Файл: Исследование однокаскадного фотоэлектронного умножителя цель работы ознакомление с устройством и характеристиками фотоумножителя.docx

4. ИССЛЕДОВАНИЕ ОДНОКАСКАДНОГО ФОТОЭЛЕКТРОННОГО УМНОЖИТЕЛЯ

Цель работы – ознакомление с устройством и характеристиками фотоумножителя.

4.1. Основные понятия, термины и определения

Фотоэлектронная эмиссия, или внешний фотоэффект, представляет собой последовательность трех процессов: 1) поглощения фотонов и перехода возбужденных электронов в более высокое энергетическое состояние; 2) движения возбужденных электронов и частичной потери их энергии при рассеянии в фоточувствительном слое; 3) выхода подошедших к поверхности фотоэлектронов в вакуум или газовую среду, если их энергия достаточна для преодоления потенциального барьера.

Опытным путем установлены основные законы внешнего фотоэффекта: 1) число испускаемых облучаемой поверхностью электронов (фотоэлектрический ток) прямо пропорционально величине падающего лучистого потока; 2) скорости испускаемых облучаемой поверхностью электронов зависят не от интенсивности падающего света, а от его спектрального состава и увеличиваются при возрастании частоты падающего излучения.

Фотоэлектронные мишени с внешним фотоэффектом используются в приборах, предназначенных для преобразования оптического сигнала в электрический. К таким приборам относятся фотоэлементы, фотоэлектронные умножители (ФЭУ), электронно-оптические преобразователи и пр.

Фотоэлектронный умножитель – это прибор, представляющий собой комбинацию фотоэлемента с усилителем фототока, работающим на принципе использования явления вторичной эмиссии электронов. Источником первичных электронов здесь является фотокатод, аналогичный фотокатодам, применяемым в вакуумных фотоэлементах. В большинстве случаев это кислородно-цезиевые или сурьмяно-цезиевые катоды. Усилительная система состоит из одного или нескольких специальных электродов (динодов), между которыми создают ускоряющее электрическое поле. В зависимости от числа динодов в усилительной секции различают однокаскадные и многокаскадные фотоэлектронные умножители. Под действием ускоренных электрическим полем фотоэлектронов из первого динода эмитируются вторичные электроны. В многокаскадных ФЭУ вторичные электроны ускоряют и последовательно направляют на последующие динодные секции.

---

Диноды изготавливаются из материалов, обладающих большим коэффициентом вторичной эмиссии , поэтому поток вторичных электронов, вылетающих с поверхности динода, в  раз превышает поток падающих на поверхность электронов. Этим достигается усиление анодного тока. В случае равенства коэффициентов вторичной эмиссии всех динодов ток на аноде ФЭУ определяется выражением , где – ток анода; – ток фотокатода; m – число динодов [5].

Спектральное распределение чувствительности фотокатода обусловливает селективный характер чувствительности ФЭУ. При использовании кислородно-цезиевых фотоэлементов рабочей областью ФЭУ является видимая и ближняя инфракрасная часть спектра. Сурьмяно-цезиевые ФЭУ работают в ультрафиолетовой и коротковолновой части видимого диапазона.

Поскольку в технике чаще всего имеют дело с интегральным потоком излучения, представляет интерес не столько спектральная, сколько интегральная чувствительность ФЭУ, определяемая выражением , где – интегральная чувствительность фотокатода ФЭУ ( – ток фотокатода; – световой поток, падающий на катод: – сила света источника; – площадь эффективного сечения фотокатода; – расстояние от источника света до фотокатода).

Помимо спектральных к основным характеристикам ФЭУ относятся световые и вольт-амперные характеристики (ВАХ). Световые (энергетические) характеристики

---

и линейны при малых потоках излучения. Отклонение от линейности при больших потоках излучения связано с утомлением динодов (уменьшением ), утомлением фотокатода и образованием пространственного заряда большой плотности.

Зависимость тока анода от анодного напряжения имеет вид характеристик диода с насыщением, достигаемым при той разности потенциалов, когда все вторичные электроны оказываются собранными на аноде. Зависимости тока анода от напряжения на диноде снятые при достаточно высоком (относительно динода) напряжении , имеют ярко выраженный максимум, определяемый зависимостью  от энергии фотоэлектронов, а также условиями токоотбора в приборе.

4.2. Описание экспериментальной установки

В работе исследуется фотоэлектронный умножитель ФЭУ-1 (рис. 4.1).

Фотокатод 1 и динод 3 нанесены на внутреннюю поверхность сферической колбы и расположены один против другого. Анод 2 имеет вид кольца. В ФЭУ-1 используют сурьмяно-цезиевые фотокатод и динод. А, К, Д – выводы анода, фотокатода и динода.

Электрическая схема установки для иследования ФЭУ представлена на рис. 4.2.



Установка включает в себя фотометрическую скамью, обеспечивающую плавную регулировку светового потока за счет перемещения лампы накаливания с силой света I = 1.2 кд относительно ФЭУ. Для ФЭУ-1 эффективный радиус фотокатода равен 19.25 мм. Установка обеспечивает изменение расстояния лампа накаливания–фотокатод от 0.1 до 0.26 м.

4.3. Порядок выполнения работы

1. Снять световые характеристики ФЭУ-1 при напряжениях на аноде и диноде:  В,  В;

---

 В,  В;  В,  В. Расстояние от источника света до фотокатода ФЭУ менять в пределах от 0.19 до 0.26 м.

2. Снять ВАХ ФЭУ-1 при постоянном значении  В двух световых потоках, соответствующих расстояниям лампа накалива-
ния–фотокатод, равным 0.21 и 0.26 м.

3. Снять ВАХ ФЭУ-1 при постоянном значении  В и двух световых потоках, указанных в п. 2.

4. По световым характеристикам рассчитать интегральную чувствительность фотокатода, ФЭУ и коэффициент вторичной электронной эмиссии динода.

4.3. Содержание отчета

1. Таблицы результатов измерений.

2. Результаты расчетов интегральных токовых чувствительностей фотокатода, ФЭУ и коэффициента вторичной электронной эмиссии динода.

3. Графики световых и вольт-амперных характеристик ФЭУ.

4.4. Контрольные вопросы и задания

1. Назовите основные законы внешнего фотоэффекта.


2. Что характеризует интегральная токовая чувствительность ФЭУ?


3. На чем основано усиление фототока в ФЭУ?


4. Какой вид имеет зависимость коэффициента вторичной эмиссии от энергии первичных электронов?

5. Объясните ход световых и вольт-амперных характеристик ФЭУ.

---