Фотоэлектронные вакуумные приборы

Фотоэлектронными называют такие вакуумные приборы, в основу которых положено явление фотоэффекта (фотоэлектронной эмиссии). Фотоэлектронные вакуумные приборы предназначены для преобразования световой энергии в электрическую и усиления фототока.

Классификация. Фотоэлектронные приборы классифицируют по средой, в котором происходят указанные выше преобразования. Различают фотоэлектронные вакуумные приборы и фотоэлектронных твердотельные приборы. Последние имеют еще название фотоэлектронных полупроводниковых приборов, поскольку указанные выше преобразования энергии эффективно происходят в полупроводниках. Работа фотоэлектронных вакуумных приборов основывается на явлении фотоэлектронной эмиссии (эмиссии электронов под действием света), в то время как в основу работы фотоэлектронных твердотельных приборов положено явление фотопроводимости (Изменения электропроводности под действием света). Учитывая это приведенную выше классификацию фотоэлектронных приборов можно было бы назвать классификацией за явлениями, которые лежат в основе работы приборов. В группу фотоэлектронных вакуумных приборов относятся фотоэлементы (ФЭ), фотоэлектронных умножителей
(ФЭУ) и электронно-лучевые приборы. Последние будут рассматриваться в п. 1.2.4 «Электронно-лучевые вакуумные приборы». В группу фотоэлектронных твердотельных приборов относятся фоторезисторы, полупроводниковые фотоэлементы, солнечные батареи, фотодиоды, фототранзисторы. Часть из них рассматривается в п. 3.2 «Оптоэлектронные функциональные устройства», другая — в пунктах, касающихся
резисторов, полупроводниковых диодов и транзисторов. Фотоэлектронных вакуумные приборы классифицируют по материалу фотокатода, размещением оптического входа, размещением внешних выводов, по выполняемыми функциями и тому подобное. Различают фотоэлектронные вакуумные приборы с магниевым, сурьмяно-цезиевым, кислородно-серебро-цезиевым, висмут-серебро-цезиевым, сурьмяно-натрий-калий-цезиевым и другими фотокатодами. Они могут иметь торцевой или боковой оптический вход, цокольное или бесцокольное размещения внешних выводов.
Условные изображения и обозначения. На схемах ФЭ и ФЭУ условно изображают так, как показано на рис. 1.

%d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9

Рис. 1. Условные изображения фотоэлектронных вакуумных приборов: а — фотоэлемент; б — однодинодний фотоэлектронный умножитель; в — многодинодний фотоэлектронный умножитель (ФК — фотокатод; ФЭ — фокусировочный электрод; А — анод; 1, 2 … 13 — диноды)

 Условное обозначение фотоэлектронных приборов состоит из трех элементов: первый — буква Ф — фотоэлемент или ФЭУ — фотоэлектронный умножитель; второй — дефис; третий — цифра, которая означает порядковый номер разработки. Например: Ф-1 — фотоэлемент, номер разработки 1; ФЭУ-2 — фотоэлектронный усилитель, номер разработки 2.

Строение. Основными элементами конструкции ФЭ является баллон, электроды и внешние выводы (рис. 1). Баллоны ФЭ должны быть прозрачными к тому падающего на них падает, поэтому их изготавливают из тех видов стекла, которые пропускают соответствующие световые волны. Чаще всего это увиолевое или кварцевое стекло, которое пропускает широкий спектр световых волн, в частности ультрафиолетовые. Стеклянные баллоны могут иметь сферическую, цилиндрическую или сложную форму. Внутри стеклянного баллона размещены электроды. Фотокатодом служит тонкий слой светочувствительного вещества, нанесенный или на часть внутренней поверхности стеклянного баллона, или на специальную пластинку (рис. 2).

%d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9

Рис. 2. Строение ФЭ: а — с катодом внутри баллона; б — с катодом в виде пластинки; 1 — баллон; 2 — фотокатод; 3 — анод; 4 — выводы; 5 — цоколь

В ФЭ чаще всего используют сложные фотокатоды — это тонкий слой металла с окисленной поверхностью, поверх которой нанесено одноатомный слой цезия. Самые распространенные кислородно-цезиевый и сурьмяно-цезиевый фотокатоды. Последний часто наносят на никелевую подложку. Анодом конечно служит кольцо, которое расположено в центре баллона, или сетка, которая расположена вблизи пластинчатого катода (рис. 2). Такая конструкция анода не препятствует проникновению световых лучей на фотокатод.

%d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9

Рис. 3. Упрощенная схема ФЭУ: 1 — фотокатод; 2 — анод; 3 — динод

ФЭУ имеют сложное строение (Рис. 3). Реальные конструкции ФЭУ состоят из двух частей: электронно-оптической и динодной. Электронно-оптическая часть прибора содержит фотокатод в виде полупрозрачного светочувствительного слоя, нанесенного на внутреннюю поверхность и ряд электродов, которые обеспечивают фокусировку потока фотоэлектронов в направлении первого динода. Динодная часть прибора содержит динод, которые по существу является вторично-электронными катодами.

%d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9

Рис. 4. Схема включения ФЭ

Работа. Схема включения ФЭ приведена на рис. 4. Во время облучения фотокатода поток лучистой энергии частично отражается от его поверхности, а частично поглощается. Если величина кванта поглощенной лучистой энергии больше работу выхода электронов, то электроны покидают фотокатод, попадают в вакуум и направляются к аноду. А. Столетов установил, что количество эмитированных электронов, а, следовательно, фототок пропорционален световому потоку:%d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9

где К — коэффициент пропорциональности.
Согласно закону Эйнштейна кинетическая энергия эмитированных электронов %d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9 равна разности поглощенной энергии %d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9 и работы выхода %d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9, то есть

%d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9

Выход электронов с фотокатода в вакуум облегчается, если на анод подать положительный относительно фотокатода потенциал, объясняется уменьшением высоты потенциального барьера. Некоторые высокоэнергетические электроны могут выходить в вакуум даже без освещения фотокатода, вызывая появление в ФЭ небольшого темнового тока %d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9.
Общий ток ФЭ I равна сумме составляющих, то есть%d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9

В ФЭ между фотокатодом и анодом нет других электродов, поэтому электроны, покинув фотокатод, направляются прямо к аноду. В ФЭП между фотокатодом и анодом размещены дополнительные электроды — диноды (рис. 2), которые находятся под положительными относительно катода потенциалами и поверхность которых имеет покрытие (кислородно-цезиевых, медно-сернисто-цезиевых и т.д.), которое имеет коэффициент вторичной электронной эмиссии %d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9. Поэтому электроны, покинув фотокатод, сначала попадают на первый динод, выбивают из него вторичные электроны, которые вместе с первичными направляются ко второму диноду и т. д. С первого динода получается электронов в %d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9 раз больше тех, которые падали на него. С другой динода — в %d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9 раз больше и т. д. На анод поступит поток
электронов, в %d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9 раз больше тех, которые вышли из фотокатода, где n — количество динод. То есть ФЭУ в %d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9 раз увеличил количество электронов и за счет этого в n раз увеличился ток фотокатода.

Свойства. Свойства ФЭ отражают их вольт-амперные, световые и спектральные характеристики. Вольт-амперные характеристики показывают зависимость фототока от напряжения анода. Они имеют вид,
приведен на рис. 5.

%d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9

Рис. 5. Вольт амперные характеристики ФЭ

Из рис. 5 видно, что при определенном смысле Uа наступает насыщение фототока Iф. Это означает, что уже все эмитированные фотокатодом электроны попали на анод. Световые характеристики выражают зависимость фототока Iф от светового потока Ф, их вид показан на рис. 6.

%d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9

Рис. 6. Cветовая характеристика ФЭ

%d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9

Рис. 7. Спектральная характеристика ФЭ

Видно, что между фототоком и световым потоком существует прямо пропорциональна зависимость. Спектральные характеристики ФЭ выражают зависимость фототока от длины световой волны %d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9. Они имеют вид, приведенный на рис. 7. Из рис. 7 следует, что ФЭ отличаются высокой монохроматической чувствительностью, то есть чувствительностью к определенной части спектра.
Важнейшими параметрами ФЭ является напряжение питания, темновой ток, диаметр рабочей площади фотокатода и его чувствительность К, которая определяется
отношением фототока Іф к световому потоку Ф, то есть

%d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9

Свойства ФЭУ отражают их вольт-амперные, световые и спектральные характеристики, которые качественно подобные соответствующих характеристик ФЭ. Важнейшими параметрами, которые описывают свойства ФЭУ, есть напряжение питания, чувствительность фотокатода, чувствительность анода при различных напряжений питания и темновой ток при разной чувствительности анода.

Применение. ФЭ и ФЭУ предназначены для работы в автоматических контролльно-измерительных устройствах, фототелеграфной, звуковоспроизводящей аппаратуры, кинематографии и тому подобное. С их помощью, например, измеряют яркость света, величину световых потоков, осуществляющий спектральный эмиссионный анализ, регистрируют слабые световые потоки в видимой части спектра, мягкое
рентгеновское излучение, выполняют гамма-спектроскопию и тому подобное.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

CAPTCHA image
*