Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

Принцип действия этих приемников основан на внешнем фо­тоэффекте (фотоэлектронной эмиссии). При облучении поверх­ности некоторых материалов потоком фотонов последние, обме­ниваясь энергией с атомами облучаемого вещества, «выбивают» из них электроны, часть которых уходит в свободное простран­ство. Если процесс происходит в вакууме и в пространстве соз­дано электрическое поле, то свободные электроны будут дви­гаться в этом поле, т. е. возникает электрический ток, называе­мый в этом случае фототоком.

Простейшее устройство этого типа — вакуумный фотоэле­мент — представляет собой вакуумную колбу, в которой нахо­дятся два электрода — фотокатод и анод, к которым приклады­вается электрическое напряжение. Сила тока, протекающего через фотоэлемент, пропорциональна мощности излучения Р, падающего на фотокатод

/* = 7 (3.15)

коэффициент уь называется спектральной чувствительностью фотокатода и выражается в амперах на ватт падающей мощно­сти излучения. Величина у*, зависит от длины волны излучения; эта зависимость называется спектральной характеристикой фо­токатода. Вид ее зависит от материала, из которого сделан фо­токатод. При некоторой максимальной длине волны Ягр чув­ствительность фотокатода становится равной нулю. Значение Ягр называется длинноволновой границей фотоэффекта и также зависит от свойств материала фотокатода.

Нередко спектральную чувствительность фотокатода харак­теризуют не величиной ух> а квантовым выходом т] кв — 0ТН0Ш6- нием среднего числа «выбитых» из фотокатода электронов Ne к среднему числу попавших на него квантов излучения NKb

(здесь длина волны X выражена в мкм).

Фотокатод обычно наносится либо на внутреннюю поверх­ность колбы фотоэлемента в виде тонкого полупрозрачного слоя, на который излучение попадает снаружи через стенку колбы, либо на помещенную в колбу металлическую подложку.

Спектральные характеристики современных фотокатодов имеют ярко выраженные области высокой чувствительности. При увеличении длины волны чувствительность падает из-за уменьшения энергии квантов, а при уменьшении длины волны— из-за роста оптического поглощения в самом фотокатоде и в стекле колбы. По положению максимума спектральной харак­теристики можно выделить три группы фотокатодов: сурьмяно­цезиевые (Sb—Cs) С максимумом на длине ВОЛНЫ Яшах» >«0,45 мкм (голубой свет); мультищелочные (Sb—К—Na—Cs), у которых Яшах = 0,5 мкм (зеленый свет), и кислородно-сереб­ряно-цезиевые (Ag—О—Cs), имеющие два максимума; на гра­нице ультрафиолетовой и видимой областей спектра (~ 0,37 мкм) и в ближней ИК-области (—0,8 мкм). Длинноволновые границы у этих трех групп фотокатодов также несколько различаются, составляя соответственно —0,7; 0,9 и 1,2 мкм; абсолютная чув­ствительность фотокатодов последней группы (несколько мА/Вт) в 20—40 раз ниже, чем двух первых.

Фототок, протекая через включенное в анодную цепь фото­элемента сопротивление нагрузки R„, создает на нем падение напряжения UR=Iф/?н, используемое в качестве выходного сиг­нала. Если мощность принимаемого сигнала мала, то выходное напряжение также получается малым и различие его на фоне теплового шума последующего усилителя не всегда возможно.

Преодолеть эту трудность удается применением вместо фо­тоэлемента другого фотоэмиссионного приемника — фотоэлек­тронного умножителя (ФЭУ). Он отличается от фотоэлемента наличием системы внутреннего усиления фототока, действие ко­торой основано на принципе вторично-электронной эмиссии. Схема ФЭУ изображена на рис. 40. Кроме фотокатода и анода, внутри колбы ФЭУ расположена система промежуточных элек­тродов — динодов, выполненных из материала, способного при попадании на него электрона, обладающего достаточной кинети­ческой энергией, испускать (эмиттировать) несколько «вторич­ных» электронов. Этот эффект называется вторично-электрон­ной эмиссией, а отношение среднего числа эмиттируемых мате­риалом электронов к среднему числу падающих электронов — коэффициентом вторично-электронного умножения а. Прило­женное напряжение создает между каждой парой соседних ди­нодов, а также на участке первый динод — фотокатод и анод— последний динод ускоряющее электрическое поле, в котором электронный поток распространяется от катода к аноду, испы­тывая умножение в о раз на каждом диноде. Таким образом, полный коэффициент умножения М оказывается равным aN, где N — число динодов. Даже при небольшом коэффициенте вто­ричной эмиссии (величина о зависит от приложенного напряже-

5 Заказ № 1935

ния и обычно составляет 3—4) ФЭУ с десятью динодами имеет Л1= 105—106. Анодный ток /а, те­кущий через сопротивление на­грузки RH, в М раз больше фото­тока / ф в цепи фотокатода, а выходное напряжение’ ФЭУ во столько же раз превосходит выходное напряжение фотоэле­мента с аналогичным фотокато­дом и таким же сопротивлением /?„. Даже при очень малой мощ­ности принимаемого оптического сигнала выходное напряжение ФЭУ намного превышает уровень шума последующего усили­теля и чувствительность такого приемника зависит только от процессов в самом ФЭУ.

Мощность собственных шумов ФЭУ в том случае, когда ве­личина фототока определяется только мощностью принимае­мого сигнала Рс (т. е. когда текущий в цепи фотокатода «пара­зитный» ток, вызываемый попаданием на катод вместе с полез­ным сигналом оптического фона от посторонних источников излучения, тепловой эмиссией электронов с фотокатода и дру­гими причинами, мал по сравнению с током сигнала 1фс=ухРс), можно оценить по формуле

Pm = ^-”(l + B)bf, (3.17)

ЛТ|кв _

где h — постоянная Планка; с — скорость света; Я — длина волны принимаемого излучения (величина hcf’X есть энергия кванта этого излучения); г)Кв — квантовый выход фотокатода на волне Я; В — постоянная, учитывающая флуктуационные про­цессы при вторично-электронной эмиссии и имеющая для раз­ных ФЭУ величину от 0,5 до 1,5; Д/ — ширина частотного спек­тра электрического сигнала на выходе ФЭУ.

Если режим работы приемника таков, что «паразитный» ток фотокатода /фП существенно превышает сигнальную составляю­щую тока (7фП>/фс), то для определения мощности шумов ве­личину Рш, найденную по формуле (3.17), нужно умножить на

. Этот режим возникает чаще всего при сильном опти­ческом фоне (например, при измерении расстояния до удален­ной цели, находящейся на фоне дневного неба).

Полоса пропускания приемника с ФЭУ ограничивается глав­ным образом свойствами самого ФЭУ. Время пролета электро­нов от катода до анода имеет некоторый разброс, величина ко­торого определяет предельное разрешение такого приемника по

времени. В среднем для современных ФЭУ величина времен­ного разрешения составляет 1—10 нс, хотя отдельные специ­ально разработанные ФЭУ могут иметь и меньшее время разре­шения. Все же по этому параметру ФЭУ несколько уступают фотоэлементам, у которых временное разрешение составляет 0,1—1 нс (а иногда и меньше) благодаря сравнительно малой величине промежутка между катодом и анодом. .

Фотоэлектронные умножители получили широчайшее рас­пространение в технике приема слабых оптических сигналов, и в большинстве современных лазерных измерительных систем для космической геодезии и наземной светодальнометрии также используются приемники на основе ФЭУ.

Комментарии запрещены.