выходной ток и ДИНАМИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ КАТОДНОЙ КАМЕРЫ ФЭУ, ИСПОЛЬЗУЕМОГО В РЕЖИМЕ ЭЛЕКТРОННОГО СМЕСИТЕЛЯ СВЧ ДИАПАЗОНА

February 5, 2013 by admin Комментировать »

Петрухин Г. Д. Московский авиационный институт (Технический университет) Волоколамское ш.4, г. Москва, Россия тел. (495) 158-47-28, e-mail: petrukhini82@mtu-net.ru

Аннотация – Обоснована динамическая модель катодной камеры фотоэлектронного умножителя и объяснено поведение её выходного тока для случая, когда в прикатодной области прибора создано электромагнитное поле (поле гетеродина), частота которого лежит в СВЧ диапазоне, а на фотокатод падает световой поток, модулированный по интенсивности, с частотой близкой к частоте гетеродина.

I.                                        Введение

В лазерных дальномерах, реализующих фазовый способ измерения расстояния, лазерных измерителях скорости и некоторых других контрольно- измерительных приборах фотоприёмное устройство иногда строится на базе фотоэлектронного умножителя (ФЭУ). Если на вход ФЭУ поступает сигнал, модулированный по интенсивности гармонической функцией, частота которой выше верхней частоты полосы пропускания ФЭУ, то ФЭУ используют в параметрическом режиме. В этом режиме ФЭУ, помимо преобразования потока фотонов в электрический ток и его усиления, выполняет роль электронного смесителя. Гетеродинное напряжение обычно тем или иным способом формируется вблизи фотокатода. Если частота гетеродинного напряжения превышает 300- 400 мегагерц, то гетеродинное поле в прикатодной области создается путем помещения катодной камеры ФЭУ в емкостной зазор объемного резонатора (как правило, тороидального).

Если частоту модуляции светового потока обозначить fc, а частоту гетеродинного колебания fr, то при условии, что fc>fr, в спектре выходного тока катодной камеры среди прочих комбинационных составляющих появится составляющая с частотой (fc- fr), которая при соответствующем выборе fr, окажется в полосе пропускания ФЭУ.

II.                                Основная часть

Выходной ток катодной камеры (/) связан с током фотокатода очевидным соотношением I = k{lj,+Ij.), где /(—коэффициент сбора электронов в отверстие диафрагмы, 1^ и —фототок и темповой ток соответственно. Реально коэффициент сбора для темновых и фотоэлектронов несколько отличаются из-за различия энергий выхода, но это отличие невелико и им можно пренебречь. Коэффициент сбора в реальных приборах всегда меньше 1 и зависит от конструкции и величины постоянной разности потенциалов между фотокатодом и диафрагмой (Ur. д). при появлении вблизи фотокатода переменного электрического поля, обусловленного источником гетеродинного напряжения, значение к становится зависимым и от напряжения гетеродина {ύ^),

т. е.Механизм влияния на /< и в

целом на выходной ток ФЭУ при относительно низких частотах гетеродинного напряжения подробно рассмотрены в [1]. Однако с повышением fr период гетеродинного колебания становится соизмеримым с временем пролёта электронов в промежутке фотока- тод-диафрагма. В результате, анализ поведения выходного тока катодной камеры существенно усложняется. В ряде работ [2-6] исследовалась зависимость амплитуды тока промежуточной частоты (fc-fr) на выходе катодной камеры от уровня гетеродинного сигнала. Однако полученные результаты носят частный характер. Для получения более общих результатов было найдено распределение электрического потенциала в катодной камере в отсутствии гетеродинного поля и при его наличии.

Для осесимметричной катодной камеры триодно- го типа распределение электрического потенциала, пренебрегая пространственным зарядом электронов, можно найти решая уравнение Лапласа, которое в цилиндрических координатах запишется в виде:

где Ф—потенциал, г—расстояние от центра фотокатода (0<r<Ro), Ro—радиус катода, ζ—расстояние от фотокатода (Ой^), /—расстояние между катодом и диафрагмой.

Решение этого уравнения получено в следующей форме:

где и /j—функции Бесселя нулевого и первого порядков соответственно, —т-ный корень уравнения

/о(х) = 0.

Значение переменной составляющей электрического поля найдено в виде:

где v(r)—распределение потенциала вдоль радиуса катода, при расчетах принятое постоянным. Очевидно, что суммарное поле равно Количественные расчеты позволили установить характер поведения функции Φς(ζ, г) при различных [У^. При Г9^0 распределение потенциала отличается от показанного на Рис. только количественно. Полученные результаты показывают, что изменяет распределение потенциала в катодной камере в относительно небольшой прикатодной области, если амплитуда гетеродинного колебания много меньше напряжения Ur. д, что на практике всегда выполняется.

Если энергия вылета электронов (и термо, и фото) с фотокатода близка к нулю, то при Ф^<0 они тормозятся и не покидают прикатодную область, а при Φς>0 поток в той или иной степени расфокусируется. Конкретизируем понятие прикатодной области. Прикатодной будем называть область, где Ф^<0. Из Рис. 1 следует, что её ширина в направлении оси Ζ (Zo) зависит ОТ величины гетеродинного напряжения.

