Детекторы световых потоков (фотоприемники): фотоэлементы и фотоумножители

Для измерения интенсивности излучения служат различного типа детекторы, различающиеся по своей чувствительности и спектральной области, в которой они могут быть использованы. Напомним известные из курса физики принципы устройства и действия этих приборов.

Работа вакуумного фотоэлемента, как известно, основана на внешнем фотоэффекте. Величина фототока, возникающего при освещении, пропорциональна количеству электронов, выбиваемых квантами света из фотокатода, то есть интенсивности светового потока. Поскольку фотоэффект зависит от длины волны поглощенного фотокатодом излучения, то фотоэлементы обладают различной чувствительностью при разных длинах волн.

Кривую спектральной чувствительности следует учитывать, если необходимо получить данные о спектре излучения объекта (например, при исследовании спектров флуоресценции). Однако, если измеряются относительные интенсивности двух световых потоков одной и той же длины волны (как при измерении спектров поглощения), то особенности спектральной чувствительности не сказываются на результате.

Область достаточно высокой спектральной чувствительности фотоэлемента зависит от материала фотокатода и должна соответствовать области, в которой проводятся измерения. Фотоэлементы с различными фотокатодами используются для измерений ультрафиолетового, видимого и ближнего инфракрасного излучения достаточно большой интенсивности. Более чувствительны фотоэлектронные умножители (ФЭУ).

Фотоумножитель представляет собой сочетание фотоэлемента с электронным умножителем, усиливающим поток электронов. По своему устройству ФЭУ отличается от фотоэлемента наличием дополнительных электродов (динодов), расположенных между катодом и анодом (рис. 1.1.5).

Схема устройства фотоумножителя

Рис. 1.1.5. Схема устройства фотоумножителя.

Ф - фотокатод, А - анод, Ru - сопротивление нагрузки

Выбитый квантом света из фотокатода электрон (е~), ускоряясь в электрическом поле между фотокатодом и первым динодом, выбивает несколько (и) новых электронов из динода, которые в свою очередь направляются к следующему диноду. Таким образом, поток е~ лавинообразно нарастает, и коэффициент умножения (внутреннего усиления потока е~), зависящий от числа динодов, может достигать очень значительных величин. Если коэффициент вторичной

электронной эмиссии равен п и а - доля эмитированных е~, достигших следующего динода, то коэффициент усиления для фотоумножителя: K = (a-n)N9 где N - число динодов. Величина К достигает 107 - 108 и более.

Благодаря высокой чувствительности фотоумножители получили широкое распространение при измерении слабых световых потоков (в том числе для счетчиков фотонов).

При выборе оптимального режима работы фотоумножителя учитывают, что помимо фототока в нем возникает темновой ток (темновая эмиссия электронов с фотокатода и первых динодов). Чувствительность ФЭУ (фототок) возрастает при увеличении приложенного напряжения, однако вместе с этим увеличиваются и темновой ток и случайные флуктуации (шумы) светового и темнового тока. Поэтому следует подбирать оптимальную величину напряжения для данного ФЭУ и определенной величины измеряемой интенсивности света, при которой отношение сигнал/шум максимально. Для повышения чувствительности используются способы накопления сигнала за счет увеличения длительности отдельного измерения или повторных измерений с применением компьютерной техники. Понижение уровня темновых шумов, необходимое для измерения очень слабых световых потоков вплоть до счета отдельных квантов, может быть достигнуто охлаждением ФЭУ.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >