Supplement 1.10: Stralingsdetectoren      (2/5)

Kwantumdetectoren    (1/4)

Thermische detectoren meten de warmte die ontstaat door absorptie van straling. De straling kan hierbij worden opgevat als elektromagnetische golven of als fotonen. Bij kwantumdetectoren kan het meetproces niet worden verklaard met het model van de elektromagnetische golf. Het falen van de klassieke fysica deed zich al voor in het geval van temperatuurstraling. De uitweg uit dit dilemma is te danken aan Max Planck, die in 1900 met succes het fotonenmodel introduceerde om temperatuurstraling te verklaren. Op basis hiervan kon Albert Einstein in 1905 het zogenaamde foto-effect, het vrijkomen van elektronen uit bestraalde metalen oppervlakken, interpreteren, wat tot dan toe eveneens niet werd begrepen. Detectoren waarvan de werking is gebaseerd op het foto-effect zijn daarom kwantumdetectoren. Hiertoe behoren de niet meer gebruikte vacuümfotodioden, de fotomultiplicatoren (of: foto-elektronenvermenigvuldigers), de halfgeleiderfotodioden, fototransistoren en de lawinefotodioden.

Vacuümfotodioden

Deze detectoren, ook wel vacuümfotocellen genoemd, bestaan uit een fotokathode en een anode, die in een vacuümglasbuis zijn geplaatst. De door straling uit de fotokathode vrijgekomen elektronen worden met een van buitenaf aangelegde spanning van ca. 10 tot 100 V naar de anode versneld en door de anode opgenomen. Dit is de zogenaamde fotostroom. Deze mag niet hoger zijn dan ongeveer 10  µA, omdat anders de evenredigheid tussen fotostroom en stralingsintensiteit, d.w.z. de lineariteit van de detector, verloren kan gaan.

De vacuümfotodiode model 935 van het bedrijf RCA, VS, een van de eerste fotodiodes die vanaf 1950 op de markt verkrijgbaar was. De metalen halve cilinder in de buis is de fotokathode. De axiaal in het midden geplaatste draad is de anode, die geleidend is verbonden met de metalen kap op de glazen buis. Een van de pinnen op de voet is de aansluiting van de fotokathode. De glazen buis heeft een diameter van 30 mm.

Ook in het donker vloeit er een zeer kleine stroom van ongeveer 0,1 tot 1 nA, die donkere stroom wordt genoemd. Deze ontstaat door elektronen waarvan de energie aanzienlijk groter is dan de gemiddelde kinetische energie E≈kT en groter dan de uittredingswerk uit de kathode, en die daardoor vanuit de kathode in het vacuüm terechtkomen; k=1,38·10^-23 J/K is de constante van Boltzmann en T is de absolute temperatuur. De uittredingswerk kan ook worden aangeduid als de bindingsenergie van de elektronen in de kathode; deze moet worden overwonnen om elektronen in het vacuüm vrij te laten komen. De thermisch veroorzaakte donkere stroom kan aanzienlijk worden verminderd door de fotodiode te koelen wanneer zeer kleine helderheden moeten worden gemeten.

Het gegevensblad van de fotodiode model RCA 935 ↓ ↑

De volgende afbeeldingen tonen de gegevens van de fotodiode met specificaties, afmetingen in inch en anodestromen afhankelijk van de bedrijfsspanning voor verlichtingswaarden van 0,02 tot 1,0 lumen. De lumen is een meeteenheid voor de totale lichtstroom van een lamp; hier geeft deze waarschijnlijk weer hoeveel licht er op de fotokathode valt. De curven laten zien dat de anodestroom evenredig toeneemt met de helderheid, waardoor de fotodiode een lineaire ontvanger is.

Gegevensblad pagina 1 Gegevensblad pagina 2 Gegevensblad pagina 3

Gegevensblad van de vacuümfotodiode model RCA 935 uit 1950. De fotodiode werd ontwikkeld in de jaren 1940.

Bedrading van een vacuümfotodiode.

Op de afbeelding rechts is de schakeling van een fotodiode weergegeven. Een in hoogte instelbare spanning U zorgt ervoor dat de door het licht (groene pijlen) uit de kathode vrijgekomen elektronen naar de anode worden versneld. De fotostroom I_photo die door de weerstand R vloeit, genereert een negatieve uitgangsspanning U_a=-R·I_photo. De richtingspijl bij I_photo geeft de richting van de elektronenstroom aan; deze is tegengesteld aan de technische stroomrichting. In plaats van de weerstand kan ook een ampèremeter met een meetbereik onder 1 µA worden gebruikt.

De spanning U kan enkele volt bedragen en mag voor de RCA 935 worden verhoogd tot maximaal 250 V. Hoge spanningen resulteren in zeer korte transittijden van de elektronen (d.w.z. de vluchttijden van de elektronen van de kathode naar de anode) van ongeveer 3 ns. De overgang tussen kathode en anode heeft dan ook een verminderde temporele spreiding, wat de eigenschappen bij hoge frequenties verbetert.

Het meten van korte pulsen in het nanosecondenbereik blijft echter moeilijk vanwege de parasitaire capaciteiten van de kathode en anode, die ongeveer $C_{para}\approx \mathrm{0<mo>.</mo>6}\text{pF}$ bedragen. Hiervoor zou een kleine weerstand $R\approx 50\Omega$ nodig zijn – zoals meestal gebruikt in de hoogfrequentietechniek – om hoge grensfrequenties $f_g=1/\left(2\pi R{C}_{para}\right)$ te bereiken. De signaalspanning U_a blijft dan echter erg klein. Dit nadeel wordt verholpen met de fotomultiplicator die in de volgende paragraaf wordt geïntroduceerd.

Voor het meten van langzaam veranderende lichtsignalen zijn weerstanden in het bereik R=1...10 kΩ geschikt om goed meetbare signaalspanningen te verkrijgen. Een nadeel dat optreedt bij grote waarden van R is dat de signaalspanning mogelijk te groot wordt. Als U_a de kathodespanning U benadert, ontbreekt de versnellingsspanning voor de foto-elektronen en wordt hun overgang naar de anode belemmerd. Dit effect kan worden voorkomen met een extra versterker, zoals weergegeven in de volgende afbeelding.

Aansluiting van een vacuümfotodiode met een operationele versterker.

De functie van de operationele versterker (OP) is het spanningsverschil tussen zijn inverterende (-) en niet-inverterende (+) ingang te minimaliseren. Hij regelt daarom het potentiaal aan de inverterende ingang op nul. Hiervoor genereert hij een uitgangsspanning U_a, die leidt tot een stroom door de weerstand R, zodanig dat de som van de stromen aan de inverterende ingang nul wordt (knooppuntregel van Kirchhoff). De stroom doorh R wordt dus gelijk aan -I_photo, en de spanning tussen kathode en anode, d.w.z. de versnellingsspanning van de foto-elektronen, verandert niet. Door het gebruik van de inverterende ingang heeft de uitgangsspanning een omgekeerd teken in vergelijking met de hierboven getoonde eenvoudigere schakeling zonder OP.