Фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) — один из основных приемников оптического излучения, применяемых в астрономии. Фотоэлектронный умножитель, также как и фотоэлемент, фотодиод, фотосопротивление, прибор с зарядовой связью (ПЗС) относится к фотоэлектрическим приемникам оптического излучения, в которых энергия поглощенного фотона переходит в энергию (фото)электронов. Появление фотоэлектронов меняет электрические свойства вещества (возникновение фототока, заряда, изменение проводимости и т.д.) что и регистрируется привычными техническими средствами. Другой класс приемников основан на преобразовании энергии оптического излучения в энергию кристаллической решетки вещества, т.е. к повышению температуры поглотившего излучение прибора. Такие приемники, в отличие от фотоэлектрических, как правило, неселективны, т.е. обладают возможностью регистрировать излучение в очень широком диапазоне длин волн. Основной представитель этого класса приемников — болометр (или радиометр), широко применяющийся в астрономических исследованиях в инфракрасной области спектра.

Фотоэлектронный умножитель и его предшественник фотоэлемент работают на основе внешнего фотоэффекта, когда образовавшиеся фотоэлектроны выходят из вещества фотокатода (историческое название, связанное со способом включения устройства в электрическую цепь) в вакуум. Именно фотокатод является основным элементом преобразования оптической радиации (света) в электрический ток. Физические основы этого процесса и важные условия и подробности рассматриваются в курсе "Приемники оптического излучения и их применение". Здесь отметим, что основной характеристикой такого преобразования является красная граница фотоэффекта для данного вещества фотокатода, лежащая обычно в диапазоне от 700 нм до 1300 нм.

Несмотря на то, что в последние 10–15 лет основным оптическим приемником в астрономии стала ПЗС матрица, обладающая более высокой квантовой эффективностью (отношением числа рожденных фотоэлектронов к числу упавших фотонов) и свойством координатной чувствительности, ФЭУ находит широкое применение в исследованиях, где главным является измерение общего потока от астрономического объекта в очень широком диапазоне блеска (динамический диапазон качественного современного ФЭУ на 2 порядка превышает динамический диапазон ПЗС матрицы) либо с высоким временным разрешением (временное разрешение ФЭУ лежит в области наносекунд, тогда как для ПЗС это в лучшем случае доли секунды) либо в ультрафиолетовом диапазоне спектра (эффективность ФЭУ для диапазона короче 350 нм обычно выше чем у ПЗС матрицы).

Цель настоящей задачи получить представление о фотоэлектронном умножителе, его основных характеристиках, современных методах работы с ним.

Физика фотоэлектронного умножителя.

Устройство и работа ФЭУ.

Зарегистрировать один вышедший из фотокатода электрон практически невозможно, (1 фотоэлектрон в секунду соответствует току 1.6·10^-19 А) поэтому фотоэлементы применялись в начале века только при исследованиях очень ярких звезд. Принципиальным для техники астрономических наблюдений явилось изобретение в 40-х годах фотоумножителя (Photomultiplier tube, PMT) — прибора обладающего возможностью усиления фототока катода, или другими словами — умножающими количество электронов в миллионы раз.

Устройство и функционирование ФЭУ мы рассмотрим на примере ФЭУ-79, наиболее широко применявшегося в отечественных астрономических наблюдениях с 60-х годов фотоэлектронного умножителя. Это умножитель с мультищелочным (сурьмяно-калиево-натриево-цезиевым) полупрозрачным фотокатодом, нанесенным (изнутри) на верхний торец стеклянной колбы где в вакууме смонтированы и остальные электроды фотоумножителя. Этот фотоумножитель схематично изображен на Рис. 1. Выводы от всех электродов ФЭУ осуществлены через основание колбы, заделанной в пластмассовый цоколь. Для простоты на Рис. 1 выводы нарисованы через боковую стенку колбы.

Умножение числа фотоэлектронов (или, иначе, усиление фототока) происходит на динодной системе, содержащей в этом ФЭУ 11 динодов. В других ФЭУ количество динодов бывает от 9 до 13. Работа динода основана на эффекте вторичной электронной эмиссии — явления, когда первичный электрон, попадая на динод, выбивает несколько электронов (называемых вторичными). Сколько в среднем появляется вторичных электронов, зависит и от энергии первичного электрона и от материала динода. Эта величина называется коэффициентом вторичной эмиссии d  и обычно для современных ФЭУ лежит в пределах от 3 до 10.

Чтобы вылетевший из фотокатода фотоэлектрон пришел на 1-ый динод, имея достаточную энергию, потенциал динода должен быть на несколько десятков или сотен вольт более положительным. Аналогично, чтобы появившиеся с 1-ого динода примерно d  вторичных электронов достигли следующего 2-ого динода, обладая достаточной энергией, потенциал 2-ого динода также должен превышать потенциал 1-ого на 100–200 В. Очень важно при этом, чтобы все вторичные электроны попали именно на динод, а не на стойки электродов и стекло колбы. Реальные конструкции динодных систем весьма разнообразны, каждый тип имеет свои особенности.

В результате, со 2-ого динода выходит электронное облако из примерно d ² электронов. Процесс умножения происходит лавинообразно и с последнего динода на специальный электрод коллектор (также называемый анодом) приходит уже G = d ^m (m — число динодов) электронов, принося заряд порядка 10^-13 Кулон за время порядка 20 нс. Такая величина уже вполне может быть зарегистрирована средствами современной электроники. Протяженность лавины во времени t _P определяется различными траекториями движения и скоростями отдельных электронов. Величина G  называется коэффициентом усиления (или умножения) ФЭУ.

Еще один электрод в ФЭУ-79 расположен между фотокатодом и первым динодом и называется фокусирующей диафрагмой. Работает он как электростатическая линза и служит для того, чтобы фотоэлектроны из периферийных частей фотокатода не смогли попасть в динодную систему для умножения.

Для того чтобы на каждый электрод ФЭУ подать соответствующий потенциал, обеспечивающий оптимальную работу прибора, используется делитель напряжения, также изображенный на Рис. 1. Простейший вариант состоит из нескольких одинаковых сопротивлений, включенных последовательно друг с другом. Общее сопротивление делителя обычно составляет 2 – 10 МОм. На один конец делителя, соединенный с фотокатодом, подается питающее напряжение U обычно около –2000 В, а другой конец заземлен, т.е. находится при нулевом потенциале. В таком делителе междинодное напряжение равно U/13, т.е. примерно 150 В. Диафрагма и диноды последовательно подключаются к точкам соединения резисторов. Анод соединяется с землей через нагрузочное сопротивление R_L. Существенным является то, что параллельно с этим сопротивлением обязательно включена некая емкость C — это либо реальный конденсатор, либо просто паразитная емкость, образованная элементами реальной конструкции и входной емкостью дальнейшей электронной схемы. Эти три элемента образуют выходную (анодную) цепь ФЭУ, сигнал с которой и подается на вход электронной схемы (усилителя) для дальнейшего усиления и регистрации.

Итак, подведем итог. Если на фотокатод ФЭУ попадает n_ph фотонов в секунду (поток фотонов), каждый из которых с вероятностью h вызывает появление фотоэлектрона, то поток фотоэлектронов (число фотоэлектронов в секунду) n_e = hn_ph. Вероятность h называется квантовым выходом фотокатода и для конкретного материала фотокатода зависит в первую очередь от длины волны кванта света. Каждый фотоэлектрон вызывает лавину электронов, содержащую в момент прихода на анод ФЭУ в среднем G электронов, с общим зарядом qG (q — заряд электрона). Следовательно, 1) число лавин электронов или, иначе, импульсов ФЭУ в единицу времени n пропорционально потоку фотонов n_ph, 2) полный заряд, приходящий на анод в секунду, (или анодный фототок) составляющий qGhn_ph , также пропорционален n_ph.

Эти два обстоятельства и определяют два основных метода регистрации сигнала ФЭУ. Исторически первый называется методом измерения постоянного тока и заключается в измерении среднего значения протекающего через нагрузку R_L тока. Поскольку время усреднения (от долей до десятков секунд) определяется постоянной времени t_e = R_LC, в этом случае значение сопротивления R_L должно быть велико (десятки и сотни МОм).

Второй способ может быть реализован при малых значениях постоянной времени t_e выходной цепи. В этом случае сигнал на сопротивлении R_L представляет собой последовательность отрицательных импульсов напряжения длительностью t со средней амплитудой

(1)

Длительность импульса t » t_P если t_e < t_P и t » t_e в противоположном случае. Каждый такой импульс может быть отдельно обнаружен и подсчитано их общее число за единицу времени. Этот способ регистрации называется методом счета фотонов (или импульсов). Важной особенностью этого метода является неизбежное наличие критерия обнаружения импульса. Обычно, это так называемая дискриминация, т.е. сравнение электрического сигнала с неким пороговым уровнем T, превышение которого интерпретируется как наличие пригодного для дальнейшей регистрации импульса.

Существует ряд эффектов, искажающих прямо пропорциональную зависимость между световым потоком, падающим на фотокатод, и фототоком или числом зарегистрированных анодных импульсов тока. Прежде всего, это темновой ток или темновой сигнал n_D — сигнал, который обнаруживается на выходе ФЭУ, даже если прибор находится в полной темноте. Источников для возникновения такого сигнала несколько.

При комнатной температуре наиболее существенным является термоэмиссия электронов с фотокатода и динодов. Термоэмиссия обусловлена тем, что распределение электронов по энергиям при не-нулевой температуре не ограничено со стороны высоких энергий и, с учетом большого числа электронов в объеме фотокатода, всегда есть электроны, способные эмиттировать из фотокатода. Такой электрон не отличим от фотоэлектрона и также приводит к образованию лавины и появлению выходного сигнала.

Величина термоэмиссии зависит от свойств материала фотокатода (эффективные в красной области спектра фотокатоды как правило имеют и большую термоэмиссию), тонкостей технологии (наличие примесей) размеров фотокатода (пропорционально площади) и температуры (охлаждение на 20°C понижает термоэмиссию на порядок). Для реальных ФЭУ она может быть от единиц до многих десятков тысяч импульсов в секунду при обычной температуре. Среди ФЭУ-79 также попадаются экземпляры как с очень низким, так и очень высоким значением темнового тока.

Термоэмиссия с динодов имеет меньшее значение, поскольку число степеней умножения для таких электронов, по крайней мере, на 1 меньше, и выходные импульсы в среднем в d и более раз слабее. В методе счета фотонов существенная часть таких импульсов может быть исключена из дальнейшей регистрации. Другими источниками темнового сигнала (тока) являются: распад радиоактивных атомов в стекле колбы, космические лучи, автоэмиссия под действием электрического поля и т.д.

