Так как фототок зависит от падающего потока излучения и от токовой чувствительности ФД ST, то Vx и Vy также зависят от него. Подставив /ф = 5 7Ф в уравнения (4.29) и (4.30) и введя обозначение Snp = pSj/(jtG>d), получим

где 5пр — продольная чувствительность ФД с продольным фото­

К достоинствам ИКФ следует отнести: возможность изменять положение нулевой точки инверсионной характеристики за счет подачи постоянного напряжения на контакты; возможность вну­ тренней электронной модуляции выходного сигнала (при подаче переменного напряжения на поперечные контакты), что позво­ ляет (без предварительной модуляции потока излучения в пятне) использовать усилители переменного тока.

эмиссией называют испускание электронов с поверхности фоточувствительного слоя в вакуум или в другое вещество под дей­

внешнего напряжения и улавливается другим электродом (ано­ дом), образуя во внешней цепи электрический ток, который на­ зывают ф о т о т о к о м .

В качестве фотокатодов используют некоторые чистые и слож­ ные металлы и полупроводники, фотоэлектронную эмиссию кото­ рых можно представить следующими процессами: поглощением фотона и передачей его энергии электрону, диффузией (перемеще­ нием) возбужденного электрона к поверхности фотокатода и про­ хождением его в вакуум через поверхностный потенциальный

кольцо

тронный фотоэлемент) или газ (ионный фотоэлемент), преобразую­ щий энергию оптического излучения в электрические сигналы и содержащий фотокатод и анод (рис. 5.1). Ионные (газонаполнен­ ные) фотоэлементы применяются редко. Наиболее распространены электровакуумные фотоэлементы (ФЭ), поэтому ограничимся их рассмотрением [10, 85].

Размер ФЭ, расстояние между электродами, конструкция цоколя, выводов зависят от типа аппаратуры, в которой он ис­ пользуется.

Форму фотокатода и анода определяют требования полного сбора эмиттированных электродов на анод. Тип фотокатода и материал окна колбы ФЭ определяют диапазон его спектральной чувствительности.

Спектральная чувствительность фотоэлемента в основном за­ висит от фотокатода: его толщины, материала подложки и окон баллона, в меньшей степени — от температуры фотокатода (изме­ няется работа выхода электрона), его старения (постепенного изменения свойств фотокатода за счет неидеального вакуума и газоотделения арматуры и стенок колбы), напряженности элек­

трического поля у фотокатода, зависящей от приложенного на­ пряжения (при освещении фотокатода коротковолновыми кван­ тами вылетающие фотоэлектроны имеют большую энергию и сбор их на фотокатод требует более высокого напряжения пи­ тания), утомления фотокатода.

Утомление характеризуется неравномерным понижением спек­ тральной чувствительности (под действием потока излучения) фотокатода во времени (чувствительность уменьшается сильнее

вдлинноволновой области спектра), оно зависит от качества и типа фотокатода, от режима освещенности фотокатода, от анод­ ного напряжения и температуры среды, а также от цикличности работы ФЭ во времени.

Наиболее сильное утомление наблюдается у серебряно-кисло- родно-цезиевых фотокатодов, у которых при освещенности 2500 лк

втечение нескольких часов чувствительность уменьшается на

60— 80%.

Для оценки спектральной чувствительности фотоэлементов разработана система типовых спектральных характеристик.

Световые характеристики вакуумных ФЭ линейны в широком динамическом диапазоне (диапазоне изменения потока). Нижний предел линейности световой характеристики ФЭ ограничивается

вается образованием пространственного заряда у поверхности фотокатода и на стекле колбы, утомлением фотокатода и вторичной эмиссией стекла (слабо покрывшегося пленкой щелочного ме­ талла при напылении фотокатода), появляющейся при больших световых потоках.

Линейность световой характеристики по потоку излучения сохраняется от значений пороговых потоков до единиц люменов. При включении ФЭ в цепь нагрузки диапазон линейности умень­ шается.

