Литература / Шишкин Г. Г. , Шишкин А. Г. Электроника 2009 (1)

бенно если нагрузочная прямая будет пересекать БАХ при боль­ ших Ф в области, соответствующей режиму ограничения тока объ­ емным зарядом (участок I, например, при R = R 1 на рис. 16.42).

Частотные характеристики SI = 'Jf(f). Частотными характеристи­

ками фотоэлементов называют зависимость их чувствительнос­

ти от частоты изменения (модуляции) интенсивности светового

потока, воздействующего на фотокатод.

Частотные характеристики определяются инерционностью фотоэлементов. На рис. 16.44 приведены частотные характе­

ристики-фотоэлемента с массивным фотокатодом (кривая 1) и

импульсного фотоэлемента (кривая 2). Уменьшение чувстви­

тельности при высоких частотах модуляции интенсивности све­

та связано с временем пролета электронов от катода до анода и

объясняется переходными процессами (временем релаксации) в

электрической цепи, в которую включен фотоэлемент. Для

обычных (неимпульсных) промышленных электровакуумных

фотоэлементов время пролета 'Спр составляет ~ l0-8 ••• 10-9 с, а

междуэлектродная емкость С~ 10... 50 пФ, для импульсных фо­

тоэлементов 'Спр ~ 10-10••• 10-11 с, С~ 3 .. .4 пФ. Серийные обыч­

ные электровакуумные фотоэлементы имеют частотный диапа­

зон до 106 Гц, а импульсные - до 109 Гц.

Спектральные характеристики SФ(Л.) = f(Л.). Спектральными ха­

рактеристиками фотоэлементов называют зависимости моно­

хроматической чувствительности Sл. от длины волны А (или час­

тоты) электромагнитного излучения, воздействующего на фото­

катод электровакуумного фотоэлемента.

Спектральные характеристики для сурьмяно-цезиевого (1) и

кислородно-цезиевого (2) фотокатодов показаны на рис. 16.45. Эти

1,0

А

UД1 < UД2 < UДЗ < U Д4 < UД5 < UДб < U а

а)

ф

-и+

6)

Ри_с. 16.46

ступит nк'Ук электронов. С поверхности первого динода выйдет в u 1 раз большее число электронов, чем на него упадет. Появившие­

ся после бомбардиров:ки первого динода вторичные эле:ктроны ус­ коряются полем второго динода Д2, выбивают из него вторичные

электроны, т. е. со второго динода при у2 = 1 уйдет в u 1cr2 раз боль­

шее число электронов и т. д. К аноду придет поток электронов в ат

раз больший (при 'Ук = у1 = у2 = ... = 'Ут = 1; cr1 = u2 = ... = О'т), чем было испущено катодом (т - число динодов). В общем случае с

учетом эффективности каскадов количество электронов, попа­

дающих в единицу времени на анод, можно вычислить по сле­

дующей формуле:

равная отношению числа электронов, достигающих (i + 1)-го

динода, к числу электронов, эмитированных i-м динодом; О'; -

коэффициент вторичной эмиссии i-го динода; О';'У; - коэффици­

ент усиления i-го каскада; т - число динодов.

516Раздел 4. ПРИБОРЫ ОТОБРАЖЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ

Впервой группе наибольшее распространение получили систе­

мы, использующие фокусировку электронов, и системы «сквозно­

го» типа (жалюзи, сетки, пленки на «прострел»), в которых умно­ жительные каскады сконструированы таким образом, что они не требуют специальной фокусировки электронных пучков в пространстве между вторичными эмиттерами (см. рис. 16.46, б). Системы на дискретных динодах сквозного типа малочувстви­ тельны к воздействию внешних магнитных полей и из-за развитой рабочей поверхности динодов обеспечивают работу при боль­ ших токах нагрузки. К их недостаткам следует отнести более ни­

зкие эффективность динодов и временное разрешение по срав­

нению с ФЭУ, имеющими электростатическую фокусировку. Системы на распределенных динодах бывают трех типов:

пластинчатые, целевые и канальные. Последние из них в про­ стейшем случае представляют собой трубку определенного ка­

либра (отношение длины к диаметру), внутренняя поверхность

которой обладает нужным электрическим сопротивлением и хорошим коэффициентом вторичной электронной эмиссии. Ес­ ли на концы трубки с калибром 50."100 подать высокий потен­ циал(> 2 ... 2,5 кВ), то в канале трубки сформируется однород­

ное электрическое поле.

