ISSN 0351-9716 VAKUUMIST 19/4(1999) KANALNA FOTOPOMNOZEVALKA CPM - NOVA GENERACIJA VISOKO ZMOGLJIVIH FOTODETEKTORJEV Raimund Barden, Perkin Elmer Optoelectronics, Heimann Optoelectronics GmbH, Wiesbaden, Nemčija Bojan Erjavec, Inštitut za elektroniko in vakuumsko tehniko, d.d., Teslova 30, 1000 Ljubljana CPM Channel Photomultiplier - A New Generation of High-efficiency Photodetectors ABSTRACT in this paper we are presenting a new generation ot photomultlpliers exhibiting high sensitivity, fast time response, low background and extended dynamic range The new pnotodelector is ot very compact design and very rugged Due to small volume, the maintenance of ultra-high vacuum conditions is of great importance for the tube storage and operational life. All available photocathodes are processed and hermetically sealed using the transfer technique. Electron multiplication is enabled by a high-gam and extremely low-background channel electron rnultiplier serving also as an enclosure of the new mini electron tube. The applied channel electron multipliers exhibit good single electron response, i.e. narrow pulse height distribution and high peak-to-valley ratio, and are therefore, able to distinguish single electron events. The new channel photomultipliers are very useful in single photon counting applications, especially when detecting very weak light signals. POVZETEK V članku predstavljamo novo generacijo fotopomnoževalk. ki se odlikujejo z veliko občutljivostjo. hitrim Časovnim odzivom, nizkim ozadjem in razširjenim dinamičnim obsegom. Novi fotodelektor je zelo kompakten in zelo odporen pro'i mehanskim obremenitvam. Zaradi majhnega volumna je vzdrževanje ultra visokovakuumskih razmer zelo pomembno za trajnostno dobo elektronke, tako v stanju mirovanja kakor med njenim delovanjem Vse razpoložljive fotokatode so procesirane m hermetično zatesnjene s transferno tehniko Elektronsko pomnoževanje poteka v kanalni elektronski pomnoževalki, za katero sta značilna zelo velik elektronski pomnoževalni faktor in ekstremno nizko ozadje To je kontinuima elektronska pomnoževalka. ki je otjenem tudi ohišfe nove mini elektronke Odlikuje se tudi z dobrim enoelektronskim odzivom oziroma dobro ločljivostjo porazdelitve višine pulzov m visokim razmerjem vrh proti dolini kar omogoča razločevanje posamičnih elektronskih dogodkov. Nove kanalne fotopomnoževalke so zelo primerne za delovanje v posamično-totonsko-Števnem načinu. posebno v primeru detekcije zelo šibkih svetlobnih signalov. 1 Uvod Fotopomnoževalke se uporabljajo za detekcijo sevanja in merjenje sevalne energije v ultravijoličnem, vidnem in bližnjem infrardečem območju elektromagnetnega spektra. Skupaj s scintilatorji in Cerenkovimi radiatorji se fotopomnoževalke uporabljajo tudi za detekcijo in merjenje energije x-žarkov, y-žarkov in jedrskih delcev. Glede na namen uporabe fotopomnoževalke delujejo v analognem (tokovnem), scintilacijsko-števnem in posamično-fotonsko-števnem načinu. Pri aplikacijah, kot so UV-. vidna- in IR-spektrolotometrija, emisijska spektrofotometrija, atomska absorpcijska spektrofoto-metrija, beta in gama spektroskopija, detekcija plina radona, detekcija kozmičnih ?arknv, rlptpkr.ija Ceren-kovega sevanja, pozitronska emisijska tomografija, fluoroscenca, bio- in kemiluminiscenca ter fotometrija v astronomiji, naraščajo potrebe po visoko zmogljivih fotopomnoževalkah. Te so tako najbistvenejši del sodobne analizne opreme in najrazličnejših sistemov za scintilacijsko ter fotonsko štetje. V več naštetih primerih uporabe je