Временное разрешение ФЭ определяется временем движения электронов от места их образования при освещении до поверх­ ности катода (10“12 с), временем пролета их от катода до анода (10-11— 10~10 с) и переходными процессами в цепи ФЭ — нагрузка.

Переходные процессы в цепи ФЭ — нагрузка, ухудшающие временное разрешение и искажающие форму коротких импульсов, зависят от накопления зарядов на стекле при перезарядке и от процесса зарядки и разрядки емкости самого ФЭ, которые ха­ рактеризуются постоянной времени схемной релаксации тр (по­ стоянной времени /?С-цепочки):

= Rh^9

где Rn — сопротивление нагрузки и выводов; С — межэлектродная емкость ФЭ.

Межэлектродная емкость обычных ФЭ 10— 50 пФ, у импульс­ ных 3— 4 пФ при сопротивлении коаксиального вывода десятки

с положительным им­ пульсом на нагрузке; г — вольт-амперные характеристики

Ом, это дает тр = 3- 10"12-г-3-10”11 с, соизмеримую со временем пролета фотоэлектронов, поэтому импульсные ФЭ включаются прямо на быстродействующий осциллограф и имеют временное разрешение 10“10 — 3 -10-11 с. Пологий участок частотной харак­ теристики простирается при этом до 108— 109 Гц.

Фотоэлементы включаются последовательно с источником пи­ тания Uи и сопротивлением нагрузки R H (рис. 5.2, а —в). Когда освещения нет, в цепи ФЭ течет темновой ток, складывающийся из тока утечки между электродами и тока термоэмиссии. Ток термоэмиссии можно уменьшить при охлаждении фотокатода. Ток утечки по стволу колбы (на наружной и внутренней сторонах) при Un = 200-^-300 В достигает 10~8— 10~7 А. Для его уменьше­ ния, как уже указывалось выше, у ряда ФЭ имеется охранное кольцо, завариваемое между выводами катода и анода. Схема включения такого ФЭ показана на рис. 5.2, а. Ток утечки замы­ кается по охранному кольцу и исключается из измерительной цепи.

Влияние темнового тока можно уменьшить при модуляции лучистого потока и наличии разделительной емкости Ср, исклю­ чающей постоянные составляющие, возникающие в цепи ФЭ из входной цепи регистрирующего устройства, работающего на переменном токе. Емкость при работе в импульсном режиме,

Гу. (2 -г- 10) ти

мерцания (фликкер-эффект) и другие. Кроме того, на вход реги­ стрирующего устройства поступают тепловые шумы нагрузочного резистора Ян-

Шум мерцания присущ только ПИ на основе использования внешнего фотоэффекта и возникает он из-за непостоянства чув­ ствительности фотокатода во времени, происходящей вследствие диффузионных процессов в фотокатоде. Процесс диффузии атомов щелочных металлов (приводящий к разной работе выхода фото­ электронов в разных точках) протекает медленно, поэтому шум мерцания имеет зависимость 1// модуляции и сказывается только на низких частотах (/ <; 100 Гц), где он может превосходить дро­ бовый шум на порядок. Шум мерцания измеряют эксперимен­ тально. Пороговый поток Ф п ФЭ определяют через его интеграль­ ную чувствительность Sj и суммарное значение шумов /ш.

Фотоэлементы типа СЦВ-4 и Ф -8 с массивными непрозрачными фотокатодами на металлической подложке, освещаемые с фрон­ тальной стороны, широко используются в качестве приемников сфокусированных потоков излучения, постоянных или модулиро­ ванных по амплитуде в звуковом диапазоне частот.

Фотоэлементы с полупрозрачным фотокатодом, нанесенным на внутреннюю поверхность цилиндрической (Ф-10) или шаровой (Ф-3, Ф-6 , Ф -8 и Ф-27) колбы, освещаемые с тыльной стороны, с центральным расположением анода используются в физических исследованиях для регистрации несфокусированных потоков из­ лучения. В этом случае устраняется экранирующее действие анода. В измерительных ФЭ (Ф-1, Ф-6 , Ф-4, Ф-9, Ф-10) для точных фото­ метрических измерений слабых или медленно изменяющихся по значению потоков излучения принимаются специальные меры для уменьшения токов утечки между выводами и вводится охранное кольцо.

