электровакуум.приборы (1084498), страница 32
Текст из файла (страница 32)
Импульсные токи фотоэлемента могут достигать десятков ампер, а напряжение между электродами — нескольких киловольт. Такие приборы находят широкое применение в лазерной технике, ядерной физике, нелинейной оптике и в импульсной фотометрии. Массивные фотокатоды сильноточных фотоэлементов наносятся на металлические пластины. Конструируются импульсные фотоэлементы Рис. 13.3. Устройство некоторых типов импУльсных сильноточных фотоэлементов: 1 — анод; 2 — фотокатод 156 13.2.
ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПАРАМЕТРЫ ФОТОЭЛЕМЕНТОВ Спектральные характеристики фотоэлементов бьши рассмотрены в й 12.3. В паспорте прибора обычно указывается номер типовой характеристики относительной спектральной чувствительности и абсолютное значение максимальной спектральной чувствительности. Вольт-амперные характеристики фотоэлементов. При освещении фотокаюда эмиттируемые электроны образуют в пространстве между электролами объемный заряд. Когда напряжение анода мало, потенциал пространства около катода отрицательный, т. е.
имеет место режим объемного заряда фотоэлемента. Для плоскопараллельной и цилиндрической системы электродов анодный ток фотоэлемента имеет зависимость от анодного напряжения, близкую к закону степени трех вторых. Анодный ток в фотоэлементе, как и в вакуумном диоде, появляется при небольшом отрицательном напряжении на аноде. Это объясняется наличием начальной кинетической энергии у ряда фотоэлектронов, позволяющей им преодолевать тормозящее поле анода. Когда напряжение анода достигает определенного значения, анодный ток становится равным току фотоэмиссии и его рост почти прекращается. Напряжение насыщения зависит от конструкции фотоэлемента, типа фотокатода и от значения падающего потока излучения. Дальнейшее повышение напряжения приводит к очень слабому возрастанию фототока эа счет эффекта Шоттки и улучшения сбора электронов на анод.
В фотоэлементах с полупрозрачным фотокатодом, имеющим большое продольное сопротивление (без проводящей подложки), при работе в импульсном режиме с большими потоками излучения насыщения фототока не происходит. Это связано с вторичной эмиссией электронов с удаленных от катодного ввода участков фото- катода, которые при протекании тока вдоль слоя приобретают положительный потенциал. Разность потенциалов между участками фото- катода может достигать значения, при котором коэффициент вторичной эмиссии будет больше единицы. На рис. 13.4,а приведено семейство вольт-амперных характеристик фотоэлемента с массивным фотокатодом, а на рис. 13.4, б — фотоэлемента с высоким продольным сопротивлением фотокатода.
Световые характеристики фотоэлементов, работающих в режиме насыщения, в соответствии с законом Столетова линейны. При боль- 157 1д,мкА г., гбб б Е„О а И ба 1ОО и„п таб 3бб ЗОО 0В п) 3/ Рис. 13.4. Семейство вольт-ампериых характеристик фотозлемеитов: а — фотоэлемента с массивиым фотокмодом типа С11В1 б — фотоэлемента с полупрозрачным фотокатодом, облапавпюм высоким продольным сопротивле- нием шнх потоках излучения световая характеристика отклоняется от прямой, что объясняется образованием обьемного заряда или утомлением фотокатода.
За предел линейности световой характеристики принимается значение анодного тока, при котором отклонение от прямой пропорциональности фототока падающему потоку излучения не превышает заданного значения. У фотоэлементов, работающих в непрерывном режиме, предел линейности не превышает 10 4 А, В импульсном режиме облучения при высоких напряжениях анода это значение доходит до десятков ампер. По аналогии с электронными лампами по семейству вольтимперных и световых характеристик фотоэлемента можно определить чувствительность и внутреннее сопротивление Я.
прибора соответственно 1 как тангенс угла наклона световой характеристики и котангенс угла наклона волы-амперной характеристики к оси абсцисс. Сопротивление нагрузки может включаться в цепь анода или фото- катода. При заданной ЭДС источника питания сопротивление нагрузки выбирается таким, побы рабочаи точка А лежала в пределах области насьпцения вольт-амперных характеристик (рис. 13.5).
В этом случае рабочая световая характеристика фотоэлемента с нагрузкой будет совпадать со статической, т. е. оставаться линейной в пределах измеряемых потоков. Чувствительность по напряжению (вольтовая чувствительность) фотоэлемента с нагрузкой, работающего в режиме насыщения при Й )> Ал, равна Частотная характеристика. Частотные свойства фотоэлемента определяются временем пролета электронов от фотокатода к аноду и временем перезарядки паразитной междуэлектродной емкости через сопро- 158 Рис. ! 3.5. Связь между вольт-змпериыми и световыми характеристиками фотоэле- мента тивление нагрузки (временем схемной релаксации).
Время пролета электронов зависит от расстояния между электродами и от напряжения анода. В импульсньзх сильноточных фотоэлементах с малыми междуэлектродными расстояниями и высокими анодными напряжениями время пролета не превышает 10' ' — 10' с. В других фотоэлементах оно составляет 10 з — 10 с. Если частотные свойства определяются переходными процессами в цепи междуэлектродная емкость — сопротивление нагрузки, то граничная частота прибора /', при которой чувствительность уменьшается гр' в з/ 2 раз, находится из известного соотношения — 1/(2иС, кАв).
(13.1) Сопротивление нагрузки импульсных снльноточных фотоэлементов составляет несколько десятков ом, а междузлектродная емкость— единицы пикофарад, поэтому граничная частота таких приборов доходит до 10з Гц. Емкость анод — катод фотоэлементов первой и второй групп составляет несколько десятков пикофарад, и их граничная частота в основном зависит от сопротивления нагрузки. временное разрешение фотоэлемента определяет минимальный временной интервал между двумя очень короткими импульсами, при котором они могут быть раздельно зарегистрированы. Искажение формы импульсов тока на аноде фотоэлементов вызывается как переходными процессами в цепи междуэлектродная емкость — сопротивление нагрузки, так и разбросом времени пролета электронов от фотокатода к аноду.
На практике используют значения временного разрешения, определяемые временем нарастания фронта анодного тока при подаче на фотокатод ступеньки потока излучения, или минимальной длительностью выходного импульса тока по уровню 0,1 (иногда 0,5) максимального (рис. 13.6) . 159 с/1 1О 0,9 7,0 О,! Рис. 13.6. Характер изменения фототока при работе прибора и импульсном режиме: а — перехолпаа характеристика; б — импульсная характеристика Стабильность чувствительности фотоэлементов.
Прн 'подаче на фотоэлемент, включенный в цепь источника питания, потока излучения происходит изменение его чувствительности (как правило, спад) . Через некоторое время значение чувствительности стабилизируется и может полностью или частично восстановиться после выключения источника излучения или источника питания прибора. Нестабильность чувствительности во времени, называемая утомлением, зависит от типа фотокатода, технологии изготовления фотоэлемента и режима его работы. Необратимое изменение чувствительности при хранении фотоэлементов, называемое старением, связано с изменением свойств фоточувствительного слоя.
Характер старения, как и процесса утомления, определяется типом фотокатода, технологией изготовления фотоэлемента, состоянием вакуума в баллоне. Темновой ток фотоэлемента имеет два основных компонента: ток термоэлектронной эмиссии фотокатода и ток утечки между электродами. Ток автоэлектронной эмиссии фотокатода может иметь сравнимое с названными компонентами значение при напряжениях анода около нескольких киловольт.
При столь высоких напряжениях работают только сильноточные фотоэлементы, для которых уровень темпового тока не имеет существенного значения. Ток термоэмиссии фотокатода, занимающего у фотоэлемента большую площадь, при комнатной температуре достигает значений 11Г' '— 1(Г'о А. В связи с тем, что эта компонента определяется типом фото- катода и технологией его получения, уменьшение термотока возможно только путем снижения температуры или уменьшения размеров фото катода.
160 Рис. 13Л. Схемы включения фетозлемеита с охрелпым кольцом Ток утечки по наружной и внутренней сторонам стекла колбы, а также по цоколю при рабочих напряжениях 200 — 300 В имеет значение в пределах 10' — 10 т А. Зля повышения сопротивления изоляции при конструировании фотоэлементов увеличивают расстояние между вводами, а на наружную поверхность баллона наносят влагостойкое покрьпие. В конструкции фотоэлементов, предназначенных для измерения очень малых потоков, предусмотрено охранное кольцо, вваренное в баллон между выводами фотокатода и анода.
Этот электрод соединяют с отрицательным нли положительным полюсом источника питания в зависимости от того, в катодную или анодную цепь фотоэлемента включен измерительный прибор или сопротивление нагрузки (рис. 13.7). Благодаря охранному кольцу ток утечки не протекает через измерительный прибор. Эффективным способом снижения темповых токов является использование балансных (мостовых) схем включения фотоэлемента. На рис. 13.8 показана схема балансного электрометрического катодного повторителя с фотоэлементом во входной цепи. Напряжение от протекания темпового тока через резистор тсз на входе левой лампы компенсируется на выходе таким же напряжением, которое возникает от протекания тока затемненного фотоэлемента через резистор 1тз на входе правой лампы. Изменение влажности и температуры окружающей среды вызывает одинаковое изменение темповых токов в двух плечах балансной схемы, поэтому измерительный прибор не реагирует на эти изменения.
При отсутствии измеряемого потока потенциометром Йб производится начальная установка измерительного прибора на нуль. Для вьщеления полезного сигнала из темпового тока иногда применяется модуляция измеряемого потока излучения с помощью оптического затвора, например вращающегося диска с прорезями. Модулированный с некоторой частотой ток сигнала легко выделяется путем фильтрации из медленно меняющегося темпового тока. При необходимости сигнал после фильтра может быть восстановлен в первоначальный вид с помощью детектирования. Пороговый поток фотоэлемента, включенного во входную цепь усилительного каскада, определяется чувствительностью фотоэлемента к потоку данного спектрального состава и суммарным шумовым током 6-6353 161 Рис.
13.8. Схема балвнсного элсктромстричсского катодного повторителя с фото-' элементом во входной цепи во входной цепи усилителя. Очень слабый фототок обычно ие поддается прямым измерениям, и требуется его предварительное усиление. Для этого в цепь фотоэлемента включается высокоомиый резистор, напряжение сигнала с которого поступает иа усилитель с высоким входным сопротивлением. Средпеквадратическое значение суммарного шумового иапряжеиия иа входе усилителя с фотоэлементом равно сумме средиеквадратических значений отдельных независимых составляющих 2 2 2 2 дш пщ,др + пщ,ф + и~11 -г где 'д др иш ф и й и — соответственно средиеквадратические зиачеиия дробового шума, фликкер-шума и теплового шума, вносимого уси. лителем.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
