivse kõrgepingega toidet (maandatud plussiga). Selline seadistus võimaldab fotoelektrilist voolu mõõta vooluringi madalama pingega poolelt, nii et sellele järgnevad võimenduslülitused saaksid töötada madalal pingel.

Pinged jaotatakse dünoodidele takistuslike pingejaguritega. On kasutusel erinevate rakenduste jaoks sobivaid jagurimudeleid, sõltuvalt vajalikest sagedusomadustest ja reaktsioonikiirustes.

Fotokatoodi materjalid

Sõltuvalt materjalidest on fotokatoodidel erisugused omadused. Eeldatavalt on materjalidel küll hea emissioonivõime, kuid paraku kaasnevad termoemissioon, pimevool ja müra (seda on võimalik vähendada fotokatoodi jahutamisega).

Levinumad fotokatoodimaterjalid on järgmised:^[14]

• Ag-O-Cs, tuntud ka nimega S1 – tundlik vahemikus 300–1200 nm, suur pimevool; peamiselt kasutatakse infrapuna-lähedastel sagedustel, kusjuures fotokatoodi vajab jahutamist.
• GaAs:Cs, tseesium-aktiveeritud galliumarseniit – kõige aktiivsem 300–850 nm juures.
• InGaAs:Cs, tseesium-aktiveeritud indiumgalliumarseniit – tundlikum infrapunasele kui GaAs:Cs; lainepikkustel 900–1000 nm on palju suurem signaali-müra suhe kui Ag-O-Cs-il.
• Sb-Cs, tseesium-aktiveeritud antimon – reageerimisvahemik ultravioletsest kuni nähtava valguseni; kasutatakse laialdaselt peegeldamisrežiimi fotokatoodides.
• Kaksikleelis Sb-K-Cs, Sb-Rb-Cs, tseesium-aktiveeritud antimonrubiidium või antimoni ja kaaliumi sulam – sarnaneb Sb-Cs-iga, aga on suurema tundlikkusega ja madalama müratasemega; võib kasutada edasikanderežiimi jaoks; eelisreaktsioon NaI:T1 stsintillaatori sähvatustele, mistõttu kasutatakse neid laialdaselt gammaspektroskoopias ja kiirguse tuvastamisel.
• Kõrgetemperatuuriline kaksikleelis Na-K-Sb – suudab töötada kuni 175 °C juures; kasutatakse pinnaseproovide korral; väike pimevool toatemperatuuril.
• Multileelis Na-K-Sb-Cs – laialdane spektraalne reaktsioon ultravioletsest kuni infrapunase valguseni; katoodi erilise töötlemisega on võimalik laiendada tuvastatavate lainepikkuste vahemikku kuni 930 nm-ni; kasutusel laiaribalistes spektraalfotomeetrites.
• Cs-Te, Cs-I) – tundlik vaakum-ultravioletsele ja ultravioletsele valgusele, ei reageeri nähtavale valgusele (päiksepime) ega infrapunakiirgusele (CsTe tundlikkus lõpeb 320 nm ja CsI 200 nm lainepikkuse juures).

Akna materjalid

Peale fotokatoodimaterjalide mõjutavad kordisti talitlust ka akna materjali läbilaskvus ja dünoodide asetus. Aken on fotokordisti element, mida valgus läbib fotokordistisse sisenedes.

Fotokordisti aknad töötavad lainepikkusfiltritena – äralõigatud lainepikkused jäävad fotokatoodi tundlikkuse piirkonnast välja.

• Boorsilikaatklaasi kasutatakse enamasti infrapunalähedase valguse korral, lainepikkus kuni 300 nm. Väga madala kaaliumisisaldusega klaasi võib kasutada koos kaksikleeliseliste fotokatoodidega, et vähendada kaalium-40 isotoobi taustkiirgust.
• Ultraviolettklaas laseb läbi nähtavat ja ultravioletset valgust lainepikkusega kuni 185 nm. Kasutatakse spektroskoopias.
• Sünteetiline kvarts laseb läbi valgust lainepikkusega kuni 160 nm, neelab vähem ultravioletset valgust kui kvartsklaas. Vajab amortiseerivat tihendit akna ja ülejäänud toru vahel.
• Magneesiumfluoriid laseb läbi ultravioletset valgust lainepikkusega kuni 115 nm.

