Бронштэн В.А.
Планеты и их наблюдение

§ 30. Фотоэлектрическая фотометрия планет
(Параграф написан А. Э. Гурьяновым)

Выше уже не раз говорилось о целесообразности фотоэлектрических наблюдений планет и их спутников. Помимо своего прямого назначения эти наблюдения будут полезны любителю и тем, что приучат его обращаться с фотоэлектрическими приборами и строить их самому.

Электрофотометрический метод из всех применяемых в астрономии дает наибольшую точность измерения световых потоков. Фотоэлектрический приемник света - фотоэлемент или фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) - преобразует световой поток в электрический сигнал. Здесь мы ограничимся лишь кратким объяснением принципиальной схемы электрофотометра, отсылая интересующихся к книге Д. Я. Мартынова "Курс практической астрофизики" (М.: Наука, 1977) и к Постоянной части "Астрономического Календаря" (6-е изд.- М.: Наука, 1973), и остановимся на вопросах, связанных с применением фотоумножителей.

Рис. 54. Принципиальная оптическая схема электрофотометра с ФЭУ.
Обозначения см. в тексте.

На рис. 54 показана оптическая схема простого одноканального электрофотометра. Объектив О строит в фокальной плоскости, где помещена диафрагма Д, изображение планеты. Диафрагма Д вырезает ту область диска планеты, световой поток от которой нужно измерить. Лучше всего иметь набор нескольких диафрагм различного диаметра (от 1-2" до 1'), которые применяются в зависимости от поставленной задачи и объекта наблюдения. Перед диафрагмой для наводки на объект или нужное место диска планеты устанавливается подсмотр, состоящий из откидного зеркала З и слабого щирокоугольного окуляра ШОк с крестом нитей, согласованным с центром диафрагмы Д. Для контроля положения планеты в фокальной диафрагме применяется другой подсмотр, состоящий из выдвижной призмы П и микроскопа О₁О₂. Призма П может быть использована и для направления на ФЭУ света от эталонного источника - радиолюминесцентного излучателя (люминофора) РЛИ, необходимого для контроля чувствительности прибора. Далее располагается рамка со светофильтрами СФ. Ее следует устанавливать на таком расстоянии от фокуса, где световой пучок не уже 5 мм. Затвор ЗТ перекрывает световой пучок при измерениях темпового тока ФЭУ. Линза Фабри ЛФ обеспечивает правильное освещение фотокатода ФЭУ светом от исследуемого объекта.

Напомним принцип работы фотоумножителя. Попадая на фотокатод ФЭУ, световые кванты в результате внешнего фотоэффекта выбивают из него так называемые фотоэлектроны. Ускоряясь в электрическом поле, каждый фотоэлектрон попадает на специальный электрод - эмиттер, или динод, и в свою очередь выбивает несколько вторичных электронов. Последние вновь ускоряются в электрическом поле и каждый из них в свою очередь выбивает по нескольку вторичных электронов из следующего динода и т. д. Все электроды ФЭУ (фотокатод, диноды, анод) размещены в стеклянном вакуумном баллоне. В наиболее распространенном астрономическом фотоумножителе ФЭУ-79 (рис. 55) 11 динодов, благодаря чему достигается динодное умножение 10⁶- 10⁷. Это значит, что каждый фотоэлектрон, выбитый из фотокатода и попавший на первый динод, создает на аноде импульс электрического тока, состоящий из 10⁶- 10⁷ электронов. Отношение числа импульсов электрического тока на аноде ФЭУ к числу квантов, упавших на фотокатод, называется квантовым выходом ФЭУ ε. Для ФЭУ-79 в зеленом участке спектра ε ~ 0,1.

Рис. 55. Внешний вид фотоумножителя ФЭУ-79.

Исторически первым методом регистрации фототока был "метод постоянного тока", когда отдельные импульсы усредняются с некоторой постоянной времени, а средний анодный ток измеряется электрометрическим усилителем. Такой электрофотометр описан Н. К. Андриановым (см. литературу в конце книги). В настоящее время широко применяют метод счета импульсов или счета фотонов, который имеет ряд преимуществ перед методом постоянного тока. В методе счета импульсов уменьшаются собственные шумы ФЭУ, он позволяет исключить влияние токов утечки, дрейфов нуля усилителя, уменьшить темновой ток ФЭУ.

На рис. 56 приведена схема простого импульсного усилителя, разработанного А. И. Бесликом в Государственном астрономическом институте им. Штернберга. На вход усилителя подается сигнал с анода ФЭУ. С основного выхода А снимаются сформированные стандартные импульсы, соответствующие импульсам анодного тока, и подаются на пересчетный прибор, например, частотомер Ф-5080. Эти импульсы имеют длительность 3 мксек и амплитуду 1 в. Напряжение на выходе Б пропорционально частоте следования импульсов. Подключив вольтметр, можно использовать его как для быстрого наглядного контроля, так и для измерений (при не очень малых частотах следования импульсов). При больших скоростях счета (частотах следования импульсов) возникает занижение числа импульсов (просчет), доходящий до 1% при скорости счета 3*10³ сек^-1.

Рис. 56. Схема импульсного транзисторного усилителя для метода счета фотонов.

Рис. 57. Схема стабилизированного высоковольтного блока и схема питания фотоумножителя
высоким напряжением через простой делитель.
Высокое напряжение (до 2300 в) снимается между точками А и Б. Переключатель П служит для его регулировки.
Точками обозначены начала обмоток, если все они намотаны в одном направлении.

Для создания ускоряющих электрических полей между соседними электродами ФЭУ должны быть разности потенциалов. Это осуществляется с помощью делителя напряжения, собранного на сопротивлениях (рис. 59). Обычно применяются равномерные делители, тогда все сопротивления и все разности потенциалов равны друг другу. К фотокатоду прикладывается высокое отрицательное напряжение (1-2 кв} относительно корпуса стакана ФЭУ (расстояние от баллона ФЭУ до заземленных деталей конструкции должно быть не менее 10 мм!). Полное сопротивление делителя должно обеспечивать ток делителя на 1-2 порядка больше максимального анодного фототока. Для ФЭУ-79 полное сопротивление делителя можно взять 10-30 МОм. На рис. 57 приведена схема простого высоковольтного блока для питания ФЭУ, разработанного А. И. Бесликом в ГАИШ.

Для правильного выбора величины питающего высокого напряжения получают "счётную характеристику" - зависимость числа импульсов в секунду от питающего высокого напряжения (при постоянном световом потоке). Счётную характеристику можно построить и для импульсов темнового тока. Если темновой ток вызван термоэмиссией электронов с фотокатода (а не с динодов), то "темповая" счётная характеристика подобна "световой". Вид счётной характеристики ФЭУ показан на рис. 58. У хороших экземпляров ФЭУ на кривой заметны три основных участка: начальный рост частоты импульсов с ростом напряжения (область 1 на рис. 58), "плато" 2 - участок, соответствующий регистрации всех электронов, вылетевших из фотокатода.

Рис. 58 Примерный вид счетной характеристики фотоумножителя.