2.7. 3 Фотоелементи з зовнішнім фотоефектом.

Фото помножувачі

Фотоелементом називається електровакуумний, напів­провідниковий або іонний прилад, у якому дія променевої енергії оптичного діапазону обумовлює зміну його електричних властивостей.

Зовнішній фотоефект, або фото­електронна емісія, полягає в тому, що джерело випромінювання надає частині електронів додаткової енер­гії, достатньої для виходу їх з речови­ни в навколишнє середовище (вакуум або розріджений газ). У вакуумних або електронних фотоелементах рух електронів відбувається у вакуумі; у газонаповнених чи іонних фотоеле­ментах електрони перемішуються у розрідженому .

Фотоелемент з зовнішнім фотоефектом (рис. 2.39, а) розміщений у скляній колбі 2, де створено вакуум (у вакуумному фотоелементі) або яку після відкачування повітря за­повнено розрідженим газом (аргоном з низьким тиском — в іонних фотоеле­ментах). Внутрішню поверхню колби, за винятком невеликого «вікна» для проходження світлового потоку 1, покрито фотокатодом 3, що являє собою шар срібла з нанесеним на нього напівпровідниковим шаром оксиду цезію. Анод 4 фотоелемента виготовлено у вигляді кільця, щоб він не перекривав шлях світловому потокові до катода. Колбу розміщують у пластмасо­вому цоколі 5, у нижній частині якого знаходяться контактні штирки 6 з виводами від анода й катода

Рисунок 2.39 - Фотоелемент з зовнішнім фотоефектом: а—схема вмикання; б — зовнішній вигляд та умовне позначення

Під дією прикладеної напруги U джерела живлення між анодом і катодом фотоелемента утворюється електричне поле, й електрони, що вилітають з освітленої поверхні катода, спрямовуються до пози­тивно зарядженого анода. Отже, в колі встановлюється фотострум Іф, залежність якого від світлового потоку Ф за незмінної напруги дже­рела живлення [І_ф = f (Ф)] називається світловою характеристикою.

В іонному фотоелементі електрони іонізують атоми газу й збіль­шують потік електронів, тобто збільшують силу струму фотоелемента, підвищуючи його чутливість.

Фотоелектронна емісія і фотострум фотоелемента залежать від довжини хвилі світлового випромінювання, тому, крім світлової чутливості, фотоелемент характеризується спектральною чут­ливістю.

Анодні вольт-амперні характеристики фотоелемента показують залежність сили струму від прикладеної до затискачів фотоелемента напруги за незмінного світлового потоку, що освітлює фотокатод, тобто І_ф = f (U) при Ф = const. У електронного фотоелемента сила фотоструму спочатку швидко зростає зі збільшенням напруги, потім її зростання сповільнюється і, нарешті, майже зовсім припиняється, тобто настає режим насичення (рис. 2.47, а). Для іонного фотоелемента анодна вольт-амперна характеристика після горизонтальної ділянки (електронний потік) піднімається вгору внаслідок іонізації газу (рис. 2.47, б).

Рисунок 2.47- Анодні вольт-амперні характеристики фотоелементів:

а —електронного; б — іонного.

У процесі роботи фотоелемента його параметри з часом змінюються, тобто проявляється їхня властивість «стомлюваності». Фотоелемент використовують разом з ламповим або транзисторним підсилюва­чем через малу силу фотоструму, який можна одержати від фотоеле­мента. Поряд з фотоелементами існують фотоелектронні прилади з під­силенням фотоструму, які називаються фотоелектронними помножувачами. Це прилади з зовнішнім фотоефектом, у яких підсилення фотоструму відбувається під дією вторинної елек­тронної емісії. У скляному балоні, крім фотокатода й анода, розмі­щено ряд вторинних емісійних катодів, поверхня яких по­крита емісійною речовиною.

Між цими емісійними катодами встанов­люється різниця потенціалів приблизно 100 В, яка в міру віддалення від фотокатода до анода збільшується. З поверхні освітленого фото­катода вилітають первинні електрони під дією електричного поля між катодом та емісійним катодом — емітером вторинних електронів пер­шого каскаду, спрямовуються на цей емітер і вибирають з його поверхні вторинні електрони, кількість яких у кілька разів більша від кількості електронів, що потрапили на емітер первинних елек­тронів.

Під дією електричного поля, утвореного між емітерами першого й другого каскадів, електрони, що ви­летіли з емітера першого каскаду, з великою швидкістю вдаряються об емітер другого каскаду й вибивають з його поверхні вторинні електрони, яких також у кілька разів більше, ніж електронів, що потрапили на нього. Збільшений потік вторинних електронів з емітера другого каскаду потрапляє на емітер третього каскаду, підсилюється третім і четвертим каскадами й досягає анода фотопомножувача. Отже, у фотопомножувачі відбувається багаторазове збільшен­ня кількості вторинних електронів, тобто підсилення фотоструму.

Фотоелектронні помножувачі застосовують для вимірювання дуже малих світлових потоків (до 10^-8 лм). Сила їх вихідного струму не перевищує кількох десятків міліампер.