4. Характеристики однокаскадного фотоумножителя

Анодный ток фотоумножителя, имеющего три электрода, за­висит от двух напряжений — анода и динода — и от светового потока. Поэтому основными характеристиками такого прибора являются вольт-амперная, каскадная и световая.

Для того чтобы снять эти характеристики, необходимо соб­рать электрическую схему (рис. 3.18, а), в которой можно изме­нять напряжения анода и динода с помощью потенциометров, а световой поток от лампы накаливания — с помощью диафраг­мы Д с переменным диаметром отверстия. В схему включают измерительные приборы для измерения /_а, U_a и и_л.

Вольт-амперная (анодная) характеристика — это зависи­мость анодного тока от напряжения между анодом и динодом Uяд при постоянных значениях напряжения динода и светового потока (рис. 3.18, б):

/_а = f(U_ajl) при и_л = const; Ф = const.

теля

Для снятия этой характеристики устанавливают рабочее на­пряжение динода, равное 170 В, и постоянный световой поток порядка сотых долей люмена. При изменении анодного напряже­ния от нуля до величины, при которой U_aa — 0 (U_a— U_a), анод­ный ток практически остается равным нулю. С увеличением анод­ного напряжения, когда U_aa>0 (£/_а>(/_д), электрическое поле для вторичных электронов становится ускоряющим; все большее число их движется к аноду, анодный ток быстро растет, и харак­теристика идет круто вверх, пока ток не достигает величины тока насыщения. Это происходит при анодном напряжении, превы­шающем напряжение динода на 35—40 В. Дальнейшее увели­чение анодного напряжения не вызывает роста анодного тока, так как все вторичные электроны достигают анода. Горизонталь­ный участок характеристики, соответствующий насыщению, яв­ляется рабочим.

Устанавливая разные значения светового потока, можно по­лучить семейство вольт-амперных характеристик. Чем больше световой поток, тем выше располагается рабочий участок ха­рактеристики.

По вольт-амперной характеристике можно определить инте­гральную чувствительность фотоумножителя. Для этого величину анодного тока /_а на рабочем участке (обычно при рабочем напряжении U_a — 220 В) следует разделить на величину свето­вого потока Ф, при котором снималась характеристика:

S = мкА/лм.

Каскадная характеристика — это зависимость анодного тока от напряжения динода при постоянных величинах анодного напряжения и светового потока (рис. 3.18, в):

/_а = f(Uд) при U_a — const; Ф = const.

При снятии этой характеристики устанавливается постоянное анодное напряжение, равное рабочему напряжению 220 В, и све­товой поток порядка сотых долей люмена. При U_n = 0 все пер­вичные электроны идут на анод; даже электроны, пролетевшие сквозь анод, возвращаются к нему. Поэтому анодный ток /_а равен фототоку катода /_а = /_ф. С увеличением напряжения U_a часть электронов, пролетая сквозь решетку анода, достигает ди­нода, вызывая вторичную эмиссию. При небольшом напряжении U_a количество эмиттируемых вторичных электронов еще невелико, но все же коэффициент вторичной эмиссии с >• 1. Все вторичные электроны движутся на анод, имеющий значительно больший по­тенциал, и анодный ток начинает медленно расти. При дальней­шем увеличении скорость и количество первичных электронов, падающих на динод, возрастают; следовательно, увеличивается количество вторичных электронов, растет анодный ток. Это про­исходит при увеличении U_n до определенной оптимальной вели­чины U_a — Uнот_у при которой анодный ток достигает макси­мального значения /а макс При этом получается наибольшее зна­чение коэффициента усиления тока и наибольшая чувствитель­ность фотоумножителя. Рабочее напряжение динода задается равным оптимальному и составляет примерно 170 В.

Дальнейшее увеличение U_n приводит к уменьшению анодного тока из-за того, что по мере приближения U_a к величине U_a уменьшается разность потенциалов между анодом и динодом, а следовательно, ослабляется ускоряющее электрическое поле для вторичных электронов. Все меньшее число вторичных электронов попадает на анод, и анодный ток уменьшается. При U_a — U_a ускоряющего поля для вторичных электронов нет, и все они возвращаются на динод. При этом анодный ток /_а становится равным нулю.

По каскадной характеристике можно определить такие пара­метры фотоумножителя, как чувствительность и коэффициент усиления, а также чувствительность фотокатода.

Для определения чувствительности фотоумножителя S необ­ходимо взять отношение /_амакс к величине постоянного светового потока, при котором снималась каскадная характеристика:

О ^а макс

~ Ф '

Чувствительность фотокатода S,}, определяется как отношение фототока /ф к световому потоку:

с

— ф~ '

где /ф = /а при £/д= 0.

Коэффициент усиления вычисляется как отношение макси­мального анодного тока к току фотоэлектронной эмиссии:

I/^- I а макс S

Л = —7 =-с—•

На динод с катода приходят первичные электроны, которые создают ток динода, равный фототоку /_ф. В то же время с динода уходят на анод вторичные электроны, которые создают анодный ток /_а. Поэтому ток динода /_д в любом режиме равен разности анодного тока и фототока (пунктирная кривая /_д = /(£/_д) на рис. 3.18, в) :

/а — /_а /ф •

В частности, при (7_д = U_a, когда /_а = 0, ток /_д = /_ф, а при 1)_а = = 0, когда /_а = /ф, ток /_д = 0.

Световая характеристика фотоумножителя является эмис­сионной характеристикой и представляет собой зависимость анодного тока от светового потока при постоянных напряжениях анода и динода:

/_а = /(ф) при Ua — const; U_a — const.

Поскольку фотоумножитель — прибор электровакуумный, его световая характеристика подчиняется закону Столетова и имеет вид прямой линии, выходящей из начала координат под углом, зависящим от чувствительности прибора (см. рис. 3.14, а). При больших световых потоках рост анодного тока несколько замед­ляется, так как скопление движущихся к аноду вторичных

электронов создает отрицательный объемный заряд, который тор­мозит движение этих электронов на анод.

Спектральная характеристика фотоумножителя определяется спектральной характеристикой его катода, в данном случае сурь- мяно-цезиевого (см. рис. 3.14, в). Большая чувствительность этого катода к видимой части спектра отвечает требованиям воспроизведения фонограмм цветных кинофильмов.

Частотные свойства фотоумножителя определяются его час­тотной характеристикой.

Частотная характеристика — это зависимость чувствительнос­ти от частоты изменения светового потока.

Процессы в однокаскадном фотоумножителе практически бе­зынерционны, поэтому его частотная характеристика выражает­ся горизонтальной прямой линией во всей области звуковых час­тот, а также на более высоких частотах до десятков килогерц. Это позволяет успешно использовать фотоумножители в кине­матографии для воспроизведения звука с фотографических фо­нограмм кинофильмов.

К параметрам фотоумножителя кроме чувствительности от­носятся темновой ток, рабочее напряжение анода, рабочее напря­жение динода.

Темновой ток /_т — это ток, протекающий в анодной цепи при отсутствии светового потока. Причиной его появления может быть термоэлектронная эмиссия, происходящая при комнатной температуре, а также ток утечки между выводами электродов.

Контрольные вопросы

1. Назовите виды фотоэффекта и законы фотоэлектронной эмиссии.

2. Нарисуйте схематическое устройство многокаскадного и однокаскадного фотоумножителей и объясните принцип их действия.

3. Нарисуйте и объясните вольт-амперную и каскадную характеристики однокаскадного фотоумножителя.

4. Назовите основные параметры фотоумножителя и объясните, как они оп­ределяются по характеристикам.

5. Нарисуйте и объясните световую и спектральную характеристики фото­умножителя с сурьмяно-цезиевым катодом.