potrebna detekcija posamičnih fotonov. V nekaj primerih je zaželena detekcija zelo šibkih svetlobnih tokov velikostnega reda 1 loton na sekundo in manj. za kar so potrebne fotopomnoževalke z visokim kvantnim izkoristkom, velikim elektronskim pomno-ževalnim faktorjem, nizkim ozadjem, hitrim časovnim odzivom in dobrim enoelektronskim odzivom. Sedem desetletij po izumu fotopomnoževalke predstavljamo novo generacijo visoko zmogljivih fotopomnoževalk, ki po karakteristikah ne le presegajo najboljše karakteristike konvencionalnih fotopomnoževalk, temveč istočasno izkazujejo bistvene prednosti. Občutljivost novega fotodetektorja je močno povečana, še močneje pa je znižan nivo ozadja in poboljšana stabilnost nivoja ozadja, kar ima za posledico zelo širok dinamični obseg in znižano spodnjo mejo detekcije. Fotodetektor je kompaktne oblike, je enostaven za uporabo in vgradnjo. V primerjavi s kon-vencionalnimi fotopomnoževalkami je tudi bolj odporen proti mehanskim obremenitvam. Za delovanje ne potrebuje uporovne verige kot zunanjega delilmka napetosti. 2 Princip delovanja kanalne fotopomnoževalke CPM Na sliki 1 je shematsko prikazan prerez nove kanalne fotopomnoževalke CPM (Channel Photomultiplier). Podobno kot pri konvencionalnih fotopomnoževalkah z vgrajenimi polprepustnimi fotokatodami vpade svetloba skozi vstopno okno na polprevodniško fotoka-todno plast, ki je nanesena na notranji površini vstopnega okna. Z zunanjim fotoefektom se svetloba v fotokatodni plasti spremeni v fotoelektrone, ki potujejo do površine fotokatodne plasti in izstopijo v vakuum. Zaradi visoke napetosti in ustreznega električnega polja se fotoelektroni pospešijo v smeri anode. Na svoji poti proti anodi morajo preiti ozek, nekajkrat upognjen polprevoden kanal. Vsakokrat, ko posamezni fotoeiek-tron zadene steno kanala, se iz njegove površinske plasti emitirajo sekundarni elektroni. Ti se ravno tako pospešijo vzdolž kanala. Pri tem vsak sekundarni elektron, ki trči ob steno kanala, znova proizvede sekundarne elektrone. Ta proces se večkrat ponovi. Tako nastane iz vsakega fotoelektrona plaz sekundarnih elektronov, ki se odrazi v obliki izhodnega pulza z elektronskim pomnoževalnim faktorjem, večjim od 100 milijonov. Rezultirajoči tok se zbere in odčita na anodi. Upognjena oblika kanala omogoča definirano elektronsko pomnoževanje, obenem pa onemogoča dodatno cmi3ijo sekundarnih elektronov zaradi ionskega bombardiranja stene vhoda kanala in fotokatodne plasti (ion feedback). Povraten ionski tok in ionsko bombardiranje sta posledica morebitne desorpcije plinskih molekul s površine stene v bližini izhoda kanala ter njihove ioni-zactje. ki potekata med procesom elektronskega pomnoževanja. ¦1 VAKUUMIST 19/4(1999) ISSN 0351-9716 Vhodno okno Kovinska spajka Folokatoda Inkapsulacija Kanal Aiuut.i Slika 1: Zgoraj: shematski prikaz prereza kanalne fo-topomnoževalke CPM (Channel Photomulti-plier) Spoda/: Na fotografiji je prikazana nova kompaktna kanalna fotopomnoževalka z zelo veliko občutljivostjo, ekstremno nizkim ozadjem in z razširjenim dinamičnim obsegom. V sredini je nezalita elektronka. V ospredju je vidno vstopno okno s fotokatodo. v sredini kanalna elektronska pomnoževalka in v ozadju anodni del. Na levi je inkapsulirana elektronka. Kanalna fotopomnoževalka je bile razvita pri Heimann Optoelectronics (Perkin Elmer Optoelectronics) iz Wiesbadna v sodelovanju s Schott Glaswerke iz Mainza in Inštitutom za elektroniko in vakuumsko tehniko iz Ljubljane. Opisani princip elektronskega pomnoževanja se uporablja že mnogo