Методические рекомендации рассмотрены и утверждены кафедрой полупроводниковой и вакуумной электроники, протокол №4 от 22 января 2006 года.

Составитель Н.М. Ткаченко, Харьков, ХНУ им. В.Н Каразина, 2006 г.

Рецензенты: С.П. Мовчан, доц. ХАДИ, В.Б Тютюнник, доц. каф. квантовой радиофизики ХНУ.

Методические рекомендации рассмотрены и утверждены кафедрой полупроводниковой и вакуумной электроники, протокол №4 от 22 января 2006 года.

Содержание

Предисловие . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4

Работа №5. Изучение электроннолучевых трубок. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

Работа №6. Изучение фотоэлементов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

Работа №7. Изучение многокаскадного фотоумножителя . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

Приложение. Условные обозначения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

ПРЕДИСЛОВИЕ

Настоящие методические указания к лабораторным работам по курсу "Вакуумная электроника" содержат описания лабораторных работ, выполняемых студентами радиофизического факультета в лаборатории вакуумной электроники. В брошюре описаны работы, в которых изучаются электронно-лучевые трубки, фотоэлементы и фотоумножители.

Перечень вопросов, изучаемых в лабораторных работах, отнюдь не исчерпывающе соответствует читаемому лекционному курсу. Стремительное развитие в последние два-три десятилетия науки и техники, в том числе электроники, приводит к появлению новых типов электронных и ионных приборов, однако принципы, положенные в основу их работы, остаются неизменными. Новые направления и тенденции в развитии электронных и ионных приборов обусловлены, в основном, успехами в технологии их изготовления, применением новых материалов и расширением функциональных возможностей приборов.

При разработке данного практикума мы пытались в пределах времени, отведенного программой курса, проиллюстрировать, в лабораторных работах наиболее важные, с нашей точки зрения, вопросы соответствующих разделов вакуумной электроники. Описание каждой лабораторной работы содержит ввиду ограниченности объёма, только краткие введения из физики работы электронных приборов, описание электрических схем, методические указания по выполнению работы, задание, контрольные вопросы и список литературы для самостоятельной подготовки к сдаче работ. Во второй части в приложении приведены условные обозначения в схемах основных вакуумных электронных и ионных приборов. Этот раздел изучается самостоятельно и необходим для того, чтобы студенты научились читать схемы радиотехнических устройств, в которых используются вакуумные электронные и ионные приборы.

.

Работа №5

ИЗУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВЫХ ТРУБОК

В работе изучаются устройство, принцип действия и приме­нение различных типов электронно-лучевых трубок. Определяются основные характеристики электронно-лучевых трубок с электроста­тическим и магнитным управлением.

1. Введение

Электронно-лучевыми трубками называются приборы, в которых электрические сигналы преобразуются в световые с помощью сфоку­сированного пучка электронов. Электронно-лучевая трубка содержит следующие основные элементы:

1. Электронный прожектор (пушка), создающий узкий электронный пучок (луч) требуемой интенсивности, которая может меняться в заданных пределах.

2. Отклоняющая система, назначением которой является изменение направления электронного луча. В зависимости от поля, применяемого для отклонения луча, различают трубки с электростатичес­ким или магнитным отклонением

3. Экран, который светится в месте попадания электронного луча.

2. Фокусирующие системы электронно-лучевых трубок

Устройство простейшей электронно-лучевой трубки с электро­статической фокусировкой и электростатическим отклонением показано на рас. 5.1. В трубке имеется оксидный подогревной катод, эмитирующая поверхность которого имеет форму диска небольших размеров. Оксидный слой наносится на наружную сторону донышка

никелевого цилиндра, внутри которого помеща­ется нить подогревателя. Катод размещается внутри -цилиндра М, который называется модулятором или управляющим электродом. На модулятор подаётся отрицательный относительно катода регулируемый потенциал, изменением которого управляют током пучка, а тем самым яркостью пятна на экране трубки. Затем в трубке устанавливается первый анод А₁ с регулируемым потенциалом +200 +600 В и второй анод А₂, на который подаётся постоянное положительное напряжение U_а2 величиной от 1000 до 5000 В.

Перечисленные выше электроды образуют электронный прожектор, формирующий сфокусированный пучок электронов. Структура электрического поля в диаметральном сечении рассмотренной электродной системы показана на рис. 5.2. Там же приведены траектории крайних электронов пучка. Из рисунка видно, что между модулятором и первым анодом и между первым и вторым анодами образуются электрические поля, которые действуют как электронно-оптические системы, состоящие из двух линз – собирающей и рассеивающей. Траектории электронов на участке, где эквипотенциальные линии обращены к катоду выпуклостью, преломляются к оси, т.е. диаметр пучка уменьшается. На втором участке, где эквипотенциальные линии обращены к катоду вогнутостью, наклон траекторий к оси становится меньше. В связи с тем, что на рассеивающих участках скорость электронов больше, чем на собирающих, в целом в обеих линзах преобладает собирающее действие электрического поля. Первая линза, находящаяся между модулятором и первым анодом, является короткофокусной. Под действием этой линзы пучок электронов с катода фокусируется на оси системы. В области скрещения электронных траекторий, находящейся на оси трубки внутри первого анода, электронный луч имеет минимальный диаметр, значительно меньший диаметра катода. Вторая линза является длиннофокусной и проектирует область скрещения на экран трубки, на котором образуется резкое изображение этой области в виде небольшого по размерам пятка.

Для того, чтобы изображение области скрещения совпало о плоскостью экрана, необходимо подобрать разность потенциалов между первым и вторым анодом. Обычно это достигается изменением напряжения на первом аноде. Поэтому первый анод иногда называют фокусирующим, а второй – ускоряющим.

Описанная электронная пушка, называемая триодной, имеет ряд недостатков, главным из которых является взаимное влияние регулировок яркости и фокусировки. Для устранения этого влияния между модулятором и первым анодом помечается дополнительный электрод, имеющий форму длинного цилиндра. На этот электрод, называемый ускоряющим, подаётся постоянный потенциал, равный потенциалу второго анода. Вместе с развязкой регулировок фокуса и яркости в такой дужке улучшается фокусировка, так как уменьшается размер пучка в области скрещения.

Кроме описанной системы фокусирования электронного пучка при помощи электростатических линз, в электронно-лучевых трубках иногда применяется фокусировка магнитной линзой. В трубках с магнитной фокусировкой (рис.5.3) система электродов трубки оказывается проще. Она состоит из катода К, модулятора М и ускоряющего анода А. Между этими электродами, как и в трубке с электро­статической фокусировкой, создается неоднородное электрическое поле (короткофокусная линза), образующее сходящийся пучок электронов, На некотором расстоянии от анода на трубку надета короткая катушка, по которой пропускается постоянный ток. Создаваемое при этом неоднородное аксиально-симметричное магнитное поле фокусирует поток электронов, расходящийся после прохождения области скрещения. Фокусное расстояние магнитной линзы можно менять, изменяя величину тока, проходящего по виткам катушки.

