Лекция №28 Вакуумные фотоэлементы. Ионные приборы.
Фотоэлектронная эмиссия и фотоэффект. Принцип действия электровакуумных фотоэлектронных приборов основан на создании фотоэлектронной эмиссии за счет лучистой энергии света, падающей на фотокатод.
Фотоэлектронная эмиссия, называемая иначе внешним фотоэффектом, представляет собой электронную эмиссию под действием электромагнитного излучения. Эмитирующий электрод при этом называют фотоэлектронным катодом (фотокатодом), а испускаемые им электроны — фотоэлектронами.
Сам процесс выхода электрона из вещества во внешнюю среду под действием света составляет фотоэлектронную эмиссию. Начало изучения фотоэлектронной эмиссии относится к 1886 г., когда немецкий ученый Г. Герц заметил, что напряжение для возникновения электрического разряда между электродами снижается, если осветить один из этих электродов. Детальное исследование этого явления провел в 1888 г. русский физик А.Г. Столетов, открывший существование фототока и установивший, что число свободных электронов п, эмитируемых катодом, пропорционально световому потоку, облучающему катод:
где Iф — фототок, мкА; п — число электронов; е — заряд электрона, Кл; К — коэффициент пропорциональности; Ф — световой поток, лм (интегральная чувствительность катода, мкА/лм).
Согласно закону А. Эйнштейна кинетическая энергия эмитированных электронов W0 зависит от частоты световых колебаний v и не зависит от интенсивности светового потока:
Где h = 6,63-1034 Дж-с — постоянная Планка.
Таким образом, излучение можно рассматривать как поток частиц — фотонов, обладающих энергией hv. Эти два закона являются основными законами фотоэлектронной эмиссии.
Теоретическое обоснование этих законов впоследствии было дано на основании квантовой теории света, согласно которой все тела поглощают и излучают световую энергию отдельными порциями — квантами (фотонами).
Отсюда можно сделать вывод о том, что энергия кванта света, попадая на поверхность металла, поглощается электроном. За счет этой энергии электрон совершает работу выхода и приобретает кинетическую энергию W0, соответствующую начальной скорости электрона:
где т — масса электрона; U — скорость электрона.
Электровакуумные фотоэлементы. Электровакуумным фотоэлементом называют электронный прибор с фотоэлектрическим катодом. Различают высоковакуумные и ионные фотоэлементы. В последних баллоны заполнены инертным газом.
Рис. 28.1. Устройство электронного фотоэлемента: 1 — стеклянный баллона; 2 — фотокатод на стекле баллона; 3 — анод в виде кольца; 4 — выводы; 5 — цоколь
Простейший электронный фотоэлемент представляет собой стеклянный баллон и два электрода (рис. 28.1). Фотокатод — тонкий слой светочувствительного вещества, нанесенный на внутреннюю поверхность баллона (занимает половину поверхности баллона, а остальная часть поверхности баллона остается прозрачной и служит окном, через которое свет попадает на фотокатод) или на специальную пластину баллона. Анод имеет форму кольца, сетки или диска. Такое устройство анода меньше препятствует прохождению световых лучей на фотокатод. Электроды имеют выводы на баллоне и на цоколе лампы. Катоды выполняются из светочувствительных щелочных и щелочно-земельных металлов.
Для ультрафиолетового спектра используют чисто металлические фотокатоды.
Наибольшее применение получили кислородно-серебряно-цезиевые и сурьмяно-цезиевые фотокатоды. Анод изготавливается из никеля. В ионных фотоэлементах баллон после откачки воздуха заполняют аргоном при низком давлении, а в электронных фотоэлементах создается высокий вакуум.
Рис. 28.2. Условное обозначение фотоэлементов:
а — вакуумного; б — газонаполненного
Основные параметры фотоэлементов. Основными параметрами вакуумных и газонаполненных фотоэлементов являются чувствительность, темновой ток, максимально допустимое анодное напряжение, термостойкость, стабильность фотокатодов и утомляемость.
1. Чувствительность. Для фотоэлементов определяют интегральную и спектральную чувствительность.
2. Темновой ток — ток в фотоэлементе, включенном в цепь питания при полном затемнении (Ф = 0). Темновой ток состоит из тока термоэлектронной эмиссии катода и тока утечки по стеклу колбы при отсутствии освещения (Ф = 0).
3. Максимально допустимое анодное напряжение (В) — Ua.
4. Термостойкость — величина, определяющая диапазон рабочих температур (обычно от +50 до 20 °С).
5. Стабильность фотокатодов — свойство сохранять постоянство параметров фотокатода во времени. Зависит в основном только от материала, из которого изготовлен фотокатод. Наибольшее применение получили кислородно-серебряно-цинковые и сурьмяноцезиевые фотокатоды как наиболее долговечные.
6. Утомляемость — уменьшение чувствительности при резком увеличении освещенности фотокатода. Проявляется в том, что при большом световом потоке чувствительность фотоэлементов резко уменьшается во времени, доходя иногда до 25 % первоначальной величины. Если такой фотоэлемент поместить на некоторое время в темноту, то его чувствительность восстанавливается почти до первоначального значения.
Электровакуумные и газонаполненные фотоэлементы применяются в различных устройствах автоматики, в аппаратуре звукового кино, в приборах для физических исследований. К их недостаткам относятся невозможность микроминиатюризации, довольно высокие анодные напряжения (десятки и сотни вольт) и малые токи фотоэмиссии. Для устранения последнего недостатка были разработаны фотоэлектронные умножители. В настоящие время фотоэлементы во многих видах аппаратуры заменены полупроводниковыми приемниками излучения.