Физическая электроника / 6 лаба

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

«Челябинский государственный университет»

(ФГБОУ ВО «ЧелГУ»)

Физический факультет

Кафедра радиофизики и электроники

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6

ТЕМА: ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК

ФОТОЭЛЕКТРОННОГО УМНОЖИТЕЛЯ

ВЫПОЛНИЛ СТУДЕНТ
Харьков К.В.
Академическая группа	ФФ-304	Курс	1
ПРОВЕРИЛ
Чернов В.М

Челябинск

2022

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.

Краткие сведения о ФЭУ

Фотоэлектронный умножитель - многоэлектродный прибор, имеющий фотокатод ФК, несколько динодов и анод А (см рис 1.).

Принцип действия ФЭУ заключается в следующем. Световой поток 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 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.

Световая чувствительность фотокатода определяется как отношение фототока катода к световому потоку .

Анодная чувствительность ФЭУ связана с чувствительностью

фотокатода соотношением

,

где М = ⁿ - коэффициент усиления (умножения) фототока.

Темновой ток определяется как ток ФЭУ, находящегося под напряжением в темноте.

Описание установки

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.

Анодная чувствительность ФЭУ есть отношение тока анода к величине светового потока и определяется в светотехнических единицах А/лм.

Ч тобы 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.

Чувствительность человеческого глаза при одинаковой энергетической мощности светового потока различна для различных длин волн. Зависимость чувствительности глаза от длины волны называется световой эффективностью или световой видностью V ,

,

где - световой поток, т.е. оцениваемая нашим глазом мощность, выраженная в люменах, - полный поток излучения, выраженный в ваттах. Максимальная чувствительность глаза приходится на длину волны 555 нм. Световая эффективность этой длины волны равна .

Относительной световой эффективностью К называется отношение световой эффективности излучения любой другой волны к

.

На рис.2 приведена кривая спектральной чувствительности глаза для относительной световой эффективности.

С ветовая эффективность позволяет перевести светотехнические единицы измерения в энергетические (канделы в ватты).

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.3.

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.4.

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

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

Выразим элемент телесного угла через угол и элемент . Для этого рассмотрим рис.5.

И з рисунка находим:

; .

Определим теперь световой поток, падающий на фотокатод, учитывая, что согласно диаграмме направленности сила света фотодиода зависит от угла распространения света.

Элемент светового потока равен .

Полный световой поток падавший на фотокатод определим интегрированием по углу .

.

Сила света, излучаемая светодиодом, зависит от прямого 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.