Tubul fotomultiplicator

Tubul fotomultiplicator este un tub fotoemisiv cu mai multi electrozi

Schema constructiva de principiu a unui fotomultiplicator

Intre anod si fotocatod se afla un numar de dinozi care sunt electrozi cu emisie secundara. Un dinod auxiliar este plasat dupa anod sau in jurul lui. Se utilizeaza o retea divizoare de tensiune astfel incat tensiunea fata de catod sa creasca sucurent continuuesiv pe sirul de dinozi. Ultimul dinod are o tensiune de aproximativ 2000 v. Fotonii lovesc catodul si elibereaza electroni care sunt dirijati spre primul dinod. Cand un electron loveste primul dinod iau nastere mai multi electroni care sunt dirijati, datorita campului electric, spre al doilea dinod, cu un potential pozitiv mai mare, unde are loc o noua emisie secundara de electroni. In acest mod fiecare dinod multiplica numarul de electroni care il lovesc. In final electronii sunt colectati de anod.

Dinozii sunt realizati din argint-magneziu, sau beriliu-cupru. Cu 9-14 dinozi se realizeaza o amplificare de curent de 10⁵-10⁷. Factorul de amplificare M al unui fotomultiplicator cu N dinozi este dat de relatia:

M=Nγ

unde γ este factorul de emisie secundara a unui dinod; γ depinde de natura dinodului si de energia cinetica a electronilor incidenti.

Raspunsul spectral, sensibilitatea si alte caracteristici ale tuburilor fotomultiplicatoare depind de materialele din care se realizeazs fotocatodul: Cs-Sb, Bi O-Ag-Cs, AgO-CsO-Cs, Sb-Na-K, Cs Te, Cs I.

Tubul fotomultiplicator spre deosebire de alte fotodetectoare, nu necesita un amplificator special de zgomot mic, cu raspuns rapid si impedanta mare de intrare. Amplificarea se realizeaza in interiorul tubului.

Tubul fotomultiplicator prezinta anumite avantaje: raport semnal-zgomot mare, raspuns rapid, amplificare mare, sensibilitate foarte buna, zgomot mic. El are insa si inconveniente cum ar fi : necesitatea unor tensiuni continue si stabilizate mari, posibilitatea distrugerii tubului prin ilumunarea prea mare, afectarea functionarii de catre campul magnetic.

Element sensibil de tip fotoelectric cu intreruperea fluxului luminos

Dupa felul cum se obtine variatia de flux luminos, dispozitivele modulatoare pot :

- cu intreruperea fluxului luminos;

- cu reflexia fluxului luminos.

In cazul variantei cu intreruperea fluxului luminos rezulta structura alcatuita in principal dintr-un element fotoeletric EF si o sursa de radiatii luminoase SL in spectrul vizibil sau infrarosu, intre care se afla un disc opac D prevazut cu orificii asezate pe un cerc cu centrul in centrul discului sau discul este transparent si reperele sunt opace.

Discul este montat pe axul a carui turatie se masoara, iar elementul fotoelectric si sursa de radiatii luminoase sunt aliniate pe o dreapta  paralela cu axul si care intersecteaza cercul cu orificii. EF si SL se afla la o distanta de cativa mm, in asa fel incat, atunci cand un orificiu se gaseste pe dreapta ce uneste SL cu EF, radiatia sa produce deblocarea elementului fotoelectric. Cand discul se gaseste cu partea opaca intre EF si SL, elementul fotoelectric este blocat. SL si EF sunt prevazute cu lentilele L₁ si L₂ pentru focalizare.

Daca discul, antrenat de arbore se roteste, orificiile discului trec sucurent continuuesiv prin calea de lumina dintre SL si EF, permitand sa se obtina astfel impulsuri luminoase. Acestea, ajungand pe EF, sunt convertite cu ajutorul unor circuite electronice, in impulsuri de natura unei tensiuni electrice, a caror frecventa este egala cu viteza de rotatie a discului rot/s multiplicata cu numarul de gauri, deci intr-o relatie de tipul f=zn, in care z reprezinta numarul de gauri. Toate elementele mentionate, inclusiv circuitele electronice, sunt incapsulate, pentru ca functionarea sa nu fie perturbata de lumina mediului ambiant sau de zgomote de natura electromagnetica.

In figura de mai jos este prezentata o schema de formare a impulsurilor pentru un element sensibil cu fotodioda.

Element de tip fotoelectric cu intreruperea fluxului luminos

Circuitul electronic de formare a impulsurilor

Forma tensiunii de iesire

Varianta cu reflexia fluxului luminos permite conversia turatiei unei piese aflate in miscare de rotatie fara a necesita un disc auxiliar care sa se monteze pe ax. Pe axul sau pe piesa care se roteste se marcheaza un reper R-sau mai multe-de regula sub forma unul dreptunghi, cu vopsea reflectorizanta, sau se lipeste o banda reflectorizanta.

