Фотоэлектронные приборы

1. Фотоэмиссионный эффект.

При внешнем фотоэффекте, который называют также фотоэмиссионным, падающее излучение вызывает эмиссию электронов с поверхности материала фотокатода в окружающее пространство. Для фотоэмиссионных детекторов известен ряд способов усиления фотоэмиссии. Применения фотоэмиссионного эффекта весьма многочисленны. Вакуумные фотоприемные трубки, содержащие только фотокатод и анод, применяются для регистрации очень быстрых процессов. Газонаполненные приборы, имеющие высокий коэффициент внутреннего усиления из-за лавинной ионизации газа, могут использоваться без внешнего усилителя. Оптропы на основе фотоэмиссионного эффекта нашли применение в передающих телекамерах. Широко распространены фотоумножители. В них электроны, освобожденные из фотокатода в результате поглощения квантов света, испытывают соударения с последовательно расположенной системой электродов (динодов), на которые подано злектрическое смещение, и вызывают появление вторичных электронов. Таким образом, каждый электрон, попавший на динод, инициирует появление одного или более вторичных электронов, что приводит к усилению первичного фотосигнала. Одной из модификаций фотоумножителя является фотоприемная трубка, внутренняя поверхность которой обладает способностью эмиттировать вторичные электроны, а электрическое смещение приложено по всей длине трубки. Электроны, пересекающие внутренний объем такой трубки, испытывают повторные соударения со стенками, что вызывает появление лавины вторичных электронов. Разработаны методы создания порядка миллиона каналов на фоточувствительной площадке размером в один дюйм. Такие приборы с фотоэмиттирующей поверхностью используются для получения изображения в условиях слабого освещения, например, ночью.

2. Применение и преимущества фотоэмиссионных приемников.

Применение фотоэмиссионных приборов наиболее предпочтительно в следующих основных областях:

1. Прием слабых сигналов - с малой общей интенсивностью или рассеянных в оптической фокальной плоскости.

2. Регистрация низкоуровневых сигналов с высоким временным разрешением.

3. Достижение высокого пространственного разрешения информации(изображения).

Конкуренция других типов фотоприемников при решении этих задач минимальна.

Основное преимущество фотоэмиссионных приемников перед другими фотоприемниками заключается в легкости, с которой могут быть достигнуты высокое временное разрешение, большой коэффициент усиления и низкий уровень шумов усилителя при использовании электронного умножения. По некоторым важным эксплуатационным параметрам этот способ усиления сигнала превосходит способы внешнего усиления, которые могут быть использованы в других пороговых ФП, за исключением лавинного усиления, реализуемого в некоторых полупроводниковых приборах.

Второе важное преимущество фотоэмиссионных приборов заключается в легкости, с которой можно изготовить однородные приемные площадки большого размера. Такие чувствительные поверхности важны и для простых фотоумножителей и абсолютно необходимы для современных преобразователей изображения, включая усилители яркости и передающие трубки со считыванием сканирующим электронным лучом.

Электронно-лучевая система опроса приводит к третьему важному преимуществу фотоэмиссионных приборов, а именно, к предельно высокой плотности приемных (чувствительных) элементов, что позволяет реализовать высокое пространственное разрешение изображения. Такое разрешение трудно получить с помощью дискретных устройств или интегральных полупроводниковых приборов.

Остальные передающие приборы со считыванием электронным лучом с полуизолирующих накапливающих заряд поверхностей или диодных матриц работают подобно сканирующим фотоэмиссионным устройствам, конкурируют с ними и превосходят их в некоторых применениях.

3. Недостатки фотоэмиссионных приборов.

Основным недостатком фотоэмиссионных приборов является ограниченная спектральная область чувствительности. В коротковолновой (ультрафиолетовой - УФ) области спектра обычные фотоэмиссионные приборы нечувствительны при l £ 0,15 мкм из-за низкой прозрачности окон. Можно расширить область чувствительности до 0,12 мкм, используя дорогостоящие и быстро деградирующие окна из LiF, а «безоконные» трубки (например, с пластинками GaAs толщиной 10 мкм) могут быть использованы вплоть до рентгеновского диапазона. Для регистрации УФ излучения используют также приборы, чувствительные в видимой области спектра. На их входные окна наносят специальные покрытия, преобразующие УФ излучение в видимое, например из салицилового натрия, который флуоресцирует в области чувствительности трубки. В таких устройствах нет жесткого верхнего предела энергии квантов для фотоэмиссионного приема.

В длинноволновой (ИК) области спектра ограничение определяется предельно малым откликом в области длин волн более 1 мкм.

В последнее время достигнуты существенные успехи в увеличении чувствительности в красной области спектра и в расширении ИК спектральной области чувствительности вплоть до 1,5 мкм и дальше.

Фотоэмиссионные приемники с высокой эффективностью работают в диапазоне длин волн 0,1 мкм и до 1,1 мкм и более; теоретически возможно расширение диапазона до 2 мкм. В этом спектральном диапазоне фотоэмиссионные приемники обладают уникальными свойствами по сравнению с другими фотоприемниками. Фотоэмиссионная чувствительность за пределами области 1,5...2 мкм возможна в системах фотоэмиттеров с приложенным электрическим полем.

Фотоумножитель - электровакуумный прибор, преобразующий оптическое излучение (ультрафиолетовое, видимое и инфракрасное) в электрический сигнал с последующим его усилением и состоящий из фотокатода, динодной умножительной системы и анода. Преобразование оптического излучения в электрический сигнал осуществляется за счет эмиссии электронов с поверхности фотокатода при облучении его оптическим излучением (внешняя фотоэмиссия или внешний фотоэффект). Усиление происходит вследствие эмиссии вторичных электронов с поверхности расположенных друг за другом динодов, на которые подается ускоряющий потенциал. Усиление путем вторичной электронной эмиссии можно реализовать в материалах, в которых каждый падающий электрон с большой энергией вызывает эмиссию нескольких вторичных. Используя последовательно включенные диноды даже с коэффициентом вторичной эмиссии, равном 3, для прибора с 14-ю динодами можно получить усиление 3¹⁴ » 5 10⁶. Для динодов выбирают материалы с темновым током и шумом, меньшим, чем у катода, так чтобы шум ФЭУ был обусловлен фотонным шумом или шумом темнового тока фотокатода. Ток динодов ограничен дефокусировкой электронного облака, нагревом анода, шумами и эффектами, связанными с образованием пространственного заряда. Устойчивый максимальный коэффициент усиления K_max=10⁷. При работе фотоумножителя в импульсном режиме, когда не возникает проблема нагрева можно получить K_max=10⁸.

Фотоэлемент - электровакуумный (или газонаполненный) прибор, преобразующий оптическое излучение в электрический сигнал и состоящий из фотокатода и анода. В отличие от фотоэлектронных умножителей (ФЭУ), фотоэлементы не имеют динодной умножительной системы, а поэтому не обладают свойством усиления потока электронов, вылетающих из фотокатода. Тем не менее существует способ усиления фототока фотоэлемента. Он основан на использовании несамостоятельного разряда в наполненном инертным газом (обычно аргоном) баллоне фотоэлемента, который возникает в результате ионизации газа, происходящей при движении электронов, вылетающих из фотокатода под действием света, к аноду. Эффект газового усилении у газонаполненных фотоэлементов начинает проявляться при напряжении более 50В. При напряжении около 240 В коэффициент газового усиления у различных приборов может достигать значений К=6¸10. Диапазон спектральной чувствительности фотоэлементов определяется типом используемых в них фотокатодов Основные параметры и характеристики фотоэлементов почти такие же, как у фотоумножителей, но приведенные ко входу первого динода.

Электронно-оптический преобразователь(ЭОП) - электровакуумный прибор, предназначенный для усиления яркости оптического изображения, создаваемого оптической системой, а в отдельных случаях и для преобразования спектрального состава излучения (например, инфракрасного изображения в видимое . Простейший однокамерный ЭОП состоит из фотокатода, системы формирования электронного изображения (электронно-фокусирующей системы) и люминесцентного экрана. При низком уровне освещенности наблюдаемых объектов яркость изображения последних на экране простейших однокамерных ЭОП недостаточна для наблюдения глазом. В этих случаях применяют многокамерные ЭОП, в которых достигается эффект усиления яркости за счет последовательного соединения друг с другом нескольких камер, каждая из которых представляет собой простейший однокамерный ЭОП.

Серьезным недостатком ЭОП упомянутых выше конструкций является неравномерное разрешение по полю экрана (на краях экрана ЭОП разрешение в 5¸8 раз ниже, чем в центре), а также большие габаритные размеры (особенно у многокамерных ЭОП). Неравномерность разрешения по полю обусловлена трудностью обеспечения равномерной фокусировки электронного изображения при расположении фотокатода на экрана ЭОП в параллельных плоскостях. Как известно, оптимальные условия для фокусировки электронного изображения имеют место в том случае, когда фотокатод и экран выполняются на сферических поверхностях. Это конструктивное решение возможно в ЭОП, у которых на входе н выходе имеются волоконно-оптическиские пластины (ВОП), состоящие из множества тонких (диаметром 10¸20 мкм) стеклянных волокон, оптически изолированных друг от друга. Наружные поверхности ВОП выполнены плоскими, а внутренние - сферическими, на одной из которых нанесен фотокатод, а на другой - экран. ЭОП с ВОП на входе и выходе имеют равномерное разрешение по всему полю зрения.

Усиление яркости изображения ЭОП может достигаться не только за счет увеличения числа каскадов усиления (камер), но и за счет применения микроканального усиления.

Фокусировка электронного изображения в ЭОП может осуществляться также с применением магнитной фокусирующей системы или смешанной электростатической и электромагнитной фокусировки. В этих случаях эффективность фокусировки по полю экрана выше, чем при чисто электростатической фокусировке. Для регистрации быстропротекающих процессов (ядерных, процессов развития разряда в газе и др.) используются импульсные ЭОП. Действие этих основано на применении в конструкции изделия электронного затвора (системы плоскопараллельных отклоняющих пластин, на которые подается импульсное запирающее напряжение) и системы пластин круговой развертки изображения по экрану. При совместном действии затвора и пластин круговой развертки ЭОП работает в режиме высокоскоростного фоторегистратора. На экране ЭОП получается последовательность из нескольких кадров, расположенных по кругу. С помощью таких ЭОП может быть получено временное разрешение до 3 10^-12 с.

Дата добавления: 2015-07-26; просмотров: 348; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!