Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2003 №4

Модули с ФЭУ фирмы HAMAMATSU Photonics

Орлов Сергей


Фотоэлектронные умножители (ФЭУ) - это приёмники оптического излучения, незаменимые при роботе с малыми уровнями оптического сигнала и высокими скоростями считывания. Модули, созданные на основе ФЭУ, - это новая группа оптико-электронных устройств, включающая помимо высоковольтного источника питания такие функции, как обработка сигнала, охлаждение, связь с компьютером. В данной статье представлен краткий обзор по модулям ФЭУ фирмы HAMAMATSU Photonics (Япония). Компактность и механическая прочность корпуса, простота использования, возможность наиболее точного выбора под конкретное применение из большого разнообразия модулей - это, несомненно, может заинтересовать.

Фотоэлектронные умножители (ФЭУ) в своем роде долгожители из прошлого века. Еще в 1930 году инженер Л.А. Кубецкий изобрел и запатентовал электронный прибор, в котором явление вторичной электронной эмиссии используется многократно. Заложенные базовые принципы работают и в современных вариантах ФЭУ, хотя сейчас это совершенно другие устройства благодаря конструкциям, материалам, технологиям. Полупроводниковая эра оставила для ФЭУ неизменной определенную нишу оптоэлектронных устройств, особенно для применений, где требуются работа с малыми уровнями света и высокими скоростями. Это прежде всего ряд разнообразных приложений в спектроскопии, медицине, биологии, физике. Вместе с тем ФЭУ — это приборы, применение которых не было простым из-за необходимости использования высоковольтного питания, дополнительных согласующих элементов и плюс к тому — их механическая хрупкость и возможность электрического повреждения.

Японская фирма HAMAMATSU Photonics хорошо известна специалистам в области оптоэлектроники. Разработка и производство электровакуумных приборов (в большинстве своем это ФЭУ)— лишь одно из направлений ее деятельности, где она занимает лидирующие позиции в мире. Можно напомнить, что именно корпорация HAMAMATSU стала «соавтором » Нобелевской премии в области физики в 2002 году. Разработанная уникальная конструкция ФЭУ с размером фотокатода 20" ( f508 мм)— самый большой ФЭУ в мире — была произведена в количестве 1100 штук. В подземной лаборатории (Kamiokande Neitrino Detector)в Японии, представляющей собой огромную емкость на глубине 1 км, заполненную водой, установленные специалистами HAMAMATSU 1100 ФЭУ участвовали в эксперименте результатом которого явилось в феврале 1987 года обнаружение нейтрино, путешествовавшего 170,000 световых лет от взрыва сверхновой звезды, зафиксированного как слабый сигнал в уникальных ФЭУ при взаимодействии этого слабого излучения с водой.

Не удивительно, что целый класс новых устройств — модулей на основе ФЭУ детально разработан и запущен в серийное производство именно фирмой HAMAMATSU. Как оптические чувствительные элементы, уникальные модули с ФЭУ позволяют проводить точные и быстрые измерения очень слабых световых потоков с чрезвычайным удобством использования. Их компактный корпус, приспособленный для простого крепления, содержит высоковольтный источник питания, что позволяет сосредоточиться непосредственно на измерениях, а не на настройке и монтаже ФЭУ и связанных цепей. Упрощенная конструкция ФЭУ расширяет и спектр его применений, в том числе в промышленных приложениях и в условиях слож-ной внешней среды.

Модули с ФЭУ, предлагаемые фирмой HAMAMATSU (рис.1), отвечают самым высоким требованиям, представляя собой большое разнообразие изделий, как для научных, так для промышленных применений.Они созданы как на основе традиционных ФЭУ (рис.1,а ), так и на базе ФЭУ со структурой динодов с металлическим каналом (рис.1,б ). Среди их числа можно сделать правильный выбор по характеристикам и размерам, аналоговому ц фровому выходу, с процессором и интерфейсом для управления и связи с компьютером и даже со встроенным затвором.

По функциональным характеристикам модули с ФЭУ можно сгруппировать по схеме, приведенной на рис.2.

