Фізичні основи, принцип дії та параметри фотоелектронних приладів (стр. 3 из 4)

Необоротна зміна чутливості при зберіганні фотоелементів, називається старінням, пов'язане зі зміною властивостей фоточутливого шару. Характер старіння, як і процесу стомлення, визначається типом фотокатода, технологією виготовлення фотоелемента, станом вакууму в балоні.

Темнів струм фотоелемента має дві основних компоненти: струм термоелектронної емісії фотокатода та струм витоку між електродами. Струм автоелектронної емісії фотокатода може мати порівнянне з названими компонентами значення при напругах анода біля декількох кіловольтів. При настільки високих напругах працюють тільки потужнострумові фотоелементи, для яких рівень темнавого струму не має суттєвого значення.

Струм термоемисії фотокатода, що займає у фотоелемента більшу площу, при кімнатній температурі досягає значень 10^-11 – 10^-10 А. У зв'язку з тим, що цей компонент визначається типом фотокатода та технологією його одержання, зменшення термотока можливо тільки шляхом зниження температури або зменшення розмірів фотокатода.

Струм витоку по зовнішній і внутрішній сторонах скла колби, а також по цоколі при робочих напругах 200–300 В має значення в межах 10^-9–10^-7А. Для підвищення опору ізоляції при конструюванні фотоелементів збільшують відстань між вводами, а на зовнішню поверхню балона наносять вологостійке покриття. У конструкції фотоелементів, призначених для виміру дуже малих потоків, передбачене охоронне кільце, уварене в балон між виводами фотокатода та анода. Цей електрод з'єднують із негативним або позитивним полюсом джерела живлення залежно від того, у катодний або анодний ланцюг фотоелемента включені вимірювальний прилад або опір навантаження (рис. 2.6). Завдяки охоронному кільцю струм витоку не протікає через вимірювальний прилад.

Рис. 2.6 – Схема включення фотоелемента с охоронним кільцем

Ефективним способом зниження темнових струмів є використання балансових (мостових) схем включення фотоелемента. На рис. 2.7 показана схема балансового електрометричного катодного повторювача з фотоелементом у вхідному ланцюзі. Напруга від протікання темнового струму через резистор R1на вході лівої лампи компенсується на виході такою же напругою, що виникає від протікання струму затемненого фотоелемента через резистор R₂на вході правої лампи. Зміна вологості та температури навколишнього середовища викликає однакова зміна темнових струмів у двох плечах балансової схеми, тому вимірювальний прилад не реагує на ці зміни. При відсутності вимірюваного потоку потенціометром Rовиробляється початкова установка вимірювального приладу на нуль.

Рис. 2.8 – Схема балансного електрометричного катодного повторювача с фотоелементом в вхідному ланцюзі

Для виділення корисного сигналу з темнового струму іноді застосовується модуляція вимірюваного потоку випромінювання за допомогою оптичного затвора, наприклад диска що обертається із прорізями. Модульований з деякою частотою струм сигналу легко виділяється шляхом фільтрації з повільно мінливого темнового струму. При необхідності сигнал після фільтра може бути відновлений у первичний вигляд за допомогою детектірованія.

Граничний потік фотоелемента, включеного у вхідний ланцюг підсилювального каскаду, визначається чутливістю фотоелементу до потоку

даного спектрального складу та сумарним шумовим струмом у вхідному ланцюзі підсилювача. Дуже слабкий фотострум звичайно не піддається прямим вимірам, і потрібно його попереднє посилення. Для цього в ланцюг фотоелемента включається високоомний резистор, напруга сигналу з якого надходить на підсилювач із високим вхідним опором.

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.Вінскладається 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 емісіїбув 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 1та 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 абозовнішній, 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 S

λ 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.