Фотоэлектронные умножители (ФЭУ) в регистрации одиночных фотонов

В настоящей статье будут подробно рассмотрены фотоэлектронные умножители (ФЭУ), представляющие собой альтернативу технологиям полупроводникового однофотонного счёта, с которыми можно подробно ознакомиться по ссылке. В прошлой статье рассматривались основные типы полупроводниковых фотодетекторов и, в частности, те, что применяются для счёта одиночных фотонов. Эти приборы активно используются в квантовой оптике и телекоммуникациях. В свою очередь, ФЭУ – это вакуумные электронные трубки с высоким усилением (до 10⁶–10⁸), также способные преобразовывать единичные фотоны в различимый электрический импульс.

Принцип действия ФЭУ и их конструкция

Рисунок 1: Схематическое устройство стандартного торцевого ФЭУ.

ФЭУ работают на основе внешнего фотоэффекта: при падении фотона на фотокатод из материала с низким фотоэлектрическим порогом выбивается первичный электрон. Этот фотоэлектрон ускоряется электрическим полем и попадает на первый из серии динодов (обычно 6–14 каскадов), каждый из которых под высоким внешним напряжением создает вторичную эмиссию. На каждом диноде один электрон рождает несколько вторичных, поэтому общий ток на аноде возрастает в миллион и более раз. Так слабый световой сигнал преобразуется в короткий импульс тока амплитудой от единиц до десятков миллиампер. Типичные коэффициенты усиления для ФЭУ достигают 10⁶–10⁸.

Основные элементы стандартного ФЭУ показаны на рисунке 1: это входное окно (чаще всего из кварца), куда направляется световой сигнал, фотокатод, из которого фотоны выбивают первичные электроны, фокусирующие электроды, которые направляют поток электронов на диноды, и последовательность динодов, на которых происходит умножение первичных электронов, завершённая анодом, где все электроны принимаются и идут на выходные контакты. Вакуумная колба обычно покрыта снаружи непрозрачным экраном, чтобы исключить постороннее световое воздействие. ФЭУ питается высоким напряжением порядка сотен вольт на фотокатод и до ~1–1.5 кВ на динодную систему. За счёт высоких напряжений и вакуумной среды ФЭУ обеспечивают очень быстрый отклик (время нарастания импульса порядка 1–3 наносекунд у типовых моделей).

ФЭУ характеризуются высокой чувствительностью и очень низким собственным шумом при коротких импульсах, хотя их квантовая эффективность (вероятность выбить электрон из фотокатода) типично ниже, чем у лучших полупроводниковых детекторов. Зато ФЭУ дают значительную площадь фотокатода (до сотен см²) и широкий спектральный диапазон работы (от глубокого УФ до видимого), что делает их незаменимыми там, где требуется охватить большой световой поток или много длин волн.

Рисунок 2: Схематическое устройство МКП-ФЭУ.

Помимо классических ФЭУ с динодной системой, существуют фотоэлектронные умножители на микроканальных пластинах (МКП-ФЭУ), в которых каскадное усиление происходит внутри миллионов микроскопических каналов. Общее строение МКП-ФЭУ представлено на рисунке 2. Такая конструкция обеспечивает значительно меньшее временное размытие сигнала, благодаря чему МКП-ФЭУ широко применяются в задачах времяпролётных измерений, квантовой оптики и регистрации сверхкоротких световых импульсов.

Бренд Photoneast предлагает микроканальные ФЭУ с большой фоточувствительной площадью, использующие катод Sb-K-Cs, который имеет высокую квантовую эффективность для фотонов в диапазоне длин волн 350-450 нм. В этой модели в качестве системы умножения используются наложенные друг на друга две микроканальные пластины, что позволяет достичь электронного усиления более 10⁷. Малое расстояние умножения в МКП обеспечивает превосходное временное разрешение. Характеристики продукта могут быть настроены в соответствии с требованиями заказчика. В настоящее время основными продуктами являются 8-дюймовые и 20-дюймовые MCP-PMT. На рисунке 3 представлен внешний вид таких МКП-ФЭУ серии N6ххх.

