Реферат на тему электронные умножители

Обновлено: 18.05.2024

В современной науке изучение кратковременных и малых световых потоков трудно представить без фотоэлектронного умножителя.

Фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) - это фотоэлектрический приемник излучения, преобразующий световой сигнал в электрический.

Глава 1. Устройство фотоэлектронного умножителя

1.1 Схема фотоэлектронного умножителя

Рис.1. Схема фотоэлектронного умножителя

1.2. Фотокатод

1.3. Катодная камера

1.4.Динодная система

1.5. Конструкции динодных систем

Глава 2.Принцип работы фотоэлектронного умножителя

2.1. Характеристики ФЭУ

2.2. Генерация полезного сигнала на выходе ФЭУ

2.3. Форма сигнала на выходе ФЭУ

2.4. Питание ФЭУ

2.5. Спектральная характеристика

Анодная чувствительность и коэффициент усиления

Глава 3. Применение фотоэлектронных умножителей в ядерной физике

3.1. Создание сцинтилляционных счетчиков

3.2. Принцип работы сцинтилляционного счетчика

В качестве в сцетилляционных счётчиках используются:

• жидкие органические сцинтилляторы

• твердые пластмассовые сцинтилляторы

Заключение

Список литература

1. Анисимов И.И., Глуховской Б.М. Фотоэлектронные умножители. М., Сов.радио, 1974.

2. Берковский А. Г., Гаванин В. А., Зайдель И. Н., Вакуумные фотоэлектронные приборы, М., 1976.

3. В.О.Вяземский, И.И. Ломоносов, В.А. Рузин. Сцинтилляционный метод в радиометрии. М.,Госатомиздат, 1961.

4. Г.С. Ландсберга. Элементарный учебник физики (том 3).М., Наука, 1971

5. Дж.Биркс. Сцинтилляционные счетчики. М., ИЛ, 1955.

6. Думин В.Н. и др. Электронные приборы. – М.:Энергоиздат, 1989.

7. Жигарев А.А. Электроннолучевые и фотоэлектронные приборы. – М.: Высшая школа, 1982.

8. Тишкин П.А. Экспериментальные методы ядерной физики (детекторы ядерных излучений). Издательство Ленинградского Университета, 1970.

9. Хлебников Н. С., Леонид Александрович Кубецкий. [Некролог], "Успехи физических наук", 1960, т. 71.

10. Ю.А. Егоров. Стинцилляционный метод спектрометрии гамма излучения и быстрых нейтронов. М., Атомиздат, 1963.

Фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) - очень распространенный и во многих случаях незаменимый детектор излучения. Он позволяет регистрировать и предельно слабые и довольно интенсивные потоки. От единиц до … фотонов в секунду. Постоянная времени - порядка … с, т.е. допускает весьма высокие частоты модуляции. Может быть размещен на воздухе и в вакууме. На выходе дает легко измеримый сигнал. Все это с лихвой компенсирует неудобства, связанные с необходимостью использования высоковольтных блоков питания (0.5…2.5 кВ) и довольно большими габаритами ФЭУ.

Содержание работы

Введение;
Устройство и основные узлы фотоэлектронного умножителя:
Фотокатод;
Катодная камера;
Динодная система;
Анодный блок;
Принцип работы и режимы использования ФЭ:
Форма сигнала на выходе ФЭУ;
Режим счета одноэлектронных импульсов;
Режим постоянного тока;
Режим счета многоэлектронных импульсов;
Питание ФЭУ;
Вывод;
Литература.

Содержимое работы - 1 файл

Готовая курсовая.docx

Введение;
Устройство и основные узлы фотоэлектронного умножителя:

Фотокатод;

Катодная камера;
Динодная система;
Анодный блок;

Принцип работы и режимы использования ФЭ:

Форма сигнала на выходе ФЭУ;
Режим счета одноэлектронных импульсов;
Режим постоянного тока;
Режим счета многоэлектронных импульсов;
Питание ФЭУ;

Вывод;

Литература.

В 1934 году Л.А. Кубецким был получен первый действующий образец нового фотоэлектрического прибора – фотоэлектронного умножителя (ФЭУ).

Трудно переоценить значение этого изобретения и его практического осуществления для развития науки и техники, когда фотоэлектронные умножители получили столь широкое распространение и стали незаменимым орудием исследования в ядерной физике, в оптике и астрономии, в биологии, медицине и сельском хозяйстве, в химии и металлургии и находят все более широкие технические применения в автоматизации управления производственными процессами, в поисках полезных ископаемых и т. п. Необходимо иметь в виду также, что сам метод вторично- электронного усиления умножения сделал возможной непосредственную регистрацию отдельных молекулярных, атомных и ядерных частиц (электронные умножители), а также нашел важные применения в электронных лампах.

Изобретение Л. А. Кубецкого, и особенно практическое его осуществление, открыло новый этап в развитии исследования любых явлений, связанных или могущих быть так или иначе связанными с испусканием и поглощением света, дав в руки исследователей электронный инструмент непревзойденной и принципиально непревосходимой чувствительности, точности и быстроты действия.

Все значение фотоэлектронных умножителей было оценено далеко не сразу. Оно

раскрылось лишь после того, как было показано, что ни с каким другим приемником в ядерной физике не может быть получено такой подробной информации об исследуемых

процессах, как при посредстве фотоэлектронного умножителя. Этот новый этап развития начался в 1948 г., т. е. на 14 лет позже рождения первого ФЭУ.

Фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) - очень распространенный и во многих случаях незаменимый детектор излучения. Он позволяет регистрировать и предельно слабые и довольно интенсивные потоки. От единиц до … фотонов в секунду. Постоянная времени - порядка … с, т.е. допускает весьма высокие частоты модуляции. Может быть размещен на воздухе и в вакууме. На выходе дает легко измеримый сигнал. Все это с лихвой компенсирует неудобства, связанные с необходимостью использования высоковольтных блоков питания (0.5…2.5 кВ) и довольно большими габаритами ФЭУ.

Устройство и основные узлы фотоэлектронного умножителя

Рис. 1 Схематичное изображение устройства ФЭУ.

Фотоэлектронный умножитель состоит из фотокатода (1), катодной камеры (1)–(3), динодной системы (3)–(14) и анодного узла (14)–(16), размещенных внутри вакуумного объема. Световой поток Φ поглощается фотокатодом, эмитирующим в вакуум электроны. В электростатическом поле, создаваемом электродами катодной камеры, электроны ускоряются и фокусируются на первый динод (3). Ускоренный первичный электрон способен выбить с поверхности несколько вторичных, медленных (отношение числа вторичных электронов к числу первичных называется коэффициентом вторичной эмиссии и обычно обозначается буквой σ). Умноженные на первом диноде, вторичные электроны ускоряются и фокусируются на второй динод. Далее этот процесс повторяется на всех каскадах и с последнего динода усиленный электронный поток собирается анодом. Каждый динод работает и анодом, собирая электроны с предыдущего, и катодом, эмитируя усиленный поток. Отсюда и название - динод.

Фотокатод

Конструкция каждого ФЭУ должна обеспечить оптимальные условия попадания светового излучения на фотокатод (оптический вход ФЭУ), поэтому применяются различные геометрические расположения фотокатода относительно оси вакуумной колбы и различные материалы входных окон.

Для регистрации несфокусированного излучения используется торцевой оптический вход, изображенный на рис. 1. В этом случае полупрозрачный фотокатод, работающий на просвет (излучение попадает на фотокатод со стороны подложки), формируется при изготовлении в виде тонкой пленки непосредственно на плоском входном окне. Диаметр фотокатода может превышать 250 мм, но наиболее широко применяются ФЭУ с диаметрами рабочей площади от 5 до 50 мм.

В этом случае мы имеем массивный фотокатод, формируемый на металлической, т.е. хорошо проводящей поверхности. Он имеет существенные преимущества перед полупрозрачным и по эмиссионным свойствам и, главное, по электрическим. Дело в том, что материал фотокатода - полупроводник с невысокой и сильно зависящей от температуры проводимостью. Электрод к полупрозрачному фотокатоду может быть подведен только по периферии, так что при больших интенсивностях света и соответственно больших токах эмиссии проводимость вдоль тонкой пленки от периферии к центру может оказаться недостаточной, особенно если фотокатод придется охлаждать для уменьшения

темнового тока. В массивном фотокатоде ток от металлического электрода к поверхности течет не вдоль, а поперек слоя и ограничений по величине фототока практически не возникает.

Катодная камера

Катодная камера ФЭУ образуется поверхностями фотокатода и первого динода, а также расположенными между ними электродами, форма и распределение потенциалов на которых определяют ее электронно-оптические свойства. У неё две функции: вытягивание электронов с фотокатода и фокусировка их на первый динод. Отсюда и характеристические параметры.

эффективность, т.е. коэффициент сбора электронов с фотокатода на первый динод.
фокусировка, определяющая допустимое отношение рабочих площадей фотокатода и первого динода.
разброс времен полета электронов вылетающих с различных точек фотокатода. Он приводит к неопределенности времени задержки импульса на выходе ФЭУ относительно момента поглощения фотона и определяет временную ширину многоэлектронного импульса.

Рис. 2. Некоторые варианты электронно-оптических систем для ФЭУ с торцевым входом. Числа у Электродов - потенциалы.

На рис. 2 показаны три типа катодных камер ФЭУ с торцевым входом (и полупрозрачным фотокатодом). Ради улучшения эффективности сбора фотоэлектронов и, главное, ради уменьшения разброса времен их пролета из разных точек фотокатода, иногда приходится собирать довольно сложные электронно-оптические системы, как у ФЭУ-87 (рис. 2,в).

Динодная система

Материал динода и энергия падающих на него электронов определяют только коэффициент вторичной эмиссии. Кроме него, умножительные свойства каждого каскада и динодной системы в целом зависят и от следующих параметров, чувствительных к конструкции системы:

эффективность, т.е. отношение величины усиления динода к коэффициенту вторичной эмиссии применяемого материала. Эффективность может быть меньше единицы из-за возможного выталкивания электронов объемным зарядом за пределы динода-мишени. В жалюзийных системах возможен также прямой пролет электронов, минуя ближайший динод на следующий.
разброс времени пролета электронов на каскад, определяющий быстродействие системы - ширину одноэлектронного импульса на выходе ФЭУ.
величина градиента потенциала у эмитирующей поверхности, от которой зависят и быстродействие, и линейность световой характеристики. Нелинейность возникает на последних каскадах, где велики плотности тока. При малом градиенте потенциала медленные вторичные электроны могут создать объемный заряд у поверхности эмитирующего динода, достаточный для того, чтобы часть электронов вернулась на динод.
острота фокусировки, определяющая критичность выполнения заданных геометрических размеров и распределения потенциалов на электродах.
рабочая площадь, определяющая токоустойчивость и постоянство характеристик в широком диапазоне интенсивностей, а значит, и величин токов на динодах.
обратная связь в динодной системе, возникающая при переносе возбуждения в сторону фотокатода. Обратная связь может возникать вследствие ионизации молекул остаточных газов либо возбуждения люминесценции поверхностей или остаточных газов электронным ударом. Положительный ион вытягивается полем в сторону, противоположную электронному потоку и, упав на динод, выбивает из него электроны, включающиеся в общий поток. Генерируемый квант люминесценции также может поглотиться и создать дополнительный .затравочный. фотоэлектрон где-нибудь близ первого динода. Конструкции динодных систем бывают различны. В основном, в выпускаемых промышленно ФЭУ используются коробчатые системы, жалюзийные, корытообразные. Реже - системы с непрерывным динодом.
в коробчатой системе (рис. 3 а, б (определенный ниже)) динод представляет собой часть поверхности цилиндра (в сечении обычно 1/4 окружности), закрытую с торцов крышками. Эта система характеризуется неострой фокусировкой электронов, малой напряженностью электрического поля у поверхности динода и малой величиной его рабочей площади.

Достоинства коробчатой системы . высокая эффективность каскада (~95%) при использовании различных типов вторично-эмиссионных поверхностей (SbCs и BeO на СuBe), жесткость формы динода, почти полная экранировка пролетных промежутков от влияния крепежных изоляторов, компактность. Широко применяется при создании малошумящих механически устойчивых ФЭУ.

Рис. 3. Динодные системы ФЭУ.

Корытообразные дидоны (рис. 3,в) - почти тоже самое, что и коробчатые, но у них нет боковых стенок, а форма поверхности динода обеспечивает нужную фокусировку электронов. В системах с острой фокусировкой используются различные варианты корытообразных динодов. Например, тороидальные диноды, представляющие собой поверхности тела вращения этого профиля. Так же и в вакуумном диоде, кенотроне. Для полного сбора на анод термоэлектронов, испущенных катодом, т.е. насыщения анодного тока, требуются анодные напряжения порядка ста вольт.

Жалюзийная система (рис. 3, г) имеет диноды, состоящие из наклонных полосок . лопастей жалюзи, являющихся эмиттерами вторичных электронов, и прозрачной сетки, находящейся под тем же потенциалом. Сетка экранирует жалюзи от тормозящего поля предыдущего динода, обеспечивая попадание вторичных электронов на лопасти следующего динода. У такой системы рабочая площадь динода относительно велика, а междинодное расстояние может быть сделано достаточно малым. Электрическое поле между жалюзийными динодами является приблизительно однородным. При переходе с каскада на каскад по мере увеличения числа и плотности электронов в пачке происходит ее расширение из-за взаимного расталкивания электронов. Жалюзийная система характеризуется неострой фокусировкой и не препятствует этому расширению, что увеличивает площадь динода, по которой распределяется электронный поток, и обеспечивает устойчивость сигнала ФЭУ при больших токовых нагрузках. В то же время, напряженность электрического поля у поверхности динода велика и это позволяет довести разброс времен пролета электронов между двумя каскадами до величин менее 1 нс.

Рис. 4 Фотоэлектронный умножитель, состоящий из полупрозрачного фотокатода (1), электронного умножителя с непрерывным динодом (2) и коллектора (3).

Недостатком жалюзийной системы является возможность пролета электронов через динод без умножения, т.е. невысокая эффективность динодного каскада. Эта же причина ухудшает и временное разрешение.

Умножители частоты, или как их называют в более развернутом виде, системы формирования дискретного множества частот, в настоящее время получили очень широкое распространение в самых разнообразных видах радиоэлектронной аппаратуры.

Индукционные печи с токами высокой частоты, радиосвязные, радионавигационные и радиолокационные системы, схемы подавления помех, системы управления скоростью двигателя – вот далеко не полный перечень областей применения умножителей частоты.

Появление первых разработок умножителей частоты относится к 30-м и 40-м годам XX века.

В электротехнике и электронике умножителем частоты называется радиоэлектронное устройство, предназначенное для увеличения в целое число раз N частоты подводимых к нему периодических электрических колебаний в заданном диапазоне частот с требуемой стабильностью и качеством выходного сигнала.

Основной параметр – коэффициент умножения частоты N , определяемый как отношение частоты выходного сигнала к частоте входного:

Характерной особенностью умножителей частоты является постоянство N при изменении (в некоторой конечной области) частоты входного сигнала, а также параметров самого умножителя (например, резонансных частот колебательных контуров или резонаторов, входящих в состав умножителя частоты), т.е. в умножителе частоты относительная нестабильность частоты колебаний при умножении остается постоянной. Это важное свойство позволяет использовать умножители частоты для повышения частоты стабильных колебаний в различных радиопередающих, радиолокационных, измерительных и других установках; при этом N может достигать 10 и более.

Основная проблема при конструировании умножителей частоты – это уменьшение фазовой нестабильности входных колебаний (обусловленной случайным характером изменения их фазы), которая приводит к увеличению относительной нестабильности частоты на выходе по сравнению с соответствующей величиной на входе.

В настоящее время выявились следующие основные методы построения умножителей частоты:

косвенный на базе систем импульсно-фазовой автоподстройки частоты (ИФАПЧ);

прямой с использованием фильтрующих элементов на поверхностно-акустических волнах;

цифровой на основе вычислительных процедур.

Наиболее распространены умножители частоты, состоящие из нелинейного устройства (например, транзистора, варикапа, катушки с ферритовым сердечником) и одного или нескольких электрических фильтров. Нелинейное устройство изменяет форму входных колебаний, вследствие чего в спектре колебаний на его выходе появляются составляющие с частотами, кратными входной частоте. Эти сложные колебания поступают на вход фильтра, который выделяет составляющую с заданной частотой , подавляя (не пропуская) остальные. Такие устройства применяются для умножения частоты гармонических колебаний.

Находят применение также умножители частоты, действие которых основано на синхронизации колебаний автогенератора. В таких приборах возбуждаются колебания с частотой , которая становится в точности равной под действием поступающих на вход колебаний с частотой . Недостатком этих умножителей частоты является сравнительно узкая полоса значений , при которых возможна синхронизация.

Необходимо отметить, что умножители частоты с ИФАПЧ относятся к числу чрезвычайно динамичных, развивающихся систем формирования дискретного множества частот. Решающую роль при этом играют такие важнейшие преимущества умножителей частоты и ИФАПЧ, как возможность реализации высококачественных спектральных и приемлемых динамических характеристик при хороших габаритных, энергетических и других показателях.

Умножители частоты с ИФАПЧ не имеют каких либо принципиальных ограничений с точки зрения выбора частотного диапазона выходного сигнала. Практически может использоваться любой участок частотной оси: от единиц и десяткой герц до гигагерц, при этом используемая в ИФАПЧ система автоподстройки определяет быстродействие устройства.

1 Теоретическая часть

Построение умножителей частоты (УЧ) на основе системы импульсно-фазовой автоподстройки частоты(ИФАПЧ) обеспечивает стабильную работу устройства при изменении частоты входного сигнала в широких пределах и позволяет повысить точность преобразования сигнала.

ИФАПЧ представляет собой импульсную систему автоматического регулирования с периодической нелинейностью, что предопределяет весьма сложные физические процессы, протекающие в ней. В УЧ из-за наличия ИФАПЧ возникает противоречивая связь между динамическими и спектральными характеристиками и видом периодической нелинейности.

Н
а рисунке 1.1 приведена структурная схема наиболее простого УЧ с ИФАПЧ, который имеет лишь одно кольцо (контур) регулирования и поэ

Рисунок 1.1 Структурная схема УЧ с ИФАПЧ

тому носит название однокольцевого . На выходе УЧ стоит буферный каскад (БК), снижающий влияние нагрузки УЧ на генератор, управляемый по частоте (УГ). Он изображен для того, чтобы показать, что выходной сигнал УЧ может отличаться по уровню от и иметь частоту, определяемую УГ. Напряжение с выхода УГ одновременно подается на вход тракта обратной связи (ТОС), в котором включен делитель частоты с переменным коэффициентом деления (ДПКД). С помощью ДПКД частота УГ понижается в коэффициент деления N раз. Сигнал на выходе делителя представляет собой последовательность импульсов с частотой следования . Как и во всякой системе регулирования, для образования сигнала ошибки в ИФАПЧ имеется датчик рассогласования, называемый обычно дискриминатором (Д). В качестве дискриминатора в ИФАПЧ используется импульсно-фазовый детектор (ИФД) или импульсный частотно-фазовый детектор (ИЧФД). Колебания поступают на так называемый сигнальный вход Д. На опорный вход дискриминатора подается импульсная последовательность с частотой следования , формирующейся на выходе делителя частоты с фиксированным коэффициентом деления (ДФКД). На вход ДФКД воздействует синусоидальный сигнал . Частота (где – коэффициент деления ДФКД) называется частотой сравнения . Поскольку на вход Д поступают две импульсные последовательности и , то, строго говоря, нельзя говорить об изменении разности фаз между ними, поскольку речь идет не о гармонических сигналах. Физический смысл имеет лишь разность времени подачи на вход Д тех или иных импульсных сигналов. Однако, учитывая квазипериодический характер , при малых отклонениях от стационарного значения вводят понятие разности фаз между импульсами разных последовательностей, причем , где . Фактически речь может идти о разности фаз первых гармоник сигналов и . В дискриминаторе происходит выделение информации о фазовом (временном) рассогласовании между импульсами последовательностей и и преобразование ее в выходной сигнал (напряжение или ток). Определение статической фазовой характеристики (или сокращенно фазовой характеристики) дискриминатора производится в стационарном режиме при равенстве частот . При этом усреднением во времени на интервале находится постоянная составляющая сигнала на выходе дискриминатора . Фазовая характеристика нелинейна и при монотонном изменении во времени носит периодический характер.

Работа дискриминатора типа ИЧФД описывается статической частотной характеристикой . Последняя также относится к стационарному режиму работы Д и представляет собой зависимость усредненной за интервал постоянной составляющей от разности частот .

Выходной сигнал дискриминатора поступает на вход сглаживающего звена – ФНЧ. Сигнал с выхода фильтра используется непосредственно в качестве воздействия , управляющего частотой УГ. От амплитудно-частотной и фазо-частотной характеристик ФНЧ зависят важнейшие характеристики УЧ – динамические (устойчивость и быстродействие) и спектральные. Последовательно включенные Д и ФНЧ образуют канал управления (КУ) системы ИФАПЧ. Информацию о разности фаз входных импульсных последовательностей и можно получить с помощью какого либо параметра выходного сигнала , зависящего от . В разных типах Д этот параметр различен: уровень напряжения , ширина импульсов выходного потока и др. Постоянная (в стационарном режиме) или медленноменяющаяся (в переходном режиме) составляющие этого временного процесса выделяются в ФНЧ, не входящем в дискриминатор.

В первом приближении работа такой схемы происходит следующим образом. Допустим, что система ИФАПЧ находится в стационарном режиме, когда , где – номинальная рабочая частота (одна из дискретного множества). Если при этом коэффициент деления ДПКД равен N, то . В рассмотренном режиме синхронизма и сигнал управления , значение должно быть таким, чтобы скомпенсировать возникшее под воздействием дестабилизирующих факторов частотное рассогласование. Очевидно, что (, где – частота УГ при нулевом управляющем напряжении, т.е. начальная частота колебаний УГ).

Если требуется изменить частоту настройки УГ, то достаточно перейти к новому коэффициенту деления N. Минимальная дискретность в перестройке , т.е. шаг сетки частот , определяется частотой сравнения .

Стационарный режим , при котором частоты , соответствует рабочему режиму работы УЧ. Однако он не является единственно возможным. Во-первых, даже в стационарном режиме возможны изменения частоты УГ под действием дестабилизирующих факторов. Если они, однако, настолько медленны, что систему ИФАПЧ можно все время считать находящейся в синхронизме, то говорят, что имеет место режим синхронизма (удержания) . Соответственно вводится в рассмотрение полоса удержания – область отклонений (расстроек) частоты УГ от своего номинального значения, при которых не нарушается имевший место стационарный режим. Во-вторых, существует режим захвата , при котором в системе ИФАПЧ происходят переходные процессы от ее начального асинхронного состояния к установившемуся. Полоса захвата – это область отклонений частоты УГ от своего номинального значения, внутри которой стационарный режим наступает всегда, т.е. при любых начальных условиях.

Известно большое число методов улучшения характеристик однокольцевых УЧ. Эти методы можно разбить на две группы:

основанные на принудительном уменьшении начальной расстройки УГ до значения , при котором ИФАПЧ входит в режим синхронизма;

основанные на расширении полосы захвата вследствие непосредственного изменения характеристик канала управления кольца ИФАПЧ в режиме захвата.

Рисунок 1.2 УЧ с предварительной установкой УГ

Рисунок 1.3 УЧ с устройством поиска

ростейшим методом, относящимся к первой группе, является предварительная установка частоты УГ вблизи требуемого номинального значения (рисунок 1.2). Для этого в схему вводится цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) и дешифратор (ДШ). Весь диапазон перестройки УГ делится на ряд поддиапазонов. Предварительная установка частоты УГ производится подачей на второй вход сумматора напряжений (См) напряжения с выхода ЦАП. Точная установка частоты УГ, т.е. режим синхронизма, осуществляется затем системой ИФАПЧ.

Развитием последнего является введение системы поиска частоты. При этом установка частоты УГ производится автоматическим выбором управляющего напряжения, при котором в системе ИФАПЧ происходит захват. Для определения момента вхождения системы ИФАПЧ в указанный режим в схему вводится датчик частотного рассогласования (ДЧР) (рисунок 1.3). Штриховыми линиями обозначены другие варианты подключения ДЧР. Для формирования закона изменения управляющего сигнала включается устройство формирования кода (УФК). В простейшем случае в качестве УФК может быть использован реверсивный счетчик, и
зменяющий код управления ЦАП.

Рисунок 1.4 УЧ с изменяемым коэффициентом усиления в цепи управления УГ

аксимальное время поиска в этом случае , где n – разрядность ЦАП.

Расширить полосу захвата ИФАПЧ можно, изменив коэффициент усиления системы. На рисунке 1.4 приведена структурная схема УЧ, в которой для достижения этого эффекта в цепь управления УГ введен регулируемый усилитель (РУ).

2 Обоснование выбора схемы

2.1 Обоснование выбора структурной схемы

Умножители частоты, как правило, не являются функционально самостоятельными устройствами. Они входят в состав приемной, передающей аппаратуры, используются для гетеродирования колебаний, возбуждения усилителей мощности, а также в качестве датчика эталонных частот и др.

Различие требований к УЧ, входящим в состав радиоаппаратуры, а также непрерывное совершенствование схемотехники и элементной базы привели к созданию многочисленных структур УЧ на основе ИФАПЧ. Построение умножителей частоты на основе системы фазовой автоподстройки частоты обеспечивает стабильную работу устройства при изменении частоты входного сигнала в широких пределах и позволяет повысить точность преобразования сигнала.

Рисунок 1.5 Структурная схема УЧ с ИФАПЧ, использованная в проекте

а рисунке 1.5 представлена структурная схема УЧ на ИФАПЧ. При поступлении входного сигнала на фазовый детектор (ФД) в нем происходит сравнение и детектирование, т.е. выдача сигнала ошибки или рассогласования, при этом на первый вход поступает исходный сигнал, а на другой подается импульсная последовательность с частотой следования, формирующейся на делителе частоты (Делитель N). Далее через блок фильтра низких частот (ФНЧ) данный сигнал рассогласования поступает на усил
итель (УПТ), где происходит его усиление.

Усиленный сигнал поступает на генератор, управляемый напряжением (ГУН), с помощью которого формируется импульсная последовательность заданной частоты, которая и является выходным сигналом. При этом, образуя цепь обратной связи, тот же выходной сигнал подвергается делению на коэффициент, связывающий между собой частоту входного и выходного сигналов, что происходит в делителе частоты.

Если на ФД поступает импульсная последовательность с частотой меньше входного сигнала, схема формирует управляющее воздействие на ГУН для увеличения частоты. При поступлении на ФД импульсов с большей частотой происходит снижение управляющего воздействия, что приводит к уменьшению частоты следования импульсов.

2.2 Обоснование выбора электрической принципиальной схемы

Выбранная структурная схема является однокольцевым УЧ.

В настоящее время характеристики, указанные в техническом задании, хорошо реализуются на интегральных микросхемах. Основными достоинствами использования ИМС являются хорошие массо-габаритные показатели, малое энергопотребление, высокая надежность и технологичность.

