Фотоелементи. Електровакуумним фотоелементом називається вакуумний прилад, що має фотокатод та анод

Електровакуумним фотоелементом називається вакуумний прилад, що має фотокатод та анод. Балон фотоелемента виконується зі скла з малим коефіцієнтом поглинання випромінювання в робочому для приладу діапазоні спектра. У фотоелементів, призначених для роботи в УФ-області спектра, у балоні робиться вікно з матеріалу, прозорого в цій області. Деякі фотоелементи мають метало-скляні балони. Конструкції фотоелементів досить різноманітна залежно від призначення приладу. Класифікаційними ознаками можуть бути спектральний робочий діапазон, тип і конструкція фотокатода, режими роботи та області застосування. По областях застосування фотоелементи зручно об'єднати в три основні групи.

До першої групи можна віднести фотоелементи, призначені для реєстрації порівняно слабко змінних у часі потоків випромінювання, інтенсивність яких набагато більше граничної. Ці фотоелементи застосовуються у звуковідтворюючій кіноапаратурі, у фототелеграфії, у схемах автоматики та контрольно-вимірювальних пристроїв. Фотоелементи цієї групи звичайно працюють із довільними джерелами світла, тому основними вимогами до приладів є наявність високої інтегральної чутливості, а також їхня довговічність і взаємозамінність.

Балон фотоелементів, що випускають для зазначених цілей, являє собою сферу, на частину внутрішньої поверхні якої нанесений масивний фотокатод. Анод виконується у вигляді кільця, сітки, петлі з тонкого дроту, що перебувають звичайно в центрі сфери. Електроди виводяться у вигляді твердих штирів у загальний цоколь або розносяться у два самостійних циліндричних виводи. Типові конструкції фотоелементів першої групи наведені на рис. 2.1.

До другої групи відносяться фотоелементи, які використовуються для виміру слабких повільно змінних потоків випромінювання різного спектрального складу, а також для точного виміру світлових потоків у фотометрії. У фотоелементах можуть застосовуватися як напівпрозорі так і масивні фотокатоди.

Рис. 2.1 – Зовнішній вигляд першого типу фотоелементів [6]: анод; фотокатод.

Підкладкою останніх служить скло або металева пластина. Для зниження струмів витоку вводиться третій електрод – охоронне кільце. Електроди можуть мати тверді виводи у вигляді штирків і циліндрів та гнучкі виводи – металеві стрічки та дротики. Деякі конструкції фотоелементів другої групи представлені на рис. 2.2.

До характеристик і параметрів розглянутих фотоелементів пред'являються більше суворі вимоги, обумовлені їхнім призначенням. Фотоелементи повинні мати високу стабільність спектральних характеристик, лінійністю світлової характеристики, достатньо велике значеннями спектральної та світлової чутливості, високою граничною чутливістю.

Рис. 2.2 – Конструкція другого типу фотоелементів [6]: фотокатод, охоронне кільце, анод

Третя група містить у собі імпульсні потужнострумові фотоелементи, призначені для виміру параметрів потужних потоків випромінювання, тривалість яких може становити десяті частки наносекунди. Імпульсні струми фотоелемента можуть досягати десятків амперів, а напруга між електродами – декількох кіловольтів. Такі прилади знаходять широке застосування в лазерній техніці, ядерній фізиці, нелінійній оптиці і в імпульсній фотометрії.

Масивні фотокатоди потужнострумових фотоелементів наносяться на металеві пластини. Конструюються імпульсні фотоелементи. за принципом надвисокочастотних приладів. Мала відстань між електродами та сильне електричне поле забезпечують невеликий час прольоту електронів від фотокатода до анода. Деякі фотоелементи мають коаксіальний вивід, що дозволяє включати фотоелемент безпосередньо в роз’їм коаксіального кабелю, погодженого з низькомним навантаженням. Конструкція деяких типів імпульсних потужнострумових фотоелементів приведена на рис. 2.3.

Рис. 2.3 – Конструкція деяких видів імпульсних потужнострумових фотоелементів [6]: анод; фотокадот.

У паспорті приладу звичайно вказується номер типової характеристики відносної спектральної чутливості та абсолютне значення максимальної спектральної чутливості.

Вольт-амперні характеристики фотоелементів. При освітленні фотокатода емітовані електрони утворять в просторі між електродами об'ємний заряд. Коли значення напруги анода мале, потенціал простору біля катода негативний, тобто має місце режим об'ємного заряду фотоелемента. Для плоскопараллельної та циліндричної системи електродів анодний струм фотоелемента має залежність від анодної напруги, близьку до закону ступеня трьох других. Анодний струм у фотоелементі, як і в вакуумному діоді, з'являється при невеликій негативній напрузі на аноді. Це пояснюється наявністю початкової кінетичної енергії в більшості фотоелектронів, що дозволяє їм переборювати гальмуюче поле анода.

Коли напруга анода досягає певного значення, анодний струм стає рівним току фотоемісії і його ріст майже припиняється. Напруга насичення залежить від конструкції фотоелемента, типу фотокатода та від значення падаючого потоку випромінювання. Подальше підвищення напруги приводить до дуже слабкого зростання фотоструму за рахунок ефекту Шотткі та поліпшення збору електронів на анод. У фотоелементах з напівпрозорим фотокатодом, що має великий поздовжній опір (без провідної підкладки), при роботі в імпульсному режимі з більшими потоками випромінювання насичення фотоструму не відбувається. Це пов'язане із вторинною емісією електронів з вилучених від катодного вода ділянок фотокатода, які при протіканні струму уздовж шару здобувають позитивний потенціал. Різниця потенціалів між ділянками фотокатода може досягати значення, при якому коефіцієнт вторинної емісії буде більше одиниці. На рис. 2.4, а наведене сімейство вольт-амперних характеристик фотоелемента з масивним фотокатодом, а на рис. 2.4, б – фотоелемента з високим поздовжнім опором фотокатода.

Світлові характеристики фотоелементів, що працюють у режимі насичення, відповідно до закону Столетова лінійні. При великих потоках випромінювання світлова характеристика відхиляється від прямої, що обумовлене утворенням об'ємного заряду або стомленням фотокатода. За межу лінійності світлової характеристики приймається значення анодного струму, при якому відхилення від прямої пропорційності фотоструму падаючому потоку випромінювання не перевищує заданого значення. У фотоелементів, що працюють у безперервному режимі, межа лінійності не перевищує 10^-4 А. В імпульсному режимі опромінення при високих напругах анода це значення доходить до десятків амперів.

Рис. 2.4 – Сімейство вольт-амперних характеристик фотоелементів [7]: а – фотоелемента із масивним фотокатодом; б – фотоелемента із напівпрозорим фотокатодом

За аналогією з електронними лампами по сімейству вольт-амперних і світлових характеристик фотоелемента можна визначити чутливість і внутрішній опір R приладу відповідно як тангенс кута нахилу світлової характеристики та котангенс кута нахилу вольт-амперної характеристики до осі абсцис.

Опір навантаження може включатися в ланцюг анода або фотокатода. При заданої ЕРС джерела живлення опір навантаження вибирається таким, щоб робоча точка А лежала в межах області насичення вольт-амперних характеристик (рис. 2.5). У цьому випадку робоча світлова характеристика фотоелемента з навантаженням буде збігатися зі статичної, тобто залишатися лінійної в межах вимірюваних потоків.

Рис. 2.5 – Зв'язок між вольт-амперними та світловими характеристиками фотоелементів

Чутливість по напрузі (вольтова чутливість) фотоелемента з навантаженням, що працює в режимі насичення при R i>> Rн дорівнює:

Su = S Rн (2.1)

Частотна характеристика. Частотні властивості фотоелемента визначаються часом прольоту електронів від фотокатода до анода та часом перезарядження паразитної міжелектродної ємності через опір навантаження (часом схемної релаксації). Час прольоту електронів залежить від відстані між електродами та від напруги анода. В імпульсних потужнострумових фотоелементах з малими міжелектродними відстанями та високими анодними напругами час прольоту не перевищує 10^-11 – 10^-10 с. В інших фотоелементах воно становить 10^-9 – 10^-8 с.

Опір навантаження імпульсних потужнострумових фотоелементів становить кілька десятків Ом, а міжелектродна ємність – одиниці пікофарад, тому гранична частота таких приладів доходить до 10⁹ Гц, Ємність анод-катод фотоелементів першої та другої груп становить кілька десятків пікофарад, і їхня гранична частота в основному залежить від опору навантаження.

Стабільність чутливості фотоелементів. При подачі на фотоелемент, включений у ланцюг джерела живлення, потоку випромінювання відбувається зміна його чутливості (як правило, спад).: Через якийсь час значення чутливості стабілізується і може повністю або частково відновитися після вимикання джерела випромінювання або джерела живлення приладу. Нестабільність чутливості в часі, називаний стомленням, залежить від типу фотокатода, технології виготовлення фотоелемента та режимів його роботи.

Необоротна зміна чутливості при зберіганні фотоелементів, називається старінням, пов'язане зі зміною властивостей фоточутливого шару. Характер старіння, як і процесу стомлення, визначається типом фотокатода, технологією виготовлення фотоелемента, станом вакууму в балоні.

Темнів струм фотоелемента має дві основних компоненти: струм термоелектронної емісії фотокатода та струм витоку між електродами. Струм автоелектронної емісії фотокатода може мати порівнянне з названими компонентами значення при напругах анода біля декількох кіловольтів. При настільки високих напругах працюють тільки потужнострумові фотоелементи, для яких рівень темнавого струму не має суттєвого значення.

Струм термоемисії фотокатода, що займає у фотоелемента більшу площу, при кімнатній температурі досягає значень 10^-11 – 10^-10 А. У зв'язку з тим, що цей компонент визначається типом фотокатода та технологією його одержання, зменшення термотока можливо тільки шляхом зниження температури або зменшення розмірів фотокатода.

Струм витоку по зовнішній і внутрішній сторонах скла колби, а також по цоколі при робочих напругах 200–300 В має значення в межах 10^-9–10^-7А. Для підвищення опору ізоляції при конструюванні фотоелементів збільшують відстань між вводами, а на зовнішню поверхню балона наносять вологостійке покриття. У конструкції фотоелементів, призначених для виміру дуже малих потоків, передбачене охоронне кільце, уварене в балон між виводами фотокатода та анода. Цей електрод з'єднують із негативним або позитивним полюсом джерела живлення залежно від того, у катодний або анодний ланцюг фотоелемента включені вимірювальний прилад або опір навантаження (рис. 2.6). Завдяки охоронному кільцю струм витоку не протікає через вимірювальний прилад.

Рис. 2.6 – Схема включення фотоелемента с охоронним кільцем

Ефективним способом зниження темнових струмів є використання балансових (мостових) схем включення фотоелемента. На рис. 2.7 показана схема балансового електрометричного катодного повторювача з фотоелементом у вхідному ланцюзі. Напруга від протікання темнового струму через резистор R 1 на вході лівої лампи компенсується на виході такою же напругою, що виникає від протікання струму затемненого фотоелемента через резистор R₂ на вході правої лампи. Зміна вологості та температури навколишнього середовища викликає однакова зміна темнових струмів у двох плечах балансової схеми, тому вимірювальний прилад не реагує на ці зміни. При відсутності вимірюваного потоку потенціометром R о виробляється початкова установка вимірювального приладу на нуль.

Рис. 2.8 – Схема балансного електрометричного катодного повторювача с фотоелементом в вхідному ланцюзі

Для виділення корисного сигналу з темнового струму іноді застосовується модуляція вимірюваного потоку випромінювання за допомогою оптичного затвора, наприклад диска що обертається із прорізями. Модульований з деякою частотою струм сигналу легко виділяється шляхом фільтрації з повільно мінливого темнового струму. При необхідності сигнал після фільтра може бути відновлений у первичний вигляд за допомогою детектірованія.

Граничний потік фотоелемента, включеного у вхідний ланцюг підсилювального каскаду, визначається чутливістю фотоелементу до потоку

даного спектрального складу та сумарним шумовим струмом у вхідному ланцюзі підсилювача. Дуже слабкий фотострум звичайно не піддається прямим вимірам, і потрібно його попереднє посилення. Для цього в ланцюг фотоелемента включається високоомний резистор, напруга сигналу з якого надходить на підсилювач із високим вхідним опором.

Дата добавления: 2014-01-04