3.2. Фотоэффект и законы фотоэлектрической эмиссии
Фотоэлектрический эффект – это способность световых лучей освобождать электроны из фоточувствительной поверхности. Существует два типа фотоэлектрического эффекта – внешний и внутренний.
При внешнем фотоэффекте освобожденные электроны покидают облученную поверхность, вылетая в пространство – Рис. 3.1, и создавая так называемый фототок. Этот эффект называется фотоэлектронной эмиссией.
Рис. 3.1. Явление внешнего фотоэффекта
Для явления фотоэлектронной эмиссии существует несколько законов, которым подчиняется внешний фотоэффект.
Закон Столетова (основной закон фотоэффекта) – фототок пропорционален интенсивности светового потока, вызывающего этот ток
где F – величина светового потока в лм, S – чувствительность фотоэлемента (коэффициент преобразования света в ток), мкА/лм.
Закон безынерционности фотоэлектронной эмиссии. Из него следует, что фототок изменяется практически мгновенно при изменении вызвавшего его светового потока.
Закон Эйнштейна, состоящий в том, что энергия отдельного фотоэлектрона не зависит от интенсивности падающего светового потока, а зависит только от энергии кванта света. Энергия же последнего зависит от частоты (длины волны) светового потока, и тем выше, чем выше частота.
При внутреннем фотоэффекте освобожденные электроны остаются внутри твердого тела, изменяя его проводимость – Рис. 3.2. Этот эффект называется фотопроводимостью.
Рис. 3.2 Явление внутреннего фотоэффекта
Первые оптико-электронные преобразователи. Иконоскоп.
Первым электронно-оптическим преобразователем, позволившим перейти от электромеханического принципа развертки изображения (диска Нипкова) к чисто электронной развертке, был ИКОНОСКОП.
Иконоскоп – Рис. 3.3, был изобретен и запатентован В. К. Зворыкиным, работавшим в это время в компании Radio Corporation of America. Изобретение иконоскопа и внедрение его в практику телевидения было настоящей революцией, позволившей телевидению из чисто экспериментального направления стать продуктом массового потребления. Он впервые позволил реализовать чисто электронное телевидение и в сотни раз (с 30х40 до 300х400, а позднее и 1000х1000 элементов) увеличить количество элементов в телевизионном изображении.
Рис. 3.3 Конструкция иконоскопа
В основе работы иконоскопа лежат явления внешнего фотоэффекта и накопление зарядов. Иконоскоп состоит из вакуумной стеклянной колбы (10), в которой укреплена светочувствительная мишень (11), на которую объективом (31) проецируется изображение; электронно-лучевой пушки (19), размещённой сбоку или снизу от объектива; и систем фокусирования (17) и отклонения (18) электронного луча.
Светочувствительная мишень состоит из очень тонкой пластины изолятора (в оригинале – слюды) и нанесённых с обеих сторон покрытий. Со светочувствительной стороны покрытие состоит из очень мелких (раз- мером в несколько микрон) серебряных капель, покрытых для увеличения светочувствительности цезием, с другой — сплошное тонкое серебряное покрытие, с которого и снимается выходной сигнал. Получается огромное количество элементарных конденсаторов, одной из обкладок которых является сплошное серебряное покрытие, а второй – светочувствительные капельки.
При освещении светочувствительной мишени под действием фотоэффекта из капелек серебра (ячеек) выбиваются электроны и они приобретают различный положительный заряд, пропорциональный освещённости каждой из капелек. Выбитые из мишени электроны оседают на аноде электронно-лучевой пушки (22). При сканировании мишени электронным лучом (16), происходит перезаряд ячеек-конденсаторов. При этом величина тока перезаряда пропорциональна накопленному на ячейке потенциалу, и тем больше, чем больше освещенность этой ячейки.
Большим недостатком иконоскопа была его низкая чувствительность, требовавшая очень высокой освещенности объекта видеосъемки (до 10.000 лк). Поэтому в телевизионных студиях того времени постоянно были включены прожекторы и температура не опускалась ниже 40° С.
Внешний вид иконоскопа приведен на фото Рис. 3.4
Рис.3.4 Одна из конструкций иконоскопа.
Со временем иконоскопы были вытеснены более совершенными трубками, вначале также на внешнем фотоэффекте (суперортикон), а затем и на внутреннем (видикон и др.). Лишь в 1990-е годы прошлого столетия вакуумные передающие трубки были вытеснены твердотельными устройствами с зарядовой связью (CCD — charge coupled devices, русский термин ПЗС), которые повсеместно применяются сейчас для получения изображений.