Глава VII. Приёмники излучения. 2. Вычисленная оптика. Справочник под

 

Глава VII. Приёмники излучения

 

§7.1. Классификация приёмников излучения,

интегральные приёмники излучения

 

В зависимости от диапазона длин волн, в котором приёмники из­лучения обладают посто­янной чувствительностью, их подразделяют на две группы: интегральные и селективные.

К интегральным преобразователям относятся тепловые преобра­зователи, действие которых основано на преобразовании энергии из­лучения в температуру. Тепловые приёмники погло­щают всю мощ­ность падающего на них излучения независимо от длины волны.

К селективным приёмникам относятся фотопреобразователи, в которых используются яв­ления внутреннего и внешнего фотоэффекта. Это вакуумные и газонаполненные фотоэлементы, фотоумножители, фоторезисторы, фотодиоды и т.д.

Тепловой приёмник представляет собой тонкий чернёный метал­лический диск присоеди­нённый к термочувствительному элементу, измеряющему температуру диска. Чернёный диск поглощает падаю­щее на него излучение и нагревается до температуры, при которой мощность рассеиваемая излучением, теплопроводностью и конвек­цией, будет равна поглощаемой мощно­сти. Коэффициент поглощения чернёной поверхности мало отличается от единицы в диапазоне от ультрафиолетового до инфракрасного излучения. Следовательно тем­пература приёмника пропорциональна интегральной мощности падающего излучения и не зависит от спектраль­ного состава этого из­лучения.

В ряде случаев тепловые приёмники не имеют специальных дис­ков и представляют собой плоскую пластину из двух различных ме­таллов, образующих термопару, либо тонкую полоску из металла или полупроводника, изменяющую своё сопротивление в зависимости от темпера­туры. Преобразователи с изменяющимся сопротивлением на­зываются балометрами.

Для уменьшения конвективных потерь преобразователь излуче­ния помещают в вакуумном баллоне в котором делается окно из кварца. В качестве термочувствительного элемента исполь­зуют термо­пары, терморезисторы и т.д.

Интегральными преобразователями являются также пироэлектри­ческие элементы входя­щие в группу пьезоэлектриков. Пироэлектриче­ский эффект заключается в том, что заряд на гра­нях элемента появля­ется под действием температуры. К пироэлектрикам относятся титанат ба­рия, триглицеринсульфат ТГС, титанат лития.

§7.2. Характеристики фотоприёмников

Монохроматической чувствительностью фотоприёмников назы­вается отношение прира­щения фототока к изменению потока излуче­ния с длиной волны :

. (7.1)

Зависимость называется спектральной характеристи­кой приёмника. На прак­тике часто используется относительная спек­тральная характеристика

. (7.2)

где – максимальное значение монохроматической чувстви­тельности.

Интегральная чувствительность фотоприёмников определяется соотношением:

. (7.3)

 

Интегральная чувствительность фотоприёмников работающих в видимой части спектра определяется в диапазоне от 0.4 до 0.7 мкм. Интегральные чувствительности приводимые в пас­портных данных, определены при использовании стандартных источников. При исполь­зовании других источников интегральная чувствительность должна быть пересчитана. Чувствительность фотоприёмников зависит от схемы включения, поэтому употребляются понятия “чувствитель­ность по току”, “чувствительность по напряжению”.

Световой характеристикой фотоприёмника называется зависи­мость фототока от значения светового потока неизменного спектраль­ного состава .

Постоянная времени определяет быстродействие фотоприёмника, т.е. возможность измере­ния световых потоков переменной интенсив­ности.

Порог чувствительности характеризуется минимальным значе­нием потока излучения, ко­торый вызывает на выходе фотоприёмника сигнал, в заданное число раз превосходящий уровень шума.

Температура среды влияет на величину темнового тока и чувст­вительность фотоприёмни­ков, поэтому в паспорте приводятся и тем­пературные характеристики.

 

§7.3. Фотоэлементы с внешним фотоэффектом

К фотоэлементам с внешним фотоэффектом относятся вакуумные и газонаполненные фо­тоэлементы и фотоумножители. Принцип их действия заключается в том, что кванты света дос­тигая поверхности фотокатода выбивают электроны, которые увлекаются внешним элек­триче­ским полем и создают фототок. Электрон может покинуть катод, если энергия фотона больше работы выхода, т.е. , где – скорость света, – постоянная Планка. Каждый фотока­тод характе­ризуется длинноволновой границей спектральной чувствительности . Спек­тральные характеристики фотоэлементов с внешним фотоэффектом определяются свойствами фотокатодов.

На рис 7.1 показаны спектральные характеристики серебрянокис­лородоце­зиевого (кривая 1), сурьмяноцезиевого (кривая 2) и многощелочного (кривая 3) фотокатодов.

Вакуумные фотоэле­менты выполня­ются в виде сферических стеклянных бал­лонов, на внутреннюю по­верхность кото­рых наносят слой фоточувствительного материала, образующего фо­токатод 1. Анод 2 выполняется в виде кольца или сетки из никелевой проволоки (рис. 7.2). Выходные токи ваку­умных фотоэлементов не превышают не­скольких микроампер. Вакуумные фотоэлементы отличаются вы­соким быстродейст­вием.

Газонаполненные фотоэлементы по­зволяют получать зна­чительно большие выходные токи, чем вакуумные. При запол­нении фотоэле­мента инертным газом Ne, Ar, Kr, Xe фотоэлек­троны, движущиеся к аноду, сталкиваются с молекулами газа и ионизируют их. В результате к аноду движется нарастающая лавина электронов, а к катоду – лавина заряженных ионов. От­ношение тока, усиленного за счёт ионизации, к первичному фототоку называется коэффициентом газового усиления и мо­жет достигать 6–7. Чувствительность газовых фотоэлементов со­ставляет 100¸250 , тогда как вакуумных 20¸80 . Так как для развития газового разряда требуется время, то газовые элементы имеют низкое быстродействие и могут работать на частотах не выше нескольких герц.

 

Фотоумножители. В них для усиления первичного тока ис­пользу­ется вторичная электрон­ная эмиссия. Для этого в фотоум­ножителях помимо катода К и анода А имеются вторичные катоды(эмиттеры) Э (рис. 7.3) и сис­темы фокусировки электронного луча. Коэффициент вторич­ной электронной эмиссии может со­ставлять 2.5¸4, а число эмиттеров – десяти. Общий коэффи­циент усиления ФЭУ достигает со­тен тысяч.

§7.4. Фотоэлементы с внутренним фотоэффектом

Фоторезисторы представляют собой полупроводниковую пла­стину с контактами, которая при освещении уменьшает своё сопро­тив­ление в результате внутреннего фотоэффекта. Спек­тральные харак­те­ристики фоторезисторов определяются свойствами используемых по­лупро­водниковых материалов.

На рис. 7.4 пока­заны спектральные характеристики фо­торезисто­ров из сер­нистого свинца (тип ФС-А) – кривая 1, из селенида кадмия (тип ФС-Д) – кривая 2, из поликристаллов сернистого кадмия (тип ФС-К) – кривая 3 и монокристаллов сернистого кадмия (тип ФС-КМ) – кри­вая 4.

Фоторезисторы характеризуются краткостью измене­ния сопро­тивления под действием света , которая для различных ти­пов резисторов лежит в пределах 1,2¸10. Постоянные времени фото­резисторов составляют 10^-2¸10^-5 с. Порог чувствительности фоторези­сторов определяется дрейфом темнового сопротивле­ния и шумами различных видов.

Характеристики фоторезисторов сильно зависят от температуры. Темновое сопротивление и чувствительность с ростом температуры уменьшаются, а инерционность увеличивается.

Фотодиоды и фототранзисторы. Фотодиоды могут работать в двух режимах – фотогенера­торном и фотодиодном. В фотогенератор­ном режиме источник внешнего напряжения отсутст­вует. В фотодиод­ном ре­жиме к фотодиоду прикладыва­ется внешнее напряжение. При отсутствии облучения под дейст­вием этого напряжения проходит лишь небольшой темновой ток, а при освещении p – n перехода ток увеличивается в зависимости от интенсивности излучения. На рис. 7.5 показаны спектральные характеристики кремниевых (кривая 1) и гер­маниевых (кривая 2) фотодиодов. Частотный диапа­зон фотодиодов ле­жит в пределах 0.1¸1 МГц. Специальные фотодиоды имеют частотный диапа­зон до 10⁹ Гц. Интегральная чувствительность фотодиодов со­ставляет 3¸20 .

В фототранзисторе совмещены фотодиод и усилитель тока. Инте­гральная чувствительность фототранзисторов составляет 70¸100 . Некоторые типы фотодиодов ФД-1, ФД-9К, фототранзи­сто­ров ФТ-1К, ФТК-3.

Фотоварикапы. Принцип действия фотоварикапа основан на из­менении ёмкости p–n пере­хода при действии потока оптического из­лучения.