Συστήματα Ανίχνευσης Μονοχρωματικής Ακτινοβολίας

Η ανάπτυξη βασικών οργάνων μεγάλης διακριτικής ικανότητας (π.χ. φασματογράφοι και μικροσκόπια) για την επιστημονική έρευνα και για εφαρμογές στην αστρονομία, στη Φυσική των υψηλών ενεργειών, στη φασματοσκοπία Laser, στην πυρηνική ιατρική, στις οπτικές επικοινωνίες και αλλού, είχε ως συνέπεια την παράλληλη ανάπτυξη και των συστημάτων ανίχνευσης. Θα ήταν ανώφελο να διαθέταμε ένα φασματογράφο μέγιστης διακριτικής ικανότητας χωρίς να είχαμε τον κατάλληλο φωτοπολλαπλασιαστή για τη μέτρηση ασθενέστατων εντάσεων. Έτσι τα συστήματα ανίχνευσης αναπτύχθηκαν εξίσου γρήγορα όσο και τα αντίστοιχα όργανα διάκρισης.

Ως αναπόσπαστο κομμάτι του ηλεκτρικού σήματος και ως το φυσικό επακόλουθο που δημιουργείται από την αλληλεπίδραση της ακτινοβολίας με την ύλη θεωρείται ο θόρυβος.Η βασική έρευνα που έγινε στον κλάδο της Ηλεκτρονικής μάς εφοδίασε με τα φωτοκύτταρα, τις φωτοδιόδους και τους φωτοπολλαπλασιαστές, τον ανιχνευτή εικόνας, τις φωτοαντιστάσεις και τα φωτοτρανζίστορς.

Διατάξεις Ανίχνευσης της Ακτινοβολίας

Τα ανιχνευτικά συστήματα για τις μονοχρωματικές ακτινοβολίες (με έμφαση τις ακτίνες Laser) αντιπροσωπεύονται ουσιαστικά από τους κβαντικούς ή φωτοηλεκτρικούς ανιχνευτές, που καταμετρούν τον αριθμό των φωτονίων και η απόδοσή τους εξαρτάται από το μήκος κύματος της προσπίπτουσας ακτινοβολίας. Κύριοι εκπρόσωποι της κατηγορίας αυτής είναι: το φωτοκύτταρο, το φωτοστοιχείο και ο φωτοπολλαπλασιαστής. Τους ανιχνευτές αυτούς θα περιγράψουμε παρακάτω. Η καταγραφή των φωτονίων γίνεται με διάφορες τεχνικές, τις οποίες θα αναφέρουμε εν συντομία.

Φωτοκύτταρο

Η λειτουργία ενός φωτοκυττάρου στηρίζεται στην Αρχή του Εξωτερικού Φωτοηλεκτρικού Φαινομένου. Φως ενέργειας  hν προσπίπτει στην κάθοδο του φωτοκυττάρου (Σχήμα 1), η επιφάνεια C της οποίας αποτελείται συνήθως από αλκαλικές ενώσεις, και εκλύει δευτερογενή ηλεκτρόνια. Λόγω της εφαρμοζόμενης διαφοράς δυναμικού, τα ηλεκτρόνια οδεύουν προς την άνοδο A. Από την αντίσταση R διέρχεται ρεύμα έντασης Ι, που είναι ανάλογο του αριθμού των εκλυόμενων ηλεκτρονίων. Στα άκρα της αντίστασης δημιουργείται διαφορά δυναμικού ΔV=ΙR. Η ένταση της προσπίπτουσας ακτινοβολίας ανάγεται επομένως είτε στη μέτρηση στιγμιαίων εντάσεων Ι είτε στη μέτρηση της διαφοράς δυναμικού ΔV.

Τα δευτερογενή ηλεκτρόνια μπορεί να αποκλίνουν της αρχικής τους πορείας με αποτέλεσμα την αλλοπρόσαλλη άφιξή τους στην άνοδο. Για την εξάλειψη αυτής της διαταραχής εφαρμόζεται, μεταξύ καθόδου και ανόδου, υψηλή τάση (4kV), έτσι ώστε όλα τα ηλεκτρόνια να συγκεντρώνονται σε αξονική πορεία. Τέτοιου είδους φωτοκύτταρα κατέχουν μεγάλη ακρίβεια και ευαισθησία σήματος.

Σχήμα 1 Η πρόσπτωση φωτονίων hν επί της καθόδου C εκλύει πλήθος ηλεκτρονίων που οδεύουν προς την άνοδο A του φωτοκυττάρου. Το αμπερόμετρο δείχνει ένδειξη διέλευσης ηλεκτρικού ρεύματος Ι. Το σήμα ανόδου (υπό μορφή τάσης ΔV) μπορεί να ληφθεί και από τα άκρα μίας αντίστασης φορτίου R.

Χαρακτηριστικό μέγεθος του φωτοκυττάρου είναι η κβαντική απόδοση η(λ), που ορίζεται από τη σχέση του πλήθους των παραγόμενων δευτερογενών ηλεκτρονίων (ne) ως προς το πλήθος των προσπιπτόντων φωτονίων (nPh):

n(λ) = ne/hPh

Η ευαισθησία S εξαρτάται από το μήκος κύματος της προσπίπτουσας ακτινοβολίας και είναι χαρακτηριστικό μέγεθος του υλικού της καθόδου. Από τη σχέση προκύπτει:

S = I/P = n(λ) e /hν

Παράδειγμα: Σε μία φωτοδίοδο προσπίπτει ορατή ακτινοβολία λ=600nm και έντασης περίπου I=10^(–10)W. Η φωτοδίοδος έχει κβαντική απόδοση η=0.2. Το φωτορεύμα θα έχει τιμή P=10^(–11)Ampere, το οποίο μπορούμε να μετρήσουμε με ένα ευαίσθητο ηλεκτρόμετρο.

Φωτοστοιχεία ημιαγωγών

Η λειτουργία των ανιχνευτών της κατηγορίας αυτής στηρίζεται στην Αρχή του Εσωτερικού Φωτοηλεκτρικού Φαινομένου και ειδικότερα στη φωτοαγωγιμότητα και το φωτοβολταϊκό φαινόμενο.

Στο φαινόμενο της φωτοαγωγιμότητας και με την εφαρμογή μίας εξωτερικής τάσης επί του ημιαγωγού, το προσπίπτον φως προκαλεί αύξηση της ηλεκτρικής του αγωγιμότητας και κατά συνέπεια τη δημιουργία φωτορεύματος, το οποίο στην επόμενη βαθμίδα ενισχύεται και ανιχνεύεται.

Αντίθετα, το φωτοβολταϊκό φαινόμενο εμφανίζεται σε διατάξεις ημιαγωγών, π.χ. επαφές p–n και οφείλεται στο φράγμα δυναμικού που αναπτύσσεται στην περιοχή της επαφής. Το πλεονέκτημα αυτής της κατηγορίας είναι ότι το κύτταρο δημιουργεί μία δική του ΗΕΔ, η οποία παράγει ρεύμα ανάλογο της ποσότητας του προσπίπτοντος φωτός και επομένως δεν απαιτείται εξωτερική ηλεκτρική πηγή.

Η φωτοαγωγιμότητα βρίσκει εφαρμογή στην κατασκευή των φωτοαντιστάσεων, ενώ το φωτοβολταϊκό φαινόμενο στις φωτοδιόδους και στα φωτοτρανζίστορς. Τα στοιχεία αυτά είναι χρήσιμα αισθητήρια όργανα για μία ποικιλία εφαρμογών, από την απλή μέτρηση μέχρι τον έλεγχο του φωτός στους οδικούς άξονες ή σε συστήματα ρομποτικής. Οι ιδιότητες των φωτοστοιχείων ημιαγωγών είναι δυνατόν να συνοψιστούν στα εξής σημεία: (α) η φασματική τους ευαισθησία εκτείνεται σε μία μεγάλη περιοχή του ΗΜ φάσματος από το ορατό μέχρι το υπέρυθρο, (β) για τον περιορισμό των θερμικά παραγόμενων ηλεκτρικών φορέων (γεγονός που συνεπάγεται αύξηση του θορύβου) οι ανιχνευτές ψύχονται σε πολύ χαμηλή θερμοκρασία, χρησιμοποιώντας υγρό ήλιο, (γ) για τη μέτρηση μίας φωτεινής ακτινοβολίας (π.χ. ενός Laser) χρησιμοποιούνται συνήθως φωτοδίοδοι ημιαγωγών από πυρίτιο, γερμάνιο ή άλλες ενώσεις GaAs, CdS και CdSe, των οποίων τα χαρακτηριστικά (π.χ. η κβαντική απόδοση) αναφέρονται σε τεχνικά εγχειρίδια των κατασκευαστικών εταιρειών.

Τα φωτοστοιχεία ημιαγωγών έχουν επίσης τις εξής ιδιότητες: α) υψηλή αξιοπιστία στη μετατροπή φωτεινών σημάτων σε ηλεκτρικούς παλμούς και μεγάλη απόδοση επειδή εμφανίζουν εσωτερική ενίσχυση του σήματος, β) μεγάλη επαναληπτικότητα και αξιοπιστία στα τεχνικά τους χαρακτηριστικά, γ) λειτουργία σε χαμηλές ηλεκτρικές τάσεις, δ) μικρές διαστάσεις και συνεπώς απλή ενσωμάτωση σε μικροσυσκευές (π.χ. οπτικές ίνες) και ε) μεγάλη μηχανική αντοχή και μεγάλο χρόνο ζωής.

Φωτοπολλαπλασιαστής

Όταν η ένταση της προσπίπτουσας ακτινοβολίας είναι πολύ ασθενής, η φωτοδίοδος δεν είναι σε θέση να δώσει στην έξοδο ισχυρό σήμα που να μπορεί να μετρηθεί. Τότε, αντί της φωτοδιόδου, χρησιμοποιούμε ένα άλλο είδος ανιχνευτή, που ενισχύει την προσπίπτουσα ακτινοβολία με την έκλυση δευτερογενών ηλεκτρονίων. Τέτοιου είδους διατάξεις καλούνται φωτοπολλαπλασιαστές (Photomultiplier).

Η βασική αρχή λειτουργίας του φωτοπολλαπλασιαστή είναι η εξής: όταν μία δέσμη φωτός προσπέσει πάνω σε ορισμένα υλικά (π.χ. κράμα αντιμονίου και καισίου), η ενέργεια που αντιστοιχεί στη φωτεινή δέσμη διεγείρει ηλεκτρόνια του υλικού τα οποία ξεφεύγουν από την επιρροή του ατόμου. Η διαδικασία αυτή καλείται έκλυση φωτοηλεκτρονίων.

Σχήμα 2 Ηλεκτρονική διάταξη ενός φωτοπολλαπλασιαστή. Η πρόσπτωση φωτονίων στην κάθοδο εκλύει φωτοηλεκτρόνια, τα οποία προσπίπτουν στην πρώτη δύνοδο δημιουργώντας με τη σειρά τους δευτερογενή έκλυση φωτοηλεκτρονίων. Στις διαδοχικές δυνόδους αναπαράγονται εκατομμύρια φωτοηλεκτρόνια μέχρι να αφιχθούν στην άνοδο. R και C είναι η αντίσταση φορτίου και ο πυκνωτής αντίστοιχα. Η επιτάχυνση των ηλεκτρονίων από δύνοδο σε δύνοδο γίνεται με την εφαρμογή μίας ηλεκτρικής τάσης μεταξύ των δυνόδων.

Ένας τυπικός φωτοπολλαπλασιαστής ΡΜ αποτελείται από μία φωτοευαίσθητη μεταλλική πλάκα (τη φωτοκάθοδο), που βρίσκεται μέσα σε αερόκενο σωλήνα, Σχήμα 2. Μικρός αριθμός φωτονίων ενέργειας hν προσπίπτει στη φωτοκάθοδο του PM και εκλύει πρωτογενή ηλεκτρόνια. Λόγω της διαφοράς δυναμικού (100V) που εφαρμόζεται μεταξύ των δυνόδων, τα φωτοηλεκτρόνια επιταχύνονται και διοχετεύονται σε μία θετική πλάκα, που θεωρείται ως η πρώτη βαθμίδα ενίσχυσης και καλείται πρώτη (1) δύνοδος. Κάθε ηλεκτρόνιο που προσπίπτει στην πρώτη δύνοδο δημιουργεί ένα νέο πλήθος άλλων ηλεκτρονίων με δευτερεύουσα εκπομπή, εκλύοντας q–δευτερογενή ηλεκτρόνια (q>1), που διοχετεύονται στη δεύτερη (2) δύνοδο εκλύοντας νέο αριθμό δευτερογενών ηλεκτρονίων, που εν συνεχεία διοχετεύονται προς την τρίτη δύνοδο κ.ο.κ. Το φαινόμενο αυτό επαναλαμβάνεται σε όλες τις δυνόδους δίνοντας ενίσχυση στην τελική βαθμίδα μεγέθους 10^5–10^6. Οι τιμές αυτές εξαρτώνται από τον αριθμό των δυνόδων και τη γεωμετρική διάταξη του PM. Όσο περισσότερες είναι οι δύνοδοι τόσο μεγαλύτερο θα είναι το αποτέλεσμα της ενίσχυσης. Το ρεύμα που διαρρέει την άνοδο του φωτοπολλαπλασιαστή δίνεται από τη σχέση:

Ι = (P/hν) n(λ)eq^k = (P/hν) n(λ)eM

όπου ο λόγος P/hν δίνει το πλήθος των φωτονίων που προσπίπτει στη φωτοκάθοδο.Τα μεγέθη η(λ), k και M χαρακτηρίζουν την κβαντική απόδοση, τον αριθμό των δυνόδων και τον παράγοντα ενίσχυσης του ΡΜ αντίστοιχα (σημ: Ο παράγοντας ενίσχυσης M δεν μπορεί να αυξηθεί απεριόριστα, γιατί τότε θα αυξανόταν παράλληλα και το ρεύμα σκότους που οφείλεται στη θερμιονική εκπομπή μεταξύ της φωτοκαθόδου και της πρώτης δυνόδου και θα δημιουργούσε θόρυβο στο σήμα εξόδου. Για έναν κλασικό τύπο φωτοπολλαπλασιαστή (RCA, C31034) ο θερμικός θόρυβος ανέρχεται σε 3000 παλμούς ανά δευτερόλεπτο και μπορεί να περιοριστεί σε λιγότερο από 100 με ψύξη του PM σε θερμοκρασία –10C. Ένας άλλος τρόπος περιορισμού του θορύβου είναι με κατάλληλη επιλογή της σταθεράς χρόνου τ=RC του οργάνου (όπου R και C είναι οι τιμές της αντίστασης και του πυκνωτή στο κύκλωμα RC), με την προϋπόθεση ότι η επιλεγείσα τιμή RC αποδίδει αξιόπιστα το σήμα εξόδου στις χρονικές διακυμάνσεις της προσπίπτουσας ακτινοβολίας).

Μία από τις σπουδαιότερες εφαρμογές των φωτοπολλαπλασιαστών είναι η ανίχνευση και η ποσοτική μέτρηση της ακτινοβολίας ραδιενεργών υλικών. Οι φωτοπολλαπλασιαστές χρησιμοποιούνται επίσης στη μέτρηση του φθορισμού, που προκαλείται από μία χημική ουσία, της οποίας τα μόρια διεγείρονται από μία μονοχρωματική ακτίνα Laser.

Τεχνικές Καταμέτρησης Φωτονίων

Στην περίπτωση ασθενών φωτεινών εντάσεων είναι προτιμότερο να καταμετριέται ο αριθμός των εκλυόμενων φωτοηλεκτρονίων παρά να μετριέται η μέση τιμή του ρεύματος εξόδου. Και αυτό για τον εξής λόγο: το διερχόμενο ρεύμα μέσα από την αντίσταση φορτίου δημιουργεί στα άκρα της μία πτώση δυναμικού ίσης με V=I?R, της οποίας το μέσο τετράγωνο του θορύβου είναι περίπου του ίδιου μεγέθους με εκείνο του σήματος. Σε αυτήν την περίπτωση είναι πολύ δύσκολο να διακριθεί το σήμα από το θόρυβο.

Η τεχνική καταμέτρησης φωτονίων χρησιμοποιεί τη διάταξη του Σχήματος 3. Τα φωτοηλεκτρόνια παράγουν φορτίο Q στην έξοδο του φωτοπολλαπλασιαστή PM και προκαλούν παλμούς ύψους V=Q/C. Επειδή η διαδοχική άφιξη παλμών δεν έχει καμία συσχέτιση πλάτους, οι παλμοί αφού πρώτα ενισχυθούν, διαχωρίζονται από μία ηλεκτρονική διάταξη διευκρινιστή (Disc), ανάλογα με το ύψος τους, που τους μετατρέπει σε ομοειδείς ορθογώνιους παλμούς. Μεταβάλλοντας το όριο του κατωφλίου στο διευκρινιστή, μπορούμε να ξεχωρίσουμε τους πραγματικούς παλμούς από το θόρυβο.

Σχήμα 3 Σχηματική διάταξη της τεχνικής καταμέτρησης φωτονίων. Το σήμα εξόδου από το φωτοπολλαπλασιαστή (PM) ενισχύεται στη μονάδα Amp. Η μονάδα του διευκρινιστή Disc λειτουργεί ως κατώφλι παλμών. Η μονάδα Counter καταμετρά τους παλμούς και τους καταχωρεί σε έναν Η/Υ (PC) που μπορεί να χρησιμοποιηθεί και ως αναλυτής παλμών πολλαπλών καναλιών. Ο παλμογράφος Osc χρησιμοποιείται για την παρατήρηση του σήματος σε πραγματικό χρόνο.

Τα πλεονεκτήματα που προσφέρει η τεχνική καταμέτρησης φωτονίων (single photon counting technique) σε σχέση με τη μέτρηση της μέσης τιμής ρεύματος είναι τα εξής: (α) ο θόρυβος δυνόδων και οι μεταβολές ή οι διακυμάνσεις στον παράγοντα ενίσχυσης Μ του φωτοπολλαπλασιαστή δεν παίζουν κανέναν ουσιώδη ρόλο, εφόσον τα σήματα αυτά αποκόπτονται στη μονάδα του διευκρινιστή και (β) οι εξερχόμενοι παλμοί από το διευκρινιστή έχουν ορθογώνια μορφή με αποτέλεσμα την εύκολη μετατροπή τους σε ψηφιακή. Η σύνδεση του σήματος με ηλεκτρονικό υπολογιστή επιτρέπει τη ψηφιακή καταχώρηση και επεξεργασία του σήματος.

Μέτρηση συνεχούς συνιστώσας ηλεκτρικού σήματος

Αντιπροσωπευτικός τύπος αυτής της τεχνικής είναι το ηλεκτρόμετρο που λειτουργεί αναλογικά προς ένα αμπερόμετρο. Το όργανο αυτό ανάγει το σήμα της εξόδου του φωτοπολλαπλασιαστή σε ένδειξη ενός μέσου ρεύματος.

Η τιμή του ρεύματος εισόδου στο ηλεκτρόμετρο ισοσταθμίζεται (με τη σταθερά ανάδρασης τ=RC του ενισχυτή Αmp) δίνοντας στην έξοδο σήμα ανάλογο προς τη μέση τιμή εισόδου. Παρά την απλότητα της διάταξης του Σχήματος 4, το ηλεκτρόμετρο είναι ιδιαίτερα ευαίσθητο σε παρασιτικά σήματα του φωτοπολλαπλασιαστή, όπως π.χ. στον 1/ν–θόρυβο και στο ρεύμα σκότους. Για την εξάλειψη αυτών των παρασίτων κάθε ηλεκτρόμετρο κατέχει μία διάταξη μηδενικής ρύθμισης (zero offset control) που αντισταθμίζει τις ανεπιθύμητες συνεχείς συνιστώσες, χωρίς όμως να προκαλεί εξάλειψη και στις αντίστοιχες εναλλασσόμενες συνιστώσες του σήματος. Το ηλεκτρόμετρο δεν είναι κατάλληλο όργανο για την καταγραφή ασθενών σημάτων.

Σχήμα 4 Διάγραμμα ηλεκτρονικού κυκλώματος για τη μέτρηση της συνεχούς συνιστώσας ενός μέσου ρεύματος φωτονίων.

Ενισχυτής διαμορφωμένων σημάτων

Μία από τις πλέον γνωστές μεθόδους στον περιορισμό του θορύβου και στην ανίχνευση ασθενών σημάτων βασίζεται στην τεχνική διαμόρφωσης φάσης του σήματος εισόδου. Η τεχνική αυτή γνωστή ως ενίσχυση lock–in ή phase sensitive detector πραγματοποιεί στο στάδιο της προενίσχυσης ισχυρή υποβάθμιση του θορύβου.

Δύο είδη θορύβων μπορούν να εμφανιστούν κατά τη μέτρηση ενός ασθενούς σήματος: α) η πηγή να εκπέμπει ανεπιθύμητες συχνότητες και β) ο φωτοπολλαπλασιαστής να εμφανίζει θόρυβο που να είναι ισχυρότερος του σήματος.

Η πρώτη κατηγορία θορύβων δύσκολα εξαλείφεται διότι το αίτιο θεωρείται πρωτογενές, ενώ στη δεύτερη περίπτωση η εξάλειψη γίνεται με την τεχνική lock–in, όπως περιγράφεται παρακάτω, Σχήμα 5.

Σχήμα 5 Σχηματική διάταξη μέτρησης σημάτων με την τεχνική Lock–in. PM είναι ο φωτοπολλαπλασιαστής και Amp είναι η ενισχυτική βαθμίδα. PC είναι η μονάδα του H/Y.

Η προερχόμενη από μία πηγή ακτινοβολία hν διαμορφώνεται, με τη βοήθεια ενός περιστρεφόμενου οδοντωτού δίσκου, στη συχνότητα νR και προσπίπτει σε φωτοπολλαπλασιαστή (PM). Το σήμα εξόδου ενισχύεται και συνδέεται στην είσοδο Α του ενισχυτή. Στην είσοδο Β συνδέεται το σήμα αναφοράς, το οποίο είναι διαμορφωμένο και μπορεί να λάβει τιμές ίσες προς τα ακέραια πολλαπλάσια της συχνότητας νR.

Η έξοδος C του ενισχυτή δίνει μία εναλλασσόμενη συνιστώσα, η οποία είναι ανάλογη του σήματος εισόδου A και η οποία μπορεί να συνδεθεί με διάφορους τύπους καταγραφικών ή ακόμη με θύρες ηλεκτρονικού υπολογιστή για ψηφιακή επεξεργασία του σήματος. Στην έξοδο αυτή αποκόπτονται οι συχνότητες της εισόδου Α που διαφέρουν από τη συχνότητα διαμόρφωσης. Έτσι διαχωρίζεται το διαμορφωμένο σήμα από το θόρυβο. Η προσαρμογή του σήματος εισόδου Β στο σήμα εξόδου C εξαρτάται από την ταύτιση της συχνότητας διαμόρφωσης και αναφοράς.