Изучение фотоэлектронного умножителя

Лабораторная установка состоит из следующих основных блоков и находящихся на лицевой стороне органов управления.

1. Светодиодной подсветки, включающей пять светодиодов разного цвета свечения с паспортными значениями длины волны излучения от 464 нм (минимально допустимое для используемого синего светодиода) до 636 нм (максимально допустимое для красного); и силы света (на токе 20 мА) в диапазоне от 51 мкд (минимальное для красного) до 917 мкд (максимальное для зеленого.)

2. Многопозиционного переключателя и связанного с ним индикатора, позволяющего выбрать используемый светодиод подсветки.

3. Источника управляющего напряжения для источника тока светодиодной подсветки.

   Величина тока пропорциональна значению напряжения (которое, в свою очередь, определяется положением движка переменного резистора), однако коэффициент пропорциональности может быть установлен независимо для каждого из светодиодов, что позволяет на этапе калибровки отградуировать прибор в единицах освещенности (лк), облученности (Вт м¯²), или потребляемой мощности (мВт.)

   Используемый переменный резистор совмещен с переключателем, позволяющим отключить (крайнее левое положение) подсветку для измерения темнового тока фотоэлектронного умножителя (ФЭУ.)

4. Управляемого источника тока светодиодной подсветки, совмещенного с источником фиксированного тока индикатора выбранного светодиода.

5. Источника низкого напряжения (15 В) с конденсаторным балластом, с номинальным током нагрузки 40 мА.

6. Источника высокого напряжения (1.3 кВ) с номинальным током нагрузки 1.25 мА (коэффициент пульсаций — не более 5%), представляющего собой четырехкратный умножитель сетевого напряжения (амплитудное значение — 325 В.)

7. Собственно фотоэлектронного умножителя ФЭУ‒62, с собранным непосредственно на панели по типовой схеме равномерным делителем напряжения из 12 резисторов сопротивлением 100 кОм ± 5%.

8. Стрелочного микроамперметра, позволяющего измерять ток ФЭУ.

Прибор предназначен для питания от электрической сети переменного тока синусоидальной формы напряжением 230 В ± 10% (действующее значение) и частотой 50 Гц ± 5%.

Пожарная безопасность прибора обеспечивается применением предохранителя (плавкой вставки) на ток 100 мА.

Внимание! В приборе используется источник питания с конденсаторным балластом и напряжение свыше 1000 В! Во избежание поражения электрическим током следует:

1. избегать прикосновения к металлическим частям работающего устройства;
2. использовать прибор в лабораториях, оснащенных устройством дифференциального тока (УДТ);
3. соблюдать все прочие требования электрической и пожарной безопасности.

Измерения предлагается выполнять в следующем порядке. Обратите внимание, что зашкаливание стрелочного микроамперметра может свидетельствовать о неисправности прибора; в этом случае его следует немедленно выключить и сообщить о проблеме преподавателю.

1. Удостовериться в том, что регулятор тока подсветки находится в крайнем левом положении («отключено».) Включить прибор и, после прогрева (несколько минут) измерить темновой ток.

2. Выбрать первый светодиод (красный цвет свечения) и, поворотом регулятора тока, включить подсветку. Плавно увеличивая ток подстветки, измерить ток ФЭУ для трех положений регулятора — записывая каждый раз как результирующее значение тока ФЭУ, так и выбираемое значение освещенности (облученности, или потребляемой мощности.)

3. Повторить измерения для остальных светодиодов для тех же значений освещенности (потребляемой мощности), каждый раз отключая подсветку перед переключением на очередной светодиод.

По собранным данным, используя справочные значения для длин волн максимумов спектральных характеристик используемых светодиодов (ниже), построить кривые спектральной чувствительности ФЭУ для каждого из выбранных значений изменяемого параметра (освещенности, облученности или потребляемой мощности.) Полученные таким образом экспериментальные значения можно сравнить с расчетными из следующего раздела.

Для всех используемых светодиодов, типовая величина угла обзора 2 θ_½ составляет 120°.

Следует отметить, что поскольку в паспорте приведены наименьшие допустимые значения чувствительности для используемого ФЭУ (что, вероятно, является обычной практикой для приборов данного класса), приведенные ниже результаты носят характер оценок. (Так, например, на этом обороте этикетки экземпляра прибора, испытанного в 1973 г., находим чувствительность 1 А лм¯¹ для напряжения питания 860 В — при допуске «не более 1000 В».)

Подобные соображения справедливы и для светодиодов (см. таблицу 1 — допуск для силы света может составлять до 50%; в некоторых же случаях приводится лишь наименьшее допустимое для прибора значение величины), однако можно надеяться, что выполнение калибровки большей частью исключит индивидуальные различия между экземплярами СИД одного типа.

Еще одна особенность — имеющаяся кривая чувствительности фотокатода (ФК) приведена для диапазона 400 ÷ 1200 нм, в то время как световые фотометрические величины (люмен, люкс, кандела) определены лишь для видимого света (380 ÷ 780 нм.) Ясно, что для использования данной кривой световые величины следует перевести в энергетические.

Считая, что токи всех светодиодов в некотором положении движка резистора установлены так, чтобы обеспечить (на расстоянии 55 мм) освещенность фотокатода 0.25 лк, или же (учитывая рабочую площадь фотокатода 78 мм²) световой поток 19.6 мклм, получаем оценку для тока ФЭУ (при чувствительности 1 А лм¯¹) в 19.6 мкА.

Для удобства расчетов, построим для кривой чувствительности ФК на интересующем нас диапазоне (464 ÷ 636 нм) следующий интерполяционный многочлен — используя значения функции в точках λ ∈ {500, 800} нм и замечая, что в этих точках производная функции обращается в ноль:

a (λ) = −49.63 × 10⁻⁹ λ³ + 96.78 × 10⁻⁶ λ² − 59.56 × 10⁻³ λ + 12.13.

Качественно определить зависимость тока от длины волны можно переведя световой поток в поток излучения (используя кривую спектральной световой эффективности), учтя кривую чувствительности ФК, и предполагая, что установка калибрована так, что предельный наблюдаемый ток составляет около 100 мкА, получим следующую таблицу; где Φ = 19.6 мклм / (V × 683 лм / Вт) — падающий на ФК поток излучения; I₀ = 0.89 мкА / Вт × a × Φ — теоретическое значение тока ФЭУ; 0.89 мкА / Вт — чувствительность ФЭУ, отнесенная к падающему потоку излучения.

# λ, nm V (λ)   a (λ)   Φ, nW   I₀, μA
630     .265    .598    108     57.6
610     .503    .534     57     27.1
590     .757    .475     38     16.0
520     .710    .339     40     12.2
470     .090    .351    319     99.6

1. Photomultiplier tube // Wikipedia. URI: http://en.wikipedia.org/wiki/Photomultiplier_tube
2. ФЭУ‒62. URI: http://gstube.com/scan/2871_1.gif
3. Фотоэлектронный умножитель типа ФЭУ‒62. URI: http://web.archive.org/web/20211209152533/https://st.violity.com/auction/big/auctions/11/76/19/0/117619046.jpg
4. Относительная чувствительность фотокатода. URI: http://web.archive.org/web/20211209152013im_/https://rudatasheet.ru/wp-content/uploads/2017/04/Spektr-271x300.png
5. Photopic spectral luminous efficiency function. URI: http://web.archive.org/web/20150910000350/http://www.kayelaby.npl.co.uk/general_physics/2_5/2_5_3.html#v_lambda
6. TO-1608BC-BF_9201T109. URI: http://www.oasistek.com/pdf/TO-1608BC-BF_9201T109.pdf
7. TO-1608BC-PG_9201T057. URI: http://www.oasistek.com/pdf/TO-1608BC-PG_9201T057.pdf
8. TO-1608BC-MYF-N-590_9201T071. URI: http://www.oasistek.com/pdf/TO-1608BC-MYF-N-590_9201T071.pdf
9. TO-1608BC-MRE_9201T098. URI: http://www.oasistek.com/pdf/TO-1608BC-MRE_9201T098.pdf
10. KPH-1608SEC. URI: http://doc.platan.ru/pdf/datasheets/Kingbright/KPH-1608SEC.pdf