Учебник - Оптика - Алешкевич В.А. (1238765), страница 65
Текст из файла (страница 65)
Íà îñíîâå âíåøíåãî è âíóòðåííåãî ôîòîýôôåêòà ñîçäàíû ìíîãî÷èñëåííûå ïðèåìíèêè ñâåòà, ïðåîáðàçóþùèå ñâåòîâîéñèãíàë â ýëåêòðè÷åñêèé. Ýòè ïðèåìíèêè íàçûâàþòñÿ ôîòîýëåêòðè÷åñêèìè, èëèôîòîýëåìåíòàìè.Ïåðâûé ôîòîýëåìåíò, îñíîâàííûé íà âíóòðåííåì ôîòîýôôåêòå è èñïîëüçóþùèé ÿâëåíèå ôîòîïðîâîäèìîñòè, áûë ñîçäàí â 1875 ã., à ôîòîýëåìåíò,èñïîëüçóþùèé âíåøíèé ôîòîýôôåêò, â 1889 ã.302Âàêóóìíûé ôîòîýëåìåíò. Îí ÿâëÿåòñÿ ïðîñòåéøèì ïðèåìíèêîì ñâåòà. Ôîòîýëåìåíò ñîñòîèò èç ñòåêëÿííîé âàêóóìèðîâàííîé êîëáû, íà âíóòðåííþþïîâåðõíîñòü êîòîðîé íàíåñåí ôîòî÷óâñòâèòåëüíûé ñëîé (ôîòîêàòîä).
 öåíòðåêîëáû ðàñïîëîæåí àíîä. Êðàñíàÿ ãðàíèöà ôîòîêàòîäà çàâèñèò îò ÷èñòîòû åãîïîâåðõíîñòè. ×òîáû ñìåñòèòü l0 â äëèííîâîëíîâóþ îáëàñòü ñïåêòðà, èçãîòîâëÿþò ñëîæíûå ôîòîêàòîäû, ïîâåðõíîñòü êîòîðûõ ïîêðûâàþò òîíêèì ñëîåìèíòåðìåòàëëè÷åñêèõ ñîåäèíåíèé, îêñèäîâ è äð. Ýòî ïîçâîëÿåò âàðüèðîâàòü l0îò êîðîòêîâîëíîâîãî óëüòðàôèîëåòà (l0 » 2 000 D) äî áëèçêîé ÈÊ-îáëàñòè (l0»» 15 000 D).Åñëè Nô ÷èñëî ïàäàþùèõ ôîòîíîâ â åäèíèöó âðåìåíè, òî ÷èñëî âûáèòûõôîòîýëåêòðîíîâNe = hNô,(25.6)ãäå h êîýôôèöèåíò ïðîïîðöèîíàëüíîñòè, íàçûâàåìûé êâàíòîâûì âûõîäîì.Îí õàðàêòåðèçóåò ÷óâñòâèòåëüíîñòü ôîòîêàòîäà è íå çàâèñèò îò åãîîñâåùåííîñòè.Ïîñêîëüêó ôîòîòîê I = eNe, à ñâåòîâîé ïîòîê Ô = hnNô, òî âûðàæåíèå(25.6) ìîæåò áûòü çàïèñàíî â âèäåI =h e lÔ.hc(25.7)Êâàíòîâûé âûõîä çàâèñèò îò äëèíû âîëíû ñâåòà. Áîëüøèì êâàíòîâûì âûõîäîì (h ³ 0,3) îáëàäàþò ñëîæíûå ôîòîêàòîäû, êîòîðûå ïðèìåíÿþòñÿ â ôîòîýëåìåíòàõ.Âàæíåéøåé õàðàêòåðèñòèêîé ôîòîýëåìåíòà ÿâëÿåòñÿ ñïåêòðàëüíàÿ ÷óâñòâèòåëüíîñòüSl =Ihe l.=Ôhc(25.8)Ôîòîòîê â öåïè ôîòîýëåìåíòà îáû÷íî íå ïðåâûøàåò 0,1 ìÀ, ïîýòîìó ñïåêòðàëüíàÿ ÷óâñòâèòåëüíîñòü èçìåðÿåòñÿ â ìÀ/Âò.
