Файл: Слабкий Л.И. Методы и приборы предельных измерений в экспериментальной физике.pdf

с туннельными диодами невелика и, в зависимости от типа диодов, может лежать в пределах 4—7 дб, а среднеквадратическое напря­

жение шумов (f/jv)1/2—(0,3-^-1) ■ІО-7 ВІгц.

Туннельные диоды могут применяться не только в резонансных, но также и в апериодических усилительных схемах, с помощью ко­ торых можно получить усиление в широкой полосе частот.

В заключение отметим, что применение туннельных диодов в низкочастотных устройствах ограничено их сравнительно малым значением собственной емкости туннельного диода Со~(3-=-100)пФ и относительно малым значением дифференциального отрицатель­

шумящих входных устройств является целесообразным.

Г л а в а 2

ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИНДИКАТОРЫ

СЛАБЫХ СВЕТОВЫХ ПОТОКОВ

Для регистрации очень слабых световых потоков обычно широко применяются фотоэлектронные умножители (ФЭУ) [37, 38—48], которые обладают, сравнительно с другими приемниками (боло­ метрами, фотоэлементами, полупроводниковыми элементами и др.), целым рядом преимуществ, к числу которых можно отнести следую­ щие:

1) очень большой коэффициент усиления (до ІО9) при низком уровне собственных шумов;

3U

2) высокая временная разрешающая способность (до 10-1° с

ивыше);

3)возможность работы в широком диапазоне световых потоков при использовании части (из всех) динодов ФЭУ;

4)малые габариты, нечувствительность к вибрациям, возмож­ ность охлаждения до очень низких температур.

Ниже будут рассмотрены основные характеристики ФЭУ в ре­ жиме их работы для измерения предельно слабых световых по­

токов 10, а также некоторые практические схемы таких устройств.

§ 1. Шумовые характеристики ФЭУ

Основным источником шумов в ФЭУ является темновой ток, обусловленный: а) утечкой; б) холодной эмиссией с электродов ФЭУ; в) наличием ионов остаточных газов в баллоне ФЭУ; г) термо­ электронной эмиссией; д) наличием космической радиации; е) оп­ тической обратной связью.

Зависимость величины темнового тока /т фотоумножителей от напряжения U на его динодах является нелинейной (рис. 107 [39]), причем различные ее участки соответствуют различным компонен­ там полного темнового тока. Так, при напряжении между соседними динодами в пределах 0-7-60 В основной вклад дает ток утечки вслед­ ствие неизбежных загрязнений внутренней поверхности колбы ФЭУ скбнденсировавшимися парами щелочных металлов (в частности, Cs) в процессе изготовления ФЭУ. При напряжении U = 60-7-100 В преобладающей компонентой / т является ток термоэлектронной

Рис. 107. Темповой ток 1т ФЭУ при различных напряжениях UK на его динодах

О40 80 120 ин,В

эмиссии и, наконец, для области, где U = 100—1000 В, начинают играть заметную роль различные газоразрядные явления, вторич­ ная ионизация и автоэлектронная эмиссия.

Флуктуации темнового тока, в конечном итоге определяющие предельную чувствительность ФЭУ, при которой падающий на ка­

10 Флуктуации светового потока, обусловленные его квантовой природой, могут быть зарегистрированы человеческим глазом [38].

212

тод ФЭУ световой поток Фп создает на его выходе сигнал, равный среднеквадратическому значению флуктуирующего шумового тока, имеют характер дробового шума фототока. Величина этого шума может быть найдена по формуле Шоттки:

схемы в целом; В — фактор, учитывающий шум за счет эффектов вторичной эмиссии. (При низких частотах модуляции светового по­ тока (/s^lO2 гц) необходимо учитывать также фликкер-эффект за счет сравнительно медленных изменений чувствительности фото­ катода ФЭУ вследствие различных миграционных процессов, в част­ ности процесса диффузии.)

На участке вольт-амперной характеристики ФЭУ, где основную

где G — коэффициент усиления ФЭУ, / т — термоэлектронный ток фотокатода; / 0 — фототок полезного сигнала с фотокатода.

Отношение сигнала к шуму на выходе ФЭУ можно записать в виде

В зависимости от способа работы ФЭУ в схеме (режим измерения тока или импульсный режим) можно различать два типа шумовых характеристик, а именно флуктуации выходного тока ФЭУ (и со­ ответствующую им предельную чувствительность к световому по­ току Фп, лмІгц'А) и распределение импульсов тока по их амплитуде (амплитудный спектр шумов, определяющий предельную чувстви­ тельность ФЭУ как счетчика числа фотонов).

В случае работы ФЭУ в режиме счетчика импульсов (счетчик фотонов) распределение шумовых импульсов фотоэлектронов на выходе ФЭУ может быть как пуассоновским, так и экспоненциаль­ ным, а в большинстве случаев оно представляет собой суперпозицию

динодов, К — их среднее значение, отнесенное к одному первич­ ному электрону) имеет место в тех случаях, когда основную роль в шумовом токе играет термоэлектронная эмиссия с фотокатода, которая подчиняется пуассоновскому закону распределения, так же как и эмиссия от фотоэлектронов при подсветке. Относительная

213

флуктуация числа электронов АN/N на выходе ФЭУ равна ANIN =

=/ К1(К— \)

Если же основной вклад в шумовой ток обусловлен какими-либо

иными процессами (свечением колбы, свечением остаточных газов, эффектами ионизации, приводящими к разрядам, стеканием зарядов с острых углов динодов ФЭУ, автоэлектронной эмиссией, утечкой по баллону колбы и др.), то в этом случае распределение выходных шумовых импульсов будет близко к экспоненциальному, которое для одноэлектронного распределения имеет вид

причем напряжение U, соответствующее максимуму импульсов, равно U — U0 (N—1).

Типичные кривые, соответствующие различным компонентам темнового тока, приведены на рис. 108 [39]. Здесь 1 — экспонента, 2 — «пуассоновская» кривая, 3 — более сложная, двугорбая кри­ вая, обусловленная, видимо, пуассоновскими процессами с различ­

ными значениями К. Сравнение двух методов измерения с приме­ нением ФЭУ — метода счета импульсов на выходе ФЭУ и метода, при котором измеряется средний ток анода ФЭУ, — показывает, что наиболее чувствительным является первый из этих методов, который часто называют одноэлектронным. Это вытекает из следую­ щих рассуждений. Предел чувствительности метода «среднего тока» определяется флуктуациями анодного тока ФЭУ, а следовательно, и флуктуациями напряжения анода. При этом амплитуда импуль­ сов «помех», дающих вклад в величину флуктуаций анодного тока, не селектируется, а вероятность появления шумовых импульсов большой амплитуды (например, газоразрядных) пропорциональна напряжению на аноде ФЭУ. Для метода счета импульсов, при кото­ ром устанавливается выбранный диапазон измерения амплитуд импульсов, чувствительность ограничена числом шумовых импуль­ сов в данном диапазоне амплитудного спектра, и число шумовых импульсов большой амплитуды в этом участке спектра не зависит от напряжения на аноде ФЭУ, т. е. их будет значительно меньше, чем в режиме «среднего тока». Кроме того, применение модуляции светового потока при весьма слабых потоках практически не дает заметного эффекта ввиду относительно больших статистических флуктуаций числа фотонов в регистрируемом излучении.

При пуассоновском законе распределения выходных импульсов ФЭУ Для сигнала Ns и шума NN минимальное время измерений,

214

<о

Рис. 108. График функции N (U) для различных компонент темнового тока ФЭУ

необходимое для регистрации полезного сигнала с относительной ошибкой, не превышающей величины а, определяется из условия [37]

при комнатной температуре световой поток в 70 квантов/с может быть зарегистрирован за время измерения ^га1п = 1 мин. Отметим, что такому потоку квантов с X = 4100 А при площади фотокатода а = 1,8 см2 соответствует интенсивность потока энергии 1,9Х ХІО-17 Вт/см2, что на порядок меньше предельной чувствитель­ ности, регистрируемой человеческим глазом [38].

215