Волновая оптика - Калитеевский Н.И.
ISBN 5-06-003083-0
Скачать (прямая ссылка):
внешним фотоэффектом. Смысл
этого названия будет более ясен после характеристики полупроводниковых фотоэлементов, в которых носители тока не покидают катод, а лишь перераспределяются по различным его частям . Такое явление обычно называют внутренним фотоэффектом .
Для того чтобы удовлетворить требованиям к спектральным свойствам фотоэлемента (т.е. обеспечить достаточную его чувствительность в заданной области спектра), приходится использовать фотокатоды сложного состава. Так, например, для измерений световых потоков в видимой и близкой ультрафиолетовой
436
области обычно применяют сурьмяно-цезиевые фотокатоды, имеющие максимум чувствительности в сине-фиолетовой области спектра (X » 4500А). Проводить измерения такими фотоэлементами в красной и инфракрасной области спектра невозможно, и для этих целей обычно применяют кислородно-цезиевые фотокатоды, имеющие максимум чувствительности уже за границей видимого спектра (к « 8000А). Но если длина волны исследуемого излучения будет больше чем 1,1 — 1,2 мкм, то и такие фотоэлементы уже непригодны и для измерений могут быть использованы фотодиоды, которые будут описаны ниже.
Для обеспечения высокой чувствительности измерений нужно правильно выбрать тип фотокатода, конструкцию фотоэлемента, условия его эксплуатации. Обычно эти данные приводятся в паспорте фотоэлемента. Чувствительность фотоэлемента характеризуют силой фототока при стандартных условиях освещения. Вакуумные фотоэлементы обычно имеют чувствительность 50 — 80 мкА/лм.
Для повышения чувствительности иногда наполняют колбу фотоэлемента каким-либо газом, не вступающим в реакцию с веществом фотокатода. В таких газонаполненных фотоэлементах выбитые из катода электроны при своем движении к аноду ионизируют атомы газа. Образующиеся в газе ионы и электроны движутся к электродам фотоэлемента, заметно увеличивая исходный фототок. Чувствительность таких устройств велика (она достигает 500 мкА/лм), но их вольт-амперная характеристика имеет более сложный вид, чем обычная зависимость силы фототока от приложенной разности потенциалов, и часто не соблюдается пропорциональность силы фототока и светового потока. Другим недостатком газонаполненных фотоэлементов является их инерционность, приводящая к искажению фронта регистрируемого сигнала и ограничивающая возможность измерения модулированных и быстроизменяющихся световых потоков. При частоте модуляции в несколько килогерц обычно уже невозможно использование газонаполненных фотоэлементов .
Следует отметить, что обсуждаемые свойства фотоэлектрических приемников (спектральная характеристика и чувствительность, линейность, инерционность) весьма существенны для исследования возможности применения того или иного устройства при решении конкретных задач.
Существенный прогресс в фотоэлектрических измерениях был достигнут в 40—50-е годы, когда в практику начали широко внедряться фотоэлектрические умножители (ФЭУ). Идея создания таких приборов была выдвинута исследователями еще в 20-е годы, а первый прибор, в котором использован описанный ниже принцип усиления фототока, был создан в 1934 г. и получил
437
в честь его изобретателя название «трубки Кубецкого» .
Для усиления фототока в фотоэлектронных умножителях использовано явление вторичной электронной эмиссии . Оно заключается в том, что бомбардировка пучком электронов поверхности металла, полупроводника или диэлектрика при некоторых условиях вызывает эмиссию вторичных электронов, которую обычно характеризуют, коэффициентом вторичной эмиссии ст — отношением числа выбитых электронов к числу падающих. Этот коэффициент зависит от многих параметров (вида и состояния поверхности, скорости и угла падения пучка электронов и т.д.) и для некоторых веществ может достигать больших значений (10 и выше). В частности, легко получается значительное усиление сигнала при использовании в качестве материала эмиттеров сплава сурьмы и цезия. Приводимая на рис. 8.18 схема иллюстрирует возможность усиления электронных токов за счет вторичной эмиссии.
Совершенно ясно, что важно не только создать большее число вторичных электронов, но и сфокусировать электронные потоки так, чтобы подавляющее число выбитых электронов достигло следующего эмиттера. Фокусировка вторичных электронов осуществляется различными способами. Наибольшее распространение получили умножители, в которых конфигурация и расположение фотокатода и эмиттеров подобраны так, что создаваемые ими электрические поля обеспечивают оптимальные условия прохождения электронного пучка (рис. 8.19).
8.19. Форма и расположение электродов в фотоумножителе ФЭУ-38:
1 — фотокатод; 2 — диноды; 3 — анод (коллектор)
тенциалов, что осуществляется с помощью так называемых делителей напряжения. Коэффициент усиления фотоумножителя при использовании нескольких каскадов достигает значений 105 — 106.
Для того чтобы предохранить фотоумножитель от посторонней засветки и экранировать электронную схему от внешних электростатических полей, его обычно помещают в специально изготовленный металлический кожух . На рис. 8 .20 представлен внешний вид распространенного фотоумножителя ФЭУ-38 с кожухом. В нижней части кожуха имеется панель, на которой смонтирован делитель напряжения. На рис. 8.21 приведена фотография фотоумножителя, подготовленного к измерениям.