Íà ðèñ. 25.4 ïîêàçàíà íîðìèðîâàííàÿ ñïåêòðàëüíàÿ ÷óâñòâèòåëüíîñòü Na-K-êàòîäà ïðè ðàçëè÷íîé ïîëÿðèçàöèè (EP è E^) íàêëîííî ïàäàþùåãî íà êàòîä ñâåòà. Ïðè l > l0 » 5 250 D ôîòîòîêîòñóòñòâóåò è Sl = 0.Èíîãäà èñïîëüçóåòñÿ èíòåãðàëüíàÿ ÷óâñòâèòåëüíîñòü ôîòîêàòîäà ê áåëîìóñâåòó îò ëàìïû íàêàëèâàíèÿ ñ âîëüôðàìîâîé íèòüþ ïðè òåìïåðàòóðå 2 850 K. Îíà èçìåðÿåòñÿ â ìèêðîàìïåðàõ íà ëþìåí ìêÀ/ëì (ëþìåí åäèíèöà îñâåùåííîñòè).Ãàçîíàïîëíåííûå ôîòîýëåìåíòû è ñ÷åò÷èêè ôîòîíîâ. Ïðè ìàëûõ ñâåòîâûõ ïîòîêàõ÷èñëî ôîòîýëåêòðîíîâ íåâåëèêî.  ýëåêòðè÷åñêîé öåïè ïîÿâëÿþòñÿ ñëàáûå èìïóëüñûòîêà, êîòîðûå òðóäíî ðåãèñòðèðîâàòü. Åñëèâ êîëáå ôîòîýëåìåíòà íàõîäèòñÿ ãàç,òî ôîòîýëåêòðîíû áóäóò âûçûâàòü åãî èîíèçàöèþ.
 ðåçóëüòàòå èìïóëüñû òîêà áóäóòÐèñ. 25.4óñèëåíû.303Ðèñ. 25.5Íà ïðàêòèêå èñïîëüçóþòñÿ ãàçîíàïîëíåííûå ñ÷åò÷èêè ôîòîíîâ, ïðåäñòàâëÿþùèå ñîáîé ñ÷åò÷èê Ãåéãåðà ñ ôîòî÷óâñòâèòåëüíûì êàòîäîì. Çà ôèêñèðîâàííîå âðåìÿ èçìåðÿåòñÿ êîëè÷åñòâî èìïóëüñîâ, à çàòåì ðàññ÷èòûâàåòñÿ ñâåòîâîé ïîòîê. Ñ÷åò÷èêè ïîçâîëÿþò èçìåðÿòü î÷åíü ñëàáûå ñâå÷åíèÿ, êîãäàNe £ 102 ñ-1.Ôîòîýëåêòðîííûå óìíîæèòåëè (ÔÝÓ ).  ÔÝÓ íàðÿäó ñ êàòîäîì è àíîäîìèìååòñÿ ðÿä âòîðè÷íûõ ýìèòòåðîâ ýëåêòðîíîâ Ä, íàçûâàåìûõ äèíîäàìè (ðèñ.25.5, à).Ôîòîýëåêòðîíû êàòîäà ïðè ïîïàäàíèè íà ïåðâûé äèíîä Ä1 âûáèâàþò âòîðè÷íûå ôîòîýëåêòðîíû, ÷èñëî êîòîðûõ ïðåâûøàåò ÷èñëî ïàäàþùèõ.
Îòíîøåíèå ÷èñëà âûáèòûõ ê ÷èñëó ïàäàþùèõ ýëåêòðîíîâ íàçûâàåòñÿ êîýôôèöèåíòîìâòîðè÷íîé ýìèññèè s. Çíà÷åíèå s ìîæåò ïðåâûøàòü 10 è çàâèñèò îò ýíåðãèèïåðâè÷íûõ ýëåêòðîíîâ, óãëà èõ ïàäåíèÿ, ìàòåðèàëà äèíîäà è äð.  ÔÝÓ ýìèòòåðû èçãîòîâëÿþò èç ìàòåðèàëîâ ñ áîëüøèì êîýôôèöèåíòîì s.Âûñîêîå íàïðÿæåíèå U ~ 103  ñ ïîìîùüþ äåëèòåëÿ ïðèêëàäûâàþò ê êàæäîìó äèíîäó òàê, ÷òîáû ïîòåíöèàë ïîñëåäóþùåãî äèíîäà áûë áîëüøå ïîòåíöèàëà ïðåäûäóùåãî. Ýòî ïîçâîëÿåò óñêîðÿòü âòîðè÷íûå ýëåêòðîíû è ïîñëåäîâàòåëüíî óâåëè÷èâàòü èõ ÷èñëî (ðèñ. 25.5, á ).Êîýôôèöèåíò óñèëåíèÿ îäíîãî êàñêàäà ÔÝÓ k1 = as, ãäå a äîëÿ ýëåêòðîíîâ, äîñòèãàþùèõ ñëåäóþùåãî äèíîäà.  ñîâðåìåííûõ óìíîæèòåëÿõ a = 0,7 0,9.Åñëè ÔÝÓ ñîäåðæèò n îäèíàêîâûõ êàñêàäîâ (äèíîäîâ), òî åãî êîýôôèöèåíòóñèëåíèÿk = k1n = (as ) n .(25.9)Ïîëàãàÿ n = 10, a = 0,8, ïîëó÷àåì k = 109.
Ðåàëüíûé êîýôôèöèåíò óñèëåíèÿíå ïðåâîñõîäèò 107 108.ÔÝÓ õàðàêòåðèçóåòñÿ ÷óâñòâèòåëüíîñòüþ, èëè àíîäíîé ÷óâñòâèòåëüíîñòüþ,îïðåäåëÿåìîé êàê îòíîøåíèå ôîòîòîêà ê ñâåòîâîìó ïîòîêó, ïàäàþùåìóíà ôîòîêàòîä. Îíà ðàâíà ïðîèçâåäåíèþ èíòåãðàëüíîé ÷óâñòâèòåëüíîñòè ôîòîêàòîäà è êîýôôèöèåíòà óñèëåíèÿ è èçìåðÿåòñÿ â àìïåðàõ íà ëþìåí (À/ëì).Åùå îäíà âàæíàÿ õàðàêòåðèñòèêà ÔÝÓ ïîðîãîâàÿ ÷óâñòâèòåëüíîñòü, îïðåäåëÿåìàÿ êàê íàèìåíüøèé ðåãèñòðèðóåìûé ñâåòîâîé ïîòîê. Åñëè ñâåòîâîéïîòîê ìåíüøå ïîðîãîâîãî, òî âåëè÷èíà ôîòîòîêà ìåíüøå ñëó÷àéíûõ ôëóêòóàöèé (øóìîâ) òîêà â öåïè ôîòîóìíîæèòåëÿ.
Ýòî îáúÿñíÿåòñÿ òåì, ÷òî â îòñóòñòâèå ñâåòà â öåïè ÔÝÓ áóäåò ñóùåñòâîâàòü ñëó÷àéíûé òåìíîâîé òîê, âîçíèêàþùèé êàê âñëåäñòâèå òåðìîýëåêòðè÷åñêîé ýìèññèè ýëåêòðîíîâ ñ êàòîäà,òàê è èç-çà óòå÷êè çàðÿäîâ ìåæäó ýëåêòðîäàìè.304Òåðìîýëåêòðîííóþ ýìèññèþ ìîæíî ïîíèçèòü óìåíüøåíèåì ïëîùàäè ôîòîêàòîäà, à òàêæå ïîíèæåíèåì åãî òåìïåðàòóðû. Íàïðèìåð, ïðè îõëàæäåíèè ñóðüìÿíî-öåçèåâîãî êàòîäà äî òåìïåðàòóðû æèäêîãî àçîòà òåðìîýìèññèÿ óìåíüøàåòñÿ â 104 ðàç.
Îõëàæäåíèå ïðèìåíÿåòñÿ â ñëó÷àå ñëàáîãî ñâåòîâîãî ïîòîêà,êîãäà òåìíîâîé òîê ïðåâûøàåò ôîòîòîê. Ïðè ìàëûõ èíòåíñèâíîñòÿõ ñâåòà óìåíüøàåòñÿ ñðåäíåå ÷èñëî Ne ôîòîýëåêòðîíîâ, ïîêèäàþùèõ êàòîä, è óâåëè÷èâàþòñÿ îòíîñèòåëüíûå ôëóêòóàöèè dNe /Ne = 1/ N e .Ïîëíûé òîê ñ ïîâåðõíîñòè êàòîäà I0 = I + Iò, ÿâëÿþùèéñÿ ñóììîé ôîòîòîêàI è òåìíîâîãî òîêà Iò, áóäåò ôëóêòóèðóþùèì. Ôëóêòóàöèè, ñâÿçàííûå ñ äèñêðåòíîé ïðèðîäîé ñâåòà è ýëåêòðè÷åñêîãî çàðÿäà, ïîëó÷èëè íàçâàíèå äðîáîâîãîýôôåêòà. Åñëè íàãðóçêîé ôîòîýëåìåíòà ÿâëÿåòñÿ îìè÷åñêîå ñîïðîòèâëåíèå R,òî èçìåðÿåìîå íà íåì íàïðÿæåíèå U = I0R áóäåò òàêæå ôëóêòóèðîâàòü.
Ñîãëàñíî ôîðìóëå Øîòòêè, íàçâàííîé â ÷åñòü øîòëàíäñêîãî ôèçèêà Â. Øîòòêè, òåîðåòè÷åñêè ïðåäñêàçàâøåãî ýôôåêò, ñðåäíåå çíà÷åíèå êâàäðàòà òîêà, ïðîòåêàþùåãî ÷åðåç ñîïðîòèâëåíèå, áóäåò ðàâíî2= 2eI 0 Df ,I äð(25.10)ãäå Df øèðèíà ïîëîñû ïðîïóñêàíèÿ óñèëèòåëÿ òîêà, ïîäêëþ÷åííîãî ê âûõîäó ôîòîýëåìåíòà; I 0 ñðåäíåå çíà÷åíèå ñèëû òîêà ñ êàòîäà.Ïîñêîëüêó ñîãëàñíî (25.8) âåëè÷èíà ôîòîòîêà I = SlÔ, èç ðàâåíñòâà Iïîð =2= I äðìîæíî îïðåäåëèòü ïîðîãîâîå çíà÷åíèå ñâåòîâîãî ïîòîêà, ðåãèñòðèðóåìîãî ÔÝÓ íà ôîíå øóìîâ. Ïîëàãàÿ â (25.10) I 0 » Iò ? I, íàõîäèìÔ ïîð =2eI ò Df.Sl(25.11)Ïîâûøàÿ êâàíòîâûé âûõîä h (óâåëè÷èâàÿ Sl) è óìåíüøàÿ òåìíîâîé òîê,ìîæíî ïîíèçèòü ïîðîãîâóþ âåëè÷èíó ñâåòîâîãî ïîòîêà. Ìèíèìàëüíî äîñòèæèìûì çíà÷åíèåì ÿâëÿåòñÿ Ôïîð » 10-13 ëì, ÷òî â îáëàñòè ìàêñèìóìà Sl ñîîòâåòñòâóåò ïîòîêó ôîòîíîâ ïîðÿäêà íåñêîëüêèõ ñîòåí â ñåêóíäó.Áîëåå ñëàáûå ñâåòîâûå ïîòîêè ìîãóò èçìåðÿòüñÿ ñ ïîìîùüþ ÔÝÓ, ðàáîòàþùèõ â ðåæèìå ñ÷åòà ôîòîíîâ.
Åñëè óðîâåíü øóìîâ ÔÝÓ ìàë, òî êàæäûéôîòîýëåêòðîí, èñïóùåííûé êàòîäîì, ïîñëå ðàçìíîæåíèÿ ñîçäàñò èìïóëüñ òîêà,çíà÷åíèå êîòîðîãî ïîäâåðæåíî ñòàòèñòè÷åñêîìó ðàçáðîñó. Ýòè èìïóëüñû ðåãèñòðèðóþòñÿ õîðîøî ðàçðàáîòàííûìè â ÿäåðíîé ôèçèêå ìåòîäàìè. ìàëîøóìíûõ ôîòîýëåêòðîííûõ óìíîæèòåëÿõ ñ 1 ñì2 ïëîùàäè ïîâåðõíîñòè ôîòîêàòîäà çà 1 ñ èñïóñêàåòñÿ â ñðåäíåì ïÿòü-øåñòü òåðìîýëåêòðîíîâ.Ïîñêîëüêó ïëîùàäü ïîâåðõíîñòè ôîòîêàòîäà íå ïðåâîñõîäèò íåñêîëüêèõ êâàäðàòíûõ ìèëëèìåòðîâ, ñðåäíåå ÷èñëî èñïóùåííûõ êàòîäîì ýëåêòðîíîâ çà 1 ñçíà÷èòåëüíî ìåíüøå åäèíèöû.
Ýòî ïîçâîëÿåò ðåãèñòðèðîâàòü äàæå åäèíè÷íûåôîòîíû.Âðåìåííîå ðàçðåøåíèå. Âåñüìà âàæíîé õàðàêòåðèñòèêîé ôîòîïðèåìíèêîâ ÿâëÿåòñÿ âðåìåííûå ðàçðåøåíèå, îïðåäåëÿåìîå ïîñòîÿííîé âðåìåíè tïð. Ýòàâåëè÷èíà õàðàêòåðèçóåò èíåðöèîííîñòü ïðîòåêàþùèõ â íèõ ïðîöåññîâ. Îïèñàííûå âûøå ïðèåìíèêè, ðàáîòàþùèå íà îñíîâå âíåøíåãî ôîòîýôôåêòà, ÿâëÿþòñÿ áûñòðîäåéñòâóþùèìè. Èõ âðåìåííîå ðàçðåøåíèå îïðåäåëÿåòñÿ ïðåæäåâñåãî ðàçáðîñîì âðåìåíè âûõîäà ýëåêòðîíîâ èç êàòîäà è ðàçáðîñîì âðåìåíèïðîëåòà îò êàòîäà ê àíîäó âñëåäñòâèå ðàçíûõ íà÷àëüíûõ ñêîðîñòåé ýëåêòðîíîâ.305Íàèëó÷øåå ðàçðåøåíèå ñîâðåìåííûõôîòîýëåêòðè÷åñêèõ ïðèåìíèАPU(t)êîâñîñòàâëÿåòâåëè÷èíó tïð » 50 ïñ.xÓôîòîóìíîæèòåëåéèç-çà áîëüøîéП1läëèíûïðîáåãàýëåêòðîíîâU0dЭâðåìåííîåðàçðåøåíèåtïð ³ 100 ïñ.yПÝëåêòðîííî-îïòè÷åñêàÿêàìåðà.2LÝòîòïðèåìíèêÿâëÿåòñÿâûñîêîOx÷óâñòâèòåëüíûì ôîòîðåãèñòðàòîðîìПолоскаñ ïðåäåëüíî íèçêèì âðåìåííûìðàçðåøåíèåì tïð ~ 1 ïñ. Óñòðîéñòâîêàìåðûïîêàçàíî íà ðèñ.
25.6.Ðèñ. 25.6Îíà íàïîìèíàåò ýëåêòðîííî-ëó÷åâóþ òðóáêó è ñîñòîèò èç ôîòîêàòîäà Ê, àíîäà À, ôîêóñèðóþùåé ñèñòåìû (íàðèñóíêå íå ïîêàçàíà), îòêëîíÿþùèõ ïëàñòèí Ï1 è Ï2 è ëþìèíåñöèðóþùåãîýêðàíà. Íà ïëàñòèíû ïîäàåòñÿ ïðîïîðöèîíàëüíîå âðåìåíè îòêëîíÿþùåå íàïðÿæåíèå U(t). Ïîýòîìó ïðè îñâåùåíèè ñâåòîì ôîòîêàòîäà èçîáðàæåíèå òî÷êèP åãî ïîâåðõíîñòè íà ýêðàíå áóäåò âûãëÿäåòü êàê òîíêàÿ ïîëîñêà. Ïîýòîìó ýòîóñòðîéñòâî íàçûâàþò ñòðèê-êàìåðîé (îò àíãë. streak ïîëîñêà). Íåñëîæíî ïîêàçàòü, ÷òî ñìåùåíèå âî âðåìåíè âäîëü îñè Oy èçîáðàæåíèÿ òî÷êè P ïðîèñõîäèò ïî çàêîíóСветКy (t ) =lLU (t ),2U 0d(25.12)ãäå U0 óñêîðÿþùåå íàïðÿæåíèå ìåæäó àíîäîì è êàòîäîì; l äëèíà ïëàñòèíâ íàïðàâëåíèè ïîëåòà ýëåêòðîíîâ; d ðàññòîÿíèå ìåæäó ïëàñòèíàìè; L ðàññòîÿíèå îò ïëàñòèí äî ýêðàíà (ïðåäïîëàãàåòñÿ, ÷òî L ? l ).Åñëè çà âðåìÿ Dt = 10-9 ñ íàïðÿæåíèå U âîçðàñòàåò äî 1 êÂ, òî èçîáðàæåíèåòî÷êè P íà ýêðàíå áóäåò ñìåùàòüñÿ çà âðåìÿ dt = 10-12 ñ íà dy = 0,1 ìì, â ïðåäåëàõ êîòîðîãî ìîæíî àíàëèçèðîâàòü ðàñïðåäåëåíèå ÿðêîñòè.
ßðêîñòüïîëó÷åííîãî èçîáðàæåíèÿ â âèäå ïîëîñêè çàòåì óñèëèâàåòñÿ è äàëåå ëèáîôîòîãðàôèðóåòñÿ, ëèáî çàïèñûâàåòñÿ îïòè÷åñêèì ìíîãîêàíàëüíûì àíàëèçàòîðîì. Èç ðàñïðåäåëåíèÿ îñâåùåííîñòè âäîëü ïîëîñêè ìîæíî ïîëó÷èòüèíôîðìàöèþ îá îãèáàþùåé è äëèòåëüíîñòè äàæå ïèêîñåêóíäíûõ èìïóëüñîâ,ïîñêîëüêó âðåìåííîå ðàçðåøåíèå tïð = 10-12 ñ ïîçâîëÿåò ýòî ñäåëàòü. òàêèõ ýêñïåðèìåíòàõ ïàäàþùèé ïèêîñåêóíäíûé èìïóëüñ âíà÷àëå ðàçäåëÿåòñÿ íà äâà èìïóëüñà, îäèí èç êîòîðûõ çàïóñêàåò ãåíåðàòîð îòêëîíÿþùåãîíàïðÿæåíèÿ, à äðóãîé ïîñëå âðåìåííîé çàäåðæêè ïîðÿäêà 60 ïñ ïîïàäàåò íàôîòîêàòîä ÷åðåç ùåëü, âûòÿíóòóþ âäîëü îñè Ox.
Åå èçîáðàæåíèå ðàçâîðà÷èâàåòñÿ â ïåðïåíäèêóëÿðíîì íàïðàâëåíèè è çàòåì àíàëèçèðóåòñÿ.Ôîòîðåçèñòîðû. Ýòî ïðèåìíèêè ñâåòà, â êîòîðûõ ïðîèñõîäèò âíóòðåííèéôîòîýôôåêò. Îíè ïðåäñòàâëÿþò ñîáîé ïëàñòèíêè èç ïîëóïðîâîäíèêîâîãî ìàòåðèàëà ëèáî òîíêèå ïëåíêè, êîòîðûå ïîñëåäîâàòåëüíî ñ ñîïðîòèâëåíèåì íàãðóçêè âêëþ÷àþò â öåïü ïîñòîÿííîãî èëè ïåðåìåííîãî òîêà. Íàïðÿæåíèå ïèòàíèÿ íàõîäèòñÿ â ïðåäåëàõ îò åäèíèö äî ñîòíè âîëüò. Áåç ñâåòà â ýëåêòðè÷åñêîéöåïè òå÷åò ñëàáûé òåìíîâîé òîê.Ïðè îñâåùåíèè èç-çà âíóòðåííåãî ôîòîýôôåêòà ïîÿâëÿþòñÿ ñâîáîäíûå ýëåêòðîíû.
Ïîñëåäíèå ïóòåì óäàðíîé èîíèçàöèè ïðèâîäÿò ê îáðàçîâàíèþ íîâûõ306íîñèòåëåé çàðÿäà, è êâàíòîâûé âûõîä ôîòîðåçèñòîðîâ ìîæåò áûòü çíà÷èòåëüíî áîëüøå åäèíèöû. Äëÿ âîçíèêíîâåíèÿ ñâîáîäíûõ ýëåêòðîíîâ â ïîëóïðîâîäíèêå íåîáõîäèìî, ÷òîáû ýíåðãèÿ ôîòîíà W = hc/l áûëà áîëüøå øèðèíû çàïðåùåííîé çîíû DW.