Для регистрации наносекундных импульсов лазеров разра­ ботаны специальные быстродействующие сильноточные фотоэле­ менты типа Ф-22, ФЭК-09 (см. рис. 5.1, а) и другие. У подобных ФЭ расстояние между анодом и катодом мало, а прикладываемое напряжение между ними 2— 5 кВ, что обеспечивает малое время пролета (и малый его разброс) фотоэлектронов, а следовательно, малую постоянную времени ПИ.

Подобные ПИ имеют коаксиальный выход, малую межэлектродную емкость и низкую идуктивность выводов и позволяют регистрировать сигнал без усилительного тракта непосредственно

быстродействующим осциллографом, так как фототок в импульсе может достигать нескольких ампер.

Фотоэлектронные умножители. Фотоэлектронным умножителем (ФЭУ) называют электровакуумный прибор, преобразующий энер­ гию оптического излучения в электрические сигналы и содержа­

тем, что кроме фотокатода и анода содержит еще фокусирующую электронно-оптическую систему, диафрагму и дополнительные электроды (диноды), являющиеся эмиттерами вторичных электро­ нов (рис. 5.3, а).

При освещении фотокатод 1 эмиттирует первичные фотоэлек­ троны, которые ускоряются электрическим полем и фокусируются электронно-оптической системой 2 на первый динод Эг, вызывая его увеличенную вторичную электронную эмиссию. Вторичные электроны, вылетевшие из первого динода, ускоряются электри­ ческим полем и направляются на второй динод Э2, увеличенный поток электронов со второго динода направляются на третий и т. д.

Электрическое поле, ускоряющее электроны, создается дели­ телем постоянного напряжения, обеспечивающим больший поло­ жительный потенциал каждого последующего каскада относи­ тельно предыдущего R1— R11.

Фотокатоды ФЭУ аналогичны фотокатодам ФЭ и могут рабо­ тать «на просвет» и «на отражение». При работе «на просвет» полупрозрачный фотокатод наносится на плоское выходное окно колбы в виде круга диаметром 10— 50 мм (делают до 250 мм). При работе «на отражение» входное окно часто располагают на боковой стенке колбы, а излучение попадает на фотокатод со стороны вакуума.

Пространство, образуемое поверхностями фотокатода 1 и первого динода Эг с расположенными между ними электродами, называют катодной (входной) камерой ФЭУ. Форма и распределе­ ние электрического потенциала на поверхности фотокатода фоку­ сирующего электрода 2 и диафрагмы 3 должны обеспечить макси­ мальный сбор фотоэлектронов на первый динод за счет использо­ вания законов движения электронов в электрическом поле. Ка­ чество электронно-оптической системы катодной камеры опреде­ ляется коэффициентом сбора электронов ук (отношением числа фотоэлектронов, достигших первого динода, к общему числу эмиттированных фотокатодом электронов лк). Коэффициент сбора электронов у современных ФЭУ близок к единице.

Первичные фотоэлектроны, попадая на первый динод, взаимо­ действуют с электронами его вещества и возбуждают их до более высоких энергетических состояний. Часть электронов пере­ мещается к границе динода с вакуумом. Электроды, которые до­ стигают поверхности с энергией, превышающей поверхностный

потенциальный барьер, переходят в вакуум и ускоряются элек­ трическим полем в направлении ко второму диноду.

Время вторичной электронной эмиссии меньше чем 10" 12 с. Вторичная электронная эмиссия характеризуется коэффициен­

том вторичной эмиссии

а = Лд/Лкть>

где Яд — среднее число эмиттируемых динодом электронов; Лк7к — число первичных электронов, падающих на поверхность динода.

Коэффициент вторичной электронной эмиссии динода зависит от энергии первичных электронов, от материала динода и состоя­ ния его поверхности. Энергия первичных электронов в диапазоне 100— 1800 эВ дает максимальное значение коэффициента вторич­ ной эмиссии. В качестве материалов вторично-эмиссионных динодов применяют SbCs3 и окисленные сплавы CuBe, AlMg, AgMg, CuMg, GaP(Cs) и т. д. Форму и расположение динодов выбирают из условий максимального сбора электронов, эмиттированных предыдущим динодом, одинакового времени пролета электронов от фотокатода до анода (траектории электронов должны быть изохронными, чтобы обеспечить малую постоянную времени), отсутствия объемного заряда, приводящего к нелинейности све­ товой характеристики.

Часть электронов из-за несовершенства системы рассеивается и попадает на стенки баллона и на нерабочие участки динодов, что учитывается коэффициентом эффективности динодного кас­ када уi (отношением числа электронов, попавших на i + 1-йди- нод, к числу электронов, вышедших из i-то динода). Современные ФЭУ имеют коэффициент эффективности каскада 0,7— 0,95.

Для серийных ФЭУ при среднем коэффициенте вторичной эмиссии а = 4 и числе каскадов 12 коэффициент усиления ФЭУ достигает 107, чего достаточно для регистрации сигнала на выходе от одного упавшего на фотокатод кванта (выбившего один фото­ электрон).

В последние годы широко применяют жалюзийные и канальные ФЭУ, отличающиеся от обычных ФЭУ построением динодной системы.

Жалюзийная динодная система (рис. 5.3, ё) состоит из наклон­ ных полосок и прозрачной сетки, находящейся под тем же потен­ циалом. Сетка экранирует жалюзи, обеспечивает попадание вто­

ричных электронов на лопасти следующего динода. Эффектив­ ность жалюзийного динода невелика (8 8 %), однако подобные системы имеют и некоторые преимущества, обеспечивая широкий диапазон линейности световой характеристики, высокую стабиль­ ность анодного тока, относительную нечувствительность к неболь­ шим изменениям межкаскадных напряжений, стабильность анод­ ного тока при наличии магнитных полей, большую площадь динода, позволяющую работать при повышенных токовых нагрузках.

В жалюзийных ФЭУ между катодной камерой и динодной системой помещается кольцевой электрод-модулятор, позволяю­ щий изменять анодную чувствительность ФЭУ в широких пределах и осуществлять внутреннюю модуляцию сигнала.

Большие возможности для миниатюризации ФЭУ представ­ ляются при использовании непрерывного динода с распределенным сопротивлением. В простейшем случае такой динод представляет собой трубку (канал) (рис. 5.3, е— д), изготовленную, например, из специального стекла, на поверхности которого в результате термообработки в водороде образуется слой, обладающий необ­ ходимыми значениями электросопротивления и коэффициента

При подаче высокого напряжения на концы канала через проводящие контакты по его поверхностному слою течет ток, создающий падение напряжения вдоль канала. Вторичный элек­ трон, выбитый из внутренней стенки канала, под действием электростатического поля ускоряется и ударяется о стенку канала в точке с более высоким потенциалом. Усиление в канале зависит от отношения его диаметра к длине (калибра), напряжения на его концах и вторично-эмиссионных свойств рабочей поверхности.

Оптимальное значение калибра канала 50— 100, при этом можно получить усиление 106— 107 при напряжении около 2,5 кВ.

Простейшая (прямая) форма канала не позволяет получить больших усилений в ФЭУ из-за увеличения шумов, обусловленных оптической и ионной обратной связью с анода на фотокатод (пря­ мое видение). Чтобы устранить этот недостаток, каналу можно придать форму спирали. В последнем случае (спиральтрон) систему из нескольких соединенных вместе параллельных каналов (на­ пример, четырех) закручивают при ее изготовлении вокруг оси (рис. 5.3, г).

Недостаток прямых и изогнутых каналов — низкая эффек­ тивность эквивалентного каскада умножения, объясняющаяся тем, что часть вторичных электронов не участвует в дальнейшем процессе умножения. Кроме того, наблюдается большой разброс времени пролета электронов из-за отсутствия их фокусировки что увеличивает постоянную времени.

Эти недостатки устранены в системах со скрещенными магнит­ ными и электрическими полями, которые используют для изготов­ ления высокочастотных ФЭУ.

где е — заряд электрона (1,6 -10"19), A -с; / к — суммарный ток фотокатода, складывающийся из его фототока и темнового тока, А; М — коэффициент усиления ФЭУ; (1 + 5 ) — множитель, учи­ тывающий влияние дробового эффекта эмиттеров, для ФЭУ с элек­

(Ян) среднеквадратическое значение суммарного шумового тока

в формулу (5.2). Так как в паспорте ФЭУ приводится значение темнового анодного тока / т. а, то значение / т. к рассчитывают по формуле

I т . к ==I т . а / •

Источниками темнового тока являются термоэлектронная эмис­ сия фотокатода и динодов (особенно первых, так как их ток уси­ ливается), автоэлектронная эмиссия электродов, ток обратной ионной и оптической связи, а также ток утечки между анодом и остальными электродами.

В спектре темнового тока равномерно представлены составляю­ щие всех частот — белый шум. При регистрации переменного сигнала на уровне постоянной фоновой засветки в формулу для

Схемы включения Ф ЭУ и режим его питания рекомендуются заводом-изготовителем и приводятся в паспорте ФЭУ. Типовое

дующий электрод Ф ЭУ находится под более высоким потенциалом, чем предыдущий. Сопротивления резисторов делителей напряже­ ния выбирают в диапазоне от 20 до 50 кОм на каскад таким обра­ зом, чтобы ток делителя напряжения превосходил анодный ток на порядок и при линейности Ф ЭУ в 1—2% — в 100— 500 раз.

В противном случае колебания анодного тока (при изменении осве­ щения) значительно перераспределяют токи в звеньях делителя напряжения и изменяют потенциалы динодов, что меняет коэффи­ циент усиления ФЭУ и нарушает его линейность. Линейность на­ рушается также при освещении ФЭУ мощными световыми им­ пульсами, так как в этом случае с последних динодов отбираются большие импульсы тока, приводящие к изменению потенциалов динодов из-за большой постоянной времени делителя напряжения. Чтобы устранить это явление, последние каскады шунтируют кон­ денсаторами подпитки Cj (рис. 5.3, а), емкость которых рассчи­ тывают в зависимости от заряда электронного пакета, эмиттируемого i-м динодом,

Таким образом, для обеспечения постоянного выходного сиг­ нала в пределах 1% колебания напряжения питания не должны превышать 0,05—0,1%, пульсации должны быть меньше 0,005— 0,01%, что обеспечивается электронной стабилизацией. При ре­ гистрации ФЭУ постоянных световых потоков можно осуществлять внутреннюю модуляцию анодного тока за счет подачи напряжения запирания (20—40 В) на промежутке катод— диафрагма, анод— последний динод или на одном из каскадных промежутков.

При изменении слабых потоков целесообразно схемным путем скомпенсировать анодный темновой ток / т. а. Для этой цели парал­ лельно входной цепи усилителя (выходной цепи ФЭУ) включают переменное сопротивление R и источник питания (рис. 5.3, б). Регистрируя сопротивление R (высокоомное), можно компенсиро­ вать темновой ток ФЭУ встречным током батареи, а затем уже измерять ток сигнала. ФЭУ необходимо защищать от внешних магнитных и электростатических полей, так как они меняют тра­

екторию электронов и, как следствие, изменяют коэффициент его усиления.

Фотокатод и электроды, находящиеся под напряжением, должны быть защищены от засветок, так как большие засветки выводят Ф ЭУ из строя. Поскольку более всего параметры ФЭУ изменяются сразу после включения (примерно 30 мин), для точ­ ных измерений рекомендуется предварительно выдерживать ФЭУ под напряжением в течение 1— 2 ч. При работе с пороговыми пото­ ками Ф ЭУ необходимо предварительно выдерживать в темноте.