Kasutusalad

Fotokordisteid kasutatakse tuumafüüsikas, osakestefüüsikas, astronoomias, spektromeetrias, meditsiinidiagnostikas, sh vereanalüüsis, koos stsintillaatoriga (sähvatusluminofooriga) radioaktiivsuse ja osakeste kiirguse tuvastamiseks füüsikakatsetes.^[15] ja mujal.

Kuigi fotokordistite alternatiiviks on pooljuhtseadised, eriti laviinfotodioodid, sobivad fotokordistid ideaalselt rakenduste puhul, mis nõuavad madalat mürataset ja nõrga suunatud kiirguse kõrgtundlikku tuvastamist.

Footoneid loendav andur pakub huvi rakenduste puhul, mis on seotud kvantinformatsiooni ja kvantkrüptograafiaga. Fotokordisti tehnoloogia elemente kasutatakse ka öönägemisseadmetes.

Sisselülitatud fotokordisteid tuleb kaitsta ümbritseva valguse eest, et vältida nende hävimist üleergastatuse tõttu. Fotokordisteid peab kaitsma ka tugeva magnetvälja eest, sest see mõjutab elektronide trajektoori.^[14]

Viited

1. H. Hertz (1887). "Ueber einen Einfluss des ultravioletten Lichtes auf die electrische Entladung". Annalen der Physik. 267 (8): 983–1000. Bibcode:1887AnP...267..983H. DOI:10.1002/andp.18872670827.
2. Elster, Julius; Geitel, Hans (1889). "Ueber die Entladung negativ electrischer Körper durch das Sonnen- und Tageslicht". Annalen der Physik. 274: 497. Bibcode:1889AnP...274..497E. DOI:10.1002/andp.18892741202.
3. A. Einstein (1905). "Über einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt" (PDF). Annalen der Physik. 322 (6): 132–148. Bibcode:1905AnP...322..132E. DOI:10.1002/andp.19053220607.
4. H. Bruining, Physics and applications of secondary electron emission, (McGraw-Hill Book Co., Inc.; 1954).
5. J. Slepian, Westinghouse Electric, "Hot Cathode Tube" (US Patent 1450265), Issued April 3, 1923 (Filed 1919)
6. Iams, H.; Salzberg, B. (1935). "The Secondary Emission Phototube". Proceedings of the IRE. 23: 55. DOI:10.1109/JRPROC.1935.227243.
7. Lubsandorzhiev, B (2006). "On the history of photomultiplier tube invention". Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 567: 236. arXiv:physics/0601159. Bibcode:2006NIMPA.567..236L. DOI:10.1016/j.nima.2006.05.221.
8. Kubetsky, L.A. (1937). "Multiple Amplifier". Proceedings of the IRE. 25: 421. DOI:10.1109/JRPROC.1937.229045.
9. Zworykin, V.K.; Morton, G.A.; Malter, L. (1936). "The Secondary Emission Multiplier-A New Electronic Device". Proceedings of the IRE. 24: 351. DOI:10.1109/JRPROC.1936.226435.
10. J. Rajchman and E.W. Pike, RCA Technical Report TR-362, "Electrostatic Focusing in Secondary Emission Multipliers," September 9, 1937
11. Görlich, P. (1936). "Über zusammengesetzte, durchsichtige Photokathoden". Zeitschrift für Physik. 101: 335. Bibcode:1936ZPhy..101..335G. DOI:10.1007/BF01342330.
12. "Relative spectral response data for photosensitive devices ("S" curves)," JEDEC Publication No. 50, Electronic Industries Association, Engineering Department, 2001 I Street, N.W., Washington, D.C. 20006 (1964)
13. "Hamamatsu PMT Handbook" (PDF). Originaali (PDF) arhiivikoopia seisuga 25. oktoober 2005. Vaadatud 21.04.2009. p. 34, Table 4-1: Typical Spectral Response Characteristics, Transmission Mode Photocathodes
14. Photomultiplier Tubes. Construction and Operating Characteristics. Connections to External Circuits^{[alaline kõdulink]}, Hamamatsu
15. Photomultiplier Tubes Used in Radiation Detection