let v tako imenovanih kanalnih elektronskih pomnoževalkah CEM (Channel Electron Multiplier). Te se lahko kot odprti detektorji uporabljajo za detekcijo posamičnih elektronov, ionov, vakuumske UV-svetlobe in mehkih x-žarkov. Poznana je njihova uporaba v kvadrupolnih masnih spektrometrih za detekcijo ionov po izstopu iz masnega filtra IM. V sedemdesetih letih je bilo pri konvencionalnih fotopomno-ževalkah izvedenih več poskusov zamenjave diskretnega dinodnega sistema s kontinuirno kanalno elektronsko pomnoževalko, toda zaradi različnih težav, kot sta kontaminacija s parami alkalijskih kovin in uporovno segrevanje kanala, ni bil dosežen omembe vreden uspeh. Kot je prikazano na sliki 1, je steklena kanalna elektronska pomnoževalka obenem ohišje elektronke, ki je na prednji strani hermetično zaprto z vstopnim oknom, na zadnji strani pa se konča z anodnim delom. Spajanje okna je izvedeno z mehko kovinsko spajko. Ta se plastično deformira tudi pri nižjih temperaturah, kar omogoča kompenziranje razlike ekspanzijskih koeficientov v primeru, ko se med seboj spajajo različni materiali. Tako se lahko spojijo ohišja elektronk z vhodnimi okni, izdelanimi iz različnih materialov. Na izbiro so vstopna okna iz različnih vrst stekel, kremenovega stekla kakor tudi nekaterih kristalov, kot je MgF?. Z izbiro slednjega in ustrezne fotokatodne plasti se spektralna občutljivost kanalnih fotopomnoževalk pomakne v vakuumsko UV-območje s spodnjo mejo 115 nm. Elektronka s priključnimi žicami je inkapsulirana v plastično ohišje, v katerega je vložena in zalita s silikonskim zalivnim materialom z dobro toplotno prevodnostjo. Zalivanje ima tri prednosti: prvič, zagotovljena je odpornost proti močnejšim mehanskim obremenitvam, drugič, zagotovljena je visoka električna napetostna trdnost, in tretjič, uporabljeni zalivni material zagotavlja termično stabilnost elektronke Za efektivno delovanje kanalne elektronske pomnože-valke je potrebna sprotna dobava elektronov, potrebnih za proces eleklronskega pomnoževanja. Zaradi tega je stena steklenega kanala prevlečena s pol-prevodno plastjo. Po priključitvi kanala na visoko napetost leče skozi to plast delovni tok Ker je pri kanalni fotopomnoževalki uporabljeni zalivni material v direktnem termičnem kontaktu s steklenim kanalom, se lahko toplota, ki nastaja zaradi uporovnega segrevanja, preko njega sproti odvaja v okolico. V primerjavi z odprto kanalno elektronsko pomnoževalko, ki deluje v vakuumu, se lahko s to tehniko dosežejo od 3- do 30-krat večji delovni tokovi. To vodi k znatno večjemu maksimalnemu linearnemu anodnemu toku. ki je navadno od 5 do 10 % delovnega toka, tn razširjenemu dinamičnemu obsegu elektronke. Kanalna fotopomnoževalka je zelo kompaktna. Njen premer, skupaj z inkapsulacijo, je 10,5 mm in njena dolžina 75 mm. Premer vstopnega okna je 9 mm. V sredini 1999. leta je bila predstavljena na več mednarodnih razstavah, njene osnovne karakteristike so bile istočasno objavljene v več mednarodnih revijah, znanstveni srenji pa je bila prvič predstavljena oktobra istega leta na strokovni konferenci v Magdeburgu, Nemčija 121. h ISSN 0351-9716 VAKUUMIST 19/4(1999) 3 Tehnologija izdelave Aktjvacija polptepuslnih fotokatodnih plasti pri konven-cionalnih fotopomnoževalkah poteka in situ, in sicer z naparevanjem izbrane kovine na vstopno okno. ki je del steklenega ohišja, in razvijanjem par izbranih alka-lijskih kovin. Stekleno podnožje elektronke s kovinskimi prevodi je nosilec elektronsko-optičnega vhodnega sistema, dinodnega sistema, kolektorskega