Понятно, что теперь при измерении светового потока мы должны учесть присутствие темнового сигнала, и световому потоку на фотокатоде ФЭУ будет соответствовать не полное число n, а разность n-n_d. Заметим, что флюктуации n_d неизбежно будут входить в эту разность. Поэтому именно флюктуации темнового сигнала называются собственным шумом ФЭУ, который ограничивает возможность измерения слабых световых потоков. Это же относится и к другим приемникам излучения.

Другим важным эффектом, искажающим уже линейную зависимость между потоком излучения и выходным сигналом ФЭУ, является нелинейность. Нелинейность присуща как методу измерения тока, так и методу счета фотонов, хотя ее причины различны. Для первого метода основным является эффект пространственного заряда, искажающего электрическое поле между динодами. При большой освещенности количество электронов, находящихся одновременно, между последними динодами так велико, что их электрическое поле препятствует нормальному ускорению последующих электронов. Следовательно, коэффициент умножения прибора G уменьшается.

В случае счета импульсов нелинейность вызывается тем, что продолжительность импульса t конечна (в лучшем случае , для ФЭУ-79 это 20...30~нс), а световой поток и поток выходных импульсов носит стохастический характер. При больших световых потоках и, следовательно, большом значении n, средний промежуток по времени между импульсами 1/n сравним с t и вероятность того, что временное расстояние между последовательными импульсами окажется меньше их длительности, возрастает. Это приводит к слиянию двух соседних выходных импульсов ФЭУ в один и к уменьшению общего числа сосчитанных импульсов.

Режим питания ФЭУ, счетные характеристики.

Поскольку коэффициент вторичной эмиссии зависит от энергии первичного электрона, т.е. от междинодного напряжения, полное усиление G также зависит от приложенного к ФЭУ напряжения питания. Эта зависимость очень велика и представляется выражением G(U)~U^pm, где pm обычно около 5...10. Это обстоятельство накладывает строгие требования к стабильности высоковольтного источника питания, особенно в методе измерения тока.

При работе в режиме счета фотонов изменение амплитуд импульсов от питающего напряжения приводит к зависимости числа зарегистрированных импульсов n от U, поскольку изменяется соотношение между порогом дискриминации и средней амплитудой импульсов. Эта зависимость имеет достаточно сложную форму. Пример таких зависимостей n = n(U), называемых счетными характеристиками ФЭУ, приведен на Рис. 2. Чтобы объяснить главные особенности счетной характеристики нужно вернуться к процессу умножения электронов динодной системой.

Вторичная эмиссия по своей природе процесс вероятностный, причем распределение вероятности получить k вторичных электрона близко к распределению Пуассона с параметром d. Поскольку d не велико (~4), то ширина распределения относительно велика. Достаточно вероятны события с числом вторичных электронов, скажем, 1 и 10. Определяющим для общего умножения является первый динод, на последние диноды приходит сразу много электронов и флюктуации величины умножения на них относительно малы. В результате, амплитуды выходных импульсов также флюктуируют в несколько раз, даже если все они порождены фото- или термоэлектроном с фотокатода.

Если учесть, что на выходе ФЭУ присутствуют также импульсы другого происхождения, то распределение выходных импульсов по амплитудам (АРИ — амплитудное распределение импульсов) еще более усложняется. К тому же эти распределения различны для разных экземпляров ФЭУ по технологическим причинам. В методе счета фотонов анализ АРИ важен для обоснованного выбора порога дискриминации, ведь необходимо зарегистрировать как можно больше "световых" импульсов и отсечь как можно больше "шумовых" импульсов чтобы повысить итоговое отношение сигнал/шум.

Упрощенные АРИ для темнового сигнала (пунктирная линия) и в случае значительного светового сигнала (сплошная) показаны на Рис. 3. Для ФЭУ, оптимального для использования метода счета фотонов, характерен так называемый одноэлектронный пик. Между этим пиком и левой экспоненциальной ветвью (динодные и другие импульсы, шумы электроники) находится долина — место для правильной установки порога дискриминации (T_d или T_L). К сожалению, таких ФЭУ в обычной партии немного. Чаще встречаются экземпляры с АРИ с замытым или вообще без одноэлектронного пика (штриховая линия на Рис. 3.. Такие умножители мало пригодны для высококачественных измерений светового потока. Кроме амплитуды импульса, соответствующей одноэлектронному пику, бывает полезна другая характерная величина — медианное значение амплитудного распределения. Она лучше определяется из экспериментальных данных и характеризует АРИ даже в отсутствие одноэлектронного пика.

Если увеличить напряжение питания U, то в первом приближении АРИ пропорционально растянется по оси амплитуд в соответствии с зависимостью G(U). Однако, если учесть, что амплитуда динодных импульсов от напряжения зависит слабее, а для шумов электроники вообще нет явной зависимости, то экспоненциальная ветвь должна растянуться меньше. Относительная ширина одноэлектронного пика также слегка уменьшится. Как результат, долина может стать глубже.

Теперь ясно, что участок I счетной кривой на Рис. 2 при фиксированном пороге соответствует ситуации, когда средняя амплитуда импульсов еще меньше или порядка порога дискриминации. Когда же она возрастает настолько, что почти все катодные импульсы регистрируются, крутизна счетной характеристики значительно уменьшается (участок II). На счетных кривых для темнового сигнала (пунктирная линия) и с незначительной подсветкой заметен участок III — начало счета динодных импульсов. На счетных характеристиках в случае сильной засветки (сплошная линия) ФЭУ этот участок практически не виден. Штриховой линией обозначена счетная характеристика для ФЭУ без одноэлектронного пика в АРИ.

