Fotokordisti

Allikas: Vikipeedia
Fotokordisti
Dünoodid fotokordisti toru sees

Fotokordisti ehk fotoelektronkordisti on väga tundlik elektromagnetilise kiirguse, ultraviolettkiirguse, nähtava valguse ja lähisinfrapunakiirguse optiline tajur. Selline andur võimendab dünoodide abil pealelangeva valguse tekitatud voolu 100 miljonit korda (160 dB), võimaldades näiteks väga nõrga valgusvoo korral märgata üksikut footonit.

Tänu suure võimenduse, vähese müra, kõrgsagedusliku vastuse ja suure kogumisala kombinatsioonile on fotokordistitel tähtis roll tuuma- ja osakestefüüsikas, astronoomias, meditsiinidiagnostikas sh vereanalüüsides ja piltdiagnostikas ning näiteks filminduses trummelskannerites. Kuigi fotokordistite alternatiiviks on pooljuhtseadmed, eriti laviinfotodioodid, sobivad fotokordistid ideaalselt rakenduste puhul, mis nõuavad madalat mürataset ning ebatäiusliku suunatud valguse kõrgtundlikku tuvastamist. Kuigi fotokordisti on erakordselt tundlik ja tõhus, on uuringud alles pooleli, et luua rohkem kui 99% tõhusat footoneid loendavat valgust tuvastavat seadet. Selline andur pakub huvi rakenduste puhul, mis on seotud kvantinformatsiooni ja kvantkrüptograafiaga. Fotokordisti tehnoloogia elemente kasutatakse öönägemisseadmete alusena.

Ajalugu[muuda | redigeeri lähteteksti]

Kahe teadusliku avastuse ühendamine[muuda | redigeeri lähteteksti]

Fotokordisti leiutamine sai võimalikuks tänu kahele varasemale saavutusele – fotoelektriline efekt ja sekundaaremissioon.

Fotoelektriline efekt[muuda | redigeeri lähteteksti]

Esimest korda demonstreeris fotoelektrilist efekti aastal 1887 Heinrich Hertz, kes kasutas selleks UV-valgust.[1] Kaks aastat hiljem näitasid Julius Elster ja Hans Geitel sama efekti praktilistes rakendustes, kasutades selleks nähtavat valgust leelismetallide peal.[2] Tseesiumi (leelismetall) lisamine on võimaldanud suurendada tundlike lainepikkuste vahemikku nähtava spektri punase osa suunas. Ajalooliselt seostatakse fotoelektrilist efekti Albert Einsteiniga, kes 1905. aastal sellele nähtusele toetudes sõnastas kvantmehaanika põhimõtte.[3] Selle eest autasustati Einsteini 1921. aastal Nobeli füüsikapreemiaga. Kuigi Hertz tegeles juba 18 aastat varem samade katsetega, ei märganud ta, et eraldunud elektroni kineetiline energia on võrdeline sagedusega, kuid ei sõltu optilisest tugevusest.

Sekundaaremissioon[muuda | redigeeri lähteteksti]

Sekundaaremissiooni nähtust kasutati algselt puhtelektrooniliste leiutiste juures (st, et neil puudus fototundlikkus). 1902. aastal teatasid Louis Winslow Austin ja Johannes Starke, et elektronkiirtega mõjutatud metallpinnad eraldavad rohkem elektrone kui tavaliselt.[4] Kuid alles 1919. aastal tegi Joseph Slepian oma patendis ettepaneku äsja avastatud sekundaaremissiooni rakendamiseks signaali võimendamisel.[5]

Esimene fotokordisti[muuda | redigeeri lähteteksti]

Võidujooks praktilise elektrilise telekaamera poole[muuda | redigeeri lähteteksti]

1920. aastatel vaakumtorude tehnoloogia arengutempo kiirenes ning valmisid fotokordisti leiutamiseks vajaminevad osised. Loogiline jätk sellele oli praktilise telekaamera välja töötamine. Varasematel telekaamerate prototüüpidel puudus valgustundlikkus, sestap oli televisioon juba kümneid aastaid taotlenud paremaid kaamera mudeleid. Fotokordisti tehnoloogiat arendati, et leiutada telekaameratorusid (nt. ikonoskoop), mis oleksid piisavalt tundlikud, et olla praktilised. Seega oli loodud alus ühendamaks fotoemissioon (st fotoelektriline efekt) sekundaaremissiooniga, mis võimaldaski luua praktilise fotokordisti.

Üheastmeline fotokordisti (1934. aasta algus)[muuda | redigeeri lähteteksti]

1934. aasta alguses dokumenteeris RCA grupp (Radio Corporation of America) esimese fotokordisti esitluse. Harley Iams ja Bernard Salzberg olid esimesed, kes ühendasid fotoelektrilise efekti katoodi ja üksiku sekundaaremissiooni võimendusetapi üksikus vaakumümbrises. Seade koosnes poolsilindrilisest fotokatoodist, teljele paigaldatud sekundaaremitterist ja sekundaaremitterit ümbritsevast kollektorvõrest. Torul oli ligikaudu kaheksakordne võimendus ja see töötas sagedustel üle 10 kHz. Enne 1934. aasta juunikuud jõutigi lõpliku lahenduseni, nagu ka mainitud IEEE-le (Elektri- ja Elektroonikainseneride Instituut) esitatud käsikirjas.[6]

Magnetfotokordisti (1934–1937)[muuda | redigeeri lähteteksti]

Püüeldi aina suurema võimenduse suunas. Samas oli katseliselt tõestatud, et sekundaarsete elektronide hulk on piiratud mistahes sekundaaremissiooni protsessis, sõltumata kiirendavast pingest. Sellel ajal oli maksimaalseks esimesel astmel saavutatavaks võimendusteguriks ligikaudu 10 (väga olulised muutused 1960-ndatel võimaldasid 25-kordset võimendust, mis saadi, kasutades negatiivse elektronafiinsusega dünoodi). Nendel põhjustel said oluliseks eesmärgiks mitmeastmelised fotokordistid, kus fotoelektronide hulka saaks mitme etapi vältel mitmekordistada. Väljakutseks oli põhjustada fotoelektronide põrkumist järjest kõrgemalt pingestatud elektroodidega, mitte otsest liikumist kõrgeima pingega elektroodini. Algselt saadi sellega hakkama tänu tugevatele magnetväljadele, mis painutasid elektronide trajektoore. Selle meetodi esitas 1919. aastal J. Selpian.

Sealt alates pöörasid juhtivad rahvusvahelised teadusorganisatsioonid oma tähelepanu fotokordistite täiustamisele, et saavutada kõrgem võimendus mitmeastmelisusega.

NSV Liidus tutvustas RCA valmistatud seadmeid laiemalt Jossif Stalin, eesmärgiga ehitada raadiosaatjate võrgustik. Värskelt loodud Üleliiduline Televisiooni Teaduslike Uuringute Instituut kogus varustust vaakumtorude uurimiseks. 1930. aastatel külastasid mitmed RCA teadlased Nõukogude Liitu, et seal tutvustada RCA seadmeid ja uurida koostöövõimalusi.[7] 1934. aasta septembris näidati RCA liikmele Vladimir Zworykinile esimest mitmedünoodist fotokordistit ehk fotoelektronkordistit, mille oli ehitanud 28-aastane Leonid A. Kubetsky. Nimetatud seade saavutas demonstratsioonil 1000-kordse võimenduse. Seadet kutsuti „Kubetsky toruks“[8] ning see esitati kaks aastat hiljem avaldamiseks teaduskomisjonile (1936. aasta juulis[9]). Nõukogude seade kasutas magnetvälja, et piiritleda sekundaarelektrone, ja tugines Ag-O-Cs (hõbeoksiid-tseesium) footonkatoodile, mida demonstreeris General Electric 1920. aastatel.

1935. aasta oktoobriks esitasid RCA liikmed (Vladimir Zworykin, George Ashmun Morton ja Louis Malter) oma käsikirja, mis kirjeldas esimest laiaulatuslikku eksperimentaalset ja teoreetilist analüüsi mitmedünoodilisest torust – fotokordistist[10] – IEEE-le. RCA fotokordistite prototüüp kasutas samuti Ag-O-Cs footonkatoodi. Nad saavutasid 800 nm-se lainepikkusega valguse juures 0,4-protsendilise kvantefektiivsuse.

Elektrostaatilised fotokordistid (1937-tänapäev)[muuda | redigeeri lähteteksti]

Kui varasemad fotokordistid kasutasid magnetväljade põhimõtet, siis RCA Princetoni labori liige Jan Rajchman tuvustas 1930. aastate lõpul elektrostaatilisi fotokordisteid. Need saidki tuleviku kaubanduslike fotokordistite standardiks. Esimene masstoodangu fotokordisti, tüüp 931, näeb tänapäevalgi välja nagu algaastatel.[11]

Täiustatud fotokatoodid[muuda | redigeeri lähteteksti]

1936. aastal valmistas P. Görlich tunduvalt täiustatuma Cs3Sb fotokatoodi.[12] Tseesium-antimonfotokatoodiga parandati oluliselt kvantefektiivsust (400 nm-se lainepikkusega valguse juures 12%). Seda kasutati RCA valmistatud 931-tüüpi esimestes kaubanduslikult edukates fotokordistites nii fotokatoodina kui ka dünoodide sekundaarse kiirgava materjalina. Erinevad fotokatoodid andsid erinevaid spektraalseid tulemusi. Kaasaegsed fotoemissioonpinnad suudavad avastada maksimaalselt 1700 nm lainepikkusega valgust, mida saab tuvastada erilise fotokatoodi (InP/InGaAs(Cs)) abil.[13]

Fotokatoodide tootmise standardiseerimine[muuda | redigeeri lähteteksti]

Tootmise standardiseerimiskomitee JEDEC (Joint Electron Devices Engineering Council) töötas 1940. aastate alguses välja spektraalreaktsiooni määratlemise standardi.[14] Erinevate fotokatoodide ja akende materjalide kombinatsioonidele määrati "S"-numbrid (spektraalnumbrid) S-1...40, mida kasutatakse ka tänapäeval. Näiteks kasutatakse S-11 tseesium-antimonfotokatoodiga koos lubiklaasakent, S-13 puhul kasutatakse sama fotokatoodi koos kvartsklaasaknaga ning S-25 puhul kasutatakse nn „mitmeleeliselist“ fotokatoodi (Na-K-Sb-Cs), mis võimaldab pikendatud reaktsiooni nähtava valguse spektri punases osas.[13]

Ehitus ja tööpõhimõtted[muuda | redigeeri lähteteksti]

Tehniline joonis fotokordistist koos stsintillaatoriga.

Fotokordisti on kõrgvaakumilise sisuga klaastoru, mille sees asetsevad fotokatoodid, elektronkordisti ning anood. Elektronkordisti koosneb mitmest elektroodist, mida nimetatakse dünoodideks.

Seadmesse sisenemisel põrkuvad langevad footonid vastu õhukest fotokatoodi kihti. Toimunud fotoelektrilise efekti tagajärjel eralduvad elektronid. Koondav elektrood suunab need elektronid elektronkordisti poole, kus sekundaaremissiooni käigus elektronide hulka suurendatakse. Iga järgnev dünood on kõrgema positiivse pingega kui eelmine. Elektronid lahkuvad fotokatoodilt pealelangeva footoni energiast fotokatoodi tehtud töö võrra väiksema energiaga. Elektronide kulgemisel esimese dünoodi suunas kiirendatakse nende liikumist elektrivälja abil ning nad jõuavad sihtkohta palju suurema energiaga. Tabades esimest dünoodi, eralduvad madalama energiaga elektronid, mida omakorda kiirendatakse järgmise dünoodi suunas. Dünoodide jada geomeetria on selline, et igal järgmisel põrkumisel toimub aina suurema koguse elektronide eraldumine. Lõpuks jõuavad elektronid anoodini, kus laengu kasvu tagajärjel tekib pinge impulss, mis annab märku footoni saabumisest fotokatoodile.

Valguse sisenemine fotokordistisse võib toimuda kahel erineval režiimil. Edasikanderežiimi puhul siseneb valgus lamedast ümmargusest otsast ja läbib fotokatoodi. Peegeldamise režiimi puhul siseneb valgus kindalst kohast toru küljel ning langeb läbipaistmatule fotokatoodile. Peale erinevate fotokatoodi materjalide mõjutavad toimivust ka akna (mille läbib valgus fotokordistisse sisenedes) materjali läbilaskvus ning dünoodide asetus.

