1612045808-897604033167dc1177d2605a042c8fec (533738), страница 113
Текст из файла (страница 113)
Это явление заключается в освобождении электронов из металла или полупроводника при бомбардировке поверхности пучком быстрых электронов. Отношение числа освобождаемых электронов к числу падающих на поверхность, называемое коэффициентом вторичной эмиссии, зависит от скорости и угла падения пучка электронов, вида и состояния поверхности и для некоторых веществ может достигать весьма больших значений — 10 и выше. Значительное усиление потока электронов получается при использовании в качестве материала эмиттеров сплава сурьмы и цезия. Схема устройства фотоумножителя приведена на рис. 9.!2. Фотоэлектроны, эмиттируемые при освещении поверхности фотокатода Фл(, ускоряются электрическим полем и попадают на первый промежуточный электрод (динод) Дь вызывая эмиссию вторичных электронов.
Кон- 1! Принпипнальиая схема фотоумножителя фигурация и расположение фотокатода и динодов выбраны так, что создаваемые ими электрические поля обеспечивают попадание большинства фотоэлектронов на дииод Д!, а большинство вторичных электронов после ускорения попадает на следующий динод Дь где процесс умножения повторяется, и т. д. Между последовательными динодами должно быть приложено определенное напряжение. Оно подается через делители напряжения от высоковольтного стабилизированного источника. Вторичные электроны с последнего из динодов (их может быть 1Π— 15) собираются на анод (коллектопо) А. Общий коэффициент усиления в такой системе достигает 1Π— 1Ол, а интегральная чувствительность — тысяч ампер на люмен, что позволяет измерять очень малые световые потоки.
Однако предельная чувствительность фотоэлектрических приемников излучения (как и других физических измерительных приборов) лимиткруется не достижимым усилением сигнала, а собственными шумами измерительного устройства. Собственными шумами называют случайные, нерегулярные изменения (флуктуации) сигнала, вносимые самим прибором.
Ясно, что одновременное усиление сигнала и шума не даст никакой выгоды. Поэтому реальные возможности регистрации и измерения слабых световых потоков определяются отношением полезного сигнала и шуму. В тех случаях, когда измеряемый поток значительно превосходит предел чувствительности, шумами определяется погрешность измерений. Некоторые виды шумов связаны с техническим несовершенством прибора.
Например, небольшие непостоянные утечки зарядов по поверхности стекла колбы фотоумножителя могут вызвать нерегулярные движения стрелки измерительного прибора. Такие технические флуктуации можно в значительной степени устранить, если приемник выполнить достаточно тщательно и принять необходимые меры предосторожности цри работе с ним. Но существуют принципиально неустранимые флуктуации, связанные с атомной структурой вещества (пример таких флуктуаций дает хорошо известное броуновское движение), с конечной величиной элементарного заряда и с квантовой природой взаимодействия излучения с веществом.
Обусловленные собственными флуктуаннямн шумы в измеритель ных устройствах рассчитываются на основе статистической ме ханака. В вакуумном фотоэлементе (рнс. 9.1!) одна нз наиболее очевидных причин возникновения флуктуаций фототока связана с тем, что элементарные акты испускания фотозлектроноа происходят в глрчпйлыг моменты времени аналогично актам тсрмоэлектронной эмиссии из накаленного катода а вакуумных электронных лампах. Обусловленный агой причиной шум получил образное название дробового. Прн постоянной интенсивности падающего излучения. когда мекаю считать, что за некоторый промежуток времени т на катод падает вполне определенное число фотонов Нь среднее число испускаемых электронов за время т составит (Н) = чНо где ч— квантовый выход фотокатода.
Однако от измерения к измерению число Н фотозлектроиоа только и среднем остается неизменным, испытывая флуктуации около среднего значения (Н)'. Вероятность Р(Н) испускания за время т определенного числа Н фотоэлектроиов е отдельном измерении дается распределением Пуассона: Р(н)=е "а"гн), где и = (и). мерой флуктуаций числа фотоэлектронов служит величина ЬН = ((И вЂ” (Н))') г', называемая среднеквадратичной флуктуацней.
Можно показать, что для пуассоновского случайного процесса, описываемого распределением Р(Н), среднеквадратичная флуктуация равна корню нз среднего числа событий: ЬН= ~(Н). Поэтому флуктуация силы фототока (=еИ/т равна И= =гЬНУт =с )г(Н) /т= )Я7т. В результате дробовой эффект приводит к появлению иа иагрузочном сопротивление Я (см. рис. 9.1! ! флуктунрующего напрнження (!ы, средний квадрат которого равен (Ю,' ) =(Ь))тлэ = е(йэ/т. Прн измерении изменяющихся во времени (модулироэаннйх) световых потоков в зто выражение вместо времени измерения т (т. е.
постоянной времени прибора) войдет величина 1/(23(), где Р4-- полоса пропускпиил последующей регистрирующей системы. т. е. интервал частот, в пределах которого происходит лзльнейшее усиление переменного выходного напряжения: Я, ') =2г!йхЛ(. (9.42) Фотоэлемент дает некоторый ток даже при отсутствии падающего излучения. В этот тепловой ток нарялу с утечками изоляции электродов. которые в совершенных приборах палы н шцтоянны. дает вклад термоэлектрониая эмиссия с фотокатода.
Термозмиссня электронов, как н фотоэмнссня, подвержена флуктуациям, прн водящим к дробовому шуму. Мощности шумов от статистически независимых источников флуктуаций просто складываются, поэтому полный дробовой шум определяется тем же выражением (9.42), есзн в ием под ! понимать полный ток с поверхности фотокатода, т. е. сумму фототока !г н темпового тока 1,..! = !е+1,.
При измерении слабых световых потоков, когда !е()„основной вклад в дробовой шум дают флуктуации темпового тока. Цля увеличения пороговой чувствительности иногда прибегают к охлаждению фотокатода и уменьшению его размеров (до размерои фокуснруемого на ием светового пятна).
Так, прн охлаждении сурьмяноцезиевого катода до температуры жидкого азота темноаой ток уменьшаетсн в 1О' раз, что а соответствии с (9.42) приводит к снижению шумового иапршкеинн и уиелнченню пороговой чувствительности з Э'10 = 100 раз. Конечно, охлаждение фотокатода, как и уменьшение его размеров, целесообразно лишь тогда, когда ток термозмисснн 1, болыпе фототока lь так как э протезном случае шумы темпового тока тонут в дробовых шумах фотоэмнсснн. Л ругая причина флуктуаций выходного напряжения фотоэлемента (см. рнс.
9.!1) связана с хаотическим тепловым движением электронов в нагрузочиом сопротивлении )!. Тепловой шум а проводниках, интенсивность которого (т е. средний квцкрат хаотического напряжения) расгеглинейно с увеличением температуры Т н сопротивленмя )1, был обнаружен Цжоисоном в 1927 г. Спектральная плотность джонсоиовского шума в области частот Ьы~ ЬТ постоянна, и средний квадрат напряжения тепловых шунон определяется формулой Найквнста (И„.) =-4ЬТЯЧ. Такам образом, для отношения сигнал/шум, определяющего теоретические предельные характеристики вакуумного фотоэлемента, можно напмсать следующее выражение: ич, (9.43) ттмг+1г г Повышение чувствительности н точности фотоэлектрических измерений может быть достигнуто уменьшением полосы пропускания Ьг(.
Узкополосный фмльтр, настроенный на частоту модуляции переменного светового сигнала, нли фильтр ннжнмх частот в случае постоянного сигнала позволяет отфмльтровать большую часть, шума, энергия которого в отличие от полезного сигнала равномерно распределена по всем частотам. Сужение полосы пропускания Ь! ведет к неизбежному увеличению времени регистрации сигнала (т 1/Л!). Прн увеличении т в и раэ отношение сигнал/шуи, как вндно нз (9.43). возрастает в т)п раз. Предел чувствнтельносгн фотоэлемента с последующим усилителем (см. рис. 9.11) определяется обычно джомсомовскнмн шуманы в нагрузочном сопротнвленин Ю, которые в дальнейшем усиливаются вместе с полезным сигналом н дробовым шумом.
Зто ограничение устраняется в фотоумножителе, где ток с фото- катода. т. е. сигнал вместе с дробовым шумом, многократно усиливается уже внутри самого ФЗУ беэ заметного добавления каких-либо новых шумов (прн достаточно высоком коэффициенте вторнчмой эмиссии ()4) ее шуиы малосущественны). Если сигнал ФЗУ оказывается все хге недостаточным для измерительного прмбора, используют, как н в схеме с фотоэлементом, внешний усилитель. Но тепловой шум от иагрузочного сопротивления здесь уже пбычно значительно меньше дробового шума на выходе фотоумножители.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
