Где используются фотоэлементы с внешним фотоэффектом

3. Применение внешнего фотоэффекта

На явлении внешнего фотоэффекта основано действие фотоэлектронных приборов, получивших разнообразное применение в различных областях науки и техники. В настоящее время практически невозможно указать отрасли производства, где бы не использовались фотоэлементы — приемники излучения, работающие на основе фотоэффекта и преобразующие энергию излучения в электрическую. Простейшим является вакуумный фотоэлемент. Он представляет собой откачанный стеклянный баллон, внутренняя поверхность которого частично покрыта фоточувствительным слоем, служащим фотокатодом. В качестве анода обычно используется кольцо или сетка, помещаемые в центре баллона. Фотоэлемент включается в цепь батареи, э.д.с. которой может обеспечить ток насыщения. Выбор материала фотокатода определяется рабочей областью спектра излучения. Так для видимой и ИК области обычно используется кислородно-цезиевый фотокатод. Вакуумные фотоэлементы практически безынерционны и для них наблюдается строгая пропорциональность фототока интенсивности излучения.

Для увеличения чувствительности баллон фотоэлемента может быть заполнен разреженным инертным газом (аргоном или неоном). В этом элементе фототок усиливается вследствие ударной ионизации молекул газа фотоэлектронами. Такие фотоэлементы называются газонаполненными. Они обладают гораздо большей чувствительностью по сравнению с вакуумными, но имеют большую инерционность, что ограничивает область их применения.

Для получения достаточного фототока при малых интенсивностях падающего излучения применяются фотоэлектронные умножители (ФЭУ), в которых наряду с фотоэффектом используется явление вторичной электронной эмиссии.

Фотоэлектронный умножитель представляет собой (Рис. 6) вакуумную трубку с фотокатодом К и анодом А, между которыми расположено несколько электродов – эмиттеров. вторичной электронной эмиссии.Фотоэлектроны, эмитированные под действием излучения катодом, пройдя ускоряющую разность потенциалов между К и Э1, попадают на эмиттер Э1. За счет вторичной электронной эмиссии (испускание электронов поверхностью вещества при бомбардировке ее пучком электронов) количество электронов после Э1 будет большим, чем при падении на Э1. Эти электроны направляются, ускоряясь, на Э2. Процесс повторяется на всех последующих эмиттерах. В результате ток анода будет значительно больше, чем исходный фототок. Коэффициент усиления ФЭУ может достигать 10 7 , что позволяет применять их в случае очень малых потоков излучения, например, в астрономии.

Внешний фотоэффект используется также в электронно-оптических преобразователях ЭОП – устройствах, предназначенных для усиления яркости светового изображения и преобразования невидимого глазом изображения объекта (например, вИКилиУФ лучах) в видимое. Схема простейшегоЭОПприведена на Рис.7.

_А6

Изображение предмета Ас помощью оптической линзы1проецируется на фотокатод2,что вызывает с поверхности фотокатода фотоэлектронную эмиссию, пропорциональную распределению интенсивности спроецированного изображения. Фотоэлектроны, ускоренные электрическим полем электрода3,фокусируются электронной линзой4на экран5,где электронное изображение преобразуется в световое. Электронная часть преобразователя находится в вакуумном сосуде6.

3. Применение фотоэлементов

В настоящее время на основе внешнего и внутреннего фотоэффекта строится бесчисленное множество приемников излучения, преобразующих световой сигнал в электрический и объединенных общим названием – фотоэлементы. Они находят весьма широкое применение в технике и в научных исследованиях. Самые разные объективные оптические измерения немыслимы в наше время без применения того или иного типа фотоэлементов. Современная фотометрия, спектрометрия и спектрофотометрия в широчайшей области спектра, спектральный анализ вещества, объективное измерение весьма слабых световых потоков, наблюдаемых, например, при изучении спектров комбинационного рассеяния света, в астрофизике, биологии и т. д. трудно представить себе без применения фотоэлементов. Регистрация инфракрасных спектров часто осуществляется специальными фотоэлементами для длинноволновой области спектра. Необычайно широко используются фотоэлементы в технике: контроль и управление производственными процессами, разнообразные системы связи от передачи изображения и телевидения до оптической связи на лазерах и космической техники представляют собой далеко не полный перечень областей применения фотоэлементов для решения разнообразнейших технических вопросов в современной промышленности и связи.