Магнитная фокусирующая система позволяет получить меньший размер пятна на экране и больший ток луча, однако она более громоздка, имеет больший вес и потребляет большую мощность, чем электростатическая.

3. Отклоняющие системы электронно-лучевых трубок.

В трубках с электростатическим отклонением луча вблизи второго анода помещают перпендикулярно друг к другу две пары отклоняющих пластин Х и У. Обычно на X-пластины в осциллографах подаётся развёртывающее пилообразное напряжение, а на У-пластины – исследуемый сигнал. Если к пластинам приложить напряжения, то пучок, а_; следовательно, и пятно на экране сместятся в сторону пластин к большим положительным потенциалам. Величина отклонения луча на экране для наиболее простой отклоняющей системы – пары плоско-параллельных пластин длиной l, расположенных на расстоянии Lот экрана и d – друг от друга, приближённо равна:

(5.1)

где U_y- величина управляющей разности потенциалов между пластинами, U_a – напряжение второго анода.

Одним из важных параметров электронно-лучевой трубки является чувствительность – отношение величины смещения пятна на экране к величине отклоняющего напряжения;

(5.2)

Это выражение показывает, что для повышения чувствительности необходимо сближать пластины и увеличивать их длину. Для того чтобы при этом не уменьшить предельный угол отклонения, отклоняющие пластины изготавливают с отогнутыми в сторону экрана краями. Таким способом удаётся повысить чувствительность отклоняющих пластин в 1,5-2 раза. Повышение чувствительности может быть достигнуто за счёт увеличения расстояния от пластин до экрана, но при этом возрастает длина трубки, или за счёт снижения напряжения второго анода, но при этом падает яркость пятна на экране и ухудшается его фокусировка. В современных осциллографических трубках чувствительность составляет величину от 0,2 до 1 мм/В.

Из формулы (5.2) следует, что чувствительность трубки с электростатическим отклонением не зависит от величины отклоняющего напряжения и, следовательно, луч на экране без искажений воспроизведёт форму исследуемого сигнала. Однако на практике важное значение имеет способ подачи напряжения на отклоняющие пластины.

Существует два способа питания отклоняющих пластин - симметричный и несимметричный. При несимметричном способе (рис.5.4.а) одна из пластин непосредственно соединяется со вторым анодом, а на другую подаётся отклоняющее напряжение U_y. При этом потенциал на оси отклоняющей системы, определяющий скорость отклоняемых электронов, равен U_a±U_y/2. Это приводит к тому, что форма исследуемого сигнала на экране трубки будет искажена, так как более точное выражение для этого случая чувствительности трубки следует записать следующим образом:

(5.3)

Отсюда следует, что при увеличении положительного отклоняющего напряжения чувствительность будет падать, а при подаче отрицательного – возрастать.

Кроме этого при несимметричном питании отклоняющих пластин сильно проявляется дополнительное фокусирующее действие отклоняющего напряжения, обусловленное, в. основном, конечностью поперечного размера пучка в области отклонения. Сфокусировав пятно в центре экрана, мы получим расфокусировку тем большую, чем больше отклонение луча. Перечисленные недостатки

существенно уменьшаются при симметричном питании пластин (рис.5.4.б), когда обе пластины соединяются со вторым анодом через достаточно большого сопротивления резисторы, а отклонявшее напряжение используется в виде двух противофазных сигналов.

В трубках с магнитным отклонением на горловину трубки одеваются две пары отклоняющих катушек, создающих магнитное поле, перпендикулярное оси трубки (рис.5.3). В трубках с магнитным отклонением чувствительность определяется отношением величины смещения пятна на экране к числу ампер-витков отклоняющей системы.

(5.4)

где k - коэффициент пропорциональности, l – ширина поля катушки, L- расстояние от середины катушки до экрана.

Формула (5.4) показывает, что чувствительность трубки с магнитным отклонением зависит от величины ускоряющего напряжения в меньшей степени, чем трубки с электростатическим отклонением. Кроме того, при магнитном отклонении искажения формы отклоняющего сигнала и дефокусировка пучка могут быть сделаны весьма небольшими. Благодаря этому, магнитная отклоняющая система позволяет получать предельные углы отклонения луча значительно большие, чем электростатическая.

Частотный диапазон магнитной отклоняющей системы значительно ниже, чем у электростатической, из-за того, что индуктивное сопротивление отклоняющих катушек имеет большую величину и зависит от частоты.

3. Основные характеристики и параметры экранов

Экраны электронно-лучевых трубок покрывают веществами, способными светиться при бомбардировке электронным лучом. Процесс свечения, вызываемого попаданием электронов с достаточно большой энергией, называется катодолюминесценцией, а вещества, обладающие этой способностью, - люминофорами. Экран состоит из ровного, тонкого слоя измельчённого люминофора, нанесенного с помощью связующих веществ на стеклянную торцовую поверхность трубки. В настоящее время известно большое число люминофоров, которые могут использоваться в экранах электронно-лучевых трубок. Это сульфиды цинка и кадмия, силикат цинка (виллемит), вольфрамат кальция и др. Для повышения эффективности, а также для изменения цвета свечения люминофоры активируют небольшим количеством меди, марганца, серебра или других металлов.

Вещество люминофоров представляет собой кристаллы диэлектрика. Дефекты кристаллической решётки, а также атомы примесей образуют две системы локальных уровней, одна из которых располагается вблизи гоны проводимости, а другая - на небольшом расстоянии от зоны валентных электронов. При бомбардировке люминофора электронным пучком первичные электроны передают энергию электронам валентной зоны. Некоторые из этих электронов получают такую энергию, что выходят из кристалла (наблюдается вторичная эмиссия электронов). Другие возбуждённые электроны попадают в зону проводимости. Вследствие теплового движения эти электроны очень быстро опускаются к нижнему краю зоны, а затем, переходя на нижнюю систему локальных уровней, испускают кванты света. Часть же электронов переходит на систему верхних локальных уровней (уровни прилипания или электронные ловушки), на которых время жизни их велико. Впоследствии они также переходят вниз, испуская кванты света, однако этот процесс наблюдается уже после прекращения воздействия электронным лучом, что и обуславливает послесвечение экрана.

Основным параметром экрана является его световая отдача, показывающая, какая сила света испускается экраном при затрате мощности пучка в один Ватт:

(5.5)

Яркость свечения люминофора зависит от плотности тока пучка j и потенциала экрана (энергии электронов, падающих на экран) согласно следующей эмпирической формуле:

(5.6)

Здесь А, mи U₃₀- константы, характеризующие люминофор . Обычно показатель степени mлежит в пределах от 1,5 до 2. Постоянная U₃₀называется мёртвым потенциалом; она даёт значение наименьшей энергии электронов, при которой возможно возбуждение люминесценции. Для технических люминофоров эта величина лежит в пределах от нескольких десятков до 300В.

