Презентация "Основы электроники. Фотоумножители."

Слайд #1

Фотоуможители

Слайд #2

Вакуумные фотоумножители
Приборы, в которых усиление слабых фототоков осуществляется с помощью вторичной электронной эмиссии, называются фотоэлектронными умножителями.
Простейший однокаскадный умножитель содержит катод, анод и динод, заключенные в стеклянном вакуумном баллоне. Катод и динод наносятся на внутреннюю поверхность стекла. Анодом служит кольцо, расположенное перед динодом.

Слайд #3

Вакуумные фотоумножители

Слайд #4

Вакуумные фотоумножители

Слайд #5

Вакуумные фотоумножители

Слайд #6

Вакуумные фотоумножители

Слайд #7

Вакуумные фотоумножители
Фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) представляет собой электровакуумный прибор, в котором электронный фотоэлемент дополнен устройством для усиления фототока за счет вторичной электронной эмиссии. Впервые в мире ФЭУ были изобретены советским инженером Л. А. Кубецким в 1930 г. В дальнейшем ряд удачных конструкций ФЭУ создали П. В. Тимофеев и С. А. Векшинский.

Слайд #8

Вакуумные фотоумножители
Световой поток Ф вызывает электронную эмиссию из фотокатода ФК. Фотоэлектроны под действием ускоряющего электрического поля направляются на электрод Д1 называемый динодом. Он является анодом по отношению к фотокатоду и одновременно играет роль вторично-электронного эмиттера.

Слайд #9

Вакуумные фотоумножители
Динод делается из металла с достаточно сильной и устойчивой вторичной электронной эмиссией. Поэтому первичные электроны (ток Iф), идущие с фотокатода, выбивают из динода Д1 вторичные электроны, число которых в σ раз больше числа первичных электронов (σ — коэффициент вторичной эмиссии динода Д1 обычно равный нескольким единицам). Таким образом, ток вторичных электронов с первого динода I1 = σIф. Ток I1 направляется на второй динод Д2, имеющий более высокий положительный потенциал.

Слайд #10

Вакуумные фотоумножители
Тогда от динода Д2 за счет вторичной эмиссии начинается ток электронов I2, который в σ раз больше тока I1 (для упрощения будем считать, что у всех динодов коэффициент вторичной эмиссии один и тот же), т. е. I2 = σI1 = σ2Iф. В свою очередь, ток I2 направляется на третий динод Д3, у которого положительный потенциал еще выше, и от этого динода течет ток электронов I 3 = σI2 = σ3Iф, и т. д.

Слайд #11

Вакуумные фотоумножители
С последнего, n-го, динода Дn электронный ток In направляется на анод А, и тогда ток анода 1а =In = σnIф. Таким образом, коэффициент усиления тока ki= σn. Например, если σ = 10 и п = 8, то ki =108. Практически усиление меньше, так как не удается все вторичные электроны, выбитые из данного динода, направить на следующий динод. Чтобы большее число вторичных электронов было использовано, разработаны ФЭУ с различной формой и различным взаимным расположением электродов. Для фокусировки потока вторичных электронов применяют, как правило, электрическое поле, поскольку фокусировка магнитным полем требует громоздких магнитных систем.

Слайд #12

Вакуумные фотоумножители
Простейший однокаскадный ФЭУ имеет фотокатод, динод и анод. У многокаскадных ФЭУ может быть коэффициент усиления тока до нескольких миллионов, а интегральная чувствительность достигает десятков ампер на люмен. Как правило, ФЭУ работают при малых анодных токах и малых световых потоках. Ток анода обычно бывает не более десятков миллиампер, а световые потоки на входе могут быть 10-3 лм и менее.

Слайд #13

Вакуумные фотоумножители
Поскольку на каждом следующем диноде напряжение выше, чем на предыдущем, то анодное напряжение должно быть высоким (1—2 кВ), что является недостатком ФЭУ. Обычно питание ФЭУ осуществляется через делитель, на который подается полное анодное напряжение. В цепь анода включается нагрузочный резистор RH, с которого снимается выходное напряжение.

Слайд #14

Вакуумные фотоумножители
Основные параметры ФЭУ:
область спектральной чувствительности (диапазон длин волн), в которой можно применять данный ФЭУ;
число ступеней умножения;
общий коэффициент усиления тока;
напряжение питания;
интегральная чувствительность;
темновой ток.

Слайд #15

Твердотельные фотоумножители
Создание вакуумного фотоумножителя, обладающего способностью детектировать отдельные фотоны, послужило мощным толчком к разработке различных датчиков. Однако вакуумный фотоумножитель пригоден лишь для передачи одного элемента картины. Тот же принцип умножения был использован в нескольких типах усилителей изображения большой площади. Эти усилители изображения постепенно все шире применяются в тех случаях, когда поток фотонов ограничен.

Слайд #16

Твердотельные фотоумножители
При всей результативности подобных вакуумных устройств их характеристики все же продолжают желать лучшего. Их квантовая эффективность порядка 10% (а не 100%), а размеры слишком велики. Для работы таких датчиков требуется напряжение до 10 кВт и выше. И наконец, очень трудно расширить их спектральную чувствительность в инфракрасную область, до длин волн порядка микрометра. Правда, здесь намечается некоторый прогресс, связанный с применением «гибридных» конструкций, в которых полупроводниковые фотоэмиттеры работают в вакууме.

Слайд #17

Твердотельные фотоумножители
Полупроводниковые детекторы фотонов можно разделить на две большие группы:

фотодетекторы, в которых преобразование светового сигнала происходит без внутреннего усиления заряда;

фотодетекторы с внутренним усилением заряда.

Слайд #18

Твердотельные фотоумножители
У детекторов второй группы внутреннее усиление заряда происходит, как правило, за счет ударной ионизации носителей в сильных электрических полях.
Под действием поля свободный носитель заряда (электрон или дырка) приобретает энергию, достаточную для ионизации нейтрального атома и освобождения еще одной электронно-дырочной пары, причем такой процесс может повторяться неоднократно.

Слайд #19

Твердотельные фотоумножители
Кремниевый ФЭУ – это фотоприемник на основе упорядоченного набора (матрицы) p-n-переходов (ячеек), выполненных на общей подложке.

Слайд #20

Твердотельные фотоумножители
Площадь чувствительной поверхности ФЭУ лежит в пределах от 1×1 до 5×5 мм. Все ячейки одинаковые. Все они объединены в общей точке токопроводящими шинами. Напряжение смещения всех ячеек общее и на несколько вольт (значение перенапряжения) превышает напряжение пробоя p-n-перехода.
Каждая ячейка содержит токоограничивающий резистор, в результате чего разряд в ячейке ограничен. Сигнал каждой ячейки – логический и не зависит от числа первоначальных носителей, вызвавших срабатывание ячейки. Однако сам ФЭУ как целое представляет собой аналоговый детектор, так как его выходной сигнал равен сумме одинаковых сигналов p-n-переходов, сработавших при поглощении ими фотонов.

Слайд #21

Твердотельные фотоумножители