Фотоэлектронная эмиссия. Эффективные фотокатоды

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 такова, что большинство фотоэлектронов попадае

т 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, а их бывает до 10-15, собираются на анод. Общий коэффициент усиления таких систем достигает 107 –108, 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. 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 было измеряя напряжение на этой емкости, получать величину, пропорциональную усредненной величине светового потока за заданный интервал времени. Последние чрезвычайно важно в тех случаях, когда необходимо измерить световой поток от нестабильного источника света – ситуация, типичная для спектро-ананалитических измерений.

Основные закономерности фотоэффекта

Фотоэлектронная эмиссия подчиняется следующим закономерностям.

1) Фотоэлектронный ток пропорционален интенсивности светового потока (закон Столетова).

2) Кинетическая энергия фотоэлектронов не зависит от интенсивности светового потока, при этом максимальное значение энергии фотоэлектронов определяется законом Эйнштейна

,

где - работа выхода вещества.

Из закона Эйнштейна следует наличие длинноволновой (красной) границы фотоэлектронной эмиссии, которая определяется условием

Здесь - минимальная энергия кванта, при которой происходит вырывание фотоэлектронов из материала; соответствующая этой энергии максимальная длина волны

Строго говоря, это соотношение справедливо только при температуре абсолютного нуля. При более высоких температурах энергетическая граница фотоэффекта становится нерезкой из-за размытия уровня Ферми.

Температурная зависимость фотоэлектронного тока вблизи описывается законом Фаулера. Однако в большинстве прикладных задач этот фактор можно не учитывать.

3) При интенсивных световых потоках (создаваемых, например, с помощью лазеров) линейная зависимость фотоэлектронного тока от интенсивности светового потока может нарушаться, т.е. нарушается закон Столетова. Возможно также нарушение закона Эйнштейна из-за возникновения многофотонной фотоэлектронной эмиссии, обусловленной поглощением одним электроном нескольких фотонов. При освещении материалов солнечным излучением такие процессы имеют малую вероятность.

Основной характеристикой внешнего фотоэффекта является спектральная зависимость квантового выхода - зависимость числа эмиттируемых фотоэлектронов, приходящихся на один фотон, от энергии фотонов (или от длины волны). На рис. 6.7 в качестве примера показана такая спектральная зависимость квантового выхода для окиси индия. Спектральные зависимости квантового выхода и потоки фотоэлектронов с поверхности для разных материалов достаточно близки. Для большинства материалов плотность тока фотоэлектронной эмиссии при освещении их Солнцем за пределами земной атмосферы составляет ~(1-5).10-5 А/м2.

Литература

1. Э.В.ШПОЛЬСКИЙ.

Атомная физика 1984 г.

2. А.Н.ДОБРЕЦОВ, М.В.ГОМОЮНОВА

Эмиссионная электроника 1966 г.

3. И.В.ГАПОНОВ.

Электроника 1960 г.

4. Г.С.ЛАНДСБЕРГ.

Оптика 1976 г.

5. Ю.С. ПРОТАСОВ, С.Н. ЧУВАШЕВ

Физическая электроника 2001 г.

 Скачать реферат