Рисунок 3: Внешний вид МКП-ФЭУ серии N6xxx.

Типы ФЭУ: торцевые и боковые

В зависимости от конструкции оптического входа и формы колбы выделяют торцевые (аксиальные) и боковые ФЭУ. В торцевом ФЭУ луч света падает на фотокатод через торец трубки (обычно круглое входное окно), как в стандартной телевизионной лампе (см. рисунок 1). В боковом ФЭУ (рисунок 4) входное окно и фотокатод расположены сбоку трубки, что позволяет установить прибор перпендикулярно лучу и может быть полезно в оптических схемах, требующих компактности.

Рисунок 4: Устройство боковых ФЭУ.
1 – вход света в торцевое окно
2 – выбивание первичных электронов
3 и 4 – умножение первичных электронов на динодном каскаде

Новые линейки приборов Photoneast включают оба варианта. Например, 1-дюймовые торцевые модели (N2013) с быстрым откликом 1.9 нс и низким шумом, а также специализированные боковые ФЭУ N1012/N1013A/N1013B с кварцевыми или боросиликатными окнами для работы от УФ до ближнего ИК.

• Торцевые ФЭУ обычно имеют круглое фотокатодное окно в торце трубки. Они обеспечивают простую оптику и хорошо подходят, когда световой луч направлен вдоль оси прибора. Такие ФЭУ могут иметь большие диаметры (от нескольких миллиметров до десятков сантиметров) и применяются в экспериментальной физике и медицине.

• Боковые ФЭУ имеют фотокатод, открытый сбоку корпуса. Это обеспечивает компактность прибора. Боковые ФЭУ удобны для спектроскопии, лидарных систем или космической оптики, где важно совмещение большого светосбора с ограниченным форм-фактором. Например, недавно появившиеся на рынке боковые ФЭУ бренда Photoneast N1013A с кварцевым окном чувствительны в УФ/видимом диапазоне и имеют усиление до 2·10⁷.

Отличия ФЭУ и полупроводниковых однофотонных детекторов

Хотя и ФЭУ, и полупроводниковые фотодетекторы (SPADы, лавинные фотодиоды, кремниевые фотоэлектронные пластины) служат для регистрации единичных фотонов, их внутренняя физика и эксплуатационные свойства принципиально различаются. ФЭУ – это электровакуумный прибор: фотоны генерируют электроны во внешнем фотоэффекте, а усиление достигается в вакууме каскадом динодов. В полупроводниковых приборах же используется принцип лавинного пробоя p-n перехода: один поглощённый фотон порождает электронно-дырочную пару, и при высоком обратном смещении развивается лавинная мультипликация носителей внутри кристалла (подробно ознакомиться с физикой этого процесса можно в статье по ссылке). Поэтому:

• Коэффициент усиления. У ФЭУ усиление фиксировано на каждой стадии (каждый динод постоянно умножает поток электронов примерно в 5–10 раз), так что общее усиление многоступенчатое и стабильно настроено. В лавинном диоде усиление статистическое – одна лавина может дать разное число носителей, и весь процесс происходит в одном нелегированном слое. Из-за фиксированного каскадного умножения поведение ФЭУ более предсказуемо, и, в отличие от лавинного пробоя, одинаковое число вторичных электронов рождается на каждом диноде. Это позволяет ФЭУ не только регистрировать отдельные фотоны, но и по величине выходного импульса оценивать число фотонов в пакете. Полупроводниковый SPAD же генерирует почти одинаковый «квантовый» импульс вне зависимости от того, сколько фотонов вызвало лавину (обычно готовят прибор так, чтобы лавина вызывалась одним фотоном, но это сложно достичь).
• Квантовая эффективность и диапазон. У ФЭУ квантовая эффективность фотокатода ограничена материалом и обычно ниже 30–40 % в видимом диапазоне. Фотоны в ИК-диапазоне (за 800–900 нм) хуже детектируются (кроме моделей с особым катодом). У полупроводниковых детекторов (Si‑APD или InGaAs‑APD) эффективность в видимом/ближнем ИК может достигать 50–70 % или даже более. Однако ФЭУ выигрывают в покрытии дальнего УФ: на кварцевом окне ФЭУ способны детектировать фотоны с длинами волн около 160–200 нм, где полупроводниковые изделия нечувствительны.
• Напряжение и шумы. ФЭУ требуют высокого напряжения питания (сотни и тысячи вольт) и чувствительны к внешним магнитным полям и вибрации. У полупроводников требуемое смещение значительно ниже (десятки и сотни вольт). В то же время полупроводниковые детекторы имеют проблемы с послеимпульсами, а ФЭУ характеризуются низким темновым током (~10^-10–10^-9 А). Скорость перезарядки после детектирования одиночного фотона (т. н. величина мёртвого времени) ФЭУ обычно выше, чем у полупроводниковых изделий: в вакууме нет ловушек для носителей, и восстановление затухания умножительного процесса происходит за доли наносекунд, тогда как полупроводниковому прибору нужно время для гашения лавины, которое иногда доходит до сотен микросекунд.
• Форма сигнала и счёт. В идеальном случае на выходе с полупроводниковых детекторов возникает скачкообразный импульс при каждом детектируемом фотоне, после которого требуется время перезарядки и лавинного гашения. ФЭУ выдают аналоговый импульс, на который можно накладывать дискретные пороги детектирования. В ФЭУ выходной токовый импульс пропорционален совокупному числу электронов, и его могут обрабатывать внешние схемы подсчёта импульсов. Благодаря этому за одну экспозицию ФЭУ может «видеть» сразу несколько фотонов, в то время как стандартные SPADы регистрируют только факт возбуждения одного лавинного события.

В целом, лавинные детекторы как одиночные фотодиоды обладают большой компактностью и высокой квантовой эффективностью в видимом диапазоне, но хуже масштабируются по площади и требуют сложной электроники гашения. ФЭУ же могут иметь большой фотокатод, высокую чувствительность в УФ-диапазоне и очень высокое усиление, хотя их КПД ниже, а сами трубки – более громоздкие.

Применения ФЭУ в квантовом сенсинге

Фотоэлектронные умножители благодаря экстремально высокой чувствительности и большому динамическому диапазону применяются во многих областях, связанных с квантовыми измерениями и оптикой слабого света. Ниже перечислим ключевые направления:

• Физика высоких энергий и астрофизика. ФЭУ являются основными фотодетекторами в сцинтилляционных и черенковских счетчиках частиц. Они используются в экспериментах по изучению нейтрино, темной материи, космических лучей и прочих астрофизических исследованиях. Например, в детекторах Черенкова излучения в воде или льду (обсерватории Super-Kamiokande, IceCube) десятки тысяч ФЭУ фиксируют редчайшие события возникновения фотонов, порождённых взаимодействием нейтрино с молекулами воды.
• Спектроскопия и биофизика. В спектроскопических установках, микроскопах и биолабораториях ФЭУ применяются для регистрации малых фототоков люминесценции, флуоресценции, биолюминесценции и даже сонолюминесценции в экспериментах с одним атомом, клеткой или квантовой точкой. Опять же благодаря своему высокому усилению ФЭУ. ФЭУ также нашли применение в чувствительных фотохимических экспериментальных установках и оптических датчиках квантовых компьютеров.
• Квантовая оптика и квантовые коммуникации. Хотя в системах квантового распределения ключей (QKD) и квантовых экспериментах традиционно применяют полупроводниковые фотодетекторы, ФЭУ могут участвовать в регистрации фотонов в ряде задач. Например, классические эксперименты по проверке неравенств Белла, квантовой телепортации и запутанных состояний нередко использовали ФЭУ для фиксации корреляций между фотонами. В этих системах детекторы с ФЭУ стояли на выходах оптических установок.
• Медицина и биотехнологии. В ядерной медицине и ПЭТ-сканерах ФЭУ используются для регистрации слабых вспышек сцинтилляций при взаимодействии гамма-квантов с кристаллами сцинтиллятора. Поскольку события редки и интенсивность очень мала, ФЭУ с большой площадью катода и высоким усилением позволяют получать узнаваемые сигналы. Кроме того, ФЭУ применяются в приборостроении для in vitro диагностики и медицинской визуализации.
• Промышленные и экологические задачи. В промышленности ФЭУ применяют в дефектоскопии, геофизике (каротаж, регистрация бета-излучения в скважинах), при контроле качества материалов. В экологических сенсорах ФЭУ используются для мониторинга радиационного фона и измерения β-излучения. В квантовом сенсинге это важно для задач детектирования квантового уровня излучения, где требуется высокая чувствительность при низком уровне шума.
• Измерительная техника. В счетчиках фотонов и низкоуровневых фотометрах ФЭУ – стандартный выбор. Благодаря линейной зависимости выходного сигнала от светового потока их используют для точных измерений слабого света (например, для калибровки лазеров, атомных переходов и др.). Специализированные приборы, такие как газовые сцинтилляционные счетчики и рентгенофлуоресцентные детекторы, тоже часто строят на основе ФЭУ.

Для вышеописанных применений существуют также готовые сборки, имеющие в своём составе не только вакуумные трубки, но и управляющую электронику и удобный корпус. Это решения, которые идеально подходят для лабораторных исследований или для встраивания в конечное изделие OEM-блоком. В качестве стандартного примера можно привести фотонный счётчик M2011, который состоит из встроенного в компактный корпус торцевого ФЭУ, модуля источника высокого напряжения и схемы формирования сигнала. Вывод с данного модуля реализован сразу на стандартный коаксиальный кабель RG‑174/U с волновым сопротивлением 50 Ом, к которому может быть опционально добавлен коннектор. Для использования модуля достаточно включить питание и подключить выход к измерительному оборудованию.

Рисунок 5: Внешний вид фотонного счётчика M2011.

Такие же модули в готовом к использованию исполнении существуют и для применений высокочувствительной фотометрии. Например, модули M2111 и M2131, в которых используются торцевые ФЭУ. Для использования в системах измерения β-излучения также существуют готовые измерительные модули M1111 и M3013, имеющие в себе не только ФЭУ, но и сцинтиллятор, встроенный источник высокого напряжения и формирователь логических TTL-импульсов. Внешний вид перечисленных модулей представлен на рисунках 6а, 6б и 6в.

Рисунок 6а: Внешний вид модулей M2111/M2131.	Рисунок 6б: Внешний вид модуля M3013.
Рисунок 6в: Внешний вид модуля M1111.

Для обработки сигналов, поступающих с широкого спектра описанных выше фотоприёмных устройств, бренд Photoneast предлагает специализированный счётный блок M4011, предназначенный для работы совместно с такими модулями, как:

Рисунок 7: Внешний вид счётного блока M4011.

Использование этого счётного блока совместно со специализированными сокетами для ФЭУ моделей D317-11 и D701A-14 и источниками высокого напряжения D454 позволяет сразу покрыть все потребности в организации лабораторных работ или сборке конечного изделия. В сокетах имеются встроенные делители с активными схемами, что обеспечивает ФЭУ высокую линейность по постоянному току, а высоковольтный источник питания очень компактный и стабильный.

Рисунок 8: Внешний вид сокетов D317-11 (слева) и D701A-14 (справа).

Таким образом, ФЭУ – универсальный инструмент квантового сенсинга. Они обладают уникальной комбинацией чувствительности, широкого спектра и быстродействия. Бренд Photoneast предлагает не только ФЭУ диаметром от 0,5″ до 4″ для самых разных задач: модели N2021–N2041 с увеличенным квантовым выходом для физики высоких энергий, ФЭУ для ядерной медицины и боковые широкодиапазонные модели для УФ/видимого света, но и все необходимые аксессуары для интеграции модулей в конечную систему.

Мосенцов Сергей

Инженер по применению
Оптические коммуникации и ВОЛС

Анонсы статей, мероприятий и еще больше научно-познавательного контента по ссылке в нашем Telegram-канале.