История создания фотоэлементов насчитывает уже более 100 лет. Первый фотоэлемент, основанный на внутреннем фотоэффекте и использующий явление фотопроводимости, был построен в 1875 г., первый же вакуумный фотоэлемент, основанный на внешнем фотоэффекте, был построен в 1889 г. Промышленное производство вакуумных фотоэлементов в Советском Союзе было организовано П. В. Тимофеевым в 1930 г. Интересно отметить, что фотоэлементы, использующие внешний фотоэффект, раньше приобрели широкое развитие, хотя внутренний фотоэффект был открыт по крайней мере на 14 лет раньше. Только в сороковых годах двадцатого столетия благодаря бурному развитию физики полупроводников и детальному изучению внутреннего фотоэффекта началось создание новых фотоэлементов на основе полупроводниковых материалов.

Огромное разнообразие задач, решаемых с помощью фотоэлементов, вызвало к жизни чрезвычайно большое разнообразие типов фотоэлементов с различными техническими характеристиками. Выбор оптимального типа фотоэлементов для решения каждой конкретной задачи основывается на знании этих характеристик. Для фотоэлементов с внешним фотоэффектом (вакуумных фотоэлементов) необходимо знание следующих характеристик: рабочая область спектра, относительная характеристика спектральной чувствительности (она строится как зависимость от длины волны падающего света безразмерной величины отношения спектральной чувствительности при монохроматическом освещении к чувствительности в максимуме этой характеристики), интегральная чувствительность (она определяется при освещении фотоэлемента стандартным источником света), величина квантового выхода (процентное отношение числа эмитированных фотоэлектронов к числу падающих на фотокатод фотонов), инерционность (для вакуумных фотоэлементов она определяется обычно через время пролета электронов от фотокатода к аноду). Важным параметром служит также темновой ток фотоэлемента, который складывается из термоэлектронной эмиссии фотокатода при комнатной температуре и тока утечки.

В зависимости от материала фотокатода и материала колбы фотоэлемента их можно применять в диапазоне 0,2…1,4 мкм. Их интегральная чувствительность лежит в пределах 20…100 мкА на 1 лм светового потока. Очень важным достоинством вакуумных фотоэлементов является их высокое постоянство и линейность связи светового потока с фототоком. Поэтому они длительное время преимущественно использовались в объективной фотометрии, спектрометрии, спектрофотометрии и спектральном анализе в видимой и ультрафиолетовой областях спектра. Главным недостатком вакуумных фотоэлементов при световых измерениях следует считать малость электрических сигналов, вырабатываемых этими приемниками света. Последний недостаток полностью устраняется в фотоэлектронных умножителях (ФЭУ), представляющих как бы развитие фотоэлементов. ФЭУ были впервые построены в 1934 г.

Принцип действия ФЭУ можно проследить на рис. 3.1. Фотоэлектроны, эмитируемые с фотокатода ФК под действием электрического поля, ускоряются и попадают на первый промежуточный электрод Э₁. Падая на него, фотоэлектроны вызывают эмиссию вторичных электронов, причем в определенных условиях эта вторичная эмиссия может в несколько раз превышать первоначальный поток фотоэлектронов. Конфигурация электродов подбирается так, что большинство фотоэлектронов попадает на электрод Э₁ а большинство вторичных электронов попадает на следующий электрод Э₂, где процесс умножения повторяется, и т. д. Вторичные электроны с последнего из электродов (динодов), а их бывает до 15 собираются на анод А. Общий коэффициент усиления таких систем достигает 10 8 , а интегральная чувствительность ФЭУ достигает тысяч ампер на люмен. Это, конечно, не означает возможности получения больших токов, а свидетельствует лишь о возможности измерения малых световых потоков.

Рис. 3.1. Конструкция и принцип действия фотоэлектронного умножителя

Очевидно, те же технические характеристики, что и у вакуумных фотоэлементов, а также коэффициент усиления и его зависимость от питающего напряжения полностью характеризуют ФЭУ.

В настоящее время последние повсеместно вытесняют вакуумные фотоэлементы. К недостаткам ФЭУ следует отнести необходимость применения источника высоковольтного и стабилизированного питания, несколько худшую стабильность чувствительности и большие шумы. Однако путем применения охлаждения фотокатодов и измерения не выходного тока, а числа импульсов, из которых каждый соответствует одному фотоэлектрону, эти недостатки могут быть в значительной степени подавлены.

Большим преимуществом всех приемников света, использующих внешний фотоэффект, является то обстоятельство, что их фототок не изменяется при изменении нагрузки. Это означает, что при малых значениях фототока можно применить практически сколь угодно большое сопротивление нагрузки и тем самым достичь значения падения напряжения на нем, достаточно удобного для регистрации и усиления. С другой стороны, заменяя сопротивление на емкость, можно, измеряя напряжение на этой емкости, получать величину, пропорциональную усредненной величине светового потока за заданный интервал времени. Последнее чрезвычайно важно в тех случаях, когда необходимо измерить световой поток от нестабильного источника света – ситуация, типичная для спектроаналитических измерений.

Спектрометрия в инфракрасной области спектра не может производиться с помощью вакуумных фотоэлементов и ФЭУ по той причине, что современные фотокатоды имеют красную границу не выше 1400 нм. Однако уже сейчас известны материалы, позволяющие продвинуться до 4 мкм. Поэтому в инфракрасной области применяются фотоэлементы, работающие на основе внутреннего фотоэффекта. Сюда следует отнести неохлаждаемые фоторезисторы на основе InSb, PbSe и PbS, которые могут быть использованы до 6 мкм, и глубоко охлаждаемые фоторезисторы на основе германия, легированного золотом, цинком, медью и другими металлами, пригодные до 40 мкм.

Полупроводниковые фотоэлементы характеризуются не строгой линейностью зависимости величины электрического сигнала от освещения. Этот недостаток, равно как и непостоянство чувствительности фотоэлемента, нестабильность его питания, а также дрейф усиления измерительной схемы, устраняется применением дифференциальной двухлучевой системы, в которой измеряется не абсолютное значение интенсивности света, прошедшего через поглощающее вещество, а ее отношение к интенсивности света просвечивающего источника.

В подавляющем числе случаев применения фотоэлементов не предъявляют строгих требования к их измерительным свойствам. По этой причине фотоэлементы, работающие на основе внутреннего фотоэффекта, в силу их малых габаритов, низких напряжений питания и ряда конструктивных достоинств повсеместно применяются для автоматических систем, систем управления, преобразования солнечной энергии, контроля производства и т. д., за исключением тех случаев, когда относительно невысокие инерционные свойства этих фотоэлементов препятствуют их использованию.

3. Применение внешнего фотоэффекта

Фотоэлектронный умножитель представляет собой (Рис. 6) вакуумную трубку с фотокатодом К и анодом А, между которыми расположено несколько электродов – эмиттеров. вторичной электронной эмиссии. Фотоэлектроны, эмитированные под действием излучения катодом, пройдя ускоряющую разность потенциалов между К и Э1, попадают на эмиттер Э1. За счет вторичной электронной эмиссии (испускание электронов поверхностью вещества при бомбардировке ее пучком электронов) количество электронов после Э1 будет большим, чем при падении на Э1. Эти электроны направляются, ускоряясь, на Э2. Процесс повторяется на всех последующих эмиттерах. В результате ток анода будет значительно больше, чем исходный фототок. Коэффициент усиления ФЭУ может достигать 10 7 , что позволяет применять их в случае очень малых потоков излучения, например, в астрономии.

Внешний фотоэффект используется также в электронно-оптических преобразователях ЭОП – устройствах, предназначенных для усиления яркости светового изображения и преобразования невидимого глазом изображения объекта (например, в ИК или УФ лучах) в видимое. Схема простейшего ЭОП приведена на Рис.7.

_А 6

Изображение предмета А с помощью оптической линзы 1 проецируется на фотокатод 2, что вызывает с поверхности фотокатода фотоэлектронную эмиссию, пропорциональную распределению интенсивности спроецированного изображения. Фотоэлектроны, ускоренные электрическим полем электрода 3, фокусируются электронной линзой 4 на экран 5, где электронное изображение преобразуется в световое. Электронная часть преобразователя находится в вакуумном сосуде 6.