Модули с ФЭУ фирмы HAMAMATSU Photonics

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.

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.

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.