Фотоэлектронные умножители

Фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) - это усилитель слабых фототоков, действие которого основано на вторичной электронной эмиссии. Честь создания ФЭУ принадлежит нашему соотечественнику, физику Леониду Александровичу Кубецкому (1906-1959), который в 1930-1934 гг. разработал фотоумножитель для регистрации слабых электромагнитных излучений оптического диапазона. Конструктивно ФЭУ представляет собой стеклянный баллон с торцевым или боковым рабочим окном и расположенными внутри баллона электродами: катодом, чередой динодов и анодом. За катодом, как правило, располагается фокусирующий электрод.

Рисунок 5.7 Схема фотоэлектронного умножителя

Измеряемый поток света через рабочее окно попадает на катод, выбивая из него электроны (внешний фотоэффект). Согласно основному закону фотоэффекта фототок, возникающий в фотоэлементе под действием света, прямо пропорционален падающему на него световому потоку. Особенность ФЭУ как фотоприемника заключается в том, что благодаря системе динодов коэффициент пропорциональности удается поднять в миллионы раз (до восьми порядков). Для этого на ФЭУ подается напряжение от высоковольтного источника (в зависимости от количества динодов - от 500 до 1500 В), причем делитель напряжения распределяет потенциалы между электродами равномерно, ориентировочно по 100 В на каскад. Вылетающие из катода электроны под действием разности потенциалов между катодом и ближайшим к нему динодом притягиваются к последнему. Этому процессу способствует и фокусирующий электрод, концентрирующий поток электронов именно в этом направлении.

Диноды изготовлены из материалов, обладающих высоким коэффициентом вторичной эмиссии, так что поток электронов от динода к диноду возрастает многократно и по сопротивлению нагрузки в анодной цепи ФЭУ протекает усиленный ток, значение которого пропорционально потоку света, упавшему на катод.

Особенности конструкции (большие расстояния между электродами) предопределяют чрезвычайно высокое внутреннее сопротивление ФЭУ в темновом режиме и, следовательно, исчезающе малые темновые токи (шумы) - на уровне наноампер. Поэтому ФЭУ способен реагировать на самые слабые световые сигналы, вплоть до единичных фотонов. Это обстоятельство и дает при высокой интегральной анодной чувствительности (1 А/лм и выше) широкий динамический диапазон (определяемый отношением максимального и минимального сигналов) - более 10000.

Как известно, недостатки являются продолжением достоинств. ФЭУ не является исключением из этого правила. Высокая чувствительность предъявляет очень жесткие требования к стабильности условий измерения, в том числе и к стабильности питающего напряжения. Выполнить эти требования сложно, учитывая, что питание ФЭУ высоковольтное. К тому же высоковольтность фотоприемника требует дополнительных мер по согласованию сигнала ФЭУ с низковольтными полупроводниковыми элементами последующих преобразователей.

 

Таблица 5.9 Параметры отечественных фотоумножителей

Фотоумножитель	Размеры фотокатода, мм	Темновой ток, мкА, не более	Рабочее напряжение, В	Область спектральной чувст-вительности, мкм	Интегральная чувствительность, А/лм	Тип оптического входа
ФЭУ-22	16ґ5	0,02	1400	0,40–1,10	4,5	Боковой
ФЭУ-26	5ґ2	0,05	850	0,32–0,60	1,0	Боковой
ФЭУ-27	Ж 25	0,005	1100	0,32–0,75	1,0	Торцевой
ФЭУ-68	Ж 12	0,01	1300	0,30–0,82	1,0	Торцевой

 

Видиконы

В отличие от рассмотренных выше фотоприемников, как бы точечного типа (или дискретных, от discrete - рассматривать отдельно, расчлененно), существуют фотоприемники, которые способны воспринимать все изображение целиком, со всеми его перепадами яркостей, цветов, полутонов. К таким приемникам относится большой класс приборов, разработанных для телевидения, но представляющих интерес в данном случае как естественный (и исторический) мостик между вакуумными приборами (типа ФЭУ) и твердотельными матричными приемниками (типа приборов с зарядовой связью). В телевидении эти приборы называют передающими трубками.

