zlobina_af01 (Учебник Злобина), страница 14

Основным параметром катода является ток эмиссии I_Э. Если фотокатод облучается постоянным потоком монохроматического света, то ток эмиссии остается постоянным. Величина тока эмиссии определяется количеством электронов, вышедших из фотокатода. На анод подается положительное относительно катода напряжение (U_а), в цепи анода при этом протекает ток анода (I_а). Величина анодного тока, определяемая числом электронов, достигших анода, зависит от тока эмиссии (I_Э) катода и от напряжения на аноде U_а._.

И
спользуя схему рис.5.3, можно снять статическую, анодную вольт-амперную характеристику фотоэлемента. Для этого световой поток (Ф) поддерживаем постоянным, стало быть ток эмиссии с катода (I_Э) тоже остается постоянным. Меняем напряжение на аноде (U_а), измеряем ток в цепи анода (I_a) и получаем зависимость I_a= f(U_а) при I_Э = const.

На рис. 5.4 кривая 1 – это теоретическая вольт-амперная характеристика диодного промежутка, рассчитанная по закону степени 3/2. Эта характеристика выходит из нуля и уходит в сторону больших токов и напряжений. Кривая 2 – реальная вольт-амперная характеристика фотоэлемента. На участке I обе характеристики совпадают, на участке II крутизна реальной характеристики уменьшается, и она уходит в сторону от теоретической. Можно показать две области анодной характеристики.

При постоянном световом потоке I_Э= const. С увеличением напряжения на аноде число электронов, достигших анода (I_a), возрастает (область 1). Однако часть электронов не может попасть на анод, и у поверхности катода формирует отрицательный пространственный заряд (рис. 5.5, а). Этот участок характеристики можно описать законом 3/2:

(A),

где S_к – площадь фотокатода, l_ка – расстояние между катодом и анодом.

Н
а участке нормальной работы фотоэлемента (область II) практически все электроны, вылетающие из фотокатода, собираются анодом. Пространственный заряд около катода исчезает (рис. 5.5, б). Фототок принимает насыщенное значение (рис. 5.4, II), пропорциональное световому потоку. Дальнейшее возрастание напряжения U_а в первом приближении не приводит к увеличению фототока. Однако и здесь кривая имеет некоторый наклон к оси абсцисс.

Это может быть вызвано уменьшением потенциального барьера и работы выхода электронов из катода под действием приложенного к нему большого внешнего поля (эффект Шоттки).

Параметры фотоэлемента

По статической анодной характеристике можно определить статические параметры фотоэлемента (рис. 5.4):

S = (мк А/В) – крутизна характеристики;

R_i= (МО_м) – динамическое сопротивление;

R_o= (МО_м) – сопротивление постоянному току.

Нагрузочный режим

В рабочем режиме фотодиода сигнал U_Rн снимается с сопротивления нагрузки R_н (рис. 5.6), которое включается в анодную цепь.

При включении сопротивления R_н происходит перераспределение напряжения источника питания E_a между прибором и сопротивлением. Если при R_н= 0 все прилагаемое от источника питания напряжение падает между катодом и анодом фотодиода (Е_а=U_a), то при наличии R_н часть напряжения падает между катодом и анодом, а вторая часть – на сопротивление нагрузки U_Rн.:

E_a= U_a + U_Rн.

Надо помнить, что включение R_н всегда ведет к перераспределению напряжения источника питания и соответственно к уменьшению U_a и тока анода I_a.

К

Е_а

ак перераспределяется напряжение источника питания, можно рассмотреть при построении нагрузочной прямой (рис. 5.7).

Сопротивление нагрузки включено поледовательно с фотодиодом, ток через диодный промежуток и R_н протекает тот же. В соответствии с законом Кирхгофа для контура, обтекаемого током I_a , можно записать:

E_a= U_a + I_a  R_н .

Возьмем на вольтамперной характеристике (рис. 5.7) точку А. В этой точке между катодом и анодом фотодиода приложено напряжение U_a и протекает ток I_a . Чтобы найти, какое напряжение падает на R_н и чему равно напряжение источника питания при этом, построим нагрузочную прямую. Чтобы построить прямую, достаточно найти две точки.

Предположим, что I_a = 0, тогда напряжения на сопротивлении нагрузки нет, и все напряжение источника питания приложено между катодом и анодом (Е_а=U_a). Находим точку, соответствующую Е_а на оси абсцисс. Чтобы найти точку на оси ординат, необходимо выполнение условия U_a= 0. Тогда точка на оси ординат будет I_a= . Соединим эти две точки и получаем нагрузочную прямую для определенного R_н . На оси абсцисс получили напряжение источника питания Е_а , известно напряжение между катодом и анодом фотодиода, а разность этих двух напряжений дает напряжение, падающее на сопротивлении нагрузки U_Rн . На оси ординат полученная точка I_a = E_a /R_н позволяет определить R_н для данной нагрузочной прямой. Если сопротивление нагрузки увеличить, то точка I_a= E/R_н сместится вниз, и, наоборот, уменьшение R_н перемещает точку E_a/R_н вверх. Учитывая, что ток анода I_a в фотоэлементах измеряется в мКА, сопротивления нагрузки измеряются в МОм.

