4 Рис.6.3. Спектральные характеристики фотокатодов: 1 – кислородно-цезиевый, 2 – сурьмяно-цезиевый. Характеристики и параметры фотоэлементов

Фотоэлементы, использующие внешний фотоэффект, делятся на вакуумные и газонаполненные. Наполнение фотоэлемента газом позволяет в несколько раз усилить ток с катода за счёт ионизации ускоренными фотоэлектронами атомов газа. Коэффициент газового усиления выбирается небольшим (от 5 до 8), так как при большем коэффициенте усиления появляется опасность зажигания самостоятельного разряда, который недопустим из-за разрушения катода.

Основными характеристиками фотоэлементов, необходимыми для выбора его режима, являются следующие.

1). Вольтамперные характеристики J_ф=f(U_a) при постоянных световых потоках Ф.

2). Световая характеристика, J_ф=f(Ф) при постоянном напряжении на аноде.

3). Спектральная характеристика J_ф=f(λ) при постоянном световом потоке и напряжении на аноде.

4). Частотная характеристика J_ф=f(F) – зависимость фототока от частоты, модуляции светового потока.

Вольтамперные характеристики вакуумного и газонаполненного фотоэлементов приведены на рис6.4. Для вакуумных фотоэлементов чётко наблюдается режим насыщения, величина тока которого зависит от светового потока. Насыщение наступает при напряжении 40-50В из-за того, что анод фотоэлемента имеет

обычно малые размеры и при малых анодных напряжениях траектории не всех электронов, вышедших из катода, пересекают поверхность анода. В начальной области характеристик, так же как и в электронных лампах, в фотоэлементе наблюдается ток при нулевом и даже отрицательном напряжении на аноде за счёт начальных скоростей фотоэлектронов.

В газонаполненных фотоэлементах вольтамперная характеристика не имеет резко выраженной области насыщения. При определённом напряжении начинается ионизация атомов газа и ток фотоэлемента резко растёт (возникает несамостоятельный газовый разряд). При некотором напряжении разряд становится самостоятельным, что приводит к разрушению фотокатода. Поэтому зажигание самостоятельного разряда в фотоэлементе недопустимо.

Нормальной световой характеристикой фотоэлементов является прямая линияJ_Ф=kФ. Однако при больших световых потокахмогут наблюдаться отклонения от линейности, обусловленные утомлением фотокатода, неэквипотенциальностью катода из-за большого сопротивления фотослоя, например, в сурьмяно-цезиевом фотокатоде и др.

Спектральная характеристика фотоэлементов близка к спектральной характеристике фотокатода (рис.6.3 ), от которой она отличается только из-за селективного поглощения света стеклом баллона фотоэлемента.

Частотная характеристика вакуумных фотоэлементов равномерна до очень высоких частот, при которых уже сказывается ёмкость схемы или время пролёта электронов (порядка 10^-8с ). В газонаполненных фотоэлементах их

чувствительность начинает уменьшаться уже на звуковых частотах, что определяется тем, что в процессе переноса тока участвуют и положительные ионы.

Параметрами фотоэлементов являются:

1). Интегральная чувствительность k, показывающая какизменяется величина фототока при изменении светового потока на 1 люмен

Интегральная чувствительность измеряется в мкА/лм и определяется для немонохроматического светового потока, даваемого электрической лампой накаливания при температуре нити 2850К.

2). Темновой ток фотоэлемента – ток полностью затемнённого фотоэлемента, который определяется термоэлектронной эмиссией катода и несовершенством изоляции,

Рис.6.4. Вольтамперные характеристики фотоэлементов: а – вакуумного, б - газонаполненного

3). Пороговая чувствительность фотоэлемента – тот световой поток, который вызывает фототок вдвое больше темнового.

4). Внутреннее сопротивление .

При включении в цепь фотоэлемента рабочего резистора вы­ходным сигналом схемы является падение напряжения наЯ_н .вэтом случае определяется чувствительность фотоэлемента по на­пряжению, которая равна

(6.4)

5. Методические указания

Схема для измерения характеристик и параметров фотоэлементов приведена на рис.6.5. Элементы схемы, обведенные пунктирной линией, собраны в светонепроницаемой металлической камере.

Питание фотоэлементов осуществляется от источника постоянного напряжения 300В, анодное напряжение регулируется с помощью потенциометра. Для изучения характеристик фотоэлементов с нагрузкой в анодную цепь включается резисторR_н. При снятии статических характеристик, этот резистор шунтируется включением тумблера К.

При снятии вольтамперных и световых характеристик фотоэлементы

освещаются лампочкой накаливания, питаемой переменным напряжением 12В. Световой поток, падающий на фотоэлемент, меняется регулировкой расстояния между ним и источником света, что достигается поворотом штурвала, расположенного с правой стороны макета. Расстояние между лампочкой и фотоэлементом индицируется стрелкой на шкале, расположенной на лицевой панели внизу. Световой поток, падающий на фотоэлемент, определяется по формуле

(6.5)

где J– сила источника света в канделах,r – расстояние между источником света и фотокатодом,S– площадь приёмногоотверстия фотоэлемента.

При изучении частотных характеристик фотоэлементов питание лампочки накаливания выключается, а к неоновой лампочке МН подводится напряжение от звукового генератора ЗГ-10. В этом случае переменная составляющая анодного тока фотоэлемента измеряется с помощью осциллографа, на вход которого подаётся сигнал с резистораR_н. Вначале снимается зависимость от частотыFамплитуды переменной составляющей тока вакуумного фотоэлементаJ_в, а затем газонаполненногоJ_г. Так как в диапазоне звуковыхчастот частотная зависимость для вакуумного фотоэлемента не проявляется, частотную зависимость газонаполненного фотоэлемента получим вычислив отношениеJ_г/J_в=f(F). ЗависимостиJ_в=f(F) позволяет нам определить зависимость силы света,излучаемого неоновой лампочкой, от частоты питающего напряжения.