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 .