Физические основы и принципы работы приемников излучения в оптических системах: Учебно-методическое пособие

Ф Е Д Е Р АЛ Ь Н О Е АГ Е Н Т С Т В О П О О Б Р АЗО В АН И Ю В О Р О Н Е Ж С К И Й Г О С У Д АР С Т В Е Н Н Ы Й У Н И В Е Р С И Т Е Т

Ф И ЗИ ЧЕ С К И Е О С Н О В Ы И П Р И Н ЦИ П Ы Р АБ О Т Ы П Р И Е М Н И К О В И ЗЛ У ЧЕ Н И Я В О П Т И ЧЕ С К И Х С И С Т Е М АХ

У чебно–методическое пособие п о сп ец и ал ь н ост и 010701 (010400) - Ф и зи ка

В ороне ж 2006

2

У тв е рж д е но на учно-м е тод иче ским С ов е том ф из иче ского ф а культе та 26 д е ка бря2005 год а , про то кол № 10

С оста в ите ли: Т.В . В оло ш ина Л .Ю . Л е оно в а В .Н. Р а схож е в

У че бно – м е тод иче ско е по собие под готов ле но на ка ф е д ре оптики и спе ктроскопии ф из иче ско го ф а культе та В ороне ж ско го госуд а рств е нного унив е рсите та . Р е ко м е нд уе тсяд лястуд е нто в 4-го и 5-го курсов д не в но го отд е ле ния ф из иче ского ф а культе та ка ф е д ры о птики и спе ктроскопии

3

С одержа ние В в е д е ние 1.

4

Ф из иче ские основ ы и принципы ра бо ты прие м ников

из луче нияна о снов е в не ш не го ф о тоэф ф е кта .

4

1.1.

Ф из иче ские основ ы ф ото эф ф е кта

4

1.2.

Эле ктро в а куум ные ф ото эле м е нты

6

1.3.

Ф ото эле ктро нные ум нож ите ли

9

1.4.

Эле ктро нно-оптиче ские пре обра з ов а те ли

11

2.

Ф отоприе м ники на о сно в е в нутре нне го ф ото эф ф е кта

17

2.1.

Ф из иче ские основ ы в нутре нне го ф ото эф ф е кта

17

2.2.

Ф оторе з исторы

18

2.3.

Ф отод иод ы

20

2.4.

Полупров од ников ые ф о тоэле м е нты

22

2.5.

Ф ото тра нз исторы

23

2.6.

Ф ото тиристоры

26

3.

Те плов ые прие м ники из луче ния

28

3.1.

Болом е тры

28

3.2.

Те рм о эле м е нты

32

3.3.

Оптико-а кустиче ские прие м ники из луче ния

33

3.4.

Пиро эле ктриче ские прие м ники из луче ния

35

4.

Основ ные принципы в ыбора прие м нико в из луче ния

36

К о нтрольные в опросы

36

С писок ре ком е нд уе м ой лите ра туры

37

4

В в едение Основ ным и

з а д а ча м и

ла бора торного

пра ктикум а

« Ф из иче ские

осно в ы и принципы ра боты прие м нико в из луче ния» являю тся: 1) из уче ние основ ных принципо в ра бо ты прие м ников из луче ния; 2) усв о е ние

основ ных те рм ино в , па ра м е тро в

и ха ра кте ристик

прие м нико в из луче ния; 3) ооз на ко м ле ние с осно в а м и ф из иче ских принципо в ра бо ты прие м ников из луче ния; 4) приобре те ние пра ктиче ских на в ыков опре д е ле нияоснов ных па ра м е тро в прие м ников из луче ния; 5) приобре те ние на в ыков в в ыборе прие м ников из луче нияд ляз а д а ч из м е ре нияпото ко в из луче ния; 6) приобре те ние на в ыков ра боты со спра в очной лите ра турой . Ц е лью д а нного пособия является оз на ко м ле ние с те оре тиче ским и осно в а м и ра бо ты прие м ников из луче ния, конструкциям и, их па ра м е тра м и, пе рспе ктив а м и их сов е рш е нств о в а ния, прие м а м и в ыбора прие м ников из луче нияд ляконкре тных з а д а ч. 1.

Ф И ЗИ ЧЕ С К И Е

П РИ Е М Н И К О В

О СН О ВЫ

И ЗЛ У ЧЕ Н И Я

И НА

П Р И Н ЦИ П Ы О С Н О ВЕ

Р АБ О Т Ы

ВН Е Ш Н Е Г О

Ф О ТО Э Ф Ф Е КТА 1.1. Ф отоэл ектронна я эмиссия Ф ото эле ктро нна я

эм иссия,

на з ыв а е м а я

ина че

в не ш ним

ф ото эф ф е кто м , пре д ста в ляет собой эле ктро нную эм иссию под д е й ств ие м эле ктром а гнитного из луче ния. Эм итирую щ ий эле ктро д при этом на з ыв а ю т ф ото эле ктронным ка тод ом (ф ото ка тод ом ), а испуска е м ые им эле ктроны ф ото эле ктрона м и. На ча ло из уче ния ф ото эле ктронной эм иссии относится к 1886 г., ко гд а не м е цкий уче ный Г. Ге рц уста но в ил, что на пряж е ние эле ктриче ского ра з ряд а , в оз ника ю щ е го м е ж д у эле ктрод а м и, сниж а е тся, е сли о св е тить о д ин из эле ктрод ов . Это явле ние с 1888 г. иссле д ов а л проф е ссор М осков ского унив е рсите та

А.

Г.

С толе то в .

Он уста но в ил св ой ств а

в не ш не го

5

ф ото эф ф е кта , но не м о г е го объяснить, та к ка к в то в ре м яе щ е не были из в е стны эле ктроны. За кон

1.

С толе тов а .

Ф ото ток

в о з ника ю щ ий

Iф ,

за

сче т

ф ото эле ктронной эм иссии, пропорциона ле нсв е тов о м у потоку Ф : Iф = S·Ф , гд е S - чув ств ите льно сть ф ото ка то д а , в ыра ж а е м а яобычно в м икроа м пе ра х на лю м е н. Е сли пото к Ф м о нохро м а тиче н, т. е . сод е рж ит лучи то лько од ной д лины в олны, то чув ств ите льность на з ыв а ю т м о нохро м а тиче ской

и

обоз на ча ю т Sλ . Чув ств ите льность к потоку бе ло го (не м онохром а тиче ского) св е та ,

состо ящ е го

из

луче й

с ра з ной

д линой

в олны,

на з ыв а ю т

инте гра льной и обо з на ча ю т SΣ . 2. За кон Эй нш те й на . В 1905 г. А . Эй нш те й н уста нов ил, что при в не ш не м ф о тоэф ф е кте эне ргияф отона пре в ра щ а е тсяв ра боту в ыход а W0 и кине тиче скую эне ргию в ыле те в ш е го эле ктрона : hν = W0 +0.5mv2, гд е m и v - м а сса и скорость ф о тоэле ктрона ; ν - ча сто та из луче ния; h посто янна яПла нка , ра в на я6,63·10-34 Д ж ·с. С од но й сто ро ны, это эле ктром а гнитные в о лны, ха ра кте риз уе м ые д линой

λ

и ча стотой

ν. А

с д ругой

стороны, из луче ние

м о ж но

ра ссм а трив а ть ка к по ток ча стиц - ф о тоно в , обла д а ю щ их эне ргие й hν. За кон Эй нш те й на гов орит о том , что эне ргияф о тона hν пе ре д а е тся эле ктрону, кото рый з а тра чив а е т на в ыход из ф о тока тод а эне ргию W0, а ра з но сть hν - W0 пре д ста в ляет собой эне ргию в ыле те в ш е го эле ктрона . 3. Д ляв не ш не го ф ото эф ф е кта сущ е ств уе т та к на з ыв а е м а якра сна я, или д линно в олнов а ягра ница . Е сли ум е ньш а ть ча стоту из луче нияν, то при не ко торой ча стоте ν0 ф ото эле ктронна яэм иссияпре кра щ а е тся, та к ка к на этой ча сто те hν0 = W0 и эне ргияф ото эле ктро нов ста нов итсяра в ной нулю . Ча стоте ν0 соо тв е тств уе т д лина в олны λ 0 = с/ν0, гд е с = 3·108 м /с. При ν < ν0 или λ >λ 0 ф ото эле ктронной эм иссии не м ож е т быть, та к ка к hν < hν0, т. е . эне ргии ф отона не д о ста точно д а ж е д лясо в е рш е нияра боты в ыхо д а . 4. Д ля ф отоэф ф е кта ха ра кте рна м а ла я ине рционность. Ф ото ток з а па з д ыв а е т по о тнош е нию

к из луче нию

в се го лиш ь на не сколько

6

на носе кунд . Ф ото ка тод ы

та кж е

ха ра кте риз ую тся

о тно ш е ние м

числа

ф ото эле ктроно в к числу ф о тоно в , в ыз в а в ш их эм иссию . Этот па ра м е тр на з ыв а е тся кв а нтов ым в ыход о м эле ктронов . Е сли бы ка ж д ый ф отон в ыз ыв а л в ыход од но го эле ктрона , то кв а нтов ый в ыход ра в нялся бы е д инице . Но больш а яча сть ф отонов не уча ств уе т в соз д а нии ф ото тока : ча сть ф о тонов им е е т д лину в олны λ 0, ча сть проника е т глубо ко в ка то д и ра ссе ив а е т та м св ою эне ргию , на ко не ц, ча сть ф о тоно в о тра ж а е тся о т пов е рхно сти ка то д а . Обычно кв а нто в ый в ыход не пре в ыш а е т 2 %. Р а бота в ыхо д а W0 и гра нична я д лина в олны λ 0 д ля не которых эле м е нтов прив е д е ны в та блице : Ce

K

Sb

Ge

Si

W0, эв

1,9

2,3

4,0

4,4

4,8

λ 0, м км

0,66

0,55

0,31

0,28

0,21

С пе ктр в ид им о го из луче нияле ж ит в пре д е ла х 0,38 – 0,78 м км , и, ка к в ид но

из

прив е д е нных

д а нных,

ча сть

луче й

м ож е т

в ыз в а ть

ф ото эле ктронную эм иссию лиш ь из це з ияи ка лия. Поэтом у ф о тока тод ы обычно

д е ла ю т не

из

чистого

м е та лла . Та к, на прим е р, ш иро ко

прим е няем ый оксид но-це з ие в ый ф отока то д , со стоящ ий из се ре бра , о ксид а це з ияи чистого це з ия, им е е т ум е ньш е нную ра бо ту в ыход а , и д ляне го λ 0 = 1,1 м км . Чув ств ите льность ф о тока тод а з а в исит от д лины в олны из луче нияи с те че ние м в ре м е ни посте пе нно ум е ньш а е тся, т. е . на блю д а е тсяявле ние « уста лости», или « утом ле ния», ф ото ка то д а . 1.2. Э л ектров а куумны е ф отоэл ементы Эле ктро в а куум ный пре д ста в ляет собой

(эле ктронный

или

д иод , у ко торого на

ионный ) в нутре нню ю

ф ото эле м е нт по в е рхность

сте клянного ба ллона на не се н ф ото ка то д в в ид е тонко ю сло я в е щ е ств а , эм итирую щ е ю ф о тоэле ктроны. А но д ом обычно является м е та лличе ско е ко льцо, не м е ш а ю щ е е попа д а нию св е та на ф ото ка то д . В эле ктронных ф ото эле м е нта х со з д а н в ысокий в а куум , а в ионных на ход итсяине ртный

7

га з , на прим е р а ргон, под д а в ле ние м в не сколько со те нпа ска ле й (не сколько м иллим е тров ртутно го столба ). К а тод ы обычно прим е няю тсясурьм яноце з ие в ые или се ре бряно-кислород но -це з ие в ые . С в ой ств а

и

о собе нно сти

ха ра кте ристика м и.

А но д ные

ф о тоэле м е нто в

ото бра ж а ю тся их

(в ольт-а м пе рные )

ха ра кте ристики

эле ктронного ф о тоэле м е нта Iф = f(ua) при Ф = const, из обра ж е нные на рис. 1.1а, по ка з ыв а ю т ре з ко в ыра ж е нный ре ж им на сыщ е ния.

Р ис. 1.1. А нод ные ха ра кте ристики эле ктронного (а ) и ионного (б) ф отоэле м е нта .

Эне рге тиче ские

ха ра кте ристики чув ств ите льности пре д ста в ляю т

собой з а в исим о сть Iф = f(Ф ) при Ua = const, они пока з а ны на рис. 2.2.

Р ис. 1.2. Эне рге тиче ские ха ра кте ристики эле ктронного (1) и ионного (2) ф отоэле м е нта

Ча стотные

ха ра кте ристики

чув ств ите льности

опре д е ляю т

з а в исим о сть чув ств ите льности о т ча стоты м од уляции св е тов о го пото ка . И з рис 1.3 в ид но, что эле ктронные

ф ото эле м е нты (линия 1)

м а лоине рцио нны, oни м о гут ра бо та ть на ча сто та х в со тни м е га ге рц. Основ ные

эле ктриче ские

па ра м е тры

чув ств ите льно сть, м а ксим а льное д опустим ое

ф ото эле м е нтов

-

а нод ное на пряж е ние и

те м но в ой то к. У эле ктронных ф отоэле м е нто в чув ств ите льность д остига е т д е сятко в , а у ионных –со те нм икроа м пе р на лю м е н.

8

Те м нов о й ток пре д ста в ляет собо й ток при отсутств ии облуче ния. Он объясняетсяте рм оэле ктронной эм иссие й ка тод а и то ка м и уте чки м е ж д у эле ктрод а м и. При ком на тно й

те м пе ра туре

ток те рм оэм иссии м о ж е т

д остига ть 10-10А , а то ки уте чки –10-7А .

Р ис. 1.3. Ча стотные ха ра кте ристики чув ств ите льности ф отоэле м е нтов

В спе циа льных конструкциях ф ото эле м е нтов уд а е тся з на чите льно сниз ить токи уте чки, а ток те рм оэм иссии м ож но ум е ньш ить охла ж д е ние м ка то д а д о криоге нных те м пе ра тур. На личие те м нов о го тока о гра ничив а е т прим е не ние ф о тоэле м е нто в д ляоче нь сла бых св е то в ых сигна ло в .

Р ис. 1.4. С хе м а в клю че нияф отоэле м е нта .

Ф ото эле м е нт о бычно в клю че н по сле д о в а те льно с на груз очным ре з исторо м Rн (рис. 1.4). Та к ка к ф о тотоки оче нь м а лы, то сопротив ле ние ф ото эле м е нта посто янном у току в е сьм а в е лико и соста в ляет е д иницы или д а ж е д е сятки м е га ом .

С опротив ле ние

на груз очного

ре з истора

ж е ла те льно

та кж е

больш о е . С не го сним а е тсяна пряж е ние , получа е м ое от св е тов ого сигна ла . Это на пряж е ние под а е тсяна в ход усилите ля, в ход на яе м кость ко торого ш унтируе т ре з истор Rн. Че м больш е со против ле ние Rн и че м в ыш е ча стота , те м

сильне е

это

ш унтирую щ е е

на пряж е ние сигна ла на ре з исто ре Rн

д е й ств ие

и те м

м е ньш е

9

1.3. Ф отоэл ектронны е умножител и Ф ото эле ктро нный

ум но ж ите ль

(Ф ЭУ )

пре д ста в ляет

собо й

эле ктров а куум ный прибор, в которо м эле ктронный ф о тоэле м е нт д ополне н устро й ств ом д ля усиле ния ф о тото ка з а сче т в торичной эле ктро нно й эм иссии. В пе рв ые в м ире Ф ЭУ были из обре те ны сов е тским инж е не ро м Л . Л . К убе цким в 1930 г. В д а льне й ш е м ряд уд а чных конструкций Ф ЭУ со з д а ли П. В . Тим оф е е в и С . А . В е кш инский .

Р ис. 1.5. Принцип ра боты и устрой ств а Ф ЭУ .

Принцип ра боты Ф ЭУ проиллю стриро в а н на рис. 1.5. С в е тов ой пото к

Ф

в ыз ыв а е т эле ктронную

Ф ото эле ктро ны

по д

д е й ств ие м

эм иссию уско ряю щ е го

из

ф ото ка тод а

эле ктриче ского

(Ф К ). поля

на пра в ляю тсяна эле ктрод Д 1 на з ыв а е м ый д инод о м . Онявляетсяа нод ом по отно ш е нию

к ф отока тод у и од нов ре м е нно игра е т ро ль в торично-

эле ктронного эм итте ра . Д инод д е ла е тсяиз м е та лла с д оста то чно сильной и устой чив о й

в торичной

эле ктронной

эле ктроны (то к Iф ), ид ущ ие

эм иссие й . По этом у пе рв ичные

с ф отока то д а , в ыбив а ю т из д инод а Д 1

в то ричные эле ктроны, число ко торых в σ ра з больш е числа пе рв ичных эле ктронов (σ - коэф ф ицие нт в торично й эм иссии д ино д а Д 1, о бычно ра в ный не скольким е д иница м ). Та ким обра з о м , то к в торичных эле ктронов с пе рв ого д инод а I1 = σ ·Iф . Ток I1 на пра в ляется на в торой д инод Д 2, им е ю щ ий боле е в ысокий полож ите льный по те нциа л. Тогд а от д инод а Д 2 з а сче т в то ричной эм иссии на чина е тсяток эле ктро нов I2, который в σ ра з больш е тока I1 (д ля упро щ е ния буд е м счита ть, что у в се х д инод ов ко эф ф ицие нт в торично й эм иссии од ин и тот ж е ), т. е . I2 = σ ·I1 = σ 2·Iф . В св о ю оче ре д ь, то к I2 на пра в ляется на тре тий д инод Д 3, у ко торого

10

полож ите льный поте нциа л е щ е в ыш е , и о т этого д инод а те че т ток эле ктронов I3 = σ ·I2 = σ 3·Iф , и т. д . С по сле д не го, n-го, д инод а Д n эле ктронный ток In на пра в ляетсяна а нод А , и то гд а ток а но д а Ia = In = σ n·Iф . Та ким обра з ом , коэф ф ицие нт усиле ния тока ki = σ n. На прим е р, е сли σ = 10 и п = 8, то ki = 108. Пра ктиче ски усиле ние

м е ньш е , та к ка к не

уд а е тся в се

в торичные

эле ктроны, в ыбитые из д а нно го д инод а , отпра в ить на сле д ую щ ий д инод . Чтобы больш е е

число

ра з ра бота ны Ф ЭУ ра споло ж е ние м

в торичных эле ктронов

с ра з личной

эле ктрод ов .

ф орм ой

и

было

использ ов а но,

ра з личным

Д ля ф окусиро в ки

по тока

эле ктронов прим е няю т, ка к пра в ило, эле ктриче ско е

в з а им ным в то ричных

поле , поскольку

ф окусиро в ка м а гнитным поле м тре буе т гром оз д ких м а гнитных систе м . Просте й ш ий од нока ска д ный Ф ЭУ им е е т ф ото ка тод , д ино д и а нод . У м ногока ска д ных Ф ЭУ

м ож е т быть коэф ф ицие нт усиле ния тока

не скольких м иллионов , а

до

инте гра льна я чув ств ите льно сть д о стига е т

д е сятко в а м пе р на лю м е н. К а к пра в ило, Ф ЭУ ра бота ю т при м а лых а нод ных тока х и м а лых св е тов ых пото ка х. Ток а но д а обычно быв а е т не боле е д е сятков м иллиа м пе р, а св е то в ые по то ки на в ход е м огут быть 10-3 лм и м е не е . Поскольку на ка ж д ом сле д ую щ е м д ино д е на пряж е ние в ыш е , че м на пре д ыд ущ е м , то а нод но е на пряж е ние д олж но быть в ысо ким (1-2 кВ ), что являетсяне д оста тко м Ф ЭУ . Обычно пита ние Ф ЭУ осущ е ств ляетсяче ре з д е лите ль, на ко торый под а е тсяполное а нод ное на пряж е ние (рис. 1.6). В

це пь а нод а в клю ча е тся на груз очный ре з истор Rн, с ко торого

сним а е тсяв ыход ное на пряж е ние . а)

б)

Р ис. 1.6. С хе м а в клю че ния(а ) и з а в исим ость коэф ф ицие нта усиле ниятока и инте гра льной чув ств ите льности (б) от на пряж е нияпита нияФ ЭУ .

11

Д ляФ ЭУ , ка к и д ляобычных ф о тоэле м е нто в , ха ра кте ре н те м нов ой ток, о бусло в ле нный те рм о эле ктронной эм иссие й ф ото ка то д а и д инод о в . Он со ста в ляет м а лые д оли м икро а м пе ра . Этот то к м ож е т быть ум е ньш е н охла ж д е ние м

прибора .

Зна че ние м

те м но в о го

тока

о гра ничив а е тся

м иним а льный св е тов ой пото к, который м о ж но ре гистриро в а ть с пом о щ ью Ф ЭУ . А

м иним а льные

из м е не ния св е тов ого пото ка огра ничив а ю тся

ф луктуа циям и эм иссии ф ото ка тод а и те м нов ого тока . С ле д уе т отм е тить, что эти ф луктуа ции не в е лики, т. е . Ф ЭУ являю тся м а ло ш ум ящ им и прибора м и. К оэф ф ицие нт ш ум а Fш у них обычно 1,5 – 2,0 (у ид е а льного « не ш ум ящ е го » усилите ляFш = 1). Основ ные па ра м е тры Ф ЭУ : обла сть спе ктра льной чув ств ите льно сти (д иа па з о н д лин в олн), в ко торой м ож но прим е нять д а нный Ф ЭУ ; число ступе не й ум нож е ния; общ ий коэф ф ицие нт усиле ния тока ; на пряж е ние пита ния; инте гра льна я чув ств ите льность; те м но в ой

ток. В

ка че ств е

ха ра кте ристик Ф ЭУ обычно ра ссм а трив а ю тся св е тов а я ха ра кте ристика Ia = f(Ф ), а та кж е з а в исим ости коэф ф ицие нта усиле нияki и инте гра льной чув ств ите льно сти SΣ от на пряж е нияпита нияЕ а (рис. 1.6). Ф ото эле ктро нные ум нож ите ли обла д а ю т м а лой ине рционностью и м о гут ра бота ть на

в е сьм а

в ысоких ча сто та х. И х прим е няю т д ля

ре гистра ции св е тов ых им пульсо в , сле д ую щ их че ре з

на но се кунд ные

про м е ж утки в ре м е ни. К ром е того , Ф ЭУ прим е няю тсяв о м ногих о бла стях на уки и те хники - в а строно м ии, д ляиз м е ре ниям а лых св е тов ых пото ко в , д ляспе ктра льно го а на лиз а и т. д . 1.4. Э л ектронно-оптические преобра з ов а тел и 1.4.1. П ринц ипдейств ия Эле ктронно-оптиче ским и

пре обра з о в а те лям и

(ЭОП)

на з ыв а ю т

эле ктров а куум ные приборы, пре обра з ую щ ие из обра ж е ние , со з д а в а е м ое на ф ото ка тод е

ре нтге но в ским ,

инф ра кра сным из луче ние м , в ф лю о ре сцирую щ е м

ультра ф иоле то в ым , эле ктро нное

в ид им ое

в ид им ым из обра ж е ние

или на

экра не . Ц е ль та кого пре обра з о в а ния – пе ре но с

из обра ж е нияиз од ной спе ктра льной обла сти в д ругую .

