книги из ГПНТБ / Слабкий Л.И. Методы и приборы предельных измерений в экспериментальной физике

с туннельными диодами невелика и, в зависимости от типа диодов, может лежать в пределах 4—7 дб, а среднеквадратическое напря­

жение шумов (f/jv)1/2—(0,3-^-1) ■ІО-7 ВІгц.

Туннельные диоды могут применяться не только в резонансных, но также и в апериодических усилительных схемах, с помощью ко­ торых можно получить усиление в широкой полосе частот.

В заключение отметим, что применение туннельных диодов в низкочастотных устройствах ограничено их сравнительно малым значением собственной емкости туннельного диода Со~(3-=-100)пФ и относительно малым значением дифференциального отрицатель­

шумящих входных устройств является целесообразным.

Г л а в а 2

ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИНДИКАТОРЫ

СЛАБЫХ СВЕТОВЫХ ПОТОКОВ

Для регистрации очень слабых световых потоков обычно широко применяются фотоэлектронные умножители (ФЭУ) [37, 38—48], которые обладают, сравнительно с другими приемниками (боло­ метрами, фотоэлементами, полупроводниковыми элементами и др.), целым рядом преимуществ, к числу которых можно отнести следую­ щие:

1) очень большой коэффициент усиления (до ІО9) при низком уровне собственных шумов;

3U

2) высокая временная разрешающая способность (до 10-1° с

ивыше);

3)возможность работы в широком диапазоне световых потоков при использовании части (из всех) динодов ФЭУ;

4)малые габариты, нечувствительность к вибрациям, возмож­ ность охлаждения до очень низких температур.

Ниже будут рассмотрены основные характеристики ФЭУ в ре­ жиме их работы для измерения предельно слабых световых по­

токов 10, а также некоторые практические схемы таких устройств.

§ 1. Шумовые характеристики ФЭУ

Основным источником шумов в ФЭУ является темновой ток, обусловленный: а) утечкой; б) холодной эмиссией с электродов ФЭУ; в) наличием ионов остаточных газов в баллоне ФЭУ; г) термо­ электронной эмиссией; д) наличием космической радиации; е) оп­ тической обратной связью.

Зависимость величины темнового тока /т фотоумножителей от напряжения U на его динодах является нелинейной (рис. 107 [39]), причем различные ее участки соответствуют различным компонен­ там полного темнового тока. Так, при напряжении между соседними динодами в пределах 0-7-60 В основной вклад дает ток утечки вслед­ ствие неизбежных загрязнений внутренней поверхности колбы ФЭУ скбнденсировавшимися парами щелочных металлов (в частности, Cs) в процессе изготовления ФЭУ. При напряжении U = 60-7-100 В преобладающей компонентой / т является ток термоэлектронной

Рис. 107. Темповой ток 1т ФЭУ при различных напряжениях UK на его динодах

О40 80 120 ин,В

эмиссии и, наконец, для области, где U = 100—1000 В, начинают играть заметную роль различные газоразрядные явления, вторич­ ная ионизация и автоэлектронная эмиссия.

Флуктуации темнового тока, в конечном итоге определяющие предельную чувствительность ФЭУ, при которой падающий на ка­

10 Флуктуации светового потока, обусловленные его квантовой природой, могут быть зарегистрированы человеческим глазом [38].

212

тод ФЭУ световой поток Фп создает на его выходе сигнал, равный среднеквадратическому значению флуктуирующего шумового тока, имеют характер дробового шума фототока. Величина этого шума может быть найдена по формуле Шоттки:

схемы в целом; В — фактор, учитывающий шум за счет эффектов вторичной эмиссии. (При низких частотах модуляции светового по­ тока (/s^lO2 гц) необходимо учитывать также фликкер-эффект за счет сравнительно медленных изменений чувствительности фото­ катода ФЭУ вследствие различных миграционных процессов, в част­ ности процесса диффузии.)

На участке вольт-амперной характеристики ФЭУ, где основную

где G — коэффициент усиления ФЭУ, / т — термоэлектронный ток фотокатода; / 0 — фототок полезного сигнала с фотокатода.

Отношение сигнала к шуму на выходе ФЭУ можно записать в виде

В зависимости от способа работы ФЭУ в схеме (режим измерения тока или импульсный режим) можно различать два типа шумовых характеристик, а именно флуктуации выходного тока ФЭУ (и со­ ответствующую им предельную чувствительность к световому по­ току Фп, лмІгц'А) и распределение импульсов тока по их амплитуде (амплитудный спектр шумов, определяющий предельную чувстви­ тельность ФЭУ как счетчика числа фотонов).

В случае работы ФЭУ в режиме счетчика импульсов (счетчик фотонов) распределение шумовых импульсов фотоэлектронов на выходе ФЭУ может быть как пуассоновским, так и экспоненциаль­ ным, а в большинстве случаев оно представляет собой суперпозицию

динодов, К — их среднее значение, отнесенное к одному первич­ ному электрону) имеет место в тех случаях, когда основную роль в шумовом токе играет термоэлектронная эмиссия с фотокатода, которая подчиняется пуассоновскому закону распределения, так же как и эмиссия от фотоэлектронов при подсветке. Относительная

213

флуктуация числа электронов АN/N на выходе ФЭУ равна ANIN =

=/ К1(К— \)

Если же основной вклад в шумовой ток обусловлен какими-либо

иными процессами (свечением колбы, свечением остаточных газов, эффектами ионизации, приводящими к разрядам, стеканием зарядов с острых углов динодов ФЭУ, автоэлектронной эмиссией, утечкой по баллону колбы и др.), то в этом случае распределение выходных шумовых импульсов будет близко к экспоненциальному, которое для одноэлектронного распределения имеет вид

причем напряжение U, соответствующее максимуму импульсов, равно U — U0 (N—1).

Типичные кривые, соответствующие различным компонентам темнового тока, приведены на рис. 108 [39]. Здесь 1 — экспонента, 2 — «пуассоновская» кривая, 3 — более сложная, двугорбая кри­ вая, обусловленная, видимо, пуассоновскими процессами с различ­

ными значениями К. Сравнение двух методов измерения с приме­ нением ФЭУ — метода счета импульсов на выходе ФЭУ и метода, при котором измеряется средний ток анода ФЭУ, — показывает, что наиболее чувствительным является первый из этих методов, который часто называют одноэлектронным. Это вытекает из следую­ щих рассуждений. Предел чувствительности метода «среднего тока» определяется флуктуациями анодного тока ФЭУ, а следовательно, и флуктуациями напряжения анода. При этом амплитуда импуль­ сов «помех», дающих вклад в величину флуктуаций анодного тока, не селектируется, а вероятность появления шумовых импульсов большой амплитуды (например, газоразрядных) пропорциональна напряжению на аноде ФЭУ. Для метода счета импульсов, при кото­ ром устанавливается выбранный диапазон измерения амплитуд импульсов, чувствительность ограничена числом шумовых импуль­ сов в данном диапазоне амплитудного спектра, и число шумовых импульсов большой амплитуды в этом участке спектра не зависит от напряжения на аноде ФЭУ, т. е. их будет значительно меньше, чем в режиме «среднего тока». Кроме того, применение модуляции светового потока при весьма слабых потоках практически не дает заметного эффекта ввиду относительно больших статистических флуктуаций числа фотонов в регистрируемом излучении.

При пуассоновском законе распределения выходных импульсов ФЭУ Для сигнала Ns и шума NN минимальное время измерений,

214

<о

Рис. 108. График функции N (U) для различных компонент темнового тока ФЭУ

необходимое для регистрации полезного сигнала с относительной ошибкой, не превышающей величины а, определяется из условия [37]

при комнатной температуре световой поток в 70 квантов/с может быть зарегистрирован за время измерения ^га1п = 1 мин. Отметим, что такому потоку квантов с X = 4100 А при площади фотокатода а = 1,8 см2 соответствует интенсивность потока энергии 1,9Х ХІО-17 Вт/см2, что на порядок меньше предельной чувствитель­ ности, регистрируемой человеческим глазом [38].

215

Амплитуда. имлульсоИ, отн. ед.

Рис. 111. Функции распределения числа импульсов ФЭУ для шума (а) и для сиг­ нала (б)

Изменение напряжения питания ФЭУ оказывает определенное влияние на его шумовые характеристики. На рис. 109 [39] при­ ведены зависимости количества шумовых импульсов на выходе ФЭУ за 30 с от напряжения питания для 13-каскадного ФЭУ типа ФЭУ-1 С, обладающего низким уровнем шума (отобранный эк­ земпляр).

Как видно из этого графика, имеется пологий участок (плато), который соответствует оптимальному напряжению питания. Об­ ласть плато показывает, что регистрируется каждый вырванный из фотокатода электрон, причем усиление здесь максимально, в то время как область правее плато характеризует появление самопро­ извольных разрядов в ФЭУ. Чем больше область плато и чем более пологой является кривая N = N (U), тем более стабильны шумы ФЭУ, что является также одним из важных факторов, которые надо учитывать при выборе того или иного экземпляра ФЭУ.

Одной из наиболее характерных особенностей шумов ФЭУ яв­ ляется превышение величины «статического» шумового тока / т

фициент усиления ФЭУ). Это, по-видимому, связано с добавочной

экземпляра ФЭУ для предельных измерений, поскольку она харак­ теризует стабильность его шумов. Так, величина t, для хороших экземпляров умножителей должна лежать в пределах 1 .^ і< 1 0 , причем чем ближе £ к единице, тем лучше.

Для снижения уровня шумов ФЭУ пользуются различными ме­ тодами — экранированием электростатическим экраном с отри­ цательным потенциалом, равным потенциалу катода, применением дополнительных фокусирующих магнитных систем, а также пони­ жением температуры ФЭУ. Этот последний способ, как правило, является наиболее эффективным и для некоторых экземпляров ФЭУ (порядка нескольких процентов из партии) позволяет в ІО2—103 раз понизить уровень шумов.

216

Регистрация сигналов (импульсов) при слабых потоках осуществ­ лялась при помощи широкополосного импульсного усилителя УШ-2 и пересчетного прибора типа ПС-10000. Напряжение на ФЭУ по­ давалось от выпрямителя ВС-22, причем напряжения катод— динод /, динод / — динод II и т. д. были одинаковы.

Исследовавшиеся в [41 ] фотоумножители типа ФЭУ-39 и ФЭУ-46А с сурьмяно-цезиевыми фотокатодами без проводящей подложки обладают следующими особенностями. При охлаждении до температуры —120° С их чувствительность возрастала примерно в 1,5 раза (для «слабых» световых потоков), а при «сильных» свето­ вых потоках наблюдается постепенное (в течение нескольких ми­ нут) уменьшение чувствительности, которое, однако, может быть восстановлено при выключении «сильной» подсветки в течение при­ мерно 30—40 мин. На рис. 112 дамы типичные кривые зависимости чувствительности от температуры для случая «слабой» и «сильной» засветки [41 ], а на рис. 113 дан график уменьшения темнового тока (темновых импульсов) при охлаждении ФЭУ.

Спектральные характеристики ФЭУ-39 и ФЭУ-46А при охлаж­ дении несколько изменяются: для X = 0,3 мкм чувствительность при 0—20° С увеличивается в 1,5 раза, в то время как для X = 0,55 мкм чувствительность падает при Т-у0, уменьшаясь при­ мерно вдвое для Т = —80° С.

Практически для всех типов ФЭУ всегда имеется некоторая дли­ на волны X, при которой отношение сигнала к шуму является мак­ симальным, причем с уменьшением температуры ФЭУ эта длина

волны сдвигается в коротковолновую часть спектра на 200—500Ä , а квантовая чувствительность фотокатода сохраняется на уровне 2—4%.

NT,c

Рис. 112, Относительная чувствительность ФЭУ-46А к слабым световым потокам при низких температурах

1 — для X = 0,3126 мкм; 2 — 0,365 мкм; 3 — 0,436 мкм; 4 — 0,546 мкм

Рис. 113. Уменьшение количества импульсов 1ѴТ темнового тока при охлаждении для ФЭУ-39 (/) и ФЭУ-46А (2)

218

Т а б л и ц а 4

*Уровень дискриминации равен 20 В .

**При времени измерения 9 = 1 мин. с ошибкой•с 50% іѴ = 0,4 iiMtifc, что соответствуетО

Фотоумножитель, наиболее пригодный для измерения сверх­ слабых световых потоков, вплоть до регистрации отдельных фото­ нов, можно выбрать по табл. 4, в которой приведены некоторые характеристики различных типов ФЭУ при Т =20° Си Т = —180° С (или при Т — —70° С для ФЭУ с сурьмяно-цезиевыми катодами типа ФЭУ-64, ФЭУ-46, 6094В).

Охлаждение фотокатода ФЭУ-79 дает существенное уменьшение скорости счета «шумовых» импульсов. Так, при Т = —60° С ско­ рость темнового счета составляет всего 2—4 импіс, что при 7 = = 5000 А соответствует световому потоку ~ 1 0 -18 Вт. Следует от­ метить, что при охлаждении относительная спектральная чувстви­ тельность фотокатода ФЭУ-79 практически не меняется для %= = 5000-1-6000 Â, в то время как для К = 8000-^8500 А она умень­ шается на порядок при охлаждении ФЭУ от —40 до —100° С.

Как уже отмечалось выше, некоторая часть шумов (шумовых импульсов) ФЭУ обусловлена люминесценцией стекла колбы ФЭУ за счет радиоактивного распада ничтожных количеств изотопа /С40, имеющегося в стекле (ß-распад), а также возбуждением несфоку­ сированными электронами остаточных газов, адсорбированных на внутренней поверхности колбы и электродах. Эта компонента шу­ мового тока не меняется при охлаждении, так же как и компонента, обусловленная воздействием космических лучей; при интенсивности «космических» импульсов, равной всего 1—2 ими!см2 • мин. Этот эффект может дать сильный вклад в шумовой ток при статических (не импульсных) измерениях, поскольку величина «космических»

219

импульсов тока может в сотни раз превышать импульсы от одиноч­ ных фотоэлектронов. Например, для фотоумножителей типа EMI6256 и 9558 при измерениях на постоянном токе или методом интегрирования заряда «космический» -шум превышает шум тер­ моэлектронный даже при Т = +10° С [45].

§ 3. Счетчик фотонов видимого диапазона спектра

Для регистрации очень малых световых потоков, соответствую­ щих потоку всего в несколько квантов в секунду, могут быть исполь­ зованы фотоумножители типа ФЭУ-13 и ФЭУ-14 [46, 47], охлажден­

/т уменьшается на 3—4 порядка, что при сохранении чувствитель­ ности на прежнем уровне позволяет улучшить отношение сигнала к шуму во столько же раз.

Подача напряжения на ФЭУ осуществляется примерно через

в течение 5—20 мин при непрерывном контроле темнового тока на экране осциллографа.

При величине усиления ФЭУ ~ 5 -1 0 7 и уровне дискриминации около 20% лучшие образцы ФЭУ (из числа 3—4% отобранных из партии) давали на выходе 50—250 «шумовых» импульсов в секунду,

напряжения на ФЭУ до 2500—3500 В шумы ФЭУ приближаются к уровню, который характерен для Т = 300° К.Такое увеличение темного тока сопровождается возникновением свечения внутри ФЭУ, которое может быть зарегистрировано с помощью другого охлажденного ФЭУ.

Следует заметить, что такое повышение напряжения не рекомен­ дуется, поскольку при его последующем снижении шум не умень­ шается и требуется повторное охлаждение ФЭУ, чтобы его парамет­ ры приняли первоначальные значения. Оптимальными отношениями питающих напряжений для фотокатода и динодов ФЭУ-13 и ФЭУ-14 являются следующие: 60, 120, 100, 100, . . . В.

Для калибровки чувствительности охлажденного фотоумножи­ теля может быть использована схема, включающая интерферен­ ционный узкополосный фильтр и систему нейтральных светофильт­ ров, дающих суммарное ослабление светового потока приблизи­ тельно в 10° раз. Используя лампу накаливания и болометр, можно достаточно точно контролировать световой поток, попадающий на катод ФЭУ [46].

11 Это соответствует потоку в ІО6— ІО6 фотоэлектронов в секунду на анод ФЭУ.

220