Одной из микросхем, реализующих принцип ФАПЧ, является К174ХА12 (рисунок 1.6). Она имеет типовую структуру для микросхем этого класса и представляет собой управляемый генератор – универсальную высокочастотную систему ФАПЧ с замкнутым контуром обратной связи, обеспечивающую независимую регулировку центральной частоты и полосы удержания. Микросхема содержит два фазовых детектора (ФД), основу которых составляет схема аналогового перемножителя на дифференциальных усилителях. Выходной сигнал одного из ФД пропорционален произведению входного ЧМ сигнала, поступающего на входы 12 и 13, и сигнала, поступающего с генератора, управляемого напряжением (ГУН). Второй ФД (вход 5) используется в схемах демодуляции АМ сигналов.

Основным блоком в ИМС является управляемый генератор (ГУН), от которого зависят такие параметры, как стабильность частоты выходных колебаний в диапазоне питающих напряжений и температуры, линейность модуляционных и демодуляционных характеристик, частота спектра выходного сигнала, диапазон рабочих частот. Управляемый генератор выполнен в виде эмиттерно-связанного мультивибратора, который работоспособен в широком диапазоне частот. Для мин

Рисунок 1.6 Структурная схема ИМС

имизации температурного дрейфа частоты в нем предусмотрена температурная компенсация. Частота генератора определяется внешним частотозадающим конденсатором, подключаемым к выводам 2, 3. Изменяя номинал внешнего конденсатора в пределах пФ, можно устанавливать частоту собственных колебаний ГУН в диапазоне Гц. Схематическое построение генератора предусматривает возможность внешнего электронного управления частотой генерации и полосой удержания.

На вывод 6 подается управляющий ток мА для электронной подстройки частоты генератора в пределах . Вывод 7 используется аналогичным способом для электронной регулировки полосы удержания. Фильтр НЧ образован выходным сопротивлением фазового детектора и внешними элементами, подключаемыми к выводам 14, 15 и обеспечивает необходимую полосу захвата. Номинал подключаемого конденсатора (в микрофарадах) можно определить по формуле (1.1).

Каталог THORLABS

Каталог Edmund Optics

Каталог продукции

Мой профиль

Принцип и особенности работы фотоэлектронных умножителей

Фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) представляет собой, электровакуумный прибор, в котором поток электронов, эмитируемый фотокатодом под действием оптического излучения, усиливается в умножительной системе в результате вторичной электронной эмиссии.

Фотоэлектронный умножитель получает свет через стеклянное или кварцевое окно, покрытое фоточувствительной поверхностью – фотокатодом, который испускает электроны, а они в свою очередь умножаются в специальных электродах, называемых диноды. Обычно количество динодов ФЭУ бывает от 9 до 13. Работа динода основана на эффекте вторичной электронной эмиссии — явления, когда первичный электрон, попадая на динод, выбивает несколько электронов (называемых вторичными). Сколько в среднем появляется вторичных электронов, зависит и от энергии первичного электрона и от материала динода. Эта величина называется коэффициентом вторичной эмиссии δ и обычно для современных ФЭУ лежит в пределах от 3 до 10. Чтобы вылетевший из фотокатода фотоэлектрон пришел на 1-ый динод, имея достаточную энергию, потенциал динода должен быть на несколько десятков или сотен вольт более положительным.Аналогично, чтобы появившиеся с 1-ого динода примерно δ вторичных электронов достигли следующего 2-ого динода, обладая достаточной энергией, потенциал 2-ого динода также должен превышать потенциал 1-ого на 100–200 В. Очень важно при этом, чтобы все вторичные электроны попали именно на динод, а не на стойки электродов и стекло колбы. Реальные конструкции динодных систем весьма разнообразны, каждый тип имеет свои особенности. В конце динодной системы находится анод или собирательный электрод. Как правило, ток, идущий через анод пропорционален фототоку, генерируемому фотокатодом. Выводы от всех электродов ФЭУ осуществлены через основание колбы, заделанной в пластмассовый цоколь.

Для того чтобы на каждый электрод ФЭУ подать соответствующий потенциал, обеспечивающий оптимальную работу прибора, используется делитель напряжения, простейший вариант которого состоит из нескольких одинаковых сопротивлений, включенных последовательно друг с другом. Общее сопротивление делителя обычно составляет 2 – 10 МОм. На один конец делителя, соединенный с фотокатодом, подается питающее напряжение U обычно около –2000 В, а другой конец заземлен, т.е. находится при нулевом потенциале. В таком делителе междинодное напряжение равно U/13, т.е. примерно 150 В. Диноды последовательно подключаются к точкам соединения резисторов. Анод соединяется с землей через нагрузочное сопротивление RL. Существенным является то, что параллельно с этим сопротивлением обязательно включена некая емкость C — это либо реальный конденсатор, либо просто паразитная емкость, образованная элементами реальной конструкции и входной емкостью дальнейшей электронной схемы. Эти три элемента образуют выходную (анодную) цепь ФЭУ, сигнал с которой и подается на вход электронной схемы (усилителя) для дальнейшего усиления и регистрации.

Фотоэлектронные умножители могут производить сигнал даже в отсутствии света, т.к. существуют темновой ток, возникающий из-за термальной эмиссии электронов из фотокатода, утечка тока между динодами, а также случайные излучения. Электрический шум также относится к темновому току и обычно включается в значение темнового тока. Фотоэлектронные умножители не хранят заряда и отвечают на изменения входящих световых потоков в течении нескольких наносекунд. Благодаря этому, ФЭУ могут быть использованы для обнаружения и записи очень кратковременных событий. Характерной особенностью фотоэлектронных умножителей, используемых в научных целях, является высокое отношение сигнал-шум при умножении более одного миллиона вторичных электронов. Это связано с тем, что темновой шум может быть существенно снижен благодаря охлаждению фотоэлектронного умножителя.

К основным параметрам ФЭУ относится световая анодная чувствительность (отношение анодного фототока к вызывающему его световому потоку при номинальных потенциалах электродов); спектральная чувствительность (равная спектральной чувствительности фотокатода, умноженной на коэффициент усиления умножительной системы; темновой ток (ток в анодной цепи в отсутствие светового потока). Такие характеристики фотоэлектронного умножителя как спектральная чувствительность, квантовая эффективность, чувствительность, темновой ток, определяются структурой фотокатода. Лучшие фотокатоды, работающие в видимой области света, имеют квантовую эффективность менее 30%. Это означает, что 70% фотонов, попадающих на фотокатод, не производят фотоэлектронов, т.е. не детектируются. Толщина фотокатода является важным параметром, за которым необходимо следить, что бы отклик от поглощенных фотонов был корректным. Если фотокатод будет толстым, то больше фотонов поглотится при меньшем количестве эмитированных электронов, а если фотокатод будет очень тонким, то слишком много фотонов пролетит сквозь него без поглощения.

При комнатной температуре наиболее существенным является термоэмиссия электронов с фотокатода и динодов. Термоэмиссия обусловлена тем, что распределение электронов по энергиям при ненулевой температуре не ограничено со стороны высоких энергий и, с учетом большого числа электронов в объеме фотокатода, всегда есть электроны, способные эмиттировать из фотокатода. Такой электрон не отличим от фотоэлектрона и также приводит к образованию лавины и появлению выходного сигнала. Величина термоэмиссии зависит от свойств материала фотокатода (эффективные в красной области спектра фотокатоды как правило имеют и большую термоэмиссию), тонкостей технологии (наличие примесей) размеров фотокатода (пропорционально площади) и температуры (охлаждение на 20°C понижает термоэмиссию на порядок). Для реальных ФЭУ она может быть от единиц до многих десятков тысяч импульсов в секунду при обычной температуре. Термоэмиссия с динодов имеет меньшее значение, поскольку число степеней умножения для таких электронов, по крайней мере, на 1 меньше, и выходные импульсы в среднем на порядки раз слабее. В методе счета фотонов существенная часть таких импульсов может быть исключена из дальнейшей регистрации. Другими источниками темнового сигнала (тока) являются: распад радиоактивных атомов в стекле колбы, космические лучи, автоэмиссия под действием электрического поля и т.д. Именно флюктуации темнового сигнала называются собственным шумом ФЭУ, который ограничивает возможность измерения слабых световых потоков.

Другим важным эффектом, искажающим уже линейную зависимость между потоком излучения и выходным сигналом ФЭУ, является нелинейность. Нелинейность присуща как методу измерения тока, так и методу счета фотонов, хотя ее причины различны. Для первого метода основным является эффект пространственного заряда, искажающего электрическое поле между динодами. При большой освещенности количество электронов, находящихся одновременно, между последними динодами так велико, что их электрическое поле препятствует нормальному ускорению последующих электронов. Следовательно, коэффициент умножения ФЭУ уменьшается.

Наиболее широкое применение ФЭУ нашли в ядерной физике в качестве элемента сцинтилляционного счётчика. Счётчик состоит из сцинтиллятора ― вещества, высвечивающего при поглощении ионизирующего излучения, ФЭУ, преобразующего вспышки сцинтиллятора в короткие электрические импульсы, и регистрирующего устройства, измеряющего количество импульсов в единицу времени или их амплитуду. Число вспышек в сцинтилляторе пропорционально количеству поглощённых частиц, а интенсивность вспышек ― энергии частиц.

Читайте также: