Влаштування фотоелементів із зовнішнім фотоефектом
Пристрій фотоелементів із зовнішнім фотоефектом
Фотоелектричним приладом називається перетворювач променистої енергії, завдяки якій змінюються електричні властивості речовини, що міститься в цьому приладі.
Робота фотоелектричних приладів ґрунтується на фотоелектричних явищах (фотоефектах). Розрізняють два види фотоефекту: внутрішній та зовнішній.
Внутрішній фотоефект — збудження електронів речовини, т. е. перехід їх у більш високий енергетичний рівень під впливом випромінювання, завдяки чому змінюються концентрація вільних носіїв заряду, отже, й електричні властивості речовини.
Зовнішній фотоефект - це фотоелектронна емісія, тобто вихід електронів за межі поверхні речовини під впливом випромінювання.
Під дією електромагнітного випромінювання, у тому числі світлового, електрони речовини, що поглинає це випромінювання, можуть отримати додаткову енергію, достатню для подолання потенційного бар'єру на межі між речовиною та навколишнім середовищем. Таким чином, світловий потік може викликати емісію електронів з різних матеріалів за певної енергії фотонів, яка залежить від частоти випромінювання.
Зовнішній фотоефект є основою роботи фотоелементів, і навіть фотоелектронних помножувачів (фотоумножителей).
Електронний фотоелемент (фотоелемент) – електровакуумний прилад, два електроди якого – катод та анод – поміщені у скляну колбу. У колбі фотоелемента створюється такий самий вакуум, як і в електронних електровакуумних приладах.
Катодом фотоелемента (рис. 1, а) є тонкий шар світлочутливого матеріалу, нанесеного на внутрішню поверхню колби. Площа катода сягає кількох квадратних сантиметрів. Фотокатоди виготовляють із матеріалів,є ефективними емітерами електронів при освітленні їх потоками випромінювання відповідної довжини хвилі.
Анод А фотоелемента виконують з нікелю у вигляді дротяного кільця, петлі або тонкої металевої сітки, що дозволяє вільно пропускати світловий потік на катод. Висновки катода та анода оформляють в одному або двох рознесених цоколях.
Мал. 1. Пристрій (а) та умовне графічне позначення (б) електронного фотоелемента
Умовне графічне позначення електронних фотоелементів наведено на рис. 1, б.
Мал. 2. Схема увімкнення електронного фотоелемента
Якщо до фотоелементу (рис. 2), на катод якого падає світловий потік Ф, прикладена анодна напруга Uа, то в ланцюзі з'явиться фотострум Iф через резистор навантаження Rн. Величина фотоструму, як випливає із закону Столетова, за певних умов пропорційна світловому потоку. Таким чином, енергетична характеристика фотоструму електронного фотоелемента (рис. 3) практично лінійна у великому діапазоні зміни світлових потоків.
Мал. 3. Енергетична характеристика фотоструму електронного фотоелемента
При високих значеннях освітленості енергетична характеристика стає нелінійною, її крутість зменшується через утворення об'ємного заряду біля фотокатода.
Іонні фотоелементи. В іонних фотоелементах застосовуються властивості темного газового розряду. Їхній пристрій аналогічний електронним фотоелементам. Відмінність полягає в тому, що після відкачування повітря в колбу вводять інертний газ (зазвичай аргон). У іонних фотоелементах застосовуються самі катоди, що у електронних.
Інертний газ у фотоелемент вводять для підвищення його чутливості, яка збільшується у кілька разів порівняно зчутливістю відповідного електронного фотоелемента Таке збільшення чутливості пов'язане із виникненням у приладі темного розряду. Вторинні електрони, що виникають у цьому розряді, викликають збільшення струму. Це явище називається газового посилення.
Фотоелектронним помножувачем (ФЕУ) називають електровакуумний прилад, у якому струм фотоелектронної емісії посилюється за рахунок вторинної електронної емісії. Фотоелектронний помножувач, крім фотокатода і анода, містить один або кілька електродів, які є емітерами вторинних електронів і називаються динодами. Наявність динодів дозволяє створювати багаторазове внутрішнє посилення фотоструму. У колбі фотоелектронного помножувача створюється така сама розрідженість, як і в електронному фотоелементі.
Мал. 4. Пристрій фотоелектронного помножувача
Найбільшого поширення набули фотоелектронні помножувачі з електростатичним керуванням та фокусуванням потоків електронів. Пристрій фотоелектронного помножувача такого типу показано на рис. 4.
Між анодом і катодом підключають джерело постійної напруги, величина напруги якого становить кілька сотень вольт чи одиниць кіловольт залежно кількості динодів. Диноди підключають до дільника напруги таким чином, щоб напруга між сусідніми електродами становила 50-150 В. При опроміненні катода світловим потоком електрони, що вилетіли з катода, під дією прискорюючого електричного поля потрапляють на перший динод, і, ударяючись про нього, вибивають вторинні електрони. Вторинні електрони під дією прискорюючого електричного поля, створеного напругою між першим і другим динодами, досягають диноду Д2 і вибивають із нього нові вторинні електрони. Рух електронів від динода до динода з освітоюнових вторинних електронів відбувається доти, поки потік електронів не досягне анода, викликаючи появу анодного струму Iа (див. рис. 4) в анодному ланцюзі фотоелектронного помножувача.
За допомогою фотоелектронного помножувача можна вимірювати слабкі світлові потоки до 10 -9 лм.
Перевагою фотоелектронних помножувачів є висока чутливість. До недоліків відносяться складність конструкції, висока вартість та необхідність у високовольтному джерелі живлення.