Волновая оптика - Калитеевский Н.И.
ISBN 5-06-003083-0
Скачать (прямая ссылка):
Сила тока на выходе ФЭУ может быть усилена обычными радиотехническими методами. После этого фототок фиксируется тем или иным способом. Часто используют электронные потенциометры, проводящие непрерывную запись сигнала. В последние годы для этих целей широко применяют цифровые вольтметры и другие более сложные устройства, позволяющие так регистрировать сигнал, чтобы результаты измерений сразу могли быть обработаны электронно-вычислительной машиной. Существуют методы, позволяющие измерять с помощью ФЭУ очень малые световые потоки (метод «счета фотонов» и др.).
За последние годы техника подобных экспериментов получила заметное развитие и открылись возможности решения новых задач. Но было бы серьезным заблуждением утверждение, что
8.20. Внешний вид фотоумножителя ФЭУ-38, смонтированного в кожухе
8.21. Фотоумножитель подготовлен к эксперименту
439
любой сколь угодно малый световой сигнал может быть фотоэлектрически измерен и зарегистрирован. В фотоэлектрическом методе, как и во всех физических измерениях, решающую роль играет не сигнал, а отношение сигнал/шум, которое часто называют полезным сигналом. Наличие шума, природа которого весьма разнообразна, лимитирует возможность измерения малых сигналов, и, как правило, задачей экспериментатора является создание такой схемы опыта, которая позволяет выделить тем или иным способом сигнал из шума или подавить последний.
Для того чтобы были ясны физические идеи, лежащие в основе стандартных рекомендаций по повышению чувствительности фотоэлектрических измерений, нужно прежде всего разобраться в природе шума. При этом будем игнорировать некоторые достаточно часто встречающиеся погрешности в технике эксперимента и выделим основные физические явления, приводящие к флуктуациям измеряемого фототока, которые и проявляются в виде шума при фотоэлектрических измерениях.
Одна из наиболее очевидных причин возникновения шума, ограничивающего предел чувствительности фотоэлектрических измерений, связана с конечностью заряда электрона q = = 4,8 • Ю-10 CGSE и имеет образное название дробовой эффект. Суть этого явления следующая: пусть сила измеряемого фототока г. Значит, каждую секунду i/q электронов вылетают из фотокатода и это число подвержено флуктуациям, так как сила тока лишь в среднем остается постоянной. Если бы заряд электронов был исчезающе малым, то число вылетевших из катода электронов было бы велико и относительная величина флуктуаций мала. Если (в другом крайнем случае) измеряемый ток переносился бы малым числом частиц с очень большим зарядом, то роль флуктуаций была бы велика.
Простой подсчет иллюстрирует эти рассуждения. Хорошо известно, что средняя относительная ошибка измерения <s> обратно пропорциональна корню из числа флуктуирующих частиц:
<Б> ~ Vn/n = 1/Vn.
Пусть, например, измеряемый ток переносится 100 частицами. В результате флуктуаций погрешность измерения 10% . Если этот же ток переносят Ю10 частиц, то погрешность будет всего 10-3% .
Таким образом, при фотоэффекте анод как бы бомбардируется потоком отдельных дробинок, число которых вследствие статистического характера рассматриваемых явлений будет флуктуировать . Теория этого явления при ряде упрощающих предположений приводит к следующей зависимости среднего флуктуа-ционного напряжения дробового эффекта <идр> в анодной цепи
440
фотоэлемента:
<uap> = 2qiR2Af,
(8.54)
где R — омическое нагрузочное сопротивление анодной цепи; Дf — интервал частот, в пределах которого регистрируется выбранным измерительным устройством сила фототока (полоса пропускания).
Другой не менее очевидной причиной флуктуаций измеряемого тока является тепловое движение электронов в проводниках, замыкающих анодную цепь. Средний квадрат этого флуктуа-ционного напряжения <итепл> связан с энергией теплового движения kT и определится выражением
Можно показать, что эти две причины флуктуаций фототока (дробовой эффект и тепловое движение электронов) являются основными. Тогда для отношения среднего квадрата напряжения сигнала <иСИГН> к среднему квадрату напряжения шумов получается простое выражение, определяющее чувствительность измерений:
Используя формулы (8.54) и (8.55), можно оценить относительное влияние тех или иных параметров измерительной установки на величину полезного сигнала. Так, например, для повышения чувствительности фотоэлектрических измерений часто используется уменьшение Дf (частотная полоса пропускания), приводящее к уменьшению флуктуаций, возникающих как из-за дробового эффекта, так и теплового движения электронов. В усилителях постоянного тока это достигается увеличением произведения RC (С — емкость конденсатора) и неизбежно приводит к увеличению времени регистрации (записи) сигнала, что не всегда желательно.
В приведенном анализе природы флуктуационных шумов не была отмечена еще одна сторона флуктуаций, связанных с тепловым движением электронов, играющая существенную роль в ограничении чувствительности измерений. Дело в том, что существует не только тепловое движение электронов в проводниках, замыкающих цепь, но и в теле фотокатода. В результате такого движения электроны будут спонтанно вырываться из катода, создавая дополнительный шум. Другими словами, кроме фототока в анодной цепи будет циркулировать ток, обусловленный термоэлектронной эмиссией. Этот ток обычно называют
