Документ взят из кэша поисковой машины. Адрес оригинального документа : http://vega.inp.nsk.su/~inest/astrolib/Sun/kursoviki/sun/sun.ps Дата изменения: Thu Jan 6 10:59:58 2000 Дата индексирования: Mon Oct 1 20:42:40 2012 Кодировка: Windows-1251 Поисковые слова: spring

Министерство общего
и профессионального образования РФ
Новосибирский Государственный Университет
Никулин Максим Александрович
Терехов Иван Сергеевич
Определение относительной квантовой
эффективности мультищелочного
фотокатода
курсовая работа
Новосибирск, 1999

Аннотация
В данной работе описано измерение относительной квантовой эффектив-
ности мультищелочного фотокатода ФЭУ-100 с кварцевым окном. Это
было необходимо для создания автоматизированной спектрометричес-
кой установки, которая используется в обсерватории ?Вега?. В литера-
туре спектральная характеристика либо отсутствует, либо прорисована
недостаточно подробно, кроме того даже фотокатоды одного типа мо-
гут различаться по своим параметрам. В качестве спектра, по которому
производилась калибровка был использован спектр лампы накаливания.
Работа также может представлять интерес для тех, кто занимается спек-
трометическими измерениями с использованием ФЭУ с мультищелочны-
ми катодами. Приведен график полученной квантовой эффективности
фотокатода в диапазоне 320830 нм с погрешностью не более 17%.

1 Введение
В этой работе исследовалась спектральная характеристика фотокатода
ФЭУ-100. В этом ФЭУ используется мультищелочной SbKNaCs катод.
Фотокатоды этого типа имеют наибольшую абсолютную квантовую эф-
фективность и ширину спектра. Кварцевое окно этого ФЭУ позволяет
вести измерения в ультрафиолетовой области спектра. В качестве излу-
чающего прибора с известным распределением энергии в спектре исполь-
зовалась лампа накаливания, которую можно считать серым телом.
2 Краткая теория
2.1 Модели абсолютно черного и серого тел
Светящиеся поверхности характеризуются светимостью R и яркостью B
[2]. Светимость  это поток энергии P , излучаемый единицей площади в
пределах полупространства. Если  угол между нормалью к площадке,
а
d
элемент телесного угла, то яркостью называют коэффициент B в
выражении
dP = BdS cos
d
:
Яркость и светимость связаны между собой соотношением R = B.
Вводят также понятие спектральной яркости b 
, которая связана с B
выражением
B =
Z 1
0
b  d:
Излучение тела, находящегося в термодинамическом равновесии с
окружающей средой называется излучением абсолютно черного тела.
Однако при этом коэффициент поглощения тела должен быть равен еди-
нице. При этом плотность возрастает с увеличением температуры, кро-
ме того, максимум смещается в коротковолновую область. Спектральная
плотность абсолютно черного тела описывается формулой Планка
b 0

= frac2hc 2
 5
1
exp(hc=kT ) 1
: (1)
Если коэффициент поглощения отличен от единицы, при этом он мо-
жет зависеть от длины волны, то спектральная плотность изменяется.
1

Тела характеризуются коэффициентом серости a, равном отношению яр-
костей рассматриваемого и абсолютно черного тела при заданной длине
волны. Если коэффициент серости зависит от длины волны или тело
имеет цвет, то максимум излучения смещается.
Кроме термодинамической температуры, вводят цветовую и яркост-
ную. Это разделение по способу измерения.
Если при измерении температуры пирометром добиваются совпаде-
ния яркостей объекта и калиброванной нити накаливания, то получен-
ную температуру называют яркостной. Яркостную температуру обычно
измеряют на длине волны  = 0;66 мкм. Соотношение между яркостной и
термодинамической температурой можно получить следующим образом.
Спектральная плотность серого тела b 
и абсолютно черного b 0

связаны
формулой b  (T яр ) = ab 0

(T ). Отсюда, используя (1), можно получить
T =
hc
k
1
ln(1 + a(e hc=kT яр 1))
: (2)
2.2 Принцип работы ФЭУ
Фотоумножители являются одними из самых чувствительных приборов.
Кратко их работу можно описать так. Свет проходящий через кварце-
вое окно 1 ФЭУ с нанесенным на его внутреннюю поверхность фотока-
тодом 2, выбивает из последнего фотоэлектроны, которые ускоряются
приложенным напряжением и размножаются на динодах 3. В результате
от фотона на анод 4 прилетает лавина электронов (рис. 1). По способу
снятия сигнала схемы включения делятся на счетные и работающие в не-
прерывном режиме [1]. В данной установке использовался непрерывный
режим работы ФЭУ. Это было обусловлено тем, что лампа накалива-
ния и Солнце, для снятия спектра которого также применялась данная
установка, имеют большую яркость.
Фотокатоды характеризуются квантовой эффективностью. Эта вели-
чина равна отношению зарегистрированных фотонов к общему числу
при заданной длине волны. Для мультищелочных катодов максимальное
значение порядка 0,2. Также вводится относительная квантовая эффек-
тивность, равная в максимуме 1.
2

0
0
0
0
0
0
0
1
1
1
1
1
1
1
2 kV
out
1 3 4
2
Рис. 1: схема ФЭУ: 1 кварцевое окно, 2 фотокатод, 3 диноды, 4 анод
3 Описание установки
Свет лампы 1 попадает в фокусирующую систему 2. В фокусе системы 2
помещается щель монохроматора 4. Между лампой и монохроматором
может помещаться светофильтр или световод 3, однако в данной работе
световод не применялся, так как он вносит дополнительное искажение
спектра. Шаговым двигателем 14 посредством редуктора 13 на монохро-
маторе выбирается нужная длинна волны. С помощью монохроматора
выделяется нужная длинна волны. Свет с заданной длинной волны идет
в ФЭУ. На выходе ФЭУ идет ток пропорциональный интенсивности све-
та. Ток идет в усилитель 6. На выходе усилителя имеем напряжение
пропорциональное току ФЭУ. Напряжение с усилителя подается на вход
вольтметра.
В осветителе использовалась лампа ОП-33-03. Осветитель и форми-
рователь пучка были взяты от МДР-23.
Преобразователь ток-напряжение был собран на операционном уси-
лителе к155уд1а.
Характеристики монохроматора МУМ: в качестве диспергирующе-
го элемента служит вогнутая нарезная дифракционная решетка. Радиус
кривизны 250 мм. Рабочая область спектра 0,20,8 мкм.
Напряжение измерялось 20-разрядным интегрирующим вольтметром
?Липенок? Ц-0609. С точностью 16 мкВ. Управление шагового двигателя
14 производилось с помощью блока УШД-2.
Для управления КАМАК-модулями испозовался контроллер крей-
3

4
13 14
5 6 11
+12
-12
V
0
16
1.9-2.5kV
15
9 10
8
7
-
+
12
1 2 3
Рис. 2: Схема установки. 1. лампа. 2. фокусирующая система. 3. све-
товод. 4. монохроматор, 5. ФЭУ, 6. усилитель, 7. крейт, 8. вольтметр,
9. блок управления шаговым двигателем, 10. контроллер крейта 11. пер-
сональный компьютер, 12. блок питания лампы, 13. редуктор, 14. ша-
говый двигатель 15. блок питания ФЭУ, 16. блок питания усилителя и
шагового двигателя.
та К-0607. На компьютере была установлена ОС linux, RedHat. Крейт-
контроллер подключался к плате ППИ-2, драйвер КАМАК А. Никифо-
рова. Для проведения измерений была написана специальная программа,
использующая интерфейс командной строки.
4 Методика измерений
4.1 Калибровка усилителя
При калибровке на вход усилителя подавалось напряжение 3636 В,
через сопротивление 999 кОм. Напряжение на выходе измерялось вольт-
метром В7-40, им же контролировалось напряжение на сопротивлении,
подключенному ко входу.
4

4.2 Измерение температуры нити лампы накалива-
ния
Температура нити измерялась оптическим пирометром ОППИР-0,9. К
сожалению предел температуры пирометра ниже, чем температура, ис-
пользовавшаяся при снятии спектра лампы, поэтому использовался сле-
дующий способ измерения. Мощность, излучаемую лампой, с одной сто-
роны можно представить, как P = RI 2 , а с другой как P = aST 4
яр ,
согласно закону Стефана-Больцмана, где R сопротивление нити (в изме-
рениях пренебрегалось зависимостью сопротивления от температуры),
I ток, текущий через лампу; a, как уже упоминалось, коэффициент се-
рости, S площадь поверхности,  постоянная Стефана-Больцмана, Tяр
температура нити лампы. Сравнивая эти выражения, можно получить
соотношение
Tяр = k
p
I;
где k  коэффициент, подлежащий определению. В рабочем диапазоне
пирометра определялся этот коэффициент, затем вычислялась яркост-
ная температура лампы при снятии ее спектра и по формуле (2) опреде-
лялась термодинамическая температура.
4.3 Измерение квантовой эффективности фотокато-
да
Для определения квантовой эффективности были сняты спектры лампы.
По теоретическому спектру лампы накаливания можно определить спек-
тральную характеристику фотокатода. Для проверки перекрывания раз-
ных максимумов дифракционной решетки были проведены измерения
с фильтром gg11. Спектр этого фильтра был снят на микрофотометре
СФ-26. Спектры, снятые при различном напряжении на ФЭУ, сопостав-
лялись с экспериментально подбираеиыми коэффициентами. В резуль-
тате был получен спектр, по которому была определена относительная
квантовая эффективность. При обработке коэффициента пропускания
фильтра, спектра лампы использовалась аппроксимация сплайнами, ко-
торая также использовалась при обработке спектров Солнца.
5

-0.01
-0.005
0
0.005
0.01
0.015
-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40
delta
I, mkA
Рис. 3: Относительная погрешность коэффициента преобразования ток-
напряжение
5 Проведенные измерения
5.1 Калибровка усилителя
В результате измерений было выяснено, что отклонение коэффициента
преобразования ток-напряжение от линейного не превышает 1% и точ-
ность снятия спектра не превышает этой величины. Однако точность
измерений при необходимости ее можно повысить, учтя нелинейности.
5.2 Измерение температуры лампы
Для определения коэффициента k были проведены измерения, приведен-
ные в таблице 1. Измерения осложнялись малой площадью излучающей
поверхности. По этим данным можно определить, что среднее значение
k = 4514. При снятии спектра ток через лампу был 0,298 А, значит
Tяр = 2472. По формуле (2) можно вычислить, что T = 2740  20 
термодинамическая температура с учетом погрешностей измерения.
6

Таблица 1: определение коэффициента k
температура нити ток k
t Ж С Tяр , К I, А
2000 2270 0.2500 4540
1960 2230 0.2401 4551
1970 2240 0.2502 4478
1930 2200 0.2403 4488
5.3 Определение относительной квантовой эффектив-
ности фотокатода
Для определения квантовой эффективности фотокатода была снята за-
висимость тока ФЭУ от длинны волны. В ходе эксперимента зависимость
тока от длинны волны была снята без фильтра и с фильтром GG11 (спек-
тры и функция пропускания фильтра приведены на рисунке). Это де-
лалось для того, чтобы выяснить пропускает ли монохроматор второй
порядок. Выяснилось, что монохроматор второй порядок не пропускает.
Были объединены полученные спектры с подбираемыми коэффициен-
тами (для спектра, снятого с фильтром, предварительно делилось на
функцию пропускания) и получена аппроксимация спектра кубическим
сплайном s(). Относительная квантовая эффективность f вычисляется
по формуле
f() =
s()
b  
;
где  коэффициент нормировки, подобран так, чтобы значение в макси-
муме было равно 1. Погрешность определения квантовой эффективности
определяется, главным образом, неточностью определения температуры
источка излучения и составляет 27% при  = 300 нм, 10%   = 800. Так
как эта величина относительная и нормируется на 1, а отклонение воз-
можно только в одну сторону, можно сказать что погрешность на самом
деле не превышает 17%. Присутствующие на графике волнообразные от-
клонения могут быть объяснены интерференцией света в покрытиях фо-
токатода.
7

6 Выводы
Проведенные измерения показали, что пока необходимости усложнять
схему усилителя для компенсации нелинейности и устранения дрейфа
нуля. Гораздо большее значение для повышения точности калибровки
имеет более точное определение температуры нити накаливания лам-
пы. Полученная характеристика позволила начать спектрометрические
измерения Солнца. И при получении более точной спектральной харак-
теристики фотокатода, соответственно повысится точность спектромет-
рических измерений.
7 Заключение
Цель работы была достигнута, но исследования в этой области еще не
завершены. Одним из направлений дальнейших измерений может стать
калибровка в диапазоне 220350 нм, например по спектру водородной
лампы. Возможен перевод ФЭУ в счетный режим работы, что позволит
снимать спектры объектов с меньшей яркостью.
Список литературы
[1] Матвеев В. В, Соколов А. Д. Фотоумножители в сцинтилляционных
счетчиках, М.1962
[2] Лебедева В. В. Техника оптической спектроскопии, М.1986
[3] Миронов В. В. Прецизионная фотометрия, М.1997
8