Измерительные преобразователи уровня излучения
Измерение, синхронизация и наблюдение слабых световых потоков достигли высокого уровня благодаря существованию методов усиления, которые неприменимы в обычной схемотехнике. Фотоумножители, усилители с канальными пластинами, ПЗС (приборы с зарядовой связью) и УУКМ (усилитель + усилитель с кремниевой мишенью) включены в каталог высококачественных оптических детекторов. Сначала рассмотрим самые простые детекторы (фотодиоды и фототранзисторы), а затем перейдем к экзотическим и удивительным устройствам.
Фотодиоды и фототранзисторы
Диодный переход работает как фотодетектор. Свет создает электронно-дырочные пары и тем самым вызывает ток во внешней цепи. Диоды, используемые в качестве фотодетекторов (фотодиоды и p-i-n- диоды), имеют прозрачный корпус и обладают хорошим быстродействием, высоким КПД, низким уровнем шума и малыми токами утечки. Простейший режим работы фотодиода — это когда он соединен параллельно с сопротивлением нагрузки или с входом преобразователя ток/напряжение, как показано на рисунке.
Более быстрое срабатывание (при том же фототоке) у обратно-смещенного перехода:
Быстродействующие p-i-n-диоды имеют времена срабатывания несколько наносекунд или меньше (ширина полосы 1 ГГц), если нагружены на низкое сопротивление. Следует отметить, что у хороших p-i-n-диодов ток утечки так мал (меньше наноампер), что тепловые шумы сопротивления нагрузки становятся доминирующими уже при сопротивлениях, меньших или равных 100 Мом. Поэтому отношение быстродействие/шум здесь выбирается на основе компромисса. Кроме того, при работе с низкими уровнями светового потока нужно учитывать и ошибки, вызываемые смещением напряжения на входе усилителя или напряжения сдвига в сочетании с «темновым» сопротивлением фотодиода.
Фотодиоды — прекрасные детекторы излучения в условиях, когда света много, но если уровень излучения низок, то сигнал с его выхода может быть слишком мал. Обычно их чувствительность порядка 1 мкА на 1 мВт падающего излучения. Поток в 1000 фотонов в 1 с, видимый невооруженным глазом, если его сфокусировать на p-i-n-диоде, вызовет фототок всего в 4∙10-16 А, что совершенно невозможно выделить на фоне шума и тока утечки.
Здесь лучше применять не фотодиоды, чувствительные к фотонам, а так называемые фоторезисторы, которые имеют значительно больший выходной ток, чем фотодиоды, при сравнимых уровнях облучения, но хуже по быстродействию. Фототранзисторы работают как обычные транзисторы, но ток базы — это фототок, получаемый в переходе база- коллектор.
Недорогие фототранзисторы типа MRD701 имеют выходной ток порядка миллиампера при освещенности 1 мВт/см2, времена нарастания и спада десятки микросекунд, а фототранзисторы Дарлингтона типа MRD711 имеют фототок примерно в 50 раз выше, но времена нарастания у них составляют 100 мкс или более. Заметим, однако, что добавочное усиление тока в фототранзисторах или в составных фототранзисторах не улучшает их способность детектировать очень малые уровни света (чувствительность), поскольку нижний предельный уровень определяется «темновым током» детекторного диода.
Существуют прекрасные результаты с фотодиодами фирмы UDT, Siemens и Hamamatsu. В каталоге последней представлено впечатляющее разнообразие детекторов, включая кремниевые p-n-переходы, p-i-n-диоды на кремнии, фотодиоды на GaAs (как диффузионные, так и Шоттки) и на GaP, лавинные детекторы. В каталоге перечислены простые детекторы различных размеров и вида, а также линейные фотодиодные матрицы. ADT выпускает серии детекторов с разъемами типа МВС.
Фотоумножители
Для детектирования и измерения малых световых потоков (и иногда с наносекундным разрешением) лучше всего пригодны фотоумножители. В них фотоны (мельчайшие частицы света) вырывают с «фотокатода», изготовленного из светочувствительного щелочного металла, электроны. В фотоумножителе этот слабый фототок усиливается благодаря ускоренному движению электронов к последующим поверхностям (динодам), из которых легко вырываются дополнительные электроны. Рисунок иллюстрирует этот процесс.
При таком «электронном умножении» шум первоначального сигнала фототока практически не усиливается. Делитель напряжения обычно рассчитывают так, чтобы между соседними динодами падало по 100 В, при этом усиление на каждом каскаде было равно 10 или общее 106. В конце концов ток собирается на аноде, потенциал которого близок к земле:
Ток бывает настолько велик, что шумы последующего усилителя уже не играют роли.
Наиболее эффективные фотокатодные материалы имеют квантовый выход, превышающий 25%, и благодаря большому усилению, обеспечиваемому динодами, легко фиксируются отдельные фотоэлектрические акты. Если световой поток очень мал, то сигналы после ФЭУ (фотоэлектронного умножителя) подаются на импульсный усилитель, интегрирующий заряд, дискриминатор и счетчик. При больших световых потоках количество фотоэлектронов становится столь большим, что анодный ток фиксируется как макроскопическая величина. ФЭУ имеют чувствительность порядка 1 А на 1 мкВт, а максимальный анодный ток ФЭУ не должен превышать 1 мА. Таким образом, число фотонов практически ограничивается величиной около 1 млн/с, что при грубой оценке соответствует падающей мощности 2·10-12 Вт!
Обычно выпускаемые электронные приборы работают в режиме как счета импульсов, так и измерения тока на выходе. Например, «квантовый фотометр» фирмы РАР с встроенным источником высокого напряжения работает в обоих режимах. Он имеет 11 диапазонов для счета импульсов (полная шкала от 10 имп./с до 106 имп./с) и 11 диапазонов считывания анодного тока (полная шкала 10 нА — 1 мА).
Даже в условиях полной темноты на аноде будет небольшой ток. Он вызывается тепловыми электронами, исходящими из фотокатода и динодов, и его можно уменьшить, если охлаждать ФЭУ до температуры -25 °C и ниже. Обычно темновые токи для светочувствительного катода ФЭУ из щелочноземельных металлов имеют величину примерно 30 ед./(с·см2 площади катода) при комнатной температуре. Охлажденный ФЭУ с небольшим катодом имеет темновой ток меньше единицы в секунду. Следует помнить, что ФЭУ с включенным напряжением питания не должен подвергаться воздействию обычного света. Для ФЭУ, в окно которого попал дневной свет даже при отключенном питании, требуется 24 ч или более, чтобы он «остыл» и его темновой ток вернулся к нормальному уровню.
В некоторых применениях (например, флуоресцентные измерения) ФЭУ могут известное время подвергаться воздействию ярких вспышек света. В этом случае можно минимизировать время, восстановления при перегрузке, блокируя ускоряющее напряжение на первых нескольких динодах во время вспышки (некоторые изготовители предоставляют эту возможность соответствующим сочетанием ФЭУ/гнездо).
По сравнению с фотодиодами ФЭУ обладают более высоким квантовым выходом, сохраняя быстродействие (время нарастания обычно равно 2 нс). Однако они громоздки и требуют стабилизированного источника высокого напряжения, поскольку усиление ФЭУ возрастает экспоненциально в зависимости от приложенного напряжения.
Особое значение приобретают ФЭУ при работе с чрезвычайно малыми световыми потоками. Они используются при токах анода порядка микроампера или менее, следовательно, ФЭУ легко «видят» свет, который вы не можете видеть. Фотоэлектронные умножители применяют не только для непосредственного детектирования света, как в астрономии (фотометрия) и биологии (биолюминесценция, флуоресценция), но и в схемах совпадений со сцинтилляторами типа детекторов частиц и детекторов рентгеновского и гамма-излучения. ФЭУ широко используются в спектрофотометрии, где они в сочетании с призмами, дифракционными решетками или интерферометрами позволяют проводить точные измерения оптических спектров. ФЭУ изготовляются фирмами RCA (Burle), Hamamatsu, EMI и EG&G.
ПЗС, усилители изображения, УКМ, УУКМ и диссекторы изображения
С помощью некоторых новейших искусных методов можно получить изображение на уровне отдельных световых квантов, т. е. можно сформировать изображение с такой же чувствительностью к малым световым потокам, что и в фотоумножителях (не дающих изображение). Эти изобретения удивительны. Можно сидеть в совершенно темной комнате и смотреть в телевизионный монитор, в котором изображаются, хотя и со множеством «бликов», все предметы в комнате.
Ключевым узлом во всех этих устройствах является электронно-оптический усилитель изображения, на выходе которого формируется яркая реплика входного изображения. Считывание осуществляется либо с помощью обычного видикона (ТВ-камеры) с кремниевой мишенью, либо с помощью матрицы ПЗС. В видиконе изображение, спроецированное на светочувствительную двумерную мишень, считывается сканированием электронного пучка, а в ПЗС-путем сдвига «изображения» по типу аналогового регистра сдвига. Чувствительность телевизионной камеры много ниже уровня отдельных фотонов — это двумерный аналог фотодиода. Если поместить перед камерой трубку электронно-оптического усилителя изображения, свершится чудо. Схематично этот процесс изображен на рисунке.
Электронно-оптические усилители поступают в двух вариантах. В усилителях с первичной генерацией чувствительная поверхность фотокатода такая же, как и в фотоумножителях. Здесь предусмотрена фокусировка электронов и имеется люминофорный экран, расположенный позади так, что фотоэлектроны от катода ускоряются под действием приложенного высокого напряжения и бомбардируют люминофор с энергией, достаточной, чтобы вызвать яркие вспышки света. С помощью такого усилителя можно получить на одном каскаде усиление около 50 с разрешением приблизительно 50 линий на 1 мм. Обычно ставятся два, три или четыре каскада, чтобы получить общее усиление света 106 или более.
Входное и выходное окна делаются из стекла с внутренним соответственно фоточувствительным или фосфорным покрытием. Или же они могут изготовляться из плотной связки оптических волокон. Оптические волокна обладают тем преимуществом, что позволяют сопрягать совершенно плоские входные и выходные поверхности с искривленной поверхностью трубки. Благодаря волоконной оптике упрощаются внешние оптические узлы, так как можно соединять эти устройства покаскадно, прямо стыкуя их вместе без всяких линз.
Электронно-оптические усилители с вторичной генерацией, в которых используются «микроканальные пластинки», позволяют достичь более высоких значений для коэффициента усиления света на одном каскаде, и их лучше всего использовать при низких уровнях световых потоков, когда число «ионных актов» мало. Положительные ионы вырываются из люминофора и движутся к катоду, где производят сильный всплеск. В этих усилителях в пространство между катодом и люминофором помещается микроканальная пластина, представляющая собой связку микроскопических полых трубок, внутренняя поверхность которых покрыта умножающим слоем по типу динодов. Фотоэлектроны от катода ударяются снизу об эти каналы, вырывая вторичные электроны, благодаря чему получается усиление света порядка 10000.
Можно получить разрешение около 20 лин./мм, а используя специфические конфигурации («J-канал», «С-канал», «шеврон»), почти полностью решить проблему дефицита ионных актов. В результате получается усилитель изображения с таким же квантовым выходом, как и фотоумножитель (20-30%). Использование почти бесшумного умножения электронов позволяет довести уровень усиленного света до уровня чувствительности видикона или ПЗС.
Такие усилители, совмещенные в одной трубке с видиконом, имеющим кремниевую мишень, называют УКМ (усилители с кремниевой мишенью). УУКМ (усилитель + усилитель с кремниевой мишенью) — это УКМ, перед которым с внешней стороны встроен дополнительный усилитель:
