Фотоэлемент Советский патент 1983 года по МПК H01J40/16 

Изобретение относится к электронной технике, в.частности к фотоэле- i ментам с внешним фотоэффектом, и может найти широкое применение при конструировании быстродействующих фотоэлементов для исследования быстропротекающих процессов, например сильноточные быстродействующие фотоэлементы с внешним фотоэффектом находят широкое применение при исследовании быстропротекающих процессов вплоть до 10 с, причем для указанной цели применяются коаксиальные или полосковые фотоэлементы.

Известен коаксиальный фотоэлемент (фотоэлемент с бипланарной системой электродов), содержащий фотокатод, расположенный на торце внутренней илы коаксиальной линии или на дисе, соединенном с ней, и сетчатый, анод, расположенный параллельно фотокатоду на небольшом расстоянии от него и соединенный с внешней оболочкой коаксиальной линии Cl J.

Улучшение временного разрешения фотоэлементов как коаксиальных, так и полосковых встречает ограничения, связанные с влиянием времени пролета и реактивных сопротивлений конструкивных элементов. В случае коаксиального фотоэлемента даже при диаметре катода 3 мм и расстоянии анодкатод 0,4 мм величина емкости анодкатод составляет 0,15 пф и ее шунтирующее действие не позволяет получить переходную характеристику лучД1е , время пролета при напряжении 2000 В составляет 3 10 с. Возможность дальнейшего повышения. временного разрешения в этой конструкции ограничена, так как для уменьшения времени пролета необходимо повышать .напряжение или уменьшать расстояние анод-катод. Как показывает опыт работы с приборами, нельзя получить рабочее напряжение при зазоре 0,4 мм больше 2000 В. Если же уменьшить расстояние анод-катод, то из-за увеличения емкости необходимо использовать еще меньшую площадь фотокатода, что приводит к снижению линейных токов и препятствует получению фотокатодов высокой чувствительности. В то же время использование фотоэлементов в трактах регистрации световых импульсов длитель ностью десятки пикосекунд требует наряду с достаточным временным разрешением также и значительных выходных токов. Подобное сочетание требуемых характеристик вызывает главную трудность при конструировании.

Известен также фотоэлемент с несимметричной полосковой линией, представляющий собой расположенный ввакуумной оболочке с входным окном сзтрезок несимметричной полосковой линии с массивным фотокатодом на

одной из пластин линии и сетчатым анодом, образующим другую пластину. Пластины полосковой линии соединены с коаксиальным разъемом посредством плавного согласованного перехода. Но и в такой конструкции сложно получить временное разрешение лучше 3.10 с, так как приемлемое время пролета обеспечивается при расстоянии анод-катод 1 мм лишь при на|Пряжении 10000 В, а подобного ра|бочего напряжения получить в приборах не удается (длина катода при этом не должна превышать 9 мм). Если же уменьшать время пролета за счет уменьшения расстояния анодкатод, то приходится уменьшать поперечный размер анода полосковой линии, так как необходимо сохранить неизменным волновое сопротивление. При расстоянии анод-катод 0,5 мм ширина анода составляет л/3 мм при 2g 50 Ом, а время пролета при напряже НИИ 2000 В - 45 ПС. При расстоянии анод-катод 0,3 мм ширина анода составляет л/1,8 мм, а время пролета пр напряжении 1500 В - 25 по С2.

Подобную конструкцию трудно реализовать, так как необходимо обеспечить между электродами зазор 0,3 мм на протяжении 20-50 мм. Между тем временное разрешение рассмотренной конструкции не лучше 39 пс.

Целью изобретения является повышение временного разрешения и упрощение схемы шэдключения фотоэлемента к нагрузке..

Для достижения поставленной цели |В фотоэлементе с несимметричной по1ЛОСКОВОЙ линией, содержащем фотокат И анод, несимметричная полосковая линия образована двумя параллельным пластинами, введенными между фотокатодом и анодом и имеющими участки, прозрачные к электронному и световому потокам, причем одна из пластин, обращенная к фотокатоду, заземлена, а другая имеет гальваническую связь с анодом, максимальная величина емкости которого относительно заземленной пластины полосковой линии не должна превышать определяемой по формуле

1-т

С

I

вг

где Re волновое сопротивление полосковой линии;

fgr верхняя граничная частота; m - отношение напряжения на нагрузке на верхней граничной частоте к напряжению на нагрузке в пределах равномерного участка частотной характеристики.

В. предложенном фотоэлементе анод может быть выполнен в виде тела, с полостью, открытой со. стороны катода

На фиг. 1-3 представлены варианты конструкции фотоэлемента, выполненного согласно предлагаемому изобретению.

Фотоэлемент (фиг. 1) содержит фотокатод 1, полосковую линию, широкая пластина 2 которой заземлена, а узкая пластина 5 гальванически соединена с анодом 4, выполненным в виде цилиндра, торец которого, обращенный к входному окну, закрыт и снабжен участком, прозрачным для светового потока и электропроводящим коаксиальные вакуумплотные выводы 5 и 6, травер сы 7 для крепления анода-. Конструкция фотоэлемента с развитой поверхностью фотокатода (фиг. 2), в которую введена фокусирующе-ускоряющая система, образованная имеющими общий центр кривизны и представляющими собой части сферических поверхностей фотокатодом 1 и сетчатым электродом 8, причем для упрощения конструкции этот электрод подключен к заземленной пластине 2 полосковой линии. Анодом может быть, например, цилиндр. Анод 4 выполнен (фиг. З) в виде цилиндрического стакана, закрытого с торца, обращенного к входному окну. Иолосковая линия может быть включена на - проход (фиг. 1 и 2) или разомкнута на одном конце(фиг.3)

Устройство работает следующим образом.

