Если в вакуумный объем пометить ФЧЭ – фотокатод (ФК) и еще один электрод – анод получится вакуумный фотоэлемент (ФЭ). Если к фотокотоду приложить напряжение отрицательной полярности, а к аноду – положительной, то при облучении фотокатода в объеме ФЭ будет протекать электрический ток, являющийся мерой светового потока. Для ФЭ существует красная граница чувствительности. Наиболее распространены сурьмяно-цезиевые ФК (Cs3Sb – Δλ= 0.2 – 0.6 мкм), мультищелочные (многощелочные) ФК (Na2KSb-Cs - Δλ= 0.14 – 0.9 мкм ), инфракрасный кислородно-серебряно-цезиевый ФК (Ag-O-Cs – смесь полупроводника Cs2O, с примесью Cs и вкраплениями Ag, Δλ= 0.35 – 1 мкм, более низкая эффективность). Существуют ФК с отрицательным электронным сродством на основе эпитаксиальных пленок полупроводников АIIIВV, сильно легированных акцепторными примесями, активированные монослоем Cs. Они обладают самой большой чувствительностью и самой далекой красной границей. Синяя граница чувствительности ФК определяется пропусканием входного окна и прозрачностью материала ФК.
Вольтамперная характеристика ФЭ имеет область насыщения, когда все фотоэлектроны участвуют в образовании тока. На этом участке (зона стабильной роботы ФЭ) фототок не зависит от приложенного напряжения, а определяется лишь световым потоком. Обычно – это напряжение 100 – 200 вольт. Постоянная времени ФЭ определяется временем пролета электронов от катода к аноду и составляет 10-8 сек. Для регистрации быстропротекающих процессов применяются ФЭК – ФЭ коаксиальной конструкции с τ=10-10 сек.
Более эффективным приемником оптического излучения является ФЭУ – фотоэлектронный умножитель. ФЭУ помимо ФК содержит несколько дополнительных электродов – динодов, с помощью которых происходит размножение (усиление) первичных фотоэлектронов за счет вторичной электронной эмиссии. Число динодов (каскадов усиления) обычно 10 иногда больше. Коэффициент усиления на одном каскаде около 4, что дает общий коэффициент усиления – 105 – 106. Постоянная времени ФЭУ задается временем развития электронной лавины и составляет – 10-7 – 10-8 сек. В некоторых ФЭУ при охлаждении жидким азотом снижаются шумы и становиться возможным регистрировать световой поток до 10-19 Вт (один фотон в сек). ФЭУ может работать как в аналоговом режиме. так и в режиме счета фотонов (с использованием компараторов). Режим счета фотонов дает лучшую по сравнению с аналоговым абсолютную точность измерений, ограниченную лишь статистикой фотоотсчетов. Для регистрации ВУФ излучения с λ< 0.1 мкм применяются вторичные электронные умножители (ВЭУ) с непрерывными динодными системами.
Усиленный ток фотоэлектронов можно преобразовать снова в изображение. Этот принцип применяется в электроннооптических преобразователях - ЭОП и в микроканальных пластинах (МКП) с коэффициентом усиления 103 - 104.
Шумы оптических приемников излучения. В состоянии теплового равновесия случайный характер движения носителей заряда в проводнике создает случайное падение на проводнике. При повышении температуры растет кинетическая энергия зарядов напряжение шума. Это называется тепловым шумом или шумом Джонсона или шумом Найквиста:
(4)
Тепловым шумом обладают все приемники излучения.
При флуктуациях температуры фоточувствительного элемента из-за радиационного обмена и теплопроводности с окружающей средой электронный усилитель теплового приемника регистрирует сигнал, отвечающий изменению температуры площадки ФЧЭ:
(5)
здесь с – теплоемкость, χ – теплопроводность. Этот вид шума определяет пороговую чувствительность тепловых приемников.
Во всех фотонных приемниках генерация и рекомбинация носителей заряда носит статистический характер, связанный со статистикой фотонов. Случайность процесса поглощения приводит к шумомвой составляющей выходного сигнала:
(6)
N – среднее общее число носителей заряда (связано с числом фотонов в секунду), τ – время жизни носителей заряда. В фотодиодах фотонный шум в 21/2 раз меньше.
При регистрации слабых потоков излучения фототоки приемников могут быть слабыми и будет чувствоваться дискретность протекающего тока:
(7)
Всем без исключения приемникам присущ модуляционный или 1/f шум. Механизм этого шума не вполне ясен. В радиолампах он известен как фликер эффект. В электронике - это случайный дрейф выходного напряжения электронной схемы:
(8)
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.