INVESTICE  DO  ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
Ústav fyzikální elekotroniky Přírodovědecká fakulta, Masarykova univerzita, Brno
Fyzikální praktikum 3
liímr
Úkoly
1. Stanovte závislost koeficientu sekundární emise na energii elektronů dopadajících na dynodu. Vyneste do grafu i závislost ln(a/V) = f (V). Zjistěte, jestli koeficient sekundární emise a závisí na intenzitě osvětlení fotokatody.
2. Stanovte a vyneste do grafu závislost integrální citlivosti fotonásobiče a zesílení fotonásobiče na napětí na násobiči S = f(Ua) a M = f(Ua).
3. Stanovte integrální citlivost fotokatody k = If/Q.
4. Prověřte vliv temného proudu na přesnost měření.
Fotonásobič je elektro-optický přístroj používaný pro proměřování velmi nízkých světelných intenzit (například optických spekter). Příkladem použití jsou scintilační detektory, regulace jasu a expozice u některých rentgenových přístrojů nebo citlivé měřiče osvětlení a světelného toku. Jeho činnost je založena na využití dvou druhů elektronové emise: fotoemise a sekundární emise.
Fotoemise
Fotoemise, nebo také vnější fotoefekt, je charakterizována emisí elektronů z povrchu osvětleného tělesa. Podstatou jevu je přeměna energie světelného kvanta na výstupní práci a kinetickou energii elektronu, který pak může uskutečnit elektrickou vodivost průletem od jedné elektrody k druhé. Pro vnější fotoefekt platí následující zákony:
1. Počet elektronů emitovaných za jednotku času je úměrný intenzitě dopadajícího světla, tj. počtu dopadajících fotonů. Takto formulovaný Stoletovův zákon platí za předpokladu, že při změně intenzity světla zůstane spektrální složení světla nezměněno a že nedojde k saturaci fotokatody.
2. Rychlost elektronů vystupujících z povrchu fotokatody na intenzitě světla nezávisí.
3. Počáteční rychlost elektronů vq vystupujících z fotokatody roste se zvyšující se frekvencí dopadajícího záření podle Einsteinova zákona:
kde hu je energie kvanta monochromatického světla o kmitočtu v a w je efektivní výstupní práce elektronů z materiálu fotokatody.
Teorie
Návody pro fy z. praktikum (verze 17. února 2020)
2
Einsteinův zákon vede k představě tzv. červeného prahu fotoefektu. Vybereme-li takový nejnižší kmitočet dopadajícího světla v$, že platí:
hv0=w, (2)
pak elektrony vystupují z katody s rychlostí vq = 0. Je-li efektivní výstupní práce w > hv nemohou z fotokatody vystoupit žádné elektrony, protože energie světelného kvanta je nedostatečná. Kmitočet v$ se nazývá červený práh fotoefektu, závisí na materiálu fotokatody. U většiny kovů leží v ultrafialové části spektra, jen u alkalických kovů spadá do viditelné části spektra.
Stoletovův zákon definuje počet emitovaných elektronů - velikost fotoproudu z fotokatody pod vlivem dopadajícího světelného toku s konstantním spektrálním složením
If = fc(A)<&. (3)
Konstanta úměrnosti k(X) ve Stoletovově zákonu závisí na vlnové délce dopadajícího světla. V uvedeném vztahu je If primární proud elektronů z fotokatody a í> je světelný tok dopadající na fotokatodu. Závislost k(X) = f(X) se nazývá spektrální charakteristika fotokatody.
Sekundární emise
Dopadem urychlených elektronů s dostačující energií na vhodnou elektrodu (s energií vyšší jak výstupní práce materiálu elektrody), se z této elektrody mohou uvolnit nové elektrony. Mezi tyto tzv. sekundární elektrony zahrnujeme jak elektrony pouze odražené od povrchu, tak i nově uvolněné elektrony. Je-li energie primárních (dopadajících) elektronů dostatečně velká (několikanásobek výstupní práce materiálu elektrody), může počet sekundárních elektronů převýšit počet elektronů primárních. Poměr proudu sekundárních elektronů Isek a proudu primárních elektronů Iprim se nazývá koeficientem sekundární emise o a platí tedy:
hek ^
Iprim
a jeho velikost závisí na materiálu elektrod a na urychlujícím napětí podle vztahu:
a = A E • exp(-/i£) , (5)
kde A a \i jsou konstanty závislé na materiálu elektrod (tzv. dynod), E je energie elektronů dopadajících na dynodu, kterou je možné nastavit pomocí napětí mezi dvěma sousedními dy-nodami (V).
Princip činnosti fotonásobiče
Zjednodušené základní schéma fotonásobiče je na Obr. 1, jeho hlavní součásti jsou fotokatoda FK, řada dynod Di a anoda A. Napětí přivedené na jednotlivé elektrody je voleno tak, že postupně roste od katody přes jednotlivé dynody až k anodě.
Fotoelektrony emitované z fotokatody, například bílým světlem, dopadají na první dynodu, když jsou urychleny jejím potenciálem na dostatečnou energii. Na první dynodě dojde k sekundární emisi, takže ji opustí celkem I\ = alf elektronů. Tyto sekundární elektrony první dynody se stávají primárními elektrony druhé dynody, kde se děj opakuje. Tvar dynod a rozložení potenciálu kolem nich je takový, že téměř všechny elektrony, které opustí n - tou dynodu jsou urychleny polem n +1 dynody a na tuto dynodu dopadají. Elektrony z poslední dynody pak dopadají na anodu.
Celý postup zesílení elektronového toku z fotokatody lze zjednodušeně popsat následujícími vztahy. Proud elektronů z fotokatody If závisí na světelném toku dopadajícím na fotokatodu podle Stoletovova zákona pro bílé světlo:
If = k (6)
Návody pro fy z. praktikum (verze 17. února 2020)
3
Obrázek 1: Fotonásobič se šesti dynodami a koeficientem sekundární emise o = 2. <í> je světelný tok, FK je fotokatoda, D\ ~ Dq jsou jednotlivé dynody, A je anoda. Pro potenciály elektrod platí
UA>UD6> •••>UD1> UFK.
kde konstanta úměrnosti k odpovídá citlivosti fotokatody na bílé světlo obsahující fotony všech vlnových délek, a proto se nazývá integrální citlivostí fotokatody. V použitém násobiči je mezi každou dvojicí dynod stejné napětí (V). Nedochází-li v násobiči k žádným ztrátám elektronů, je tedy výsledný proud anody dán vztahem:
la = °n ■ If, (7)
kde n je počet dynod. Zesílení M fotonásobiče je pak dáno poměrem anodového proudu a foto-proudu podle vztahu:
M = an = —. (8) lf
Vzájemným dosazením uvedených výrazů dostaneme vztahy mezi zesílením, světelným tokem a výsledným anodovým proudem:
Ia = Mk $ = S $, S = Mk, (9)
kde S je integrální citlivost fotonásobiče (citlivost na bílé světlo obsahující fotony všech vlnových délek), k je zmíněná integrální citlivost fotokatody. Závislost zesílení na napětí na násobiči M = fi(Ua) a závislost integrální citlivosti na napětí na násobiči S = f2(Ua) charakterizují vlastnosti fotonásobiče.
Fotonásobič dává určitý nežádoucí proud i bez osvětlení - tzv. temný proud. Vzniká hlavně termoemisí z fotokatody a lze jej ochlazením fotokatody potlačit. Zpravidla je nutno tento temný proud při použití fotonásobiče respektovat a příslušné veličiny (proudy fotokatody, dynodami a anodou) na tento temný proud opravit.
