Последний уровень раздела предыдущего изложения   Текущий уровень изложения предыдущего раздела   Текущий уровень изложения следующего раздела   Первый уровень изложения следующего раздела   Уровень: Глоссарии:


Фотокатоды ЭОП

Основные требования к фотокатодам ЭОП:



Фотокатод наносится на прозрачную стеклянную подложку. В качестве фотокатодов применяются тонкие полупрозрачные слои полупроводников сложной структуры с малым квантовым выходом. Свойства и возможности фотокатодов принято оценивать с помощью ряда параметров и характеристик, из которых основными являются спектральная и интегральная чувствительности, квантовый выход, частотная и световая характеристики.

Если принять, что спектральная чувствительность имеет аналитический вид S(l )= lmax ЧЧ s( l) и учесть, что поток излучения, попадающий на фотокатод, имеет вид , то интегральная чувствительность фотокатода s определится по формуле:

Выражение называется эффективным лучистым потоком, воздействующим на ЭОП, а отношение интегралов носит название коэффициента использования излучения фотокатодом k. Тогда интегральная чувствительность примет вид: S=S lmax ·k.

Для перевода величины S из энергетических единиц в светотехнические используется следующая зависимость: Scв=I/F=I/ F· V(l)max· kгл=J/F · 683· kгл=S/683kгл, где kгл - коэффициент использования глазом потока излучения; V( l)max - максимальная ордината кривой спектральной чувствительности глаза.

Обычно чувствительность фотокатодов. Приводимая в паспортах, определяется для температуры излучателя Т=2854 К. Чувствительность фотокатода к реальному объекту будет иной, чем указанов паспорте, и в расчетах приходится это учитывать. Обозначив величину, относящуюся к эталонному и реальному источникам излучения соответственно индексами "э" и "р", получим: S э=Sl maxk э и Sр=Sl maxkр , откуда следует, что Sр=Sэ(kр/k э).

Таким образом, принципиальным элементом ПНВ является ЭОП с канальным усилением, твердотельные усилители света, электронно-оптические затворы.

Познакомимся с устройством ЭОП, их характеристиками и параметрами.

Спектральные характеристики фотокатодов, применяемых в приборах наблюдения, приведены на рис.17.

Рис.17. Спектральные характеристики фотокатодов

Рассмотрим их параметры и особенности эксплуатации.

Сурьмяно-цезиевый фотокатод (Sb-Cs) имеет область спектральной чувствительности 0,4-0,6 мкм, l max=0,42. Интегральная чувствительность составляет S=5 ·10-4 А/Вт; плотность темнового тока - Iт=10-15-10-16 А/см ; квантовый выход -m=0,2-0,3 электрон/квант. При охлаждении до 183 К наблюдается падение чувствительности в длинноволновой области и возрастание в коротковолновой. Нагрев же до 373 К приводит к необратимым процессам в структуре фотокатода. Длительный срок службы катода приводит к его утомлению, увеличению работы выхода, что снижает интегральную чувствительность и вызывает смещение красной границы в коротковолновую область спектра. Заметное утомление наблюдается при токе свыше 1 мкА/см2. Малый темновой ток позволяет достичь высокой пороговой чувствительности в видимой области спектра.

Многощелочной фотокатод благодаря комбинации щелочных металлов имеет хорошую чувствительность в видимой области спектра, продленную в ИК-диапазон до 0,85 мкм. Так, соединение сурьмы со щелочными металлами Na, R, Sb (Sb-K-Na-Cs) имеет следующие параметры: lmax=0,52 мкм; область спектральной чувствительности D l =0,52 мкм; S=2,5 · 10-4 А/Вт; квантовый выход m=0,35; плотность темнового тока Iт =10-16-10-17 А/см2. Благодаря малой величине термотока и чувствительность в ИК-области этот фотокатод позволяет создать универсальную аппаратуру, приспособленную для работы в широком диапазоне спектра. Таким образом, многощелочные фотокатоды превосходят сурьмяно-цезиевые. Токоустойчивость их также выше (на три порядка) и доходит до единиц миллиампер на квадратный сантиметр. Рабочая температура фотокатода не должна превышать 323-343 К.

Существующие другие двухщелочные фотокатоды (>Na2 KSb, Na2CsSb) имеют, по сравнению с рассмотренным трехщелочным катодом, меньший квантовый выход и более короткую красную границу, до 0,65 мкм, однако у этой группы фотокатодов меньше термоэмиссии и лучшая термостойкость, до 400 К.

Кислородно-серебряно-цезиевый фотокатод (AgO-Ag-Cs) отличается еще большей чувствительностью в ИК-области, которая простирается до 1,3 мкм. Кривая спектральной чувствительности имеет три максимума, но ее главный максимум находится на длине волны l max=0,8 мкм. Квантовый выход m=0,01, lгр=1,3; S=3 ·10-4 А/Вт;I т=10-10-10-13 А/см2. Основной недостаток этого катода - большой темновой ток, что делает его непригодным для применения в ночных приборах пассивного действия.

Наиболее близким по спектральной чувствительности к глазу является висмуто-серебряно-цезиевый катод (Bi-Ag-O-Cs). Он обладает панахроматической (равномерной) чувствительностью в видимой области спектра, но из-за значительного темнового тока не нашел применения в ЭОП.

В последнее время разработаны фотокатоды, основанные на отрицательном электронном сродстве, в которых снижением уровня Ферми добиваются величины работы выхода, меньше ширины запрещенной зоны. Уровень Ферми понижается использованием примесных полупроводников. Для этого на поверхность полупроводника наносится тонкий (одноатомный) слой электроположительного вещества. Отсутствие потенциального барьера на поверхности полупроводника с отрицательным электронным сродством изменяет характер фотоэмиссии, особенно заметной в области красной границы полупроводника. Квантовый выход снижается вблизи порога фотоэфекта, поэтому спектральные кривые фотокатодов имеют подъем в красной области до длин волн 0,9-1,06 мкм. Эти фотокатоды лучше рассмотренных по величине отношения сигнал/шум и сроку службы. Поэтому применение данных фотокатодов перспективно в ИК-области. Так чувствительность фотокатода InAsP-Cs2O на длине волны 1,06 мкм в 20 раз превышает чувствительность кислородно-серебряно-цезиевого фотокатода ([5]*). Фотокатод на основе отрицательного электронного сродства (Ga-In-As) имеет чувствительность в области спектра от 0,2 мкм до 1,03 мкм Sсв=2· 10-4 А/лм; S=3·10-2 А/Вт.

При эксплуатации фотокатодов обязательно учитывается их поведение в условиях изменения температуры. Охлаждение заметно снижает темновой ток, что иногда используется при проектировании аппаратуры для повышения ее чувствительности. Установлено, что для того, чтобы изменить темновой ток на порядок, внешнюю температуру необходимо изменить на 15 К для кислородно-серебряных фотокатодов, на 25 К - для многощелочных фотокатодов и на 40 К - для сурьмяно-цезиевых.

На рис.18 показан ход темнового тока для ряда фотокатодов ([5]*).

Рис.18. Изменение темнового тока фотокатодов в зависимости от их температуры

При эксплуатации фотокатодов необходимо помнить, что фотокатоды подвержены утомлению и старению. Старение наиболее заметно в течение первых дней после изготовления, а утомление растет с увеличением падающего светового потока и анодного напряжения, а также при охлаждении фотокатода.