151086 (Фізичні основи, принцип дії та параметри фотоелектронних приладів), страница 2

Рис. 2.3 – Конструкція деяких видів імпульсних потужнострумових фотоелементів [6]: анод; фотокадот.

У паспорті приладу звичайно вказується номер типової характеристики відносної спектральної чутливості та абсолютне значення максимальної спектральної чутливості.

Вольт-амперні характеристики фотоелементів. При освітленні фотокатода емітовані електрони утворять в просторі між електродами об'ємний заряд. Коли значення напруги анода мале, потенціал простору біля катода негативний, тобто має місце режим об'ємного заряду фотоелемента. Для плоскопараллельної та циліндричної системи електродів анодний струм фотоелемента має залежність від анодної напруги, близьку до закону ступеня трьох других. Анодний струм у фотоелементі, як і в вакуумному діоді, з'являється при невеликій негативній напрузі на аноді. Це пояснюється наявністю початкової кінетичної енергії в більшості фотоелектронів, що дозволяє їм переборювати гальмуюче поле анода.

Коли напруга анода досягає певного значення, анодний струм стає рівним току фотоемісії і його ріст майже припиняється. Напруга насичення залежить від конструкції фотоелемента, типу фотокатода та від значення падаючого потоку випромінювання. Подальше підвищення напруги приводить до дуже слабкого зростання фотоструму за рахунок ефекту Шотткі та поліпшення збору електронів на анод. У фотоелементах з напівпрозорим фотокатодом, що має великий поздовжній опір (без провідної підкладки), при роботі в імпульсному режимі з більшими потоками випромінювання насичення фотоструму не відбувається. Це пов'язане із вторинною емісією електронів з вилучених від катодного вода ділянок фотокатода, які при протіканні струму уздовж шару здобувають позитивний потенціал. Різниця потенціалів між ділянками фотокатода може досягати значення, при якому коефіцієнт вторинної емісії буде більше одиниці. На рис. 2.4, а наведене сімейство вольт-амперних характеристик фотоелемента з масивним фотокатодом, а на рис. 2.4, б – фотоелемента з високим поздовжнім опором фотокатода.

Світлові характеристики фотоелементів, що працюють у режимі насичення, відповідно до закону Столетова лінійні. При великих потоках випромінювання світлова характеристика відхиляється від прямої, що обумовлене утворенням об'ємного заряду або стомленням фотокатода. За межу лінійності світлової характеристики приймається значення анодного струму, при якому відхилення від прямої пропорційності фотоструму падаючому потоку випромінювання не перевищує заданого значення. У фотоелементів, що працюють у безперервному режимі, межа лінійності не перевищує 10^-4 А. В імпульсному режимі опромінення при високих напругах анода це значення доходить до десятків амперів.

Рис. 2.4 – Сімейство вольт-амперних характеристик фотоелементів [7]: а – фотоелемента із масивним фотокатодом; б – фотоелемента із напівпрозорим фотокатодом

За аналогією з електронними лампами по сімейству вольт-амперних і світлових характеристик фотоелемента можна визначити чутливість і внутрішній опір R приладу відповідно як тангенс кута нахилу світлової характеристики та котангенс кута нахилу вольт-амперної характеристики до осі абсцис.

Опір навантаження може включатися в ланцюг анода або фотокатода. При заданої ЕРС джерела живлення опір навантаження вибирається таким, щоб робоча точка А лежала в межах області насичення вольт-амперних характеристик (рис. 2.5). У цьому випадку робоча світлова характеристика фотоелемента з навантаженням буде збігатися зі статичної, тобто залишатися лінійної в межах вимірюваних потоків.

Рис. 2.5 – Зв'язок між вольт-амперними та світловими характеристиками фотоелементів

Чутливість по напрузі (вольтова чутливість) фотоелемента з навантаженням, що працює в режимі насичення при Ri>> Rн дорівнює:

Su = S Rн (2.1)

Частотна характеристика. Частотні властивості фотоелемента визначаються часом прольоту електронів від фотокатода до анода та часом перезарядження паразитної міжелектродної ємності через опір навантаження (часом схемної релаксації). Час прольоту електронів залежить від відстані між електродами та від напруги анода. В імпульсних потужнострумових фотоелементах з малими міжелектродними відстанями та високими анодними напругами час прольоту не перевищує 10^-11 – 10^-10 с. В інших фотоелементах воно становить 10^-9 – 10^-8 с.

Опір навантаження імпульсних потужнострумових фотоелементів становить кілька десятків Ом, а міжелектродна ємність – одиниці пікофарад, тому гранична частота таких приладів доходить до 10⁹ Гц, Ємність анод-катод фотоелементів першої та другої груп становить кілька десятків пікофарад, і їхня гранична частота в основному залежить від опору навантаження.

Стабільність чутливості фотоелементів. При подачі на фотоелемент, включений у ланцюг джерела живлення, потоку випромінювання відбувається зміна його чутливості (як правило, спад).: Через якийсь час значення чутливості стабілізується і може повністю або частково відновитися після вимикання джерела випромінювання або джерела живлення приладу. Нестабільність чутливості в часі, називаний стомленням, залежить від типу фотокатода, технології виготовлення фотоелемента та режимів його роботи.

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 R1 на вході лівої лампи компенсується на виході такою же напругою, що виникає від протікання струму затемненого фотоелемента через резистор R₂ на 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 Rо виробляється 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. 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 .