5.3 Ионный фотоэлемент

1 2 3

Рис. 5.8 – Вольт-амперная

характеристика ионного фотоэлемента

При наполнении фотоэлемента инертным газом (гелий, неон) появляется возможность повысить чувствительность прибора путем зажигания несамостоятельного газового разряда.

Вольт-амперная характеристика ионного фотоэлемента

при

представлена на рис. 5.8

На характеристике ионного фотоэлемента при изменении напряжения на аноде можно выделить три области:

1 – режим пространственного разряда;

2 – режим насыщения ( = );

3 – режим газового усиления.

Когда напряжение на аноде становится достаточно большим, в приборе возникает ударная ионизация газа и ток анода увеличивается, следовательно, увеличивается и чувствительность прибора. Отношение тока в рабочей точке к току насыщения называется коэффициентом газового усиления:

Обычно он имеет величину 58. Дальнейшее увеличение коэффициента невозможно из-за опасности возникновения тлеющего разряда.

5.4 Фотоэлектронные умножители (ФЭУ)

Ф
отоэлектронные умножители – это электровакуумные приборы, в которых происходит преобразование светового потока в ток фотоэлектронной эмиссии и усиление этого тока посредством вторичной эмиссии.

Фотоэлектронный умножитель состоит из входной (катодной) камеры (рис. 5.9), которая образуется поверхностями фотокатода 1, диафрагмы 2 и кольцом 3 (это фокусирующие электроды), и первого динода Д₁ – эмиттера вторичных электронов. Второй элемент ФЭУ – умножительная динодная система, состоящая из совокупности эмиттеров вторичных электронов – динодов (Д₂Д₂₃) и анода 5. ФЭУ – прибор высоковакуумный, и электроны, двигаясь от динода к диноду, не испытывают столкновений с атомами. Световой поток Ф падает на полупрозрачный фотокатод и выбивает из него электроны. Эмиттированные фотоэлектроны ускоряются и фокусируются на первый динод Д₁ электростатическим полем, создаваемым электродами катодной камеры, имеющими необходимые конфигурации и распределение потенциалов. Ускоренные и сфокусированные фотоэлектроны направляются на первый динод Д₁. При бомбардировке фотоэлектронами первого динода с его поверхности выходят вторичные электроны, которые ускоряются электрическим полем в направлении второго динода и выбивают из него вторичные электроны. Аналогичные процессы повторяются на последующих динодах.

Напряжение на электроды ФЭУ подается таким образом, чтобы между каждой парой динодов создавалось электрическое поле, ускоряющее электроны от предыдущего электрода к последующему. Это обеспечивается при помощи делителя напряжения (R₁R₇).

Количество электронов, попадающих на анод, и анодный ток соответственно равны:

N_a=N_к ₁₁  ₂₂_n_n =N_кM,

где N_a – количество электронов, попадающих на анод,

N_К – количество электронов, покидающих фотокатод

_I – коэффициэнт предачи тока, равный отношению числа электронов, достигающих (i + 1) динода, к числу электронов, эмиттированных i-м динодом,

 – коэффициент вторичной эмиссии динода,

n – число динодов в фотоумножителе.

Если предположить, что коэффициенты усиления всех динодов одинаковы, тогда

М=  ⁿ ⁿ ; I_a = I_к M,

где М – коэффициент умножения ФЭУ по току,

I_a – ток в цепи анода,

I_к – ток фотоэмиссии катода.

Коэффициент усиления ФЭУ зависит от коэффициента вторичной эмиссии каждого динода, межкаскадного напряжения и коэффициента передачи тока от динода к диноду. В реальных ФЭУ часть потока электронов в процессе умножения рассеивается. Расчеты и экспериментальные исследования показывают, что значения лежат в пределах 0,70,95.

Конструкция ФЭУ должна обеспечивать требуемое усиление, оптимальные условия попадания излучения на фотокатод, высокую эффективность сбора фотоэлектронов на первый динод и вторичных электронов на каждый последующий динод, малые разбросы времен пролета электронов, определяющих быстродействие ФЭУ и линейность световых характеристик. Динодные системы ФЭУ можно классифицировать по способу управления движением электронов с динода на динод. Управление осуществляется с помощью:

1. электростатических полей;

2. электростатических и магнитных полей;

3. высокочастотных электрических и магнитных полей.

Конструкции динодных систем весьма разнообразны, однако с учетом основных особенностей их можно разделить на следующие группы: