Электровакуумный фотоэлемент

Электровакуумные фотоэлементы (ФЭ) подразделяют на элект­ронные высоковакуумные и ионные, наполненные инертным газом с низким давлением. В электронных ФЭ ток возникает за счет фо­тоэлектронной эмиссии из катода под действием светового потока; в ионных — фототок может быть увеличен за счет возбуждения в приборе несамостоятельного газового разряда.

Устройство. Электровакуумный ФЭ (рис. 27, а) содержит фо­токатод 1 в виде тонкого металлического слоя, нанесенного на внутреннюю поверхность баллона, и никелевый анод 2, изготовлен­ный в виде проволочного кольца или диска. Электроды помещены в стеклянный баллон 3, в котором создан вакуум, и имеют выводы к штырькам 4 цоколя.

Катоды электровакуумных ФЭ изготовляют преимущественно из светочувствительных щелочных и щелочноземельных металлов. Для ультрафиолетовой области спектра используют чисто метал­лические фотокатоды. Наибольшее применение получили кислородно-серебряно-цезиевые и сурьмяно-цезиевые фотокатоды.

Параметры и характеристики фотокатодов. Интегральная чув­ствительность (мкА/лм) равна отношению фототока I _ф в режиме насыщения к величине падающего светового потока Ф эталонного источника излучения ε_п= I _ф/Ф. Она характеризует способность ФЭ реагировать на воздействие светового потока, содержащего свето­вые колебания различных длин волн (от ультрафиолетовых до ин­фракрасных).

Спектральная чувствительность (мА/лм) равна отношению фо­тотока I _ф в режиме насыщения к световому потоку Ф₂ монохрома­тического излучения, т. е. потоку определенной длины волны l: ε_l= I _ф/Ф_l.

Помимо рассмотренных, важными параметрами фотокатода яв­ляются: термостойкость фотокатода, темновой ток, состоящий из тока термоэмиссии катода и тока утечки между электродами при отсутствии освещения (Ф = 0); стабильность параметров во вре­мени.

Выбор ФЭ для работы производят по спектральной характерис­тике фотокатода, она выражает зависимость спектральной чувстви­тельности ε_l, от l — длины волны монохроматического излучения (рис. 27, б).

На рис. 27, б приведены сравнительные спектральные харак­теристики фотокатодов и глаза человека. Уменьшение чувствительности в области 0,3 мкм объясняется поглощением ультрафио­летовых лучей стеклом колбы большинства ФЭ. Чувствительность в сторону более коротких воли можно расширить применением колб из кварца. В области длинных волн чувствительность спадает на пороговой частоте. В области видимых световых лучей более высо­кую отдачу имеют сурьмяно-цезиевые ФЭ с порогом чувствитель­ности около 0,65 мкм. Чувствительность электровакуумных кислородно-цезиевых ФЭ составляет 30—40 мкА/лм, а сурьмяно-цезиевых — 80—100 мкА/мл. В газонаполненных ФЭ в результате иони­зации газа чувствительность достигает 150—200 мкА/лм.

Рис. 27. Устройство и спектральные характеристики электровакуумного ФЭ.

Характеристики фотоэлементов. Вольт-амперные характеристи­ки высоковакуумных ФЭ выражают зависимость I _ф=j(U _а) при Ф=const (рис. 28, а). Начальный восходящий участок характе­ристик соответствует работе ФЭ в режиме пространственного за­ряда. По мере увеличения анодного напряжения пространственный заряд рассасывается, фототок достигает насыщения, при котором характеристики идут полого. С увеличением светового потока Ф₃> Ф₂>Ф₁ увеличиваются фототок и плотность объемного заряда, поэтому насыщение наступает при большем U_a. Рабочий режим ФЭ обычно выбирают в области насыщения, где стабилен фототок при отклонениях питающего напряжения U_a.

Световая характеристика I _ф=j(Ф) при U _a=const высокова­куумных ФЭ линейна при небольшой освещенности (рис. 28, б, прямая 1). При высокой освещенности наблюдается утомление фо­токатода и, как следствие, уменьшение крутизны характеристики. Линейность световой характеристики важна в телевидении для не­искаженного преобразования изменений светового потока в соответ­ствующие изменения электрического тока.

Примером высоковакуумных ФЭ могут служить приборы Ф-8, СЦВ-51 с сурьмяно-цезиевым катодом с ε=80 мкА/лм и темновым током I _т=0,1 мкА с областью спектральной чувствительности Δl=0,4÷0,7 мкм.

ФЭ предназначены для работы в аппаратуре фототелеграфной связи, звуковоспроизводящей аппаратуре кинематографии, конт­рольных и измерительных устройствах.

В ФЭ с полупроводниковыми фотокатодами характеристика ли­нейна лишь в области малых значений Ф (кривая 2).

Рис.28. Вольт – амперные и световые характеристики ФЭ.