Фотоелектронні помножувачі

Фотоелектронні помножувачі (ФЕП) є електровакуумним прибором, в якому електронний фотоелемент доповнений пристроєм для підсилення фотоструму за рахунок вторинної фотоелектронної емісії. Вперше у світі ФЕП були створені російським інженером
Л.А. Кубєцкім у 1930 р.

Принцип роботи ФЕП ілюстровано на рис 16.6. Світловий потік Ф викликає електронну емісію з фотокатода ФК. Фотоелектрони під дією прискорюючого електричного поля направляються на електрод , що називається динодом. Він є анодом стосовно фотокатода і одночасно відіграє роль вторинно-електронного емітера. Динод робиться з металу з достатньо сильною і стійкою вторинною електронною емісією. Тому первинні електрони (струм ), що йде з фотокатода, вибивають з динода вторинні електрони, кількість яких в раз більше за число первинних електронів ( - коефіцієнт вторинної емісії динода , звичайно рівний кілька одиниць). Таким чином, струм вторинних електронів з першого динода . Струм направляється на другий динод , що має вищий додатній потенціал. Тоді від динода за рахунок вторинної емісії починається струм електронів , що в раз більший (для спрощення будемо вважати, що у всіх динодів коефіцієнт вторинної емісії один і той. же), тобто . В свою чергу, струм направляється на третій динод , у якого додатній потенціал ще вищий, і від цього динода тече струм електронів , тощо.

Рис.16.6. Принцип побудови фотоелектронного помножувача

З останнього, n -го, динода електричний струм направляється на анод А, і тоді струм анода . Таким чином, коефіцієнт підсилення струму . Наприклад, якщо і , то . Практично підсилення менше, тому що не вдається всі вторинні електрони направити на наступний анод. Щоби більша кількість вторинних електронів використовувалася, розроблено ФЕП з різною формою та взаємним розміщенням електродів. Для фокусування потоку вторинних електронів застосовують, як правило, електричне поле, оскільки фокусування магнітним полем потребує громіздких магнітних систем.

Найпростіший однокаскадний ФЕП має фотокатод, динод і анод. У багатокаскадних може бути коефіцієнт підсилення струму до декількох мільйонів, а інтегральна чутливість сягає десятків ампер на люмен. Як правило, ФЕП працюють при малих анодних струмах і малих світлових потоках. Струм анода зазвичай буває не більше десятків міліампер, а світлові потоки на вході можуть бути лм і менше.

Оскільки на кожному наступному диноді напруга вища, ніж на попередньому, то анодна напруга повинна бути високою (1-2 кВ), що є недоліком ФЕП. Звичайне живлення ФЕП здійснюється через розподільник, на який подається повна анодна напруга (рис.16.7). В коло анода включається резистор навантаження , з якого знімається вихідна напруга.

Для ФЕП, як і для звичайних фотоелементів, характерний темновий струм, зумовлений термоелектронною емісією фотокатода і динодів. Він становить десяті частини мікроампера. Цей струм може бути зменшений за рахунок охолодження приладу. Значенням темнового струму обмежується мінімальний світловий потік, що можна реєструвати за допомогою ФЕП. А мінімальні зміни світлового потоку обмежуються флуктуаціями емісії фотокатода і темнового струму. Варто відмітити, що ці флуктуації невеликі, тобто ФЕП є приладами з низьким рівнем власних шумів.

Рис.16.7. Схема ввімкнення фотоелектронного помножувача

Основні параметри ФЕП: область спектральної чутливості (діапазон довжин хвиль), в якій можна застосовувати ФЕП; кількість ступенів помноження; загальний коефіцієнт підсилення струму; напруга живлення; інтегральна чутливість; темновий струм. У якості характеристик ФЕП звичайно розглядаються світлова характеристика , а також залежності коефіцієнта підсилення та інтегральної чутливості від значення напруги живлення (рис 16.8).

Рис.16.8. Залежності інтегральної чутливості і коефіцієнта підсилення від наруги живлення фотоелектронного помножувача

Фотоелектронні помножувачі мають малу інерційність і можуть працювати на досить високих частотах. Їх застосовують для реєстрації світлових імпульсів, що надходять через наносекундні проміжки часу. Крім того, ФЕП застосовують в багатьох галузях науки і техніки ­-в астрономії, фототелеграфії і телебаченні, для вимірювання малих світлових потоків, для спектрального аналізу тощо. В напівпровідниковій електроніці поки що відсутні прилади, які б могли замінити ФЕП.