Рис. 13.7. Схемы включения фотоэлемента с охранным кольцом

Ток утечки по наружной и внутренней сторонам стекла колбы, а также по цоколю при рабочих напряжениях 200-300 В имеет значение в пределах 10" - 10" А. Для повышения сопротршления изоляции при конструировании фотоэлементов увеличивают расстояние между вводами, а на наружную поверхность баллона наносят влагостойкое покрытие. В конструкции фотоэлементов, предназначенных для измерения очень малых потоков, предусмотрено охранное кольцо, вваренное в баллон между вьшодами фотокатода и анода. Этот электрод соединяют с отрицательным или положительным полюсом источника питания в зависимости от того, в катодную или анодную цепь фотоэлемента включен измерительный прибор или сопротивление нагрузки (рис. 13.7). Благодаря охранному кольцу ток утечки не протекает через измерительный прибор.

Эффективным способом снижения темновых токов является использование балансных (мостовых) схем включения фотоэлемента. На рис. 13.8 показана схема балансного электрометрического катодного повторителя с фотоэлементом во входной цепи. Напряжение от протекания темпового тока через резистор на входе левой лампы компенсируется на выходе таким же напряжением, которое возникает от протекания тока затемненного фотоэлемента через резистор R2 на входе правой лампы. Изменение влажности и температуры окружающей среды вызьшает одинаковое изменение темновых токов в двух плечах балансной схемы, поэтому измерительный прибор не реагирует на эти изменения. При отсутствии измеряемого потока потенциометром R5 производится начальная установка измерительного прибора на нуль.

Для вьщеления полезного сигнала из темпового тока иногда применяется модуляция измеряемого потока излучения с помощью оптического затвора, например вращающегося диска с прорезями. Модулированный с некоторой частотой ток сигнала легко выделяется путем фильтрации из медленно меняющегося темпового тока. При необходимости сигнал после фильтра может быть восстановлен в первоначальный вид с помощью детектирования.

Пороговый поток фотоэлемента, включенного во входную цепь усршительного каскада, определяется чувствительностью фотоэлемента к потоку даггаого спектрального состава и суммарным шумовым током

Рис. 13.8. Схема балансного электрометрического катодного повторителя с фотоэлементом во входной цепи

во входной цепи усилителя. Очень слабый фототок обычно не поддается прямым измерениям, и требуется его предварительное усиление. Для этого в цепь фотоэлемента включается высокоомный резистор, напряжение сигнала с которого поступает на усилитель с высоким входным сопротивлением.

Среднеквадратическое значение суммарного шумового напряжения на входе усилителя с фотоэлементом равно сумме среднеквадрати-ческих значений отдельных независимых составляющих

- 2 -2 -2 -2

где Иш,др. "ш,ф и "шЛ - соответственно среднеквацратические значения дробового шума, фликкер-шума и теплового шума, вносимого усилителем.

Вносимый усршителем шум определяется тепловым шумом нагрузочного резистора /?„ фотоэлемента и шумами акттного элемента усилителя, например электрометрической лампы, которые равны тепловому шуму его эквталентного шумового сопроттления Лц, (см. §10.1):

uR = AkTAfiR + R

ш, экв

При измерении фотоэлементом слабых потоков всегда выполняется неравенство /?„ > Лщ.экв. поэтому можно считать, что вносимые усилителем шумы будут определяться только техшовым шумом сопротивления нагрузки.

Если частота модуляции регистрируемого потока излучения превышает несколько десятков герц и фликкер-шумом можно пренебречь по сравнению с дробовым шумом фотоэлемента, то среднеквадратическое значение суммарного шумового напряжения будет

«ш= 2е4„,л2д-Н477?„Д/, где /вых "~ суммарный ток, протекающий на выходе фотоэлемента.

Ток 1вых включает в себя токи от воздействия измеряемого потока Ф, фонового потока Фф„, а также темновой ток Im-

4ых = Ф- + Ффн5ф„ + /тем.

где 5 и 5ф„ - чувствительности фотоэлемента к измеряемому и фоновому потокам излучения соответственно.

При измерении фотоэлементом потоков излучения, близких к пороговому, в отсутствие фоновых засветок темновой ток за счет термоэлектронной эмиссии фотокатода значительно превосходит ток от измеряемого потока, поэтому /х тем-

Если обеспечить режим работы фотоэлемента, при котором шумы, вносимые усршителем, окажутся много меньше собственных шумов фотоэлемента

4kTR„Af < 2е/темЛА/, (13.2)

то прибор будет обладать наилучшей пороговой чувствительностью. Такой оптимальный режим работы фотоэлемента для измерения предельно слабых потоков обеспечивается при высоком сопротршлении нагрузки. Из (13.2) получаем

I,,R„> 2кТ/е.

При комнатной температуре ТкТ/ е = 0,05 В и условие оптимального режима работы фотоэлемента приобретает следующий вид:

Л„ > 0,05/4ем. (13.3)

Пороговый поток фотоэлемента, работающего в оптимальном режиме, будет определяться только собственным шумом фотоприемника и согласно (11.17) может быть найден

Ф„= у/Ш,,АГ/5. (13.4)

При наличии фоновой засветки пороговый поток увеличится Фп.фн = л/2е(4ем+ Ффн5ф„)А .

Увеличение сопротивления нагрузки приводит к уменьшению граничной частоты модуляции сигнала [см. (13.1)], поэтому на практике оптимальный режим обеспечивается только при измерении медленно меняющихся потоков. Однако в этом случае нужно учитьшать флик-кер-шумы фотоэлемента.

В общем случае, когда вьшолнить неравенство (13.3) не представляется возможным, пороговый поток фотоэлемента определяется выражением

Фп = л/2е4емА/ + 4/сГА Л„/-