Фотоэлектронный прибор Советский патент 1980 года по МПК H01J40/00 

Изобретение относится к электронной технике, к фотоэлектронным прибо рам с оптическим усилением чувствительности фотокатода. Известна конструкция ФЭУ, в которой для увеличения чувствительности использован способ полного внутренне го отражения i . Однако она предполагает использование фотокатодов большой площади и не обеспечивает прохождения луча через одну точку фотокатода. Вследстви этого термоэмиссия электронов с фото катода значительно уменьшает отноше. ние сигнал/шум и делает невозможным применение подобной конструкции в случае приема очень слабых световых сигналов. Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является фотоэлектронный прибор с полупрозрач ным TopuoBfcjM фотокатодом, в котором для повышения отношения сигнал-шум входная часть выполнена в виде прямо многогранной призмы,находящейся в оп тическом контакте с наружной поверхностью подложки фотокатода- . Конструкция прибора обеспечивает многократное взаимодействие светово пучка с одной и той же областью фото катода и благодаря этому даёт возмож- . ность использовать в фотоэлектронном приборе фотокатод с ограниченной рабочей площадью в условиях, когда размер рабочей зоны фотока ода сравним с сечением светового пучка. В таких фотоэлектронных приборах шумы, связанные с термоэмиссией фотокатода, минимальны, что и обеспечивает наилучшее отношение сигнал/шум, при использовании этих фотоэлектронных приборов для регистрации слабых световых СИГНсШОВ. В фотоэлектронном приборе входная часть выполнена в виде прямой многогранной призмы, симметричной относительно одного из ее углов, изготовленной из оптически прозрачного материала с коэффициентом преломления,близким к коэффициенту преломления фотокатода. В этом приборе световой пучок попадает на подложку фотокатода под углом.45° и без преломления идет на фотокатод под тем же углом. Известно, что эффективность взаимодействия светового пучка с фотокатодом значительно повьшается при увеличении угла падения света на фотокатод до величины 55-65. В этом случае можно уменьшить необходимое для практически полного поглощения число взаимодействий светового пучка с фотокатодом и упр.остить конструкцию входной части фотоэлектронных приборов с оптическим усилием. Однако в известной конструкции пр бора обеспечить оптимальный угол падения светового пучка на фотокатод невозможно без ухудшения соотнетпения сигнал/шум,, так как входная часть этого прибора выполнена из материала имеющего такой же коэффициент прелом ления, как подложка фо гокатода. Непосредственное увеличение угла падения светового пучка на фотокатод в этом приборе увеличивает размывание светового пучка на фотокатоде и соответственно уменьшает отношение диа метра используемого светового пучка рабочей площади фотокатода.Например, для того, чтобы световой пучок задан ного сечения не выходил за пределы рабочей площади фотокатода, при увеличении угла падения этого пучка на фотокатод с 45 до 60 необходимо уве личить диаметр фотокатода в 2 раза, что приводит к двухкратному возраста нию тока термоэмиссии. Кроме того, при использовании прямых призм, дополнител. наклон светового пучка приводит к нарушению условий полного внутреннего отражения на боковых отражающих гранях,что требует нанесения специальных отража покрытий.В этом случае усложняется технология изготовления фотоэле тронных приборов с оптическим усилен ем чувствительности фотокатода. Цель изобретения - упрощение конструкции фотоэлектрюнного прибора ПР сохранении максимального соотношения сигнал/шум. Это достигается тем, что прямая призма выполнена из материала с коэф фициентом преломления п , превышающим коэффициент преломления п подложки фотокатода, а высота h призмы связана с радиусом R окружности, впи санной в двугранный угол, образованный входной и выходной гранями призмы, углом об между входной гранью и первой по ходу светового пучка боковой отраижающей гранью, углом ф падения светового пучка на подложку ф 3токатода и толщиной d указанной подложки следующим соотношением: tt -coscp h (l- cos2«) RCtgqi- n.-n sin(f Ha ФЙГ.1 схематически пред(5тавлена входная часть фотоэлектронного прибора; на фиг .2 показана развертка призмы и подложки фотокатода по ходу светового пучка. Прямая призма1 установл1ена с помощью оптического клея на внешней стороне подложки 2 фотокатода фотоdэлектронного прибора. На входной и выходной гранях призмы установлены дополнительные оптические элементы 3 и 4, выполненные соответственно в виде клина и параллелепипеда. Радиус окружности, вписанной в двугранный угол, образованный входной и выходной гранями, равен R , причем ось светового пучка пересекает фотокатод под центром этой окружности. Кроме того, биссекторная плоскость АА двугранного угла, образованного боковыми отражающими гранями, также пересекает центр указанной окружности. Угол между входной гранью призмы 1 и первой йо ходу светового пучка боковой отражающей гранью равен об .Толщина подложки фотокатода равна d , коэффициенты преломления подложки 2 и Призмы 1 равны соответственно п. Световой пучок 5 падает на подложку фотокатода под углом (р . С учетом этих обозначений высота h призмы 1 задается соотношением: h (l.cos2c).R.cigCf,. l.fgf.c3 (1) sin Ср Устройство работает следующим образом (см.фиг.2). Световой пучок 5 сечением S падает перпендикулярно к входной грани оптического элемента 3, который разворачивает пучок на подложку фотокатода, Так как показатель преломления материала призмы превышает показатель преломления подложки фотокатода, световой пучок падает на фотокатод под углом ц/, большим У . При этом проекция S светового пучка на фотокатод имеет такой же размер, как его проекция на прдложку фотокатода, и определяется выражениемнезависимо от величины угла (р Например, если использовать в качестве материала призмы широко применяемое стекло ТФ-5 с коэффициентом преломления п,1,75, то световой пучок,падающий на .подложку фотокатода с п.а1,50 под углом ( 45°,пойцет на фотокатод под углом: . n -sinCf. lp,j,QPCS h-i---i, (3). т.е. в данном случае . При таком угле падения эффективность взаимодействия света, например, на длине световой волны л 700 нм с мультищелочным фдтокатодом повыиаётся на 50%, причем проекция светового пучка на фотокатод остается близкой к минимально возможной при условиях полного внутреннего отражения, а потери света на границе раздела призмаподложка не превышают 1,5%.

После отражения от фотокатода световой пучок последовательно попадает на боковую отражающую грань призмы, верхнее основание, другую боковую отражающую грань, и снова попадает на фотокатод в ту. же область где произошло первое взаимодействие. Затем световой пучок направляется на дополнительный оптический элемент 4, попадает в ребро прямого двугранного угла параллелепипеда, разворачивается на 180° и вновь идет на фотокатод. Таким образом, циклы взаимодействия светового пучка с фотокатодом повторяются в обратной последовательности, вплоть до выхода непоглотившейся части энергии светового пучка через входную грань элемента 3.

Применение описанного технического решения позволило создать фотоэлектронный прибор, эффективность к0торого при реализации четырех взаимодействий светового пучка с мультищелочным фотокатодом в видимой и ближней инфракрасной областях спектра выше, ч-ем эффективность известного прибора, в котором используется 6 взаимодействий светового пучка с фотокатодом. Это позволило упростить конструкцию входной части фотоэлектронного прибора с оптическим усилением чувствительности, снизить требования на его юстировку и на расходимость используемого светового пучка.

Формула изобретения

Фотоэлектронный прибор с полупрозрачным торцовым фотокатодом, входная часть которого выполнена в виде прямой многогранной призмы, находящейся в оптическом контакте с подложкой фотокатода, отличают,ийся тем, что, с цельнЗ упрощения конструкции фотоэлектронного прибора при сохранении максимального отношения сигнал/шум, призма выполнена из материала с коэффициентом преломления п.,, превышающим коэффициент преломления п подложки фотокатода, а высота h призмы связана с радиусом R окружности, вписанной в двугранный угол, об5разованный входной и выходной гранями призмы, углом л между входной гранью и первой по ходу светового пучка боковой отражающей гранью, углом (f падения светового пучка на под

0 ложку фотокатода и толщиной d подложки соотношением:

и coscf

h«ll -Cos2ou)-R clgcf +

.54П2(

25

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Патент США 3299306, кл. 313-95, 1967.

2.Авторское свидетельство СССР 327864, кл. Н 01 J 39/20, 1975 (прототип).