Фотофизические приёмники излучения

 

Как правило, принцип действия фотофизического приёмника излучения основывается на внутреннем или внешнем фотоэффекте.

 

Рассмотрим фотоэлементы с внешним фотоэффектом. Такие фотоэлементы можно разделить на вакуумные и газополные. Вакуумный фотоэлемент состоит из стеклянного герметичного баллона (рис. 12.1), в котором создается низкий вакуум, а на внутренней стенке нанесён фотоэлектрический чувствительный слой. Этот слой выполняет функцию фотокатода (3), и определяет спектральные свойства фотоэлемента. Другой электрод (1) – анод имеет гораздо меньшие размеры, может быть выполнен в различных вариантах: сетка, кольцо, рамка и играет роль коллектора электронов, т.е. он их собирает. При включении такого фотоэлемента в цепь (рис. 12.1) гальванометр (2) будет показывать силу тока при освещении фотоэлемента.

 

Рис. 12.1. Вакуумный фотоэлемент

Световые характеристики вакуумных фотоэлементов отличаются линейностью в достаточно широких пределах освещенности фотокатода.

 

Газополные фотоэлементы наполняются инертным газом. Это позволяет с одной стороны увеличить интегральную чувствительность, с другой стороны появляется инерционность. То есть, в отличие от вакуумного фотоэлемента, который реагирует на переменный световой поток с частотой до нескольких десятков килогерц, то газополный фотоэлемент имеет предельную частоту 3 кГц. Инертность газополых элементов зависит от рода наполняющего газа и его давления.

 

Вакуумные фотоэлементы обладают невысокой чувствительностью к свету. Более высокой чувствительностью обладают фотоэлектронные умножители (ФЭУ). ФЭУ – это электровакуумный прибор, в котором поток электронов, эмитируемый фотокатодом под действием оптического излучения, усиливается в умножительной системе в результате процесса вторичной электронной эмиссии. На рис. 12.2 изображен внешний вид ФЭУ. Принцип работы продемонстрирован на рис. 12.3. Фотоэлектроны, эмитируемые с фотокатода под действием электрического поля, ускоряются и попадают на первый промежуточный электрод Э1 (промежуточные электроды называют динодами и имеют изогнутую форму), вызывая эмиссию вторичных электронов. Вторичная эмиссия в несколько раз превышает первоначальный поток электронов. Вторичные электроны попадают на следующий электрод Э2, процесс повторяется и т.д. С последнего динода электроны собираются анодом. Для фокусировки и ускорения электронов на анод и диноды подаётся высокое напряжение (600 – 3000 В). ФЭУ могут быть чувствительны даже на отдельные фотоны.

 

Рис. 12.2. Внешний вид ФЭУ

 

 

 

Рис. 12.3. Строение фотоэлектрического умножителя:

 

1 – металлическая сетка за входным окном; 2 – полупроводниковый катод, нанесенный на полый металлический цилиндр; 3 – анод; Э – вторичные катоды (эмиттеры), усиливающие сигнал; R – резисторы, регулирующие напряжение на эмиттерах; С – конденсаторы

 

Рассмотрим теперь фотоэлементы с внутренним фотоэффектом. В 1876 г. Адамсом и Дэйем было открыто явление возникновения электродвижущей силы при освещении палочки селена. На тот момент явление фотоэффекта не было открыто, поэтому это открытие Адамса и Дэуйема нашло свое применение спустя многие годы. Был изобретен селеновый фотоэлемент. Селеновые фотоэлементы получили широкое применение благодаря своей спектральной характеристики, которая хорошо соответствует кривой видности светлоадаптированного глаза (рис. 11.2 (1)).

 

В настоящее время широко применяются фотоприёмники с зарядовой связью (ПЗС). ПЗС – приборы с зарядовой связью – служат для преобразования оптического излучения в электрические сигналы и передачи информации от одного элемента электронной схемы к другому. ПЗС представляют собой линейку или матрицу последовательно расположенных МДПструктур. МДПструктура – это структура «металл–диэлектрик– полупроводник». Величина зазора между соседними МДПструктурами составляет около 1–2 мкм. ПЗС линейки или матрицы используются в сканерах, фотоаппаратах, видеокамерах, в спектрофотометрах. На рис. 12.4 показан принцип работы ПЗС. Под действием света в элементе накапливается электрический потенциал, уровень которого пропорционален экспозиции. Затем фиксируется потенциал каждой точки матрицы. Для этого потенциалы последовательно перемещаются из строк матрицы в запоми

 

нающее устройство в виде периодического колебания потенциалов по уровню. До экспонирования происходит сброс всех ранее образовавшихся

 

Рис. 12.4. Принцип работы ПЗСматрицы

> I zUvOT8nMS7dVCg1x07VQUiguScxLSczJz0u1VapMLVayt+PlAgAAAP//AwBQSwMEFAAGAAgAAAAh AL1aJGPCAAAA2gAAAA8AAABkcnMvZG93bnJldi54bWxEj0+LwjAUxO8LfofwBG9r6lZEqlF0RfCw Lvjn4u3RPJti81KaWOu33wjCHoeZ+Q0zX3a2Ei01vnSsYDRMQBDnTpdcKDiftp9TED4ga6wck4In eVgueh9zzLR78IHaYyhEhLDPUIEJoc6k9Lkhi37oauLoXV1jMUTZFFI3+IhwW8mvJJlIiyXHBYM1 fRvKb8e7VXCZrH+2d/xNx6kpaxppedrsW6UG/W41AxGoC//hd3unFaTwuhJvgFz8AQAA//8DAFBL AQItABQABgAIAAAAIQAEqzleAAEAAOYBAAATAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAABbQ29udGVudF9UeXBl c10ueG1sUEsBAi0AFAAGAAgAAAAhAAjDGKTUAAAAkwEAAAsAAAAAAAAAAAAAAAAAMQEAAF9yZWxz Ly5yZWxzUEsBAi0AFAAGAAgAAAAhADMvBZ5BAAAAOQAAABIAAAAAAAAAAAAAAAAALgIAAGRycy9w aWN0dXJleG1sLnhtbFBLAQItABQABgAIAAAAIQC9WiRjwgAAANoAAAAPAAAAAAAAAAAAAAAAAJ8C AABkcnMvZG93bnJldi54bWxQSwUGAAAAAAQABAD3AAAAjgMAAAAA "> зарядов, все элементы приводятся в одинаковое состояние. Как правило,

 

для этого используется определённый сигнал (напряжение) подающийся на электроды.

 

Все перечисленные фотоэлектрические преобразователи являются селективными, т.е. их чув

 

ствительность зависит от длины волны падающего излучения. Для каждого из них существует красная граница фотоэффекта – максимальная длина вол

 

ны, на которой ещё возможен фотоэффект. У вакуумного фотоэлемента и ФЭУ красная граница находится, как правило, в желтооранжевой области спектра. Поэтому эти приборы не чувствительны к красным и инфракрасным излучениям. В то же время, полупроводниковые фотоэлементы и ПЗСматрицы имеют красную границу фотоэффекта, лежащую в инфракрасной области (2–3 мкм). Поэтому, цифровые фотоаппараты и видеокамеры, в которых в качестве чувствительных фотоэлементов используются ПЗСматрицы, способны регистрировать излучения, невидимые для человеческого глаза.