Máy thu quang điện

4.5 MÁY THU ÁNH SÁNG

4.5.5 Máy thu quang điện

Máy thu quang điện, như tế bào quang hoặc bộ nhân quang là dựa trên hiệu ứng quang điện ngoài. Photocatot của một máy thu được bao (covered) với một hoặc một vài lớp vật liệu với một công thoát  thấp (ví dụ hỗn hợp kim loại kiềm hoặc hỗn hợp bán dẫn). Dưới sự chiếu của ánh sáng đơn sắc với bước sóng λ = c/ν, phát ra electron quang điện khỏi photocatot với động năng được cho bởi quan hệ Einstein

Ekin h  (4.143)

Chúng được tăng tốc bởi điện áp V0 giữa anot và catot và được tập trung tại anot. Dòng quang điện tổng hợp được đo hoặc là trực tiếp hoặc bởi điện áp qua một điện trở (hình

4.104a).

a) Photocatot

Photocatot thường sử dụng nhất là catot kim loại hoặc kim loại kiềm (kiềm halogen, kiềm antimonide hoặc kiềm telirit). Hiệu suất lượng tử η =ne/nph được định nghĩa như tỉ lệ tần suất electron quang điện ne với tần suất photon tới nph. Nó phụ thuộc vào vật liệu catot, vào dạng cũng như độ dày của lớp quang điện, và vào bước sóng λ của bức xạ tới. Hiệu suất η

= nanbnc có thể được biểu diễn bới tích của ba yếu tố. Yếu tố thứ nhất na cho xác suất mà một photon tới được hấp thụ. Đối với các vật liệu với hệ số hấp thụ lớn, như kim loại tinh khiết, hệ số phản xạ R là cao (ví dụ cho bề mặt kim loại R ≥ 0,8−0,9 trong vùng nhìn thấy), Hình 4.104a-c. Máy thu quang điện: (a) nguyên tắc bố trí của tế bào quang; (b) photocatot chắn sáng; và (c) photocatot nửa trong suốt

anot

photocatot

bức xạ tởi

cửa sổ thủy tinh thủy tinh catot electron quang điện

và yếu tố na không lớn hơn (1 – R). Đối với photocatot bán trong suốt độ dày d sự hấp thụ phải đủ lớn để chắc chắn rằng αd > 1. Yếu tố thứ hai nb cho xác suất photon hấp thụ thực sự tạo electron quang điện thay cho nung nóng vật liệu catot. Cuối cùng, yếu tố thứ ba nc cho xác suất mà electron quang điện đạt được ở bề mặt và được phát rat hay cho tán xạ ngược vào bên trong catot.

Hai loại phát xạ electron quang điện được chế tạo: lớp chắn sáng, nơi mà ánh sáng tới cùng một phía của photocatot từ phía được phát (hình 4.104b); và lớp bán trong suốt (hình 4.104c), nơi mà ánh sáng vào ở phía ngược lại với electron quang điện phát ra và được hấp thụ qua lớp có độ dày d. Bởi vì hai yếu tố na và nc, hiệu suất lượng tử của catot bán trong suốt mà thay đổi phổ của nó là phụ thuộc giới hạn và độ dày d, mà đạt được giới hạn của catot mode phản xạ chỉ nếu giá trị d được tối ưu.

Hình 4.105 biểu diễn độ nhạy phổ S(λ) của một số loại photocatot, thang đo của dòng quang điện là mA trên W bức xạ chiếu tới. Với một sự so sánh, hiệu suất lượng tử của các đường η = 0,001; 0,01 và 0,1 được vẽ. Cả hai đại lượng quan hệ với nhau

e

in ph

i n e e

S S

P n h hc

 

     (4.144)

Hình 4.105 Đường cong độ nhạy phổ của một số loại catot thông thường. Các đường nét liền cho S(λ) [mA/W], trong khi các đường nét đứt cho hiệu suất lượng tử η =ne/nph

Đối với phát xạ nhiều nhất, bước sóng ngưỡng cho sự quang điện dưới 0,85μm, tương ứng công thoát 1, 4eV. Một ví dụ cho vật liệu này với  1, 4eV là lớp bề mặt của NaKSb [4.126]. Chỉ một số catot bao gồm hai hoặc nhiều hơn lớp chia tách có một độ nhạy mở rộng lên tới λ ≤ 1,2μm. Ví dụ: một photocatot InGaAs có một độ nhạy mở rộng trong vùng hồng ngoại, lên tới 1700 nm. Đáp ứng phổ của photocatot ghép thông thường nhất được chỉ định bởi bởi một danh mục chuẩn, sử dụng kí hiệu từ S1 đến S20. Một số loại phát triển mới được kí hiệu bởi số đặc biệt, mà khác nhau cho các hang sản xuất khác nhau [4.127].

Ví dụ: S1 = Ag−O−Cs (300−1200 nm) hoặc S4 = Sb−Cs (300−650 nm).

Gần đây, một loại mới của photocatot đã được phát triển dựa trên bán dẫn quang điện, những bề mặt của chúng đã được xử lí thu được một trạng thái của ái lực điện tử (NEA) (hình 4.106). Trong trạng thái này một điện tử tại đáy vùng dẫn trong bán dẫn có năng lượng cao hơn năng lượng không của điện tử tự do trong chân không [4.128]. Khi một điện được kích thích bằng cách hấp thụ một photon vào mức năng lượng trong bulk,

nó có thể di chuyển qua bề mặt và rời khỏi photocatot. Catot NEA có ưu điểm là độ nhạy

cao, mà hằng số fairly trên một vùng phổ mở rộng và thậm chí đạt được vào vùng hông ngoại khoảng 1,2μm. Vì những catot này đại diện cho thiết bị phát xạ điện tử lạnh, dòng tối là rất thấp. Đến bây giờ, nhược điểm chính của chúng đã được chế tạo phức tạp và mang lại giá thành cao.

Các thiết bị khác nhau của máy thu quang điện có tầm quan trọng chính trong quang phổ kế hiện đại. Đây là nhưng bộ nhân quang, sự tăng cường ảnh và streak camera.

b) Bộ nhân quang

Bộ nhân quang là lựa chọn tốt nhất cho máy thu có mức ánh sáng yếu. Chúng khắc phục một số giới hạn nhiễu bởi khuếch đại bên trong của dòng quang điện sử dụng phát xạ điện tử thứ cấp từ đi-not trong số bội của điện tử quang điện (hình 4.107). Các điện tử quang điện phát ra từ catot được tăng tốc bởi điện áp một vài trăm vôn và được tập trung và bề mặt kim loại (ví dụ Ci-Be) của đi-not thứ nhất nơi mà mỗi điện tử bắn phá giải phóng, vào số trung bình, các điện tử thứ cấp q. Các điện tử này được tăng tốc một lần nữa và đi-not thứ hai nơi mỗi điện tử thứ cấp lại tạo ra khỏng q điện tử cấp ba. Yếu tố khuếch đại q phụ thuộc vào điện áp tăng tốc U, và góc tới α, và vào vật liệu đi-not. Hệ số điện hình cho U = 200V là q = 3−5. Một bộ nhân quang với 10 đi-not có độ khuếch đại dòng toàn phần là

10 5 7

10 10

Gq   . Mỗi điện tử quang điện trong bộ nhân quang với N đi-not tạo một thác lũ điện tích tại anot Q = qNe và tương ứng với điện áp xung

N

a a a

Q q e Ge

V  C  C  C (4.145)

với Ca là điện dung của anot (kết nối toàn thể).

Hình 4.107. Bộ nhân quang với điện áp đầu ra phụ thuộc thời gian cảm ứng bởi một dòng thác điện tử mà được khởi động bởi xung ánh sáng dạng delta

Hình 4.106. Sơ đồ mức cho photocatot ái lực điện tử âm

chân không bề mặt catot

vùng dẫn

mức Fermi

vùng hóa trị

Ví dụ 4.26.

G = 2.106, Ca = 30pf  V = 10,7mV.

Đối với hoạt động liên tục, điện áp ra DC được cho bởi V =ia.R, không phụ thuộc vào điện dung Ca.

Đối với yêu cầu thực nghiệm phân giải thời gian cao, thời gian nhảy của một xung có thể nhỏ. Chúng ta hãy khảo sát hiệu ứng có thể đóng góp thời gian nhảy xung anot, gây ra bởi phân bố cả thời gian dịch chuyển đối với các điện tử khác nhau [4.129, 4.130]. Giả sử rằng điện tử quang điện được phát từ photocatot, và được tăng tốc tới đi-not thứ nhất.

Vận tốc ban đầu của các điện tử thứ cấp là biến thiên vì các điện tử này được phát ra ở độ dày khác nhau của vật liệu đi-not và năng lượng ban đầu của chúng, khi rời khỏi bề mặt đi- not, là giữa 0 và 4eV. Thời gian dịch chuyển giữa hai điện cực song song với khoảng cách d và hiệu điện thế V thu được từ 1 2

d  2at với a = eV/(md), mà được cho t d 2m

 eV (4.146)

cho các điện tử với khối lượng với năng lượng ban đầu bằng không. Các điện tử với năng lượng ban đầu Ekin đạt được ở điên cực kế tiếp bởi hiệu thời gian

1 d 2 kin

t mE

  eV (4.147)

Ví dụ 4.27.

Ekin = 0,5eV, d = 1cm, V = 250V  Δt1 = 0,1ns.

Các điện tử đi qua hiệu quang được qua ống, mà gây ra một thời gian bổ sung

2

t d 2m

   eV (4.148)

mà cùng độ lớn như Δt1. Thời gian nhảy của xung anot bắt đầu bởi một điện tử đơn, do đó giảm với sự tăng điện áp tỉ lệ thuận với V -1/2. Nó phụ thuộc vào cấu trúc hình học và dạng của đi-not.

Khi xung ánh sáng cường đọ ngắn tạo ra nhiều điện tử quang điện đồng thời, thời gian phân bố là tăng bởi hai hiện tượng

• Các vận tốc ban đầu của các điện tử quang điện khác nhau, ví dụ cho một catot Cesi antimonide S5 giữa 0 và 2eV. Phân bố này phụ thuộc vào bước sóng của ánh sáng tới [4.131a].

• Thời gian bay giữa catot và đi-not thứ nhất phụ thuộc mạnh và các vị trí của điểm thắt trên catot nơi mà các điện tử quang điện được phát ra. Kết quả phân bố thời gian có thể lớn hơn phân bố thời gian từ các hiệu ứng khác, nhưng có thể giảm bởi một điện cực tập trung giữa catot và đi-not thứ nhất với sự tối ưu cẩn thận của điện thế của nó. Thời gian nhảy anot điển hình của vùng nhân quang từ 0,5−20 ns. Đối với thiết kế ống đặc biệt với cấu trúc hình học ngang tối ưu hóa, nơi mà đường catot chắn sáng được minh họa từ phía của ống, thời gian nhảy 0,4ns đã đạt được [4.131b]. Thời gian nhảy ngắn có thể đạt dược với các tấm kênh và channeltron.

Ví dụ 4.28.

Loại nhân quang 1P28: N = 9, q = 5,1 tại V = 1250V  G = 2,5.106; điện dung anot và điện dung ra của bộ khuếch đại Ca = 15 pF. Một điện tử quang điện duy nhất được tạo từ một xung anot 27mV với thời gian nhảy 2ns. Với một điện trở R = 105Ω tại đầu ra của PM, mặt sau của xung ra là Ca = 1,5.10-6 s.

Đối với sự thu ánh sáng mức thấp, câu hỏi của cơ chế nhiễu trong các bộ nhân quang là tầm quan trọng cơ bản [4.133]. Có ba nguồn nhiễu chính:

• Dòng tối trong nhân quang;

• Nhiễu của bức xạ tới;

• Nhiễu ngắn và nhiễu Johnson gây ra bởi sự biến thiên của khuếch đại và bới sự nhiễu của điện trở tải.

Ta sẽ thảo luận các đóng góp này:

• Khi một bộ nhân quang được hoạt động trong buồng tối hoàn toàn, các điện tử được phát ra từ catot. Dòng tối này lí do chính là do phát xạ nhiệt và là chỉ một phần gây ra bởi các tia vũ trụ hoặc bởi phân rã của các đồng vị phóng xạ kí sinh trong vật liệu nhân quang.

Theo định luật Richardson, dòng phát xạ nhiệt

2 / 2 1

C T

iC T e  (4.149)

phụ thuộc mạnh và nhiệt độ catot T và công thoát của nó . Nếu độ nhạy phổ mở rông vào vùng hồng ngoại, công thoát  phải nhỏ, mà giảm dòng tối. Để giảm dòng tối, nhiệt độ T của catot phải giảm. Ví dụ: Catot Cesi antimony từ giảm 20oC đến 0oC thì dòng tối giảm khoảng 10 lần. Nhiệt độ hoạt động tối ưu phụ thuộc vào loại catot (của ). Đối với caotot S1 với một độ nhạy hồng ngoại cao và do đó công thoát  thấp, nó là lợi thế để làm lạnh catot tới nhiệt độ nito lỏng. Đối với loại khác với độ nhạy cực đại trong vùng màu lục, làm lạnh dưới 40oC không có cải tiến vì phần nhiệt của dong tối đã giảm dưới đóng góp khác, ví dụ: gây ra bởi các hạt năng lượng cao  từ bắn phá hạt nhân 40K trong vật liệu cửa sổ.

Làm quá lạnh có thể gây ra các hiệu ứng không được phát hiện, như sự giảm dòng quang điện tiế hiệu hoặc điện áp hai đầu catot, vì điện trở của phim catot tăng với sự tăng của nhiệt độ [4.134].

Đối với nhiều quang phổ kế chỉ áp dụng một phần nhỏ diện tích catot được chiếu, ví dụ:

cho sau bộ nhân quang, khe ra của máy đơn săc. Trong trường hợp như vậy, song tối có thể giảm bằng cách sử dụng một catot diện tích hiệu dụng nhỏ hoặc bởi đặt nam châm nhỏ quanh một catot mở rộng. Trường nam châm tập trung điện tử từ các phần bên ngoài của diện tích catot. Những điện tử này không thể đạt tới đi-not thứ nhất và không đóng góp vào dòng tối.

• Tạp nhiễu hạt 2 . .

n s

i  e i f (4.150a)

của dòng quang điện [4.133] được khuếch đại trong một bộ nhân quang bởi hệ số khuếch đại G. Điện áp căn bậc hai trung bình bình phương (rms) qua điện trở tải anot R là

2 c 2 a

V s GR ei f R eGi f , ic là dòng catot, ia Gic là dòng anot (4.150b) nếu hệ số khuếch đại C được giả sử như là hằng số. Tuy nhiên, nói chung G không phải là hằng số, mà biểu diễn biến thiên do biến đổi ngẫu nhiên của hệ số phát xạ thứ cấp q, mà là một số nguyên nhỏ. Điều này đóng góp nhiễu toàn phần và bội của điện áp nhiễu hạt rms bởi một hệ số a > 1, mà phụ thuộc vào giá trị trung bình của q [4.135]. Nhiễu hạt tại anot là

S 2 a

V aR ei f (4.150c)

• Nhiễu Johnson của điện trở tải R tại nhiệt độ T cho dòng nhiễu rms

4 /

n J

i  kT f R (4.151a)

và một điện áp nhiễu Vn J R in J

• Từ (4.150) ta thu được với (4.151a) cho sự chồng chất V St J  V 2S  Vn 2J của nhiễu hạt và nhiễu Johnson qua điện trở tải anot R ở nhiệt độ phòng, với 4kT/e ≈ 0,1V

 2   

eR 2 a 0,1

V J s  f RGa i  V (4.151)

Đối với GRiaa2 >> 0,05V, nhiễu Johnson có thể bỏ qua. Với hệ số khuếch đại G = 106 và điện trở tải R = 105Ω, hệ quả cho điều này là dũng anot ia phải lớn hơn 5ì10-13 A. Vỡ dũng

tối anot là lớn hơn nhiều giới hạn này, ta thấy rằng nhiễu Johnson không đóng góp cho nhiễu toàn phần của bộ nhân quang.

Bộ nhân quang kênh là một thiết kế nhân quang mới cho máy thu ánh sáng mức thấp. Ở đây các điện tử quang điện giải phóng từ photocatot là không được nhân bởi một dãy các đi-not, nhưng chuyển động từ catot đến anot qua một kênh bán dẫn hẹp (hình 4.108). Mỗi lầ một điện tử quang điện va chạm bề mặt bên trong của kênh, nó giải phóng q điện tử thứ cấp, với số nguyên q phụ thuộc vào điện áp đặt vào amot và catot. Dạng hình học của đường gây ra một sự lướt tới lướt qua của các điện tử trên bề mặt, mà làm tăng hệ số phát xạ thứ cấp q. Khuếh đại toàn phần của bộ nhân quang kênh này (CPM) có thể quá M =

108 và do đó nói chung là cao cho PM với các đi-not.

Lợi thế chính của CPM là thiết kế gọn, vùng động học lớn và dòng tối thấp (gây ra chủ yếu bởi phát xạ nhiệt từ photocatot) mà nhỏ hơn dọ sự giảm diện tích của nó. Sự nhiễu gây ra bởi sự biến thiên trong hệ số nhân cũng nhỏ, do giá trị lớn hơn của hệ số phát xạ thứ cấp q.

Một cải tiến đáng kể của tỉ lệ tín hiệu-nhiễu trong máy thu bức xạ mức thấp có thể đạt được với kĩ thuật đếm photon đơn, mà điều tra phổ được thực hiện tại bức xạ tới xuống dưới 10-

17 W. Những kĩ thuật phổ này được mô tả trong mục 4.5.6. Những chi tiết hơn về nhân quang và điều kiện tối ưu được tìm thấy trong giới thiệu phát hành bởi Hamamatsu, EMI hoặc RCA [4.135, 4.136]. Một quan điểm mở rộng của máy thu quang điện được cho bởi Zwicker [4.126]; cũng thấy trong chuyên đề [4.137, 4.138].

c) Tấm vi kênh

Hình 4.108a,b. Bộ nhân quang kênh. (a) Sơ đồ thiết kế; (b) hệ số khuếch đại G như một hàm của điện áp giữa anot và catot. [Từ trung tâm lưu trữ Olympic]

Điện áp lệch

Dòng khuếch đại

lối vào kênh đường đi kênh kết nối

đẩu ra Anot Photocatot

Các bộ nhân quang thường được thay thế bởi tấm vi kênh. Chúng bao gồm lớp photocatot tên một tấm thủy tinh bán dẫn (0,5−1,5mm) mà bị đục hang triệu lỗ nhỏ với đường kính cỡ 10−25μm (hình 4.109). Diện tích toàn phần của toàn thể các lỗ khoảng 60% diện tích của tấm. Bề mặt bên trong của lỗ (kênh) có một hệ số phát xạ điện tử thứ cấp cao mà vào kênh từ photocatot và được tăng tốc bởi điện áp hai phía của tấm. Hệ số khuếch đại khoảng 103 ở điện trường cỡ 500V/mm. Đặt hai tấm vi kênh trong các dãy cho phép một hệ số khuếch

đại 106, mà được so sánh với các bộ nhân quang.

Lợi thế của tấm vi kênh là thời gian nhảy ngắn (< 1ns) của dòng thác điện tử bởi một photon đơn, kích thước nhỏ, và có khả năng phân giải không gian [4.139].

d) Sự tăng cường ảnh quang điện

Tăng cường ảnh gồm một photocatot, một thiết bị ảnh quang điện, và mọt màn huỳnh quang, nơi mà ảnh tăng cường của hệ vân bức xạ tại photocatot được chụp lại bởi các điện tử quang điện tăng tốc. Hoặc là điện trường hoặc từ trường được sử dụng cho ảnh vân catot vào màn huỳnh quang. Thay của ảnh tăng cường được hiện thị trên màn phopho, ảnh điện tử có thể sử dụng một ống camera để tạo tín hiệu ảnh, mà có thể được chụp lại trên màn tivi và có thể được lưu trữ hoặc là trên phim ảnh hoặc trên một môi trường ghi [4.139–

4.141].

Đối với sự áp dụng trong quang phổ, các tính chất đặc trưng sau đây của bộ tăng cường ảnh là quan trọng:

• Hệ số phóng đại cường độ cho tỉ lệ cỉa cường độ ra và cường độ vào;

• Dòng tối của hệ giới hạn cực tiểu của công suất vào thu;

• Độ phân giải không gian của thiết bị nói chung được cho như số vạch song song cực đại trên 1mm của một hệ vân ở catot mà có thể được phân giải trong hệ vân ra tăng cường;

• Độ phân giải thời gian của hệ là cơ bản cho việc ghi tín hiệu ra biến đổi nhanh.

Hình 4.110 minh họa môt sự đơn giản bộ tăng cường ảnh một tầng với từ trường song song với điện trường tăng tốc. Tất cả các điện tử quang điện bắt đầu vào điện P của catot sau quỹ đạo xoắn quanh các đường sức từ và tập trung vào P’ tại màn phôtpho sau một vài vòng quay. Một gần đúng bậc nhất, vị trí điểm P’ là không phụ thuộc vào hướng  của vận tốc điện tử quang điện ban đầu. Để có được một mặt nhám lí tưởng về hệ số tăng cường M, hãy giả sử rằng hiệu suất lượng tử là 20% cho photocatot và điện thế tăng tốc 10kV. Với một hiệu suất lượng tử 20% cho biến đổi của năng lượng điện tử tới năng lượng ánh sáng trong màn hình photpho, mỗi điệntử tạo khoảng 1000 photon với hν = 2eV. Hệ số khuếch đại M cho số photon ra trên số photon tới là M=200. Tuy nhiên, ánh sáng từ Hình 4.109a-c. Tấm vi kênh (MCP): (a) sơ đồ cấu tạo; (b) dòng thác điện tử trong một kênh; (c) sơ đồ sắp xếp của máy thu MCP cới độ phân giải không gian

Anot

Phototcatot

tấm vi kênh máy thu CCD