Daca axul nu permite marcarea reperului, atunci se monteaza pe el un disc D avand pe circumferinta portiuni reflectorizante R, alternand cu portiuni inegrite care absorb radiatia.

Sursa de lumina SL si elementul fotoelectric EF sunt dispuse in asa fel incat, atunci cand axul se afla intr-o anumita pozitie, lumina emisa de sursa si reflectata de portiunea reflectorizanta sa cada pe EF. Elementul fotoelectric este conectat la o schema electronica similara ca la varianta cu intreruperea fluxului luminos. Frecventa impulsurilor este legata de turatie printr-o relatie liniara de aceeasi forma cu f=zn , in care z reprezinta numarul de repere de pe ax sau de pe discul montat pe ax. Ca element fotoelectric se foloseste de obicei fototranzistorul, fiind necesara o sensibilitate ridicata.

Constructiv, sursa luminoasa lentilele L₁ si L₂ si elementul fotoelectric sunt incapsulate intr-o sonda sau cap de citire. Distanta dintre SL respectiv EF si axul a carui turatie se masoara este de ordinul centimetrilor. La iesire se obtine o tensiune cvasidreptunghiulara, nivelul U₁ corespunzand portiunii reflectorizante.

Element sensibil de tip fotoelectric cu reflexia fluxului luminos

Domeniul de utilizare al elementelor sensibile de tip fotoelectric este larg: 1rot/min-10⁷ rot/min, cu un singur reper sau poate fi coborat la turatii si mai joase folosind mai multe repere.

Elementele sensibile de tip fotoelectric se pot cupla atat cu adaptoare analogice cat si cu adaptoare numerice, acestea din urma fiind din ce in ce mai utilizate.

Traductoarele de turatie cu elemente fotoelectrice sunt foarte raspandite deoarece au avantaje certe ca de exemplu: gama foarte larga de turatii ,inclusiv turatii foarte joase, constructia simpla, incarcarea axului cu un cuplu rezistent foarte mic sau chiar nul. Ele nu pot insa functiona in medii cu praf sau lumina exterioara puternica

Un exemplu de traductor de turatie fotoelectric este tahometrul calculator N 2603. Aparatul de tip numeric, este destinat in principal masurarii turatiei dar realizeaza si alte functiuni cum ar fi: masurarea raportului procentual a doua turatii, multiplicarea turatiei cu un numar N, semnalizarea atingerii si depasirea unor valori de turatie prestabilite.

Deoarece se bazeaza pe principiul inversarii perioadei, avantajul deosebit al aparatului se manifesta in special in domeniul turatiilor joase, pe care le masoara intr-un interval scurt de timp.

Aparatul asigura afisarea cu 4 cifre semnificative in intreg domeniul. Este prevazut de asemenea cu ieairi de date, putand fi folosit ca traductor numeric de turatie.

In inventarul aparatului se gasesc elemente sensibile fotoelectrice cu reflexie dar el poate functiona cu orice fel de element sensibil de turatie cu semnal de iesire de forma impulsurilor de tensiune de polaritate pozitiva avand nivel in gama 150 mV.250V. Cu durata impulsului si pauza mai mari de 25. Daca elementul sensibil furnizeaza k impulsuri pentru o perioada de rotatie, atunci se adopta   si turatia masurata va fi unde f_A este frecventa semnalului dat de elementul sensibil.

Principalele caracteristici tehnice ale tahometrului calculator co sonda fotoelectrica din inventarul aparatului sunt:

- domeniul de turatii 6 rot /min.1000000 rot/min;

- produsul N*n_a poate fi calculat cu N cuprins intre 1000*10^-6 si 9999, stabilit din 5 comutatoare;

- comutatie automata a gamelor de masurare ;

- rezolutie in domeniul turatiilor joase 0,001rot/min;

- rezistenta de intrare 100kΩ;

- posibilitatea de semnalizare cand turatia nu este in domeniul de masurare;

- domeniul temperaturilor de lucru 5^oC40^oC.

Traductorul de turatie analogic este generatorul tahometric descris de Grancoin si redat in figura. Doua sonde Hall se gasesc in campuri magnetice produse de magnetul permanent cilindric ce se roteste solidar cu axul a carei turatie se determina. Sonda S₁ se afla in campul magnetic cu inductia , B₂ = sin t si este alimentata  de la bobina in care se introduce tensiunea electromotoare Sonda S₂ se afla in campul magnetic cu inductia B₁=cost si este alimentata de la bobina in care se introduc w tensiunea electromotoare Datorita caracterului rezistiv al circuitelor de comanda curentii i_c1 si i_c2 sunt respectiv in faza cu tensiunile electromotoare u_e1si u_e2.Rezulta ca diferenta celor doua tensiuni Hall este proportionala cu viteza unghiulara de rotire a magnetului:

Generator tahometric cu TH