Фотоелектронні прилади

    Підкладкою  останніх служить скло або металева пластина. Для зниження струмів витоку вводиться третій електрод – охоронне кільце. Електроди можуть мати тверді виводи у вигляді штирків і циліндрів та гнучкі виводи – металеві стрічки та дротики. Деякі конструкції фотоелементів другої групи представлені на рисунку 2.2.

     Рисунок 2.2 – Конструкція другого типу фотоелементів: 1 - фотокатод, 2 - охоронне кільце, 3 – анод [19] 

    До  характеристик і параметрів розглянутих  фотоелементів пред'являються більше суворі вимоги, обумовлені їхнім призначенням. Фотоелементи повинні мати високу стабільність спектральних характеристик, лінійністю світлової характеристики, достатньо  велике значеннями спектральної та світлової чутливості.

    Третя група містить у собі імпульсні  потужнострумові фотоелементи, призначені для виміру параметрів потужних потоків  випромінювання, тривалість яких може становити десяті частки наносекунди. Імпульсні струми фотоелемента можуть досягати десятків амперів, а напруга  між електродами – декількох  кіловольтів. Такі прилади знаходять  широке застосування в лазерній техніці, ядерній фізиці, нелінійній оптиці і в імпульсній фотометрії [17].

    Масивні фотокатоди потужнострумових фотоелементів наносяться на

металеві  пластини. Конструюються імпульсні  фотоелементи. за принципом надвисокочастотних приладів. Мала відстань між електродами  та сильне електричне поле забезпечують невеликий час прольоту електронів від фотокатода до анода. Деякі фотоелементи мають коаксіальний вивід, що дозволяє включати фотоелемент безпосередньо  в роз’їм коаксіального кабелю, погодженого з низькоомним навантаженням. Конструкція деяких типів імпульсних потужнострумових фотоелементів приведена на рисунку 2.3. 

    Рисунок 2.3 – Конструкція деяких видів імпульсних потужнострумових фотоелементів: 1 - анод; 2 – фотокатод [20] 

    Вольт-амперні  характеристики фотоелементів. При освітленні фотокатода емітовані електрони утворять в просторі між електродами об'ємний заряд. Коли значення напруги анода мале, потенціал простору біля катода негативний. Анодний струм у фотоелементі, як і в вакуумному діоді, з'являється при невеликій негативній напрузі на аноді. Це пояснюється наявністю початкової кінетичної енергії в більшості фотоелектронів, що дозволяє їм переборювати гальмуюче поле анода. Коли напруга анода досягає певного значення – напруги насичення, ріст анодного струму майже припиняється. Ця напруга насичення залежить від конструкції фотоелемента, типу фотокатода та від значення падаючого потоку випромінювання. Подальше підвищення напруги приводить до дуже слабкого зростання фотоструму за рахунок ефекту Шотткі та поліпшення збору електронів на аноді. На рисунку 2.4 наведене сімейство вольт-амперних характеристик фотоелемента з масивним фотокатодом. 

    Рисунок 2.4 – Сімейство вольт-амперних характеристик фотоелемента із масивним фотокатодом 

    Світлові  характеристики фотоелементів, що працюють у режимі насичення, відповідно до закону Столєтова лінійні. При великих потоках випромінювання світлова характеристика відхиляється від прямої, що обумовлено утворенням об'ємного заряду або стомленням фотокатода. За межу лінійності світлової характеристики приймається значення анодного струму, при якому відхилення від прямої пропорційності фотоструму падаючого потоку випромінювання не перевищує заданого значення. У фотоелементів, що працюють у безперервному режимі, межа лінійності не перевищує 10^-4 А. В імпульсному режимі опромінення при високих напругах анода це значення доходить до десятків амперів [14].

    За  аналогією з електронними лампами  по сімейству вольт-амперних і світлових  характеристик фотоелемента можна  визначити чутливість і внутрішній опір R приладу відповідно як тангенс кута нахилу світлової характеристики та котангенс кута нахилу вольт-амперної характеристики до

осі абсцис. Опір навантаження може включатися в ланцюг анода або фотокатода. При заданій ЕРС джерела живлення опір навантаження вибирається таким, щоб робоча точка А лежала в межах області насичення вольт-амперних характеристик (рисунок 2.5). У цьому випадку робоча світлова характеристика фотоелемента з навантаженням буде збігатися зі статичною, тобто залишатися лінійної в межах вимірюваних потоків. 

    Рисунок 2.5 – Зв'язок між вольт-амперними  та світловими характеристиками фотоелементів [21] 

    Частотна  характеристика. Частотні властивості фотоелемента визначаються часом прольоту електронів від фотокатода до анода та часом перезарядження паразитної міжелектродної ємності через опір навантаження. Час прольоту електронів залежить від відстані між електродами та від напруги анода. В імпульсних потужнострумових фотоелементах з малими міжелектродними відстанями та високими анодними напругами час прольоту не перевищує 10^-11 – 10^-10 с. В інших фотоелементах він становить 10^-9 – 10^-8 с.

    Опір навантаження імпульсних потужнострумових фотоелементів становить кілька десятків Ом, а міжелектродна ємність – одиниці пікофарад, тому гранична частота таких приладів доходить до 10⁹ Гц, Ємність анод-катод фотоелементів першої та другої груп становить кілька десятків пікофарад, і їхня гранична частота в основному залежить від опору навантаження [11].

    Стабільність  чутливості фотоелементів. При подачі на фотоелемент, включений у ланцюг джерела живлення, потоку випромінювання відбувається зміна його чутливості (як правило, спад). Через деякий час значення чутливості стабілізується і може повністю або частково відновитися після вимикання джерела випромінювання або джерела живлення приладу. Нестабільність чутливості в часі залежить від типу фотокатода, технології виготовлення фотоелемента та режимів його роботи.

    Необоротна  зміна чутливості при зберіганні фотоелементів, називається старінням, пов'язана зі зміною властивостей фоточутливого шару. Характер старіння, як і процесу стомлення, визначається типом фотокатода, технологією виготовлення фотоелемента, станом вакууму в балоні.

    Важливим  параметром фотоелементів є темновий струм. Він складається із двох основних струмів: це струм термоелектронної емісії фотокатода та струм витоку між електродами. Струм автоелектронної емісії фотокатода може мати велике значення при напругах анода біля декількох кіловольтів. При настільки високих напругах працюють тільки потужнострумові фотоелементи, для яких рівень темнового струму не має суттєвого значення. Струм термоемісії фотокатода при кімнатній температурі досягає значень 10^-11 – 10^-10 А. У зв'язку з тим, що цей струм визначається типом та технологією виготовлення фотокатода, зменшення його можливо тільки шляхом зниження температури або зменшення розмірів фотокатода [15].

    Струм витоку по зовнішній і внутрішній сторонах скла колби, а також по цоколі при робочих напругах 200–300 В має  значення в межах 10^-9–10^-7А. Для підвищення опору ізоляції при конструюванні фотоелементів збільшують відстань між вводами, а на зовнішню поверхню балона наносять вологостійке покриття. У конструкції фотоелементів, призначених для виміру дуже малих потоків, передбачене охоронне кільце, уварене в балон між виводами фотокатода та анода. Цей електрод з'єднують із негативним або позитивним полюсом джерела живлення залежно від того, у катодний або анодний ланцюг фотоелемента включені вимірювальний прилад або опір навантаження (рисунок 2.6). Завдяки охоронному кільцю струм витоку не протікає через вимірювальний прилад.

    Рисунок 2.6 – Схема включення фотоелемента с охоронним кільцем [22] 

    Ефективним  способом зниження темнових струмів  є використання балансових (мостових) схем включення фотоелемента. На рисунку 2.7 показана схема балансного електрометричного катодного повторювача з фотоелементом у вхідному ланцюзі. Напруга при протікання темнового струму через резистор R1 на вході лівої лампи компенсується на виході такою ж напругою, що виникає від протікання струму затемненого фотоелемента через резистор R₂ на вході правої лампи. Зміна вологості та температури навколишнього середовища викликає однакову зміну темнових струмів у двох плечах балансної схеми, тому вимірювальний прилад не реагує на ці зміни. При відсутності вимірюваного потоку потенціометром Rб відбувається початкова установка вимірювального приладу в нуль. 

     Рисунок 2.7 – Схема балансного електрометричного катодного повторювача з фотоелементом в вхідному ланцюзі 

     Для виділення корисного сигналу  з темнового струму іноді застосовується модуляція вимірюваного потоку випромінювання за допомогою оптичного затвора, наприклад диска що обертається із прорізами. Модульований з деякою частотою струм сигналу легко виділяється шляхом фільтрації з повільно мінливого темнового струму. При необхідності сигнал після фільтра може бути відновлений у первинний вигляд за допомогою детектування [19].

     Граничний потік фотоелемента, включеного у  вхідний ланцюг підсилювального  каскаду, визначається чутливістю фотоелемента до потоку даного спектрального складу та сумарним шумовим струмом у вхідному ланцюзі підсилювача. Дуже слабкий фотострум звичайно не піддається прямим вимірам, і потрібно його попереднє посилення. Для цього в ланцюг фотоелемента включається високоомний резистор, напруга сигналу з якого надходить на підсилювач із високим вхідним опором. 

    2.2 Фотоелектронні помножувачі 

    Фотоелектронні  помножувачі (ФЕП) – це електровакуумні прилади, у яких струм фотоелектронної емісії підсилюється за допомогою вторинної електронної емісії.

    При вимірі дуже слабких потоків випромінювання вихідний сигнал фотоелементів доводиться підсилювати. Граничний потік фотоприймального пристрою з фотоелементом, багато в чому залежить від оптимального узгодження фотоелемента із вхідним ланцюгом підсилювального пристрою, що часто зв'язано зі значними труднощами. Такі важливі параметри фотоприймального пристрою, як широкополосність і поріг чутливості, значною мірою визначаються параметрами підсилювача. Тому на практиці дуже рідко вдається реалізувати граничні можливості електровакуумного фотоелемента [23].

    Істотними перевагами при вимірі слабких сигналів володіють ФЕП, у яких фотоелемент сполучається з вбудованим у загальний балон підсилювачем фотоструму. Для посилення струму використаються емітери вторинних електронів – диноди. Підсилювач струму, побудований на динодах, називається вторинно-електронним помножувачем. Він складається з ряду послідовно розташованих динодів, кожний з яких має потенціал більш високий, чим попередній. Напруга між будь-якими динодами повинна бути достатньою для того, щоб коефіцієнт вторинної емісії був більший одиниці. Вторинно-електронний помножувач можна використати в приладах з будь-яким джерелом первинних електронів, але найбільш широке поширення він одержав у ФЕП.

    Схематичне  зображення ФЕП приведено на рисунку 2.8.

    Рисунок 2.8 – Конструкція та схема включення ФЕП [9] 

    Основними елементами конструкції ФЕП є  катодна камера, помножувальна система (вторинно-електронний помножувач), анод і балон. Катодна камера містить у собі фотокатод 1 та електронно-оптичну систему 2, що забезпечує збір електронів з усією поверхні фотокатода на перший динод 3 помножувальної системи. Електронний потік, кількість електронів у якому збільшується в міру руху від динода до динода, пройшовши помножувальну систему, надходить на анод 4, що представляє собою металеву пластину, штир або мілкоструктурну сітку. Балон ФЕП – це, як правило, скляний циліндр, з однієї сторони якого перебуває оптичне вікно, а з іншого боку – виводи. Приварені до електродів ФЕП вводи можуть мати гнучкі або тверді зовнішні частини. На бокову поверхню балона ФЕП іноді наносять світлонепроникне покриття, що захищає фотокатод і диноди від зовнішніх засвіток. Напруга на електроди ФЕП подається через дільник (вбудований або зовнішній) який входить у блок живлення ФЕП.

    Потік випромінювання, що падає на фотокатод, частково поглинається та викликає фотоелектронну емісію. Емітовані електрони прискорюються  та фокусуються в катодній камері на перший динод. Частина електронів не попадає на поверхню динода через  недосконалість електронно-оптичної системи  катодної камери. Ефективність збору  фотоелектронів на першому диноді являє собою відношення кількості електронів, що досягають першого динода до кількості електронів емітованих фотокатодом. При прольотах між динодами частина електронів також розсіюється. Відношення кількості електронів, емітованих з динода що брали участь у подальшому помножуванні, до загальної кількості електронів, які вилетіли с динода називається ефективністю каскаду посилення [10].

    Помножувальна система сучасних ФЕП містить  у собі від 7 до 14 динодів, що мають  коефіцієнт вторинної емісії від 3 до 8. Ефективність збору каскаду посилення  ФЕП лежить у межах 0,7 ÷ 0,95. Коефіцієнт підсилення ФЕП залежно від призначення може бути від 10³ до 10⁸. Середнє значення вихідного (анодного) струму ФЕП, як правило, не перевищує декількох міліамперів. Для того щоб струм динодів, протікаючи через опори дільника, не приводив до помітної зміни напруги між каскадами, опір резисторів у дільнику не повинен бути дуже великими. Тому на практиці задаються струмом дільника, який в 10–100 разів перевищує струм останнього динода.