Электроны, вылетевшие из фотокатода 1, ускоряются разностью напряжений Между фотокатодом 1 и полосковой линией 2 (фиг. 1), а для конструкций фиг 2 и 3 еще и фокусируются в сходящийся электронный поток. Электроны влетают в пространство между электродами полосковой линии со скоростью, определяемой разностью напряжений между фотокатодом 1 и полосковой линией. При пролете электронов в этом пространстве возникает наведенный ток, передающийся через разъемы 5 к нагрузке. Подавать напряжение между пластинами полосковой линии нет необходимости, так как электроны ускорены напряжением от одного до нескольких тысяч вольт, следовательно, не нужен коаксиальный разделительный конденсатор. Прошедший через полосковую линию электронный поток поступает во внутреннюю полость анода 4 той или иной конструкции и оседает на его поверхности. Отсутствие коаксиального конденсатора в сигнальной цепи значительно упрощает использование фотоэлемента и улучшает его временное разрешение в субнаносекундной области, так как конструирование и изготовление коаксиальных конденсаторов для этой области представляет серьезную и еще недостаточно решенную проблему. Подобная конструкция позволяет достичь

более высокого временного разрешения, чем полосковая (и коаксиальная), в первую очередь за счет того, что в отличие от полоскового фотоэлемента электроны пролетают полосковую

линию со скоростью V - У (I

I m

о I

-19

где е - заряд электрона 1, б ;т - масса электрона 9,1- , кг; UQ- ускоряющее напряжение. В, и время пролета таким образом равно

, где d - расстояние

между пластинами полосковой линии. Для известного полоскового фотоэле-сЗ

2m -t

мента Т

-5- 7Г т.е. в 2 раза Чо больше. Кроме того, время пролет.а в

предлагаемой конструкции можно сделать еще меньше за счет использования более высоких напряжений, чем в полосковом фотоэлементе, при одинаковом расстоянии между пластинами полосковой линии. Так, например, если в полосковом фотоэлементе при за5v3ope анод-катод 1 мм окажется допустимым напряжение (JQ, то при расстоянии 2-3 мм между фотокатодом и ускоряющим электродом в предлагаемой конструкции получаем значительно боль0шое рабочее напряжение, что дополнительно уменьшает время пролета электронов между пластинами полосковой линии. Наилучшее временное разрешение позволяет получить конструкция, приведенная на фиг. 1. В реальной кон5струкции фотоэлемента при зазоре между электродами 2 и 3 полосковой линии 0,8 мм и расстоянии между фотокатодом 1 и заземленным электродом 2 полосковой линии 2 lyw рабочее на0пряжение составляет 8000 В и соответственно время пролета 15 пс, а величина емкости анода относительно заземленной рластины не превышает 0,03 пф, что обеспечивает верхнюю

5 граничную частоту 35 Гц, т.е. соответствующую составляющую временного разрешения 10 пс. В то же время разброс во времена пролета электро- нов отфотокатода до полосковой ли0нии, вызванный разбросом начальных скоростей фотоэлектронов, не превышает 2- . Следовательно, временное разрешение у предлагаемой конструкции гораздо лучше, чем у по5лоскового фотоэлемента с тем же зазором в полосковой линии ( пс) . Диаметр фотокатода при указанных размерах выбран 3 мм, так как ширина узкого электрода полосковой линии при зазоре 0,8 мм и Ом состав0ляет 4 мм. Что касается диаметра отверстий в торцах анодов различной конфигурации (фиг. 1 и 2) , то они должны быть такими, чтобы стенки анода не затеняли фотокатод от пала5 f

кхцего света, яля чего вполне достаточно выбрать этот диаметр не менее 1,1 диаметра фотокатода. Излишнее увеличение этого диаметра свыше 1,21,3 диаметра фотокатода ухудшает перехват электронов и приводит поэтому к необходимости увеличить длину анода, которая для конструкций н фиг. 2 должна быть в 4-5 раэ больше фокусного расстояния ускоряюще- фокусирующей системы. Для конструкции.

приведенной на фиг. 3, диаметр анода выбирается из условий эффективного перехвата электронов-и недопущения затенения значительной ПЛОЩАДИ фотокатода, что достигается выбором его величины в интервале 0,1-0,4 от диаметра фотокатода, при этом анод затеняет 1-15% площади фотокатода...

ИзЬбретение позволяет на порядок улучшить временное разрешение при бора.

1. ФОТОЭЛЕМЕНТ с несимметричной полосковой линией, содержащий расположенные в вакуумной оболочке с входным окном фотокатод и анод, отличающийся тем, что, с целью повышения временного разрешения, а также упрощения схемы подключения фотоэлемента к нагрузке, несимметричная полосковая линия образована двумя параллельными пластинами, введенньми между фотокатодом и анодом и имеющими участки, прозрачные к электронному и световому потокам, причем одна из пластин, обращенная к фотокатоду, заземлена, а другая имеет гальваническую связь с анодом, максимальная величина емкости которого относительно заземленной пластины полосковой линии не должна превышать определяемой по формуле 1-т С fnR. 2Л f, В вr где R 6 - волновое сопротивление полосковой линии; fgr верхняя граничная частота; S тп - отношение напряжения на нагрузке на верхней граничной частоте к напряжению на нагрузке в пределах равномерного участка частотной характеристики. 2. Фотоэлемент по п. 1, отличающийся тем, что анод выполнен в виде тела с полостью, открытой со стороны катода. СП jiib 00 4: -к|