Фотоэлектронные умножители

Двухэлектродные электровакуумные фотоэлементы являются малочувствительными приборами, даже при использовании в них современных высокоэффективных фотокатодов. При значительных световых потоках этот недостаток не имеет существенного значения. Однако практически изменения световых потоков, воздействующих на фотоэлемент, редко превышают сотые доли люмена. Поэтому изменения фототока под воздействием подобных меняющихся световых потоков измеряются всего лишь долями микроампера. Если учесть, что в схемах, работающих на звуковых частотах, например в усилителях звукового кино, сопротивление нагрузки фотоэлемента не может превышать 150— 200 ком, то нетрудно убедиться, что на выходе фотоэлемента (на его нагрузочном сопротивлении) получается очень слабое переменное напряжение — порядка десятков милливольт, которое может быть практически использовано лишь после значительного усиления.

С целью получения достаточно большого выходного напряжения от фотоэлементов применяются фотоэлектронные умножители — приборы, в которых осуществляется внутреннее усиление фототоков за счет явления вторичной электронной эмиссии. Если у обычных двухэлектродных ионных фотоэлементов коэффициент усиления достигает 6—8, то в фотоэлектронных умножителях можно получить усиление порядка сотен тысяч раз, чувствительность их достигает нескольких ампер на люмен.

Рис. 64 поясняет принцип действия трехступенного фотоэлектронного умножителя. Он состоит из фотокатода, нескольких динодов (вторичных катодов, на рис. 64 их два) и анода. Рис. 64. Принципиальная схема, иллюстрирующая действие фотоэлектронного умножителя.

Под действием света фотокатод покидает некоторое количество электронов. Эти электроны, попадая в ускоряющее электрическое поле между фотокатодом и первым динодом, бомбардируют динод и выбивают из него вторичные электроны. Материал динода подобран таким, чтобы коэффициент вторичной эмиссии его был не менее 8—10, т. е. чтобы каждый первичный электрон выбивал с поверхности динода 8—10 электронов. Вторичные электроны попадают в ускоряющее электрическое поле, которое должно довести их до второго динода. Со второго динода выбивается еще большее количество электронов, которые устремляются к аноду фотоэлектронного умножителя и образуют ток в анодной цепи.

Если обозначить ток фотокатода через I_ф1, то анодный ток фотоэлектронного умножителя будет равен

I_a=I_ф1σn                                         (81)

где σ — коэффициент вторичной эмиссии, определяемый конструктивными особенностями прибора и распределением  потенциалов между электродами; n — число динодов.

Выражение (81) справедливо при одинаковых коэффициентах σ вторичной эмиссии у всех динодов данного фотоумножителя. Отсюда коэффициент усиления фотоумножителя приближенно можно определить по формуле

                                  (82)

Получаемое по формуле (82) значение коэффициента усиления является приближенным, так как эта формула не учитывает возможности рассеяния вторичных электронов на участках их полета между динодами, а также различных значений а у разных динодов. Поэтому в формулу (82) вводят поправочный коэффициент, характеризующий реальную эффективность работы фотоумножителя,

К = θσn.

Величина θ меньше единицы (порядка 0,5—0,6).

Для повышения коэффициента усиления фотоэлектронного умножителя диноды делают вогнутыми, чтобы поток вторичных электронов, излучаемых предыдущим динодом, полностью попадал на следующий. Кроме того, применяют электростатическую и магнитную фокусировки, создающие направленное движение электронов.

В фотоумножителях, так же как и в рассмотренных выше фотоэлементах, наблюдается темновой ток. Причинами его появления являются термоэлектронная эмиссия с фотокатода и динодов, автоэлектронная эмиссия, ток утечки. Существенным недостатком фотоэлектронных умножителей являются старение (снижение чувствительности), утомляемость, нестойкость к световым перегрузкам и необходимость высоковольтного источника питания (порядка нескольких сотен вольт).

В фотоэлектронных умножителях находит применение электростатическо-магнитная фокусировка, т. е. электронный поток фокусируется одновременным воздействием на него взаимно перпендикулярных электрического и магнитных полей. При этом напряженность магнитного поля подбирается так, чтобы циклоидные траектории летящих электронов оканчивались на поверхности следующего динода.

Для повышения чувствительности фотоэлектронного умножителя, кроме фокусировки, можно использовать и высокочастотное электрическое поле (рис. 65). Рис. 65. Фотоэлектронный умножитель с высокочастотным полем. 1—фотокатод; 2 и 3 — катоды; 4 — анод.

При освещении фотокатода 1 пучок электронов проникает в пространство между катодами 2 и 3, к которым приложено переменное напряжение высокой частоты Е2. Расстояние между катодами выбирается таким, чтобы время пролета электронов от одного катода к другому равнялось длительности пол у пер иода высокой частоты. Все электроны, находящиеся в плоскости отверстия катода 2, в момент, когда разность потенциалов между катодами приобретает положительное значение, начинают ускоренно двигаться к катоду 3 и, достигая его поверхности, выбивают оттуда вторичные электроны.

Поскольку в этот момент меняется полярность переменного напряжения между катодами, то вторичные электроны начинают ускоренно двигаться уже в направлении катода 2, вызывая вторичную электронную эмиссию с его поверхности. Таким образом, колебательный ток внутри прибора нарастает с каждым периодом переменного напряжения между катодами. На цилиндрический анод 4, расположенный между катодами, подается небольшой по отношению к ним положительный потенциал. Часть электронного потока отсасывается анодом и в анодной цепи образуется ток, пропорциональный первичному электронному потоку через отверстие катода 2, а значит и освещенности катода. Достоинством таких умножителей является то, что они не нуждаются в высоковольтном источнике питания.