lab 6 / lab_fe_6

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

«Челябинский государственный университет»

(ФГБОУ ВО «ЧелГУ»)

Физический факультет

Кафедра радиофизики и электроники

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6

ТЕМА: ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК

ФОТОЭЛЕКТРОННОГО УМНОЖИТЕЛЯ

Выполнил: Агеев А.А.

Группа: ФФ-304

Принял: Чернов В.М.

Челябинск

2025

Цель работы: Изучение работы ФЭУ и определение его основных характеристик.

Приборы и принадлежности: Универсальный вольтметр В7-21А для измерения анодного тока ФЭУ, два светодиода, лабораторная установка, включающая в себя фотоумножитель ФЭУ-35, источник питания ФЭУ, источник тока для фотодиода.

Общие сведения

Фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) – многоэлектродный прибор, имеющий фотокатод (ФК), несколько динодов и анод (А) (см рис 1.). Принцип действия ФЭУ заключается в следующем. Световой поток (Ф) падает на фотокатод, с которого за счет фотоэлектронной эмиссии испускаются электроны. Эти электроны, ускоренные полем между ФК и первым динодом, попадают на первый динод, обладающий большим коэффициентом вторичной эмиссии   5  8. С поверхности первого динода выйдет в  раз большее число электронов, чем на него упадет. Затем эти электроны, ускоренные полем второго динода, выбивают из него вторичные электроны, которых будет уже в ² раз больше и т.д. К аноду А придет поток электронов, в ⁿ раз больший, чем было испущено катодом, где n – число динодов.

ФЭУ обладают малой инерционностью и могут работать на весьма высоких частотах. Их применяют для регистрации световых импульсов, следующих через наносекундные промежутки времени. ФЭУ обладают очень большой чувствительностью к слабым световым потокам. Поэтому их применяют в астрономии, фототелеграфии, телевидении, в сцинтилляционных счетчиках для регистрации вспышек, производимых быстрыми частицами и т.д. В полупроводниковой электронике пока нет приборов, полностью заменяющих ФЭУ.

Существуют два типа фотокатодов, используемых в ФЭУ: пленочные полупрозрачные катоды толщиной 20-30 нм, работающие на просвет, когда измеряемый световой поток попадает на одну сторону пленки, а фотоэлектроны эмитируются с другой, и массивные, непрозрачные катоды, у которых освещаемая сторона совпадает с эмитирующей.

Наиболее важными параметрами фотокатодов являются:

1. Квантовый выход, который определяется числом эмитированных фотоэлектронов, приходящихся на один фотон.

2. Спектральная чувствительность, которая определяется как отношение фототока эмиссии в амперах к монохроматическому длиной волны λ световому потоку, измеряемому в ваттах.

3. Спектральная характеристика - зависимость относительной спектральной чувствительности от длины волны,

Спектральная характеристика фотокатода (и всего ФЭУ) определяется типом фотокатода. Среди нескольких типов фотокатодов, чувствительных в видимой части спектра, наиболее распространен сурьмяно-цезиевый фотокатод. Для измерения в ближайшей инфракрасной области спектра наиболее распространен кислородно-серебряно-цезиевый фотокатод.

ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ФЭУ:

1. Спектральная характеристика фотокатода - она определяет диапазон длин волн, в котором можно применять данный ФЭУ.

2. Анодная чувствительность.

3. Световая чувствительность фотокатода.

4. Темновой ток.

5 . Напряжение питания.

В лабораторной установке исследуется фотоэлектронный умножитель ФЭУ-35 с полупрозрачным сурьмяно-цезиевым фотокатодом. Область максимальной чувствительности данного ФЭУ находится в диапазоне 0.38-0.42 мкм. ФЭУ-35 имеет фотокатод диаметром 25 мм и восемь динодов.

Схема включения ФЭУ в лабораторной работе представлена на рис. 1.

В качестве нагрузки ФЭУ в цепь анода включено сопротивление R = 51 кОм. Ток анода определяется по падению напряжения на анодном сопротивлении. Число вторичных электронов, эмитируемых с последних динодов, уже достаточно велико, поэтому к этим динодам подключены конденсаторы, чтобы обеспечить ток с динодов необходимым количеством зарядов.

Чтобы определить чувствительность ФЭУ, необходимо знать световой поток, падающий на фотокатод. Источником светового потока в лабораторной установке являются светодиоды АЛ102, излучающие на длине волны 0.69 мкм. Сила света, излучаемая светодиодом АЛ102ГМ, известна, силу света другого светодиода необходимо определить в лабораторной работе.

Сила света I есть отношение величины светового потока к величине телесного угла, в котором распространяется данный поток:

.

Единицей измерения силы света является кандела (кд). Кандела – это сила света, при которой в телесном угле в один стерадиан в данном направлении излучается мощность 1,464 мВт при длине волны источника излучения 555 нм ( ).

За единицу светового потока в светотехнических единицах принимается люмен (лм). Люмен – это поток внутри угла в один сте­радиан при силе света в одну канделу.

И злучение светодиода характеризуется также диаграммой направленности, которая показывает зависимость силы света от угла, под которым ведется наблюдение. В справочных данных приводится сила света , излучаемая светодиодом в направлении, перпендикулярном плоскости излучающего кристалла светодиода. Диаграмма направленности светодиодов АЛ102, взятая из справочника, приведена на рис. 2.

Представленная диаграмма направленности аппроксимируется выражением:

.

Световой поток, падающий на фотокатод зависит от расстояния светодиода до фотокатода и от площади фотокатода. Размеры и относительное расположение фотокатода и светодиода в лабораторной установке представлены на рис. 2.

Т елесный угол - это отношение вырезанной конусом на сфере площади к квадрату радиуса этой сферы .

Соответственно элемент телесного угла , в котором распространяется световой поток, будет .

Сила света, излучаемая светодиодом, зависит от силы тока через светодиод. Для светодиода АЛ1102ГМ сила света известна и равна кд при токе 1,5 мА.

Сила света другого светодиода определяется по измерениям, проводимым в лабораторной работе. Длина волны, излучаемая светодиодами, равна 0.69 мкм.