Источники и приёмники Излучения (1059978), страница 33
Текст из файла (страница 33)
Для каждого вещества существует длинноволновая граниЛа внешнего фотоэффекта, называемая к р а с н о,й г р а н и ц е й, так как энергия падшощих фотонов Ьт уменынается с увеличением длины волны и уменьшением частоты. 11ороговая частота фото- эффекта ъ,,р соответствует энергии падающих фотонов, при кото- рой даже максимальная энергия фотоэлектронов (ьтпа12),„равна нулю: пн„р — Еф — — О, откуда д" = с1т„п -== йс1Еф -— — 1,2341Еф, где т." — граничная длина волны (мкм) при измерении Еф в эВ; с — скорость распространения электромагнитного излучения в вакууме.
Время запаздывания между поглощением кванта и появлением фотоэлектрона меньше 1О " с, что позволяет на основе внешнего фотоэффекта создавать быстродействующие приемники излучения. й 8.2. Злектровакуумные фотоэлементы и фотоэлектронные умиожители Злектровакуумиые фотоэлементы. Электровакуумным фотоэлементом называют вакуумный или ионный диод, основанный на явлении фотоэлектронной эмиссии электронов в вакуум (элек- 146 0 0,0 $Х 07 00 Ломки тронный фотоэлемент) или газ (ионный фотоэлемент), преобразую щий энергию оптического излучения в электрические сигналы и содержащий фотокатод и анод (рнс. 5.1).
Ионные (газонаполненные) фотоэлементы применяются редко. Наиболее распространены электровакуумные фотоэлементы (ФЭ), поэтому ограничимся их рассмотрением [10, 85! . Размер ФЭ, расстояние между электродами, конструкция цоколя, выводов зависят от типа аппаратуры, в которой он ис. пользуется. Форму фотокатода и анода определяют требования полног сбора эмиттированных электродов на анод. Тип фотокатода материал окна колбы ФЭ определяют диапазон его спектральнс чувствительности. Спектральная чувствительность фотоэлемента в основном за висит от фотокатода: его толщины, материала подложки и око. баллона, в меньшей степени — от температуры фотокатода (изме няется работа выхода электрона), его старения (постепениогс изменения свойств фотокатода за счет неидеального вакуума и газоотделения арматуры и стенок колбы), напряженности элек- трического поля у фотокатода, зависящей от приложенного ~гапряжения (при освещении фотокатода коротковолновыми кз(антами вылетающие фотоэлектроны имеют большую знергикз и сбор их на фотокатод требует более высокого напряженит( питания), утомления фотокатода.
Утомление характеризуется неравномерным понижением,'спектРаЛЬНОй ЧУВСтнктЕЛЬНОСтИ (ПОД ДЕйетВИЕМ ПОТОК.а ИЗЛУг1ЕНИЯ) фотокатода во времени (чувствительность уменьпчается сильнее в длинноволновой области спектра), оно зависит от качества и типа фотокатода, от режима освещенности фотокатода, от анод- ного напряжения и температуры среды, а также от цикличности работы ФЭ во времени.
Наиболее сильное утомление наблюдается у серебряно-кислородно-цезиевых фотокатодов, у которых при освещенности 2500 лк в течение нескольких часов чувствительность уменьшается на 60--.80 ауа Для оценки спектральной чувствительности фотоэлементов разработана система типовых спектральных характеристик. Световые характеристики вакуумных ФЭ линейны в широком динамическом диапазоне (диапазоне изменения потока). Нижний предел линейности световой характеристики ФЭ ограничиваетсч темновымн токами (от 10 ' до 10 "А у различных ФЭ) и шумами ФЭ и нагрузки. Верхний предел линейности (!О ' А) ограничивается образованием пространственного заряда у поверхности фотокатода и на стекле колбы, утомлением фотокатода и вторичной эмиссией стекла (слабо покрывшегося пленкой щелочного металла при напылении фотокатода), появлякзшейся при больших световых потоках.
Линейность световой характеристики по потоку излучения сохраняется от значений пороговых потоков до единиц люмепов. При включении ФЭ в цепь нагрузки диапазон линейносги уменьшается. Временнбе разрешение ФЭ определяется временем движения электронов от места их образования при освещении до поверхности катода (10 " с), временем про,чета их от катода до анода (10 "— 10 "с) и переходными процессамн в цепи ФЭ вЂ” нагрузка. Переходные процессы в цепи ФЭ вЂ” нагрузка, ухудшающие временное разрешение и искажающие форму коротких импульсов, зависят от накопления зарядов на стекле при перезарядке и от процесса зарядки н разрядки емкости самого ФЭ, кочззргяе характеризуются постоянной времени схемной релаксации тр (постоянной времени Г(С-цепочки): тв = )снС, где Гс'„— сопротивление нагрузки и выводов; С вЂ” межэлектродная емкость ФЭ. Межэлектродная емкость обычных ФЭ 10 — 50 пФ, у импульсных 3 — 4 пФ при сопротивлении коаксиального вывода десятки 148 г) Г,мкт( чб Рнс.
