2. Законы фотоэлектронной эмиссии и характеристики фотокатода

Простейшим электровакуумным прибором, преобразующим оптический сигнал в электрический, является фотоэлемент. Он имеет два электрода: фотокатод и анод. На анод подается посто­янное положительное напряжение относительно катода. Эмитти- рованные из фотокатода электроны движутся к аноду, создавая в цепи фототок /_ф.

Законы Столетова и Эйнштейна являются основными для фотоэлектронной эмиссии.

а б в

Рис. 3.14. Световая (а) и спектральные (б, в) характеристики фотокатода

Закон Столетова: величина фототока прямо пропорциональ­на световому потоку, падающему на фотокатод, при неизменном спектральном составе света:

/_Ф = 5Ф,

где Ф — световой поток в люменах; S — коэффициент пропор­циональности, называемый чувствительностью фотокатода и из­меряемый в микроамперах на люмен.

Закон Столетова основывается на квантовой теории: больший световой поток несет в единицу времени больше фотонов, сле­довательно, большее число электронов может за это время погло­тить по одному фотону и выйти из фотокатода в вакуум. Этот за­кон отражается световой характеристикой (рис. 3.14, а).

Световая характеристика — это зависимость фототока от све­тового потока при постоянном спектральном составе света и неизменном анодном напряжении:

/_ф = 1(ф) при U_a — const.

Она представляет собой прямую линию, выходящую из нача­ла координат; ее наклон зависит от чувствительности фотока­тода.

Закон Эйнштейна: максимальная кинетическая энергия выле­тевшего из фотокатода электрона линейно возрастает с увели­чением частоты падающего света и не зависит от его интенсив­ности.

Поскольку разность энергии фотона и работы выхода прев­ращается в кинетическую энергию электрона, то закон Эйнштей­на выражается уравнением

Sf- = W_M - Wo,

где mv²/2 — кинетическая энергия электрона.

Подставив в уравнение значения W_KB и W_G, получим:

= /iv — ец>₀.

Это уравнение определяет линейную зависимость кинетичес­кой энергии электрона от частоты излучения v; остальные его элементы — постоянные для данного вещества.

Максимальной кинетической энергией будут обладать те электроны, которые внутри фотокатода имели максимальную внут­реннюю энергию Wi. При W_KB — W₀ кинетическая энергия вылетев­шего электрона равна нулю, а при №_кв <С Wо фотоэлектронная эмиссия невозможна.

Закону Эйнштейна подчиняется фотоэлектронная эмиссия из чистых металлов сравнительно большей толщины. Такую эмис­сию называют нормальной. Однако эти фотокатоды не нашли применения из-за большой работы выхода, при которой нельзя получить эмиссию при облучении их видимой частью спектра. В фотоэлементах и фотоумножителях используют сложные тон­копленочные катоды, например сурьмяно-цезиевые, характери­зующиеся избирательной фотоэлектронной эмиссией. Они облада­ют максимальной чувствительностью к лучам определенной час­ти спектра.

Чувствительность — основной параметр фотоэлектронного прибора. Различают интегральную (световую) и спектральную чувствительность.

Интегральная чувствительность — это чувствительность фо­токатода к суммарному, не разложенному в спектр, световому потоку. Она определяется как фототок, вызываемый общим све­товым потоком в 1 люмен:

с _ /ф ф '

Для точного определения интегральной чувствительности в качестве источника света выбран стандартный излучатель — электрическая лампа накаливания мощностью 100 Вт при тем­пературе нити 2850 К.

Интегральную чувствительность можно определить по свето­вой характеристике.

Спектральная чувствительность — это чувствительность фото­катода к монохроматическому свету. Она определяется как фото­ток, приходящийся на 1 люмен светового потока данной длины волны:

Спектральные свойства фотокатода определяют по спектраль­ной характеристике, которая представляет собой зависимость спектральной чувствительности от длины волны излучения.

Sk = /(Я) при Ф = const.

При нормальной фотоэлектронной эмиссии спектральная ха­рактеристика отражает закон Эйнштейна (рис. 3.14, б): с уве­личением X, т. е. уменьшением v, кинетическая энергия и скорость эмиттированных электронов уменьшается, следовательно, умень­шается фототок и чувствительность при Ф = const. Фотоэлект­ронная эмиссия прекращается при Х₀ соответственно порогу vo.

При избирательной фотоэлектронной эмиссии спектральная характеристика имеет максимум в определенной части спектра. На рис. 3.14, в приведена в качестве примера спектральная характеристика сурьмяно-цезиевого фотокатода, используемого в фотоумножителях. Этот катод наиболее чувствителен к видимой части спектра (от желто-зеленых до сине-фиолетовых лучей); для него Ло = 0,7 мкм.