Emise Elektronů Polem: Principy a Aplikace

V oboru měření velmi malých hodnot světelných veličin, jako je jas, osvětlení nebo světelný tok, se uplatňuje fotonásobič - někdy též fotoelektrický násobič - což je elektronka. Přestože je to elektronka, tedy elektronická součástka pracující ve vakuu, nachází četná využití i v 21. století, kdy byla většina elektronek dávno nahrazena neevakuovanými součástkami.

Fotonásobiče: Princip a Vlastnosti

Přednosti fotonásobičů vycházejí z jejich tří důležitých vlastností: velká plocha pro příjem světla a elektromagnetického záření z jeho blízkého okolí, velmi rychlá odezva a krátká doba průchodu signálu k výstupu, velký zisk a nízký šum. V oboru záření od ultrafialového, přes viditelné (světlo) až k blízkému infračervenému konkurují fotonásobičům především fotodiody, zejména lavinové, a to jen tam, kde je velikost měřeného záření dostatečná a kde citlivá plocha detektoru nebo celkové rozměry mohou nebo musí být malé.

Funkční princip fotonásobiče je následující: světlo vniká do fotokatody nanesené většinou na vnitřním povrchu čelní skleněné desky elektronky a z jejího opačného povrchu orientovaného do vakua uvolňuje elektrony (tzv. fotoelektrony). Tento proces je znám jako fotoelektrická emise.

Emitované fotoelektrony jsou urychleny elektrickým polem mezi fotokatodou a elektrodou, které se říká dynoda, a dopadají na ni s energií dostatečnou k tomu, aby z povrchu dynody byly uvolněny tzv. sekundární elektrony (sekundární elektronová emise). Dynoda je technologicky upravena tak, aby její emitující povrch měl koeficient sekundární emise (poměr emitovaných elektronů k dopadajícím) větší než jedna. Elektrony emitované z první dynody jsou urychlovány a vedeny na druhou dynodu a pak na další dynody, kde se proces sekundární emise postupně opakuje.

Počet elektronů dopadajících z poslední dynody na anodu mnohonásobně převyšuje počet fotoelektronů. Všechny tyto procesy se odehrávají v evakuovaném prostoru - v baňce elektronky. Celkové napětí mezi fotokatodou a anodou je součtem napětí mezi jednotlivými stupni a jeho velikost bývá 1 až 3 kV.

Čtěte také: Vše o emisních normách

Celkové zesílení fotonásobiče udává veličina M, pro niž platí za zjednodušujících předpokladů (všechny elektrony vystupující z předcházející dynody dopadnou na další a koeficient sekundární emise je u všech dynod stejně velký) vztah: M = δⁿ, kde δ je součinitel sekundární emise (poměr vystupujících elektronů k dopadajícím), n celkový počet dynod.

Jako příklad uvažujme devítidynodový fotonásobič s běžnou velikostí δ = 4,5. Celkové zesílení M bude přibližně 10⁶, což je jistě velká hodnota.

Uspořádání a Druhy Násobicích Systémů

Násobicí systémy bývají uspořádány tak, aby počet sekundárních elektronů vystupujících z předcházející dynody a dopadajících na následující byl co největší a aby se při tom doba průletu jednotlivých elektronů od jednoho stupně k druhému lišila minimálně.

Základním problémem konstrukcí násobicích soustav je vytvoření takové konfigurace dynod, aby se dosáhlo vhodného průběhu elektrického pole pro urychlení a případnou fokusaci emitovaných sekundárních elektronů a aby se zároveň omezily nepříznivé podmínky pro dopad primárních elektronů.

Ty jsou způsobovány tím, že v blízkosti emitujícího povrchu dynody má elektrické pole takový směr, aby zrychlilo emitované sekundární elektrony na další dynodu; právě to může komplikovat účinný dopad primárních elektronů. Je také třeba zamezit vznik záporného prostorového náboje způsobovaného shlukem elektronů, který by ovlivnil lineárnost mezi osvětlením fotokatody a výstupním proudem násobiče.

Čtěte také: Více o pamětních emisích

Dynody jsou vhodně tvarované a zpracované elektrody z plechu nebo sítěk, na kterých bývají naneseny tenké vrstvy vykazující dostatečnou sekundární emisi. V elektronce bývá osm až čtrnáct i více dynod. Průměrná hodnota koeficientu sekundární emise na dynodách fotoelektrického násobiče δ se pohybuje od 3 do 5. Jako materiály se pro dynody používají různé slitiny, např. AgMg, CuBe a NiAl. Avšak teprve když je jejich povrch opatřen oxidy, jako jsou MgO, BeO a Al₂O₃, nebo alkalickými antimonidy, začnou vykazovat dostatečnou sekundární emisi. Zvlášť nadějně se jeví nanesení GaP aktivovaného ceziem na povrchu dynod.

Fotonásobiče se dělí na fokusované a nefokusované - podle toho, zda jsou či nejsou použita elektrická nebo magnetická pole k fokusaci elektronů na následující elektrodu.

Zvláštní druh násobicí součástky představuje takzvaný kanálek. Na vnitřním povrchu skleněné trubičky (kanálku) je tenká vrstva PbO nebo v případě kanálkové destičky CsI nebo CuI, která zabezpečuje dostatečně velký koeficient sekundární emise a připojení dostatečně velkého urychlovacího napětí podél vnitřní stěny kanálku. Plošná soustava velkého množství kanálků tvoří kanálkovou destičku.

Různé Typy Fotonásobičů

Na trhu jsou nabízeny desítky různých verzí fotonásobičů. Jedním z hrubých dělítek je tvar nosiče fotokatody a jeho umístění. Ve většině případů je fotokatoda nanesena na vnitřním povrchu skleněného vstupního okénka, které tvoří čelní desku elektronky. U těch fotonásobičů, kde vstupuje záření do elektronky boční stěnou, je fotokatoda vytvořena na tenké kovové destičce.

Fotokatody jsou tenké polovodičové poloprůhledné vrstvy s vodivostí typu P o tloušťce řádově desítek nanometrů. Vhodnými materiály jsou některé alkalické antimonidy a teluridy nebo GaAs a InGaAs aktivované ceziem, nejstarší používaný materiál má složení Ag-O-Cs. Výroba fotokatody je velmi náročná a probíhá ve vysokém vakuu obvykle přímo v baňce elektronky.

Čtěte také: CIM Ministerstvo Emise: Vysvětlení

Zvláštním druhem fotokatod jsou tzv. fotokatody NEA. Jsou to některé polovodivé vrstvy typu P se speciální úpravou povrchu, která u nich způsobí negativní elektronovou afinitu. Tím se podstatně zmenší jejich fotoelektrická výstupní práce a dosáhne se velké citlivosti.

Poloha Fotokatody ve Fotonásobiči

Různé tvary fotonásobičů, určené polohou fotokatody, přehledně uvádí např. katalog britské firmy Electron Tubes.

Další Typy Emise Elektronů

Na rozdíl od samostatného výboje při vzniku katodových paprsků, můžeme ve vakuu vytvořit i výboj nesamostatný. Tomuto procesu říkáme emise elektronů z kovů. Katoda ve výbojové trubici je vyrobena z wolframového vlákna a rozžhavená procházejícím elektrickým proudem. Z vlákna katody se díky termoemisi uvolňují elektrony s velkou rychlostí.

V oblasti mezi katodou a anodou tak vzniká záporný prostorový náboj, který ale zabraňuje vystupování dalších elektronů z katody. Jestliže je napětí mezi katodou a anodou dostatečné, pak převládá elektrické pole mezi katodou a anodou a elektrony vytvoří vodivé spojení. Termoemise se využívá v elektronkách nebo častěji v obrazovkách.

Nejjednodušší elektronkou je dioda, jejíž vzduchoprázdná baňka obsahuje jen katodu a anodu. Používá se jako usměrňovače střídavého proudu na stejnosměrný. První prototyp diody vytvořil Thomas Alva Edison, ale patent na ni obdržel v roce 1904 John Ambrose Fleming. Jednalo se o detektor elektromagnetických vln, který se skládal ze skleněné baňky, z níž byl odčerpán vzduch, a v ní byly dvě elektrody tvořené kovovými plíšky, z nichž jedna později nazvaná katoda, byla zahřívaná. Zahřívaná katoda elektrony vyzařovala, kdežto anoda je přitahovala.

Zesilovače, vysokofrekvenční generátory a detektory elektromagnetických vln obsahují třetí elektrodu - mřížku. Pomocí napětí na mřížce lze velmi dobře regulovat anodový proud. Toto zařízení se jmenuje trioda a v roce 1906 ho nezávisle na sobě vynalezli Američan Lee de Forest a olomoucký továrník Robert V. Lieben.

První katodovou trubici s luminiscenčním stínítkem vynalezl v roce 1897 německý univerzitní profesor Carl Braun.

V každém vakuovém zařízení, v němž elektrony nabývají před dopadem na elektrody velkou kinetickou energii (při urychlení napětím větším než 10 kV), vzniká rentgenovo záření objevené v roce 1895 Wilhelmem Röntgenem. K emitování rentgenova záření byla sestrojena speciální elektronka - rentgenka.

Tabulky

Některé druhy násobicích soustav:

Umístění fotokatod v různých druzích fotonásobičů:

tags: #emise #elektronu #polem #princip

Oblíbené příspěvky:

• Podmínky pro slevu na odpad v Jihlavě
• Vliv interiéru na zdraví
• Jak si vyrobit dřevěný odpadkový koš: Návod krok za krokem
• Environmentální inženýrství - detailní popis
• Úvod do krajinné ekologie