2. Экспериментальная часть

   1. Описание лабораторной установки и методики эксперимента.

Приборы, с помощью которых более или менее полно решается задача исследования вторичной электронной эмиссии, являются весьма сложными и дорогими научно-исследовательскими установками. В настоящей работе исследуются некоторые зависимости ВЭЭ на серийном электровакуумном приборе – фотоэлектронном умножителе (ФЭУ).

Основным назначением ФЭУ является регистрация слабых световых потоков. В нём ФЭЭ используется для усиления тока весьма малой величины, образованного эмитированными с фотокатода электронами. Для этого ФЭУ содержит умножительную систему, обычно состоящую из 8-12 последовательно расположенных вторичных эмиттеров, называемых динодами. Коллектором электронов является анод ФЭУ, в цепь которого включается сопротивление нагрузки.

Коэффициент усиления (умножения) ФЭУ находится как произведение коэффициентов вторичной электронной эмиссии отдельных динодов M= σ₁ σ₂ σ₃… σ_N.

Если КВЭ всех динодов одинаковы, то M=σ^N, где N – число динодов. Полный коэффициент усиления M ФЭУ может достигать 10⁸.

Лабораторная установка состоит из общего для всех работ стенда, который содержит основные измерительные приборы и регулируемые стабилизированные источники питания. В дополнительном блоке установлен ФЭУ-13 со съёмным осветителем, регулируемый источник отрицательного ускоряющего напряжения до 1000 В, которое подаётся на фотокатод ФЭУ, вольтметр, измеряющий это напряжение, микроамперметр, регистрирующий фототок (первичный ток).

Регулировка фототока осуществляется изменением накала лампочки осветителя с помощью переменного резистора. Принципиальная схема включения ФЭУ приведена на лицевой панели блока. На этой же панели установлены гнёзда, которые позволяют соединить дополнительный блок с основным стендом штеккерными проводниками.

При проведении работы экспериментально изучаются следующие закономерности вторичной эмиссии: зависимость коэффициента вторичной эмиссии от энергии первичных электронов и распределение вторичных электронов по энергиям.

При определении коэффициента вторичной эмиссии второй динод соединяется с остальными динодами и анодом штекерным проводником (рис. 3.1). Электроны, эмиттированные фотокатодом при его освещении, образуют первичный ток I₁. Они ускоряются отрицательным напряжением, поданным на фотокатод и бомбардируют 1-ый динод. Для полного сбора вторичных электронов на параллельно соединённые остальные диноды и анод подаётся накопительный потенциал. Ток этих электродов образует полный вторичный ток I₂.

Коэффициент вторичной эмиссии (в данном случае первого динода) равен

.

Меняя ускоряющее напряжение U_уск на фотокатоде и измеряя каждый раз I₁ и I₂, можно определить зависимость σ(E₁), где - энергия первичных электронов в электрон вольтах.

Для определения спектра вторичных электронов второй динод отсоединяется от остальных и на него подаётся отрицательный задерживающий потенциал U_з.

Таким образом, второй динод играет роль задерживающей сетки, пропуская только те вторичные электроны, энергия которых – Е_в позволяет преодолеть тормозящее поле второго динода или другими словами, энергия которых в электрон вольтах превышает .

Снимая зависимость I₂=f(U_з), получаем интегральное распределение вторичных электронов по энергиям. Чтобы найти спектр, необходимо продифференцировать эту зависимость.

Заменяя бесконечно малые приращения I₂ и U_з конечными и располагая экспериментальные точки в порядке возрастания абсолютных значений , получим формулы для приближённого дифференцирования функций, заданной таблично

,

где ; - алгебраическая разность соседних отсчётов соответственно вторичного тока и задерживающего напряжения; а Е берётся для середины интервала, т.е.

.

Необходимо отметить ряд особенностей экспериментального определения спектра вторичных электронов.

Как видно из рис. 2.1, спектр имеет неравномерный характер, что требует правильного выбора точек отсчёта по шкале задерживающих напряжений.

При дифференцировании резко проявляются случайные погрешности измерений, приводящие к разбросу экспериментальных точек. Обычные приём избежать этого, заключается в первоначальном построении интегральной кривой, её сглаживании и дальнейшем графическом дифференцировании. Этот путь достаточно трудоёмкий, а при определении спектра вторичных электронов из-за резкого поведения функций интегральное распределение приходится строить по участкам с разным масштабом по оси напряжений U_з.

В лабораторной работе изучается качественный характер спектра и в целях экономии времени допускается непосредственное дифференцирование функции, заданной таблично. При этом необходимо внимательно и тщательно снимать экспериментальные точки.

2. Порядок выполнения работы и методические указания.

   1. Перед началом работы преподаватель проверяет готовность студентов к занятиям. С теорией и методикой исследований студенты знакомятся заранее по рекомендуемой литературе и настоящему руководству.

   2. Сборка схемы эксперимента и все коммутации производятся в обязательном порядке при выключенных основном стенде и дополнительном блоке.

   3. Пользуясь полной принципиальной схемой (рис. 3.1) набрать макет для исследования коэффициента вторичной эмиссии. Для этого, не подавая задерживающего напряжения на второй динод, соединить его с остальными динодами и анодом. Шунт 20 мкА к амперметру не подключать. Установить все ручки регулировки напряжений в крайнее левое положение.

После проверки схемы преподавателем включить стенды, измерительные приборы и источники питания. Дать прогреться приборам в течение 1-2 мин., после чего установить нули амперметров, вольтметров.

Далее проверить калибровку вольтметров и выставить калибровочное число. Переключить вольтметры в режим измерения постоянного напряжения и на амперметре I₂ установить предел 200 мкА. Задать регулируя напряжение источника Е1, на аноде ФЭУ напряжение U_а порядка 200 В. Установить на фотокатоде ускоряющее напряжение 300 В. Регулируя накал лампочки, получить первичный ток, равный 10 мкА. Уменьшить ускоряющее напряжение до 0 и далее, повышая его до 1000 В через 100 В, снять показания токов I₂ и I₁. Данные занести в табл. 3.1 и рассчитать значение σ.

Рис. 3.1

Табл. 3.1

	0	100	200	……………..
I2
I1
σ

3.2.4. Выключить дополнительный бок и источники питания основного стенда. Измерительные приборы стенда выключать не рекомендуется. Отсоединить второй динод и подключить его к источнику задерживающего напряжения Е2 стенда. Подключить шунт к амперметру I₂ и установить на последнем предел 0.2 мкА. Конечное значение шкалы амперметра в этом случае будет соответствовать 20 мкА. Установить регулировку накала в крайнее левое положение. После проверки собранной схемы преподавателем включить стенды. Установить U_уск равным 180 В, а напряжение на аноде Е1 оставить прежним порядка 200 В. Вывести в крайнее левое положение ручки «грубо» и «плавно» регулировки Е2, т.е. установить задерживающий потенциал примерно равным 0. Регулируя накал лампочки осветителя, добиться отклонения стрелки амперметра I₂ в 20 мкА (т.е. до конца шкалы).

Приступить к снятию интегрального распределения вторичных электронов. Данные заносить в табл. 3.2, предназначенной сразу и для дифференцирования кривой. Вывести ручку регулировки накала в крайнее левое положение и, не выключая стендов, произвести необходимые расчёты. После проверки данных преподавателем с его разрешения отключить всю аппаратуру.

Табл. 3.2

Uз, В	1	0	0.5	1	1.5	2	2.5	3	3.5	4	6	8	10
I2, мкА	2
, В	3
, мкА	4
, отн.	5
, В	6

1	20	40	60	80	100	120	140	160	170	175	180	185	190	200
2
3
4
5
6

Примечание. При снятии экспериментальных точек нет необходимости длительно устанавливать точное значение U_з в соответствии с таблицей. Допустимо, чтобы напряжения отличались от табличных во второй значащей цифре. Например, вместо 0.500 может быть установлено 0.512. При этом в верхней строчке таблицы 3.2 необходимо вписать истинное значение U_з.

3. Содержание отчёта

   1. Введение, цель работы.

   2. Технические данные и параметры ФЭУ-13.

   3. Принципиальная схема установки, её краткое описание.

   4. Таблица исходных данных и расчёт коэффициента вторичной эмиссии σ. График зависимости σ(Е₁) и его объяснение.

   5. Таблица исходных данных и расчёт спектра вторичных электронов. График зависимости и его объяснение.

Примечание. Можно рекомендовать следующий приём наглядного представления . Шкалу по оси абсцисс взять длиной и не менее 20 см. Первую половину шкалы до 10 В взять с масштабом 1 В/см, вторую половину до 200 В с масштабом 20 В/см.

6. Используя полученные данные, решить следующие задачи.

1. Какое напряжение надо было подать на ФЭУ-13 и какой коэффициент усиления он имел бы, если бы на всех динодах междинодное напряжение обеспечивало бы получение максимальное значения σ_m?

2. Считая коэффициенты вторичной эмиссии всех динодов одинаковыми, по паспортным данным определить междинодное напряжение и каждого динода при максимально допустимом напряжении питания ФЭУ-13. Сравнить полученное значение σ с экспериментально измеренным и указать возможные причины расхождения.