Фотоелектронні помножувачі

2.1 Фотоелектронні помножувачі

Фотоелектронні помножувачі (ФЕП) – це електровакуумні прилади, у яких струм фотоелектронної емісії підсилюється за допомогою вторинної електронної емісії.

При вимірі дуже слабких потоків випромінювання вихідний сигнал фотоелементів доводиться підсилювати. Граничний потік фотоприйомного пристрою з фотоелементом, багато в чому залежить від оптимального узгодження фотоелемента із вхідним ланцюгом підсилювального пристрою, що часто зв'язано зі значними труднощами. Такі важливі параметри фотоприйомного пристрою, як широкополосність і поріг чутливості, значною мірою визначаються параметрами підсилювача. Тому на практиці дуже рідко вдається реалізувати граничні можливості електровакуумного фотоелемента.

Істотними перевагами при вимірі слабких сигналів володіють ФЕП, у яких фотоелемент сполучається з убудованим у загальний балон підсилювачем фотоструму. Для посилення струму використаються емітери вторинних електронів – диноди. Підсилювач струму, побудований на динодах, називається вторинно-електронним помножувачем. Він складається з ряду послідовно розташованих динодів, кожний з яких має потенціал більше високий, чим попередній. Напруга між будь-якими динодами повинне бути достатнім для того, щоб коефіцієнт вторинної емісії був більше одиниці. Вторинно-електронний помножувач можна використати в приладах з будь-яким джерелом первинних електронів, але найбільш широке поширення він одержав у ФЕП.

Схематичне зображення ФЕП приведено на рис. 2.9.

Рис. 2.9 – Конструкція та схема включення ФЕП

Основними елементами конструкції ФЕП є катодна камера, помножувальна система (вторинно-електронний помножувач), анод і балон. Катодна камера містить у собі фотокатод 1 та електронно-оптичну систему 2, що забезпечує збір електронів з усією поверхні фотокатода на перший динод 3 помножувальної системи. Електронний потік, кількість електронів у якому збільшується в міру руху від динода до динода, пройшовши помножувачу систему, надходить на анод 4, що представляє собою металеву пластину, штир або мілкоструктурну сітку. Балон ФЕП – це, як правило, скляний циліндр, з однієї сторони якого перебуває оптичне вікно, а з іншого боку – багато штиркову ніжку. Приварені до електродів ФЕП вводи можуть мати гнучкі або тверді зовнішні частини. На бічну поверхню балона ФЕП іноді наносять світлонепроникне покриття, що захищає фотокатод і диноди від зовнішніх засвіток. Напруга на електроди ФЕП подається через дільник, вбудований або зовнішній, який входить у блок живлення ФЕП.

Потік випромінювання, що падає на фотокатод, частково поглинається та викликає фотоелектронну емісію. Емітовані електрони прискорюються та фокусуються в катодній камері на перший динод. Частина електронів не попадає на поверхню динода через недосконалість електронно-оптичної системи катодної камери. Ефективність збору фотоелектронів  на перший динод являє собою відношення кількості електронів, що досягають першого динода до кількості електронів емітованих фотокатодом. При прольотах між динодами частина електронів також розсіюється. Відношення кількості електронів, емітованих с динода і що брали участь у подальшому помножуванні, к повній кількості електронів, які вилетіли с динода називається ефективністю каскаду посилення g.

Помножувальна система сучасних ФЕП містить у собі від 7 до 14 динодів, що мають коефіцієнт вторинної емісії від 3 до 8. Ефективність збору каскаду посилення ФЕП лежить у межах 0,7 – 0,95. Коефіцієнт підсилення ФЕП залежно від їхнього призначення може бути від 10³ до 10⁸. Середнє значення вихідного (анодного) струму ФЕП, як правило, не перевищує декількох міліамперів. Для того щоб струм динодів, протікаючи через опори дільника, не приводив до помітної зміни напруги між каскадами, опір резисторів у дільнику не повинні бути дуже великими. Тому на практиці задаються струмом дільника, в 10–100 разів перевищуючий струм останнього динода.

Спектральні характеристики ФЕП, як і спектральні характеристики фотоелементів, визначаються типом застосовуваного фотокатодада. Тип спектральної характеристики і абсолютне значення спектральної чутливості фотокатода Sλ на певній довжині хвилі вказують у паспорті на ФЕП.

Характеристики і параметри ФЕП, вимірянні при постійних значеннях потоків випромінювання і напруг, що прикладають до електродів, називаються статичними. Здатність ФЕП реєструвати імпульсні потоки випромінювання характеризують імпульсні параметри.

Статичні характеристики та параметри ФЕП. Спектральною чутливістю ФЕП називається відношення анодного струму до падаючого на фотокатод монохроматичному потоку випромінювання.

Світлова анодна чутливість ФЕП – відношення анодного струму до світлового потоку джерела типу А, Анодна чутливість ФЕП дорівнює чутливості фотокатода, помноженої на коефіцієнт підсилення, тобто світлова анодна чутливість S_v =MS_VK, а спектральна чутливість ФЕП S_e λ= MS_e λ_. Анодна чутливість виміряється при рівномірному висвітленні всієї поверхні фотокатода. Якщо послідовно висвітлювати різні ділянки фотокатода вузьким пучком, то можна виявити нерівномірність чутливості по поверхні фотокатода.

Залежність чутливості від координат ділянок висвітлення називається зонною характеристикою. На рис. 2.10 наведена зонна характеристика одного із приладів, виміряна по діаметру фотокатода. Зміна чутливості ФЕП при висвітленні різних ділянок фотокатода обумовлено нерівномірністю чутливості фотоемісійного шару та неоднаковістю збору електронів з різних ділянок фотокатода на перший динод.

Рис. 2.10 – Зонна характеристика ФЕП

Світлова характеристика ФЕП – залежність анодного струму від потоку випромінювання при постійній напрузі живлення. При невеликих потоках випромінювання світлові характеристики лінійні. Відхилення від лінійності характеристик у міру росту потоку випромінювання в статичному режимі визначається в основному стомленням динодів при протіканні значних струмів. Якщо напруга між останнім динодом та анодом виявиться занадто малим, наприклад, при занадто великому опорі навантаження, то можливе виникнення об'ємного заряду перед анодом. Це також приводить до нелінійності світлової характеристики. В імпульсному режимі межа лінійності світлової характеристики може становити кілька ампер. Щоб запобігти переходу ФЕП в режим об'ємного заряду, необхідно підвищувати напруги на останніх каскадах множення.

На рис. 2.11 наведене сімейство статичних світлових характеристик ФЕП при різних напругах живлення.

Рис. 2.11 – Сімейство статичних світлових характеристик

Чутливість ФЕП при різних напругах живлення може бути визначена як тангенс кута нахилу світлової характеристики.

Залежність анодної чутливості від напруги живлення ФЕП показана на рис. 2.12. Зі збільшенням напруги чутливість, пропорційна коефіцієнту підсилення ФЕП, росте за степеневим законом. Швидкість росту (нахил характеристик) залежить від помножувально-емісійних властивостей динодів і числа каскадів помножувальної системи. У паспортах ФЕП звичайно указують фіксовані напруги живлення, що відповідають номінальним значенням світлової анодної чутливості: 1,3,10, 30, 100 А/лм…

Рис. 2.12 – Залежність анодної чутливості від напруги живлення ФЕП

Анодна характеристика ФЕП показує залежність анодного струму (або анодної чутливості) від напруги між анодом та останнім динодом. На рис. 2.13 зображене сімейство анодних характеристик ФЕП при різних потоках випромінювання та незмінній напрузі на каскадах посилення.

Рис. 2.13 – Анодні характеристик ФЕП при двох фіксованих значеннях потоку випромінювання

Крутий ділянка характеристики відповідає режиму об'ємного заряду, що утвориться між анодом та останнім динодом. При збільшенні напруги прилад переходить у режим насичення, що є робочим режимом ФЕП. При виборі опору навантаження необхідно звернути увагу на те, щоб робоча точка не виходила за межі області насичення характеристик (рис. 2.13).

Темпової струм ФЭУ має наступні складові:

– посилений помножувальной системою струм термоелектронної емісії фотокатода, електродів катодної камери та перших одного-двох динодів (внесок струмів термоемісії інших динодів малий, тому що ці струми проходять менше каскадів посилення);

– струм автоелектронної емісії динодів, що також може підсилюватися помножувальною системою;

– струм витоку між анодом та іншими електродами;

– струми, викликані іонними і оптичними зворотними зв'язками (ці струми умовно ставляться до темнавих, тому що їхнє значення визначається щільністю електронного потоку у ФЕП).

Висновки

В даній роботі було розглянуто будову, класифікацію, основні параметри, а також фізичні основи роботи фотоелектронних приладів.

В результаті виконання роботи було з’ясовано, що:

1. Фотоелектричні приладами – електронні прилади, у яких здійснюється перетворення світлового випромінювання в електричний струм.

2. Фотоелектричні прилади можна класифікувати за різними характеристиками, але в основному їх класифікують в залежності від типу робочого середовища на фотоелектричні прилади із зовнішнім фотоефектом (електронні й іонні фотоелементи, фотопомножувачі), фотоелектричні прилади із внутрішнім фотоефектом в однорідних структурах (фоторезистори) та фотоелектричні прилади із внутрішнім фотоефектом у р-п-структурах (напівпровідникові фотоелементи, фотодіоди, фото транзистори).

3. Фізичні принципи дії фотоелектронних приладів, визначається перетворенням енергії оптичного випромінювання в електричну.

4. Кожна з функціональних груп фотоелектричних приладів характеризується специфічною системою параметрів.

Література

1.  Сушков А.Д. Вакуумная электроника. Санкт-Петербург: Лань, 2004. – 464 с.

2.  Щука А.А. Электроника. Учебное пособие. Санкт-Петербург: БХВ – Петербург, 2005. – 800 с.

3.  Федосеева Е.О., Федосеева Г.П. Основи электроники и мимикроэлектроники. – Москва: Искусство, 1990. – 240 с.

4.  Соболева Н.А., Берковский А.Г., Чечик Н.О., Елисеев Р.Е. Фотоэлеткронние прибори. Москва: Наука, 1965. – 592 с.

5.  Батушев В.А. Элетронние прибори. – Москва: Висшая школа, 1980. – 382 с.

6.  Гуртовник А.Г., Точинский Е.Г., Яблонский Ф.М. Электровакуумние прибори и основи их конструирования. – Москва: Энергоатомиздат, 1988. – 424 с.

7.  Жигарев А.А., Шамаев Г.Г. Электронно-лучевые и фотоэлектронные прибори. Москва: Вишая школа, 1982. – 463 с

8.  Берковский А.Г., Гаванин В.А., Зайдель И.Н. Вакуумние фотоэлетронные приборы. Москва: Радио и Связь, 1988. – 272 с.

9.  Кациельсов Б.В., Калугин А.М. Ларинов А.С. Электровакуумние и газоразрядние прибори. – Москва: Радио и Связь, 1985. – 864 с.