12

Про сте й ш ий ЭОП пре д ста в ляет собой сте клянный цилинд риче ский в а куум иро в а нный

сосуд ,

на

од ном

то рце

кото ро го

на не се н

полупро з ра чный ф ото ка тод , а на д руго м ф лю о ре сцирую щ ий экра н. М е ж д у экра ном и ка тод ом прилож е но на пряж е ние 10 –15 кВ (рис.1.7.).

Р ис. 1.7. С хе м а про сте й ш е го ЭОПа 1- объе кт на блю д е ния; 2- объе ктив ; 3- из обра ж е ние объе кта на ф отока тод е ; 4полупроз ра чный ф отока тод ; 5 - сте клянный ба ллон; 6 - эле ктронное из обра ж е ние объе кта ; 7 –экра н.

Объе ктив 2 со з д а е т на полупро з ра чно м ф о то ка то д е в ид им о е или не в ид им о е из о бра ж е ние 5 о бъе кта 1. И з луче ние , прой д яка то д , в ыбив а е т эле ктро ны из по в е рхно сти ф о то сло я, о бра щ е нно й

к а но д у. Число

эле ктро но в , эм иттируе м ых ка ж д ой точко й ф о то ка то д а , про по рцио на льно е е о св е щ е нно сти. В ка тод а

м о м е нт в ыхо д а эле ктро но в из ка ко й -либо то чки

их ско ро сти на пра в ле ны в о

в се

стороны; бла год а ря ж е

уско ряю щ е м у эле ктриче ско м у по лю , на хо д ящ е м усяне по сре д ств е нно з а ка то д о м , эле ктро ны стягив а ю тся в уз кий пучо к, ко то рый прихо д ит к ка то д о лю м ине сце нтно м у экра ну в то чку, ле ж а щ ую на о д но й о си с то чко й в ыхо д а . Бо м ба рд иро в ка эле ктро на м и экра на в ыз ыв а е т св е че ние ф лю о ре сцирую щ е го в е щ е ств а и по явле ние на экра не пе ре в е рнуто го из о бра ж е нияна блю д а е м о го о бъе кта . И з о бра ж е ние , по луча ю щ е е ся на экра не , м е не е из о бра ж е ние

о бъе кта , со з д а в а е м ое

о бъе ктив ом на

объясняется те м , что эле ктроны, в ыле та ю щ ие

о тче тлив о, че м ф ото ка тод е . Это

из ка ко й -либо то чки

ф о то ка то д а , им е ю т ра з личные на пра в ле нияд в иж е нияи, пе ре м е щ а ясь в эле ктриче ско м по ле , о писыв а ю т ра з ные тра е кто рии та к, что на экра не о ни со бира ю тся не в о д ну то чку, а в не бо льш о й круж о к (круж о к ра ссе яния). Д а льш е в се х о ткло няю тся о т о птиче ско й о си эле ктро ны,

13

в ыле те в ш ие из ф о то ка то д а по д угло м , близ ким к 90° , и им е ю щ ие на ча льную ско ро сть. И м е нно эти эле ктро ны о гра ничив а ю т круж о к ра ссе яния, д иа м е тр d0 ко то ро го о пре д е ляю т по ф орм уле : d 0 = 4l U max/ Ua ,

гд е : l- ра ссто яние м е ж д у экра но м и ф о то ка то д о м ; U a — на пряж е ние

В ; Umax ~ на пряж е ние , со о тв е тств ую щ е е

а но д но е

на ибо льш е й

на ча льно й эне ргии эле ктроно в , В (д лякислород но-це з ие в ого ф ото ка тод а Umax = 0,3 В , д лям но го щ е ло чно го Umax - 0,6 В ). И з ф орм улы сле д уе т, что д иа м е тр круж ка

ра ссе яния м о ж но

ум е ньш ить, е сли ув е личить на пряж е ние Ua и ум е ньш ить ра ссто яние м е ж д у экра но м и ф о то ка то д о м . При з на чите льном ув е личе нии Ua эле ктро ны

в ырыв а ю тся эле ктриче ским

д опо лните льно й

з а св е тке

экра на ,

поле м ,

что

ум е ньш а ю щ е й

прив од ит

к

контра стность

из обра ж е ния. При ум е ньш е нии ра сстояниясв е рх д о пустим о го з на че ния в о з м о ж е н эле ктриче ский про бо й в о з д уш но го про м е ж утка . К ро м е то го , св е че ние экра на , на хо д ящ е го ся на м а ло м ра ссто янии о т ф о то ка то д а , в ыз ыв а е т не ж е ла те льную ф о то эм иссию , та кж е в е д ущ ую к сниж е нию ко нтра стно сти из о бра ж е нияна экра не . Про сте й ш ие о д но ка м е рные ЭОП прим е няю т в м а лога ба ритных пе ре но сных прибо ра х, пре д на з на че нных д ляна блю д е нияо бъе кто в при д о ста то чно бо льш о й их о св е щ е нности (0,1— 0,5 лк). При испо льз о в а нии та ких пре обра з о в а те ле й в в из уа льных прибо ра х не о бхо д им о прим е нять о птиче скую о бо ра чив а ю щ ую систе м у. На ибо льш е е систе м ой

прим е не ние

получили ЭОП с эле ктро ста тиче ско й

ф о кусиро в ки (рис.1.8). Экв ипо те нциа льные

по в е рхно сти

эле ктриче ско го по ляяв ляю тсяд ляэле ктро нных луче й пре ло м ляю щ им и, по это м у, испо льз уя спе циа льные

эле ктро д ы, м о ж но прид а ть этим

по в е рхно стям о пре д е ле нную ф о рм у и сф о кусиро в а ть пучо к эле ктроно в . В по сле д не е в ре м яна ча ли ш иро ко прим е нять ЭОП с ка на льным и эле ктро нным и

ум но ж ите лям и

пре д ста в ляет со бо й

(рис. 1.9). К а на льный

сте клянную

трубку

с

ум но ж ите ль

д о ста то чно

в ысо ко й

эле ктриче ско й про в о д им о стью сте но к д ля под д е рж а ния о д но ро д но го

14

эле ктриче ско го

по ля, со з д а в а е м о го

на пряж е ние м , прило ж е нным

к

эле ктро д а м на ко нца х труб ки.

Р ис. 1.8 С хе м а тиче ское из обра ж е ние ЭОП с эле ктроста тиче ской систе м ой ф окусиров ки

Эле ктро ны, в хо д ящ ие в ка на л о т ка то д а , уд а ряю тся о сте нку трубки и в ыбив а ю т в то ричные эле ктро ны. По д в лияем уско ряю щ е го по ляв нутри ка на ла эле ктро ны пе ре м е щ а ю тсяв д о ль трубки, о писыв а я па ра бо личе ские тра е кто рии. У д а ряясь о про тив о по ло ж ную сте нку с бо ле е

в ысо ким

по те нциа ло м ,

эле ктро ны

в ыбив а ю т

в то ричные

эле ктро ны, приче м это т про це сс по в то ряетсям но го кра тно . К а на льный

эле ктро нный

ум но ж ите ль ид е а льно по д хо д ит д ля

м иниа тю риз а ции. М нож е ств о та ких ка на ло в со бира ю т в па ра лле льный пучо к в ф орм е м о з а ики, о бра з уям икро ка на льную пла стину. Пе рв ичные эле ктро ны, в хо д я с о д но й сто ро ны в пла стину, со з д а ю т эле ктро нный пучо к, в ыхо д ящ ий

из д руго й

сто ро ны. К о эф ф ицие нт усиле ния в

з на чите льно й сте пе ни з а в исит о т о тно ш е ния д лины l к д иа м е тру d ка на ла , а та кж е о т прило ж е нно го на пряж е ния. И з м е не ние о тно ш е нияl/d на

1%

в ыз ыв а е т из м е не ние

ко эф ф ицие нта

усиле ния ка на льно го

эле ктро нно го ум но ж ите ляна 10 %. В схе м е ЭОП с ка на льным и ум но ж ите лям и, по ка з а нно й на рис. 1.10, из о бра ж е ние

о бъе кта

сте кло в о ло ко нной

пла стины

про е цируе тся на и

пло скую

пе ре д а е тся на

по в е рхно сть

ф отока тод

ЭОП.

Эле ктро нно е из о бра ж е ние на ф о то ка то д е с по м о щ ью эле ктронной о птики ф о кусируе тсяна в хо д е м икро ка на льно го ум но ж ите ля, по в ыш а ю щ е го в 104 ра з инте нсив но сть из обра ж е ния. С в ыхо д а ум но ж ите ляэле ктро нно е

15

из о бра ж е ние пе ре но ситсяна лю м ине сце нтный экра н.

Р ис. 1.9. Принцип д е й ств ияЭОП с ка на льным ум но ж ите ле м (а ) и схе м а ра бо ты ка на льно го ум но ж ите ля(б). 1- па д а ю щ е е из луче ние ; 2 - ф отока тод ; 3 - блок, ка на льных эле ктронных ум нож ите ле й ; 4 - лю м ине сце нтный экра н; 5 - пе рв ичный эле ктрон; 6, 9 - эле ктрод ы; 7 в торичные эле ктроны; 8 - сте клянна ятрубка .

Р ис1.10. С хе м а ЭОП с ка на льным и ум нож ите лям и: 1- объе кт на блю д е ний ; 2 - объе ктив ; 3- оптиче ское изобра ж е ние ; 4 - ф отока тод на плоско-в огнутой сте клов олоконной пла стине ; 5 - ф окусирую щ ий и з а пира ю щ ий эле ктрод ы; 5 -в ыход ное из обра ж е ние ; 7 – а нод кониче ской ф орм ы; 8 - эле ктрод , сж им а ю щ ий из обра ж е ние и устра няю щ ий д исторсию ; 9 м икрока на льный ум нож ите ль; 10 - лю м ине сце нтный экра нна плоской сте клов олоко нно й пла стине ; 11- окуляр.

Ф о кусиро в ка д о стига е тсяпри на пряж е нии на эле ктро д е + 430 В , з а пира ние на пряж е ние

при - 330 В ; по те нциа л а но д а к

эле ктро д у,

8 кВ . Прикла д ыв а я

ра з м е щ е нно м у м е ж д у

м икро ка на льным

ум но ж ите ле м и ко ниче ским а но д о м , м о ж но сж им а ть из о б ра ж е ние и устра нять е го д исто рсию . М икро ка на льный эле ктро нный ум нож ите ль в ыполне н в в ид е ш а й бы д иа м е тро м 30 м м и то лщ иной 2 м м , со ста в ле нно й из па ра лле льных

16

ка на льных ум но ж ите ле й

д иа м е тро м

прикла д ыв а е тся на пряж е ние

55 м км . К

2 - 3 кВ . Ш а й ба

торца м

ка на ло в

ра спо ло ж е на

на

ра ссто янии 1,5 м м о т лю м ине сце нтного экра на ; ра з ность по те нциа лов м е ж д у ним и 5 кВ . К олба

ЭОП с м икро ка на льным ум но ж ите ле м

пре д ста в ляет собой цилинд р д иа м е тром 50 м м при д иа м е тре ф ото ка тод а 25 м м . 1.4.2. П а ра метры и х а ра ктеристики Э О П Осно в ные инте гра льна я

па ра м е тры и

ЭОП:

спе ктра льна я

испо льз о в а ния из луче ния,

ра з ре ш а ю щ а я

чув ств ите льно сти,

кв а нто в ый

в ыхо д ,

спо со бно сть, ко эф ф ицие нт

по ро го в ый

по то к

из луче ния, ко эф ф ицие нт усиле ния по то ку, эне рге тиче ский

в ыход ,

св е то в а яо тд а ча , ко эф ф ицие нт пре обра з о в а нияи ко эф ф ицие нт усиле ния ярко сти. Р а з ре ш а ю щ а яспо со бно сть - число па р линий на 1 м м из о бра ж е ния че рно -бе ло й ста нд а ртно й м иры на экра не в че тыре х на пра в ле ниях при м а ксим а льно й д ля на б лю д е ния ярко сти экра на и о кулярно й о птике (5...20)-кра тно го ув е личе ния. Р а з ре ш а ю щ а яспо со бно сть N, линий /м м , св яза на с д иа м е тро м d0 круж ка

ра ссе яния со отно ш е ние м

оптиче ско е

ув е личе ние ,

из о б ра ж е ния на

экра не

ра в но е

N=Гэ/d0, гд е о тно ш е нию

Гэ - эле ктроннолине й но го

ра з м е ра

к лине й но м у ра з м е ру из о бра ж е ния на

ф о то ка то д е . И нте гра льна я чув ств ите льно сть Ф Е , А /лм - о тно ш е ние з на че ния ф о то то ка Iф к з на че нию па д а ю щ е го св е то в о го по то ка о т исто чника типа А (ла м па на ка лив а ния, нить ко то ро й им е е т цв е то в ую те м пе ра туру 2854 К ): Ф Е = Iф /Ф . С пе ктра льна я чув ств ите льно сть ϕλ, з на че ния ф о то то ка

к з на че нию

А /(лм · м км ) - о тно ш е ние

па д а ю щ е го

св е то в о го

исто чника м о но хро м а тиче ско го из луче нияс д лино й в о лны λ: ϕλ = Iф /Ф λ.

по то ка

от

17

К в а нто в ый

в ыхо д

ф о то ка то д а

эле ктро но в

ф о то ка то д

по то ка

Y - о тно ш е ние

числа

эм иттируе м ых с

к о бщ е м у числу кв а нто в

из луче ние .

М но го щ е ло чно й

па д а ю щ е го ф о то ка то д

на при

м а ксим ум е чув ств ите льно сти им е е т кв а нто в ый в ыхо д Y = 0,2. По ро го в ый по то к Ф е по р , В т, - м иним а льный по то к из луче ния, при ко то ро м

ре гистрируе тся из о бра ж е ние

экра не .

Зна че ние

Ф е по р

ино гд а

на б лю д а е м о го

прив о д ят к

о бъе кта

е д инице

на

пло щ а д и

ф о то ка то д а . К оэф ф ицие нт усиле ния по эле ктронного

то ка

ф о то ка то д а

току к

ki

-

о тнош е ние

з на че нию

з на че ния

эле ктро нно го

то ка ,

в о з б уж д а ю щ е го экра н. Эне рге тиче ский

в ыхо д

γ -

о тно ш е ние

эне ргии

из луче ния

лю м ино ф о ра к эне ргии, прино сим о й на экра н эле ктро нным лучо м (γ = 0,1...0,5). С в е то в а я о тд а ча ξ - о тно ш е ние св е то в о го по то ка , из луча е м о го экра но м , к м о щ но сти па д а ю щ е го на экра н эле ктро нно го пучка , лм /В т. К оэф ф ицие нт пре обра з о в а ния η - отно ш е ние з на че ния св е тов ого пото ка , из луча е м о го экра но м , к з на че нию св е то в о го по то ка , па д а ю щ е го на ф о то ка то д о т источника типа А . Д ля ЭОП с эле ктро ста тиче ско й ф о кусиро в ко й η = 40...75. К о эф ф ицие нт усиле нияярко сти ηL - о тно ш е ние з на че нияярко сти экра на к со о тв е тств ую щ е м у з на че нию о св е щ е нно сти ф о то ка то д а . М а ксим а льно е те о ре тиче ско е з на че ние ко эф ф ицие нта усиле ния ярко сти д ляЭОП - 105. В

о сно в но м

спе ктра льно го

ЭОПы

прим е няю тся

при

не о бхо д им о сти

пре о бра з о в а ния и усиле ния сигна ло в

в

в ид им о м ,

ультра ф ио ле то в о м и ближ не м инф ра кра сно м д иа па з о на х спе ктра д ля а стро но м ии, экспе рим е нта льно й ф из ики, ре нтге но гра ф ии, био ло гии. 2.

Ф О Т О П РИ Е М Н И К И

НА

О СН О ВЕ

В Н У Т РЕ Н Н Е Г О

Ф О ТО Э Ф Ф Е КТА 2.1 Ф из ические основ ы в нутреннегоф отоэф ф екта Р а бота

ра з личных полупров од ников ых прие м нико в

из луче ния

18

(ф оторе з исторы, ф отод ио д ы, ф о тотра нз исторы, ф о тотиристоры) основ а на на использ о в а нии в нутре нне го ф ото эф ф е кта , ко торый состоит в то м , что под д е й ств ие м из луче нияв полупро в о д ника х происход ит ге не ра цияпа р носите ле й з а ряд а - эле ктро нов и д ырок. Эти д ополните льные носите ли ув е личив а ю т

эле ктриче скую

пров од им о сть.

Та ка я

д оба в очна я

про в од им ость, обусло в ле нна я д е й ств ие м ф о тоно в , получила на з в а ние ф ото пров од им ости. У м е та лло в явле ние ф о топро в од им ости пра ктиче ски отсутств уе т, та к ка к у них ко нце нтра ция эле ктронов про в о д им о сти огром на (прим е рно 1022 см -3) и не м ож е т з а м е тно ув е личиться под д е й ств ие м из луче ния. В

не ко торых прибора х з а сче т ф отоге не ра ции

эле ктронов и д ырок в оз ника е т ЭД С , ко торую принято на з ыв а ть ф ото -ЭД С , и тогд а эти приборы ра бота ю т ка к исто чники тока . 2.2. Ф оторез исторы Ф оторе з исторы пре д ста в ляет собой полупров о д нико в ый ре з истор, со против ле ние ко торого из м е няетсяпод д е й ств ие м из луче ния. Принцип устро й ств а ф ото ре з истора поясняетсяна рис. 2.1а. На д иэле ктриче скую пла стину 1 на не се н то нкий слой полупров од ника 2 с конта кта м и 3 по кра ям . С хе м а

в клю че ния ф оторе з истора

прив е д е на

на

рис. 2.1б.

Полярность источника пита нияне игра е т роли.

Р ис 2.1. Принцип устрой ств а и схе м а в клю че нияф оторе з истора .

Е сли облуче ния не т, то ф оторе з истор им е е т не ко торое больш о е со против ле ние

Rт, на з ыв а е м ое

те м нов ым . Оно является од ним из

па ра м е тров ф оторе з истора и соста в ляет 104 - 107 Ом . С о отв е тств ую щ ий ток че ре з ф о торе з истор на з ыв а ю т те м нов ым током . При д е й ств ии из луче нияс д оста то чной эне ргие й ф ото нов в ф о торе з исторе происход ит

19

ге не ра цияпа р под в иж ных носите ле й з а ряд а (эле ктронов и д ыро к) и е го со против ле ние ум е ньш а е тся. Д ля ф о торе з исто ро в

прим е няю т

ра з личные

полупро в о д ники,

им е ю щ ие нуж ные св о й ств а . Та к, на прим е р, се рнистый св ине ц на иболе е чув ств ите ле н к инф ра кра сным , а се рнистый ка д м ий - к в ид им ым луча м . Ф оторе з исторы ха ра кте риз ую тся уд е льной инте гра льной

чув ств ите льностью , т. е .

чув ств ите льностью , отне се нной

к 1 В

прилож е нного

на пряж е ния: Sуд = I/(Ф ·U), гд е Ф - св е то в ой пото к. Зд е сь инте гра льна я чув ств ите льность - отно ш е ние

ф ото тока к

в ыз в а в ш е м у е го пото ку бе ло го (не м онохро м а тиче ско го) св е та . Обычно уд е льна ячув ств ите льно сть соста в ляет не сколько соте н или тысяч м икро а м пе р на в о льт-лю м е н. Ф оторе з исторы им е ю т лине й ную в ольт-а м пе рную и не лине й ную эне рге тиче скую ха ра кте ристику (рис. 2.2.)

Р ис. 2.2. В ольт-а м пе рна яи эне рге тиче ска яха ра кте ристика ф оторе з истора .

К па ра м е тра м ф о торе з исторов кро м е те м нов о го сопро тив ле ния и уд е льной д опустим ое

чув ств ите льности ра бо че е

сле д уе т

на пряж е ние

со против ле ния (м ож е т быть д о

еще

отне сти

м а ксим а льно е

(д о 600 В ), кра тность из м е не ния 500), те м пе ра турный

коэф ф ицие нт

ф ото тока ТК Ф = Δ I/(I·Δ Т). Зна чите льна яз а в исим ость со против ле нияо т те м пе ра туры, ха ра кте рна я д ля полупров од нико в , является не д оста тком ф ото ре з исторов . С ущ е ств е нным не д оста тком на д о счита ть та кж е

их

больш ую ине рцио нно сть, объясняю щ ую ся д о в ольно больш им в ре м е не м ре ком бина ции эле ктро но в

и д ыро к после

пре кра щ е ния облуче ния.

20

Пра ктиче ски ф ото ре з исторы прим е няю тся лиш ь на ча стота х не в ыш е не скольких со те н ге рц или е д иниц килоге рц. С обств е нные

ш ум ы

ф ото ре з исторов з на чите льны. Те м не м е не е , ф о торе з исторы ш иро ко прим е няю тсяв ра з личных схе м а х а в том а тики. 2.3. Ф отодиоды Ф отод иод ы пре д ста в ляю т собо й

полупро в од ников ые

д иод ы, в

ко торых использ уе тсяв нутре нний ф о тоэф ф е кт. С в е тов ой поток упра в ляет обра тным током ф отод иод ов . Под в оз д е й ств ие м св е та на эле ктроннод ырочный пе ре хо д и приле га ю щ ие к не м у обла сти происхо д ит ге не ра ция па р носите ле й з а ряд а , пров од им ость д иод а в о з ра ста е т и обра тный ток ув е личив а е тся. Та кой ре ж им ра бо ты на з ыв а е тсяф отод иод ным (рис. 2.3).

Р ис. 2.3. С хе м а в клю че нияи в ольт-а м пе рные ха ра кте ристики д ляф отод иод ного ре ж им а .

В ольт-а м пе рные

ха ра кте ристики I = f(U) при Ф = const д ля

ф ото д иод ного ре ж им а (рис. 2.3) на пом ина ю т в ыход ные ха ра кте ристики биполярного тра нз истора , в клю че нно го по схе м е с общ е й ба з о й . Е сли св е то в ого пото ка не т, то че ре з ф о тод иод проте ка е т о бычный на ча льный

о бра тный

ток I0, ко торый

на з ыв а ю т те м но в ым . А

под

д е й ств ие м св е тов ого пото ка то к в д ио д е в оз ра ста е т и ха ра кте ристика ра спола га е тся в ыш е . Че м больш е

св е тов ой поток, че м больш е

то к.

Пов ыш е ние обра тно го на пряж е нияна д иод е не з на чите льно ув е личив а е т ток. Но при не котором на пряж е нии в оз ника е т эле ктриче ский пробо й (ш трихо в ые уча стки ха ра кте ристик). Эне рге тиче ские ха ра кте ристики ф отод иод а l = f(Ф ) при U = const лине й ны и м а ло з а в исят от на пряж е ния(рис. 2.4).

21

Р ис. 2.4. Эне рге тиче ские ха ра кте ристики ф отод иод ного ре ж им а .

И нте гра льна я чув ств ите льно сть ф ото д иод а

о бычно

соста в ляет

д е сятки м иллиа м пе р на лю м е н. Она з а в исит о т д лины в о лны св е тов ых луче й и им е е т м а ксим ум при не ко торой д лине в олны, ра з личной д ля ра з ных по лупро в од ников . И не рционность ф о тод иод ов не в е лика . Они м о гут ра бо та ть на ча сто та х д о не скольких соте н м е га ге рц. А у ф о тод иод ов со структуро й р-i-n гра ничные ча стоты пов ыш а ю тсяд о д е сятко в гига ге рц. Р а боче е на пряж е ние у ф о тод иод ов обычно 10 - 30 В . Те м но в ой ток не пре в ыш а е т 20 м кА д ляге рм а ние в ых приборо в и 2 м кА - д лякре м ние в ых. То к при осв е щ е нии со ста в ляет со тни м икро а м пе р. Р а з ра бо та ны ф отод иод ы на слож ных полупро в од ника х, на иболе е чув ств ите льные к инф ра кра сно м у из луче нию .

Больш инств о

ф о тод иод ов

из готов ляется по

пла на рной

те хноло гии (рис. 2.5). И м е е тся не сколько

ра з но в ид носте й

ф ото д ио д о в . У

ла в инных

ф ото д иод ов происхо д ит ла в инное ра з м нож е ние носите ле й в n-пе ре хо д е и з а сче т этого в д е сятки ра з в оз ра ста е т чув ств ите льность. В ф отод ио д а х с ба рье ром Ш о тки им е е тсяконта кт полупро в од ника с м е та лло м . Это д иод ы с по в ыш е нным быстро д е й ств ие м . В се ф отод ио д ы м огут ра бота ть и ка к ге не ра то ры ЭД С .

Р ис. 2.5. Принцип устрой ств а пла на рного ф отод иод а .

22

2.4. П ол упров одников ы е ф отоэл ементы Полупров од ников ые ф ото эле м е нты, ина че на з ыв а е м ые в е нтильным и или ф ото га льв а ниче ским и, служ а т д ляпре обра з ов а нияэне ргии из луче ния в

эле ктриче скую

ф ото д иод ы,

эне ргию . По

ра бо та ю щ ие

бе з

сущ е ств у, они пре д та в ляю т со бой источника

в не ш не го

на пряж е ния и

со з д а ю щ ие собств е нную ЭД С под д е й ств ие м из луче ния. Ф отоны, в о з д е й ств уяна n-p-пе ре ход и приле га ю щ ие к не м у о бла сти, в ыз ыв а ю т ге не ра цию па р но сите ле й з а ряд а . В оз никш ие в n- и p-обла стях эле ктроны и д ырки д иф ф унд ирую т к пе ре ход у, и е сли они не успе ли ре ком биниро в а ть, то попа д а ю т под д е й ств ие в нутре нне го эле ктриче ского ноля, им е ю щ е госяв пе ре ход е . Это поле та кж е д е й ств уе т и на носите ли з а ряд а , в оз ника ю щ ие в са м ом пе ре хо д е . По ле ра з д е ляет эле ктроны и д ырки (рис. 2.6.). Д ляне о снов ных носите ле й , на прим е р д ляэле ктроно в , в о з никш их в пе ре бра сыв а е т

p-обла сти, поле эле ктроны

пе ре ход а является ускоряю щ им . Оно в

n-обла сть.

А на логично

пе ре бра сыв а ю тся поле м из n-обла сти в p-обла сть. А носите ле й , на прим е р д ырок в

р-о бла сти, поле

д ырки

д ля основ ных

пе ре ход а

является

торм о з ящ им , и эти но сите ли о ста ю тся в св о е й обла сти, т. е . д ырки оста ю тсяв р-обла сти. а эле ктроны - в n-о бла сти.

Р ис. 2.6. Р а з д е ле ние в оз буж д е нных св е том носите ле й под д е й ств ие м поляn-p – пе ре ход а .

В ре з ульта те та ко го проце сса в n- и p-обла стях на ка плив а ю тсяиз быточные основ ные но сите ли, т. е . соз д а ю тсясоотв е тств е нно з а ряд ы эле ктронов и д ыро к и в оз ника е т ра з но сть по те нциа лов , кото рую на з ыв а ю т ф ото-ЭД С (Е ф ). С ув е личе ние м св е то в ого по тока ф ото -ЭД С ра сте т по не лине й но м у з а кону (рис. 2.7).

23

Р ис. 2.7. С хе м а в клю че нияф отоэле м е нта и з а в исим ость ф ото-ЭД С от св е тов ого потока .

Зна че ние ЭД С м ож е т д о стига ть не скольких д е сятых д оле й в ольта . При в клю че нии полупров о д нико в ого ф ото эле м е нта на на груз ку в о з ника е т ф ото ток Iф = Eф /(Rн + Ri), гд е Ri - в нутре нне е со про тив ле ние са м ого ф о тоэле м е нта . Пе рв ые в е нтильные ф о тоэле м е нты из з а киси м е д и были ра з ра бота ны е щ е в 1926 г. В д а льне й ш е м о собе нно ш ироко прим е нялись се ле нов ые ф отоэле м е нты, сд е ла нные на о снов е се ле на р-типа . И нте гра льна ячув ств ите льность се ле нов ых ф о тоэле м е нтов д оход ила д о не скольких соте н м икроа м пе р на лю м е н. Они им е ли спе ктра льную ха ра кте ристику по чти та кую ж е , ка к у че ло в е че ско го гла з а , что было уд о бно д ляра з личных ф ото м е триче ских м е тод о в . Зна чите льный инте ре с пре д ста в ляли се рнисто та ллие в ые ф ото эле м е нты, у них чув ств ите льность д остига ла тысяч м икроа м пе р на лю м е н. Не д о ста то к в е нтильных ф о тоэле м е нто в - низ кие ча стотные св ой ств а и з на чите льна яз а в исим о сть инте гра льно й чув ств ите льности от те м пе ра туры. В а ж но е з на че ние им е ю т кре м ние в ые ф о тоэле м е нты, использ уе м ые в ка че ств е

солне чных пре обра з ов а те ле й .

Они

пре обра з ую т эне ргию

солне чных луче й в эле ктриче скую , и ЭД С их д о стига е т 0,5 В . И з та ких эле м е нтов

путе м

после д ов а те льно го

и

па ра лле льного

сое д ине ния

со з д а ю тсясолне чные ба та ре и, ко торые обла д а ю т сра в ните льно в ысоким К ПД (д о 20%) и м о гут ра з в ив а ть м ощ ность д о не скольких килов а тт. 2.5. Ф ототра нз исторы Зна чите льно в ыш е чув ств ите льно сть у

по сра в не нию с ф отод иод а м и инте гра льна я

ф о тотра нз исторов .

Биполярный

ф ото тра нз истор

24

пре д ста в ляет собой обычный тра нз истор, но в ко рпусе е го сд е ла но про з ра чно е « о кно », че ре з кото ро е св е тов о й по ток м ож е т в оз д е й ств ов а ть на обла сть ба з ы. С хе м а в клю че ния биполярного ф ото тра нз истора типа p-n-p со « св обод ной », т.е . никуд а не под клю че нной ба з ой прив е д е на на рисунке 2.8.

Р ис. 2.8. С труктура и схе м а в клю че ния, в ыход ные ха ра кте ристики ф ототра нз истора .

К а к о бычно, на эм итте рном пе ре хо д е на пряж е ние прям ое , а на ко лле кто рно м - обра тно е . Ф о тоны в ыз ыв а ю т в ба з е ге не ра цию па р носите ле й

з а ряд а

- эле ктроно в

и

д ыро к. Они д иф ф унд ирую т к

ко лле кто рно м у пе ре ход у, в кото ро м происход ит их ра з д е ле ние та к ж е , ка к и в ф о тод иод е . Д ырки по д д е й ств ие м по ляколле кторною пе ре ход а ид ут из ба з ы в колле ктор и ув е личив а ю т то к ко лле кто ра . А эле ктроны оста ю тсяв ба з е и пов ыш а ю т прям ое на пряж е ние эм итте рно го пе ре ход а , что усилив а е т инж е кцию

д ырок в

это м

пе ре хо д е . За

сче т это го д ополните льно

ув е личив а е тсято к колле ктора . В тра нз исторе типа n-p-n в се происход ит а на логично. И нте гра льна я чув ств ите льность у ф о тотра нз истора в д е сятки ра з больш е , че м у ф о тод иод а , и м ож е т д остига ть соте н м иллиа м пе р на лю м е н. Ф ото тра нз истор со « св обод ной » ба з ой им е е т низ кую те м пе ра турную ста бильность. Д ля устра не ния это го

не д оста тка

прим е няю т схе м ы

ста билиз а ции. При это м , ко не чно, д олж е н быть испо льз ов а н в ыв од ба з ы. На это т в ыв од м о ж но та кж е под а в а ть посто янное на пряж е ние см е щ е ния или эле ктриче ские сигна лы и осущ е ств лять со в м е стно е д е й ств ие св е та и этих сигна ло в .

25

В ыход ные ха ра кте ристики ф о тотра нз истора пока з а ны на рис. 2.8. Они а на логичны в ыход ным ха ра кте ристика м д ляв клю че ниятра нз истора по схе м е с общ им эм итте ро м , но ра з личные крив ые соо тв е тств ую т ра з личным з на че ниям св е тов ого по тока , а не то ка ба з ы. Х а ра кте ристики пока з ыв а ю т, что при пов ыш е нном на пряж е нии в оз ника е т эле ктриче ский пробой (ш трихов ые уча стки). Па ра м е тры ф ототра нз исторо в

- инте гра льна я чув ств ите льно сть,

ра бо че е на пряж е ние (10— 15 В ), те м нов ой ток (д о соте н м икро а м пе р), ра бо чий

то к (д о

д е сятков

м иллиа м пе р), м а ксим а льна я д о пустим а я

ра ссе ив а е м а я м ощ но сть (д о д е сятков м иллив а тт), гра нична я ча сто та . Ф ото тра нз исторы, из го тов ле нные спла в ным м е тод о м , им е ю т гра ничные ча стоты д о не скольких кило ге рц, а из гото в ле нные д иф ф уз ио нным м е тод ом (пла на рные ) м огут ра бота ть на Не д оста ток

ф о тотра нз исто ро в

ча сто та х д о не скольких м е га ге рц. -

сра в ните льно

в ысокий

уров е нь

собств е нных ш ум о в . Пом им о ра ссм о тре нного биполярного ф о тотра нз истора прим е няется и соста в ной ф о тотра нз истор, кото рый пре д ста в ляет собо й ф ото тра нз истор, со е д ине нный с обычным тра нз исторо м . С оста в ной тра нз истор им е е т ко эф ф ицие нт усиле ния то ка β, ра в ный про из в е д е нию ко эф ф ицие нтов усиле ния д в ух

тра нз исторов

β1β2.

В

ре з ульта те ,

инте гра льна я

чув ств ите льно сть у со ста в ного ф ото тра нз истора в д е сятки ра з больш е , че м у обычного , и в тысячи ра з больш е , че м у ф ото д иод о в . В ысо ка я чув ств ите льно сть и хорош е е быстрод е й ств ие д остига ю тсяпри со че та нии ф ото д иод а с в ысокоча стотным тра нз исто ро м . К ро м е

биполярных ф ото тра нз исторов

в

ка че ств е

прие м ников

из луче нияиспольз ую тсяи поле в ые ф ото тра нз исторы (рис. 2.9).

26

Р ис. 2.9. Поле в ой ф ототра нз истор.

На рис. рис. 2.9. пока з а н поле в о й ф о тотра нз исто р с ка на лом n-типа . При облуче нии n-ка на ла в не м и в приле га ю щ е й к не м у p-о бла сти (обла сти з а тв о ра ) ге не рирую тсяэле ктроны и д ырки. Пе ре ход м е ж д у n-ка на лом и pобла стью на ход итсяпод о бра тным на пряж е ние м , и поэтом у под д е й ств ие м поля это го

пе ре ход а

происхо д ит ра з д е ле ние

носите ле й

з а ряд а . В

ре з ульта те пов ыш а е тсяконце нтра цияэле ктро но в в n-ка на ле , ум е ньш а е тся е го сопротив ле ние и ув е личив а е тсяконце нтра цияд ырок в p-обла сти. Ток ка на ла (то к стока ) в о з ра ста е т. К ром е того, в оз ника е т ф ото ток в це пи з а тв о ра . Этот ток соз д а е т па д е ние на пряж е нияна ре з исторе Rз , з а сче т че го ум е ньш а е тся о бра тное на пряж е ние на упра в ляю щ е м пе ре ход е ка на л з а тв о р. Это, в св о ю оче ре д ь, прив од ит к ув е личе нию толщ ины ка на ла , а сле д о в а те льно, к д о полните льном у ум е ньш е нию е го сопро тив ле ния и в о з ра ста нию тока сто ка . Та ким обра з ом , о сущ е ств ляетсяупра в ле ние током сто ка с по м о щ ью св е та . Пре д ста в ляю т инте ре с М Д П-ф о тотра нз исторы с инд уциро в а нным (инв е рсным ) ка на лом . Они им е ю т полупро з ра чный з а тв о р, че ре з который осв е щ а е тся обла сть полупров о д ника под з а тв ором . В

это й

о бла сти

про исход ит ф о тоге не ра ция носите ле й з а ряд а . За сче т этого из м е няется з на че ние поро гов ого на пряж е ния, при ко тором в оз ника е т инд уциров а нный ка на л, а та кж е

крутиз на , являю щ а яся о сно в ным па ра м е тром та кого

тра нз исто ра . На з а тв о р ино гд а под а ю т по стоянно е уста но в ле нияна ча льно го ре ж им а .

на пряж е ние

д ля

27

2.6. Ф ототиристоры С труктура ,

схе м а

в клю че ния, в о льт-а м пе рные

ха ра кте ристики

ф ото тиристора пока з а ны на рис. 2.10. Тиристорные че тыре хслой ные структуры p-n-p-n (рис. 2.10) м о гут упра в ляться св е тов ым пото ко м , под обно том у, ка к трио д ные тиристоры

упра в ляю тся на пряж е ние м ,

под а в а е м ым на од ин из эм итте рных пе ре ход о в . При д е й ств ии св е та на обла сть ба з ы p1 в это й обла сти ге не рирую тсяэле ктроны и д ырки, ко торые д иф ф унд ирую т к n-p-пе ре ход а м .

Р ис. 2.10. С труктура , схе м а в клю че ния, в ольт-а м пе рные ха ра кте ристики ф ототиристора .

Эле ктро ны, попа д а я в обла сть пе ре ход а П2, на ход ящ е го ся под обра тным на пряж е ние м , ум е ньш а ю т е го сопро тив ле ние . За сче т этого про исход ит пе ре ра спре д е ле ние на пряж е ния, прилож е нного к тиристору: на пряж е ние на пе ре ход е П2 не сколько ум е ньш а е тся, а на пряж е ния на пе ре ход а х П1 и П3, не сколько ув е личив а ю тся. Но то гд а усилив а е тся инж е кцияв пе ре ход а х П1 и П3, к пе ре ход у П2 приход ят инж е ктиров а нные носите ли, е го сопротив ле ние снов а ум е ньш а е тся и происход ит д ополните льно е

пе ре ра спре д е ле ние

на пряж е ния, е щ е

больш е

усилив а е тся

инж е кция в пе ре ход а х П1 и П3, ток ла в ино обра з но на ра ста е т (см . ш трихо в ые линии на рис. 2.10), т.е . тиристор отпира е тся. Че м больш е св е то в о й пото к, д е й ств ую щ ий на тиристор, те м при м е ньш е м на пряж е нии в клю ча е тся тиристор. Это на гляд но пока з ыв а ю т в о льт-а м пе рные ха ра кте ристики ф о тотиристо ра , прив е д е нные на рис. 2.10. После в клю че нияна тиристоре уста на в лив а е тся, ка к обычно, не больш о е на пряж е ние и почти в се на пряж е ние источника Е па д а е т на на груз ке .

28

И ногд а у ф ототиристора быв а е т сд е ла н в ыв од о т о д но й из ба з ов ых обла сте й (р1 или n2). Е сли че ре з этот в ыв од под а в а ть на со отв е тств ую щ ий эм итте рный пе ре ход прям ое на пряж е ние , то м ож но по ниж а ть на пряж е ние в клю че ния. С а м о

в клю че ние

по-пре ж не м у

буд е т

о сущ е ств ляться

д е й ств ие м св е то в о го пото ка . Ф ото тиристоры устро й ств а х

в

з на чите льных

прим е няю тся в

ка че ств е

ра з личных

а в то м а тиче ских

клю че й

д ля в клю че ния

бе сконта ктных

на пряж е ний

и

м ощ носте й .

В а ж ные

д о стоинств а

ф ото тиристоров - м а лое потре бле ние м о щ ности в о в клю че нно м со стоянии, м а лые

га ба риты, о тсутств ие

искре ния, м а лое

(м иллисе кунд ы) в ре м я

в клю че ния. 3. Т Е П Л О В Ы Е П РИ Е М Н И К И И ЗЛ У ЧЕ Н И Я Те плов ые прие м ники ре а гирую т на количе ств о эне ргии, потра че нно е на на гре в а ние прие м ного эле м е нта . Те пло в а я эне ргия пре обра з уе тся в эле ктриче скую

с

пом о щ ью

ка кого-либо

ф из иче ского

явле ния

(те рм о эле ктриче ского эф ф е кта , из м е не нияом иче ско го сопротив ле нияпри на гре в а нии

и

ра спростра не ние

д р.).

С ре д и

получили

те плов ых

болом е тры,

прие м нико в те рм оэле м е нты

на ибольш е е и

о птико-

а кустиче ские прие м ники (прие м ники Голе я). 3.1. Б ол ометры Д е й ств ие болом е тро в о снов а но на из м е не нии эле ктриче ского сопротив ле ниям а те риа ла при на гре в е , происход ящ е м в сле д ств ие погло щ е ния оптиче ско го из луче ния. Болом е тр в клю ча ю т в эле ктриче скую це пь, обе спе чив а ю щ ую прохож д е ние по не м у то ка . И з м е не ние па д е нияна пряж е ния на боло м е тре при осв е щ е нии обычно м а ло – 10-7÷10-9 В , поэто м у д ляре гистра ции сигна ла использ ую т чув ств ите льные схе м ы. Типичной является м о сто в а ясхе м а , в од но из пле ч ко торой в клю че н ра бо чий эле м е нт болом е тра . В о в тором пле че на ход итсяз а щ ищ е нный от па д а ю щ е го из луче ния ко м пе нса ционный эле м е нт, од ина ко в ый с ра бо чим . Д ляпо лной ид е нтичности ра бочий и ком пе нса цио нный эле м е нты ра з м е щ е ны в не по сре д ств е н-

29

ной близ о сти од инот д руго го на од ной под лож ке . Р а бочий эле м е нт болом е тра д олж е н уд ов ле тв орять д в ум тре бов а ниям – на илучш им обра з ом поглощ а ть па д а ю щ е е на не го из луче ние и м а ксим а льно из м е нять св ое эле ктриче ское сопротив ле ние при на гре в е . К а к пра в ило, эти тре бо в а нияне м огут быть в ыполне ны в о д ном эле м е нте . На прим е р, погло щ а те льной спо собностью , близ кой к е д инице , обла д а ю т рыхлые слои типа са ж и. Од на ко они им е ю т пло хую про в од им о сть и не од норо д ности, ко торые прив од ят к бо льш им ф луктуа циям то ка . Поэтом у ф ункции прие м ного и чув ств ите льного эле м е нтов обычно ра з д е ле ны. По гло щ а ю щ ий сло й , из гота в лив а е м ый ча щ е в се го из з олото й че рни, отд е ле н о т токопро в од ящ е го чув ств ите льно эле м е нта тонкой из олирую щ е й пле нкой . На гре в поглощ а ю щ е го слояпе ре д а е тсяче ре з эту пле нку чув ств ите льно м у слою , из го то в ле нном у из м а те риа ла с бо льш им те м пе ра турным коэф ф ицие нтом сопро тив ле ния. Болом е тры быв а ю т тре х типов : м е та лличе ские , полупро в од нико в ые и св е рхпро в од ящ ие . Чув ств ите льным эле м е нтом м е та лличе ско го болом е тра (рис. 3.1a) служ ит м е та лличе ский токопров од ящ ий слой , на пыле нный м е ж д у эле ктриче ским и ко нта кта м и на о д ной из сторон оче нь тонкой ра з д е лите льной д иэле ктриче ской пле нки (0,02-0,03 м км ).

Р ис. 3.1. У строй ств о м е та лличе ского (а) и полупров од ников ого болом е тра (б).

На д ругую сторону на пыляетсяпоглощ а ю щ ий слой з олото й че рни. Д ляхорош е го по гло щ е ниятолщ ина слояче рни д олж на быть м е ньш е те х м а ксим а льных д линв о лн, на которые ра ссчита нболо м е тр, од на ко не оче нь в е лика , та к ка к с толщ иной ув е личив а е тсяте пло е м кость сло яи в о з ра ста е т

30

ине рционность. Обычно толщ ина слояче рни соста в ляет 30 - 40 м км . Прие м на я площ а д ка им е е т ф орм у прям оугольника с ра з м е ра м и, не сколько пре в ыш а ю щ им и ра з м е ры из обра ж е нияспе ктра льных линий . Ш ирина прие м но й площ а д ки соста в ляет о бычно 0,3 - 0,3 м м д ляобла сти спе ктра 0,3 40 м км и 1 - 2 м м –д ля50 - 1000 м км . Эле ктриче ско е сопротив ле ние м е та лличе ской полоски бо ло м е тра , на прим е р, из го тов ле нной из в исм ута , не в е лико и соста в ляет 200 - 300 Ом . В о в ре м яра боты че ре з не е проте ка е т ток 2 - 5 м А , на гре в а ю щ ий е е д о те м пе ра туры, на 40 - 50° пре в ыш а ю щ е й те м пе ра туру о круж а ю щ е й сре д ы. Болом е тр им е е т лине й ную ха ра кте ристику д лям ощ но сти па д а ю щ е го из луче ния, лиш ь прим е рно на 10 проце нтов пре в ыш а ю щ е й м о щ ность, в ыд е ляю щ ую сяв бо ло м е тре . С ум м а рный на гре в не д олж е н пре в ыш а ть 400 К . Оптим а льной являетсяте м пе ра тура 330 - 350 К . Боло м е тр обычно по м е щ е н в ко лбу с по ниж е нным д а в ле ние м в о з д уха (10-2 м м рт. ст.). Че м м е ньш е поте ри те пла з а сче т те плопров од но сти и из луче ния, те м в ыш е чув ств ите льность. Од на ко по те рям и те пла опре д е ляется и ине рционность прие м ника – че м м е ньш е поте ри, те м больш е ине рционность. Те плоотв од осущ е ств ляетсяв основ но м о круж а ю щ им га з ом , по этом у при з а д а нной конструкции боло м е тра е го чув ств ите льно сть и посто янна яв ре м е ни з а в исят о т д а в ле нияга з а в колбе (см . та блицу). Т ипичны е па ра метры тепл ов ы х приемников из л учения Тип

Болом е тр

А пр, м м 2 τ, м с

м е та лличе ский 0,3×3,3

20

S,

Р пор,

Д*,

pра б ,

-½ ½ В /В т В т·Гц Гц ·см /В т м м рт.ст.

25 6,4·10-11 1,5·109

10-2

170 1,2·10-9

1,1·108

760

18 4,4·10-11 2,4·109

10-5

д ля0,2-38 м км Болом е тр

полупров о д ни- 0,85×2,0 2,2

ко в ый с кв а рце в ой под лож ко й Те рм о эле м е нт

0,3×3

40

31

Оптико-а кустиче ский при-

7

20

6·105 1,5·10-9

2·109

е м ник А пр – пло щ а д ь прие м ника ; τ– постоянна яв ре м е ни прие м ника ; S – инте гра льна ячув ств ите льность прие м ника ; Р пор – м ощ ность оптиче ского из луче нияна в ход е прие м ника ; Д* - о бна руж ите льна яспособность прие м ника ; pра б –д а в ле ние в о з д уха в ко лбе прие м ника . С пе ктра льна ячув ств ите льность болом е тро в ра в ном е рна в ш ирокой обла сти спе ктра , з а исклю че ние м уча стко в поглощ е ния в ход ного о кна . Та к, бо ло м е тр с о кно м из KBr, з а щ ищ е нным о т в ла ги тонким слое м (1 м км ) ф тористо го м а гния, ра бо та е т в обла сти спе ктра от 0,2 д о 38 м км . Болом е тр с кв а рце в ым о кном пре д на з на че н д ля д линнов олно в о й обла сти спе ктра от 50 д о 1000 м км . Од на ко в обла сти д лин в олн бо ле е 200 м км е го чув ств ите льно сть не сколько ум е ньш а е тся. Причино й являетсяухуд ш е ние поглощ а те льных св о й ств з олотой че рни – д ляд линных в олн слой з олотой че рни уж е не являетсярыхлым . Полупров од ников ые болом е тры, или те рм исторы (рис. 3.1б), им е ю т чув ств ите льный эле м е нт з на чите льной то лщ ины (10 - 20 м км ), в ыполне нный из полупров од ника . Д ляулучш е нияте плоотв од а эле м е нт на кле ив а ю т на м а ссив ную д иэле ктриче скую по д лож ку с хо рош е й те плопро в од ностью . В ка че ств е под лож ки ча сто использ ую т криста лличе ский кв а рц, те плопров о д ность ко торого при сре з е в на пра в ле нии оптиче ской о си в се го на поряд ок м е ньш е , че м те плопров од но сть м е та лла . Чув ств ите льно сть полупров о д нико в ых болом е тров прим е рно на поряд о к пре в осход ит чув ств ите льность м е та лличе ских. В о тличие от м е та лло в полупро в од ники о бла д а ю т о трица те льным те м пе ра турным коэф ф ицие нтом со против ле ния. По этом у при из лиш не м на гре в е со против ле ние эле м е нта з на чите льно па д а е т, и ток ла в инообра з но на ра ста е т в пло ть д о ра з руш е нияэле м е нта . Оптим а льна яте м пе ра тура ра боты соста в ляет о ко ло 300 К . И не рционные св ой ств а полупров од нико в о го болом е тра опре д е ляю т-

32

сяе го м а ссой и м а ссо й под лож ки. Та к ка к м а сса под лож ки о че нь в е лика , те пло в о й ба ла нс уста нов илсябы лиш ь при про гре в е в се й под лож ки, т.е . спустяз на чите льное в ре м япо сле в клю че нияосв е щ е ния. По этой причине полупро в од нико в ые боло м е тры использ ую тсято лько д ляиз м е ре ниям од улиров а нно го из луче ния, когд а под ло ж ка не на гре в а е тсяна больш ую глубину. В этом случа е чув ств ите льно сть м е ньш е чув ств ите льности д ляпосто янно го сигна ла и з а в исит о т ча стоты м од уляции. В та блице прив е д е ны типичные па ра м е тры полупро в од ников ого болом е тра с кв а рце в ой под лож ко й д ляча сто ты м од уляции 10 Гц. С в е рхпро в од ящ ие чув ств ите льно стью . В

болом е тры

обла д а ю т

оче нь

в ысоко й

обла сти пе ре ход а в св е рхпров о д ящ е е состо яние

те м пе ра турный ко эф ф ицие нт сопро тив ле ниям а те риа лов м о ж е т д о стига ть со те н и тысяч про це нтов на гра д ус. Обла сть пе ре ход а м а те риа ло в в св е рхпров од ящ е е

состо яние

на хо д ится в

больш инств е

случа е в

при

те м пе ра тура х, близ ких к те м пе ра туре ж ид кого ге лия. Прим е ро м м а те риа ла с бо ле е в ысо кой те м пе ра турно й то чкой пе ре ход а к св е рхпро в о д им о сти являетсянитрид ниобия(~ 15 К ). При по ниж е нии те м пе ра туры ум е ньш а ю тсяте плое м кость болом е тра и ш ум ы. С о св е рхпров од ящ им и болом е тра м и м ож но по лучить оче нь м а лую посто янную в ре м е ни – д о 0,5 м с. На илучш е й о бна руж ите льной способностью обла д а ю т са м ые низ ко те м пе ра турные болом е тры. Та к, уго льный боло м е тр, ра бота ю щ ий при те м пе ра туре кипящ е го при отка чке ге лия (2 К ), им е е т Д*=4·1010 Гц½ ·см /В т при чув ств ите льно сти S (10 Гц)=14 000 В /В т. Ге рм а ние в ый

болом е тр с прим е сью

га ллия им е е т Д*=8·1011

Гц½ ·см /В т и чув ств ите льно сть S (200 Гц)=4 500 В /В т. 3.2. Т ермоэл ементы Д е й ств ие те рм оэле м е нтов о снов а но на в о з никно в е нии те рм о-э.д .с. при на гре в а нии спа яд в ух м е та ллов (те рм опа ры). Те рм оэле м е нт со стоит из од ной или не скольких те рм о па р, в клю че нных после д ов а те льно и обра з ую щ их те рм остолбик (рис. 3.2а). Ча сто использ ую т то рцов ую систе м у, в

33

ко торой прие м ный по гло щ а ю щ ий эле м е нт опира е тсяна д в а сте рж няиз м а те риа лов , обра з ую щ их те рм о па ру (рис. 3.2б). В не посре д ств е нной близ ости о т из м е рите льной те рм опа ры пом е щ а ю т та кую ж е ком пе нса цио нную , в клю че нную на в стре чу.

Р ис. 3.2. Принцип устрой ств а те рм оэле м е нтов

Те рм о эле м е нт на ход итсяв ба ллоне с в ысоким в а куум о м . По те ри те пла про исхо д ят только з а сче т из луче нияи те пло пров од но сти сте рж не й , поэто м у по стоянна яв ре м е ни те рм о эле м е нта обычно в е лика и соста в ляет 10÷50 м с. В ка че ств е м а те риа ло в д ляте рм о па р использ ую тся, на прим е р, па ры в исм ут-сурьм а , в исм ут-те ллур или боле е слож ные спла в ы, обе спе чив а ю щ ие м а ксим а льное з на че ние те рм о-э.д .с. при м иним а льно м эле ктриче ско м сопротив ле нии и низ кой те плопров од но сти. В нутре нне е со про тив ле ние те рм о эле м е нтов соста в ляет д е сятки Ом . Те рм о эле м е нты в се гд а ра бо та ю т при ком на тно й те м пе ра туре . Охла ж д е ние их не це ле соо бра з но, та к ка к с ум е ньш е ние м те м пе ра туры па д а е т и в е личина те рм о-э.д .с. 3.3. О птико-а кустические приемники Оптико-а кустиче ские прие м ники (ОА П), на з ыв а е м ые та кж е пне в м а тиче ским и или прие м ника м и Голе я, слож не е д ругих те пло в ых прие м ников

34

по конструкции, но о бла д а ю т ряд о м пре им ущ е ств – в ысокой чув ств ите льностью и больш ой прие м но й площ а д кой .

Р ис. 3.3. У строй ств о оптико-а кустиче ского прие м ника

У строй ств о оптико -а кустиче ско го прие м ника пока з а но на рис. 3.3. Поток из луче ния, м од улируе м ый д иском с о тв е рстиям и 15, попа д а е т че ре з в ход ное окно 1 на по гло щ а ю щ ую пле нку 2 и на гре в а е т е е . От пле нки на гре в а е тсяга з в ра боче м объе м е прие м ника . В о з ника ю т ко ле ба нияд а в ле ния га з а с ча сто той м од уляции из луче ния. К оле ба нияпе ре д а ю тсяче ре з со е д ините льный ка на л 23 гибкой м е м бра не 5. На м е м бра ну с д руго й стороны ко нд е нсо ро м 7 че ре з ра стр (ре ш е тку из про з ра чных и не проз ра чных ш трихо в ) 6 прое цируе тсяиз обра ж е ние нити источника св е та 8. Р а стр по м е щ е нв ф ока льной плоскости объе ктив а 12 та ким обра з о м , что при отсутств ии сигна ла пучки св е та , прош е д ш ие че ре з проз ра чные уча стки од ной е го поло в ины (на рисунке в е рхне й ), з а д е рж ив а ю тсяне проз ра чным и ш триха м и д руго й . При про гибе м е м бра ны происход ит ра сф окусиров ка оптиче ской систе м ы. Ча сть св е та проход ит м им о ш трихов ра стра , и по сле отра ж е ния от з е рка ла 9 попа д а е т на ф о тоэле м е нт 11. В о з ника ю щ ий эле ктриче ский сигна л усилив а е тсяи д а ле е ре гистрируе тся. В ОА П пре д усм отре но пре д о хра не ние м е м бра ны от д е й ств иям е д ле нных из м е не ний те м пе ра туры и д а в ле нияв не ш не й сре д ы. Д ляэтой це ли им е е тсяком пе нсирую щ ий ка на л 4, сое д иняю щ ий в нутре нню ю ча сть прие м ника 14 с з а м е м бра нным о бъе м ом 3, с по м о щ ью ко торого д а в ле ние в ыра в нив а е тся. В св язи с этим ОА П не ре гистрируе т постоянный сигна л. Постоянна яв ре м е ни ОА П з а в исит о т те плое м кости поглощ а ю щ е й

35

пле нки и те м пе ра туропро в о д но сти га з а . На им е ньш е й постоянной в ре м е ни поряд ка 1 м с обла д а е т ОА П, на полне нный га з ом с в ысокой те плопров о д ностью – ге лие м . Од на ко м а ла япо стоянна яв ре м е ни сопров ож д а е тсям а лой чув ств ите льностью прие м ника . ОА П, на полне нный ксе ноном , им е е т посто янную в ре м е ни по ряд ка 30 м с и боле е в ысокую чув ств ите льность. Оптико-а кустиче ские прие м ники ра бота ю т при ком на тной те м пе ра туре , та к ка к гибка япле нка -м е м бра на не в ыд е рж ив а е т охла ж д е ния. С пе ктра льна ячув ств ите льность ОА П опре д е ляетсяпо глощ а ю щ им и св о й ств а м и пле нки и проз ра чностью о кна . В з а в исим ости о т то го, д ляка ко й спе ктра льной обла сти пре д на з на че н ОА П, он им е е т в ход ное о кно из й од истого це з ия, кв а рца или по лиэтиле на . В ка че ств е поглощ а ю щ е й пле нки использ ую т ча стично проз ра чную м е та лличе скую пле нку. М а ксим а льное поглощ е ние (А = 50% и R = 25%) соо тв е тств уе т та кой толщ ине пле нки, ко гд а е е сопротив ле ние при по в е рхности 1 см 2 ра в но в олнов о м у сопротив ле нию св обод ного простра нств а (337 Ом ). Это м у услов ию отв е ча е т толщ ина пле нки поряд ка 10 нм . Та кие тонкие ча стично проз ра чные пле нки обла д а ю т оче нь м а ло й те пло е м костью и в то ж е в ре м япо глощ а ю т поло в ину па д а ю щ е го на них из луче ния. Д ля ув е личе ния по гло щ е ния в нутре нне м у о бъе м у з а поглощ а ю щ е й пле нкой прид а ю т ф о рм у по лусф е ры. Прош е д ш е е из луче ние , отра з ив ш ись, снов а па д а е т на пле нку. Та ким о бра з о м уд а е тсяпов ысить погло щ е ние в пле нке е щ е проце нтов на д е сять. 3.4. П ироэл ектрические приемники Д е й ств ие пироэле ктриче ских прие м нико в о снов а но на явле нии пиро эле ктриче ств а , на блю д а ю щ е м сяв не ко торых криста лла х, не им е ю щ их це нтра сим м е трии: тита на те ба рияBaTiO3, ниоба те литияLiNbO3, се гне тов о й соли, турм а лине и не кото рых д ругих. Эти криста ллы обла д а ю т постоянным д ипольным м ом е нтом в на пра в ле нии не которо й о си. По в е рхность криста лла , сре з а нна япе рпе нд икулярно это й оси, в се гд а эле ктриче ски з а ряж е на . Од на ко этот з а ряд в не ш не не проявляется. За сче т м икрото ко в ,

36

про те ка ю щ их на пов е рхности криста лла , а та кж е ио но в , о се д а ю щ их из в о з д уха , пов е рхно стные з а ряд ы не й тра лиз ую тся. Е сли ка ким -либо о бра з ом на руш ить о рие нта цию эле м е нта рных д иполе й криста лла (на прим е р, на гре в а ние м ), ра в нов е сие на руш а е тся. Д ляе го в о сста нов ле нияз а сче т пов е рхностных то ко в и ионо в в о з д уха тре буе тсяне ко торое в ре м я, в пре д е ла х которого по в е рхностный з а ряд м ож е т быть обна руж е н. С ов ре м е нные м е тод ы поз в оляю т контролиро в а ть оче нь м а лое из м е не ние эле ктриче ского з а ряд а , в ыз ыв а е м ое ничтож ным из м е не ние м те м пе ра туры поряд ка 10-6 гра д уса . Д ляприе м ников из луче нияв ыбира ю т м а те риа лы с на ибольш им пиро эле ктриче ским эф ф е ктом , т.е . с на ибольш е й ско ро стью из м е не нияд ипо льно го м о м е нта с те м пе ра туро й . Д ополните льным и тре бов а ниям и являю тсяхоро ш а япо глощ а те льна яспособно сть, в ысо кое эле ктриче ское сопротив ле ние и м а ла яуд е льна яте плое м ко сть. На иболе е по д ход ят д ляпироте хниче ских прие м ников та нта ла т литияи триглицинсульф а т (ТГС ). Р а з м е ры пироэле ктриче ского прие м ника огра ничив а ю тсяра з м е ра м и криста лла , ко торый м о ж е т быть в ыра щ е н. Пиро эле ктриче ский прие м ник м о ж е т обла д а ть в е личино й Д* д о 109 и оче нь м а лой посто янной в ре м е ни поряд ка 10-7 с, а в в ид им ой обла сти спе ктра – 10-8 с. Ча сто тна яха ра кте ристика прие м ника поз в о ляет использ ов а ть е го в о че нь ш ирокой обла сти ча сто т. В д линно в олнов о й обла сти спе ктра этот прие м ник являетсяе д инств е нным , способным ра бо та ть при в ысоких ча стота х м од уляции и не тре бую щ им охла ж д е ния. С пе ктра льна яобла сть ра боты пироэле ктриче ского прие м ника опре д е ляетсяо бла стью в ысокой поглощ а те льно й способно сти криста лла и м ож е т про стира тьсяот в а куум ного ультра ф иоле та д о са нтим е тров ой о бла сти спе ктра . 4.

О снов ны е принц ипы в ы бора приемников из л учения

В ыбор прие м ника из луче ния д ля использ ов а ния в те х или иных оптиче ских систе м а х опре д е ляетсяе го че тырьм яосно в ным и па ра м е тра м и:

37

порогом чув ств ите льности, коэф ф ицие нтом пре обра з ов а ния, посто янно й в ре м е ни и обла стью спе ктра льной чув ств ите льности. Порогом чувст ви т ел ь н ост и пото ка из луче ния, кото рый

на з ыв а е тся м иним а льна я м о щ ность

м ож но о бна руж ить с по м о щ ью д а нного

прие м ника . С ущ е ств о в а ние поро га чув ств ите льности св яза но с на личие м ф луктуа ционных про це ссов – ш ум ов . В е личина принципа

по ро га

чув ств ите льности з а в исит от ряд а

д е й ств ия прие м ника ,

е го

конструктив ных

ф а кторов : эле м е нто в ,

те м пе ра туры, д лины в олны из луче ния, природ ы ре гистрируе м ых ш ум ов и т.п. Коэф ф и ц и ен т ом

п реобразован и я

на з ыв а е тся

ко эф ф ицие нт,

св языв а ю щ ий м ощ ность по тока из луче ния, па д а ю щ е го на прие м ник, с в е личиной

в оз ника ю щ е го

прие м нико в

из луче ния в

сигна ла . общ е м

К о эф ф ицие нт

случа е

пре обра з о в а ния

з а в исит от д лины в олны

па д а ю щ е го из луче ния. Пост оян н ой времен и прие м ника на з ыв а ю т в ре м я t, по исте че нии ко торого

сигна л д остига е т о пре д е ле нной

д оли

о т м а ксим а льного

уста но в ив ш е госяз на че ния. О бл аст ь ю сп ект рал ь н ой чувст ви т ел ь н ост и

на з ыв а е тся обла сть

спе ктра , в ко торой па д а ю щ ий поток из луче ния(пре в ыш а ю щ ий порого в ый ) в ыз ыв а е т в прие м нике сигна л. К онтрол ьны е в опросы 1.

Ф из иче ские

осно в ы

и

принципы

ра бо ты

прие м ников

из луче нияна о снов е в не ш не го ф о тоэф ф е кта . 2.

Ф из иче ские осно в ы и принципы ра бо ты ф о топрие м ников на

осно в е в нутре нне го ф о тоэф ф е кта . 4.

Те плов ые прие м ники из луче ния.

5.

У силите ли ф ото прие м нико в

6.

Основ ные принципы в ыбора прие м нико в из луче ния.

38

С писок рекомендуемой л итера туры Основ на ялите ра тура : 1. И сто чники и прие м ники из луче ния/ Г.Г. И ш а нин [и д р.] - С Пб. : Полите хника , 1991.- 240 с. 2. Ж ига ре в А .А . Эле ктронно -луче в ые и ф ото эле ктриче ские приборы / А .А . Ж ига ре в , Г.Г. Ш а м а е в а - М . : В ысш . ш к. 1982. –463 с. 3. Зо тов В .Д . Полупров од нико в ые устро й ств а в о сприятияоптиче ско й инф орм а ции / В .Д . Зо тов . - М . : Эне ргия, 1986. - 152 с. Д ополните льна ялите ра тура : 4. А ксе е нко М .Д . Прие м ники оптиче ского из луче ния : спра в очник/ М .Д . А ксе е нко, М .Л . Ба ра ночников . - М . : Р а д ио и св язь, 1987. –296 с. 5. М а лыш е в В .И . В в е д е ние в экспе рим е нта льную спе ктро ско пию : уче б. пособие д лястуд е нто в ф из . спе циа льносте й в уз о в / В .И . М а лыш е в . – М . : На ука , 1979. –478 с.

39

С о ста в ите ли:

Та тьяна В а силье в на В о ло ш ина Л иа на Ю рье в на Л е оно в а В ла д им ир Нило в ич Р а схож е в

Р е д а ктор

Тихо м иров а О.А .