Fotodioda i fotopowielacz
Fotopowielacz jest lampa elektronowa ( z reguly ksztaltu walca ) ktora ma fotokatode, wielostopniowy powielacz elektronów z dynodami i wyjsciowa anode. Elektron wyemitowany przez fotokatode pod wplywem swiatla w polu elektrostatycznym pada na pierwsza dynode gdzie wybija 2-4 elektrony wtórne, które są przyciągane przez nastepne dynodę gdzie znow nastepuje powielanie a w koncu przez anode.
Powielacze maja 6-13 dynod a wzmocnienie dochodzi do 10E8 razy.
Pierwszy fotopowielacz, taki jako obecnie znamy, skonstruowano w 1937 roku w laboratoriach koncernu RCA, ktory przez dlugi okres czas praktycznie monopolizowal badania i produkcje. RCA szeroko udostepnil ksiazke ( Photomultiplier Handbook , dalej rysunki z tej ksiazki ) bedaca na lata kompendium wiedzy o fotopowielaczach. Nie ma powodu aby powtarzac zawarte tam informacje.
Duza popularnosc zdobyl niedrogi 9 dynodowy fotopowielacz typu 931 firmy RCA wprowadzony w latach czterdziestych. Nastepnie byl i jest produkowany we wszystkich cywilizowanych krajach swiata. Ma on wzmocnienie do 1000 000 razy i umiarkowane maksymalne napiecie zasilania 950V. Na schemacie ponizej fragment orginalny ukladu zasilania. Szeregowym elementem regulacyjnym zasialcza jest pentoda EL81.
Pierwiastkowy sklad fotokatody oraz material "okna" przez ktore przechodzi promieniowanie determinuja odpowiedz spektralna fotopowielacza. Jest znormalizowany i podany za litera S1-S40. Typowo fotopowielacze maja maksimum czulosci widmowej przy 400, 440, 550, 700 i 870 nm ale znane sa fotokatody nawet na zakres 1700 nm. Umieszczony przed oknem fotopowielacza krysztal scyntylacyjny daje reakcje chocby na promieniowanie Gamma czy rentgenowskie X.
Typowy fotopowielacz ma czas odpowiedzi w granicach 1.5-15 ns ale sa tez typy szybsze. Jest niskoszumny i w tym wzgledzie nie do pobicia. Na jedna dynode nominalnie przypada ca 150V.
Fotopowielacz jest stosowany w dalmierzach laserowych, spektrometrach, przeroznych urzadzeniach pomiarowych, medycynie ( z filtrami optycznymi w analizatorach krwi ) i skanerach telewizyjnych.
Jest koniem roboczym atomistyki i fizyki czastek.
Fotopowielacze sa bardzo wrazliwe na pole magnetyczne, ktore szkodliwie odchyla strumien elektronow miedzy dynodami i czesto wyposazane sa w ekran ze stali lub mu-metalu.
Oprocz rozlicznych zalet fotopowielacze maja tez wady. Po silnym oswietleniu ( zwlaszcza zasilonego ) fotopowielacza dluga wraca on do swojej kondycji.
Najczesciej niewielki "ciagly" prad wyjsciowy z fotopowielacza podany jest do wzmacniacza - odpowiedniego do zastosowania. W fizyce czastek fotopowielacz pracuje z nieciaglym pradem wyjsciowym. Pracuje z najwiekszym dopuszczalnym wzmocnieniem czyli napieciem zasilajacym. Kazdy elektron wybity przez foton ( nie kazdy foton wybija elektron ) jest rejestrowany na wyjsciu powielacza jako impuls pradu ! Ten rodzaj pracy okresla sie jako "Geiger mode" przez analogie do licznika Geigera - Millera.
Producenci zawsze podaja zalecany lub zalecane dzielniki napiec do danego fotopowielacza. 4-5 rezystorow dzielnika od strony GND jest z reguly zbocznikowane kondensatorami aby mozliwa byla praca impulsowa ze sporym szczytowym pradem.
Koncern Philips dla malego fotopowielacza typu XP1911 proponuje dwa dzielniki. Dzielnik A daje maksimum wzmocnienia i 1% liniowosc do pradu wyjsciowego 20mA, oczywiscie impulsowego. Dzielnik B jest optymalny dla szybkosci i prog 1% liniowosci ma przy pradzie wyjsciowym 80mA. Wymaga jednak dla nominalnego wzmocnienia zasilania 1700V a nie jak dzielnik A 1500V.
Typ A
K D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 D9 D10 A
2 1 1.5 1 1 1 1 1 1 1 1
Type B
K D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 D9 D10 A
2 1 1.5 1 1.25 1.25 1.5 2.25 2.25 2.5 3
Wartosci jednostkowe rezystorow dzielnika ( czesto 100K , zakres 20K-5M ) musza byc tym mniejsze im wiekszy jest prad wyjsciowy fotopowielacza bowiem spadek napiecia na rezystorach daje nieliniowa odpowiedz redukujac wzmocnienie. W rezystorach wydziela sie niebanalna moc podgrzewajac podstawke fotopowielacza i przez nozki sam powielacz co jest bardzo niepozadane. Za dzielnikiem mozna dac lancuch tranzystorowych wtornikow emiterowych i obowiazkowo w nizszych stopniach dynod kondensatory blokujace.
Napiecia quasi sinusoidalne na transformatorze musza byc gladkie aby malo obciazone prostowniki blisko katody nie prostowaly "szpilek"
Calosc sprowadza sie do pomyslowej realizacji wielouzwojeniowego transformatora przetworniczki.
Zmiana napiecia zasilajacego fotopowielacza z lancuchem - dzielnikiem rezystorow daje zmiane wzmocnienia i to w ogromnym zakresie. Jednak szybka regulacja napiecia zasilania dochodzacego do 2300V nie jest latwa, zwlaszcza jesli nie chcemy stosowac lamp elektronowych a tylko polprzewodniki w zasilaczu. Sprawe komplikuja takze bocznikujace dzielnik kondensatory.Totez wolna zgrubna regulacje wzmocnienia przeprowadza sie zmieniajac napiecie zasilajace a szybka regulacje przeprowadza sie regulujac napiecie na ostatniej czy ostatnich dynodach.
W dalmierzu laserowym promien lasera impulsowego przez uklad optyczy kierowany jest na obiekt. Odbity strumien promieniowania poprzez uklad optyczny trafia na katode fotopowielacza. Za fotopowielaczem umieszczamy wzmacniacz szerokopasmowy ktory komparatorem uruchomi bramke dla licznika zliczajacego czas od emisji impulsu lasera do powrotu promieniowania odbitego Uklad Automatycznej Regulacji Wzmocnienia ustala napiecie zasilania fotopowielacza na takim poziomie aby szumy zawsze istniejacego promieniowania tla nie otwieraly za czesto bramki. Z kolei napiecie na pierwszej czy pierwszych dynodach fotopowielacza po impulsie lasera stopniowo podnosimy ( w istocie podnosimy wzmocnienie tak samo jak w radarach impulsowych ) tak jak wzrasta tlumienia toru optycznego do i z obiektu. Przy duzych odleglosciach szumy sa juz podobne jak slabienki impuls odbity. Totez przy kazdym otwarciu bramki licznik przepisuje dane do pamieci procesora.
W czolgowym dalmierzu laserowym strzelec przy dalekim obiekcie moze sobie szybko wybrac jeden z trzech wynikow pomiarow lub ustawic zakres automatycznej selekcji, po jednym impulsie lasera, ktory uwaza za najbardziej prawdopodobny. Komputer momentalnie wlasciwie ustawi serwomechanizm armaty na podstawie pomiaru odleglosci, temperatury, wilgotnosci, sily i kierunku wiatru oraz polozenia kadluba czolgu i wektora jego predkosci. Strzelenie do poruszajacego sie dalekiego obiektu jest trudniejsze ale mozliwe.
Fotodiody uzywane sa do celow powolnych, przecietnych oraz szybkich. Czulosc fotodiod jest niewielka. Fotodioda BPW21 ma czulosc 9nA/lux. Do pomiarow powolnych fotodioda pracuje "na zwarcie" wejsciem ujemnym wzmacniacza operacyjnego w konfiguracji odwracajacej. Dzieki temu pomiar jest mozliwy znacznie pozniej wstecznego pradu ciemnego, ktory dla fotodiod BPW21 i BPW 32 wynosi typowo 2nA a maksymalnie 30 nA przy temperaturze 20C. Prad wsteczny fotodiody szybko rosnie wraz z temperatura.
Popularny wzmacniacz operacyjny CA3140 wykonany w technologi BiMOS ma prad polaryzacji wejsc ca 5pA przy zasilaniu 15V i tylko 1pA przy zasilaniu 5V. Najlepsze rezultaty uzyskuje sie w konfiguracji wzmacnicza logarytmujacego z tranzystorem bipolarnym. Zarazem mozna latwo wykonywac rozne funkcje nieliniowe.
Sa wzmcniacze o mniejszym pradzie wejsciowym niz CA3140 ale sa bardzo drogie a ich stosowanie moze byc niecelowe bowiem przy rezystancji uplywu fotodiowy odgrywac zaczyna coraz wieksza role napiecie niezrownowazenia wzmacniacza i jego temperaturowy dryft.
Fotodiody w "wolnym" zastosowaniu weszly w czesc zastosowan fotopowielaczy.
Fotodioda przy zerowym napieciu na niej ma duza pojemnosc co ogranicza szybkosc pracy wzmacniacza. Tam gdzie wystarcza znacznie mniejsza czulosc ale potrzebna jest szybsza odpowiedz dioda pracuje z napieciem wstecznym.
W diodach Zenera zjawisko Zenera wystepuje tyko ponizej napiecia 5V. Efekt Zenera występuje w silnie domieszkowanych złaczach p-n spolaryzowanych zaporowo. W diodach Zenera na wyzsze napiecie wystepuje efekt lawinowy. Przy napieciu 5V diody Zenera, wystepuje jednoczesnie efekt Zenera i lawinowy. Nazwa dioda Zenera jest wiec mocno niescisla.
Efekt lawinowy wystepuje w kazdej diodzie i kazdym tranzystorze bipolarnym. Dopuszczalna moc strat w diodzie spolaryzowanej wstecznie do niedawna byla bardzo mala z uwagi na niebezpieczna punktowa lokalizacje zjawiska przebicia lawinowego. Od niedawna producenci oferuja diody ktore maja podana katalogowo tolerancje energi impulsu pradu wstecznego. Dla diody o pradzie nominalnym 1A moze to byc energia 10mJ a wiec duza. Wymagana jest niewielka modyfikacja procesu technologicznego. Diody z tolerancja avalanche czyli lawinowa moga zwlaszcza w stanach awaryjnych cechowac sie duza odpornoscia i przezywalnoscia.
Philips w katalogu na 1986 rok podaje zdolnosc tolerowania energi impulsu przebicia lawinowego dla niektorych tranzystorow bipolarnych.
W fotodiodach lawinowych spolaryzowanych duzym napieciem wstecznym ( do 200V ) wykorzystuje sie zjawisko lawinowego powielania (do ca 1000 razy ) pradu efektu fotodiody. Wzmocnienie powielaniem zalezy tez od temperatury.
Wzmocnienie fotodiody lawinowej reguluje sie napieciem zasilania podobnie jak fotopowielacza. Fotodioda lawinowa jest stosowana w dalmierzach laserowych wypierajac fotopowielacz oraz w telekomunikacji swiatlowodowej. W obu wypadkach za fotodioda jest wzmacniacz szerokopasmowy.
Regulacja napiecia wstecznego fotodiody lawinowej czyli wzmocnienia nie jest prosta. Napiecie 100-200V uzyskujemy z zasilacza impulsowego czy transfomatora sieciowego. Jest ono podane do liniowego krzyzowego regulatora szeregowego pracujacego czesto w petli Automatycznej Regulacji Wzmocnienia. Znow kolejna analogia do fotopowielacza. Ograniczenie pradu sredniego jest konieczne bowiem fotodioda moze ulec uszkodzeniu lub stopniowej degradacji.
Jesli uklad ARW daje zbyt wysokie napiecie fotodiodzie to moze byc generowany sygnal alarmowy dla obslugi.
Suma sumarum.
- Wspolpracujace wzmacniacze szerokopasmowe. Oczywiscie ze sprzezeniem zwrotnym szeregowo - rownoleglym bowiem te maja najlepsze pole wzmocnienia. Z popularnymi tranzystorami BFR91 bez problemu dochodzi sie do granicy pasma 1 GHz.
- W ukladach powolnych i srednich stosuje sie operacyjne wzmacniacze BiMOS i BiFet
- Wysokonapieciowe zasilacze impulsowe sa rozwiazaniem najbardziej racjonalnym. Zasilacz impulsowy wielowyjsciowy do fotopowielacza moze pobierac znikoma moc ( z akumulatora ) co jest nowum.
Sa to tematy osobne.
Po uwagach ogolnych szczegolowe omowienia przy konkretnych urzadzeniach.
Brak komentarzy:
Prześlij komentarz