3. Дайте визначення, наведіть схему та поясніть принцип дії вакуумного та іонного фотоелемента. Поясніть призначення ложного аноду.

Розглянемо найпростіший фотоелемент, схема підключення та загальна конструкція якого представлена на рис.1.3 У ланцюг аноду включається джерело постійної напруги (150 -200 В) і опір навантаження R. При опроміненні фотоелемента в анодному ланцюзі виникає струм, що створює на опорі R падіння потенціалу. При зміні світлового потоку, що діє на фотоелемент, змінюється величина струму у фотоелементі і, отже, різниця потенціалів на опорі R, відтворюючи своїми змінами зміни світлового потоку.

Рисунок 1.3 Принципова схема включення фотоелементу

Будова електровакуумного фотоелементу показане на рис.1.4а. У скляному балоні, з якого видалено повітря, поміщені у вакуумі або в газі два електроди: катод К и анод А. Катод у вигляді тонкого металевого світлочутливого шару зазвичай наноситься на внутрішню поверхню скляного балона фотоелемента як показано на рис.1.4а. Анод виготовляють найчастіше у вигляді невеликого, дротового кільця, розташованого в центрі балона.

Рисунок 1.4. Будова електровакуумного фотоелемента загального типу (а) та місткового типу (б)

Іноді у фотоелементах, призначених для роботи в місткових схемах, крім основного анода, поміщають другий, додатковий анод із протилежної сторони катода (рис.1.4б).

Є також конструкції фотоелементів з однаковими електродами, їх називають двох-катодними. У такому приладі в балон поміщають дві однакові світлочутливі поверхні і живлять їх змінним струмом. Кожна поверхня, при опромінені одним джерелом по черзі стає катодом і анодом, щоб фотоелемент проводив струм в обох напрямках.

Основними характеристиками фотоелемента, необхідними для вибору його робочого режиму є:

1. вольт-амперні характеристики, що показують залежність струму фотоелемента від величини анодної напруги при постійному світловому потоці, тобто криві I_а = f(Ua), при різних  = const (рис.1.5а);

2. світлові характеристики, що показують залежність струму фотоелемента від величини світлового потоку при постійній анодній напрузі, інакше, криві I_a = f(), при різних U_a = const (рис.1.5б). Іонний фотоелемент має нелінійну характеристику — збільшення емісійного струму супроводжується більш інтенсивною іонізацією і непропорційним збільшенням струму на аноді. При використанні іонних фотоелементів неможливо уникнути нелінійних викривлень;

3. крутість світлової характеристики =di_a/d мкА/лм характеризує роботу фотоелемента при змінному світловому потоці.

Рисунок 1.5 Основні характеристики фотоелемента: а) вольт-амперна характеристика; б) світлова характеристика; в) вольт-амперна характеристика іонного фотоелемента

4. Дайте визначення та поясніть принцип дії фотоелектронного помножувача (ФЕП) на прикладі однокаскадного ФЕП.

Часто, із-за спектральних характеристик фотокатодів та із-за малих значень велечин світлових потоків, необхідно суттєво посилити фотострум. Для цього можна використовувати надчутливі електронні схеми посилення, які можуть спотворити сигнал, або використовувати фотоелектронні помножувачі.

При реєстрації слабких світлових сигналів фотострум малий (наприклад, при Ф = 10 ^- 10 лм і  =  100 мкA/лм I_a = 10^-14 A) і для його посилення доводиться використовувати багато каскадні підсилювачі. Цього можна уникнути, якщо у фотоелемент увести каскади вторинного-електронного множення потоку фотоелектронів. Такі прилади називаються фотоелектронними помножувачами (ФЕП). При п каскадах множення фотострум підсилюється в а^п раз, і чутливість ФЕП по анодному струму, називана анодною чутливістю:

,

яка може приймати дуже великі значення. Так, наприклад, при  = 30 мкА/лм, n=13 і =3,  = 50 А/лм. Слід зазначити, що можливість реалізації такої високої чутливості обмежується областю слабких світлових сигналів. При надмірному збільшенні анодного струму робота емітерів (особливо останніх каскадів) порушується. Припустимий струм ФЕП не перевершує декількох одиниць мікроамперів.

У загальному випадку конструкція ФЕП повинна забезпечувати необхідне посилення, оптимальні умови влучення випромінювання на фотокатод, високу ефективність збору фотоелектронів на перший динод і вторинних електронів на кожний наступний динод, малі зміни часів прольоту електронів, що визначають швидкодію та лінійність світлових характеристик. Динодні системи ФЕП можна класифікувати по способу керування рухом електронів з динода на динод. Керування здійснюється за допомогою:

1. електростатичних полів;

2. електростатичних і магнітних полів;

3. високочастотних електричних і магнітних полів.

Конструкції динодних систем досить різноманітні, однак з урахуванням основних особливостей їх можна розділити на наступні групи:

а) системи на дискретних динодах;

б) системи на розподілених динодах;

в) системи з напівпровідниковими елементами, що множать.

Основні вимоги, пропоновані до емітерів вторинних електронів (динодів), що використовуються у ФЕП:

1. коефіцієнт вторинної емісії динода повинен бути значним при порівняно малих енергіях первинних електронів (60-100 еВ);

2. коефіцієнт вторинної емісії повинен бути стабільним у робочому режимі;

3. динод не повинен мати фотоелектронну і термоелектронну емісії, що створюють додатковий шум;

4. виготовлення динодів повинне бути простим і не виявляти шкідливого впливу на параметри фотокатода;

5. емітери повинні мати достатню провідність.

Найпростішим по будові є однокаскадний помножувач -- фотоелемент із вторинною емісією, схема якого показана на рис.1.6. На фотокатод ФК падає світловий потік, що приводить до виникнення фотоелектронів. Фотоелектрони рухаються до сітчастого аноду А, і більша їх частина, пролітаючи крізь анод, бомбардує динод Д вибиваючи з нього вторинні електрони. Останні рухаються на анод і разом з первинними електронами, що потрапили на анод, утворюють у ланцюзі робочий струм, значно більший струму з фотокатода.

Рисунок 1.6 Схема найпростішого однокаскадного ФЕП

Принцип роботи багатокатодного ФЕП можна розглянути за допомогою його загальної схеми (рис.1.7). Фотокатод ФК опромінюється світлом скрізь «вікно» приладу. Фотоелектрони спрямовуються електричним полем на вторинний емітер –динод Д₁ і вибивають із нього вторинні електрони. Якщо коефіцієнт вторинної емісії емітера  > 1, то відбувається множення електронного потоку. З першого емітера вторинні електрони попадають на другий Д₂ і знову множаться і т.д. Останній електрод-анод А є колектором, що збирають вторинні електрони.

Рисунок 1.7 Загальна схема багатокаскадного ФЕП

Як коефіцієнт вторинної емісії, так і анодна чутливість сильно залежать від прикладеного до помножувача напруги (живлення всіх електродів ФЕП здійснюється від загального джерела напруги, навантаженого на потенціометр; прикладена напруга рівномірно розподіляється між динодами приладу). Так, якщо ФЕП-19 живеться від джерела з напругою 950 В, те анодна чутливість не перевершує 1А/лм, а при 1940 В вона досягає 1000 А/лм. Звідси випливає, що для забезпечення стійкої роботи ФЕП слід живитися від стабілізованих випрямлячів.

Оскільки при переході з одного емітера на інший неминуче розсіювання електронів, те реальні значення анодної чутливості виходять менше розрахункових. Зменшення розсіювання досягається створенням між емітерами фокусуючих електричних або магнітних полів.