Фотоэлектроны выбивают с внутренней поверхности трубки вторичные электроны, которые под действием электростатическо­

го пол.я ускоряются и бомбардируют стенки канала, находящиеся

под большим потенциалом (см. рис. 16.46, б). Коэффи:Циент усиле­

ния М трубки зависит от ее калибра, поверхности канала и при­

ложенного к его концам напряжения. Величина М достигает зна­

чений 105 •.. 106 . Канальные системы не требуют внешнего де­

лителя напряжения, необходимого для систем на дискретных

динодах, имеют простую конструкцию и малые размеры.

В последние годы были разработаны гибридные ФЭУ, в ко­

торых в качестве умножающих элементов используются по­

Л:упроводниковые диодные или транзисторные структуры. Их

принцип действия основан на образовании свободных носите­ лей в полупроводнике с р-п-переходом при бомбардировке его электронами с энергией ~ 10 кэВ. На р-п-переход подано об­

ратное смещение. Образовавшиеся в результате бомбардировки

электронно-дырочные пары разделяются полем р-п-перехода,

образуя ток в цепи анода. Коэффициент усиления пропорциона­ лен коэффициенту умножения носителей в полупроводнике и

достигает величины 103 для диодных и 106 для транзисторных

структур.

Гибридные ФЭУ имеют большие выходные токи(~ 0,5 А в

стационарном режиме и до 20 А в импульсном), малые габари­

ты, высокое быстродействие(~ 10-10 с). Они не чувствительны к

внешним магнитным полям.

16.7.4. Параметры и характеристики фотоэлектронных умножи­

телей (ФЭУ).

В зависимости от вида регистрируемого сигнала в ФЭУ раз­

личают: статические параметры при измерении световых немо­

дулированных сигналов, частотные параметры при работе с мо­

,дулированными оптическими сигналами и импульсные пара­

метры для импульсных сигналов.

Большинство характеристик и параметров ФЭУ соответству­

ют аналогичным параметрам и характеристикам фотоэлемен­

тов, имеющих фотокатоды таких же типов. Здесь мы рассмот­

рим только или специфические параметры и характеристики

ФЭУ, или их особенности.

Коэффициент усиления динодной системы М и анодная токовая

чувствительность Sra показаны на рис. 16.47, где кривая 1 отно-

сится к динодам с сурьмяно-цезиевым покрытием, а кривая

2 - к сплавным вторично-электронным эмиттерам. Увеличени­

е :коэффициента усиления Мс ростом напряжения питания вы­

звано возрастанием :коэффициентов вторичной эмиссии cr; дино­

дов. При большем числе динодов и прочих равных условиях на­

клон кривых увеличивается, то же самое будет наблюдаться и при больших :коэффициентах вторичной эмиссии динодов.

правлении первого динода. При импульсных сигналах диапа­

зон линейных режимов значительно шире. Влияние на ток ано­

да напряжения на первом диноде определяется его БАХ. На

рис. 16.48 в режиме объемного заряда это влияние иллюстриру­

ется кривыми при двух значениях напряжения на первом дино­

де (И'{ > И:L). При регистрации излучения, модулированного

гармоническими сигналами, инерционность оценивается по

частотной характеристике. Умножители различного типа рабо­

тают в частотном диапазоне от 15 до 150 МГц.

ФЭУ, предназначенные для регистрации коротких вспышек

слабой интенсивности, должны иметь хорошие быстродействие

(- 10-з... 10-10 с) и чувствительность. Способность ФЭУ выде­

лять световые импульсы, незначительно различающиеся по ин­

тенсивности, характеризуется собственным амплитудным разреше­

нием ФЭУ, которое тем выше, чем ниже уровень собственных шумов прибора. Минимальные значения (нижний порог) интен­

сивности измеряемых потоков излучения определяются темно­

вым током и шумами. Темновой ток ФЭУ обусловлен термо- и

автоэлектронной эмиссией с поверхности фотокатода и дино­ дов, токами утечки между электродами прибора.

Темновой ток, являющийся параметром ФЭУ, дается в спра­

вочниках для определенного режима его работы. Флуктуации

этого тока служат источниками собственных шумов ФЭУ, к ко­ торым добавляются флуктуации (шумы) коэффициентов усиле­

ния cr динодов.

Пороговые потоки (пороговая чувствительность) в единич­

ной полосе частот1 лучших ФЭУ достигают l0-13 лм • Гц-112 [21].

1Этот параметр определяется световым энергетическим потоком в люменах,

падающим на фотокатод ФЭУ и вызывающим анодный фототок, равный эф­

фективному значению темнового тока, приз;~еденному к полосе частот в 1 Гц.

Быстродействие ФЭУоценивается по форме импульса на вы­ ходе прибора при освещении всей поверхности фотокатода свето­

вым импульсом с длительностью < 3 • l0-9 с. На основе анализа

формы выходного импульса определяют следующие импульсные

параметры:

'tФ - длительность фронта анодного импульса тока, которая

измеряется между уровнями 0,1 и 0,9 от его амплитудного зна­

импульсов по уровням 0,5/ат и 0,1/ат;

S = 0,8(Iam1Ф) - крутизна фронта импульса (в линейной об­

ласти изменения тока, см. рис. 16.48).

В зависимости от рабочей частоты все ФЭУ можно разделить

на две большие группы:

1) низкочастотные ФЭУ для измерения предельно малой ин­

тенсивности световых потоков;

2) импульсные и высокочастотные ФЭУ для регистрации

кратковременных и быстро изменяющихся малых пото­

ков излучения.

Характерные параметрьi: ФЭУ первой группы: темновые то­

ки менее 2 • l0-8 А, S 1a - 1000 А/лм; пороговый поток в единич­

ной полосе частот - (2,5... 3) • 10-13 лм • Гц-112, диаметр фотока­

тодов - 5 ...6 мм. Малые диаметры фотокатодов обусловлены не­ обходимостью работы при малых темновых токах и требованиями, предъявляемыми к аппаратуре, используемой в космической технике.

Быстродействующие ФЭУ конструируются таким образом,

чтобы получить возможно более высокую изохронность тра-

екторий электронов, вылетающих с различных участков элект­ родов. Параметры таких ФЭУ: длительность фронта анод­

ного импульса 'tФ < 2,5 нс; S - 200 мА/нс, Iam - 0,5 А. Для

расширения полосы рабочих частот выводы ФЭУ выполняют

коаксиальными, что обеспечивает хорошее согласование с

внешними высокочастотными и сверхвысокочастотными цепя­

- 2 • 10-1з лм. гц-112.

РАЗДЕЛ 5

ПРИБОРЫ КВАНТОВОЙ

ЭЛЕКТРОНИКИ

Глада 17

ОСНОВЫ КВАНТОВОГО УСИЛЕНИЯ

17.1. Индуцированные и спонтанные переходы

Внутренняя энергия атомов, молекул, ионов, различных со­ единений и сред, образованных указанными частицами, кван­ тована. Каждая молекула (атом, ион) может взаимодействовать

сэлектромагнитным излучением, совершая переход с одного

энергетического уровня на другой. При этом происходит изме­

нение внутренней энергии от одного значения, соответствующе­

го определенному движению и ориентации электронов и ядер, к

другому значению, соответствующему другим движениям и

ориентациям.

Энергия поля излучения также квантована, так что обмен энергией между полем и взаимодействующими с ним частица­

ми может происходить только дискретными порциями.

Частота излучения, связанного с переходом атома (молеку­

лы, иона) между энергетическими состояниями, определяется

частотным постулатом Бора

где Ер Е2 - соответственно энергия частицы (атом, молекула, ион) в верхнем и нижнем энергетических состояниях, h - по­ стоянная План:на, v - частота.