Зависимость» Ф = f(z)

Fig. 1.

Fig. 2.

На Рис.2 [7], показан характер движения электронов в промежутке катод-анод вакуумного диода плоской конструкции при наличии на аноде или катоде переменного напряжения в случае изменения угла пролета. Анодным считается выходной ток катодной камеры (/), катодным—фототек (/^), а расстояние

между горизонтальными осями—Zo. Из Рис.2 следует, ЧТО при некоторых частотах выходной ток катодной камеры должен быть равен О, т. е ФЭУ нельзя использовать в качестве смесителя при этих частотах гетеродина. Однако экспериментально это не подтверждается. Обусловлено это следующими причинами: а) виртуальный анод изменяет своё пространственное положение (Zo) при вариациях Щ б) большим разбросом энергий и углов вылета фотоэлектронов. В результате импульсы тока на выходе прикатодной области размываются в практически непрерывный поток. Прохождение этого потока в области дрейфа существенно не влияет на его временные параметры. Строгий теоретический расчет спектрального состава выходного тока катодной камеры оказывается исключительно сложным.

III.                                  Заключение

Показано, что качественно, процесс взаимодействия тока фотокатода с полем гетеродина, частота колебаний которого лежит в СВЧ диапазоне, может быть смоделирован процессами в вакуумном плоском диоде, пространственное положение которого зависит ОТ уровня гетеродинного напряжения.

IV.                           Список литературы

[1] Петрухин Г. Д. Фотоэлектронные умножители в режиме радиогетеродинирования. – М.: Радио и связь, 1983.

[2] Шилов А. Ф., Манак И. С., Кобак И. А. О работе ФЭУ с модуляцией фототоков в прикатодной области. – ЖПС, 1969, т. И, №2, с. 337.

[3] Морозенский А. П., Бочкарева Н. И. Применение ФЭУ в режиме преобразования частоты для детектирования оптических сигналов с СВЧ модуляцией. – Электронная техника, серия 4: Электронно-лучевые и фотоэлектрические приборы, 1969, № 2.

[4] Залесский И. Е., Потапов А. М., Рутковский И. 3., Шуш- кевич С. С. Об исследовании световых потоков, модулированных в диапазоне гигагерц, при помощи обычных ФЭУ. – ПТЭ, 1967, № 2, с. 164.

[5]                Дианова             В. А., Мустель Е. Р., Вереш,агин Т. Н. Экспериментальное изучение приемника оптического излучения, модулированного на частоте 10 ГГц, на основе преобразования частоты в ФЭУ. – Радиотехника и электроника, 1984, №4, с. 770.

[6]                Дианова             В. А., Мустель Е. Р., Парыгин В. Н., Безручен- ко В. И. Преобразование частоты в ФЭУ при взаимодействии фотоэлектронов с полем гетеродина. – Радиотехника и электроника, 1983, т. XXVIII, № 10, с. 2047.

[7]                Коваленко В. Ф. Введение в электронику сверхвысоких частот.- М.: Сов. Радио, 1955.

OUTPUT CURRENT AND DYNAMIC MODEL OF PHOTOMULTIPLIER CATHODE CAMERA IN THE ELECTRONIC MICROWAVE MIXER REGIME

Petrukhin G. D.

Moscow Aviation Institute Volokolamskoe highway 4, Moskow, 125871, Russia Ph.: (495) 158-47-28, e-mail: petrukhin182@mtu-net.ru

Abstract – Dynamic model of photomultiplier cathode camera is theoretically proved for the case when microwave electromagnetic field (LO field) is produced in the close vicinity of cathode area.

I.                                        Introduction

In laser rangefinders with phase methods of measurements, laser Doppler velocimeters, etc. a photoreceiver is sometimes built with photomultiplier tube. When input light is intensity modulated with microwave frequency fc which exceeds frequency bandwidth of photomultiplier the latter is used as an electron mixer with LO electric field with frequency fc in the close vicinity to photo cathode area.

II.                                       Main Part

An output current of cathode camera depends on both the voltage between cathode and diaphragm and heterodyne voltage. An electric field in the cathode camera can be presented as a sum of constant and variable components which could be calculated using Laplace equation. Calculations demonstrated that heterodyne voltage becomes more effective in the close vicinity to cathode area. Due to this voltage the electrons either don’t leave area near the cathode or their trajectories are distorted and thus they miss the diaphragm hole. When the magnitude of the transit angle in the cathode camera appears comparable to the heterodyne voltage period the cathode camera could be divided into two parts: close to cathode and drift area. The former could be regarded as flat construction vacuum diode with virtual anode, with location depending on the heterodyne voltage magnitude.

Such model of the cathode camera explains practically complete cathode camera output current independence of microwave frequency which could be experimentally observed.

III.                                     Conclusion

It has been proved that the interaction of photocathode current with microwave heterodyne field can be modeled by the process in vacuum diode, in which the distance between the electrodes depends on the heterodyne voltage magnitude.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2006г. 

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты