Устройство и принцип действия вакуумного фотоэлемента
Приборы, в которых внешний фотоэффект используется для получения электрической энергии за счет энергии излучения, носят названия фотоэлементов. Фотоэлементы изготавливаются вакуумные, в которых фототок образуется электронами, выходящими из катода под действием излучения, и газонаполненные, в которых фототок усили-вается при разряде в газе.
Вакуумный фотоэлемент (рис. 2.1) выполняется чаще в виде стек-лянного баллона 1, из которого откачан воздух. Часть внутренней по-верхности баллона, покрытая светочувствительным слоем, содержащим щелочной металл, является катодом К. Анод А выполняется в виде металлического кольца, расположенного в центре баллона. В вакуумных фотоэлементах остаточное давление газа в баллоне около 
мм рт.ст. В фотоэлементе СЦВ используется сурьмяно-цезиевый катод.
|
При включении фотоэлемента в электрическую цепь (см. рис. 2.1) и освещении катода, фотоэлектроны, вырванные с поверхности металла, перемещаются под влиянием электрического поля к аноду. В цепи появляется фототок i. Зависимость фототока от напряжения между анодом и катодом при неизменном световом потоке Ф (или освещенности E) называется вольт-амперной характеристикой фото-элемента. Схематически эта зависимость приведена на рис. 2.2.
Если освещать катод неизменным световым потоком Φ ( 
) и изменять напряжение U между катодом и анодом, то сначала c ростом U фототок резко возрастает, затем возрастание уменьшается и, наконец, прекращается. Фототок достигает некоторого максимального значения, называемого током насыщения 
, который обусловлен тем, что все фотоэлектроны, вырываемые с поверхности катода, достигают анода.
Как видно из вольт-амперной характеристики даже при 
в цепи течёт ненулевой фототок 
. Существование тока является следствием того, что электроны, выбитые светом из катода, обладают некоторой начальной скоростью 
, а значит, и отличной от нуля кинетической энергией. Некоторые из них могут достичь анода даже в отсутствии внешнего электрического поля. Для того чтобы фототок стал равен нулю, необходимо приложить обратное – задерживающее напряжение 
. При 
ни один из электронов не сможет преодолеть задерживающего поля и достигнуть анода. Следовательно
. (2.6)
Таким образом, измерив задерживающее напряжение , можно определить максимальную скорость и кинетическую энергию фотоэлектронов.
Если при постоянном напряжении ( 
) изменять величину светового потока, падающего на катод, то обнаружим пропорциональность между фототоком i и световым потоком. В области насыщения тока имеет место прямая пропорциональность:
. (2.7)
Коэффициент γ, 
(ампер на люмен), называется чувствитель-ностью фотоэлемента. Чувствительность – основная характеристика фотоэлемента. При определении чувствительности γ необходимо знать величину светового потока Ф. Если освещенность фотокатода E, площадь поверхности фотокатода S, то падающий световой поток 
.
Пусть фотокатод освещается лампой накаливания, удаленной от него на расстояние r(см. рис. 2.3). Лампу можно считать изотропным точечным источником, сила света которого 
. В этом случае
. (2.8)
Следовательно,
. (2.9)
Чувствительность вакуумных фотоэлементов составляет величину порядка 
.
Лабораторная работа № 3