Ergänzung 1.10: Strahlungsdetektoren      (2/5)

Quantendetektoren    (1/4)

Thermische Detektoren messen die durch Absorption von Strahlung ent­ste­hende Wärme. Die Strahlung kann hierbei als elektromagnetische Welle oder als Photonen gedacht werden. Bei Quantendetektoren ist der Messvorgang mit dem Modell der elektromagnetischen Welle nicht zu erklären. Das Versagen der klassischen Physik war schon im Fall der Temperaturstrahlung aufgetreten. Der Ausweg aus diesem Dilemma geht auf Max Planck zurück, der im Jahr 1900 das Modell der Photons zur Erklärung der Temperatur­strahlung mit Erfolg einführte. Auf dieser Grundlage konnte Albert Einstein im Jahr 1905 den als Fotoeffekt bezeichneten Austritt von Elektronen aus bestrahlten Metalloberflächen deuten, was bis dahin ebenfalls nicht verstanden worden war. Detektoren, deren Funktion auf dem Fotoeffekt beruht, sind daher Quantendetektoren. Hierzu gehören die nicht mehr gebräuchlichen Vakuum-Fotodioden, die Photomultiplier (oder: Foto­elek­tronen­vervielfacher), die Halbleiter-Fotodioden, Fototransistoren, und die Avalanche-Fotodioden.

Vakuum-Fotodioden

Diese auch als Vakuum-Fotozellen bezeichneten Detektoren bestehen aus einer Fotokathode und einer Anode, die in einer evakuierten Glasröhre angeordnet sind. Die durch Strahlung aus der Fotokathode herausgelösten Elektronen werden mit einer von außen angelegten Spannung von ca. 10 bis 100 V zur Anode beschleunigt und von der Anode aufgenommen. Dies ist der sogenannte Fotostrom. Er soll etwa 10 µA nicht überschreiten, da andern­falls die Proportionalität von Fotostrom und Bestrahlungsstärke, d.h. die Linearität des Detektors, verloren gehen kann.

Die Vakuum-Fotodiode Modell 935 der Firma RCA, USA, eine der ersten ab 1950 am Markt verfügbaren Fotodioden. Der metallische Halbzylinder in der Röhre ist die Fotokathode. Der axial mittig angeordnete Draht ist die Anode, die mit der Metallkappe auf der Glasröhre leitend verbunden ist. Einer der Stifte am Sockel ist der Anschluss der Fotokathode. Die Glasröhre hat 30 mm Durchmesser.

Auch im Dunkeln fließt ein sehr kleiner Strom von etwa 0,1 bis 1 nA, der als Dunkelstrom bezeichnet wird. Er entsteht durch Elektronen, deren Energie deutlich größer ist als die mittlere kinetische Energie E≈kT und größer als die Austrittsarbeit aus der Kathode, und die somit aus der Kathode in das Vakuum übertreten; k=1,38·10^-23 J/K ist die Boltzmann-Konstante und T ist die absolute Temperatur. Die Austrittsarbeit kann auch als Bindungs­energie der Elektronen in der Kathode bezeichnet werden; sie muss überwunden werden, um Elektronen in das Vakuum freizusetzen. Der thermisch bedingte Dunkelstrom kann durch Kühlen der Fotodiode deutlich ver­rin­gert werden, wenn sehr kleine Helligkeiten gemessen werden sollen.

Das Datenblatt der Fotodiode Modell RCA 935 ↓ ↑

Die folgenden Bilder zeigen die Daten der Fotodiode mit Spezifikation, Maßangaben in Zoll, und Anodenströmen in Abhängigkeit von der Betriebsspannung für Beleuchtungswerte von 0,02 bis 1,0 Lumen. Das Lumen ist eine Maßeinheit für den gesamten Lichtstrom einer Leuchte; hier soll es wohl darstellen, wie viel Licht auf die Fotokathode fällt. Die Kurven zeigen, dass der Anodenstom proportional zur Helligkeit wächst, die Fotodiode somit ein linearer Empfänger ist.

Datenblatt Seite 1 Datenblatt Seite 2 Datenblatt Seite 3

Datenblatt der Vakuum-Fotodiode Modell RCA 935 von 1950. Die Fotodiode wurde in den 1940er Jahren entwickelt.

Beschaltung einer Vakuum-Fotodiode.

Im rechten Bild ist die Be­schal­tung einer Fotodiode dargestellt. Eine in ihrer Höhe einstellbare Spannung U sorgt dafür, dass die durch das Licht (grüne Pfeile) aus der Kathode freigesetzten Elek­tronen zur Anode beschleu­nigt werden. Der durch den Wider­stand R fließende Foto­strom I_foto erzeugt eine negative Aus­gangs­spannung U_a=-R·I_foto. Der Richtungspfeil an I_foto kennzeichnet die Richtung des Elektronenstroms, sie ist umgekehrt zur technischen Stromrichtung. Statt des Widerstands kann auch ein Ampere­meter mit einem Messbereich unter 1 µA genutzt werden.

Die Spannung U kann einige Volt betragen und darf für die RCA 935 bis maximal 250 V erhöht werden. Hohe Spannungen resultieren in sehr kurzen Transitzeiten der Elektronen (d.h. Flugzeiten der Elektronen von der Kathode zur Anode) von etwa 3 ns. Der Übergang zwischen Kathode und Anode hat dann auch eine verringerte zeitliche Streuung, was die Eigen­schaften bei hohen Frequenzen verbessert.

Eine Messung kurzer Pulse im Bereich Nanosekunden bleibt wegen der parasitären Kapazitäten von Kathode und Anode in Höhe $C_{para}\approx \mathrm{0<mo>,</mo>6}\text{pF}$ jedoch schwierig. Sie würde einen - in der Hochfrequenztechnik meist verwendeten - kleinen Widerstand $R\approx 50\Omega$ erfordern, um hohe Grenz­fre­quenzen $f_g=1/\left(2\pi R{C}_{para}\right)$ zu erreichen. Die Signalspannung U_a bleibt dann jedoch sehr klein. Dieser Nachteil wird mit dem im nächsten Abschnitt vorgestellten Photomultiplier behoben.

Für die Messung langsam veränderlicher Lichtsignale sind Widerstände im Bereich R=1...10 kΩ geeignet, um gut messbare Signalspannungen zu erreichen. Ein Nachteil, der bei großen Werten von R auftritt, ist die eventuell zu groß werdende Signalspannung. Kommt U_a der Kathoden­span­nung U nahe, fehlt den Fotoelektronen die Beschleunigungsspannung und ihr Übergang zur Anode ist beeinträchtigt. Der Effekt kann mit einem in der folgenden Grafik gezeigten zusätzlichen Verstärker verhindert werden.

Beschaltung einer Vakuum-Fotodiode mit Operationsverstärker.

Die Funktion des Operationsverstärkers (OP) ist es, die Spannungsdifferenz zwischen seinem invertierenden (-) und nichtinvertierenden (+) Eingang zu minimieren. Er regelt daher das Potenzial am invertierenden Eingang zu Null. Hierfür erzeugt er eine Ausgangsspannung U_a, die zu einem Strom durch den Widerstand R derart führt, dass die Summe der Ströme am invertierenden Eingang Null wird (Kirchhoffsche Knotenregel). Der Strom durch R wird also gleich -I_foto, und die Spannung zwischen Kathode und Anode, d.h. die Beschleunigungsspannung der Fotoelektronen, ändert sich nicht. Wegen der Nutzung des invertierenden Eingangs hat die Ausgangsspannung im Vergleich zur oben gezeigten einfacheren Schaltung ohne OP ein umge­kehrtes Vorzeichen.