И.П. Жеребцов - Основы электроники (1115520), страница 97
Текст из файла (страница 97)
Кривая 1 Рис. 22.1. Спектральные характеристики фо- токатола соответствует нормальному фотоэффекгну, который наблюдается у толстых катодов из чистых металлов, а кривая 2 получается при селе«твеном (избирательном) фотоэффекве, который характерен для тонких катодов из особо обработанных щелочных металлов. Следует отметить, что чувствительность с течением времени постепенно уменьшается, т.
е. наблюдается явление «усталости», или «утомления», фотокатода. 22.2. ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫЕ ФОТОЭЛЕМЕНТЫ Электровакуулвный (электронный или ионный) фотоэлемент представляет собой диод, у которого на внутреннюю поверхность стеклянного баллона нанесен фотокатод в виде тонкого слоя вещества, эмитирующего фото- электроны. Анодом обычно является металлическое кольцо, не мешающее попаданию света на фотокатод. В электронных фотоэлементах создан высокий вакуум, а в ионных находится инертный газ, например аргон, под давлением в несколько сотен паскалей (несколько миллиметров ртутного столба). Катоды обычно применяются сурьмяно-цезиевые или серебряно-кислородно-цезиевые.
Свойства и особенности фотоэлементов отображаются их характеристиками, Анодные (аольноамнерные) характеристики электронного фотоэлемента 1« = ) (иь) Прн Ф = СОПЭ1, ИЗОбражЕННЫЕ на рнс. 22.2,а, показывают резко выраженный режим насыщения. У ионных фотоэлементов (рис. 22.2, б) такие характеристики сначала идут почти так же, хак у электронных фотоэлементов, но при дальнейшем увеличении анодного напряжения вследствие ионизации газа ток значительно возрастает, что оценивается коэффициентом гиэового усиления, который может быть равным от 5 до 12, Энергеньические хоракныристики электронного и ионного фотоэлемента, дающие зависимость 14 = )'(Ф) при (1» = сопэг, показаны на рис. 22.3.
Чостотные хорикоыристики чувсговиьнелуности дают зависимость чувствительности от частоты модуляции светового потока. Из рис. 22.4 видно, что электронные фотоэлементы (линия 1) малоинерционны. Они могут работать на частотах в сотни мегагерц, а ионные фотоэлементы (кривая 2) проявляют значительную инерционность, и чувствительность их снижается уже на частотах в единицы килогерц. 305 а) млх ВО В) млЯ ВО 50 40 ВО О 1ОО гОО В о 100 гоа В Рис. 22.2.
Анолные характеристики электронного (а) и ионного (б) фотоэлемента илам Во 50 40 10 0 Ог 04 ОВ((8 10 12 14лм ОВ О,В 0,4 Ог О 10 10'10' 10' 10' 10')ц Рис. 22лк Энергетические характеристики электронного (1) и ионного (2) фотоэлемента Рнс. 22.4. Частотные характеристики элек- тронного (1) н ионного (2) фотбэлемента Основные электрические параметры фотоэлементов — чувствительность, максимальное допустимое анодное напряжение и темновой ток.
У электронных фотоэлементов чувствительность достигает десятков, а у ионных фотоэлементов — сотен микроампер на люмен. Темновой ток представляет собой ток при отсутствии облучения. Он объ- ясняется термозлектронной эмиссией катода и токами утечки между электродами.
При комнатной температуре ток термозмиссии может достигать 10 'с А, а токи утечки — 10. А. В специальных конструкциях фотоэлементов удается значительно снизить токи утечки, а ток термозмиссии можно уменьшить лишь охлаждением катода до очень низких температур. Наличие темпового тока ограничивает применение фотоэлементов для очень слабых световых сигналов. Фотоэлемент обычно включен последовательно с нагрузочным резистором Я„ (рис. 22.5). Так как фототоки очень малы, то сопротивление фотоэлемента постоянному току весьма велико и составляет единицы или даже десятки мегаом.
Сопротивление нагрузочного резистора желательно также большое. С него снимается напряжение, получаемое от светового сигнала. Это напряжение подается на вход усилителя, входная емкость которого шунтирует резистор Я„. Чем больше сопротивление л„ и чем выше частота, тем сильнее зто шунтирующее действие и тем меньше напряжение сигнала иа резисторе Я„. Рис. 22.5. Схема включения фотоэлемента Злектровакуумные фотоэлементы нашли применение в различных устройствах автоматики, в аппаратуре звукового кино, в приборах для физических исследований. Но их недостатки — невозможность микроминиатюризации и довольно высокие анодные напряжения (десятки и сотни вольт) — привели к тому, что в настоящее время эти фотоэлементы во многих видах аппаратуры заменены полупроводниковыми приемниками излучения.
22.3. ФОТОЭЛЕКТРОННЫЕ УМНОЖИТЕЛИ Фотоэлектронный умножнтель (ФЗУ) представляет собой злектровакуумный прибор, в котором электронный фотоэлемент дополнен устройством для усиления фототока за счет вторичной электронной эмиссии. Впервые в мире ФЗУ были изобретены советским инженером Л. А. Кубецким в 1930 г. В дальнейшем ряд удачных конструкций ФЭУ создали П. В. Тимофеев и С. А. Векшинский. Принцип работы ФЭУ иллюстрирован на рис. 22.6. Световой поток Ф вызывает электронную эмиссию из фото- катода ФК. Фотоэлектроны под действием ускоряющего электрического поля направляются на электрод Д„называемый динодом. Он является анодом по отношению к фотокатоду и одновременно играет роль вторично-электронного змиттера.
Динод делается из металла с достаточно сильной и устойчивой вторичной электронной эмиссией. Поэтому первичные электроны (ток 1ь), идущие с фотокатода, выбивают из динода Д, вторичные электроны, число +1000 +У00В +2003 +ь008 Рнс. 22.6. Принцип устройства и работы ФЭУ которых в и раз больше числа первичных электронов (и — коэффициент вторичной эмиссии динода Д„, обычно равный нескольким единицам). Таким образом, ток вторичных электронов с первого динода 1з — — гг1е.
Ток 1, направляется на второй динод Дз, имеющий более высокий положительный потенциал. Тогда от динода Дз за счет вторичной эмиссии начинается ток электронов 1„который в сз раз больше тока 1з (для упрощения будем считать, что у всех динодов коэффициент вторичной эмиссии один и тот же), т. е. 1з = п1, = а~11„В свою очередь, ток 1з направляется на третий диной Дз у которого положительный потенциал еще выше, и от этого динода течет ток электронов 1з = О1з = и 1ф, и т. д. з С последнего, н-го, динодд Д„ электронный ток 1„ направляется на анод А, и тогда ток анода 1, = 1„ = о'1ь.
Таким образом, коэффициент усиления тока й, = о". Например, если сз = 10 и н = 8, то й, = 10з. Практически усиление меньше, так как не удается все вторичные электроны, выбитые из данного динода, направить на следующий динод. Чтобы большее число вторичных электронов было использовано, разработаны ФЭУ с различной формой и различным взаимным расположением электродов. Для фокусировки потоха вторичных электронов применяют, как правило, электрическое поле, поскольку фокусировка магнитным полем требует громоздких магнитных систем. Простейший однокаскадный ФЭУ имеет фотокатод, динод и анод. У многокаскадных ФЭУ может быть коэффициент усиления тока до нескольких миллионов, а интегральная чувствительность достигает десятков ампер на люмен.
Как правило, ФЭУ работают при малых анодных токах и малых световых потоках. Ток анода обычно бывает не более десятков миллиампер, а световые потоки на входе могут быть 10 з лм и менее. Поскольку на каждом следующем диноде напряжение выше, чем на предыдущем, то анодное напряжение должно быть высоким (1 — 2 кВ), что является недостатком ФЭУ. Обычно питание ФЭУ 307 4ян Ех 10' 10 10' 10 я» 02 10 — Еа + Рис. 22.7. Схема включения ФЭУ 10 10' 0 ОД 40 1Д 2,0я0 ГЛАВА ДВАДЦАТЬ ТРЕТЬЯ СОБСТВЕННЫЕ ШУМЫ ЭЛЕКТРОННЫХ ЛАМП 23.1. ПРИЧИНЫ СОБСТВЕННЫХ ШУМОВ 308 осуществляется через делитель, на который подается полное анодное напряжение (рис. 22.7). В цепь анода включается нагрузочный резистор й„, с которого снимается выходное напряжение. Для ФЭУ, как и для обычных фотоэлементов, характерен темновой ток, обусловленный термоэлектронной эмиссией фотохатода и динодов.
Он составляет малые доли микроампера. Этот ток может быть уменьшен охлаждением прибора. Значением темнового тока ограничивается минимальный световой поток, который можно регистрировать с помощью ФЭУ. А минимальные изменения светового потока ограничиваются флюктуациями эмиссии фото- катода н темпового тока. Следует отметить, что эти флюктуации невелики, т. е.
ФЭУ являются малошумящими приборами. Коэффициент шума Е у них обычно 1,5 — 2,0 (напомним, что у идеального «нешумящегои усилителя Е = 1). Основные параметры ФЭУ: область спектральной чувствительности 1диапазон длин волн), в которой можно При большом усилении с помощью электронных ламп в телефоне или громкоговорителе, включенном на выходе, слышен характерный шум в, виде шороха. шипения н треска даже в том Рис. 22.8. Зависимость коэффициента усиления тока и интегральной чувствительности от напряжения питания ФЭУ применять данный ФЭУ; число ступеней умножения; общий коэффициент усиления тока; напряжение питания; интегральная чувствительность; темновой ток. В качестве характеристик ФЭУ обычно рассматриваются световая характеристика 1, = Е(Ф), а также зависимости коэффициента усиления й, и интегральной чувствительности 5х от напряжения питания Е, (рис.
22.8). Фотоэлектронные умножители обладают малой инерционностью и могут работать на весьма высоких частотах. Их применяют для регистрации световых импульсов, следующих через наносекундные промежутки времени. Кроме того, ФЭУ применяются во многих областях науки и техники — в астрономии„фототелеграфии и телевидении, для измерения малых световых потоков, для спектрального анализа и т. д. В полупроводниковой электронике нет пока приборов, заменяющих ФЭУ.
случае, если на вход никакие сигналы не подаются. Такой шум можно слышать в любом радиоприемнике, если отключить антенну и замкнуть накоротко входные зажимы, чтобы приема внешних сигналов не было. Чем больше коэффициент усиления, тем громче собственный шум приемника. Собственные шумы электронных ламп ограничивают чувствительность радиоприемников и других радиоэлектронных устройств, служащих для обнаружения, усиления и измерения слабых электрических сигналов. Если полезные сигналы слабее собственных шумов, то прием этих сигналов обычными методами практически невозможен. Основные причины собственных шумов электронных ламп — различного рода флюктуации. !.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