sistema. getra in izvirov za naparevanje, potrebnih za akti-vacijo fotokatode. Podnožje vsebuje tudi steklen črpalni pecelj. skozi katerega poteka črpanje elektronke. Z uporabo steklenih vilic se lahko hkrati črpa več elektronk. Po vsaki posamezni aktivaciji fotokatode se ustrezna elektronka s pretalitvijo črpalnega peclja loči od črpalnega sistema. Zaradi kompaktnosti kanalne fotopomnoževalke in načrtovanja izdelave velikega števila elektronk v enem ciklu smo razvili in uvedli v proizvodnjo tehnologijo izdelave kanalnih fotopomnoževalk na osnovi tako imenovane transferne tehnike, poznane iz tehnologije izdelave slikovnih ojačevalnikov druge generacije z bližinsko preslikavo. Proizvodnja kanalnih fotopomnoževalk tako že poteka v velikih UW transfernih napravah. Vsaka izmed teh naprav vsebuje komoro za aktivacijo fotokatod, komoro za pripravo anodnih podsklopov, transferni mehanizem in ustrezno število vakuumskih Črpalk, ventilov, manipulatorjev ter merilnikov totalnega in parcialnih tlakov. Osnovni tlak je velikostnega reda 1,0-10" mbar. Vzdrževanje UW razmer |e zelo pomembno, na eni strani zaradi velike kemijske reaktivnosti nanesenih fotokatodnih plasti in na drugi zaradi potrebe po ekstremno razplinjenih podsklopih elektronke. V komori za aktivacijo fotokatod istočasno poteka naparevanje fotokatodnega materiala na veliko število vhodnih oken. Dosežena je velika enakomernost pri ploskovni porazdelitvi fotokatodne občutljivosti. Po aktivaciji se vhodna okna v vakuumu prenesejo v komoro za pripravo anodnih podsklopov. Sledi spajanje katodnih in anodnih podsklopov, ki se ravno tako izvede v vakuumu z uporabo mehkih kovinskih spajk. Tehnologija izdelave kanalnih fotopomnoževalk na osnovi transferne tehnike je bila razvita s sodelovanjem Inštituta za elektroniko in vakuumsko tehniko iz Ljubljane. Nanos polprevodne prevleke na notranjo površino kanala poteka po postopku, poznanem iz tehnologije izdelave kanalnih elektronskih pomnoževalk. Osnovni material kanala je steklo z visoko vsebnostjo svinčevega oksida. Po oblikovanju lijaka na vhodu kanala, preoblikovanju ravnega v nekajkrat upognjeni kanal in spajanju izhoda kanala z anodnim delom sledi postopek žarjenja v atmosferi vodika. Med žarjenjem poteka na površini kanala delna redukcija svinčevega oksida. Po žarjenju je površinska plast polprevodna. Za vrhnji del te plasti, ki vsebuje več Si02. je tudi značilen povečan koeficient sekundarne emisije. Zaradi zanesljivega doseganja predpisane upornosti kanala in optimalnega koeficienta sekundarne emisije smo izhodni material razvili v sodelovanju s Schott Glaswerke iz Mainza, Nemčija. 4 Ultra visokovakuumska tehnika kot izziv Ocenjeni volumen kanalne fotopomnoževalke je samo 0,3 cm3, ki je tako ena izmed najmanjših elektronk. Za primerjavo navajamo, da je volumen konvencionalnih fotopomnoževalk od nekaj deset do nekaj sto cm3. Še enkrat moramo poudariti, da so ekstremno razplinjene komponente eden izmed osnovnih pogojev za delovanje elektronke, kajti vsako najmanjše sproščanje plina lahko povzroči znaten porast tlaka v njej. Pomem -bna je izbira UW kompatibilnih materialov. Razviti smo morali mehanske in kemijske čistilne postopke, optimizirati postopek termičnega razplinjevanja v vakuumu, kakor tudi preučiti efekt vzbujanja anodnih podsklopov s širokim elektronskim curkom in UV- svetlobo v komori za pripravo anodnih podsklopov na njihovo razplmje-vanje med delovanjem elektronke. Pomembna sta tudi izbira getrskega materiala in postopek za njegovo aktivacijo, ki omogoča dolgo trajnostno dobo elektronke. 5 Razpoložljivi fotokatodni materiali in vstopna okna Za vrsto raznih aplikacij so na razpolago različni fotokatodni materiali in vstopna okna. ki pokrivajo spektralno območje od vakuumskega UV-(115 nm) do bližnjega IR-(850 nm) dela svetlobnega spektra. Tabela 1 je spisek razpoložljivih kanalnih pomnoževalk. Tabela 1: Razpoložljive kanalne fotopomnoževalke za delovanje v analognem načinu. Kanalne fotopomnoževalke, ki so izbrane za delovanje v posamično-fotonsko-števnem načinu, imajo pri oznaki tipa pripet P, npr. C 944P. Tip Fotokatoda Vhodno okno Spektralno območje C 911 CsJ MgF? -115-200nm C 922 CsTe kremen 165 - 320 nm C 942 bialkalijska (KCsSb) kremen 165-650 nm C 943 bialkalijska (KCsSb) UV-steklo 185-650 nm C 944 bialkalijska (KCsSb) borosilikatno steklo 300 - 650 nm C 962 multialkalijska (NaKCsSb) kremen 165-850 nm Ö VAKUUMIST 19/4(1999) ISSN 0351-9716 Katoda Vhcd kanala izhod kanala Anoda Slika 2: Shema električnega kroga kanalne fotopomnoževalke 6 Podatki o zmogljivosti kanalne fotopomnoževalke Na sliki 2 je prikazana priporočena shema električnega kroga za delovanje fotopomnoževalke v analognem načinu, ki ga sestavljajo visokonapetostni napajalnik, precizni elektrometer in kanalna fotopomnoževalka. Na katodo je priključena negativna visoka napetost od -1,5 do -2,5 kV (-3 kV za delovanje v fotonsko-števnem načinu). Vhod kanala leži na nekoliko višjem potencialu. za kar se lahko uporabi Zenerjeva dioda zal 00V. S tem je omogočeno efektivno zbiranje fotoelekronov, ki izstopajo iz fotokatodne plasti. Anoda je ozemljena. Signal se preko koaksialnega kabla (50 Q) odčita z elektrometrom. Izhod kanala je postavljen na nizko negativno napetost (od -20 do -50 V), s tem da se uporabi ustrezen upor (1 MU). 6.1 Katodna občutljivost Na sliki 3 je prikazana spektralna občutljivost, kot kvantni izkoristek v odvisnosti od valovne dolžine, različnih fotokatodnih plasti, ki so nanesene na vhodna okna, izdelana iz različnih materialov. Izbira določene kombinacije materialov je odvisna od posamezne aplikacije. Pri tem je spodnja meja spektralnega območja določena z izbiro materiala vhodnega okna, zgornja pa z izbiro materiala fotokatode. Prikazane spektralne občutljivosti so primerljive s tistimi pri sodobnih standardnih fotopomnoževalkah, ki se proizvajajo z drugimi tehnologijami/3/. Prednost tehnologije izdelave kanalnih fotopomnoževalk na osnovi transferne tehnike ni samo pri doseganju enakomerne ploskovne porazdelitve fotokatodne občutljivosti pri posamezni kanalni fotopomnoževalki, temveč tudi pri doseganju enakomerne porazdelitve fotokatodne občutljivosti pri večjem številu kanalnih fotopomnoževalk. V teku je razvoj posebnih postopkov za sintezo multialkalijskih fotokatod. s katerimi bomo povečali spektralno občutljivost v bližnjem IR- področju. 6.2 Elektronski pomnoževalni faktor in anodna občutljivost Slika 4 prikazuje elektronski pomnoževalni faktor kot tokovno ojačenje kanalne fotopomnoževalke v odvisnosti od delovne napetosti. Pri maksimalni napetosti -3 kV območje tokovnega ojačenja sega preko 1,0 108. Pri napetosti -2400 V se za tokovno ojačenje doseže značilna vrednost 5.0-107. To ustreza anodni občutljivosti 3,0-106 A/W pri 400 nm za kanalno fo-topomnoževalko z bialkalijsko fotokatodo. Pri -3 kV se za anodno občutljivost lahko dosežejo značilne vrednosti preko 1.0-107 A/W. V primerjavi s konvencional-nimi fotopomnoževalkami je anodna občutljivost presežena za en do dva velikostna reda. — inm: -j IUMI 1 L 1 - ' ¦ L« J -= i - :i35=T=^r-' '¦ _^-~ __ ^ -3 s^ :-_ -^Ajž = <=="___s=- — --------------J_ y^ **- ~1 / ; 1 M"U Oivni napMoit IV i Slika 3: Spektralna občutljivost fotokatod pri različnih tipih kanalnih fotopomnoževalk Slika 4: Tokovno ojačenje kanalne fotopomnoževalke v odvisnosti od delovne napetosti 6.3 Nivo ozadja Posebnost tehnologije izdelave kanalnih fotopomnoževalk na osnovi transferne tehnike je tudi doseganje zelo nizkega nivoja ozadja. Pri tem se izraz ozadje fotopomnoževalke nanaša na anodni signal, ki se lahko izmeri, ko je fotopomnoževalka v popolni temi. Slika 5 prikazuje odvisnost anodnega temnega toka od delovne napetosti. Pri kanalni fotopomnoževalki z bialkalijsko fotokatodo je npr, anodni temni tok pri tokovnem ojačenju 1,0-106 samo 3 pA. Značilne vrednosti anodnega temnega toka pri konvencionalnih fotopomnoževalkah so večinoma v spodnjem nA-področju. Značilne vrednosti anodnega temnega toka pri kanalnih fotopomnoževalkah z UV-fotokatodo pri tokovnem 7 ISSN 0351-9716 ojačenju 1.0-106 so celo v fA področju. Posledica nizkega nivoja ozadja je razširjen dinamični obseg, ki je pri tokovnem ojačenju 1.0-106 značilen: šest velikostnih redov pri kanalnih fotopomnoževalkah z bialka-lijsko fotokatodo in sedem do osem velikostnih redov pn kanalnih fotopomnoževalkah z UV-fotokatodo. IM HM MM M» ¦¦ (>*f«nj n«t*ro»l (V) Slika 5: Anodni temni tok pri različnih tipih kanalnih fotopomnoževalk v odvisnosti od delovne napetosti Prvi vzrok za zelo nizko ozadje je v bistvu v tem. da v kanalu poteka proces elektronskega pomnoževanja navidezno tiho. Meritve ozadja pri kanalni elektronski pomnoževalki so dale vrednosti, ki ustrezajo ekvivalentnemu vhodnemu toku od 0,01 do 0,1 elektrona na sekundo. Pri konvencionalnih fotopomnoževalkah je ozadje, ki je posledica poljsko-emisijskega efekta in izvira iz elektronsko-optičnega vhodnega in dinodnega sistema, navadno znatnejši delež celotnega ozadja. Poljsko-emisijski efekt je namreč zelo odvisen od hrapavosti kovinskih elektrod in množine par alkalijskih kovin, adsorbiranih na kovinskih elektrodah. Drugi vzrok za zelo nizko ozadje so majhni izolacijski tokovi v anodnem krogu, kajti anoda je električno dobro izolirana predvsem zaradi preprečitve kontaminacije steklenih izolatorjev anodnega podsklopa s parami alkalijskih kovin. Signal se tudi odčita preko koaksialnega kabla (50 Q) z majhnim šumom. Naslednji vzrok za zelo nizko ozadje leži v pravilni izbiri materialov kanalne fotopomnoževalke. Posebno je treba paziti, da izbrani materiali ne vsebujejo elementov z naravnimi radioaktivnimi izotopi, kot je 40K. Edina izjema je vhodno okno iz UV-stekla pri kanalni foto-pomnoževaiki tipa C 943. Iz navedenih dejstev lahko sklepamo, da pri kanalni fotopomnoževalki k ozadju praktično prispeva le fo-tokatoda zaradi termično-emisijskega efekta. Termični emisijski tok je pri obeh tipih UV-fotokatod zanemarljiv in pri bialkalijski fotokatodi zelo majhen. Pri multialka-lijski fotokatodi se hkrati s povečano fotokatodno občutljivostjo v bližnjem IR-področju ustrezno poveča tudi njen termični emisijski tok. S kontrolirano sintezo multialkalijske fotokatode. ki jo omogoča tehnologija izdelave kanalnih fotopomnoževalk na osnovi transferne tehnike, lahko dosežemo povečano in stabilno fotokatodno občutljivost v bližnjem IR-področju kakor tudi definiran fotokatodni temni tok 14/. VAKUUMIST 19/4(1999) 6.4 Stabilnost nivoja ozadja Nenadne razelektritve elektrostatičnega naboja so vzrok nestabilnosti nivoja ozadja oziroma porasta temnega šuma in so značilen pojav pri konvencionalnih fotopomnoževalkah. V nasprotju z njimi, ki imajo za svoja ohišja steklene bučke z dobrimi električnimi izolacijskimi lastnostmi, pa pri kanalnih pomnoževalkah elektrostatično nabijanje steklenih delov ni možno. Meritve časovnega poteka anodnega temnega toka pri kanalni fotopomnoževalki kažejo na njegovo zelo visoko stabilnost. Pri tem je temni šum samo posledica statističnih fluktuacij anodnega temnega toka. Notranjo površino kanala namreč sestavlja polprevodna plast, ki preprečuje kopičenje in spontano razelektritev elektrostatičnega naboja. S tem je odstranjena pomembna pomanjkljivost klasičnih fotopomnoževalk. Na sliki 6 je prikazan anodni temni tok izbrane kanalne fotopomnoževalke C 942P z nizkim ozadjem, ki je bil izmerjen v Časovnem obdobju desetih ur. Nivo anodnega temnega toka je ekstremno stabilen. Majhni vrhovi v spektru odgovarjajo eno- in večelektronskim dogodkom. Meritev anodnega temnega toka je narejena pri tokovnem ojačenju 3.0-107. Izmerjena, srednja vrednost anodnega temnega toka je 5 pA. Če se ta vrednost deli s faktorjem elektronskega pomnoževanja, je ocenjena vrednost ekvivalentnega katodnega temnega toka približno 1,6-10-19 A ali 1 elektron na sekundo. To pomeni, da se s kanalno fotopomno-ževalko lahko detektira posamične fotone tudi v analognem načinu delovanja! Meritev, narejena pri delovanju fotopomnoževalke v posamično-fotonsko-števnem načinu, potrjuje ta rezultat: pri isti kanalni pomnoževalki je izmerjena frekvenca sunkov ozadja 1 cps (counts per second). Zgoraj opisane meritve zelo impresivno prikazujejo zmogljivost nove kanalne fotopomnoževalke, ki lahko tudi v analognem načinu delovanja izkazuje zelo nizko ozadje, primerljivo z ozadjem fotopomnoževalk, izbranih za delovanje v posamično-fotonsko-števnem načinu. •i-" -¦*n - i*" t I" i Slika 6: Časovna odvisnost anodnega temnega toka: nivo ozadja 5 pA pri tokovnem ojačenju 3.0-107 ustreza ekvivalentnemu katodnemu temnemu toku 1 elektron na sekundo. 8 VAKUUMIST 19/4(1999) ISSN 0351-9716 6.5 Ločljivost porazdelitve višine pulzov Pri tokovnih ojacenjih. ki presegajo 1,0-107, se pri kanalni fotopomnoževalki enofotoelektronski pulz zelo jasno loči od elektronskega šuma. Pri tokovnih ojacenjih, večjih od 1.0-108, se zaradi porasta prostorskega naboja blizu izhodne strani kanala pojavi efekt nasičenja, ki je značilen za konvencionalne kanalne elektronske pomnoževalke. Pri delovanju kanalnih fo-topomnoževalk v nasičenju postanejo tako izhodni pulzi po višini skoraj enaki. Slika 7 prikazuje porazdelitev višine izhodnih pulzov, ki so posledica enofoton-skih dogodkov, posnetih z večkanalnim analizatorjem, ki vsakemu pulzu na osnovi njegove višine določi vrednost in prešteje ter prikaže število pulzov, zaznanih pri vsaki vrednosti. Za prikazano porazdelitev, ki je po videzu Gaussove oblike, je značilna odlična ločljivost in zelo visoko razmerje vrh proti dolini. Vzrok za to leži v velikem elektronskem pomnoževalnem faktorju in ekstremno nizkem ozadju kanalne elektronske pomnoževalke (slednje je brez prispevka, ki je značilen za konvencionalne fotopomnoževalke in izvira iz elek-tronsko-optičnega vhodnega in dinodnega sistema). 2HQ-------------- J* 4 V | / * • % 100 ISO 200 številka kanala 2H MG Slika 7: Porazdelitev višine pulzov pri kanalni fotopomnoževalki, posneta z večkanalnim analizatorjem. Opazna je dobra ločljivost porazdelitve in zelo visoko razmerje vrh proti dolini. Zelo visoko razmerje vrh proti dolini, ki se nahaja na levi strani porazdelitve, znatno olajša nastavitev nivojev diskriminatorja, kar vodi k bistveno boljši stabilnosti in večji natančnosti, posebno pri aplikacijah, ki temeljijo na posamično-fotonskem štetju. 