Идея создания передающей трубки с фотопроводящей мишенью принадлежит нашему соотечественнику, электротехнику Александру Алексеевичу Чернышеву (1882-1940), который высказал ее в 1925 г. Однако первые эксплуатационные образцы таких трубок появились лишь в 1950 г., после того как были разработаны полупроводниковые слои, меняющие свою электропроводность под действием света. Примером такой передающей трубки является видикон.

Видикон - электронно-лучевой прибор с фотопроводящей мишенью, преобразующий оптическое изображение в электрический сигнал. В качестве фотопроводящего слоя, обладающего внутренним фотоэффектом, используются кремний, окись свинца, селенид кадмия и др. Часто наименование прибора связано с химическим составом фотопроводящего слоя; например, видикон с фотопроводящим слоем на основе кремния (Si) назван кремниконом, на основе свинца (Pb) - плюмбиконом, на основе кадмия (Cd) - кадмиконом.

Рисунок 5.8 Схема видикона

Основными элементами видикона являются фотомишень и электронный прожектор. Фотомишень представляет собой стеклянную пластину, закрепленную в торце передающей трубки, на которую нанесен тонкий прозрачный для света (прозрачность более 90%) проводящий слой золота, платины или другого проводника, поверх которого испарением в вакууме напылен фотослой толщиной 1-3 мкм из упомянутых выше материалов на основании Si (в случае кремникона) или иного полупроводника.

Выводом сигнальной пластины служит металлическое кольцо, электрически контактирующее с проводящим слоем пластины. В неосвещенном состоянии фотослой обладает очень высоким сопротивлением (около 1000 ГОм/см), так что две его стороны (одна из которых контактирует с проводящим прозрачным слоем и обращена к объекту съемки, а вторая «прощупывается» электронным лучом прожектора и обращена внутрь трубки) образуют как бы панель (матрицу) миниатюрных конденсаторов, площадь обкладки каждого из которых определяется диаметром электронного луча, пробегающего за цикл опроса (кадр) построчно все элементы (конденсаторы) фотомишени. Если элемент фотомишени освещен, то его сопротивление падает примерно в 100 раз, и элементарный конденсатор, будучи ранее заряженным, за время между опросами может разряжаться до уровня напряжения, зависящего от степени освещенности.

Электронный луч в видиконе одновременно выполняет роль развертывающего элемента и коммутатора цепи заряда каждого элемента мишени. Диаметр луча определяет разрешающую способность мишени. При размере мишени 9,5×12,5 мм и диаметре луча около 15 мкм площадь мишени как бы разлагается на 527300 (633×833) элементарных фотоприемников, что вполне достаточно для передачи высококачественного телевизионного изображения. Пучок электронов, испускаемый подогретым катодом и направляемый к мишени системой электродов (управляющих, первого и второго анодов, выравнивающей сетки) и электромагнитных сил корректирующих и фокусирующих катушек, замыкает цепь между катодом и «обкладкой» элементарного конденсатора, дозаряжая последний до потенциала катода. Ток заряда, пропорциональный разнице потенциалов катода и «обкладки» (которая, в свою очередь, пропорциональна падающему на элемент световому потоку), протекает по сопротивлению нагрузки R_н , создает выходной сигнал U_c .

Мишени видиконов отличаются большим разнообразием, но могут быть поделены на фоторезистивные и фотодиодные. В фоторезистивных мишенях процесс разряда определяется сопротивлением фотопроводящего слоя. В фотодиодных мишенях разряд определяется еще и свойствами р-n-перехода полупроводникового материала, что обеспечивает лучшее разделение световых носителей, большую линейность световой характеристики, безынерционность и высокую чувствительность. В частности, мишень кремникона представляет собой фотодиодную матрицу с мозаикой р-n-переходов (более 1000000 переходов).

Обладая несомненными достоинствами (многоэлементность восприятия изображения, быстродействие), видиконы сохраняют недостатки, присущие вакуумным электронно-лучевым приборам: объемность, а следовательно и нетехнологичность изготовления (по сравнению с плоскостными), высоковольтное питание со всеми последствиями.

⇐ Предыдущая27282930313233343536Следующая ⇒

Поделиться: