Генератор микротоков на принципе фотоэффекта

Давненько я не кормил Вас товарищи диковенным крейзи-материалом…. Хмм… время пришло! laugh

Чо-то я все про генерацию тока на резистиорах да и про (меры)конденсаторы Вам повествую. Не резисторами едиными сыт настоящий ампнутс crazy Сегодня мы c вами познакомимся с издавне знакомым понятием фотоэффекта открытым в ходе крейзи-эксперементов с разрядниками еще товарищем Генрихом Герцем. И сделаем из него фотоно-микро-токовый конвертер, аки я загнул…..

Фотоэффект некоторое время назад активно использовался мной в ходе постройки разнообразных спектрометров. Там сурьмяно-цезиевые фотокатоды фотоэлектронных умножителей облучались фотонами в ультрафиолетом спектре, образуемыми за счет потери энергии гамма-квантами при прохождении через сцинтилляционный материал.

Эти фотоны бомбардируя фотокатод фото-электронного умножителя выбивали из него электроны, которые в последствии за счет многократной акселерации превращались в пучек электронов с достаточно большим зарядом, который легко регистрировался с помощью трансимпедансника.

И все было-бы хорошо, но… тут я вдруг подумал, а что если к динодам ФЭУ не прикладывать киловольт акселерационного напряжения, и вообще не использовать ни один акселерационный динод кроме первого, тогда речь пойдет уже о очень малых токах.

Тогда при выбивании из фотокатода электронов, около фотокатода должно  образовываться облако электронов.

И если приложить к фокусирующей сетке или к первому диноду даже небольшое напряжение смещения между ними потечет микроток, пропорциональный световому потоку.

“Ага!!! Электрометрия!!!” тут-же подумал я laugh Потому-что, я знаю, что чтобы из фотокатода выбить хотя-бы один электрон, нужно кратно больше фотонов ультрафиолетового спектра. А получение слабого светового потока легко реализуемо. И вот тут мне уже стало весьма любопытно. Был проведен эксперимент:

Из запасников был взят старенький ФЭУ-31 и первый попавшийся светодиод синего спектра. К сожалению УФ светодиодов в лабе не нашлось, совсем обнищал…. blush

За пару минут был собран стенд для тестирования.

  1. Светодиод подключенный к SMU Keithley 2450 включённого в режиме источника тока.
  2. ФЭУ-31.
  3. Вход электрометра.
  4. Напряжение смещения первого динода.

Приложив к первому диноду даже небольшое смещение в 3 вольтa, удалось зафиксировать наличие фототока от освещения ФЭУ-31 светодиодом.

А сгенерировав медленный Sweep по току светодиода, с параметрами – начало 10нА, шаг 10 нА/сек, стоп 100мкА. Чтобы ток светодиода медленно и пропорционально рос, а значит и возрастал световой поток в арифметической прогрессии. Удалось не только подтвердить работу теории, но и составить график зависимости тока фотокатода от уровня освещенности.

(ток фотокатода)

Да-да товарищи! уже при десятках нано-ампер тока светодиод вполне ощутимо светит!!! Ну а дальше 100 мкА тока светодиода я не стал продолжать эксперимент, т.к. он и без того занял 4 часа, к тому-же уже светало, а мой бокс не имеет специальных средств защиты от боковой засветки солнышком. beach Ссылка на файлик.

И так что мы видим – в начале графика видна небольшая нелинейность, которую я связываю с нелинейностью свето-токовой характеристики самого светодиода.

Но в целом результат очень обнадеживающий, легко, даже без спец-подготовки эксперимента удается получать токи от десятков пикоампер до микроампер. Все замеченные мною негативные эффекты в основном упираются в проблемы дешевого китайского светодиода за 0.2 цента.

Стоит заметить, что при этом сопротивление источника тока как таковое отсутствует в принципе, поскольку у нас ни что иное, а генератор электронов. Хотя пессимист наверняка скажет, что эквивалентное сопротивление источника бесконечно большое, но я оптимист и не считаю, что расчёт эквивалентного сопротивления тут применим, поскольку поток фотонов не пересчитывается в электрическое сопротивление crazy А зависимость тока от напряжения смещения в широкой области напряжений и вовсе отсутствует, поскольку электроны выбиваются только за счет фотоэффекта.

Резюме

Данный метод генерации малых токов может быть полезен при отсутствии высокоомных резисторов, и электрометрических конденсаторов с ЛИНом и т.п. Экспериментатору по сути надо только решить вопрос ослабления в достаточной степени потока фотонов. При наличии смекалки этот вопрос решаем.

Но главное, что если подключить акселерационные диноды, то возможно будет посчитать количество выбитых из фотокатода электронов, прям поштучно laugh буквально, поштучно! Так как (почти)каждый выбитый электрон из фотокатода, на аноде будет рождать огромную лавину электронов, которую можно будет зафиксировать и посчитать. А значит посчитать ток фотокатода, зная количество вылетевших из него электронов в единицу времени! Блядь, чо… опять калибратор тока чтоль у меня получится… хм… laugh

Тут конечно есть значительные подводные камни, о которых я умолчу. Скажу лишь, что при правильной оснастке ФЭУ и математике, с правильным и стабильным источником света, возможно опустится в зепто-амперный диапазон. Собственно для этой цели я уже начал понемногу искать турбомолекулярный насос, но это уже совсем другая история… mail

 

Генератор микротоков на принципе фотоэффекта: 2 комментария

  1. Все гениальное просто, еще можно отсеять фотоны по энергии чтобы выделить какой то конкретный спектр от светодиода отсеяв таким образом шумы.

    1. Этим методом фотоны по энергии не отсеять даже в теории, это абсолютно не осуществимо.
      Не надо путать с гамма-спектрометрией, где потерянная энергия гамма-кванта, рождает огромный пучек фотонов, который по количеству фотонов пропорционален потерянной энергии гамма квантом.

      В методе описанным в материале, больше подходят оптические фильтры, нежели чем какие-то еще изыски…

Добавить комментарий