Sekundární emise elektronů a její princip

Fotonásobič - někdy též fotoelektrický násobič - je elektronka, která se uplatňuje hlavně při měření velmi malých hodnot světelných veličin, jako je jas, osvětlení nebo světelný tok. 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.

Přednosti fotonásobičů

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

Funkční princip fotonásobiče je naznačen na obr. 1: 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.

Čtěte také: Opatření pro ochranu ovzduší

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. 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.

Čtěte také: Co jsou primární a sekundární emise?

Je také třeba zamezit vznik záporného prostorového náboje způsobovaného shlukem elektronů, který by ovlivnil lineárnost mezi osvětlením fotokatody a výstupním proudem násobiče. 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. Některé příklady různých typů násobicích soustav, jak jsou uvedeny např. v katalogu britské firmy Electron Tubes, jsou v tab. 1.

Zvláštní druh násobicí součástky představuje takzvaný kanálek (obr. 2). 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, která je znázorněna na obr. 3. Kanálek v destičce má vnější průměr asi 10 μm a délku přibližně 0,5 mm.

Čtěte také: O sekundárních metodách snižování NOx

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, jako je tomu u typu 2π v tab. 2, 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.

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.

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.

Fotonásobič (PhotoMultiplier Tube - PMT) je zařízení, které přeměňuje velmi slabý záblesk elektromagnetického záření (např. ze scintilátoru) na měřitelný elektrický proud. Fotonásobič byl vynalezen v polovině 20. století a od té doby je stále zdokonalován.

Skládá se z fotokatody vyrobené z citlivého fotomateriálu, vstupní elektronové optiky, systému dynod a anody, z níž je odebírán výsledný elektrický proud.

Mezi fotokatodou, zaostřovací elektrodou a urychlující elektrodou vzniká elektrické pole, které urychluje a vychyluje fotoelektrony emitované z fotokatody. Dynoda je jedna z několika (většinou 8 - 12) elektrod uvnitř fotonásobiče. Každá dynoda má větší kladný potenciál než předchozí. Na povrchu každé dynody nastává tzv. sekundární emise elektronů.

Elektrony z fotokatody jsou urychleny k první dynodě, na níž je udržováno kladné napětí 100 V vůči fotokatodě. Každý urychlený elektron, který dopadne na povrch dynody, způsobí sekundární emisi několika elektronů. Ty jsou urychlovány k další dynodě, která má napětí zhruba o 100 V vyšší než předchozí.

Tato soustava dynod je schopná zesílit slabý elektrický proud (proud elektronů) emitovaný z fotokatody zhruba milionkrát, tzn. To znamená, že fotonásobič pracuje v pulsním režimu. Určitou dobu (oněch několik nanosekund) trvá, než „namnožené“ elektrony projdou přes kaskádu dynod.

Fotonásobič tedy rozliší dva po sobě jdoucí fotony (resp. elektrony), které mají časový odstup v řádu nanosekund. Toto časové rozlišení je dáno především fluktuacemi dob průchodu elektronů od fotokatody k anodě. Závisí také na typu dynod (materiál, tvar, uspořádání, …) a také na napětí mezi fotokatodou a anodou.

Lze ukázat, že plyn je možné ionizovat, tj. Např. Plamen, rentgenové nebo radioaktivní záření, ohřátý vzduch, … působí jako ionizátor - dodávají energii potřebnou k rozštěpení molekul (atomů).

Vzduch je běžně alespoň částečně ionizován účinkem kosmického záření a radioaktivity zemské kůry (v vzniká každou sekundu asi 10 kladných iontů a elektronů). Elektron vzniklý ionizací se může spojit s neutrální molekulou a vytvořit záporný iont.

Nachází-li se ionizovaný plyn v elektrickém poli mezi dvěma elektrodami, vzniká elektrický proud jako uspořádaný pohyb kladných iontů k záporně nabité katodě, záporných iontů a elektronů ke kladně nabité anodě. Ionty, které dorazí na elektrody ztrácejí svůj náboj a mění se v neutrální atomy.

Elektrický proud v plynu, který se udržuje jen po dobu působení ionizátoru, se nazývá nesamostatný výboj. Elektrické vlastnosti ionizovaného plynu je možné měřit v ionizační komoře, což je v podstatě deskový kondenzátor v kovovém krytu s okénkem, kterým do prostoru mezi deskami proniká ionizující záření.

Pomocí ionizační komory se dá měřit voltampérová charakteristika výboje. Je-li napětí malé, většina iontů zanikne rekombinací dříve, než dorazí na elektrody. V této fázi je počet elektronů, které předají svůj náboje elektrodám přímo úměrný napětí a platí tedy Ohmův zákon.

S rostoucím napětím se pohyb elektronů zrychluje, až při určitém napětí jich převážná část nestačí rekombinovat a doletí k elektrodám. Komorou prochází nasycený proud, který se při dalším růstu napětí dlouho nemění (Ohmův zákon v této fázi výboje již neplatí).

K dalšímu zvýšení proudu dochází až po překročení zápalného napětí . Příčinou zvýšení proudu je ionizace nárazem - elektrony a ionty vzniklé ionizací narážejí při svém pohybu na neutrální molekuly, kterým předávají kinetickou energii získanou urychlením elelektrickým polem.

Jsou-li urychleny dostatečně, mají takovou kinetickou energii, že jsou schopny nárazem na neutrální molekulu tuto molekulu ionizovat. Počet iontů tak lavinovitě narůstá a nastává samostatný výboj, který je nezávislý na vnějším ionizátoru.

Při samostatném výboji se mohou uplatnit i elektrony uvolněné z elektrod dopadem iontů. Tento děj se nazývá sekundární emise.

Srážkami s elektrony ve vnitřní vrstvě jim předává energii. Elektron opouští svojí energetickou vrstvu a zanechává po sobě díru. Ionizovaný atom je nyní v excitovaném stavu.

Elektron, který opouští vnější vrstvu a zaplňuje díru má větší energii, než příslušná vrstva, ve které je díra. Tato energie se vyzáří jako charakteristické RTG záření, nebo se předá tzv. charakter. RTG paprsky jsou značeny podle toho, z které a do jaké vrstvy přechází elektron při zaplňování díry. Značení je komplexnější a číslem se označují jednotlivé podvrstvy.

Energie primárního svazku E musí být větší než je kritická ionizační energie, která je závislá na atomovém čísle, aby došlo ke generování RTG záření. Atomy s větším atomovým číslem mají více protonů a proto mají větší kritickou energii.

Ionizační účinný průřez pro charakteristické záření se mění s energií primárního svazku. RTG záření je elektromagnetické záření a nemá žádnou hmotu, proto se vzrůstající energií nemá relativistickou korekci a šíří se rychlostí světla ve vakuu.

Atom mědi potřebuje ionizační energii pro vrstvu K Ec = 8,980 keV. Pomocí fluorescenčního zisku lze stanovit pravděpodobnost, vyzářené ionizační energie ve formě RTG záření nebo Augerových elektronů. Emise Augerových elektronů je konkurenční jev k RTG záření a největší pravděpodobnost vzniku tohoto jevu nastává u prvků s malým atomovým číslem.

Pravé sekundární elektrony vznikají srážkou primárního svazku s elektrony ve valenčním nebo vodivém pásu, díky tomu potřebují ke své emisi poměrně malé hodnoty energie. Typická energie sekundárních elektronů je kolem 50 eV. Vzhledem k jejich energii mohou vzorek opouštět pouze v blízkosti jeho povrchu - nejhlouběji do 5 nm.

Vzniká přechodem elektronu z valenčního pásu přes zakázaný do vodivého. Po tomto přechodu vyvolaném srážkou vznikne ve valenčním pásu díra. Tyto oscilace jsou tlumeny a zanikají za méně než femtosekundu, vlna se rozšíří do vzdálenosti menší než 10 nm.

Fonony jsou kvazičástice, které vznikají po srážce vysokoenergetického elektronu s atomy umístěnými v krystalové mřížce, jež začne vlivem srážky oscilovat. Fononové oscilace způsobují malé ztráty energie ~ 0,1 eV, ale srážející elektrony jsou vychylovány do úhlů 5 - 15 mrad.

tags: #sekundární #emise #elektronů #princip

Oblíbené příspěvky:

• Jaderné elektrárny a emise CO2
• Básničky o ročních obdobích
• Jan Amos Komenský a vzdělání
• Obnovitelné zdroje a dotace
• Ekologické zemědělství v ČR