книги из ГПНТБ / Соммер А. Фото-эмиссионные материалы

полагать, что эффекты утомления существуют в фотокатодах всех ти­ пов,- хотя электролитический эффект, по-видимому, наиболее заметен

ВC S 3 S D .

3. Фотоэлементы являются единственными фотоэмиссионными приборами, которые используются не только как вакуумные при­ боры. Если в колбе фотоэлемента находится газ при давлении по­ рядка 0,1 мм рт. ст., электронная эмиссия может усиливаться, по­ скольку дополнительные электроны возникают в результате ударной ионизации молекул газа. Газовое усиление растет с увеличением по­ тенциала анода, но оно ограничено началом самостоятельного раз­ ряда, так что обычно коэффициент усиления не превышает десяти. Вследствие химической активности материалов фотокатодов, содер­ жащих щелочные металлы, для наполнения фотоэлементов исполь­ зуются только инертные газы, обычно аргон.

Газонаполненные фотоэлементы неудобны для фотометрии, по­ скольку они работают недостаточно стабильно. Вследствие быстрого

во время работы вызывают изменение давления газа, что также приводит к изменению коэффициента усиления и, следовательно, чув­ ствительности. Характеристики газонаполненных фотоэлементов усту­ пают характеристикам вакуумных приборов еще и в другом отноше­ нии. Вследствие малой скорости положительных ионов, которые пе­ реносят часть тока в газонаполненных приборах, максимальная ча­ стота фотоотклика в последних значительно ниже, чем в вакуумных фотоэлементах, и обычно не превышает 10 кгц. Вследствие всех этих недостатков применение газонаполненных фотоэлементов весьма ограничено. Тем не менее за последние 35 лет было выпущено очень большое количество таких фотоэлементов для одной специальной задачи, а именно для воспроизведения звука в звуковом кино (более подробную информацию о газонаполненных фотоэлементах можно найти в [Л. 232, гл. 7]).

Что касается выбора фотоэмиссионного материала для фотоэле­ ментов, то в принципе может быть использован любой тип фотока­ тодов, рассмотренных в этой книге. Однако, поскольку фотоэлементы используются для обнаружения и измерения относительно больших световых потоков, при работе в видимой области спектра почти всег­ да используются CsjSb и Ag-0-Cs фотокатоды, так как они изготов­ ляются самым простым и, следовательно, наиболее экономичным ме­

приборы, разумеется, должны быть снабжены окнами, которые про­

пускают излучение в этих областях спектра.

Фотоумножители. Фотоумножителями называются многоэлек­ тродные приборы, в которых фотоэлектроны, эмиттируемые фотока­ тодом, направляются к электроду (диноду), обладающему высоким коэффициентом вторичной эмиссии, так что на каждый падающий фотоэлектрон освобождается несколько вторичных электронов, обыч­ но от 3 до 6. Вторичные электроны умножаются на втором диноде,

число диподов. Обычно коэффициент усиления достигает величины порядка 10°—107 .

Фотоумножитель имеет два основных преимущества перед ваку­ умным фотоэлементом. Во-первых, при регистрации очень слабых световых сигналов процесс умножения вносит значительно меньший шум, чем в случае обычного радиотехнического усиления сигнала фотоэлемента (см., например, [Л. 233]). Во-вторых, умножение с по­ мощью вторичной эмиссии не зависит от частоты сигнала вплоть до очень высоких частот. Превосходство фотоумножителя над комбина­ цией фотоэлемент —• усилитель еще более увеличилось после разра­ ботки техники счета [Л. 234], при использовании которой сигнал на выходе фотоумножителя регистрируется не в форме электрического тока, а путем счета числа отдельных актов фотоэмиссии с фотока­ тода.

Для более детального знакомства с конструкцией фотоумножи­ телей и их работой следует обратиться к многочисленным публика­ циям по этому вопросу. (Некоторые из лучших работ (Л. 232, 233, 235] были опубликованы более 10 лет тому назад. Что касается более поздней информации, по-видимому, наиболее полезны мате­ риалы, опубликованные изготовителями фотоумножителей.) В этой главе мы рассмотрим только вопросы, относящиеся к использованию фотокатодов в фотоумножителях. Однако предварительно имеет смысл проиллюстрировать сложность современных фотоумножителей, просто перечислив некоторые проблемы, имеющие отношение к их конструкции.

Материалы динодов. В качестве материала динодов чаще всего используют соединение CssSb, которое является также одним из наи­ более важных фотоэмисспонных материалов, и окисленные сплавы Mg-Ag и Ве-Cu. Каждый из этих материалов имеет определенные преимущества в отношении коэффициента вторичной эмиссии, стабиль­ ности работы и т. д. В недавних экспериментах с фосфидом галлия, покрытым пленкой Cs(GaP(Cs)), Симон и Уильяме {Л. 236] получи­ ли коэффициент вторичной эмиссии, на порядок превышающий значе­ ния коэффициентов у приведенных выше материалов. Использование этого или аналогичного соединения в качестве материала для дино­

зуются значительно реже или находятся в стадии разработки. Среди

динодом из GaP(Cs), обладающие значительно более высокими по­

Длины к диаметру. Внутренние стенкії этого Канала покрыты ЁЫсОкоомиы.м материалом, обладающим высоким коэффициентом вторич­ ной эмиссии. Когда на два конца канала подается напряжение, элек­ троны, входящие в канал, испытывают на пути по каналу много соударении со стенками, причем каждое столкновение вызывает раз­ множение электронов путем вторичной эмиссии.

Выбор Д7ШОДПОИ системы и числа дииодов определяется многими соображениями, например треболашіямн к величине общего усиления и темпового тока, я также скорости фотоотклпка. Если учесть, что,

1-11 -Диноды

13 -Анод

Рис. 68. Фокусирующая динодная система (линейная конструк­ ция).

кроме перечисленных различий в материале и конструкции динодоз, могут также различаться' материалы катодов и их геометрические размеры, станет ясно, почему производится много сотен различных типов фотоумножителей, представляющих собой различные комбина­ ции этих параметров.

Фотокатоды в фотоумножителях. Выбор фотокатодов для фото­ умножителей обычно определяется тремя условиями. Во-первых, фо­ токатоды должны обладать высоким квантовым выходом в требуемой области спектра. Во-вторых, термоэлектронная эмиссия при комнат­ ной температуре должна быть по возможности низкой, для того что­ бы уменьшить или исключить темповой ток и, следовательно, улуч­ шить отношение сигнала к шуму. В-третьих, выбор фотокатода иног-

мой области спектра. Для этой цели наиболее предпочтителен (Cs)Na2KSb (S-20) фотокатод. Ві-Ag-O-Cs (S-10) фотокатод имеет более низкий квантовый выход при всех длинах воли и, кроме того,

тод. В качестве солнечно-слепых фотокатодов обычно используются

ского устройства, предложенного этими авторами, показан на рис. 72 и состоит в том, что луч света падает через наружную призму под углом 45° на плоское окно, на которое нанесен полупрозрачный фо­ токатод. Это приводит к следующим результатам.

Во-первых, свет, который при нормальном падении теряется вследствие отражения от границы окно — катод, в данном устройстве возвращается в фотокатод благодаря полному внутреннему отраже­ нию на границе окно — воздух. Во-вторых, свет, который при нор­ мальном падении теряется, проходя сквозь пленку фотокатода, так­ же возвращается в фотокатод благодаря полному внутреннему отра­ жению па границе катод — вакуум. В-третьих., при наклонном паде­

Рис. 72. Устройство для уменьшения опти­ ческих потерь на отражение и пропускание [Л. 245].

нии света увеличивается длина светового пути внутри пленки фото­ катода при данной толщине пленки и, следовательно, увеличивается число фотонов, поглощенных в фотокатоде.

Как показано на рисунке, процессы полного внутреннего отраже­ ния на обеих границах могут повторяться многократно, в результате чего оптические потери на отражение и пропускание могут быть све­ дены к минимуму. Были проведены эксперименты с 5-20 фотокатода­ ми, и действительно была получена значительно более высокая чув­ ствительность, чем в случае падения света по нормали к окну. Полу­ ченный коэффициент усиления близок к двум в синей области спект­

где поглощение в фотокатоде велико, оптическое усиление связано только с уменьшением потерь на отражение. В то же время в длин­ новолновой области возникает дополнительное и много большее уси­ ление вследствие уменьшения потерь на пропускание. Следует отме­ тить, однако, что метод наклонного падения света можно использо­ вать только в случае хорошо сфокусированных световых лучей, на­ пример, в спектроскопии или при работе с лазерами.

в соответствующее «электронное изображение». Для этой цели опти­ ческое изображение фокусируется на фотокатод, в результате чего число фотоэлектронов, эмпттируемых в каждой точке фотокатода, прямо пропорционально числу падающих на эту точку фотонов. Практически это удобно выполнять только с применением полупроз­ рачного фотокатода, нанесенного на плоское окно прибора. Именно

Выбор фотокатода Для обнаружения ультрафиолетового изобра­ жения определяется такими же соображениями, что и в случае фото­ умножителей (см. § 11-1).

Для усиления изображения в видимой области спектра наиболее часто используется 5-20 фотокатод вследствие его высокой эффектив­ ности во всей спектральной области. Для специальных применений! например для усиления слабого изображения на люминесцентном экране, излучающем .в основном синий свет, используют 5-11 фотока­ тод или двухщелочной K,2CsSb фотокатод, обладающий равной пли даже большей чувствительностью. В качестве примера можно при­ вести рентгеновский электронно-оптический преобразователь, служа­ щий для обнаружения слабого изображения в рентгеновских лучах, или второй и последующий каскады в каскадных электронно-оптиче­ ских преобразователях.

Передающие трубки. Наиболее важным применением передаю­ щих трубок (см., например, [Л. 249, 250]) является их использование в телевизионных камерах для передачи из студии или с места собы­ тий. В первое время в телевидении использовались только S-1 я S-11 фотокатоды, что приводило к искажению цветопередачи вследствие чрезмерного усиления инфракрасного излучения в первом случае и отсутствия чувствительности в красной области спектра во втором. Это ограничение в значительной степени было преодолено в резуль­ тате изобретения S-10 фотокатода, спектральная характеристика ко­ торого приближается к характеристике человеческого глаза. В ре­ зультате этого в течение многих лет S-10 фотокатод почти исключи­ тельно использовался в передающих трубках, например в ортиконах, и сыграл важную роль в развитии цветного телевидения. Недавно вместо 5-10 стал применяться окисленный двухщелочной фотокатод вследствие того, что он обладает панхроматической спектральной ха­ рактеристикой и более высоким квантовым выходом в синей области спектра, где чувствительность 5-10 фотокатода недостаточна.

Кроме телевидения, передающие трубки используются также в военной технике и в научных исследованиях, например в астроно­ мии. В этом случае важно использовать фотокатод с максимальным квантовым выходом, поскольку принципиальный предел обнаружения очень слабых световых сигналов определяется квантовым выходом фотокатода. Поэтому при таких исследованиях обычно используют фотокатод 5-20.

С п и с о к л и т е р а т у р ы 1

1'. Frohlich Н., Sack R. A. Proc. Phys. Soc. (London), 59, 30, 1947.

2.Somnier A. H., Spicer W. E. «Photoe!ectronic MateriaJs and Devices*, S. Lar.ach (Ed.), Van Nostrand, Princeton, N. Y., p. 175, 1965.

3.Spicer W. E. RCA Rev., 19, 555 (1958).

5.Imamura S., Shiga F., Kinoshita K., Suziki T. Phys. Rev., 166, 322, 1968.

6.Teich M. C, Schroeer J. M., Wolge C. J. Phys. Rev. Letters, 13, 61il, .1964.

7.Logothetis E. M., Harthman P. L. Phys. Rev. Letters, 18, 581,

1967.

15.Anderson P. A. Phys. Rev. 98, 1739, 1955.

16.Yu A. Y. C, Spicer W. E. Phys. Rev., 167, 674, 1968.

17.Boutry G., Evrard R., Richard J. C. Compt. rend., 258, 143,

1964.

18.Riviere J. C. Proc. Phys. Soc. London, В 70, 676, 1957.

09.Kohler P., Menzel E. Z. Naturforsch, 20A, Л223, 1965.

20.Roller D., Jordan W. H., Woodward C. S. Phys. Rev., 38, 396, 1931.

21.Van Laar J., Scheer J. J. Philips Res. Rept., 15, 1, 1960.

22.Zalm P., van Stratum A. J. A. Philips Tech. Rev., 27, 69, 1966.

23.Garron R., Testard D. Compt. rend., 253, T770, 1961.

24.Boutry G., Dormont H., Evrard R., Perrin R. Compt. rend., 261, 383, 1965.

25.Anderson P. A. Phys. Rev., 75, 1205, 1949.

26.Garron R. Compt. Rend., 258, 1458. 1964.

27.Maurer R. J. Phys. Rev., 57, 653, 1940.

28.Hopkins B. J., Ross K. J. Brit. J. Appl. Phys., 15, 89. 1964.

29. Oman R. M., Dillon J. A. Surface Science, 2, 227, 1964.

30.Anderson P. A. Phys. Rev., 102, 367, 1956.

31.Brady J. J. Phys. Rev., 41, 613, 1932.

32.Goetz A. Phys. Rev.. 33, 373, .1929.

33.Jaeckel R., Wagner B. Vacuum, 13, 509, 1963.

34.Riviere J. C. Proc. Phys. Soc. (London), 80, 124, 1962.

35.Rentschler H. C., Henry D. E. Trans. Electrochem. Soc, 87, 289, 1945.

36.Riviere J. C. Proc. Phys. Soc. (London), 80, 116, 1962.

1966.

1 Литература, отмеченная звездочкой, добавлена переводчиком и редакто­

ром.