Источники и приемники излучения - Ишанин Г.Г.
ISBN 5-7325-0164-9
Скачать (прямая ссылка):
Время запаздывания между поглощением кванта и появлением фотоэлектрона меньше 10~1а с, что позволяет на основе внешнего фотоэффекта создавать быстродействующие приемники излучения.
§ 5.2. Электровакуумные фотоэлементы и фотоэлектронные умножители
Электровакуумные фотоэлементы. Электровакуумным фотоэлементом называют вакуумный или ионный диод, основанный на явлении фотоэлектронной эмиссии электронов в вакуум (элек-
146
on
ЛЛГ,
¦ж
on к
Рис. 5.1. Схемы стандартных электровакуумных ФЭ (а) и спектральные характеристики некоторых фотокатодов (б):
К — фотокатод; А — а код; ОК — охранное
кольцо
тронный фотоэлемент) или газ (ионный фотоэлемент), преобразую щий энергию оптического излучения в электрические сигналы и содержащий фотокатод и анод (рйс. 5.1). Ионные (газонаполненные) фотоэлементы применяются редко. Наиболее распространены электровакуумные фотоэлементы (ФЭ), поэтому ограничимся их рассмотрением [10, 85].
Размер ФЭ, расстояние между электродами, конструкция цоколя, выводов зависят от тйпа аппаратуры, в которой он используется.
Форму фотокатода и анода определяют требования полног сбора эмиттированных электродов на анод. Тип фотокатода материал окна колбы ФЭ определяют диапазон его спектрально чувствительности.
Спектральная чувствительность фотоэлемента в основном зг зисит от фотокатода: его толщины, материала подложки и око! баллона, в меньшей степени — от температуры фотокатода (изме няется работа выхода электрона), его старения (постепенного изменения свойств фотокатода за счет неидеального вакуума и газоотделения арматуры й стенок колбы), напряженности элек-
14'
трического поля у фотокатода, зависящей от приложенного напряжения (при освещении фотокатода коротковолновыми квантами вылетающие фотоэлектроны имеют большую энергитЬ и сбор их на фотокатод требует более высокого напряжения питания), утомления фотокатода. /
Утомление характеризуется неравномерным понижением/спектральной чувствительности (под действием потока излучения) фотокатода во времени (чувствительность уменьшается сильнее в длинноволновой области спектра), оно зависит от качества и типа фотокатода, от режима освещенности фотокатода, от анодного напряжения и температуры среды, а также от цикличности работы ФЭ во времени.
Наиболее сильное утомление наблюдается у серебряно-кисло-родио-цезиевых фотокатодов, у которых при освещенности 2500 лк в течение нескольких часов чувствительность уменьшается на 60—80%.
Для оценки спектральной чувствительности фотоэлементов разработана система типовых спектральных характеристик.
Световые характеристики вакуумных ФЭ линейны в широком динамическом диапазоне (диапазоне изменения потока). Нижний предел линейности световой характеристики ФЭ ограничивается темновыми токами (от 10~7 до 10~14 А у различных ФЭ) и шумами ФЭ и нагрузки. Верхний предел линейности (10~4 А) ограничивается образованием пространственного заряда у поверхности фотокатода и на стекле колбы, утомлением фотокатода и вторичной эмиссией стекла (слабо покрывшегося пленкой щелочного металла при напылении фотокатода), появляющейся при больших световых потоках.
Линейность световой характеристики по потоку излучения сохраняется от значений пороговых потоков до единиц люменов. При включении ФЭ в цепь нагрузки диапазон линейности уменьшается.
Временное разрешение ФЭ определяется временем движения электронов от места их образования при освещении до поверхности катода (10 12 с), временем пролета их от катода до анода (10~u—10"10 с) и переходными процессами в цепи ФЭ — нагрузка.
Переходные процессы в цепи ФЭ — нагрузка, ухудшающие временное разрешение и искажающие форму коротких импульсов, зависят от накопления зарядов на стекле при перезарядке и от процесса зарядки и разрядки емкости самого ФЭ, которые характеризуются постоянной времени схемной релаксации тр (постоянной времени ^С-цепочки):
Тр — RBC,
где Ra — сопротивление нагрузки и выводов; С — межэлектрод-ная емкость ФЭ.
Межэлектродная емкость обычных ФЭ 10—50 пФ, у импульсных 3—4 пФ при сопротивлении коаксиального вывода десятки
148
Рис. 5.2. Схемы включения ФЭ: а — с
охранным кольцом; 6 — без охранного кольца; в — импульсная схема включения с положительным импульсом на нагрузке; г — вольт-амперные характеристики
Ом, это дает тр — 3 • 10-12~3 • 10-11 с, соизмеримую со временем пролета фотоэлектронов, поэтому импульсные ФЭ включаются прямо на быстродействующий осциллограф и имеют временное разрешение 10~10 — 3-10"11 с. Пологий участок частотной характеристики простирается при этом до 108—10е Гц.
Фотоэлементы включаются последовательно с источником питания Un и сопротивлением нагрузки RH (рис. 5.2, а—в). Когда освещения нет, в цепи ФЭ течет темновой ток, складывающийся из тока утечки между электродами и тока термоэмиссии. Ток термоэмиссии можно уменьшить при охлаждении фотокатода. Ток утечки по стволу колбы (на наружной и внутренней сторонах) при Uа = 200-^-300 В достигает 10“8—10~7 А. Для его уменьшения, как уже указывалось выше, у ряда ФЭ имеется охранное кольцо, завариваемое между выводами катода и анода. Схема включения такого ФЭ показана на рис. 5,2, а. Ток утечки замыкается по охранному кольцу и исключается из измерительной цепи.
