электровакуум.приборы (1084498), страница 29
Текст из файла (страница 29)
е. Фпа ъl! ш Отсюда Фа 'ч' гш)~ (11.17) На практике для сравнения различных фотоприемников пороговьй поток приводят к единичной полосе частот (ДГ = 1 Гц) Ф„! — — Ф„ /ьЯ~. Приведенный пороговый поток излучения измеряется в Вт ° Гц а приведенный пороговый световой поток — лм ° Гц ')2. Монохроматический пороговьй поток Фгь не зависит от источника излучения, а пороговые потоки Фе„и Ф„„, как и интегральная чувствительность, связаны с конкретными излучателями.
Пороговые потоки злектровакуумных фотоэлектронных приборов измеряются и нормируются по излучению источника типа А. Пороговый поток фотоприемника от произвольного реального источника Фе„,р с заданным спектром излучения можно определить по известному значению порогового потока от эталонного источника Фэа э с помощью формулы Феп,р = Фея,э)(э/)ГР которую получаем из (11 14), разделив обе части на ьl Р . Контрольные вопросы и задания 1.
Как связаны между собой сложный поток излучения и его спект. ральная плотность? 144 '!2. Что такое световой поток? Какая количественная связь между свцтовым потоком и потоком излучения? 4. Дайте определение спектральной и интегральной чувствительности.
(э С какой целью при измерении ряда параметров фотоэлектронных прицоров используют эталонные источники? 5!~Какой физический смысл имеют понятия: эффективный для фотоэлек?ровного прибора поток излучения, коэффициент использования потоэ1а излучения н КПД глаза? 6. то такое световая чувствительность электровакуумного фотоэлект нного прибора? 7.
Ч?о такое темновой ток и какова его природа в злектровакуумных фотоэлектронных приборах? 8. 3фкова природа шумов в электровакуумных фотоэлектронных при борф? 9. Чтб такое пороговый поток фотоэлектронного прибора и от чего он зависцт? Главадвенадцатая ФОТО1САТОД(э! 12.1. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ФОТОКАТОДОВ Принц~в действия электровакуумных фотоэлектронных приборов основан ца фотоэлектронной эмиссии, основные законы которой были рассмотрены в з 2.4.
Источником электронов в этих приборах является электрод, называемый фотокатодом. Важным параметром фотозмиссионных материалов, иэ которых изготовляются фотокатоды, является работа выхода электрона из твердого тела при взаимодействии с фотоном. Фотоэлектронной работой выхода (поРогом фотоэффекта) й Ре наэьваетса энеРгиЯ, котоРУю нужно сообшить электрону, находящемуся на наивысшем энергетическом уровне при Т = 0 К, дпя того, чтобы он мог выйти в вакуум. Не каждьй фотон, даже обладающий энергией, большей йие, вызывает вылет электрона из фотокатода.
Некоторые фотоны, взаимодействуя с электронами, находящимися на низких энергетических уровнях, вызовут переход электронов на более высокие уровни, но расположенные ниже уровня вакуума. Вместе с тем часть оптически возбужденных электронов, обладающих в результате взаимодействия с фотонами энергией, достаточной для выхода, двигаясь к поверхности, теряет часть этой энергии при различных взаимодействиях в твердом теле. Эффективность использования материала в качестве фотокатода характеризуется квантовым выходом или квантовой эффективностью У. Квантовый выход равен отношению числа эмиттированных электронов пк числу квантов света — фотонов А! (см.
э 2.4), !45 Квантовый выход связан со спектральной чувствительностью катода соотношением 1 ле е ~е)(= — = — = — у. ф й (тьр ар Коэффициент пропорциональности между спектральной чувств ельностью и квантовым выходом зависит от частоты падающего п тока излучения. Уход эмиттированных электронов из фотокатода должен компенсироваться притоком электронов от источника питания прибора, в~этому необходимо, чтобы материал фотокатода обладал проводит(остью.
Этому условию удовлетворяют металлы н полупроводники. Металлические фотокатоды имеют значительный козффнцие т отражения и большую фотоэлектронную работу выхода, нх порог вая частота ио соответствует излучению УФ области спектра. Зна тельная часть возбужденных фотонами электронов теряет приобретенн ю энергию при движении к поверхности. Квантовый выход метал ическнх фотокатодов в ближней УФобласти спектра не превышает 0,01,,поэтому онн имеют малое практическое применение. Ш ирокое распространение получили полупроводниковые фотокатоды, характеризующиеся значительно меньшим коэффициентом отражения, чем металлы, сравнительно малым значением работа~ выхода, вследствие чего их порог фотоэффекта лежит в видимой н' ближней ИКюбластях спектра. В полупроводниках потери энергии оптически возбужденными электронами при движении к поверхности существенно ниже, чем в металлах.
Квантовый выход полупроводниковых фотокатодов может приближаться к теоретическому пределу. На рис. 12.1 представлены энергетические диаграммы собственного, электронного и дырочного полупроводников. Независимо от типа проводимости фотоэлектронная работа выхода полупроводников с малой концентрацией примеси равна сумме ширины запрещенной зоны и энергии электронного сродства Й~ср, которая равна интервалу энергий между уровнем вакуума Й'е н дном эоны проводимости Й е йре ~Йд+ Йср. (12.1) Вероятность фотоэмиссии электронов с примесных уровней ничтожно мала в связи с малой концентрацией атомов примеси по сравнению с концентрацией электронов в валентной зоне.
Т ермоэлектронная работа выхода еыо в полупроводниках зависит от типа проводимости. Наибольшего значения она достигает у полупроводников с дырочным типом проводимости. Термоэлектронная работа выхода определяет значение тока термоэлектронной эмиссии материала (см. з 2.2).
Этот ток является компонентой темпового тока фотокатода, от которого зависит пороговый поток фотоэлектронного прибора. 146 Рис. 12.1. Энергетические лиараммы собственного ((), слаболегировеииых элект- ронного (л) и иырочиого (р) полупроводников лри т = О К Лырочныр полупроводники, применяемые для большинства фотокатодов, имеют меньшее значение тока термозлектронной эмиссии, чем собственные Н электронные полупроводники. К важным параметрам фотокатодов относится интегральная чувствительность, в частности световая чувствительность. Основной характеристикой, определяющей назначение фотокатода, является спектральная характеристика. К эксплуатационным параметрам фотокатодов относятся нестабильность чувствительности во времени (утомление) н нестабильность при хранении (старение).
12.2. ТИПЫ ФОТОКАТОДОВ Фотокатод электровакуумного фотоэлектронного прибора представляет собой тонкую пленку полупроводникового материала, нанесенную на часть внутренней поверхности прозрачного баллона прибора либо на металлическую пластину, являющуюся подложкой для фоточувствительного слоя. Фотокатоды бывают двух типов: массивные н иолуя(юзрлчные. Массивные фотокатоды имеют толщину не более десятых долей микрона. Поток излучения попадает на фотокатод со стороны эмнттирующей поверхности, обращенной в вакуум баллона (фронтальное освещение) . Полупрозрачные фотокатоды толщиной 20 — 30 нм облучаются со стороны стекла (тьвювое освещение).
Поток излучения попадает на 147 Рис. 12.4. Ход лучей а коническом элементе рельефной под- по1пки фотокатода ! Рис. 12.2. Фотокатод на зеркальной подложке: 1 — фоточУвствительный спой; 2 — зеркальная подножка; 3 — стекло Г~стпона Рис. 12.3. Пример использования явления полного внутреннего отражения Р фоток атодс: 1 — призма; 2 — оптическое окно баппона1 3 — фотокатод одну сторону тонкой пленки фотокатода, а эмиссия пронсходьгт 4 другой стороны в вакуум. Полупрозрачные фотокатодьг находят в форозлектронньпс приборах более широкое применение, чем массивные. Одним из основных требований, предъявляемых к фотокатодам, является максимальное поглощение излучения на таком расстоянии от эмиттирующей поверхности, при котором значительная часть возбужденных фотонами электронов может достигнуть поверхности, сохранив энергию, достаточную для выхода в вакуум.
Поэтому чувствительность полупрозрачных фотокатодов зависит от их толщины, Малая толщина фотокатода позволяет значительной части падающего потока излучения проходить насквозь. При слишком большой толщине поглощение фотонов будет происходить вблизи стеклянной подложки фоточувствитель. ного слоя и значительная часть возбужденных электронов может потерять энергию, приобретенную при взаимодействии с фотонами, не до. стигнув поверхности. Для каждого типа полупрозрачных фотокатодов существует оптимальная толщина, при которой квантовый выход будет иметь максимальное значение. Существует много способов повышения чувствительности фотока.
толов. Оптические способы заключаются в повышении эффективности поглощения излучения в фоточувствительном слое, т. е. увеличении чувствительности за счет более полного использования падающего потока излучения. Одним из таких способов является использование в массивньгх фотокатодах зеркальной отражающей излучение подложки 1рис. 12.2). Толщина чувствительного слоя в этом случае приблизительно в 2 раза меньше обычной. Поток излучения, прошедший через фотокатод, отражается от зеркальной подложки,и проходит еще раз чувствительный слой.
Таким образом, получается, что процесс поглощения происходит в слое двойной толщины по отношению к реаль- 148 ному, а процессы взаимодействия фотонов с электронами переносятся ближе к эмиттирующей поверхности. Эффективным способом повышения чувствительности полупрозрачных фотокатодов является использование явления полного внутреннего отражения потока излучения от границ раздела фотокатод— вакуум и стекло — воздух. Узкий параллельный пучок света вводится через Призму, оптически согласованную с материалом стекла, под углом, превышающим угол полного внутреннего отражения 1рис. 12.3). На границе фотокатод — вакуум луч полностью отражается и проходит второй раз через слой фотокатода. Условия полного внутреннего отражения должны обеспечиваться также на границе стекло — воздух, тогда луч будет многократно отражаться в слое фотокатода до полного поглощения.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
