КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ІМЕНІ ТАРАСА ШЕВЧЕНКА

ФІЗИЧНИЙ ФАКУЛЬТЕТ

КАФЕДРА ОПТИКИ

ПРАКТИКУМ “ОПТИКО-ЕЛЕКТРОННІ ПРИЛАДИ І СИСТЕМИ”

1

Дослідження характеристик фотоелектронного помножувача

КИЇВ 2001

Список лабораторних робіт та додаткових матеріалів практикуму

“Оптико-електронні прилади і системи”

--------------------------------------------------------------------------------------------

1. Дослідження характеристик фотоелектронного помножувача.

2. Дослідження характеристик фоторезистора.

3. Дослідження характеристик фотодіода.

4. Електрометричний вимірювач струму.

5. Синхронний детектор.

6. Метод лічби одноелектронних імпульсів.

7. Вимірювання форми імпульсу випромінювання.

8. Реєстрація спектрів пропускання.

9. Реєстрація спектрів випромінювання.

10. Вимірювання спектральної чутливості фотоприймачів.

11. Вимірювання абсолютної та порогової чутливості фотоприймача.

12. Методи модуляційної спектроскопії.

13. Мікрофотометри.

1. Терміни та визначення

2. Спектр випромінювання абсолютно чорного тіла. Функція Планка.

3. Опис спектрофотометра СФ-5

У цій лабораторній роботі Ви познайомитеся з пристроєм, принципом дії, характеристиками фотоелектронного помножувача (ФЕП), особливостями методики вимірювання цих характеристик, а також способами реєстрації слабких світлових потоків за допомогою ФЕП.

Мал.1. Схема включення фотоелектронного помножувача.

Теоретична частина.

Схема включення ФЕП показана на мал.1. Електрони, емітовані під дією випромінювання катодом, прискорюються електричним полем, що діє між фотокатодом і першим динодом, і фокусуються на перший динод. У результаті вторинної електронної емісії перший динод емітує в середньому  вторинних електронів, які, прискорюючись, полем між першим і другим динодами, викликають вторинну емісію другого динода і т.д. Після n-го динода електрони збираються на аноді ФЕП. Якщо струм катода - i_c , то анодний струм ФЕП

, (1)

де - темновой струм m-го динода. Катодний струм містить як темновий , так і фотострум . Припускаючи, що темнові струми всіх динодів - однакові, вираз (1) можна записати у виді:

, (2)

де - струм анода ФЕП, викликаний опроміненням, а - струм анода ФЕП, обумовлений темновими струмами катода і динодів.

Як видно зі співвідношення (2), фотострум анода в ⁿ раз більший ніж фотострум катода. Т.ч., ФЕП має в ⁿ раз більшу чутливість до потоку випромінювання, ніж фотоелемент з однаковим фотокатодом.

Коефіцієнт М = ⁿ називається коефіцієнтом підсилення або множення ФЕП і визначається коефіцієнтом вторинної емісії динодів  та їх числом n. Величина М сягає звичайно величини 10⁵ - 10⁸ і сильно залежить від напруги живлення ФЕП (мал.2), тому що коефіцієнт вторинної емісії залежить від енергії первинних електронів. Щоб врахувати той факт, що не усі вторинні електрони, емітовані m-ним динодом, попадають на (m+1)-ний динод, уводять так званий коефіцієнт збирання К. Тоді коефіцієнт множення буде дорівнювати: М = ⁿ Kⁿ. У добре сконструйованого ФЕП, як правило, коефіцієнт збирання дуже близький до одиниці. Тому:

ⁿ Кⁿ  ⁿ .

У середньому кожному електрону, що емітується катодом, відповідає група з ⁿ електронів, що майже одночасно (за час порядку 10^-9 с) попадають на анод і викликають імпульс анодного струму:

, (З)

де U_l - напруга на опорі навантаження R_l, С_l - ємність навантаження, е - заряд електрона. Тривалість імпульсу визначається параметрами навантаження  = R_lС_l. Аналогічно, темнові електрони з динодів викликають в анодній ланці подібні імпульси струму, хоча й у ^n-m раз менші за величиною. Якщо анодний струм виміряється інерційним приладом (наприклад, гальванометром), то буде реєструватися лише середнє за досить великий проміжок часу значення анодного струму, обумовлене виразом (2), і флуктуації відліку приладу, що реєструє, будуть невеликими. При використанні малоінерційного приладу (наприклад, осцилографа) легко спостерігати дробовий характер анодного струму. Будуть спостерігатися великі імпульси, обумовлені емісією електронів катодом, і менші імпульси струму, обумовлені емісією окремих електронів динодами. При великій кількості груп електронів, що попадають за одиницю часу на анод, будуть траплятися імпульси струму, зв'язані з одночасним улученням двох чи декількох груп електронів. . .

Мал.2. Залежність коефіцієнта множення від напруги живлення ФЕП.

Мал.3. Вольт-амперна характеристика ФЕП (U_da- напруга між останнім динодом і анодом.)

Якість ФЕП визначається сукупністю параметрів і характеристик, що залежать від конструкції. Вольт-амперна характеристика ФЕП (мал.3) має горизонтальну ділянку, що є робочою і відповідає області насичення струму, що відбирається анодом. На мал.4 представлені світлові характеристики ФЕП при двох значеннях напруги живлення. При великих опроміненнях лінійність характеристики порушується. Насичення викликане, в основному, двома причинами: зменшенням вторинної емісії динодів при великих густинах струму (стомлення динодів) і утворенням об'ємного заряду.

Мал.4. Світлова характеристика ФЕП при великих струмах анода.

Мал.5. Світлова характеристика реального ФЕП типу RCA-931A.

На мал.5 приведена світлова характеристика фотопомножувача. Вона залишається лінійною в області освітленості від 10^-13 до 10^-4 лм. Практично у всіх ФЕП лінійність світлової характеристики зберігається з точністю не гірше 1% у діапазоні анодних струмів i_a  10^-3 А.

Анодна чутливість ФЕП S_a дорівнює чутливості фотокатода S_c, яка помножена на коефіцієнт підсилення динодной системи М:

S_а = i_a^ph/P = S_cМ. (4)

Тому що, звичайно, S_c = 50 100 мка/лм, а М  10⁶, то інтегральна чутливість ФЕП складає десятки і сотні А/лм.

Крива спектральної чутливості визначається матеріалом застосованого фотокатода, а також матеріалом вхідного вікна (балона) ФЕП. З метою стандартизації параметрів фотокатодів розроблена система позначення типових спектральних характеристик. Деякі з найбільш розповсюджених наведені в таблиці і на мал. 6 .

Позначення спектральної хар-ки у СРСР	Міжнародне позначення	Область спектральної чутливості, нм	Положення максимумуmax, нм	Тип фотокатода
С-1	S-1	6001100	800  100	Киснево-срібно-цезієвий
С-4	S-11	330  650	420 – 440	Сурм'яно-цезієвий
С-7	S-10	320  750	500  50	Вісмуто-срібно-цезіевий
С-11	S-20	300  850	430  50	Мультилужний

Якщо на ФЕП, цілком захищений від випромінювання, подати напругу живлення, то, незважаючи на відсутність фотоемісії з фотокатода, в анодній ланці ФЕП буде протікати струм, називаний темновим.

По природі виникнення його можна розділити на наступні основні компоненти (мал.7):

- термострум з фотокатода (крива 1), підсилений динодною системою з коефіцієнтом підсилення М, а також термоструми з динодів, посилені з тим меншим коефіцієнтом, чим більше номер динода (основний внесок вносить струм першого динода);

- струм утоку (крива 2) між виводом анода та інших елементів ФЕП;

- струм автоелектронної емісії з динодів та інших електродів;

- струм, що виникає внаслідок іонного й оптичного зворотного зв'язку (область 4), що розвиваються у ФЕП через його неякісне конструктивне чи технологічне виконання.

Мал.6. Спектральні характеристики деяких найбільше вживаних фотокатодів ФЕП.

Мал.7. Залежність основних компонентів темнового струму від напруги живлення ФЕП.

При належному виборі напруги живлення, конструкції і технології виготовлення ФЕП величина темнового струму може бути істотно знижена. Однак, темновий струм, обумовлений термоелектронною емісією, принципово не може бути виключений цілком, і мінімальна його величина визначається, в основному, термоелектронною емісією фотокатода, підсиленою динодной системою:

, (5)

де S - площа фотокатода, А - робота виходу термоемісії, Т - температура. Таким чином, у катодів невеликої площі, виготовлених з матеріалу з великою роботою виходу термоелектронів, ці струми будуть невеликими. Так, наприклад, сурм'яно-цезієві фотокатоди мають при кімнатній температурі густину струму термоелектронної емісії порядку 10^-15 А/см². Ефективним засобом зниження темнового струму є охолодження ФЕП.

Величина фотоструму і темнового струму ФЕП потерпає статистичних флуктуацій в околі деякого середнього значення. Ці статистичні флуктуації називають дробовим ефектом емісійного струму. Середнє значення флуктуаційного струму, що накладається у вигляді змінної складової на середній постійний струм емісії, називають шумовим струмом дробового ефекту електронної емісії:

, (6)

де i_c - постійна складова струму емісії, рівна сумі фотоструму, пропорційного середньому значенню падаючого на катод потоку випромінювання, і струму термоемісії катода, що не залежить від потоку випромінювання і визначається лише типом, площею і температурою фотокатода (див. формулу (5)),  - час усереднення струму.

Іншим джерелом шуму є коливання фотоструму, зв'язані з мінливістю чутливості фотокатода внаслідок дифузійних та міграційних процесів в об’ємі та на поверхні катода. Ці процеси протікають повільно, тому шум, з ними пов'язаний, виявляється тільки в області низьких частот. Цей низькочастотний шум називають ефектом мерехтіння, або флікер-ефектом. У добрих ФЕП цей шум дуже малий і їм можна нехтувати.

З усіх фотоелектричних приймачів випромінювання фотоелементи і ФЕП мають найменшу інерційність. Їх інерційність визначається часом прольоту електронів від катода до анода і розкидом по швидкостях електронів у групі, що сягає анода. Спеціальні (т.зв. коаксіальні) ФЕП мають інерційність порядку 10^-11с. Без застосування спеціальних заходів ця величина складає = 10^-8...10^-9с.

Створення фотометрів на основі ФЕП. З відомих методів реєстрації слабких потоків випромінювання - вимірювання постійного струму, синхронне детектування, лічба одноелектронних імпульсів - з ФЕП можуть бути застосовані усі з вище перерахованих.

На мал.8, 9 і 10 приведені спрощені схеми включення ФЕП з різними реєстраторами, що працюють, відповідно, по методу вимірювання постійного струму, синхронного детектування і лічби одноелектронних імпульсів.

Мал.8. Блок-схема включення ФЕП по методу вимірювання постійного струму.

Мал.9. Блок-схема включення ФЕП при модуляційному методі вимірювання потоку випромінювання із застосуванням синхронного детектування.

Мал.10. Блок-схема включення ФЕП при вимірі потоку випромінювання методом лічби одноелектронних імпульсів.

Порівняння порога чутливості (P*_min) ФЕП при різних методах реєстрації дає найменше значення P*_min для методу лічби одноелектронних імпульсів. При відсутності флікер-шумів метод вимірювання постійного струму переважніше методу синхронного детектування. Однак, конкретні умови експерименту (наявність фонового засвічування, сильний дрейф темнового струму) призводять до необхідності застосування методу синхронного детектування. Найбільш простим з погляду технічної реалізації є метод вимірювання постійного струму.

Експериментальна установка змонтована на базі спектрофотометра СФ-5, використовуваного в якості монохроматора. На мал.11 показаний її зовнішній вигляд і органи керування. Для дослідження характеристик фотоелектронних помножувачів у спектрофотометрі переустаткований відсік фотоприймача й убудоване високовольтне джерело живлення з регулюванням напруги від 0 до 1500 В та індикацією заданої величини на стрілочному індикаторі, а також електрометричний вимірювач струму з можливістю керування коефіцієнтом перетворення від 10^-5 до 10^-9А на шкалу, зсувом нуля і постійною часу від 0,1 до 100 с. Під кришкою кюветного відділення встановлений мікровимикач, що знімає напруга живлення з ФЕП при її відкриванні, запобігаючи, таким чином, вихід з ладу приймача випромінювання. Напруга до всіх електричних ланок установки подається єдиною червоною кнопкою включення мережі. З призначенням інших органів керування можна ознайомитися, звернувшись до інструкції з експлуатації спектрофотометра СФ-5.