Fotokatoodi materjalid[muuda | redigeeri lähteteksti]

Sõltuvalt materjalidest on fotokatoodidel erinevad omadused. Eeldatavalt on materjalidel küll madal tööfunktsioon, kuid paraku kaasnevad termoelektroonne emissioon, pimevool ja müra. Seda müra on võimalik vähendada fotokatoodi jahutamisega. Enamlevinud fotokatoodi materjalid on:[15]

  • Ag-O-Cs: tuntud ka nimega S1. Edasikande režiim, tundlik alates 300 nm kuni 1200 nm. Kõrge pimevool; peamiselt kasutatakse infrapuna-lähedasel tasemel, seejuures jahutades fotokatoodi.
  • GaAs:Cs: tseesium-aktiveeritud gallium-arseniit. Otsene reaktsioon 300 nm kuni 850 nm juures ning sellest vahemikust väljaspool reaktsioon nõrgeneb.
  • InGaAs:Cs: tseesium-aktiveeritud indium-gallium-arseniit. Kõrgem tundlikkus infrapunasele kui GaAs:Cs-il. Valgusel lainepikkusega 900 nm kuni 1000 nm on palju kõrgem signaali-müra suhe kui Ag-O-Cs-il.
  • Sb-Cs: tseesium-aktiveeritud antimon. Kasutatakse peegeldamise režiimi fotokatoodides. Reageerimise vahemik ultravioletsest kuni nähtava valguseni. Laialdaselt kasutuses.
  • Kaksikleelis (Sb-K-Cs, Sb-Rb-Cs): tseesium-aktiveeritud antimon-rubiidium või antimoni ja kaaliumi sulam. Sarnaneb Sb-Cs-ile, kõrgema tundlikkusega ja madalama müratasemega. Võib kasutada edasikande režiimi jaoks; eelistatav reaktsioon NaI:T1 stsintillaatori sähvatustele, mistõttu kasutatakse neid laialdaselt gammaspektroskoopias ning kiirguse tuvastamisel.
    • Kõrgtemperatuuriline kaksikleelis (Na-K-Sb): suudab töötada kuni 175 °C juures, kasutatakse pinnaseproovide juures. Madal pimevool toatemperatuuri juures.
  • Multileelis (Na-K-Sb-Cs): laialdane spektraalne reaktsioon ultravioletsest kuni infrapunase valguseni; katoodi erilise töötlemisega on võimalik laiendada tuvastatavate lainepikkuste vahemikku kuni 930 nm-ni. Kasutatakse laiaribaliste spektraalfotomeetrite juures.
  • Päikse-pime (Cs-Te, Cs-I): tundlik vaakum-ultravioletsele ja ultravioletsele valgusele. Ei reageeri nähtavale ja infrapunasele valgusele (CsTe lõpeb 320 nm ning CsI 200 nm lainepikkuse juures).

Akna materjalid[muuda | redigeeri lähteteksti]

Fotokordisti aknad töötavad lainepikkuse filtritena – äralõigatud lainepikkused jäävad fotokatoodi tundlikkuse piirkonnast välja.

  • Boorsilikaatklaasi kasutatakse enamasti infrapunalähedasel kuni 300 nm lainepikkusega valgusel. Väga madala kaaliumisisaldusega klaasi võib kasutada kaksikleeliseliste fotokatoodidega, et vähendada kaalium-40 isotoobi taustkiirgust.
  • Ultravioletne klaas laseb läbi nähtavat ja ultravioletset valgust lainepikkusega kuni 185 nm. Kasutatakse spektroskoopias.
  • Sünteetiline kvarts laseb läbi valgust lainepikkusega kuni 160 nm, neelab vähem ultravioletset valgust kui kvartsklaas. Vajab tihendit akna ja ülejäänud toru vahel, see aga vähendab põrutuskindlust.
  • Magneesiumfluoriid laseb läbi ultravioletset valgust lainepikkusega kuni 115 nm. Hügroskoopne, kuid vähem kui leelismetalli halogeniidid, mida kasutatakse akendena.

Kasutamise aspektid[muuda | redigeeri lähteteksti]

Tavaliselt tarbivad fotokordistid 1000...2000 volti pinget, et elektrone dünoodide ahelas kiirendada. Madalaim pinge on katoodil ja kõrgeim pinge anoodil. Eelistatakse negatiivse kõrgepingega toidet (maandatud positiivse terminaliga). Selline seadistus võimaldab fotoelektrilist voolu mõõta vooluringi madalpinge poolelt, et võimendada sellele järgnevaid madalpingel töötavaid elektroonilisi vooluringe. Pinged jaotatakse dünoodidele takistuslike pingejaguritega. On võimalik valida erinevate rakendustega sobivaid jagurimudeleid, mis mõjutavad sagedusvastust või tõusuaega.

Sisselülitatult peab fotokordisteid ümbritseva valguse eest kaitsma, et vältida nende hävimist üleergastatuse tõttu. Fotokordisteid peab kaitsma tugeva magnetvälja eest, sest see mõjutab elektronide trajektoori.[15]

Kasutusalad[muuda | redigeeri lähteteksti]

  • Valgussensorid, mida kasutatakse valguskiirte katkestuste mõõtmiseks.
  • Koos stsintillaatoritega radioaktiivsuse ja osakeste kiirguse tuvastamiseks füüsikalistes katsetes.[16]
  • Teaduslaborites valgustkiirgavate materjalide intensiivsuse ja spektri mõõtmiseks.
  • Laialdaselt meditsiinitehnikas.

Viited[muuda | redigeeri lähteteksti]

  1. H. Hertz (1887). "Ueber einen Einfluss des ultravioletten Lichtes auf die electrische Entladung". Annalen der Physik 267 (8): 983–1000. doi:10.1002/andp.18872670827. Bibcode1887AnP...267..983H. 
  2. (1889) "Ueber die Entladung negativ electrischer Körper durch das Sonnen- und Tageslicht". Annalen der Physik 274: 497. doi:10.1002/andp.18892741202. Bibcode1889AnP...274..497E. 
  3. A. Einstein (1905). "Über einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt". Annalen der Physik 322 (6): 132–148. doi:10.1002/andp.19053220607. Bibcode1905AnP...322..132E. 
  4. H. Bruining, Physics and applications of secondary electron emission, (McGraw-Hill Book Co., Inc.; 1954).
  5. J. Slepian, Westinghouse Electric, "Hot Cathode Tube" (US Patent 1450265), Issued April 3, 1923 (Filed 1919)
  6. (1935) "The Secondary Emission Phototube". Proceedings of the IRE 23: 55. doi:10.1109/JRPROC.1935.227243. 
  7. A.B. Magoun Adding Sight to Sound in Stalin’s Russia: RCA and the Transfer of Television Technology to the Soviet Union, Society for the History of Technology (SHOT), Amsterdam (2004)
  8. (2006) "On the history of photomultiplier tube invention". Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment 567: 236. doi:10.1016/j.nima.2006.05.221. Bibcode2006NIMPA.567..236L. 
  9. (1937) "Multiple Amplifier". Proceedings of the IRE 25: 421. doi:10.1109/JRPROC.1937.229045. 
  10. (1936) "The Secondary Emission Multiplier-A New Electronic Device". Proceedings of the IRE 24: 351. doi:10.1109/JRPROC.1936.226435. 
  11. J. Rajchman and E.W. Pike, RCA Technical Report TR-362, "Electrostatic Focusing in Secondary Emission Multipliers," September 9, 1937
  12. (1936) "Über zusammengesetzte, durchsichtige Photokathoden". Zeitschrift für Physik 101: 335. doi:10.1007/BF01342330. Bibcode1936ZPhy..101..335G. 
  13. 13,0 13,1 "Hamamatsu PMT Handbook". Vaadatud 21.04.2009. p. 34, Table 4-1: Typical Spectral Response Characteristics, Transmission Mode Photocathodes
  14. "Relative spectral response data for photosensitive devices ("S" curves)," JEDEC Publication No. 50, Electronic Industries Association, Engineering Department, 2001 I Street, N.W., Washington, D.C. 20006 (1964)
  15. 15,0 15,1 Photomultiplier Tubes. Construction and Operating Characteristics. Connections to External Circuits, Hamamatsu
  16. Photomultiplier Tubes Used in Radiation Detection