Danas je nabavljen fotomultiplikatorski detektor oznake PMT Unit Model 6117, proizvod britanske tvrtke Monolight Instruments Ltd s kraja 1980-tih godina. Tvrtka Monolight Instruments Ltd je bila prisutna na tržištu u razdoblju od sredine 1980-tih do početka 1990-tih godina i proizvodila je razne optičke mjerne i testne uređaje.
Skraćenica PMT (engl. PhotoMultiplier Tube) odnosi se na posebnu vrstu elektronskih cijevi koje pretvaraju svjetlost u električnu struju – fotomultiplikatorske elektronske cijevi. Na taj način je PMT elektronska cijev u osnovi osjetljivi foto senzor ili opto-električni pretvornik. Sam uređaj PMT Unit Model 6117 pak je izvor napajanja za PMT cijevi koje se onda u kombinaciji sa drugim optičkim uređajima i instrumentima koriste kao detektori slabih izvora svjetlosnog i bliskog UV zračenja. Tako se PMT Unit Model 6117 sa odgovarajućim PMT elektronskom cijevi može koristi u kombinaciji sa Spektrometrom Optical Spectrum Analyser Model 6000 (6101), koji smo opisali u jednoj našoj prethodnoj objavi, odnosno u tom slučaju zamjenjuje optički senzor sa silicijskom fotodiodom čime se dobiva puno veća osjetljivost spektrometra pa se mogu mjeriti slabiji izvori svjetlosti.
U našoj kolekciji pronašli smo jednu PMT elektronsku cijev kojoj su se izbrisale oznake, no s obzirom na oblik, dimenzije i vidljivu unutarnju konstrukciju posve sigurno se radi o nekoj PMT elektronki tipa 931 (931A ili 931B proizvođača Burle ili RCA).
Naša PMT elektronka opremljena metalnim oklopom i gumenom zaštitom. Karakteristike PMT cijevi mogu se promijeniti pod utjecajem vanjskih magnetskih polja jer iste mogu utjecati na smjer kretanja elektrona, odnosno skretati ih iz fokusiranih putanja između elektroda. Uzemljeni metalni oklop štiti od prodora stranih magnetskih polja u unutrašnjost cijevi, a gumena obloga se koristi kod mjerenja tako da sprječava prodor okolnog vanjskog svjetla te dopušta ulazak svijetla samo iz ciljanog izvora.
Svaka PMT sastoji se od anode, katode (fotokatode) i određenog broja posebnih elemenata koji se zovu dinode. Fotoni svjetlosti padaju na katodu te iz nje izbijaju elektrone, dakle na katodi nastaje fotoelektrični efekt pa se stoga ova elektroda najčešće naziva fotokatoda. Izbijeni elektroni se ubrzavaju i fokusiraju na prvu dinodu. Elektroni koji udare na prvu dinodu uzrokuju emisiju novih sekundarnih elektrona iz iste. Povećan broj elektrona iz prve dinode dolazi zatim na drugu dinodu gdje se njihov broj zbog sekundarne emisije dalje dodatano povećava i takvo povećavanje elektronske struje nastavlja se sve do posljednje dinode. Sa posljednje diode elektroni dolaze na anodu i tu su već toliko umnoženi da daju dovoljnu jaku struju za izravno mjerenje.
PMT elektronka 931 sadrži devet kružno raspoređenih dinoda, a otvor za ulaz svjetlosti nalazi se sa strane. Drugi uobičajeni tip PMT elektronki ima linijski raspoređene dinode (slično kako je nacrtano na našoj električnoj shemi), a otvor za ulaz svjetlosti nalazi se na vrhu (gornjoj površini valjkastog staklenog kućišta). Osim ovih postoji još desetak različitih rasporeda dinoda unutar PMT elektronske cijevi, a također se koristi i na desetke različitih materijala od kojih se izrađuju elektrode i samo stakleno tijelo PMT elektronke. Sve ovi elementi utječu na karakteristike PMT cijevi, od spektra valnih duljina za koje su primjenjive, preko vremenskih karakteristika odziva, do linearnosti, efikasnosti, otpornosti na strana magnetska polja, širine izlaznih impulsa, stabilnosti, vremena zagrijavanja i drugo.
Da bi PMT funkcionirala na svaku elektrodu potrebno je dovesti odgovarajući napon, a što je napon veći to će i pojačanje elektronske struje na dinodama biti veće. Za PMT 931 dozvoljeni napon između anode i katode je 1250 Vmax, a između pojedinih dinoda 250 Vmax. Prosječna izlazna struja na anodi iznosi oko 1 mA. Međutim, kod PMT elektronki moguća je pojava struje na anodi i kad nema nikakve pobude sa vanjskim izvorom svjetla. Ta struja naziva se “tamna struja” i može nastati zbog toplinske emisije elektrona iz fotokatode, struje curenja između dinoda, zbog zalutalog visokoenergetskog zračenja, elektronskog šuma i slično. Za PMT 931 tamna struja može se pojaviti u jačini 2-150 nA te je kod preciznih laboratorijskih mjerenja sa PMT cijevima svakako potrebno kompenzirati ovu pojavu.
Napajanje PMT elektronki moguće je izvesti na više načina, istosmjerno, izmjenično ili impulsno, preko zasebnih (baterijskih) izvora između elektroda, preko transformatora sa jednakim izvodima na sekundaru za svaku elektrodu, preko VF oscilatora, diodnih umnoživača napona (Cockcroft-Walton generator) i drugo. Najčešći i najjednostavniji način napajanja PMT elektronki je preko otporničkog djelitelja napona. Osnovna shema takvog načina napajanja je prikazana na našoj slici i zbog jednostavnosti često se otpornici leme na samom podnožju ili su već integrirani unutar njega. No i napajanja sa djeliteljem napona mogu se izvesti na više načina: sa uzemljenom anodom, sa uzemljenom katodom, sa napajanjem svih ili samo jednog dijela dinoda, te sa dodanim drugim elementima (kondenzatori, zener-diode, tranzistori), a sve kako bi se postigla veća stabilnost napona na svim elektrodama, a time i bolja ulazna osjetljivost, veća izlazna linearnost, bolji odnos signal-šum i veća otpornost na smetnje.
Prema električnoj shemi koju smo nacrtali na osnovu sklopovlja ugrađenog u naš uređaj PMT Unit Model 6117, vidimo da se ovdje koristi poseban način napajanja PMT elektronke, a to je pomoću otporničkog djelitelja napona kojim se napaja samo prvih pet dinoda. Napajanjem samo određenog broja dinoda postiže se smanjenje osjetljivosti same PMT cijevi, koje je u našem slučaju osim toga dodatno podesivo i regulacijom samog napona napajanja (negativni visoko napon na katodi). Za napajanje se koristi specijalni modul namijenjen za napajanje PMT cijevi tvrtke Hamamatsu oznake C1309-04 i takvi namjenski moduli osiguravaju vrlo stabilno napajanje i time najbolju linearnu karakteristiku PMT cijevi. Ovaj modul je zapravo DC-DC pretvarač sa +15V na -1100V sa mogućnošću regulacije izlaznog napona u rasponu -400V do -1100V jednostavnim spajanjem pina za regulaciju preko odgovarajućeg otpornika na masu. Japanska tvrtka Hamamatsu specijalizirala se za proizvodnju raznih optičkih senzora, detektora, uređaja i opreme, pa tako proizvodi i PMT cijevi te napajanja za iste. Ovakvim napajanje je dakle postignuta željena osjetljivost PMT cijevi za aplikaciju za koju se primjenjuje, no kratkim spajanjem nekoliko posljednjih dinoda u lancu postiže se također i manja potrošnja struje te bolji odnos signal-šum izlazne struje, iako na štetu njene karakteristike linearnosti. Prema karakteristikama PMT serije 931 prosječna potrošnja struje je 1 mA, dok izvor napajanja C1309-04 može dati maksimalnu struju od 0,7 mA. Ne znamo za koju PMT cijev je naše napajanje dizajnirano, no isto nije dovoljno za napajanje PMT cijevi 931 pod punim kapacitetom ali će sasvim sigurno bez problema napajati prvih pet dinoda ove cijevi u danom spoju.
Spomenuta linearnost narušena kratkim spajanjem zadnje četiri dinode poboljšava se spojem zener-diode i kondenzatora umjesto otpornika u prvom stupnju djelitelja napona i dodavanjem kondenzatora otpornicima u posljednjim stupnjevima djelitelja (zadnja dinoda). Stabilan napon za napajanje svih stupnjeva PMT elektronke ključan je za njezin linearan odziv (pravilno oblikovanje izlaznih impulsa) te se zener-diode mogu koristiti na različite načine u kombinaciji sa otpornicima naponskog djelitelja, a mogu i posve zamijeniti sve otpornike u naponskom djelitelju. Kondenzator se obavezno spaja paralelno zener-diodi kako bi se smanjio šum koji ista generira, a koji je posebno izražen ukoliko kroz zener-diodu ne teče dovoljno velika struja. U našem slučaju zener-dioda zamjenjuje prvi otpornik u djelitelju i služi za sprječavanje debalansa u distribuciji napona na pojedine dinode s obzirom na činjenicu da se PMT cijev koristi pod različitim režimima napajanja, jer se promjena pojačanja vrši pomoću promjene napona (kontrola Gain). Kondenzatori dodani otpornicima za posljednje stupnjeve dinoda (koji pojačavaju najviše elektrona te time troše najviše od ukupne struje izvora napajanja i na kojima nastaje najveći pad napona) prazne se u trenucima kad se formira izlazni strujni impuls te nadomješćuju pad napona između zadnje (zadnjih) dinoda i anode čime se poboljšava linearnost izlaznih impulsa.
Mjerno pojačalo sa operacijskim pojačalom LF 357N.
Elementi mrežnog napajanja. Zanimljivo je da mrežni transfromator ima dva odvojena sekundarna namota 15V/0,2A no iako je potrebno dobiti simetrični napon ±15V, što bi bilo jednostavno postići sa dvostrukim sekundarnim namotima, oba ova namota spojena su paralelno. Time se dobio samo jedan napon od 15V/0,4A koji se kasnije opet razdvaja na dva ispravljena simetrična napona 15V (vidi shemu).
Na ovom dijelu vide se otpornici u krugu djelitelja napona za PMT i otpornici za promjenu napona napajanja (kontrola Gain).
Zadnje četiri dinode PMT cijevi kratko su spojene sa izlaznom anodom čime je smanjena osjetljivost i linearnost PMT-a, a s druge strane je smanjena potrošnja struje i poboljšan odnos signal-šum izlaznih impulsa.
Modul oznake C1309-04 (Hamamatsu) predstavlja gotovo rješenje za napajanje PMT elektronskih cijevi. Radi se o DC-DC pretvaraču napona gdje sa ulaznih 15V/170mA dobivamo maksimalno 1100V/0,7mA.
Potpuno razumijevanje procesa unutar fotomultiplikatorske elektronske cijevi nužno je kad se ista koristi za precizna laboratorijska optička mjerenja kako bi se izradilo napajanje i pojačalo koje kompenzira ili eliminira sve faktore koji utječu na linearnost izlazne struje, pogreške u mjerenju i samu osjetljivost PMT cijevi. Mi ovdje naravno nećemo opisivati svu teoriju jer to nije cilj ove objave, no interesantno je bilo proučiti jedno tvorničko napajanje namijenjeno za precizna laboratorijska mjerenja fotomultiplikatorskim elektronskim cijevima u koje su implementirani sklopovi napajanja koji se prilično razlikuju od osnovne sheme. Vidjeli smo da je stabilizacija napona između pojedinih elektroda PMT cijevi ključna za njezin linearni odziv tako da je za isto potrebno koristiti i kvalitetne elemente (otpornici, kondenzatori) sa dovoljnom rezervom maksimalnog napona koji mogu podnijeti te sa minimalnim tolerancijama i temperaturnim koeficijentom.
S obzirom da izlazni naponi napajanja PMT Unit Model 6117 odgovaraju našoj fotomultiplikatorskoj elektronskoj cijevi serije 931, izvršili smo testiranje ove kombinacije, pri čemu je utvrđeno da isto u potpunosti funkcionira. Tamna struja stvara na pojačalu napon od 28 mV, a mjerni naponi na izlazu iz pojačala su u rasponu 28 mV – 9 V. Sa sklopkom Gain trenutni mjerni opseg se povećava ili smanjuje za dvostruko. Linearnost izlaznog signala je odlična u cijelom rasponu. S praktične strane gledano ovime smo dobili foto senzor kojime možemo mjeriti intenzitet nekog osvjetljenja (svjetlomjer) no ukoliko imamo afiniteta prema optoelektronici ovakav sklop može se koristiti kao precizan optički detektor za spektrometriju i slična mjerenja koja uključuju analizu vidljivog spektra svjetlosti i bliskog mu UV zračenja 🙂