Функциональная характеристика модулей ФЭУ

Благодаря применению новейших материалов для фотокатода, модули с ФЭУ перекрывают уже спектральный диапазон от 185 до 900 нм (мультищелочной фотокатод). Фотокатод на основе материалов GaAs и GaAsP обеспечивает уникальные параметры по квантовой эффективности до 12%и 40%, соответственно (серия H7422, рис.1, в ). Время нарастания менее 0,78 нс может быть получено в модулях на базе ФЭУ типа R7400U c восьмиступенчатой структурой динодов (промежуточных электродов), изготовленных из травленой металлической фольги. ФЭУ, помещенный в корпус ТО-8, обеспечивает усиление 10 6.

Для облегчения работы с ФЭУ, каждый модуль содержит высоковольтный источник питания (обычно питаемый от 15 В) и встроенный делитель напряжения. Таким образом, нет необходимости применять громоздкое отдельное питание, и пользователь вообще не имеет дела с высоким напряжением.

Корпус изделий рассчитан на удобное крепление, будь то лабораторная установка или прибор. Более того, в зависимости от применения, разнообразие конфигураций включает изделия со встроенным предусилителем, термоэлектрическим холодильником, дискриминатором или компьютерным интерфейсом. Эти же элементы имеются и как отдельные внешние блоки, применяемые совместно с другими устройствами с ФЭУ.

Благодаря этому широкому разнообразию изделий для аналоговых измерений и для счета фотонов, безусловно, есть возможность подобрать модуль, наилучшим образом подходящий для каждого из конкретных применений в физике, биологии и медицине, а также в полупроводниковом производстве и химической промышленности.Вот несколько типичных примеров применений: флюоресцентная корреляционная спектроскопия, чип-считыватель ДНК, многофотонная микроскопия, портативные устройства мониторинга сред, системы контроля в производстве подложек полупроводников.

Основные параметры производимых модулей с ФЭУ сведены в таблице.

Таблица. Основные параметры модулей с ФЭУ
Тип Номер серии **** Спектральный отклик (нм) Время отклика Tr (нс) Размер чувствительной области (мм) Габаритные размеры (мм) Напряжение питания (В)
Токовый выход H5773 серия 185 –900 0,78 диам.8 50х25х18 15
H5783 серия 22х22х50
H6779 серия 185 –900 0,78 диам.8 50х25х18 15
H6780 серия 22х22х50
H7422 серия 300 –890 0,78/1 диам.5,7 56х36х104 15
H7710 серия 185 –900 1,4 3,7х13 19х53х51 15
H8567 серия  
H7732 серия 185 –900 2,2 4х20 38х95х50 15
H7826 серия 300 –850 1,5 диам.15 26х50х56 15
Тип Номер серии Спектральный отклик (нм) Частотный отклик (<kГц) Размер чувствительной области (мм) Габаритные размеры (мм) Напряжение питания (В)
Выход по напряжению H5784 серия 185 –900 20 диам.8 22х22х60 +/–15
H7711 серия 185 –900 20 3,7х13 19х53х51 +/–15
H8568 серия
H7712 серия 185 –900 200 3,7х13 19х53х51 +/–15
H8569 серия
H8249 серия 185 –900 20,200 4х20 38х95х50 +/–15
H7827 серия 300 –850 20,200 диам.15 26х50х56 +/–15
Тип Номер серии Спектральный отклик (нм) Характеристики Размер чувствительной области (мм) Габаритные размеры (мм) Напряжение питания (В)
Внутренний процессор + Интерфейс H7468 серия 185 –900 Integration Time 40us to 500ms диам.8 35х50х60 5
Тип Номер серии Спектральный отклик (нм) Скорость счета (x 10 6 s –1 ) Размер чувствительной области (мм) Габаритные размеры (мм) Напряжение питания (В)
Счетчик фотонов H7155 серия 300 –650 1,5,10 диам.8 22х50х50 5
H7421 серия 300 –890 1,5 диам.5 56х36х104 5
H8259 серия 185 –900 2,5 4х20, 4х6 (–02 тип) 38х95х50 5
H7828 серия 300 –850 1,5 диам.15 26х50х56 5
H7360 серия 300 –850 6 диам.22 34dia х114 5
H7467 300 –650 1,5 диам.8 35х50х60 5
Тип Номер серии Спектральный отклик (нм) Характеристика Размер чувствительной области (мм) Габаритные размеры (мм) Напряжение питания (В)
С доп.функциями H7680 серия 300 –650 Время нарастания 1,7 ns диам.24 58х84х170 15

Квантовая эффективность представляет собой отношение числа фотоэлектронов на фотон и является очень важным показателем, определяющим соотношение «сигнал — шум ». Важно подобрать модуль с ФЭУ, имеющий высокую квантовую эффективность на длине волны измеряемого света.Для получения низкого предела чувствительности с хорошим соотношением «сигнал — шум » при измерении слабых потоков света, наряду с квантовой эффективностью необходимо учитывать темновой порог и темновой ток. Сравнение модулей с ФЭУ по их спектральным параметрам представлено на рис.3 –5.

Типовая квантовая эффективность (%)

Длина волны, nm H7732 H7732 01 H7710 11 H7710 15 H7826 H5773 06 H7422 40
200 14.9 27.3 11.8 12.4
300 4.1 20.2 28.9 19.5 20 18.5 6
400 18.6 18.6 27.3 13 25.7 18.9 28.2
500 11.6 11 16.4 5.8 17.3 12.4 40
600 2.2 3.5 5 0.9 2.4 1 36.1
700 0.1 0.7 7.7
Рис.3. Спектральные зависимости квантовой эффективности для модули с ФЭУ, чуствительных в диапазоне от ультрофиолета до видимого диапазона

Типовая квантовая эффективность (%)

Длина волны, nm H7710 13 H7710 14 H7732 10 H6780 02 H6780 04 H6780 20 H7422 50
200 29 21.3 15.8 11.5
300 32.9 22.3 23.8 5 20.1 3.4
400 31.3 18.3 22.9 9.6 18.6 8.9 2.3
500 25.7 16.6 15.4 14.4 11 18.3 8.8
600 18.6 12.9 9.3 11.1 6.1 15.9 12.9
700 9.7 3.5 5.7 5.2 2.6 12.8 13.7
800 4.3 0.1 2.7 1 0.2 7.4 13.9
Рис.4. Спектральные зависимости квантовой эффективности для модулей с ФЭУ, чувствительных в диапазоне от ультрофиолета до ближнего ИК-диапазона

Типовая чувствительность счета фотонов(s–1 ± pW –1)

Длина волны, nm H7155 H7421-50 H7421-40 H7360-01 H8259 H8259-01 H8259-02
200 1.1х10 5 1.4х10 5 1.1х10 5
300 1.2х10 5 6.3х10 4 1.0х10 5 2.1х10 5 2.7х10 5 2.5х10 5
400 2.7х10 5 3.3х10 4 4.0х10 5 2.6х10 5 2.6х10 5 3.3х10 5 3.0х10 5
500 2.2х10 5 1.6х10 5 7.0х10 5 1.4х10 5 1.9х10 5 3.2х10 5 2.5х10 5
600 2.1х10 4 2.7х10 5 7.6х10 5 3.6х10 5 7.5х10 4 2.0х10 5 2.3х10 5
700 3.4х10 5 1.9х10 5 1.5х10 3 1.4х10 5 6.8х10 4
800 3.9х10 5 1.6х10 4 7.5х10 4
900 2.8х10 3 3.0х10 2
Рис. 5. Спектральные зависимости чувствительности счета фотонов для модулей с ФЭУ

Резюмируя представленные материалы, можно дать следующую характеристику модулям ФЭУ по их параметрам:

  • Спектральный диапазон 185 –900 нм.
  • Временная характеристика до 0,78 нс по фронту нарастания.
  • Встроенные усилители и другие функциональные группы.
  • Рабочее напряжение 15/5 В.
  • Возможность питания от батарей элементов благодаря малому потреблению.

Подобные модули ФЭУ могут найти применение в лазерных радарах, многофотонной микроскопии, мониторах гигиены окружающей среды, спектральной радиометрии, а также в любых измерениях излучения малого уровня для высоких скоростей считывания вплоть до подсчета фотонов.

Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Компоненты и технологии PDF

 


Сообщить об ошибке