7 Sklep Nova kanalna fotopomnoževalka je visoko zmogljiv fotodetektor za detekcijo zelo nizkih svetlobnih nivojev. Kombinacija zelo velike anodne občutljivosti in ekstremno nizkega ozadja lahko pri mnogih analitskih metodah znatno zniža spodnjo mejo detekcije. kar zagotavlja identifikacijo elementov, ki so v manjših sledeh. Kompaktnost in robustnost novega fotodetek-torja olajšujeta njegovo praktično uporabo. Serijska proizvodnja predstavljene kanalne fotopomnoževalke se je začela poleti 1999. leta v VViesbadnu, Nemčija. 8 Načrtovanje V bližnji prihodnosti nameravamo razširiti spekter kanalnih fotopomnoževalk s povečanjem dimenzij vstopnih oken in z novimi totokatodnimi materiali. V načrtu je razvoj in proizvodnja linijskih in mrežnih večkanalnih fotopomnoževalk. V kratkem bodo na voljo tudi moduli, ki so sestavljeni iz visokonapetostnega napajalnika, kanalne fotopomnoževalke in elektronike za posamično-fotonsko štetje. 9 Literatura IV CHANNELTRON" Electron Multiplier. Handbook lot Mass Spectrometry Applications. GALILEO Electro-optics Corp., 1991 121 R Barden. "Miniaturization ot vacuumelectronic components: The new CPM - Channel PhotomultipJier - a mini electron tube with high sensitivity and low noise". Fachkon-lerenz: "Festkorper-Gas- Wechselwirkung unter dem Gesichtspunkt vakuumelektronischer und vakuum mikroelektronischer Anwendungen'. ITG(VDE)-Fachausschuß S.6 'Vakuumelektronik und Displays". Magdeburg. 15, Okt 1999 /31 Photomultiplier Tubes. Pnnciple to Application, HAMAMATSU. 1994 /4/ B. Erjavec. Thin Solid Films 303. (1997). 4-16 Delovanje organov lUVSTA V letu 1999 je naša mednarodna organizacija imela dve seji svojega izvršnega odbora in sicer v Bains de Saillon (Švica) februarja in v Cancunu (Mexico) konec avgusta. Od Slovencev se je prve udeležil Andrej Pregelj, druge pa Monika Jenko. Taki sestanki trajajo navadno dva do tri dni. To niso le seje izvršnega odbora (Executive Council Meeting - ECM), ampak skupek sestankov vseh strokovnih in tehničnih pododborov. Najštevilnejša udeležba je tam, kjer je govor o aktualnih znanstveno-tehničnih področjih in načrtovanju kongresov, izobraževanja ter financah. Tu so podana poročila o posameznih dejavnostih, snujejo pa se tudi ideje za nadaljnje delo. Naslednji seji ECM 85 in ECM 86 v letu 2000 sta predvideni v Namurju v Belgiji (konec marca) in v Portorožu ob priliki 8. konference o tehnologijah in materialih ter 20. slovenskega posvetovanja o vakuumski tehniki. V Namurju bo letos nekoliko bolj slovesno zaradi obletnice pričetka delovanja mednarodne vakuumske organizacije. Tu je bil namreč leta 1958 v sklopu svetovne razstave prvi mednarodni kongres za vakuumsko tehnologijo in takrat je prišlo do pobude za ustanovitev mednarodne organizacije, imenovane I0VST. ki je vključevala posamezne vakuumske strokovnjake. Čez štiri leta pa je bila ta organizacija spremenjena tako. da jo sestavljalo le zastopniki iz držav članic in se preimenovala v lUVSTA. Tudi lo se je zgodilo v Belgiji, in sicer 8. decembra 1962 v Bruslju. Doslej smo bili Slovenci že dvakrat lokalni organizatorji sestankov organov lUVSTA. in sicer leta 1988 v Portorožu (EMC) in leta 1995 na Brdu pn Kranju (EMC 73). obakrat v nadaljevanju združenih vakuumskih konferenc sosednjih dežel (Avstrije -Madžarske - Hrvaške in Slovenije). Želimo, da bi nam tudi letošnjo ECM 86 v Portorožu uspelo organizirati tako dobro kot prejšnji dve. A. P.