Наконец, обсудим причины резкого роста характеристики на участке IV. Было бы заманчиво увеличить напряжение питания так, чтобы амплитуда импульсов ФЭУ стала настолько большой, чтобы отпала необходимость в их дальнейшем усилении средствами электроники. Однако, при достижении некоторого предельного коэффициента усиления резко возрастает роль ионной и оптической обратной связи. Ионная обратная связь возникает из-за того, что под влиянием электронов лавины происходит ионизация некоторых атомов остаточного газа и положительный ион, также разгоняясь в электрическом поле, может достичь фотокатода. В этом случае он способен породить сразу несколько вторичных электронов и в умножителе возникнет новая лавина. Оптическая обратная связь возникает в случае попадания на фотокатод фотонов, возникающих при люминесценции анода или последнего динода под влиянием электронных ударов.

В любом случае это проявляется как появление на выходе ФЭУ дополнительных импульсов (после-импульсов), задержанных на некоторое время относительно обычных. Конструкции фотоумножителей разрабатываются так, чтобы уменьшить эти обратные связи, и доля их при нормальном напряжении питания невелика (меньше нескольких процентов). Однако с повышением плотности электронов в лавине и увеличением их энергии вероятность этих эффектов начинает быстро расти, и при некотором напряжении питания процесс роста становится неуправляемым — возникает само-поддерживающийся разряд. В такой ситуации возможно необратимое разрушение анода и последних динодов. При увеличении питающего напряжения возрастает значение и авто-эмиссии, приводящей к возникновению классического электрического разряда.

Как уже упоминалось, собственный шум ФЭУ определяется флюктуациями его темнового сигнала n_D. Полезный сигнал n_S, т.е. тот сигнал, который несет информацию о световом источнике, всегда определяется как n = n-n_D. Величины n и n_D статистически независимы, поэтому полный шум, присущий величине n_D, равен , где и — дисперсии величин n и n_D. Для характеристики возможности успешного измерения полезного сигнала в той или иной ситуации служит отношение "сигнал к шуму":

Это широко используемая величина, однако более наглядным является обратное отношение, просто равное относительной точности измерения полезного сигнала:

Заметим, что в общем случае вместо темнового сигнала используется понятие фоновый сигнал, включающий все имеющиеся сигналы за исключением полезного. Например, при измерении блеска звезды фоновым сигналом будет сумма темнового сигнала и светового сигнала от некоторого участка неба.

Если измеряется световой поток от постоянного источника и условия измерений не меняются, то сигналы n и n_D стационарны. При правильной работе ФЭУ и регистрирующей электроники эти сигналы практически всегда близки к пуассоновскому процессу — распределение отдельных отсчетов описывается распределением Пуассона, а их дисперсии равны средним значениям: .

Это обстоятельство можно использовать для оценки потенциальной возможности или планировании измерений. Однако при оценке реальной апостериорной точности измерений лучше использовать определяемые в процессе измерений оценки дисперсий. Сравнение этих оценок с ожидаемыми для пуассоновского процесса позволяет контролировать правильность измерений. Но следует иметь в виду следующие обстоятельства: 1) световой поток может быть и не пуассоновским (например: излучение лазера, атмосферное мерцание звезд и т.д.); 2) наличие после-импульсов различной природы увеличивает дисперсию в 1+x раз (где x — вероятность появления после-импульса) для светового и для темнового сигналов; 3) компоненты темнового сигнала, за исключением термоэмиссии, не являются пуассоновскими, поэтому при охлаждении ФЭУ статистика темнового сигнала может значительно измениться; 4) при больших световых потоках эффект нелинейности меняет не только среднее значение, но и величину дисперсии (этот факт используется далее для определения величины нелинейности).

Предыдущие формулы для оценки точности определения полезного сигнала зависимость от времени накопления t содержат неявно. Чтобы выделить эту зависимость, следует вспомнить, что дисперсия суммы t независимых одинаково распределенных величин в t раз больше дисперсии одной случайной величины. Это общее свойство стационарных процессов, при этом процесс может не быть пуассоновским. Поэтому отношение SN растет пропорционально t^1/2, а относительная ошибка уменьшается как t^-1/2. В нестационарной ситуации (например, при значительных изменениях светового потока) увеличение времени накопления может привести к обратному эффекту.

В методе счета импульсов режим работы (рабочая точка) определяется двумя параметрами: напряжением питания U и значением порога дискриминации T. Выбором этих параметров достигается две цели: 1) обеспечить наилучшую статистическую точность измерений и 2) обеспечить максимальную стабильность, т.е. устойчивость по отношению к изменению параметров аппаратуры. Совместное решение иногда достижимо только для какого-то определенного светового потока, что в астрономической практике является слишком жестким ограничением. Поэтому обычно рабочая точка выбирается отдельно для очень слабых объектов (n_S сопоставимо с n_D) и первой цели и отдельно для ярких объектов (n_S»n_D) и второй цели. Для некоторых, но не для всех, ФЭУ эти две рабочих точки практически совпадают.

Для решения первой задачи требуется получить (или как говорят, снять) семейство счетных характеристик в широком диапазоне напряжений U при нескольких значениях порога дискриминации T. Характеристики нужно снять для темнового сигнала и для случая слабой подсветки. Затем, используя формулу 2, вычисляется семейство зависимостей e. Минимальное значение этой зависимости и будет определять рабочую точку (T_w, U_w) для этого случая.

Для ярких объектов необходимо установить световой поток таким, чтобы световой сигнал был на 2 – 3 порядка больше темнового. В этом случае влиянием темнового сигнала можно пренебречь и получать только семейство световых счетных характеристик. Условие максимальной стабильности по U и T можно сформулировать как поиск такой точки (T_w, U_w), где минимальны относительные изменения сигнала n при изменении питающего напряжения или порога дискриминации. Если учесть, что dn/n = d(lnn), то ищется минимум d(lnn)/dU и d(lnn)/dT. Хотя переменные T и U сильно связаны друг с другом, однако по ряду причин их нужно рассматривать независимыми (см. раздел 1.3). В практике, область изменения этих параметров ограничена возможностями аппаратуры, и реальный минимум может оказаться за этими пределами.

Понятно, что можно анализировать не счетные характристики для разных значений порога, а зависимости n(T), полученные при разных напряжениях U — интегральные распределения амплитуд импульсов. Амплитудное распределение (АРИ) может быть получено дифференцированием этой функции по порогу. Однако, эта операция для данных измерений (данных с ошибками) некорректна. Улучшить ситуацию можно путем предварительного сглаживания интегрального распределения.

Уже упоминалось, что эффект нелинейности изменяет статистические характеристики сигнала с выхода ФЭУ. Распределение становится ýже пуассоновского, меняется и среднее значение и дисперсия. Как понятно из раздела 1.2, нелинейность определяется соотношением длительности импульса и среднего промежутка между ними, т.е. величиной t_n. Величина t может и не быть равна длительности импульса на выходе ФЭУ, если в электронной схеме существуют элементы еще сильнее растягивающие импульс. В любом случае эту величину, можно рассматривать как некий параметр, имеющий размерность времени и описывающий влияние нелинейности.

Учет нелинейности — это определение поправки, которую нужно прибавить к измеренной величине n', чтобы получить истинную n. В линейном приближении, которое хорошо работает пока t n < 0.1, используется выражение:

(4)    n = n'(1 + t n')

Используя это соотношение можно получить выражение для коэффициента непуассоновости p  =  (s_n)²/n для измеренного и истинного сигнала:

(5)    p'  =  p(1 - 3t n')

Таким образом, при увеличении светового сигнала определенная по измерениям величина p' будет линейно уменьшаться. Наклон этой зависимости зависимости соответствует величине 3t. Рис. 4, построенный по реальным измерениям, иллюстрирует изложенный метод.

Установка (стенд) для исследования ФЭУ разработана исходя из принципов распределенных систем сбора данных и управления. Такие системы активно развиваются в последнее десятилетие во всех отраслях человеческой деятельности, в том числе и в научном эксперименте. Основной принцип — сделать на месте все, что можно, и результат передать в стандартном цифровом виде главному управляющему компьютеру по минимальному количеству проводов. Такой подход делает похожим распределенные системы на компьютерные сети, определяя возможность легкой перестройки и развития любой такой системы. Речь в первую очередь идет об унификации на логическом и физическом уровнях передачи и использования информации. Для передачи информации на физическом уровне служит линия, состоящая реально из 4-х проводов.

Основной состав установки и соединения ее отдельных частей показан на Рис. 5. Исследуемый фотоэлектронный умножитель помещается в цилиндрический корпус 1, называемый также стаканом. Вынимающееся основание 2 содержит в себе делитель, панель для ФЭУ, высоковольтный разъем 3 (с резьбой) и сигнальный байонетный разъем 4. С противоположной стороны стакан закрыт фланцем 5 с вмонтированным затвором, закрывающимся поворотом ручки 6. К фланцу на резьбе прикручен осветитель 8 со своим коллиматором 7. Если коллиматор с осветителем снять, то будет доступен ослабитель A, находящийся в углублении фланца. Если разъединить коллиматор и осветитель — будет доступен ослабитель B, закрепленный на осветителе шпильками.

Высоковольтный разъем основания соединяется кабелем 10 с таким же разъемом на управляемом блоке питания 9. К сигнальному разъему подключается фотометрический модуль 11, который с другой стороны подсоединяется к линии 12. Все сегменты линии равноценны, кроме сегмента 13, идущего от блока питания 9 к осветителю. Разветвление линии может быть обеспечено простым телефонным тройником 14, Линия также подключается к блоку питания и идет к компьютеру. На гнездо 15 блока питания подается постоянное напряжение +12 В от обычного сетевого адаптера.

Блок питания, фотометрический модуль и осветитель являются отдельными устройствами и могут быть применены в другой аппаратуре. Эти модули выполняют присущие им функции по командам приходящим к ним по линии от компьютера, а также передают компьютеру необходимую ему информацию.

Блок питания предназначен для выработки из напряжения +12 В, поступающего на него от сетевого адаптера AV 6121, напряжения +5 В для питания модулей (осветитель нуждается дополнительно в напряжении +12 В) и высоковольтного напряжения от 1000 до 2000 В для питания ФЭУ. Высокое напряжение может быть включено, выключено и изменено соответствующей командой. Зеленый светодиод на передней стенке блока сигнализирует о присутствии входного напряжения +12 В. Красный — загорается при включенном высоком напряжении. Желтый светодиод вспыхивает, если по линии передаются данные. Время стабилизации высокого напряжения после его включения или изменения его значения сравнительно мало — около 2 – 5 секунд. В управляющей программе предусмотрена задержка. блокирующая проведение измерений в это время.

Осветитель содержит в качестве источника света трехцветный светодиод. На самом деле это три полупроводниковых кристалла смонтированных в одном корпусе. Эти светодиоды могут включаться по-очереди. Интенсивность излучения любого светодиода зависит от двух основных факторов: тока, протекающего через p-n переход, и температуры перехода. От тока интенсивность зависит примерно пропорционально, а от температуры — примерно -1% на 1°C. Чтобы обеспечить неоходимую стабильность излучения светодиод помещен в термостате, где с точностью ±0.2° поддерживается постоянная температура. В этой связи, после включения питания осветителя интенсивность излучения стабилизируется примерно за 5 – 10 минут, а после изменения уровня излучения или его цвета — за 3 – 4 минуты. Это надо иметь ввиду при выполнении точных измерений.

Интенсивность излучения регулируется относительной величиной тока, которая устанавливается командой компьтера в диапазоне от 0.000 до 1.000 с шагом примерно 0.004.

Спектральные характеристики излучения светодиодов показаны на Рис. 6, где для сравнения пунктирной линией нанесена типичная относительная чувствительность мультищелочного ФЭУ-79. Кривые излучения обозначены соответствующими буквами: B – синий, G – зеленый и R – красный. Числовые характеристики приведены в таблице.

Цвет излучения	Центральная длина волны	Полуширина полосы	Энергия 1 фотона
Синий	430 нм	65 нм	4.62 10-19 Дж
Зеленый	565 нм	30 нм	3.52 10-19 Дж
Красный	625 нм	45 нм	3.18 10-19 Дж

Перед светодиодом стоит рассеиватель, ограниченный круглой диафрагмой диаметром 4 мм. Коллиматор строит изображение этого светящегося пятна в плоскости, вынесенной вперед на расстояние 57 мм. Этот вынос необходим, чтобы при калибровке осветителя это пятно полностью попадало на светочувствительный элемент радиометра. При установке осветителя с коллиматором на стенд, это пятно совпадает с плоскостью фотокатода.

Дополнително, на осветитель установлен нейтральный светофильтр, ослабляющий поток излучения в 100 – 200 раз (ослабитель B). Если отсоединить коллиматор от осветителя, то этот светофильтр можно снять.

Пироэлектрический радиометр PR200 непосредственно не входит в состав установки, но используется для абсолютной энергетической калибровки осветителя. Спектральный диапазон чувствительности с кварцевым фильтром простирается от 0.23 до 3.2µ. Светочувствительный элемент радиометра имеет размеры 5×5 мм. Коллиматор осветителя рассчитан так, что световое пятно осветителя не выходит за пределы светочувствительного элемента. На датчике радиометра закреплен дополнительный фланец с гнездом для установки осветителя с коллиматором.

Датчик радиометра подключается к разъему электронного блока кабелем. После включения необходимо убедиться, что все переключатели установлены в нужное для измерений положение: переключатель диапазонов на диапазоне 2.0µW, два соседних тумблера в положениях WATTS и FAST соответственно. Верхний тумблер на задней панели в положении FAC CAL, а нижний — опущен вниз.

Прибор требует прогрева около часа, поэтому включайте его в первую очередь. Во время прогрева не направляйте прибор в окно или на яркие источники света. Установку NULL лучше произодить в положении FAST, а измерять потоки можно с постоянной времени радиометра и 10 секунд (FAST) и 100 секунд (SLOW).

Фотометрический модуль объединяет в себе несколько электронных узлов, используемых в методе счета фотонов. Это прежде всего широкополосный усилитель, усиливающий импульсы от ФЭУ до амплитуды, необходимой следующей схеме, дискриминатору импульсов, для правильной работы (см. раздел 1.3). На выходе дискриминатора появляются только те импульсы, амплитуда которых больше порога дискриминации T. Значение порога устанавливается по команде компьютера, пределы его изменения от 0.1 до 3.6 мВ. Точность установки порога около 0.01 мВ, повторяемость еще лучше. Входное сопротивление усилителя составляет 100 Ом, оно то и служит нагрузкой R_L. Электрическая постоянная времени выходного узла ФЭУ с этим усилителем нс, что значительно меньше длительности импульса ФЭУ-79 (см. раздел 1.1).

С выхода дискриминатора импульсы поступают на счетчик, подсчитанное (накопленное) за определенное время число импульсов передается компьютеру для последующей обработки. Измерение потока ведется методом микроэкспозиций, т.е. реально 1-секундное накопление состоит из 250 отдельных накоплений по 4 мсек. Понятно, что их сумма просто равна числу импульсов ФЭУ за секунду (потоку импульсов n), но дополнительно имеется возможность определить надежную оценку (в статистическом смысле) реальной дисперсии . Точность этой оценки тем лучше, чем на большее число микроэкспозиций разбит 1-секундный интервал.

Еще одним важным компонентом установки является управляющая измерениями программа для PC. Программа написана для операционной системы MS DOS и содержит в себе нестандартный драйвер для обмена информацией с модулями.

После запуска программа проверяет связь и наличие всех трех модулей и, если обнаруживает ошибку, сообщает об этом и завершает работу. Если все нормально — запрашивает номер исследуемого ФЭУ. Под этим номером будет создан выходной файл, содержащий результаты измерений. При появлении на экране "подсказки" можно вводить команды. Команды и их описания сведены в таблицу.

Команда	Описание команды	Аргументы
quit	Выход из программы	Нет
help	Выдача списка команд на экран	Нет
comm	Запись комментария (символьной строки) в выходной файл	Cтрока следует за командой через пробел
hv	Установка высокого напряжения или его выключение	Значения в вольтах от 1000 до 2000, 0 — выключить
lev	Установка порога дискриминации	Значения в мВ от 0.1 до 3.6
exp	Установка времени накопления точки	Значение в секундах
run	Запуск измерения	Если указан — количество повторов измерения
dark	Выключение света	Нет
blue	Включение синего излучателя	Интенсивность от 0 до 1.0
green	Включение зеленого излучателя	Интенсивность от 0 до 1.0
red	Включение красного излучателя	Интенсивность от 0 до 1.0

Аргументы отделяются от команды пробелами. Команды hv и lev допускают несколько аргументов (до 20) разделенных пробелами. Если введено несколько аргументов, то организуется цикл по этой переменной. Причем цикл по высокому напряжению внешний по отношению к циклу по порогу дискриминации. После завершения циклического измерения цикл не сбрасывается и повторный запуск командой run приведет к повторению цикла. Чтобы отменить цикл по какой либо переменной, необходимо ввести эту команду с одним аргументом.

В остальных командах лишние аргументы игнорируются. Допускается сокращение команды до двух букв. Запущенное измерение можно прервать, нажав ESC.

В выходном файле результат содержится в восьми колонках. Первая — текущее время, затем напряжение питания ФЭУ U, порог дискриминации T, средний измеренный поток импульсов n, относительная точность среднего e, коэффициент непуассоновости p, интенсивность света и в последней колонке его цвет, обозначенный буквами B, G, R. Выключенное состояние обозначается буквой D в колонке цвета.

При выходе из программы командой quit все установленные значения основных параметров запоминаются и при новом запуске программы автоматически устанавливаются. Это позволяет в паузах измерений просмотреть полученные данные, частично обработать их и т.д. Новые данные будут находиться в том же файле, если вы ввели тот же номер фотоумножителя.

Как правило, лабораторные эксперименты (за исключением дорогостоящих и очень продолжительных) проводятся несколько раз. Это позволяет наилучшим образом выбрать все возожные параметры эксперимента и исключить возможные ошибки. В данном случае настоятельно рекоментуется каждое задание сначала выполнить начерно, при малом количестве входных параметров, малом времени накопления. Вы получите грубые результаты, но и по ним будет видно, что нужно учесть или изменить.

Входящая в состав установки аппаратура предназначена для использования в реальных научных исследованиях, но поскольку она новая, развивающаяся, возможны "нештатные" ситуации. В этом случае программа выдает сообщение об обнаруженной ошибке работы модулей. В этой ситуации нужно выйти из программы, выключить и снова включить установку и повторно запустить программу.

Из программы можно выходить командой quit всякий раз, когда возникнет в этом необходимость. Если при этом не выключать питание установки, то все текущие значения останутся без изменения.

Подготовка к выполнению измерений.

Прежде чем начать выполнять задания нужно правильно соединить отдельные части установки. Фотоэлектрический умножитель уже находится в стакане, Затвор должен быть закрыт (флажок горизонтален). Этот затвор обязательно нужно закрывать перед тем как откручивать осветитель и коллиматор для замены светофильтров или для калибровки. Сначала к сигнальному разъем аккуратно подсоединить фотометрический модуль. Затем соединить все сегментами линии. Обратите внимание, что осветитель соединяется более широким кабелем с гнездом B блока питания. Остальные сегменты равнозначны. Длинный кабель должен быть подключен к выходному гнезду RS-422/485 конвертора A50. После соединения стенда с блоком питания высоковольтным кабелем еще раз все проверьте.

Включите установку, вставив штеккер сетевого адаптера в гнездо на блоке питания. Запустите программу, но помните, что интенсивность излучения стабилизируется через 10 минут. В это время можно проводить пробные измерения или измерения темнового сигнала. Во время работы пишите комментарии к данным в выходной файл, это облегчит их последующую обработку.

В этом задании нужно получить счетные характеристики для темнового сигнала, при слабом световом потоке и для ярких объектов. Ослабители A и B должны быть установлены на свои места. Для подсветки рекомендуется использовать зеленый излучатель. Не забудьте открыть затвор ФЭУ при измерении световых характеристик.

Чтобы получить данные измерений для построения счетных характеристик, нужно после команды hv ввести, как ее аргументы, неоходимые значения высокого напряжения (обычно от 1500 до 2000 вольт с шагом 50 – 100 вольт), а после lev — необходимые значения порогов дискриминации (5 – 8 точек из диапазона от 0.3 до 3.6 мВ). Затем запустить измерение командой run. Величина времени накопления отдельной точки выбирается экспериментальным путем по величине относительной ошибки исходя из пробных измерений.

Получив измерения и следуя пояснениям раздела 2.2, определить рабочие точки ФЭУ для обеих случаев. Для вычисления относительной ошибки полезного сигнала можно воспользоваться формулой:





куда входят только данные из таблицы измерений.

Представить графики кривых SN(U) (или e(U) — на выбор) по которым определялась рабочая точка для измерений слабых объектов. Представить графики счетных характеристик lnn(U) по которым определялась рабочая точка для измерений ярких объектов. Отметить в отчете выбранную рабочую точку U_w и T_w и соответствующее значение темнового сигнала n_D.

Установить интенсивность света, соответствующую случаю ярких объектов. Измерить кривую интегрального распределения импульсов по амплитудам во всем диапазоне порогов (0.1 – 3.6 мВ) для рабочего напряжения U_w и для пониженного на 200 – 300 вольт напряжения питания. Определить (интерполяцией или экстраполяцией) значения T_m порога, при котором поток импульсов n составляет 0.5 от потока в рабочей точке, т.е. медианы соответствующих АРИ.

Используя формулу зависимости амплитуды импульса (усиления) ФЭУ от напряжения питания в виде G(U)~ U^pm, вычислить показатель степени pm. В отчете представить кривые интегральных распределений и определенные по ним характеристики АРИ.

Установите выбранные значения U_w и T_w для всех последующих измерений.

Определение нелинейности производится при включенном красном излучателе. Начните измерения с минимального светового потока. Для каждого значения интенсивности излучателя получите несколько измерений по 40 сек. Желательно при малых потоках шаг по интенсивности выбрать поменьше. чтобы получить для них более надежное значение коэффициента непуассоновости p.

По полученным данным построить зависимость величины p от потока импульсов n (см. Рис. 4.) и определить параметр нелинейности t, как описано в разделе 2.3. Представить график и отметить в отчете значение параметра нелинейности.

Используя полученное значение t в качестве длительности импульса ФЭУ и медианное значение амплитуды импульса из задания 2, по формуле 1 вычислить усиление G в рабочей точке.

Закрыть затвор ФЭУ. Не выключая установку, отсоединить кабель от осветителя. Открутить осветитель с коллиматором от стенда и снять ослабитель B c осветителя. Вкрутить осветитель с коллиматором в гнездо датчика радиометра и вновь подсоединить к осветителю кабель.

Выключив свет командой dark, потенциометром NULL электронного блока радиометра установите значение близкое к 0 (достаточно, чтобы число было порядка нескольких сотых) на его табло. Далее, по очереди включая синий, зеленый, красный излучатели на максимальную яркость (например, blue~1}), измерьте их абсолютные потоки. До и после измерения световых потоков не забудьте записать значения, соответствующие темноте.

Радиометр обладает высокой чувствительностью, поэтому любые перемещения вблизи него вызывают изменение результатов. При работе в режиме FAST, значения на табло устанавливаются примерно за 1 минуту. Учитывая характеристики осветителя (см. раздел 3.3), запись результатов лучше начинать через 2–3 мин.

Повторите измерения 2–3 раза, чтобы избежать грубых ошибок и улучшить результаты калибровки. Полученные значения (не забудьте вычесть темновые отсчеты, обращая внимание на знак числа на табло) отметьте в отчете.

Основная проблема в этом задании — правильно определить величину пропускания ослабителей A и B. Для этого придется неоднократно ставить и снимать осветитель со стенда, чтобы по-очереди вынимать и вставлять ослабители. Не забывайте закрывать затвор ФЭУ (и открывать его тоже) и отсоединять и присоединять обратно к осветителю кабель. Рекомендуется сначала провести "тренировочные" измерения. При выполнении окончательных измерений не забывайте дожидаться стабилизации излучения осветителя после таких операций.

Снимите осветитель с датчика радиометра и установите на стенд (ослабитель B убран из пучка). Включите красный излучатель и подберите такую его интенсивность, чтобы поток импульсов составлял около 10⁶. Выждав положенное время, тщательно измерьте потоки в трех цветах для данного уровня света. Снимите осветитель и вставьте обратно ослабитель B. Тщательно измерьте потоки в трех цветах и, выключив осветитель, темновой сигнал.

Далее, при вставленном ослабителе B, определите пропускание ослабителя A. Поток при убраном из пучка ослабителе A не должен превышать 2.5·10⁶$ ни в одном из спектральных диапазонов. Возможно для этого придется ставить значение интенсивности порядка нескольких тысячных. Но он не должен быть и значительно меньше — иначе при вставленном осветителе потоки будут малы и трудно будет их измерить с высокой точностью.

В завершение, измерьте потоки в трех цветах при интенсивности 1.00, т.е. при которой проходила калибровка осветителя.

По полученным данным вычислите (не забывая про темновой сигнал и коррекцию нелинейности по формуле 4) пропускания q_A и q_B в трех спектральных полосах. Суммарное пропускание двумя ослабителями q=q_A·q_B будет отягощено некоторыми систематическими ошибками, впрочем, небольшими. Используя полученные в задании 4 абсолютные потоки излучения и значения q, вычислите световые потоки на фотокатоде ФЭУ в энергетических единицах и поток фотонов n_ph.

Определите квантовый выход ФЭУ в трех спектральных полосах по отношению измеренного потока импульсов n к вычисленному потоку фотонов n_ph.

Сделать вывод о пригодности данного фотоумножителя для астрономических наблюдений.

Типовая задача: Звезда нулевой величины создает на границе земной атмосферы в фотометрической полосе B освещенность примерно 6·10^-9 Вт/м². Считая пропускание атмосферы и оптики телескопа равным 0.5, определите время измерения звезды 15^m в этой же полосе с точностью 3% с исследованным фотоумножителем. Измерения выполняются с диафрагмой 10'', фон неба 21^m с квадратной секунды.

Дитература.

Мартынов Д.Я. Курс практической астрофизики. М.: Наука. 1977. с.230-263.
Young A.T. Photomultipliers, in: Methods of Experimental Physics. V.12, Part A. NY.: Acad Press. 1974.