§ 4. ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ХОЛОДИЛЬНИКИ ДЛЯ ФОТОУМНОЖИТЕЛЕЙ

В разнообразной аппаратуре, используемой в электронике, атомной физике, астрономии, геологии, археологии и других областях современной науки и техники, широко используются фотоумножители.

Фотоумножители в сочетании со сцинтилляторами применяются для счета элементарных частиц, а при использовании их с различными люминофорами удается измерять слабые излучения в широкой области спектра, от инфракрасной до -лучей включительно. Фотоумножители позволяют без дополнительных схем усиливать небольшие световые сигналы в 105—107 раз, что выгодно отличает их от вакуумных фотоэлементов.

В выпускаемых промышленностью фотоумножителях в большинстве случаев светочувствительным элементом является сурьмяно-цезиевый фотокатод. Порог чувствительности фотоумножителей ограничен величиной темнового тока, который зависит от:

1) термоэлектронной эмиссии фотокатода и первых динодов;

2) токов утечки между анодом и другими электродами;

3) вторичной эмиссии с фотокатода и эмиттеров при бомбардировке их ионами остаточного газа;

4) автоэлектронной эмиссии с фотокатода и динодов;

5) флуоресценции стекла и последних динодов.

При хорошем обезгаживании в процессе изготовления умножителя и высоком вакууме в готовом приборе большая часть темнового тока обусловлена первыми двумя причинами. Поэтому наиболее действенным средством для уменьшения темнового тока является подавление термоэлектронной эмиссии фотокатода и первых эмиттеров (динодов). Это достигается охлаждением всего прибора или фотокатода и первых динодов.

Из приведенных в литературе данных следует, что охлаждение фотоумножителей с сурьмяно-цезиевым катодом до 0° снижает темновой ток в 3 раза, до —10° — в 5 раз, до —30° — в 30 раз. Дальнейшее охлаждение приводит к еще более значительному уменьшению темнового тока.

Для охлаждения фотоумножителей применяются различные способы (жидкий воздух, криостатические смеси, обдув охлажденным воздухом, твердая углекислота и т. д.). Однако из-за технических трудностей и эксплуатационных неудобств все эти способы не нашли широкого применения. В связи с этим представляет

большой интерес использование для этих целей полупроводниковых термоэлектрических батарей, позволяющих создать простые и малогабаритные охлаждающие устройства.

Разработано и изготовлено несколько типов таких приборов. На рис. 84 приведен разрез одного из охлаждающих приборов с расположенным внутри его фотоумножителем ФЭУ-19М (разработка 1956 г.).

Рис. 84. Разрез объемного охладителя для фотоумножителя.

Термоэлектрическая батарея 11 состоит из 80 последовательно соединенных термоэлементов, которые после заливки в эпоксидную смолу образуют единый блок. Холодные спаи термоэлектрической батареи сопрягаются с деталью 3, которая в свою очередь через систему пружинных контактов 2 соприкасается со стеклом колбы фотоумножителя 7 в области, прилегающей к фотокатоду. Между внешним кожухом прибора 10 и внутренним стаканом 8 помещен слой теплоизоляции 9, выполненный из пенопласта. Верхняя съемная крышка прибора 5 имеет панель, 6, в которую вставляется фотоумножитель. Для подключения к схеме на крышке имеется цоколь 1. Тепло от горячих спаев термобатареи отводится на шасси 4.

Вход света на фотокатод осуществляется через отверстие в термобатарее. Описанный прибор предназначен для работы в автоматических следящих системах, используемых в практике астрономических наблюдений.

Для охлаждения фотоумножителей, используемых при сцин-тилляционном анализе (с применением твердых или жидких сцинтилляторов), был разработан и изготовлен другой тип термохолодильника.

На рис. 85 показан термоэлектрохолодильник для охлаждения фотоумножителя ФЭУ-11, применяемый в установке, предназначенной для счета природного В этом приборе съем тепла с горячего спая термобатареи осуществляется проточной водой. В холодильной камере, основные детали которой мало отличаются от показанных на рис. 84, предусмотрено место для кюветы с жидким сцинтиллятором.

В описанных термоэлектрических солодильниках (объем получено снижение температуры против комнатной на 30—35°. Стационарный режим в гамере устанавливается за 40—50 мин. этом на фотокатоде температура была —10—12°, а в объеме на Следует иметь в виду, что конденсация водяных паров, которые имеется в охлаждаемом объеме, может существенно ухудшить работу фотоумножителя, поэтому в камеру помещается сушитель (силикагель, ангидрон или люмогель).

Рис. 85. Общий вид холодильника для фотоумножителя используемого в аппаратуре сцинтилляционного анализа.

При испытаниях описанных выше ермоэлектрических холодильников выяснилось, что для достижения тех же езультатов необязательно помещать фотоумножитель в холодную камеру, а достаточно понизить темпетатуру торцовой части фотоумножителя, на которую нанесен фотокатод.

На рис. 86 изображен термоэлектрический холодильник для охлаждения торцовой части умножителя ФЭУ-19. Термоэлектрическая батарея этого холодильника имеет два каскада, причем общий перепад температур достигает 55°. Съем тепла с горячих спаев термоэлектрической батареи осуществляется проточной водой с расходом около Использование воды для съема тепла позволило резко сократить габариты и вес холодильника. Отбор тепла от фотоумножителя осуществляется посредством хорошего теплового сопряжения коллектора холодных спаев термоэлектрической батареи с торцовой поверхностью фотоумножителя. В результате такого сопряжения рабочий диаметр фотокатода несколько сокращается (с 40 до однако в подавляющем большинстве случаев такое сокращение не играет существенной роли.

Термоэлектрическая батарея холодильника этого типа как в первом, так и во втором каскадах расположена по окружности, в центре которой имеется отверстие для прохождения света на фотокатод умножителя.

Система горячих коммутационных пластин холодильника состоит из девяти алюминиевых сегментов 6, внутри которых имеется кольцевой канал 1 для воды, снимающей тепло с горячих спаев термобатареи.

Рис. 86. (см. скан) Разрез холодильника с жидкостным теплосъемом для охлаждения торцовой часш фотоумножителя.

В местах напайки на горячие коммутационные пластины полупроводников первого каскада на алюминий напаяны красномедные накладки 2. Вода подается и сливается через два штуцера 3, закрепленных в корпусе эпоксидным клеем. Вся система горячих коммутационных пластин заливается в эпоксидную смолу 4, причем между сегментами предварительно помещаются

электроизоляционные прокладки 5. Такая система сборки основания термоэлектрической батареи позволяет получить единый механически прочный узел с электроизолированными друг от друга коммутационными пластинами. Термоэлектрическая батарея первого каскада состоит из восьми термоэлементов. Второй каскад состоит из двух термоэлементов. Общий вид холодильника этого типа с установленным в нем фотоумножителем ФЭУ-19М приведен на рис. 87.

В 1959 г. в связи с успехами, достигнутыми в области технологии изготовления термоэлектрических охлаждающих устройств, был разработан новый конструктивный вариант прибора для охлаждения фотоумножителей.

Рис. 87. Общий вид холодильника с жидкостным теплосъемом, установленного на фотоумножителе.

Конструкция прибора предусматривает, так же как и предыдущий вариант с жидкостным отводом тепла, охлаждение стекла колбы, на которое нанесен фотокатод. Отличительной особенностью этой конструкции является возможность осуществления жидкостного или принудительного воздушного съема тепла с горячих спаев термобатареи. Двухкаскадная термоэлектрическая батарея имеет последовательное питание первого и второго каскадов. Этим достигается большая холодопроизводительность второго каскада и соответственно большой перепад температур, достигающий на всем устройстве 60-65°.

Термобатарея через электроизолйрованные переходы, обладающие малым тепловым сопротивлением, напаяна на алюминиевый блок, снабженный системой радиаторных пластин для воздушного отвода тепла и каналом для прохождения воды при жидкостном съеме тепла. Для максимального сокращения габаритов прибора

и уменьшения его веса поверхность радиаторных пластин обдувается малогабаритным вентилятором, смонтированным в патрубке на кожухе прибора. Благодаря применению принудительного обдува поверхность радиаторных пластин удалось уменьшить в 7 раз против требуемой площади при естественном конвекционном отборе тепла.

Рис. 88. Общий вид холодильника для фотоумножителя с комбинированной воздушно-жидкостной системой теплосъема.

Рис. 89. Шумовые характеристики фотоумножителя ФЭУ-19 с холодильником и без холодильника. N - отсчет пересчетки 6/4; V — уровень сигнала дискриминатора, в.

Тепловое сопряжение торцовой части фотоумножителя с коллектором холодных спаев второго каскада термобатереи осуществляется через резиновую прокладку толщиной наклеенную на коллектор. Подобный способ сопряжения исключает плохой тепловой контакт торцового стекла фотоумножителя с холодными спаями термобатареи. Для уменьшения тепловой нагрузки на термобатарею из окружающей среды в приборе имеется теплоизоляция, выполненная из пенопласта. Подключение электропитания к термобатарее осуществляется через токовые вводы, а подключение воды в случае жидкостного съема тепла — через штуцера.

Общий вид термоэлектрического холодильника с комбинированной воздушно-жидкостной системой съема тепла и установленным на нем фотоумножителем изображен на рис. Испытания холодильника показали, что при температуре окружающего воздуха 20°, при воздушном съеме тепла через 10 мин. температура в центре фотокатода понижалась до —37°.

Шумовые характеристики фотоумножителя с холодильником 1 и без холодильника 2 изображены на рис. 89.

Таблица 20 (см. скан) Основные данные термоэлектрических приборов для охлаждения фотоумножителей

Основные технические параметры термоэлектрических холодильников для охлаждения фотоумножителей приведены в табл. 20.

Эксперименты, проведенные с охлаждением фотоумножителей показали, что в отдельных случаях охлаждение фотокатода не приводит к ожидаемому снижению величины темнового тока. Объясняется это тем, что темновой ток фотоумножителя обусловлен не только термоэмиссией фотокатода, но также разрядными явлениями в остаточном газе и, что наиболее существенно,

радиоактивностью содержащегося в стекле, из которого изготавливается колба умножителя, и слюде, на которой смонтированы диноды.

Таким образом, успешное применение охлаждения, в частности термоэлектрических холодильников, для снижения темнового тока тесно связано с технологией изготовления фотоумножителя. В том случае, когда темно вой ток обусловлен только термоэлектронной эмиссией фотокатода, применение термоэлектрических холодильников весьма эффективно.