Источники и приёмники Излучения (1059978), страница 34
Текст из файла (страница 34)
стрирующего устройства поступают тепловые шумы нагруаочного резистора Шум мерцания присущ только ПИ на основе использования внешнего фотоэффекта и возникает ои из-за непостоянства чувствительности фотокатода во времени, происходящей вследствие диффузионных процессов в фотокатоде. Процесс диффузии атомов щелочных металлов (приводящий к разной работе выхода фото- электронов в разных точках) протекает медгепно, поэтому шум мерцания имест зависимость 1/)' модуляции и сказывается только на низких частотах О'-~ 100 Гц), где он может превосходить дро. бовый шум на порядок.
Шум мерцания измеряют экспериментально. Пороговый поток Ф ФЗ определяют через его интегральную чувствительность 5, и суммарное значение шумов )ш. Фотоэлементы типа СЦВ-4 и Ф-8 с массивными непрозрачными фотокатодами на металлической подложке, освещаемые с фронтальной стороны, широко используются в качестве приемников сфокусированных потоков излучения, постоянных или модулированных по амплитуде в звуковом диапазоне частот. Фотоэлементы с полупрозрачным фотокатодом, нанесенным на внутреннюю поверхность цилиндрической (Ф-10) или шаровой (Ф-З, Ф-б, Ф-8 и Ф-27) колбы, освещаемые с тыльной стороны, с центральным расположением анода используются в физических исследованиях для регистрации несфокусированных потоков излучения. В этом случае устраняется экранирующее действие анода.
В измерительных ФЭ (Ф-1, Ф-б, Ф-4, Ф-9, Ф-10) для точных фото- метрических измерений слабых или медленно изменяющихся по значению потоков излучения принимаются специальные меры для уменьшения токов. утечки между выводами и вводится охранное кольцо. Для регистрации наносекундных импульсов лазеров разработаны специальные быстродействующие сильноточные фотоэлементы типа Ф-22, ФЭК-09 (см. рис. 5.1, а) и другие. У подобных ФЭ расстояние между анодом и катодом мало, а прикладываемое напряжение между ними 2 — 5 кВ, что обеспечивает малое время пролета (и малый его разброс) фотоэлектронов, а следовательно, малую постоянную времени ПИ. Подобные ПИ имеют коаксиальный выход, малую межэлектродную емкость и низкую идуктивчость выводов и позволяют регистрировать сигнал без усилительного тракта непосредственно 151 о м х Я я и 'в Ю « в о о «« н ь э, о х а быстродействующим осциллографом, так как фототок в импульсе может достигать нескольких ампер.
Фотоэлектронные умножители. Фотоэлектронным умножителем (ФЭУ) называют электровакуумный прибор, преобразующий энергию оптического излучения в электрические сигналы и содержащий фотокатод, вторично-электронный умножитель и анод [8, 10, 85!. Конструктивно от вакуумного фотоэлемента ФЭУ отличается тем, что кроме фотокатода и анода содержит еще фокусирующую электронно-оптическую систему, диафрагму и дополнительные электроды (диноды), являющиеся эмиттерами вторичных электронов (рис.
5.3, а). При освещении фотокатод ! эмиттирует первичные фотоэлектроны, которые ускоряются электрическим полем и фокусируются электронно-оптической системой 2 на первый динод Э„ вызывая его увеличенную вторичную электронную эмиссию. Вторичные электроны, вылетевшие из первого динода, ускоряются электрическим полем и направляются на второй динод Э», увеличенный поток электронов со второго динода направляются на третий и т. д. Электрическое поле, ускоряющее электроны, создается делителем постоянного напряжения, обеспечивающим больший положительный потенциал каждого последующего каскада относительно предыдущего й! — Й!!.
Фотокатоды ФЭУ аналогичны фотокатодам ФЭ и могут работать «на просвет» и «на отражение». При работе «на просвет» полупрозрачный фотокатод наносится на плоское выходное окно колбы в виде круга диаметром 1Π— 50 мм (делают до 250 мм). При работе <на отражение» входное окно часто располагают на боковой стенке колбы, а излучение попадает на фотокатод со стороны вакуума.
Пространство, образуемое поверхностями фотокатода ! и первого динода Э, с расположенными между ними электродами, называют катодной (входной) камерой ФЭУ. Форма и распределение электрического потенциала на поверхности фотокатода фокусирующего электрода 2 и диафрагмы 3 должны обеспечить максимальный сбор фотоэлектронов на первый динод за счет использования законов движения электронов в электрическом поле.
Качество электронно-оптической системы катодной камеры определяется коэффициентом сбора электронов у„(отношением числа фотоэлектронов, достигших первого динода, к общему числу эмиттированных фотокатодом электронов а„). Коэффициент сбора электронов у современных ФЭУ близок к единице. Первичные фотоэлектроны, попадая на первый динод, взаимодействуют с электронами его вещества и возбуждают их до более высоких энергетических состояний.
Часть электронов перемещается к границе динода с вакуумом. Электроды, которые достигают поверхности с энергией, превышающей поверхностный 1вз потенциальный барьер„переходят в вакуум и ускоряются электрическим полем в направлении ко второму диноду. Время вторичной электронной эмиссии меньше чем 10" с. Вторичная электронная эмиссия характеризуется коэффициентом вторичной эмиссии о =- п„1п„.у,,, где и — среднее число эмиттируемых динодом электронов; п„у„. — число первичных электронов, падающих на поверхность дннода. Коэффициент вторичной электронной эмиссии динода зависит от энергии первичных электронов, от материала дннода и состояния его поверхности.
Энергия первичных электронов в диапазоне !00--1800 эВ дает максимальное значение коэффициента вторичной эмиссии. В качестве материалов вторично-эмиссионных динодов применяют БЬСз, и окисленные сплавы СнВе, А1Мя, АнМя, СнМд, бар(Сз) и т. д. Форму и расположение динодов выбирают из условий максимального сбора электронов, эмнттированных предыдущим динодом, одинакового времени пролета электронов от фотокатода до анода (траектории электронов должны быть изохронными, чтобы обеспечить малую постоянную времени), отсутствия объемного заряда, приводящего к нелинейности световой характеристики.
Часть электронов из-за несовершенства системы расчеивается н попадает на стенки баллона и на нерабочие участки динодов, что учитывается коэффициентом эффективности диподного каскада у; (отиошением числа электронов, попавших на ! + 1-й дииод, к числу электронов, вышедших из 1-го динода). Современные ФЭУ имеют коэффициент эффективности каскада 0,7 — 0,95. Число электронов, собираемых на анод, и = пиу„П о;у; = — п„у„М, Г=-1 где т — число каскадов; М вЂ” коэффициент усиления ФЭУ.
Если о,=о,= . =о, а у„=-у;=1, то М=о или 1, = !„о~, где (, — анодныи ток ФЭУ; 7„— ток эмиссии фото- катода. Для серийных ФЭУ при среднем коэффициенте вторичной эмиссии о = 4 и числе каскадов !2 коэффициент усиления ФЭУ достигает 10', чего достаточно для регистрации сигнала на выходе от одного упавшего на фотокатод кванта (выбившего один фото- электрон). В последние годы широко применяют жалюзийные н канальные ФЭУ, отличающиеся от обычных ФЭУ построением динодной системы.
)Калюзийная динодная система (рис. 5.3, е) состоит из наклонных полосок и прозрачной сетки, находящейся под тем же потенциалом. Сетка экранирует жалюзи, обеспечивает попадание вто- !54 рнчных электронов на лопасти следующего динода. Эффективность жалюзийного динода невелика (88%), однако подобные системы имеют н некоторые преимущества, обеспечивая широкий диапазон линейности световой характеристики, высокую стабильность анодного тока, относительную нечувствительность к небольшим изменениям ыежкаскадных напряжений, стабильность анод- ного тока при наличии магнитных полей, большую площадь динода, позволяющую работать при повышенных токовых нагрузках Б жалюзийных ФЭУ между катодной камерон и динодной системой помещается кольцевой электрод-модулятор, позволяющий изменять анодную чувствительность ФЭУ в широких пределах н осуществлять внутреннюю модуляцию сигнала.
Большие возможности для миниатюризации ФЭУ представляются при использовании непрерывного дннода с распределенным сопротивлением. Б простейшем случае такой динод представляет собой трубку (канал) (рис. 5.3, в — д), изготовленную, например, из специального стекла, на поверхности которого в результате термообработки в водороде образуется слой, обладающий необходимыми значениями электросопротивления и коэффициента вторичной электронной эмиссии (1т .== 10' —:10' Ом; о =- 3 —:3,5 при Е =- 300 эВ).
При подаче высокого напряжения на концы канала через проводящие контакты по его поверхностному слою течет ток, создающий падение напряжения вдоль канала. Вторичный электрон, выбитый из внутренней стенки канала, под действием электростатического поля ускоряется н ударяется о стенку канала в точке с более высоким потенциалом. Усиление в канале зависиг от отношения его диаметра к длине (калибра), напряжения на его концах и вторично-эмиссионных свойств рабочей поверхности Оптимальное значение калибра канала 50 — !00, при этом можно получить усиление 10' — 10' при напряжении около 2,5 кВ. Простейшая (прямая) форма канала не позволяет получить больших усилений в ФЭУ из-за увеличения шумов, обусловленных оптической и ионной обратной связью с анода на фотокатод (прямое видение).
Чтобы устранить этот недостаток, каналу можно придать форму спирали. В последнем случае (спиральтрон) систему из нескольких соединенных вместе параллельных каналов (например, четырех) закручивают при ее изготовлении вокруг оси (рис. 5.3, г). Недостаток прямых и изогнутых каналов — низкая эффективность эквивалентного каскада умножения, объясняющаяся тем, что часть вторичных электронов не участвует в дальнейшем процессе умножения.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
