1612045808-897604033167dc1177d2605a042c8fec (533738), страница 114
Текст из файла (страница 114)
В этом главное преимущество фотоумножителя перед простым фотоьтемемтом. Для отношемня сигнал/шум вместо (9.43) теперь получим (/ lз р= (9.44! чти т'Ж;ТлГм ' где гз н 1, — фототок и темноной ток фотокатода ФЭУ, г )ценам пороговую чувствительность фотоумножителя. Прн регистрации очень слабых сигналов темновой ток больше фототока н, согласно (9.44), р=Тэ/)|2е$,Ц. Число фотонов, достигающих фотокатода в ! с, равно ФДйш), где Ф вЂ” падающий ноток нзлучення (в энергетнческнх еднннцах). Среднее число фотозлектронов за 1 с составит г)Ф/(цш) (т) — квантовый выход). Умножая зто число на заряд е электрона, получим фототок Тэ — — ет)1х!/(ггш).
Для уверенного обнаруження сигнала должно быть р)1. Условно можно принять, что поРоговый сигнал Ф,„соответствУет Р=!. Тогда Тэ —— )г 2ег',!3( н лля пороговой чувствнтельностн получаем Фюз/(Вш) = (! /т)) )Г2г',Л~ /е. (9.45) Отсюда следует, что основные параметры, определяющие предельнуто чувствительность ФЭУ, — зто квантовый выход н. темновой ток фотокатода.
В лучших образцах ФЭУ прн охлаждении число термоэлектронов с 1 смэ площади катода составляет 5 — !О в 1 с. Прн т)=0,0! но формуле (9.45) получаем для пороговой чувствительностн Ф„.г/йш величину порядка несколькнх сотен фотонов в секунду прн ширине полосы пропускання Л(=1 Гц. Минимальный регнстрн- руемый поток можно уменьшить сужением полосы пропускания, т.е.
увеличением времени регистрации («накоплением») сигнала. При низком уровне собственных шумов для измерения слабых световых потоков наилучшие результаты дает работа ФЭУ в режиме снега фотонов. Каждый фотоэлектрон после размножения в динодной системе создает иа выходе ФЭУ импульс тока.
Эти импульсы регистрируются хорошо разработанными в ядерной физике методами. Таким способом можно решать задачи, недоступные другим методам регистрации световых сигналов, в частности задачи непосредственного измерения времен жизни возбужденных состояний атомов.
При использовании фотоумножителя для обнаружения слабою модулированного сигнала в присутствии значительно большего постоянного потока темновой ток может быть малым по сравнению с фототоком. В этом случае точность измерений лимитируется дробовым шумом фототока. Формула (944) при /,~1« принимает вид Р~~ ( (((2 *((=Р' чв((22(2 (. В, 22 сигнал/шум, характеризует относительную погрешность таких измерений: зь(ь=((р~ 22(2 ((рь( (9.46) При 1=0,5 мкм, Ф=10 " Вт, т)=10 ' и ширине полосы Ь/=1 Гц это приводит к относительной погрешности (3Ф/Фж10 з.
Технические флуктуации обычно превосходят этот уровень, так что на практике достижимая точность фотоэлектрических измерений составляет 10 ' — 10 '. и, проведенном выше рассмотрении шумов фотоэлектрических приемников излучения предполагалось, что источник света имеет постоянную интенсивность, т.е. число фотонов, падающих на фотокатод за время наблюдения т, не испытывает флуктуаций. Такая модель применима к излучению стабилизированного одномодового лазера непрерывном действия. Статистической моделью излучения нелазериых источников может служить хаотически модулированное колебание, амплитуда и фаза которого представляют собой слуыйные функции времени (см. 15А).
Харак(ерный временной масштаб изменения амплитуды и фазы — это вр<'мя когерснтности излучения г„„. Можно показать, что интснсииность такого излучения также хаотически изменяется со временем, испытывая случайные отклонения от среднего значении, причем флуктуации интенсивности равны средней интенсивности. Несмотря на сталь ббльшне флуктуации интенсивности. обнаружить их проявление в эксперименте трудно. Объясняется это тем, что временной масштаб флуктуаций интенсивности равен временм когереитности т.„„ которое обратно пропорционально ширине спектрального распределения излучения Лу: т , (/бр. Даже для наиболее узких спектральных линий время когерснтности мало па сравнению с достижимыми значениями времени наблюдения т.
(<<ля фотоумножителей постоянная времени т достигает !б 2— (О " с.) Г!ри т„„„((т флуктуации интенсивности не влияют на число фотоэлектронов (р', эмиттирусмых за время т. Закон распрелеления числа фотоэлектронов Р(И) по-прежнему определяется только случайным характером фотаэмиссии и буде~ пуассоновским независимо от статистического распределения интенсивности излучения.
Сведения о флуктуациях интенсивности сакраняются в статистике фотоэлсктронов, когда т „ ~2. Это условие может выполняться для многомодового лазерного излучения или для лазерного паств, рассеянного в турбулентной среде. В подобиык случаях статистические свойства излучения могут быть найдены из экспериментальных измерений распределения фотаотсчетав. лйд Красная граница фотоэффекта огра- ничивает возможности применения фотоумножителей в инфракрасной области спектра. Для уменьшения работы выхода изготовляют сложные фотокатоды.
Нанесение иа поверхность серебра кислородно-цезиевого монослоя позволяет расширить спектральную область чувствительности приблизительно до 1.3 мкм, но у таких «длинноволновых» фотокатодов очень мал квантовый выход (т)„,„,=0,5%), что ограничивает возможности их применения. Более широкой областью спектральной чувствительности характеризуются фотоэлектрические приемники излучения на основе внутреннего фотоэффекта в полупроводниках. Поглощение фотона с энергией, превышающей энергетический интервал между заполненной валентной зоной и свободной зоной проводимости, приводит к образованию пары неравновесных носителей тока — электрона и дырки. Красная граница внутреннего фотоэффекта определяется шириной запрещенной зоны. Она зависит от природы полупроводника и может лежать в области значительно более длинных волн, 'чем у приемников с внешним фотоэффектом.
Увеличение числа свободных носителей под действием света ведет к возрастанию электропроводимости (фотопроводимость) . Основанные на этом явлении приемники излучения называются фогосоцрогивленилми Фотосопротивления в виде тонких пленок на основе 1пАз, РЬБ, РЬТе и других полупроводниковых соединений обладают чувствительностью вплоть до длин волн 7 — 8 мкм. Для видимой и ближней инфракрасной области спектра большей эффективностью обладает другой тип фотоприемника — фотодиод. Фотодиод представляет собой полупроводниковую пластинку, внутри которой благодаря различным примесям имеются дне области с электронной и дырочкой проводимостями (рнс.
9.13,а). Напряжение от внешнего источника приложено к л-р-переходу в запирающем направлении, для которого сопротивление перехода велико. Прн освещении области и-р-перехода в ней появляются неосновные носители (электроны в р-области и дырки в п-области), что приводит к возникновению тока в цепи. Обычно фотодиод изготавливается так, чтобы свет падал перпендикулярно границе раздела, проходя через тонкий р-слой (рис. 9.13, б). Фотодиоды характеризуются широкой спектральной чувствитель- д постыл (от ультрафиолетовой области до 1,8 мкм у германиевых фо- и л тодиодов) и высоким квантовым выходом (т),. ян 0,9), их постоянная времени т нм! мкс. Характеристики и) д) современных фотодиодов позволяют предпочесть их другим приемникам Принципиальная схема (о) и схема излУченнЯ длЯ РешениЯ многих прах- рай (б) ф д да тических задач. Фотодиод без внешнего источника э.д.с., называемый веитилоным фотоэлементом, осуществляет непосредственное преобразование энергии падающего излучения в электрическую энергию.
Неравновесные электроны и дырки, образующиеся при поглощении света, пространственно разделяются в переходном слое (фото-э.д.с.), что приводит к возникновению тока во внешней цепи. Кремниевые фотоэлементы такого типа имеют высокий к.п.д. (!4 — !6~~~) и используются в качестве источника энергии в солнечных батареях космических аппаратов.
Контрольные вопросы П Приведите схему экспериментальной установки для изучения фотоэффекта. Каким способом измеряется максимальная скорость фотоэлектронов? Назовите основные закономерности фотоэффекта. Как объяснить их на основе квантовых представлений? Как из опытов по фотоэффекту определить постоянную Планка? Объясните принцип лсйствин фотоэлектронного умножителя. Какие причины вызывают появление собственных шумов вакуумных фотоэмиссиониых приемников излучения? Какие приемы используют длн увеличения отношения сигнал/шум? Какие факторы определякп пороговую чувствительность фотоумножителя и относительную погрешность при измерении больших световых потоков? Почему большие флуктуации интенсивности излучения нелазерных источников ие влияют на статистическое расвределеиие фотоотсчетов? Какими преимуществами обладают приемники излучения на основе внутреннего фотоэффекта? рй.
энврюш и импульс '":)лектромагнитная теория, рассматрифвтона. Дуапнзм света вающая свет как классические электромагнитные волны (т.е. как возможные решения уравнений Максвелла), исчерпывающе описывает распространение света в пустоте, интерференцию и дифракцию. Будучи дополненной электронной теорией, она оказывается в состоянии охватить и широкий круг вопросов, относящихся к взаимодействию света с веществом, таких, как рассеяние, поглощение,преломление, дисперсия. Но применимость классической теории в вопросах взаимодействия света с веществом имеет предел.
Так, например, в фотоэффекте проявляется внезапная пространственная локализация конечной порции энергии света на одном электроне. Такое поведение несовместимо с классической волновой картиной, но получает естественное объяснение в корпускулярной картине, трактующей свет как поток фотонов. Ведь именно частица может доставить конечную порцию энергии в определенную точку. Локализация кванта энергии излучения в пространстве особенно ярко проявляется в фотоэффекте на отдельных атомах или молекулах (фотоионизация).
В классической электромагнитной волне энергия непрерывно распределена по всему волновому фронту. Исходя из известного значения площади эффективного сечения, можно оценить, сколько времени должно пройти с момента начала облучения для того, чтобы атом мог накопить достаточную для вырывания электрона (ионизации) энергию Еь В условиях реального эксперимента это могут быть недели или месяцы. Однако опыт показывает, что фотоэлектроны с энергией йш — Е, появляются практически сразу 'после начала облучения. Значит, классическое непрерывное распределение энергии по фронту характеризует перенос энергии излучения только а среднем, но не для элементарных актов взаимодействия с веществом, свидетельствующих о пространственной локализации переносимой энергии, что характерно для потока частиц. волновой и корпускулярный аспекты излучения связаны друг с другом: атрибут волновой картины — частота ш — входит в соотношение е=дш, определяющее энергию световой частицы — фотона.
В опытах по фотоэффекту это соотношение проверяется измерением . энергии фотоэлектронов, образуемых фотонами монохроматического излучения известной частоты. Другое подтверждение ему дает обратный процесс — непускание фотонов быстрыми электронами при торможении. Это происходит, например, в антикатоде рентгеновской трубки. Опыт показывает, что при данном ускоряющем напряжении (/ а рентгеновском спектре отсутствует излучение с длинами волн, меньшими некоторого значения ?ь„м. Коротковолновая граница тормозного излучения ? м определяется ускоряющим напряжением (/ и не зависит от материала мишени (рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
