3. Фотоумножитель. Устройство и принцип действия

Фотоумножителем называют электровакуумный прибор, пре­образующий энергию оптического излучения в электрическую и содержащий фотокатод, анод и вторично-электронный умножи­тель, в котором поток электронов умножается за счет вторичной электронной эмиссии. Вторично-электронный умножитель состоит из электродов, осуществляющих вторичную электронную эмиссию и называемых динодами. Количество динодов может быть раз­личным (от 1 до 18—20). Конструкция, расположение и электри­ческий режим динодов таковы, что число вторичных электронов, эмиттируемых с их поверхности, превышает число падающих на эту поверхность первичных электронов. Фотоумножитель с одним динодом называют однокаскадным, а с несколькими — многокаскадным.

Рассмотрим устройство и принцип действия многокаскадного фотоумножителя (рис. 3.15). Фотокатод под действием света испускает первичные электроны, которые ускоряются электри- г

ческим полем и падают на первый динод Д\. Динод под ударами первичных электронов испускает вторичные электроны, число ко­торых больше, чем первичных. Для этого между динодом и фото­катодом создается напряжение порядка 100—150 В. Вылетевшие из динода Д\ вторичные электроны ускоряются и направляются на второй динод Дг, для которого они первичны. В свою очередь динод Д2 испускает вторичные электроны и т. д. Каждый сле­дующий динод должен иметь положительный потенциал, пре-

Рис. 3.15. Усройство многокаскадного фотоумножителя

вышающий потенциал предыдущего на 100—150 В. На анод при­ходит умноженный во много раз поток электронов, так что ток анода гораздо больше фототока катода; происходит внутреннее усиление тока. Коэффициент усиления тока равен: К — о^п, где п — количество динодов; о — коэффициент вторичной эмиссии, показывающий, сколько вторичных электронов эмиттируется под действием одного первичного. Соответственно, чувствительность фотоумножителя в К раз больше, чем чувствительность фото­катода и достигает 100 А/лм.

Недостатками многокаскадных умножителей являются вы­сокое напряжение питания и большой собственный шум.

В кинотехнике для воспроизведения звука с фотографичес­ких фонограмм нашли применение однокаскадные фотоумножи­тели. Однокаскадный фотоумножитель имеет три электрода: фо­токатод, динод и анод. Фотокатод служит для осуществления фотоэлектронной эмиссии. Динод — это вторично-эмиссионный электрод. Анод служит для ускорения первичных и вторичных электронов, а также для собирания вторичных электронов.

Устройство однокаскадного фотоумножителя типа ФЭУ-1, а также его условное графическое обозначение на схемах пока­зано на рис. 3.16. Фотокатод в виде тонкого светочувствитель­ного слоя нанесен на половину внутренней поверхности стеклян­ного баллона. На противоположной стороне баллона нанесен

такой же по материалу, но небольшой по площади слой, являю­щийся динодом. Катод и динод — сурьмяно-цезиевые. Внутри баллона (ближе к диноду) расположен анод в виде редкой ме­таллической решетки из тонкой проволоки, натянутой на оваль­ную металлическую рамку. Выводы трех электродов впаяны в пластмассовый цоколь.

Схема включения однокаскадного фотоумножителя (рис. 3.17, а) содержит две цепи: цепь анода и цепь динода. В цепь

х' Ф

— ^а +

_ Первичные электроны Вторичные электроны

Натод^^йГ хАиод -Динод

Рис. 3.16. Однокаскадный фо тоумножитель ФЭУ-1: а — уст ройство; б — условное графиче ское обозначение

Рис. 3.17. Схема включения (а) и принцип действия (б) однокаскадного фотоумножителя

анода входят: источник анодного питания £_а, нагрузка /?„ и про­межуток анод — катод; в цепь динода входят: источник пита­ния £_д и промежуток динод — катод. В практических схемах оба электрода питаются от одного источника £_а; на анод по­дается -|-220 В, а на динод И70 В относительно катода через

гасящие резисторы.

Принцип действия однокаскадного фотоумножителя поясняет рис. 3.17, б, на котором схематически показаны: световой по­ток — пунктирными линиями, поток первичных электронов —

тонкими сплошными линиями, а вторичных — толстыми линиями. Световой поток от источника света падает на катод и вызывает фотоэлектронную эмиссию. Под действием ускоряющих электри­ческих полей анода и динода первичные электроны с большой скоростью движутся к аноду. Незначительная часть электронов попадает при этом на анод, а основной поток электронов про­ходит сквозь редкую решетку анода и падает на динод, вызы­вая вторичную эмиссию с его поверхности. Вторичные электроны, эмиттированные динодом, движутся под действием ускоряющего электрического поля к аноду, потенциал которого выше, чем динода. Анодный ток создается главным образом вторичными электронами, попадающими на анод, так как число первичных электронов, падающих с катода непосредственно на анод, пре­небрежимо мало по сравнению с числом вторичных электронов.

Поток эмиттированных катодом первичных электронов созда­ет в цепи фотокатода фототок /_ф, а поток вторичных электронов, попадающих с динода на анод, создает анодный ток /_а. Вторич­ных электронов вылетает больше, чем падает первичных, в о раз (а — коэффициент вторичной эмиссии), поэтому /_а = а/_ф.

Коэффициент усиления тока К, показывающий, во сколько раз анодный ток больше фототока, для однокаскадного фотоум­ножителя равен коэффициенту вторичной эмиссии:

В оптимальном режиме К достигает 4—6. Во столько же раз увеличивается чувствительность однокаскадного фотоумножите­ля по сравнению с чувствительностью фотокатода:

s = #=-^=K^s*.

где S — чувствительность фотоумножителя; — чувствитель­ность фотокатода, составляющая 100—120 мкА/лм для сурьмя­но-цезиевого фотокатода. У ФЭУ-1 чувствительность достигает 400—600 мкА/лм.