Изменение интегральной чувствительности ФЭУ в процессе длительной работы не превышает 50— 100% от номинала, что легко компенсируется изменением напряжения питания на 10— 2 0 %.

§ 5.3. Диссекторы [69]

Применять Ф ЭУ в приборах обнаружения малых объектов по их излучению на излучающем фонде не всегда можно, так как фон, засвечивая весь фотокатод, создает анодный ток /а. ф, часто пре­ восходящий фототок от объекта на несколько порядков.

Уменьшение углового поля уменьшает фоновые засветки, но это не всегда допустимо. Просмотреть большие зоны пространства при обеспечении малых фоновых засветок можно при сканирова­ нии пространства прибором с малым угловым полем. В настоящее время существуют различные способы сканирования, одним из которых является электронное сканирование, осуществляемое в приемнике на внешнем фотоэффекте, который называется д и с ­ с е к т о р о м (рис. 5.4, а). Диссектор — это передающая элек­ тронно-лучевая трубка, в которой сфокусированное электронное изображение, полученное с фотокатода путем электронного от­

клонения, развертывается относительно неподвижного отверстия или щели.

Принцип действия диссектора заключается в следующем. Изо­ бражение предмета 1 (или пространства предметов) на фотокато­ де 3 диссектора строит объектив 2. Под воздействием освещенности фотокатода от изображения возникает эмиссия фотоэлектронов, число которых в каждой точке фотокатода пропорционально имеющейся освещенности. Фокусирующая катушка 5 собирает вылетевшие фотоэлектроны и строит в плоскости диафрагмы 7 электронное изображение предмета 6. Часть электронов электрон­ ного изображения попадает через «вырезающее» отверстие 11 диафрагмы 7 на жалюзийную динодную систему 5, а с нее, умно­ жаясь, на анод 10. Сетки 9 экранируют жалюзи и обеспечивают попадание вторичных электронов на лопасти следующего динода. Форма и размер «вырезающего» отверстия определяют мгновенное угловое поле прибора с диссектором в качестве приемника. Общее угловое поле прибора определяется размером фотокатода 3. Для просмотра его электронное изображение 6 под действием отклоняющих катушек 4 перемещается относительно неподвиж-

6 7

I, мкА

Рис. 5.4. Схема диссектора (а) и энергетические характеристики двух экземпляров диссектора (зави­ симости 1 и 2) типа Л-601 (б): Кд_ф,

Удъ Уд2> Fa—напряжения динод— фотокатод, динода первого, динода

второго и анода

ного отверстия 11 в горизонтальном (по строке) и в вертикальном (по кадру) направлениях с частотой, обеспечивающей приемлемые чувствительность и время просмотра всего пространства. При сканировании анодный ток в каждый момент времени будет за­ висеть от освещенности участка фотокатода, «вырезанного» от­ верстием 11 диафрагмы 7. Анодный ток фона /а. ф будет опреде­ ляться в этом случае также мгновенным угловым полем, что позволяет зарегистрировать слабое излучение малоразмерных объектов.

Большинство параметров и характеристик диссектора анало­ гичны ФЭУ, однако следует отметить, что его пороговый поток выше на 30% по сравнению с ФЭУ, так как добавляются шумы системы сканирования входной камеры.

Мгновенный анодный ток сигнала диссектора

= -М^фк^эл»

где М — коэффициент усиления фотоумножительной части дис­ сектора; 8фЦ — интегральная чувствительность фотокатода; Ф эл — поток излучения от одного элемента изображения на фото­ катоде.

Для диссектора необходимо правильно (строго по паспорту) подбирать режим питания, так как от этого зависит его чувстви­ тельность.

Диссектор обладает значительно большим диапазоном свето­ вой характеристики по сравнению с ФЭУ и сохраняет свою работо­ способность до освещенности 2000—3000 лк.