 |
|
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ФОТОЭЛЕКТРОННОГО УМНОЖИТЕЛЯ
ЦЕЛЬ РАБОТЫ: Изучение работы ФЭУ и определение его основных характеристик.
Краткие сведения о ФЭУ
Фотоэлектронный умножитель - многоэлектродный прибор, имеющий фотокатод, несколько динодов и анод.
ФЭУ обладают малой инерционностью и могут работать на весьма высоких частотах. Их применяют для регистрации световых импульсов, следующих через наносекундные промежутки времени. ФЭУ обладают очень большой чувствительностью к слабым световым потокам. Поэтомуих применяют в астрономии, фототелеграфии, телевидении, в сцинтилляционных счетчиках для регистрации вспышек, производимых быстрыми частицами и т.д. В полупроводниковой электронике пока нет приборов, полностью заменяющих ФЭУ.
Существуют два типа фотокатодов, используемых в ФЭУ: пленочные полупрозрачные катоды толщиной 20-30 нм, работающие на просвет, когда измеряемый световой поток попадает на одну сторону пленки, а фотоэлектроны эмитируются с другой, и массивные, непрозрачные катоды, у которых освещаемая сторона совпадает с эмитирующей.
Наиболее важными параметрами фотокатодов являются:
1. Квантовый выход, который определяется числом эмитированных фотоэлектронов, приходящихся на один фотон.
2. Спектральная чувствительность, которая определяется как отношение фототока эмиссии в амперах к монохроматическому длиной волны λ потоку, измеряемому в ваттах.
3. Спектральная характеристика - зависимость относительной спектральной чувствительности от длины волны,
Спектральная характеристика фотокатода (и всего ФЭУ) определяется типом фотокатода. Среди нескольких типов фотокатодов, чувствительных в видимой части спектра, наиболее распространен сурьмяно-цезиевый фотокатод. Для измерения в ближайшей инфракрасной области спектра наиболее распространен кислородно-серебряно-цезиевый фотокатод.
ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ФЭУ:
1. Спектральная характеристика фотокатода - она определяет диапазон длин волн, в котором можно применять данный ФЭУ.
2. Анодная чувствительность.
3. Световая чувствительность фотокатода.
4. Темновой ток.
5. Напряжение питания.
Световая чувствительность фотокатода 
определяется как отношение фототока катода к световому потоку
.
Анодная чувствительность ФЭУ 
связана с чувствительностью
фотокатода соотношением
,
где М - коэффициент усиления (умножения) фототока.
Темновой ток определяется как ток ФЭУ, находящегося под напряжением в темноте.
Описание установки
В лабораторной установке исследуется фотоэлектронный умножитель ФЭУ-35 с полупрозрачным сурьмяно-цезиевым фотокатодом. Область максимальной чувствительности данного ФЭУ находится в диапазоне 0.38-0.42 мкм. ФЭУ-35 имеет фотокатод диаметром 25 мм и восемь динодов.
Схема включения ФЭУ в лабораторной работе представлена на рис 1.
В качестве нагрузки ФЭУ в цепь анода включено сопротивление R=51 кОм. Ток анода определяется по падению напряжения на анодном сопротивлении.
Анодная чувствительность ФЭУ есть отношение тока анода к величине све 
тового потока и определяется в светотехнических единицах А/лм.
Чтобы определить чувствительность ФЭУ, необходимо знать световой поток, падающий на фотокатод. Источником светового потока в лабораторной установке являются светодиоды АЛ102, излучающие на длине волны 0.69мкм. Сила света, излучаемая светодиодом АЛ102ГМ, известна, силу света другого светодиода необходимо определить в лабораторной работе.
Сила света Iесть отношение величины светового потока к величине телесного угла, в котором распространяется данный поток:
.
Единицей измерения силы света является кандела (кд). Кандела - это сила света, при которой в телесном угле в один стерадиан в данном направлении излучается мощность 1.464 мВт при длине волны источника излучения 555 нм ( 
).
За единицу светового потока в светотехнических единицах принимается люмен (лм). Люмен - это поток внутри угла в один стерадиан при силе света в одну канделу.
Чувствительность человеческого глаза при одинаковой энергетической мощности светового потока различна для различных длин волн. Зависимость чувствительности глаза от длины волны называется световой эффективностью или световой видностью V ,
,
где 
- световой поток,т.е. оцениваемая нашим глазом мощность, выраженная в люменах,
- полный поток излучения, выраженный в ваттах. Максимальная чувствительность глаза приходится на длинуволны 555нм. Световая эффективность этой длины волны равна
 |
.
Относительной световой эффективностью К называется отношение световой эффективности излучения 
любой другой волны к 
.
На рис.2 приведена кривая спектральной чувствительности глаза для относительной световой эффективности.
Световая эффективность позволяет перевести светотехнические единицы измерения в энергетические (канделы в ватты).
Излучение светодиода характеризуется также диаграммой направленности, которая показывает зависимость силы света от угла, под которым ведется наблюдение. В справочных данных приводится сила света 
, излучаемая светодиодом в направлении, перпендикулярном плоскости излучающего кристалла светодиода.
Диаграмма направленности светодиодов АЛ102. взятая из справочника, приведена на рис.3.
 |
Представленная диаграмма направленности аппроксимируется выражением
.
Световой поток, падающий на фотокатод зависит от расстояния светодиода до фотокатода и от площади фотокатода. Размеры и относительное расположение фотокатода и светодиода в лабораторной установке представлены на рис.4.
 |
Телесный угол - это отношение вырезанной конусом на сфере площади к квадрату радиуса этой сферы
.
Соответственно элемент телесного угла 
,в котором распространяется световой поток, будет 
.
Выразим элемент телесного угла через угол 
и элемент 
. Для этого рассмотрим рис.5.
 |
Из рисунка находим:
;
.
Определим теперь световой поток, падающий на фотокатод, учитывая, что согласно диаграмме направленности сила света фотодиода зависит от угла распространения света.
Элемент светового потока равен
.
Полный световой поток падавший на фотокатод определим интегрированием по углу .
.
Сила света излучаемая светодиодом зависит от прямого тока через светодиод. Для светодиода АЛ1102ГМ сила света известнаи равна 
мкд ( 
кд) при токе 10 мА.
Сила света другого светодиода определяется по измерениям, проводимым в лабораторной работе. Длина волны излучаемая светодиодами равна 0.69 мкм.