5.2. Охемы включении ФЭ: а — с охранным кольнем, б — без охранного кольна; в — импульсная схема включения с положительным импульсом иа нагрузке; г — вольт-ампервые хапактеристики Ом, это дает тр — — 3 10 "—:3 !О " с, соизмеримую со временем пролета фотозлектронов, поэтому импульсные ФЭ включаются прямо на быстродействукзщий осциллограф и имеют временное разрешение 10 'е — 3.10 " с. Пологпи участок частотной характеристики простирается при этом до 10' — -!О' Гц. Фотоэлементы включаются последовательно с источником питания () и сопротивлением нагрузки Аг„(рис. 5.2, а — и).
Когда освещения нет, в цепи ФЭ течет темновой ток, складывающийся из тока утечки между электродами и тока термоэмнссии. Ток термоэмиссии можно уменьшить при охлаждении фотокатода. Ток утечки по стволу колбы (на наружной и внутренней сторонах) при (Гп = 200 —;300 В достигает 10 ' — 1О ' А. Для его уменьшения, как уже указывалось выше, у ряда ФЭ имеется охранное кольцо, завариваемое между выводами катода и анода.
Схема включения такого ФЭ показана на рис. 5.2, а. Ток утечки замыкается по охранному кольцу и исключается из измерителыгой цепи. Влияние темпового тока можно уменщпить при модуляции лучистого потока и наличии разделительной емкости Ср, исключающей постоянные составляющие, возникающие в цепи ФЭ из входной цепи регистрирующего устройства, работающего нн переменном токе. Емкость при работе в импульсном режиме, (9 —: 10) 'гн С ) — '— — '"-, ' Р Р -1- й где т„— длительность импУльса или вРемЯ модУлЯции (1/Гм, — частота модуляции лучистого потока); )с„— входное сопротивление регистрирукнцего устройства. 149 При работе с короткими световыми импульсами (порядка наносекунд) параллельно источнику включается блокировочный конденсатор Сеа (рис. 5.2, в), который обеспечивает низкое выходное сопротивление источника питания (конденсатор служит источником) и, кроме того, ослабляет электрические наводки на провода ФЗ.
Задавпгись изменением напряжения Ь'и* на Са, и зная максимальный импульсный ток ФЗ 1,„и время его протекания 1„, можно рассчитать Са, по следующей формуле: С, > Г,„1„, Л)г. В импульсном режиме работы ФЭ )с можно включать в цепь анода, заземляя плкс источника — в этом случае полярность снимаемого импульса изменится на отрицательную величину. При регистрации немодулированных лучистых потоков фотоэлемент работает с усилителем постоянного тока, Саа н Ср не нужны. В этом случае при значительных потоках излучения ФЗ может работать как диод, питающийся переменным сетевым напряженнем.
Фототок будет представлять собой импульсы (полу- волны) с одной полярностью. Измерительный усилитель постоянного тока будет показывать среднее значение фототока (применяется редко). Форма вольт.амперных характеристик ФЭ, уровень его максимальной освещенности и напряжение питания позволяют решить вопрос о выборе нагрузки. Тоагка пересечения нагрузочной прямой с вольт-амперной характеристикой при максимальной необходимой регистрируемой освещенности должна лежать в области насьпцения фототока (в этом случае небо.гьшне колебания напряжения питания не влияют на выходной сигнал )е, а с(14,'с) Рр =- О).
При этом также желательно иметь максимальную вольтовую чувствительность 5ю В случае работы в режиме насыщения д!Ф/дР, = О, 5„= .--. Йа5,, где 5г — токовая чувствительность ФЭ, А/лм или Л/Вгг Следовательно, для обеспечения 5„,„необходимо брать оставляя точку пеоесечения прямой нагрузки с вольт-амперной хавактеристикой в области насыщения фототока (1И и = 11)га„), что обеспечивается при аа ар )гнаааа~~ 1 +1 — 1 1 а Ф где 1„— темновой ток фотоэлемента; 1ф — фототок; Ф„,„— максимальный регистрируемый поток излучения, лм или Вт. Определим 5р,,„и постоянную времени схемной релаксации тр для ФЗ ЦВ-!, имеющего 1, = 10 ' А, Р, = 100 В, 5, = = 20 мкЛ(лм, Фа„„= 0„4 лм, межэлектродную емкость 50 пФ.
Подставив в уравнение (5.1) значения величин, получим 100 )аа 'а цг а+ 20 1О а.О 4 — 12 мОм; 150 5иаааа = Йнаааа5г =- 240 В/лм; тр -— — Й„~,„С =- 1,2 1О' 50 10-" = Повышение Я„увеличивает 5г и тр, что не всегда допустимо. Выбор )г'„) 12 мОм приведет к нелинейности выходного сигнала, так как 1~фа будет ниже потенциала насыщения )Грэа„. Фотоэлементам присущи радиационный, дробовый шум, шум мерцания (фликкер-эффект) и другие. Кроме того, на вход реги.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