Другими важными параметрами экрана являются цвет и длительность послесвечения. Для визуального наблюдения осциллограмм используют люминофор, имеющий жёлто-зелёный цвет свечения, соответствующий наибольшей чувствительности человеческого глаза.

Для фотографирования осциллограмм применяются люминофоры с синим или голубым свечением. Для создания телевизионного изображения в чёрно-белом телевидении нужен белый цвет свечения экрана.

Длительностью послесвечения называется измеряемое от момента выключения луча время, в течение которого яркость, свечения уменьшается в 100 раз. Длительность послесвечения люминофоров лежит в пределах от микросекунд до 20с.

Во время работы осциллографической трубкой на её экран непрерывно поступает поток электронов. Отвод электронов от экрана происходит, главным образом за счёт вторичной эмиссии, так как проводимость люминофора очень мала. Коэффициент вторичной эмиссии люминофора при этом должен быть не менее единицы (σ≥1). На рис.5.5 показана типичная зависимость коэффициента вторичной эмиссии люминофора от ускоряющего напряжения. Если U_кр1<U_a2<U_кр2, требование σ≥1 выполняется, и потенциал экрана в этом случае примерно равен U_a2.

Для того, чтобы облегчить отвод вторичных электронов от экрана, внутренняя поверхность баллона трубки от экрана до 2-го анода часто покрывается коллоидным раствором графита - аквадагом, создающим проводящий слой. Этот слой устраняет также накопление зарядов на стекле, которые могут исказить распределение поля в трубке и нарушить её нормальную работу.

Если же U_a2>U_кр2, σ<1 и потенциал экрана быстро снижается до величины U_кр2следовательно, энергия электронов, бомбардирующих экран, не может превышать величину еU_кр2. Чтобы повысить энергию электронов до величины eU_а2, в таком случае экран покрывают тонким (прозрачным для электронов) слоем алюминия и соединяют его со вторым анодом. Алюминирование экрана повышает также его светоотдачу за счёт отражения света алюминиевой плёнкой.

4. Типы электронно-лучевых трубок

4.1. Осциллографические трубки

Основную группу электронно-лучевых трубок составляют осциллографические трубки, которые служат для исследования быстрых изменений во времени напряжения или тока в различных цепях. Осциллографические трубки имеют, как правило, электростатическое отклонение и фокусировку. Важное значение при этом имеют диапазон рабочих частот трубки и максимально возможная скорость развёртки луча на экране.

В обычных трубках рабочая частота ограничивается влиянием реактивностей отклоняющей системы и достигает 10⁷Гц. Уменьшение ёмкости пластин и индуктивности выводов позволяет достичь частоты 10⁸-10⁹Гц, ограничиваемой сравнимостью времени пролёта электронами пространства отклонения и периода изменения отклоняющего напряжения. При попытках дальнейшего повышения рабочей частоты за счёт укорочения пластин и повышения ускоряющего напряжения чувствительность трубки и размер изображения на экране сильно падают. Поэтому существенное повышение рабочей частоты (до 10¹⁰Гц) возможно при использовании отклоняющей системы с бегущей волной.

При высокой частоте исследуемого сигнала или при осциллографировании однократных процессов яркость луча на экране (из-за высокой скорости развёртки) может оказаться недостаточной для визуального наблюдения или регистрации на фотоплёнке. Для увеличения яркости следа луча, на экране необходимо увеличивать ускоряющее напряжение, однако чувствительность трубки при этом падает. Для достижения компромисса между противоречивыми требованиями высокой чувствительности и большой яркости изображения часто используют принцип послеускорения. Он состоит в том, что скорость электронов перед отклоняющими пластинами выдерживается сравнительно малой, а после отклонения она увеличивается. Трубка с послеускорением отличается тем, что в ней есть ещё по крайней мере один анод, устанавливаемый после отклоняющих пластин. Чтобы не вносить сильных искажений напряжение на этом, третьем, аноде не должно превышать Ua2 в 2-2,5раза. Если требуется большее послеускорение, используется несколько дополнительных кольцевых электродов (покрытие на внутренней поверхности колбы), напряжение на которых возрастает по мэре приближения к экрану (рис. 5.6).

Наилучшие результаты получается при использовании высокоомного покрытия спиральной формы, ближайший к экрану виток которого присоединяется к большему потенциалу, а удалённый - к меньшему. Это позволяет увеличить ускоряющее напряжение до 25кВ и более. Максимальная скорость развёртки в обычных трубках составляет 2-30км/с, а в трубках с послеускорением достигает 250км/с.

При исследовании нескольких одновременно протекающих процессов иногда возникает необходимость в получении на экране осциллографической трубки одновременно нескольких осциллограмм, отображающих эти процессы. Для этой цели применяются многолучевые (до 5) осциллографические трубки, имеющие несколько независимых, раздельно управляемых электронных лучей и один общий экран.

Существенно расширяются возможности осциллографов при использовании запоминающих осциллографических трубок. Запоминающие трубки отличаются от обычных тем, что у них осциллограмма исследуемого однократного процесса записывается электронным лучом но только на экране в виде светящегося изображения, но и одновременно в виде потенциального рельефа на поверхности помещенного перед экраном диэлектрика, обладающего способностью длительное время (до нескольких суток) сохранять образовавшийся потенциальный рельеф. Это позволяет многократно воспроизводить осциллограмму, либо увеличить время её свечения.

В ряде случаев более выгодным оказывается применить не линейную, а круговую развертку луча на экране трубки. Преимуществом круговой развёртки является её большая длина по сравнению с линейной. В такой трубке круговая развёртка создаётся подачей на X и У пластины синусоидальных напряжений одной частоты, сдвинутых по фазе на 90°. Исследуемое напряжение подводится к коническому конденсатору, установленному внутри трубки на пути луча, и отклоняющему вращающийся пучок в радиальном направлении. Трубки с радиальным отклонением имеют малую чувствительность, нелинейную характеристику отклонения и используются главным образом как индикаторные.

В радиолокационной аппаратуре широкое применение находят трубки с яркостной отметкой. В, этих трубках сигнал подаётся на модулятор трубки и управляет яркостью пятна на экране трубки.

По наличию или отсутствию пятна на экране трубки судят о наличии или отсутствии сигнала. Развертку луча при этом производят таким образом, чтобы координаты пятна на экране трубки соответствовали каким-либо параметрам сигнала (например, в радиолокации, дальности и азимуту цели). В таких трубках обычно применяется магнитная фокусировка и отклонение, а экран имеет длительное послесвечение.

4.2. Кинескопы

Для преобразования телевизионных сигналов в чёрно-белое или цветное изображение используются специальные электроннолучевые трубки -кинескопы. Кинескопы для чёрно-белого телевидения отличаются от осциллографических трубок относительно большим прямоугольным экраном, а также использованием магнитной отклоняющей системы, расположенной вне колбы трубки (рис.5.7). Использование магнитной отклоняющей системы позволяет достигать углов отклонения ±55° при достаточно малых аберрациях. При соответствующем выборе кривой распределения тока в кадровой и строчной катушках электронный луч по линейному закону построчно разворачивается по всему экрану. Во время развёртки по строкам интенсивность луча и тем самым яркость изображения меняются в такт с принимаемым телевизионным сигналом. На время обратного хода трубка запирается, поэтому строки видны только во время прямого хода.

Поскольку в кинескопах требуется обеспечить высокую яркость свечения экрана, ускоряющее напряжение выбирается достаточно большим (до 20кВ в обычных и до 80кВ в проекционных кинескопах).

Для этой же цели экран кинескопов обычно алюминируют. Алюминирование экрана также предотвращает образование ионного пятна в центре экрана. Для получения белого свечения в качестве люминофора используют смесь сульфида цинка и сульфида кадмия.

Принцип действия кинескопа с теневой маской, для цветного телевидения виден из рис.5.7.б. Трубка имеет три электронных прожектора с раздельным управлением яркости, лучи от которых проходят через теневую маску (металлическую пластину с отверстиями) и поступают на расположенный за ней экран. Люминесцентный слой экрана состоит из многих отдельных мозаичных кусочков люминофора, излучающего свечение синего, зелёного или красного цвета. Три таких участка люминофора дают одну точку изображения. Отклоняемые совместно лучи фокусируются в одну точку таким образом, чтобы каждый луч возбуждал только красное, зелёное или синее свечение. Размеры светящихся точек на экране настолько малы, что различить их на глаз невозможно. Поэтому создаётся впечатление отраженной точки, цвет которой определяется относительной интенсивностью трёх электронных лучей.

Масочный кинескоп имеет существенные недостатки: сложность изготовления; сложность электроннооптической юстировки и низкая эффективность (до 80% энергии луча рассеивается на маске). Поэтому более совершенным является кинескоп – хромотрон, имеющий экран в виде узких чередующихся полосок люминофора трёх основных цветов и одну электронную пушку, луч которой переключается на нужную полоску люминофора путём подачи разности потенциалов на расположенную перед экраном систему тонких параллельных проволочек, образующих систему цилиндрических линз с нужной отклоняющей способностью.

5. Методические указания

Схема для исследования характеристик электронно-лучевых трубок с электростатическим и магнитным отклонением собраны в специальном лабораторном макете. Электрические схемы питания трубок приведены в описании макета, которое находится в лаборатории. На переднюю панель макета выведены все необходимые органы регулировок электрического режима трубок. Там же расположены приборы для измерения напряжений и токов в цепях питания трубок.

В трубке с магнитным управлением отклонение луча в горизонтальном направлении осуществляется пропусканием тока по обмотке строчной катушки, в вертикальном – кадровой. Кадровая катушка питается током частоты 50Гц, который

измеряется прибором, расположенным на передней панели макета. Строчную катушку следует запитывать от генератора ЗГ-10, для чего на правой боковой станке макета есть гнёзда, соединяемые с выходом генератора. Ток строчной катушки определяется по показаниям вольтметра ЗГ-10 и известному сопротивлению строчной катушки, равному на частоте 15кГц 1200Ом.

В трубке с электростатическим отклонением использованы отклоняющие пластины сложной формы. Поэтому чувствительность трубки к отклонению Н_х и Н_у необходимо рассчитывать по следующей формуле:

Чертёж пластин и геометрические размеры приведены в описании макета.

6. Задание

1. Ознакомиться с устройством исследуемых электронно-лучевых трубок, записать их паспортные данные и зарисовать схемы измерений.

2. Изучить описание лабораторного макета для измерения характеристик трубок о электростатическим и магнитным управлением.

3. Снять зависимость отклонения луча трубки с электростатическим отклонением от величины отклоняющего напряжения для Х и У пластин h_x=f(U_x), h_y=f(U_y),при двух значениях напряжения второго анода.

4. Снять зависимость чувствительности трубки для обеих пар пластин от потенциала второго анода H_x=f(U_a2) и H_y=f(U_a2).

5. Снять зависимость тока катода от напряжения модулятора для нескольких значений U_a2 и U_a1 соответствующих оптимальной. фокусировке луча.

6.Снять зависимость вертикального и горизонтального отклонения луча трубки с магнитным отклонением от величины-тока отклоняющих катушек h_x=f(J_ck) и h_у=f(J_kk) при двух значениях напряжения анода. Частоту генератора при измерении h_x установить равной 15кГц.

7. Снять зависимость чувствительности (в относительных единицах) строчной и кадровой катушки от напряжения анода H_ck=f(U_a) и H_kk=f(U_a).

8. Измерить зависимость величины отклонения луча h_х от частоты при фиксированном выходном напряжении генератора и U_а=4кВ.

9. Снять зависимость тока фокусирующей катушки, необходимого для оптимальной фокусировки луча на экране, от потенциала анода J_ф=f(U_a).

10. Подать на отклоняющую систему обеих трубок такое напряжение, чтобы светящаяся линия на экране имела в длину несколько сантиметров, и с помощью фотоэлемента снять зависимость яркости свечения экрана (в относительных единицах) от тока луча и ускоряющего напряжения В=f(J_л)и В=f(U_a).

11. Построить зависимость по п.п.3-10 задания. Рассчитать чувствительность X и У отклоняющих пластин трубки с электростатическим отклонением и сравнить с экспериментально измеренными значениями.

7. Контрольные вопросы

1. Назовите основные элементы электронно-лучевой трубки с электростатической фокусировкой и электростатическим отклонением и расскажите об их назначении.

2. Расскажите об устройстве электронного прожектора и его работе. Из каких электронных линз состоит электронный прожектор?

3. Каким способом можно изменять качество фокусировки электронного луча? Каково назначение первого анода трубки?

4. Как устранить влияние регулировки яркости свечения на фокусировку луча?

5. Расскажите об устройстве системы электростатического отклонения. Для чего отклоняющим пластинам придают изогнутую форму?

6. Что такое чувствительность трубки к отклонению и от каких параметров отклоняющей системы зависит эта величина?

7. Чем определяется максимальный угол отклонения отклоняющих пластин?

8. Что такое симметричное и несимметричное включение отклоняющих пластин и каковы преимущества симметричного включения?

9. Для какой пары отклоняющих пластин осциллографической трубки чувствительность больше и почему?

10. Какова предельная частота f_предсовременных осциллографических трубок с электростатическим отклонением?

11. Какие факторы определяют наибольшую (предельную) частоту электронно-лучевой трубки с электростатическим отклонением?

12. Что такое послеускорение и когда оно используется?

13. Назовите основные элементы электронно-лучевой трубки с электромагнитной фокусировкой и электромагнитным отклонением и расскажите об их назначении.

14. Расскажите об устройстве системы магнитной фокусировки трубки.

15. Каковы преимущества и недостатки системы магнитной фокусировки по сравнению с системой электростатической фокусировки?
16. Расскажите об устройстве магнитной отклоняющей системы.

17. Что такое чувствительность трубки с магнитным отклонением? Как она зависит от анодного напряжения?

18. Каковы максимальные углы отклонения луча в современных кинескопах?

19. Почему частотный диапазон магнитной отклоняющей системы значительно ниже, чем электростатической отклоняющей системы?

20. Расскажите о преимуществах и недостатках электростатических и магнитных отклоняющих систем.

21. Назовите основные параметры экрана электронно-лучевой трубки.

22. Что такое световая отдача экрана? Как она зависит от ускоряющего напряжения и от плотности тока луча? Какие люминофоры обладают наибольшей световой отдачей?

23. Что такое длительность послеовечения экрана?

24. Какова величина потенциала, который приобретает экран во время работы трубки?

25. Для чего элиминируют экраны кинескопов? 26. Почему в кинескопах применяется магнитное отклонение?

8. Литература

1. Власов В.Ф. Электронные и ионные приборы. М., Связьиздат, 1960, §4.1-4.5, 18.1-18.5.

2. Батущев В.Л. Электронные приборы. М., Высшая школа, 1969, §11.1-11.5.'

Работа №6

ИЗУЧЕНИЕ ФОТОЭЛЕМЕНТОВ

В работе изучаютcя вакуумные и газонаполненные фотоэлементы. Исследуются анодные, световые и частотные характеристики фотоэлементов. Определяется интегральная чувствительность фотоэлементов и чувствительность по напряжению в рабочем режиме.

1. Введение

Фотоэлектрическим эффектом называют изменение какого-либо параметра электрической цепи под действием света, падающего на один из элементов этой цепи.. Различают три вида фотоэффекта:

Внешний фотоэффект - эмиссия электронов с поверхности тела под действием света

Внутренний фотоэффект - появление внутри вещества под действием света добавочных электронов проводимости, что приводит к уменьшению сопротивления вещества.

Фотоэффект запирающего слоя - возникновение под действием света, падающего на границу металл-полупроводник и границу двух полупроводников с различного типа проводимостью, электродвижущей силы.

В данной работе изучается природа и закономерности внешнего фотоэффекта - фотоэлектрической эмиссии, используемой в фотоэлементах и других преобразователях световых сигналов: электронно-оптических преобразователях изображения, передающих телевизионных трубках и др.

2. Законы фотоэлектрической эмиссии

Фотоэлектрическая эмиссия характеризуется следующими основными законами.

1. Фотоэлектронный ток (в режиме насыщения) прямо пропорционален падающему на катод потоку излучения (закон Столетова).

J=kФ (6.1)

2. Максимальная энергия фотоэлектронов прямо пропорциональна частоте излучения и не зависит от его интенсивности (Закон Эйнштейна):

(6.2)

где hν - энергия кванта, eφ₀- работа выхода катода.

Из выражения (6.2) видно, что существует граничная частота фотоэффекта ν₀, определяемая из условия

(6.3)

Граничная частота ν₀определяет начало участка спектра, на протяжении которого наблюдается фотоэлектронная эмиссия. Важное значение имеет, как распределена фотоэлектрическая чувствительность на этом участке спектра. Фотоэлектрической чувствительностью называется отношение фототока насыщения к энергии падающего излучения. Зависимость этой величины от длины волны или частоты падающего излучения называется спектральной характеристикой. Иногда вместо фотоэлектрической чувствительности фотокатоды характеризуют величиной квантового выхода. Квантовый выход - это число электронов, покидающих поверхность катода, отнесенное к числу квантов света, падающих на катод. Для чистых металлов квантовый выход составляет 10^-3–10^-4 электронов/квант, для сложных катодов – может доходить до 0.5.

3. Устройство и характеристики фотокатодов

Чистые металлы в качестве фотокатодов практически не применяются из-за малого квантового выхода, а также потому, что для них граничная частота лежит в ультрафиолетовой или крайней фиолетовой части спектра. В промышленных фотоэлектронных приборах применяются сложные полупроводниковые фотокатоды, наиболее распространёнными среда которых являются кислородно-цезиевые и сурьмяно-цезиевые.

Процесс изготовления кислородно-цезиевого катода происходит следующим образом. Слой серебра, нанесенный на стеклянную колбу фотоприбора, окисляется с помощью разряда в кислороде. Затем слой Ag₂Oобрабатывается парами цезия. Цезий восстанавливает Ag₂O причём образуется окись цезия Cs₂Oи в ней остаются вкрапленными атомы серебра. Кроме этого на поверхности фотокатода остаётся слой адсорбированных атомов цезия, часть из которых диффундирует внутрь полупроводникового слоя Cs₂O, образуя примесные атомы Cs. В итоге структура катода принимает вид, изображённый на рис.6.1. В толще полупроводящего слоя Cs₂Oрасполагаются атомы Ag и Cs, уровни которых располагаются в запрещённой зоне Cs₂O. Фотоэлектронная эмиссия начинается вначале с уровней Cs, затем Ag, а затем из валентной зоны CsO. Такой энергетический спектр кислородно-цезиевого фотокатода определяет наличие в спектральной характеристике фотокатода трёх максимумов. Работа выхода кислородно-цезиевого фотокатода составляет величину около 1эВ, квантовый выход достигает 0.03, интегральная чувствительность – 15-30мкА/лм.

Технология изготовления сурьмяно-цезиевого фотокатода следующая. На стенку баллона фотоэлемента наносится слой сурьмы, который затем обрабатывается парами цезия. Получается электронный полупроводник, образованный слоем SbCs₂, в толщу которого внедрены атомы цезия, и покрытый адсорбированными атомами Cs₂. Структура катода принимает вид, изображённый на рис.6.2. Работа выхода сурьмяно-цезиевого фотокатода равна 1.9эВ, квантовый выход достигает 0.3, интегральная чувствительность – 70-100мкА/лм. Спектральные характеристики кислородно-цезиевого и сурьмяно-цезиевого катодов приведены на рис.6.3. При необходимости изменить спектральную характеристику в фотокатод вводятся дополнительные элементы: калий, натрий, рубидий или др.

4. Характеристики и параметры фотоэлементов

Фотоэлементы, использующие внешний фотоэффект, делятся на вакуумные и газонаполненные. Наполнение фотоэлемента газом позволяет в несколько раз усилить ток с катода за счёт ионизации ускоренными фотоэлектронами атомов газа. Коэффициент газового усиления выбирается небольшим (от 5 до 8), так как при большем коэффициенте усиления появляется опасность зажигания самостоятельного разряда, который недопустим из-за разрушения катода.

Основными характеристиками фотоэлементов, необходимыми для выбора его режима, являются следующие.

1). Вольтамперные характеристики J_ф=f(U_a) при постоянных световых потоках Ф.

2). Световая характеристика, J_ф=f(Ф)при постоянном напряжении на аноде.

3). Спектральная характеристика J_ф=f(λ) припостоянном световом потоке и напряжении на аноде.

4). Частотная характеристика J_ф=f(F) – зависимость фототока от частоты, модуляции светового потока.

Вольтамперные характеристики вакуумного и газонаполненного фотоэлементов приведены на рис6.4. Для вакуумных фотоэлементов чётко наблюдается режим насыщения, величина тока которого зависит от светового потока. Насыщение наступает при напряжении 40-50В из-за того, что анод фотоэлемента имеет

обычно малые размеры и при малых анодных напряжениях траектории не всех электронов, вышедших из катода, пересекают поверхность анода. В начальной области характеристик, так же как и в электронных лампах, в фотоэлементе наблюдается ток при нулевом и даже отрицательном напряжении на аноде за счёт начальных скоростей фотоэлектронов.

В газонаполненных фотоэлементах вольтамперная характеристика не имеет резко выраженной области насыщения. При определённом напряжении начинается ионизация атомов газа и ток фотоэлемента резко растёт (возникает несамостоятельный газовый разряд). При некотором напряжении разряд становится самостоятельным, что приводит к разрушению фотокатода. Поэтому зажигание самостоятельного разряда в фотоэлементе недопустимо.

Нормальной световой характеристикой фотоэлементов является прямая линия J_Ф=kФ.Однако при больших световых потоках могут наблюдаться отклонения от линейности, обусловленные утомлением фотокатода, неэквипотенциальностью катода из-за большого сопротивления фотослоя, например, в сурьмяно-цезиевом фотокатоде и др.

Спектральная характеристика фотоэлементов близка к спектральной характеристике фотокатода (рис.6.3 ), от которой она отличается только из-за селективного поглощения света стеклом баллона фотоэлемента.

Частотная характеристика вакуумных фотоэлементов равномерна до очень высоких частот, при которых уже сказывается ёмкость схемы или время пролёта электронов (порядка 10^-8с ). В газонаполненных фотоэлементах их

чувствительность начинает уменьшаться уже на звуковых частотах, что определяется тем, что в процессе переноса тока участвуют и положительные ионы.

Параметрами фотоэлементов являются:

1). Интегральная чувствительность k, показывающая как изменяется величина фототока при изменении светового потока на 1 люмен

Интегральная чувствительность измеряется в мкА/лм и определяется для немонохроматического светового потока, даваемого электрической лампой накаливания при температуре нити 2850К.

2). Темновой ток фотоэлемента – ток полностью затемнённого фотоэлемента, который определяется термоэлектронной эмиссией катода и несовершенством изоляции,

3). Пороговая чувствительность фотоэлемента – тот световой поток, который вызывает фототок вдвое больше темнового.

4). Внутреннее сопротивление .

При включении в цепь фотоэлемента рабочего резистора вы­ходным сигналом схемы является падение напряжения на Я_н .в этом случае определяется чувствительность фотоэлемента по на­пряжению, которая равна

(6.4)

5. Методические указания

Схема для измерения характеристик и параметров фотоэлементов приведена на рис.6.5. Элементы схемы, обведенные пунктирной линией, собраны в светонепроницаемой металлической камере.

Питание фотоэлементов осуществляется от источника постоянного напряжения 300В, анодное напряжение регулируется с помощью потенциометра. Для изучения характеристик фотоэлементов с нагрузкой в анодную цепь включается резистор R_н. При снятии статических характеристик, этот резистор шунтируется включением тумблера К.

При снятии вольтамперных и световых характеристик фотоэлементы

освещаются лампочкой накаливания, питаемой переменным напряжением 12В. Световой поток, падающий на фотоэлемент, меняется регулировкой расстояния между ним и источником света, что достигается поворотом штурвала, расположенного с правой стороны макета. Расстояние между лампочкой и фотоэлементом индицируется стрелкой на шкале, расположенной на лицевой панели внизу. Световой поток, падающий на фотоэлемент, определяется по формуле

(6.5)

где J – сила источника света в канделах, r – расстояние между источником света и фотокатодом, S – площадь приёмного отверстия фотоэлемента.

При изучении частотных характеристик фотоэлементов питание лампочки накаливания выключается, а к неоновой лампочке МН подводится напряжение от звукового генератора ЗГ-10. В этом случае переменная составляющая анодного тока фотоэлемента измеряется с помощью осциллографа, на вход которого подаётся сигнал с резистора R_н. Вначале снимается зависимость от частоты F амплитуды переменной составляющей тока вакуумного фотоэлемента J_в, а затем газонаполненного J_г. Так как в диапазоне звуковых частот частотная зависимость для вакуумного фотоэлемента не проявляется, частотную зависимость газонаполненного фотоэлемента получим вычислив отношение J_г/J_в=f(F). Зависимости J_в=f(F)позволяет нам определить зависимость силы света, излучаемого неоновой лампочкой, от частоты питающего напряжения.

6. Задание

1. Записать паспортные данные исследуемых фотоэлементов.

2. Ознакомиться с устройством фотокамеры и использующимися в работе приборами.

3. Собрать схему для снятия световых и вольтамперных характеристик фотоэлементов.

4. Установив минимальное расстояние между источником света и вакуумным фотоэлементом, снять при U_a=200В зависимость фототока от времени (кривую утомления фотокатода) J_ф=f(t).

5. Снять семейство статических анодных характеристик J_ф=f(U_a)вакуумного фотоэлемента при различных световых потоках Ф.

6. Снять семейство статических световых характеристик J_ф=f(Ф)фотоэлемента при нескольких анодных напряжениях U_а.

7. Снять рабочую световую характеристику фотоэлемента при включённом сопротивлении нагрузки R_Н=10кОм для одного из значений U_а, использовавшихся в п.6. Статические и рабочую световые характеристики построить на одном графике.

8. По статической световой характеристике определить интегральную чувствительность фотоэлемента. Определить чувствительность фотоэлемента по напряжению по рабочей световой характеристике и вычислить по формуле (6.4).

9. Провести измерения по п.п.4-8 для газонаполненного фотоэлемента.

10. Включив источник света с модулируемой от генератора ЗГ-10 интенсивностью света снять при U_а=200В зависимость амплитуды переменной составляющей тока вакуумного и газонаполненного фотоэлементов от частоты модуляции света. Построить частотную характеристику газонаполненного фотоэлемента.

11. Построить все снятые экспериментально характеристики фотоэлементов.

7. Контрольные вопросы

1. Назовите основные законы фотоэффекта.

2. Почему фотокатоды, облучаемые видимым светом, не могут быть изготовлены из таких металлов, как вольфрам, молибден, никель?'

3. Что такое спектральная чувствительность фотокатода? Что такое интегральная чувствительность фотокатода?

4. Что такое явление "утомления" фотокатода?

5. Какие типы катодов наиболее часто применяются в современных фотоэлектронных приборах?

6. Расскажите об устройстве вакуумного электронного фотоэлемента.

7. Нарисуйте анодную, световую, спектральную и частотную характеристики электронного фотоэлемента.

8. Почему при больших освещенностях на световых характеристиках фотоэлемента с фотокатодом на стекле наблюдаются отклонения от закона Столетова?

9. Каковы причины возрастания анодного тока сурьмяно-цезиевых фотоэлементов при больших освещенностях на "участке насыщения" анодных характеристик?

10. Назовите основные параметры электронного вакуумного фотоэлемента.

11. Что такое чувствительность фотоэлемента по напряжению?

12. Какова интегральная чувствительность серийных электронных фотоэлементов?

13. В каком диапазоне температуры окружающей среды могут удовлетворительно работать электронные фотоэлементы?

14. Расскажите о применениях электронных фотоэлементов.

15. Расскажите об устройстве газонаполненного фотоэлемента.

16. Каким газом и до какого давления наполняются ионные фотоэлементы?

17. Какого вида разряд происходит в ионных фотоэлементах?

18. Почему в ионных фотоэлементах недопустим самостоятельный разряд?

19. Нарисуйте основные характеристики газонаполненного фотоэлемента: спектральную, анодную, световую и частотную.

20. Почему в газонаполненных фотоэлементах световые характеристики линейны только при малых световых потоках? Какие причины вызывают нелинейность световых характеристик?

21. Что такое коэффициент газового усиления? Как его можно определить экспериментально? От чего зависит величина коэффициента газового усиления?

22. Назовите основные параметры ионного фотоэлемента.

23. Как зависит чувствительность ионного фотоэлемента от частоты изменения светового потока?

24. Каковы недостатки ионных фотоэлементов, ограничивающие их применение?

25. Какими факторами определяется степень инерционности ионного фотоэлемента?

8. Литература

1. В.Ф.Власов. Электронные и ионные приборы, М., связьиздат,

1960, §24.1.

2. В.И.Талонов. Электроника. М., Физматгиз, 1960,

§§19-20, 34.

Работа №7

ИЗУЧНИЕ МНОГОКАСКАДНОГО ФОТОУМНОЖИТЕЛЯ

В работе изучаются закономерности вторичной электронной эмиссии, конструкция, принцип действия и характеристики многокаскадного фотоумножителя.

1. Введение

Эмиссия электронов с поверхности тела, бомбардируоемой потоком электронов – вторичная электронная эмиссия, находит широкое применение для усиления слабых электронных токов в фотоумножителях и передающих телевизионных трубках, используется для повышения крутизны электронных ламп и играет важную роль при работе многих электронных приборов. Коэффициент вторичной эмиссии σ определяется отношением числа вторичных электронов N_в (тока вторичных электронов J_в) к числу электронов, бомбардирующих поверхность тела N₀ (току первичных электронов J₀)

(7.1)

Распределение вторичных электронов по энергиям приведено на рис.7.1. Кривая имеет три максимума 1, 2 и 3. Опыт показывает, что анергия электронов в третьем максимуме равна энергии первичных электронов. Следовательно, его дают электроны, упруго отразившиеся от кристаллической решетки твердого тела. Второй максимум отстоит от третьего на несколько электронвольт и так же смещается при изменении

энергии первичных электронов. Следовательно, второй максимум формируется также электронами первичного пучка, но эти электроны при отражении теряют некоторую энергию (отражаются неупруго). Порвый же максимум создается собственно вторичными электронами. Его форма зависит только от материала мишени.

Современные представления о механизме вторичной эмиссии следующие. Первичные электроны проникают в кристаллическую решётку на определенную глубину, пропорциональную их энергии. При этом они переводят валентные электроны в зону проводимости и передает электронам проводимости энергию. Если при движении этих возбуждённых электронов проводимости, они приблизятся к поверхности твёрдого тела имея энергию, превышающую работу выхода, то будет наблюдаться выход вторичных электронов в вакуум.

2. Характеристики вторичной эмиссии.

Закономерности вторичной эмиссии становятся понятными, если учесть, что первичные электроны наиболее эффективно передают энергию электронам твёрдого тела в конце своего пробега. Таким образом, возбуждённые электроны, которые имеют возможность стать вторичными, зарождаются на некотором расстоянии от поверхности тела. Потери их энергии при движении в твёрдом теле зависят от свойств вещества. Ясли это диэлектрик или полупроводник, то потери энергии этих электронов незначительны, и коэффициент вторичной эмиссии может быть большим. В металлах из-за больного числа электронов проводимости возбужденные электроны быстро теряют свою энергию, и коэффициент вторичной эмиссии металлов невелик. На рис.7.2. приведена зависимость коэффициента вторичной эмиссии от энергии первичных электронов. Вначале σ растет, так как увеличивается число возбуждаемых электронов. Но при большой энергии первичных электронов электроны твёрдого тела возбуждаются слишком глубоко и σ начинает убывать.

Коэффициент вторичной эмиссии растёт при увеличении угла падения вторичных электронов (рис.7.3), так как в этом случае вторичные электроны зарождаются ближе к поверхности твёрдого тела.

Величина максимального значения σ_mзависит от материала мишени. Для металлов σ_mблизко к единице. Наибольший коэффициент вторичной эмиссии (до 10-15) наблюдается для некоторых окислов (ВеО, MgOи др.), а также сплавов (Ag-Mg, Cu-Mg, Cu-Al, Be-Niи др.). Значительно превышает единицу значение σ_mдля стекла и некоторых других диэлектриков.

3. Устройство и принцип действия фотоэлектронных умножителей

Принципиальная схема многокаскадного фотоумножителя приведена на рис. 7.4. В трубке помещено несколько электродов К₁-К₆. Потенциал каждого электрода выше, чем предыдущего. Первый электрод К₁ является фотокатодом. При освещении его светом из него выходят электроны и ускоряются в направлении эмиттера К₂ с большим коэффициентом вторичной эмиссии. Вторичные электроны с К₂ направляются на К₃, выбивают ещё большее количество вторичных электронов и т.д.

Последний электрод К₆ является анодом. Если каждый электрон, падая на какой-либо вторичный эмиттер, выбивает из него σвторичных электронов, то, очевидно, что

т.е. коэффициент усиления фототока в таком приборе равен σ'', где n- число ступеней умножителя.

Главной задачей в электронных умножителях является необходимость с наименьшими потерями направлять электроны с каждого эмиттера на следующий и, наконец, на анод. Для этой цели может быть использовано магнитное или электрическое поле. Современные фотоумножители имеют электростатическую фокусировку электронных потоков, для чего вторичным эмиттерам придаётся сложная форма, как показано на рис.7.5. Но и в этом случае не удаётся добиться полного перехода электронов, испускаемых данным эмиттером, на следующий. Поэтому реальный коэффициент усиления электронного умножителя меньше, чем σ".

Коэффициент усиления тока современных электронных умножителей достигает 10⁶-10⁷. Большой коэффициент усиления приводит к неустойчивой работе умножителя из-за возможной оптической и ионной обратной связи. Электроны, попадающие на эмиттеры или стенки баллона, могут привести к испусканию квантов света, которые вызывают фотоэмиссию с катода, усиливаемую умножителем. Кроме того, электроны ионизуют атомы остаточного газа. Положительные ионы будут двигаться по таким же траекториям, как и электроны, но в обратном направлении. Попадая на эмиттеры или катод, они также приведут к появлению вторичных электронов, ток которых также усиливается умножителем. При заметной обратной связи с фотоумножителем работать нельзя.

4. Характеристика и параметры фотоумножителей

Параметры фотоумножителей в основном те же, что и фотоэлементов. Интегральная чувствительность фотоумножителя равна произведению чувствительности фотокатода на

коэффициент усиления умножителя и достигает 100А/лм. Коэффициент усиления и интегральная чувствительность зависят от напряжения питания фотоумножителя. Такая зависимость для фотоумножителей с электростатической фокусировкой приведена на рис.7.6.

Важным параметром фотоумножителя является максимальный анодный ток, который в лучших случаях не превышает нескольких миллиампер. Превышение этого тока недопустимо, так как может привести к разрушению ближайших к аноду эмиттеров. Поэтому световой поток на входе фотоумножителя должен быть ограничен. Максимальный световой поток, измеряемый фотоумножителями, обычно не превышает 10^-4-10^-5лм.

Пороговая чувствительность фотоумножителя определяется его темновым током. Основной вклад в темновой ток фотоумножителя вносит термоэлектронная эмиссия с фотокатода и первых эмиттеров. Поэтому для повышения пороговой чувствительности фотоумножители охлаждают до низких температур.

Спектральные характеристики фотоумножителей определяются спектральной характеристикой фотокатода. Световые характеристики фотоумножителей линейны в диапазоне, в котором не превышается максимальный анодный ток и рабочая точка находится в области насыщения анодной характеристики. Анодная характеристика – зависимость анодного тока от разности потенциалов между анодом и последним вторичным эмиттером. Электроны, вышедшие с последнего эмиттера, полностью собираются анодом при напряжении, равном нескольким десяткам вольт.

5. Методические указания

Схемы для измерения характеристик фотоумножителя приведены на рис.7.7.-7.9. Фотоумножитель размещен в специальной светонепроницаемой камере. Для освещения

фотокатода внутри камеры установлена перемещаемая с помощью штурвала лампочка накаливания ЛН. Световые характеристики фотоумножителя снимаются путём изменения расстояния лампочки до фотокатода. Световой поток вычисляется но формуле 6.5, приведенной в работе №6. Лампочка имеет два режима накала: номинальный и пониженный. Переход от одного к другому осуществляется переключением тумблера 2. При работе по схеме рис.7.7 используется пониженный накал осветительной лампочки.

Делитель напряжения для питания всех электродов фотоумножителя (резисторы R₁-R_H, R_a) собран на отдельной панели из изоляционного материала и соединяется с фотоумножителем с помощью однополюсных вилок. Между входными клеммами и показанными на рисунке точками делителя установлены специальные гнёзда, в которые включается вилка кабеля микроамперметра с цифровым отсчётом. Включение этой вилки в различные гнёзда позволяет измерить ток в цепи фотокатода и всех динодов,. Таким образом может быть определён коэффициент усиления каждого каскада k_n=J_gn/J_g(n-1) и коэффициент усиления умножителя в целом k=J_a/J_k.

Анодные характеристики фотоумножителя снимаются с помощью схемы, изображенной на рис.7.8.

В этой схеме предусмотрена возможность изменения напряжения между анодом и последним динодом так, чтобы напряжения на остальных дх-иодах оставались неизменными. Знание анодной характеристики фото-, умножителя необходимо для правильного выбора сопротивления анодной нагрузки. Сопротивление в цепи анода фотоумножителя выбирается таким, чтобы рабочая точка при максимальном световом потоке смеща-ячсь в пределах участка насыщения анодной характеристики.

В схеме, приведенной ха ряс; 7.9, изучаются вольтамперные характеристики фотокатода и первого динода фотоумножителя. Остальные диноды фотоумножителя и анод соединяются вместе, что позволяет измерить ток вторичных электронов с первого динода. Изменение потенциала между фотокатодом и первым динодом позволяет регулировать энергию первичных электронов, падающих на динод. Тем самым схема позволяет определять коэффициент вторичной эмиссии в зависимости от энергии первичных электронов. Измерения по этой схеме проводятся при номинальном накале осветительной лампочки. При сборке схемы обратить внимание, чтобы величина сопротивления R_п2 была меньше, чем R_п1.

6. Задание

1. Записать паспортные данные исследуемого фотоумножителя и зарисовать схему соединения его электродов с выводами.

2. Ознакомиться с конструкцией фотокамеры и способом регулирования светового потока.

3. Изучать инструкцию по эксплуатации микроамперметра с цифровым отсчётом.

4. Собрать схему рис.7.7. Включить пониженный накал осветительной лампочки.

5. Снять зависимость тока катода и анода от величины напряжения питания J_k=f(U₀) и J_a=f(U₀) для трех значений светового потока Ф.

6. Снять семейство световых характеристик фотоумножителя J_а=f(Ф) для нескольких значений величины питающего напряжения U₀.

7. Для фиксированного значения Ф и U₀ измерить токи в цепи катода J_к, всех динодов J_g1-J_gn и анода J_a. Вычислить коэффициент усиления каждого каскада умножителя k_n=J_gn/J_g(n-1) и умножителя в целом k=J_a/J_k. Проверить справедливость равенства К=К₁·К₂…К_n.

8. По данным п.5 рассчитать и построить график зависимости коэффициента