Postup měření
Na Obr. 3 je znázorněno celé zapojení fotonásobiče. Veškerá měření provedeme v tomto zapojení. Počet dynod je 14. Část dynod je zapojena trvale, pouze mezi napěťový dělič a 10. a 12. dy-nodu zařaďte citlivé mikroampérmetry na měření proudu dynodami (určení koeficientu sekundární
Návody pro fy z. praktikum (verze 17. února 2020)
4
Obrázek 2: Aparatura pro měření úlohy: (1) Zdroj anodového proudu Ia. (2) Ochranný odpor. (3) Mikroampérmetr pro měření anodového proudu. (4) Komora fotonásobiče: a) Patice pro elektrické zapojení fotonásobiče. b) Otočný šroub šedého klínu. (5) Zdroj světla. (6) Zdroj vysokého napětí Ua.
emise). Vysokonapěťový stejnosměrný zdroj dodává proměnné napětí 400 - 600 V na napěťový dělič mezi fotokatodu a 14. dynodu. Mezi anodou a 14. dynodou je zařazen ochranný odpor, mikroampérmetr s rozsahem 100 fiA a urychlující stejnosměrný zdroj 80 V s polaritou + obrácenou směrem k anodě.
Osvětlení fotokatody je třeba provádět velmi pozorně, aby nedošlo k jejímu poškození. Světelný tok lze řízené měnit šedým klínem, umístěným před vstupem světla na fotokatodu. Popis ovládání šedého klínu je k úloze připojen včetně přiloženého grafu, z kterého lze odečítat hodnoty světelného toku 3>. Poškození citlivé vrstvy fotokatody může nastat při příliš silném osvětlení, kdy fotokatoda ztrácí trvale svoji citlivost. Při připojeném napětí Ua mezi fotokatodou a anodou nesmí být fotokatoda v žádném případě vystavena dennímu světlu.
Sestavená aparatura umožňuje nastavovat napětí na násobiči (Ua) a světelný tok na fotokatodu (<í>). Měřit je možné anodový proud (Ia), proudy desátou (ho) a dvanáctou (/12) dynodou a samozřejmě napětí Ua.
Pro 3 různé hodnoty světelného toku naměřte všechny veličiny, které potřebujete k získání závislosti koeficientu sekundární emise, integrální citlivosti fotonásobiče a zesílení násobiče na napětí. Při vypnutém zdroji světla stanovte vliv temného proudu na měření. Dále ověřte, zda koeficient sekundární emise (a) závisí či nezávisí na intenzitě osvětlení fotokatody. To provedete tak, že pro konstantní napětí na násobiči změříte koeficient sekundární emise pro všech 7 různých světelných toků $1,..., $7.
Předpokládáme-li, že dynody v násobiči jsou z téhož materiálu a že napětí mezi dvěma sousedními dynodami jsou stejná, lze koeficient sekundární emise určit z proudů ho a I12 pomocí vztahu:
Pomocí zjištěné hodnoty o můžeme určit i fotoproud If. Postup plnění zbývajících úkolů je zřejmý. Podle velikosti temného proudu na dynodách ho, l\2 a na anodě Ia při nulovém světelném toku
Návody pro fy z. praktikum (verze 17. února 2020)
5
Obrázek 3: Schéma elektrického zapojení fotonásobiče Napětí na násobiči Ua je rozděleno napěťovým děličem a je přivedeno na jednotlivé dynody. Při zapojování fotonásobiče do obvodu je třeba zapojit jen výrazně vyznačené spoje. Ostatní spoje jsou zapojeny trvale.
na fotokatodu í> = 0 rozhodneme, zda budeme provádět opravu při vyhodnocování měření s nenulovým světelným tokem (<í> / 0).
Tipy pro tvorbu protokolu: Výsledky měření budou přehlednější, když všechny analogické závislosti měřené pro různá osvětlení fotokatody vynesete společně do jednoho grafu a jednotlivé závislosti odlišíte např. barvou nebo typem symbolu. Pokud k měřené závislosti existuje teoretický vztah, je vhodné do příslušného grafu vynést kromě měřených hodnot i teoretickou závislost.
• Při měření budete pracovat i s napětím okolo 1 000 V, proto dbejte na vlastní bezpečnost.
• Anodový proud Ia použitého fotonásobiče nesmí přesáhnout 100 fiA. Při vyšších proudech může dojít ke zničení anody.
Užití v praxi
Fotonásobiče jsou součástí detekčních systémů elementárních částic, kterých se v praxi využívá v mnoha oborech od lehkého průmyslu přes lékařství až po časticovou fyziku a astrofyziku.
Z principu činnosti fotokatody je zřejmé, že samotný fotonásobič může sloužit pouze jako detektor viditelného světla a frekvenčně blízkých oblastí UV a IR záření. V detektorech jiných elementárních částic než jsou fotony ze zmiňované oblasti spektra (jedná se typicky o fotony rentgenového záření a elektrony) je před fotonásobič předřazen scintilační materiál. Při interakci detekované částice s materiálem scintilátoru vznikají fotony (nejčastěji se jedná o fotony z viditelné oblasti spektra), z nichž některé dopadají na fotokatodu fotonásobiče a předávají tak informaci o částicích zachycených ve scintilátoru. Detektory světla, UV a IR záření vybavené fotonásobičem
Fotonásobiče se používají jako detektory světla ve spektrometrech (absorpčních, emisních), které slouží k chemické analýze látek.
Návody pro fy z. praktikum (verze 17. února 2020)
6
Snímání světla fotonásobičem se uplatňuje při monitorování životního prostředí. Lze tak měřit například optickou propustnost prostředí, ze které se dá následně určit množství prachu obsaženého v atmosféře. Dále se využívá excitace molekul plynu a následné detekce světla uvolňovaného při deexcitaci. Tímto způsobem se měří koncentrace škodlivin jako např. oxidů síry a oxidů dusíku. Fotonásobiče nacházejí široké uplatnění v oblasti biologie a biotechnologie. Využívá se jich k detekci světla emitovaného, nebo odraženého od zkoumaných biologických struktur v zařízeních jakými jsou například citometry, konfokální laserové mikroskopy, nebo DNA sekvenátory.
V oblasti experimentální fyziky se fotonásobičů používá jako detektorů Cerenkovova záření vzniklého při brzdění částic vzniklých např. při různých srážkových procesech v urychlovačích. Speciálním experimentálním zařízením obsahujícím několik tisíc fotonásobičů je detektor neutrin v japonském Kamiokande.
Detektory obsahující kombinaci scintilátoru a fotonásobiče
V medicíně se se scintilačně-fotonásobičovými detektory můžeme setkat v různých rentgenových diagnostických přístrojích, jakými jsou například gama kamery nebo pozitronové emisní tomografy.
V časticové fyzice se těchto detektorů využívá v experimentálních zařízeních, mezi které patří například TOF čítače nebo kalorimetry, s jejichž pomocí lze určovat energie a trajektorie zkoumaných elementárních částic.
Pomocí fotonásobičových detektorů umístěných na palubách družic je snímáno rentgenové záření přicházející z okolního vesmíru.
Kombinace scintilátoru a fotonásobiče se dále využívá k měření radiace. Mezi monitorované oblasti typicky patří prostory kolem jaderných reaktorů, měření radiace se dále provádí například při celní kontrole zboží.
V průmyslové praxi se používá sond vybavených rentgenovým zářičem a scintilačně-foto-násobičovým detektorem například k měření množství ropy obsažené v hornině, nebo k měření tloušťky materiálu např. při výrobě papíru.
Kombinace scintilátoru a fotonásobiče se využívá k detekci elektronů při zobrazování vzorků v elektronových mikroskopech.
V mnoha výše jmenovaných oblastech jsou fotonásobiče postupně nahrazovány polovodičovými detektory. Děje se tak jak z důvodu miniaturizace, tak z důvodu snížení ceny výsledného zařízení. Pro detekci zpětně odražených elektronů se tak v elektronové mikroskopii můžeme často setkat s PIN diodami. V oblasti detekce viditelného světla lze pro některé aplikace fotonásobič nahradit lavinovou fotodiódu (APD = Avalanche Photo-Diode).
Literatura
[1] Chudoba T. a kol.: Fyzikální praktikum III. , skripta Přír. fak. UJEP v Brně (MU v Brně), SPN Praha 1986.
[2] Cečik, Fajnštejn, Lifšic: Elektronnyje umnožitěli, Moskva 1954.
[3] Ondráček Z. : Elektronika pro fyziky, Skriptum Přír. fak. MU, Brno 1998