Электровакуумные фотоэлементы

Устройство и условное изображение в схемах электровакуум­ного фотоэлемента показано на рис.94. Внутри стеклянного бал­лона помещаются два электрода: фотокатод и анод. Фотокато­дом является светочувствительный слой щелочноземельного ме­талла, нанесенный на серебряную подложку, осажденную на внутренней поверхности баллона. Обычно катод занимает поло­вину поверхности баллона. Остальная его часть остается про­зрачной и служит" окном, через которое свет попадает на фотокатод. Чаще всего применяются кислородно-цезиевые на сере­бряной подложке и сурьмяно-цезиевые катоды.

Анод фотоэлемента выполняется в виде небольшого нике­левого кольца, помещенного в центре баллона.

Фотоэлементы с внешним фотоэффектом бывают вакуумные и газонаполненные. Из баллона вакуумного фотоэлемента воз­дух откачивается до образования вакуума 10^-6—10 ^-7 мм рт. ст. Баллон газонаполненного фотоэлемента заполняется инертным газом (обычно аргоном) при давлении 0,1-—0,01 мм рт. ст.

Схема включения фотоэлемента приведена на рис. 95.

Принцип действия фотоэлемента основан на использовании явления внешнего фотоэффекта. Под действием светового по­тока из фотокатода вылетают электроны. Они попадают в уско­ряющее электрическое поле анода и, достигая анода, создают во внешней цепи ток Iф, пропорциональный интенсивности све­тового потока. При изменении светового потока изменяется ток во внешней цепи, а следовательно, и падение напряжения на ре­зисторе нагрузки R_K. Таким образом, с помощью фотоэлемента световой поток осуществляет управление выходным напряже­нием.

Ток в фотоэлементе незначительный. Увеличение тока в фо­тоэлементах достигается двумя способами:

1) использованием вторичной электронной эмиссии. Такие
приборы называются фотоэлектронными умножителями;

2) наполнением баллона фотоэлемента инертным газом. Та­
кие приборы называются ионными фотоэлементами.

Основным параметром фотоэлементов является чувствитель­ность. Различают чувствительность интегральную и спект­ральную.

Интегральной чувствительностью фотоэлемента называется чувствительность его к суммарному (неразложенному) световому по­току стандартного источ­ника. Интегральная чув­ствительность показывает величину анодного тока, вызываемого световым

потоком в 1 лм, и измеряется в микроамперах на люмен:

.

Рис. 95. Схема включения фото­элемента.

Рис. 94. Устройство {а) и условное изображение

вакуумного (б) и ионного (в) фото­элемента

Стандартным источником света принято считать газонапол­ненную электрическую лампочку мощностью в 100 Вт, вольфра­мовая нить накала которой имеет температуру 2850 К.

Спектральной чувст­вительностью фотоэлемента называется чувствительность его к монохроматическому излуче­нию определенной длины волны л. Спектральная чувствительность показывает величину тока, проте­кающего в цепи фотоэлемента, при облучении заданной длины волны К световым потоком в 1 лм и измеряется в микроамперах на люмен

При более полной оценке свойств фотоэлемента, кроме чув­ствительности, его характеризуют следующие параметры:

— темновой ток — ток в фотоэлементе, включенном в цепь питания при полном затемнении (Ф = 0);

— термостойкость — величина, определяющая диапазон рабочих температур (обычно от -1-50 до—20° С);

— стабильность фотокатода — свойство сохранять постоянство параметров во времени;

— утомляемость — уменьшение чувствительности при резком увеличении освещенности фотокатода.

Основными характеристиками электровакуумных фотоэле­ментов являются: спектральная, световая и вольтамперная.

Спектральной характеристикой называется зависимость спек­тральной чувствительности от длины волны падающего на катод света. Форма спектральной характеристики зависит от типа ка­тода, материала подложки и окна. Спектральные характерис­тики для некоторых фотокатодов приведены на рис. 96. На этом рисунке видно, что сурьмяно-цезиевый катод обладает наи­большей чувствительностью к голубому и зеленому свету, а кис­лородно-цезиевый— к красному свету.

Световой характеристикой называется зависимость тока фо­тоэлемента I_Ф от величины, светового потока Ф при постоянном анодном напряжении Ua = const.Световые характеристики ваку­умных фотоэлементов линейны, газонаполненных — нелинейны (вследствие неравномерности ионизации газа). Световые харак­теристики фотоэлементов с внешним фотоэффектом приведены на рис. 97.

Вольтамперной характеристикой фотоэлемента называется зависимость фототока /ф от анодного напряжения при постоян­ном световом потоке Ф. Внешний вид вольтамперных характе­ристик показан на рис. 98. Характеристики вакуумных фотоэле­ментов по форме похожи на анодные характеристики пентода. Они имеют явно выраженный горизонтальный участок, соответ­ствующий току насыщения при напряжении насыщения. Харак­теристики газонаполненных фотоэлементов не имеют области насыщения, так как с повышением напряжения фототок увели­чивается вследствие возникновения газового разряда.

Частотной или инерционной характеристикой фотоэлемента называется зависимость переменной составляющей фототока от частоты изменения светового потока. Частотная характеристика вакуумных фотоэлементов линейна (рис.99) в широком диапа­зоне частот. Некоторый спад частотной характеристики на вы­соких частотах появляется вследствие влияния междуэлектрод­ной емкости.

Обозначение вакуумных фотоэлементов состоит из букв, ука­зывающих па материал, из которого изготовлен катод (Ц — цезиевый, СЦ — сурьмяно-цезиевый), и вид фотоэлемента (В — вакуумный, Г — газонаполненный). Цифра после букв обозна­чает конструктивное исполнениефотоэлемента (например, СЦВ-3, ЦГ-4ит. д.).

Рис. 96. Спектральные характерис­тики Рис. 97. Световые характеристики фото- фотокатодов элементов с внешним фотоэффек­том ­I — сурьмяно-цезиевого; 2 — кислородно- 1 — иакуумныя; 2 -газонаполненных.

цезиевого

Рис. 98. Вольтамперные характеристики фотоэлементов; а —элект­ронного; 6 — ионного

Рис. 99. Частотная характеристика вакуумного фотоэлемента