CC BY
67Компоненты и технологии, № 4'2003
Модули С ФЭУ
фирмы HAMAMATSU Photonics
Фотоэлектронные умножители (ФЭУ) — это приемники оптического излучения, незаменимые при работе с малыми уровнями оптического сигнала и высокими скоростями считывания. Модули, созданные на основе ФЭУ, — это новая группа оптико-электронных устройств, включающая помимо высоковольтного источника питания такие функции, как обработка сигнала, охлаждение, связь с компьютером. В данной статье представлен краткий обзор по модулям ФЭУ фирмы HAMAMATSU Photonics (Япония). Компактность и механическая прочность корпуса, простота использования, возможность наиболее точного выбора под конкретное применение из большого разнообразия модулей — это, несомненно, может заинтересовать.
Сергей Орлов
orlov@yeint.spb.ru
ЮЕ-Интернейшнл
A MEMBER OF YE-GROUP
Санкт-Петербург, Торжковская ул., д. 5 Офис 426 Тел./факс:
(812) 324-4053, 324-4068, 324-4008, 324-4051
Москва,
115419, 2-й Верхний Михайловский проезд, д. 9, стр.1, офис 419 тел: (095) 748-1648, 748-1649 факс (095) 777-1209
ye@yeint.spb.ru, www.yeint.ru
Фотоэлектронные умножители (ФЭУ) в своем роде долгожители из прошлого века. Еще в 1930 году инженер Л. А. Кубецкий изобрел и запатентовал электронный прибор, в котором явление вторичной электронной эмиссии используется многократно. Заложенные базовые принципы работают и в современных вариантах ФЭУ, хотя сейчас это совершенно другие устройства благодаря конструкциям, материалам, технологиям. Полупроводниковая эра оставила для ФЭУ неизменной определенную нишу оптоэлектронных устройств, особенно для применений, где требуются работа с малыми уровнями света и высокими скоростями. Это прежде всего ряд разнообразных приложений в спектроскопии, медицине, биологии, физике. Вместе с тем ФЭУ — это приборы, приме-
нение которых не было простым из-за необходимости использования высоковольтного питания, дополнительных согласующих элементов и плюс к тому — их механическая хрупкость и возможность электрического повреждения.
Японская фирма HAMAMATSU Photonics хорошо известна специалистам в области оптоэлектроники. Разработка и производство электровакуумных приборов (в большинстве своем это ФЭУ) — лишь одно из направлений ее деятельности, где она занимает лидирующие позиции в мире. Можно напомнить, что именно корпорация HAMAMATSU стала «соавтором» Нобелевской премии в области физики в 2002 году. Разработанная уникальная конструкция ФЭУ с размером фотокатода 20" (0508 мм) — самый большой ФЭУ в мире — была произведена в количестве 1100 штук. В подземной лаборатории (Kamiokande Neitrino Detector) в Японии, представляющей собой огромную емкость на глубине 1 км, заполненную водой, установленные специалистами HAMAMATSU 1100 ФЭУ участвовали в эксперименте результатом которого явилось в феврале 1987 года обнаружение нейтрино, путешествовавшего 170,000 световых лет от взрыва сверхновой звезды, зафиксированного как слабый сигнал в уникальных ФЭУ при взаимодействии этого слабого излучения с водой.
Не удивительно, что целый класс новых устройств — модулей на основе ФЭУ детально разработан и запущен в серийное производство именно фирмой HAMAMATSU. Как оптические чувствительные элементы, уникальные модули с ФЭУ позволяют проводить точные и быстрые измерения очень слабых световых потоков с чрезвычайным удобством использования. Их компактный корпус, приспособленный для простого крепления, содержит высоковольтный источник питания, что позволяет сосредоточиться непосредственно на измерениях, а не на настройке и монтаже ФЭУ и связанных цепей. Упрощенная конструкция ФЭУ расширяет
Компоненты и технологии, № 4'2003
и спектр его применений, в том числе в промышленных приложениях и в условиях сложной внешней среды.
Модули с ФЭУ, предлагаемые фирмой HAMAMATSU (рис. 1), отвечают самым высоким требованиям, представляя собой большое разнообразие изделий, как для научных, так и для промышленных применений. Они создана: как на основе традиционных ФЭУ (рис. 1, а), так и на базе ФЭУ со структурой динодов с металлическим каналом (рис. 1, б). Среди их числа можно сделать правильный выбор по характеристикам и размерам, аналоговому и цифровому выходу, с процессором и интерфейсом для управления и связи с компьютером и даже со встроенным затвором.
По функциональным характеристикам модули с ФЭУ можно сгруппировать по схеме, приведенной на рис. 2.
Благодаря применению новейших материалов для фотокатода, модули с ФЭУ перекрывают уже спектральный диапазон от 185 до 900 нм (мультищелочной фотокатод). Фотокатод на основе материалов GaAs и GaAsP обеспечивает уникальные параметры по квантовой эффективности до 12% и 40%, соответственно (серия H7422, рис. 1, в). Время нарастания менее 0,78 нс может быть получено в модулях на базе ФЭУ типа R7400U c восьмиступенчатой структурой динодов (промежуточных электродов), изготовленных из травленой металлической фольги. ФЭУ, помещенный в корпус ТО-8, обеспечивает усиление 106.
Для облегчения работы с ФЭУ, каждый модуль содержит высоковольтный источник питания (обычно питаемый от 15 В) и встроенный делитель напряжения. Таким образом, нет необходимости применять громоздкое отдельное питание, и пользователь вообще не имеет дела с высоким напряжением.
Корпус изделий рассчитан на удобное крепление, будь то лабораторная установка или прибор. Более того, в зависимости от применения, разнообразие конфигураций включает изделия со встроенным предусилителем, термоэлектрическим холодильником, дискриминатором или компьютерным интерфейсом. Эти же элементы имеются и как отдельные внешние блоки, применяемые совместно с другими устройствами с ФЭУ.
Благодаря этому широкому разнообразию изделий для аналоговых измерений и для счета фотонов, безусловно, есть возможность подобрать модуль, наилучшим образом подходящий для каждого из конкретных применений в физике, биологии и медицине, а также в полупроводниковом производстве и химической промышленности. Вот несколько типичных примеров применений: флюоресцентная корреляционная спектроскопия, чип-считыватель ДНК, многофотонная микроскопия, портативные устройства мониторинга сред, системы контроля в производстве подложек полупроводников.
Основные параметры производимых модулей с ФЭУ сведены в таблице.
Квантовая эффективность представляет собой отношение числа фотоэлектронов на фотон и является очень важным показателем, определяющим соотношение «сигнал —
Рис. 2. Функциональная характеристика модулей ФЭУ
Таблица. Основные параметры модулей с ФЭУ
Тип Номер серии **** Спектральный отклик (нм) Время отклика Tr (нс) Размер чувствительной области (мм) Габаритные размеры (мм) Напряжение питания (В)
Токовый выход Н5773 серия 185-900 0,78 диам. 8 50x25x18 15
Н5783 серия 22x22x50
Н6779 серия 185-900 0,78 диам. 8 50x25x18 15
Н6780 серия 22x22x50
Н7422 серия 300-890 0,78/1 диам. 5,7 56x36x104 15
Н7710 серия 185-900 1,4 3,7x13 19x53x51 15
Н8567 серия
Н7732 серия 185-900 2,2 4x20 38x95x50 15
Н7826 серия 300-850 1,5 диам. 15 26x50x56 15
Тип Номер серии Спектральный отклик (нм) Частотный отклик (<кГц) Размер чувствительной области (мм) Габаритные размеры (мм) Напряжение питания (В)
Выход по напряжению Н5784 серия 185-900 20 диам. 8 22x22x60 +/-15
Н7711 серия 185-900 20 3,7x13 19x53x51 +/-15
Н8568 серия
Н7712 серия 185-900 200 3,7x13 19x53x51 +/-15
Н8569 серия
Н8249 серия 185-900 20, 200 4x20 38x95x50 +/-15
Н7827 серия 300-850 20, 200 диам. 15 26x50x56 +/-15
Тип Номер серии Спектральный отклик (нм) Характеристики Размер чувствительной области (мм) Габаритные размеры (мм) Напряжение питания (В)
Внутренний процессор + Интерфейс H7468 серия 185-900 Integration Time 40us to 500ms диам. 8 35x50x60 5
Тип Номер серии Спектральный отклик (нм) Скорость счета (x 106 s-1) Размер чувствительной области (мм) Габаритные размеры (мм) Напряжение питания (В)
Счетчик фотонов H7155 серия 300-650 1,5, 10 диам. 8 22x50x50 5
H7421 серия 300-890 1,5 диам. 5 56x36x104 5
H8259 серия 185-900 2,5 4x20, 4x6 (-02 тип) 38x95x50 5
H7828 серия 300-850 1,5 диам. 15 26x50x56 5
H7360 серия 300 -850 6 диам. 22 34dia.x114 5
H7467 300-650 1,5 диам. 8 35x50x60 5
Тип Номер серии Спектральный отклик (нм) Характе- ристика Размер чувствительной области (мм) Габаритные размеры (мм) Напряжение питания (В)
С доп. функциями H7680 серия 300-650 Время нарастания 1,7 ns диам. 24 58x84x170 15
Компоненты и технологии, № 4'2003
4.1
2.4
Рис. 3. Спектральные зависимости квантовой эффективности для модулей с ФЭУ, чувствительных в диапазоне от ультрафиолета до видимого диапазона
шум». Важно подобрать модуль с ФЭУ, имеющий высокую квантовую эффективность на длине волны измеряемого света. Для получения низкого предела чувствительности с хорошим соотношением «сигнал — шум» при измерении слабых потоков света, наряду с квантовой эффективностью необходимо учитывать темновой порог и темновой ток. Сравнение модулей с ФЭУ по их спектральным параметрам представлено на рис. 3-5.
ТОО 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
WAVE LENGTH (пт)
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
WAVELENGTH(nm)
Типовая квантовая эффективность (%)
Длина волны,пт H7710-13 H7710-14 0 Я 7 7 H H6780-02 H6780-04 H6780-20 H7422-50
200 29 21.3 15.8 - 11.5 - -
300 32.9 22.3 23.8 5 2O.1 3.4 -
400 31.3 18.3 22.9 9.6 18.6 8.9 2.3
500 25.7 16.6 15.4 14.4 11 18.3 8.8
600 18.6 12.9 9.3 11.1 6.1 15.9 12.9
700 9.7 3.5 5.7 5.2 2.6 12.8 13.7
800 4.3 O.1 2.7 O.2 7.4 13.9
Рис. 4. Спектральные зависимости квантовой эффективности для модулей с ФЭУ, чувствительных в диапазоне от ультрафиолета до ближнего ИК-диапазона
Резюмируя представленные материалы, можно дать следующую характеристику модулям ФЭУ по их параметрам:
• Спектральный диапазон 185-900 нм.
• Временная характеристика до 0,78 нс по фронту нарастания.
• Встроенные усилители и другие функциональные группы.
• Рабочее напряжение 15/5 В.
0,1
| Н7360-01 ^
- Н82‘ 8
Г О, 0
7155,Н7
Н 467f
100 200 300 400 500 600 700 800
WAVELENGTH (пт)
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
WAVE LENGTH (пт)
Типовая чувствительность счета фотонов( s-1^pW -1)
m а n X _*■ s -a лн в H7155 H7421-50 0 г H H7360-01 H8259 H8259-01 -02 9- ІЛ 2 8 H
2OO - - - - 1.1 x 1O5 1.4x1O5 1.1 x 1O5
3OO 1.2x1O5 - 6.3x1O4 1.Ox1O5 2.1 x 1O5 2.7x1O5 2.5x1O5
4OO 2.7x1O5 3.3x1O4 4.Ox1O5 2.6x1O5 2.6x1O5 3.3x1O5 3.Ox1O5
5OO 2.2x1O5 1.6x1O5 7.Ox1O5 1.4x1O5 1.9 x 1O5 3.2x1O5 2.5x1O5
6OO 2.1 x 1O4 2.7x1O5 7.6x1O5 3.6x1O5 7.5x1O4 2.3x1O5 2.Ox1O5
7OO — 3.4x 1O5 1.9x1O5 - 1.5x1O3 6.8x1O4 1.4x1O5
8OO — 3.9x1O5 - - - 1.6x1O4 7.5x1O4
9OO - 2.8x1O3 - - - - 3.Ox1O2
Рис. 5. Спектральные зависимости чувствительности счета фотонов для модулей с ФЭУ
• Возможность питания от батарей элементов благодаря малому потреблению. Подобные модули ФЭУ могут найти применение в лазерных радарах, многофотонной микроскопии, мониторах гигиены окружающей среды, спектральной радиометрии, а также в любых измерениях излучения малого уровня для высоких скоростей считывания вплоть до подсчета фотонов.
2OO
3OO
2O
б
400
13
500
4O
6OO
5
700
