Закон Столєтова




Скачати 399.15 Kb.
НазваЗакон Столєтова
Сторінка1/10
Дата05.04.2013
Розмір399.15 Kb.
ТипЗакон
nauch.com.ua > История > Закон
  1   2   3   4   5   6   7   8   9   10

http://antibotan.com/ - Всеукраїнський студентський архів

16.1.ФОТОЕЛЕКТРОННА ЕМІСІЯ

Фотоелектронна емісія, що інакше називається зовнішнім фотоефектом, є електронною емісією під дією електромагнітного випромінювання. Електрод, з якого відбувається емісія, при цьому називається фотоелектронним катодом (фотокатодом), а електрони, що ним випускаються  фотоелектронами.

Початок вивчення фотоелектронної емісії відносять до 1886 р., коли німецький вчений
Г. Герц помітив, що напруга виникнення електричного розряду між електродами понижається, якщо освітити один з цих електродів. Це явище з 1888 р. почав досліджувати професор Московського університету А. Г. Столєтов. Він встановив важливі властивості зовнішнього фотоефекту, але не міг його пояснити, бо на той час ще не були відомі електрони.

Розглянемо закони і характерні особливості фотоелектронної емісії.

  1. Закон Столєтова. Фотострум , що виникає за рахунок фотоелектронної емісії, пропорційний світловому потоку

, (16.1)


де  чутливість фотокатода, що зазвичай виражається в мікроамперах на люмен.

Якщо потік монохроматичний, тобто містить промені тільки однієї довжини, то чутливість називають монохроматичною і позначають . Чутливість до потоку білого (немонохроматичного) світла, що складається з променів з різною довжиною хвилі, називають інтегральною і позначають .

2. ^ Закон Ейнштейна. Ще у 1905 р. А. Ейнштейн встановив, що при зовнішньому фотоефекті енергія фотона перетворюється в роботу виходу і кінетичну енергію електрона, що вилетів

, (16.2)

де і  маса і швидкість фотоелектрона;  частота випромінювання;  стала Планка, що дорівнює .

Нагадаємо читачу, що електромагнітне випромінювання має подвійну природу. З одного боку це електромагнітні хвилі, що характеризуються довжиною і частотою . А з іншого боку, випромінювання можна розглядати як потік частинок  фотонів з енергією .

Закон Ейнштейна говорить про те, що енергія фотона передається електрону, що витрачає на вихід з фотокатода енергію , а різниця є енергією електрона, що вилетів.

3. Для зовнішнього фотоефекту існує так звана червона, або довгохвильова, межа. Якщо зменшувати частоту , то при деякій частоті фотоелектронна емісія припиняється, тому що на цій частоті і енергія фотоелектронів стає нульовою. Частоті відповідає довжина хвилі , де м/с. При або фотоелектронної емісії бути не може, тому що , тобто енергій фотона недостатньо навіть для здійснення роботи виходу.

4.Для фотоефекту характерна мала інерційність. Фотострум запізнюється по відношенню до випромінювання всього на декілька наносекунд.

Фотокатоди іноді характеризуються відношенням числа фотоелектронів до числа фотонів, що викликали емісію. Цей параметр отримав назву квантового виходу електронів. Якби кожний фотон викликав вихід одного електрона, то квантовий вихід дорівнював би одиниці. Але більша частина фотонів не приймає участі у створенні фотоструму: частина фотонів має довжину хвилі більшу , частина проникає глибоко в катод і розсіює там свою енергію, нарешті, частина фотонів відбивається від поверхні катода. Звичайно квантовий вихід не перевищує 2%.

Робота виходу і гранична довжина хвилі для деяких речовин наведені нижче


Речовина

Ce

K

Sb

Ge

Si

,еВ

1,9

2,3

4,0

4,4

4,8

, мкм

0,66

0,55

0,31

0,28

0,21


Спектру видимого випромінювання відповідають довжини хвиль (0,38-0.78) мкм, і, як видно з наведених даних, частина променів може викликати фотоелектронну емісію лише з цезію і калію. Тому фотокатоди звичайно роблять не з чистого металу. Так, наприклад, широко застосовний оксидноцезієвий, що складається зі срібла, оксиду цезію та чистого цезію, має зменшену роботу виходу, і для нього .

Чутливість фотокатоду залежить від довжини хвилі випромінювання. Ця залежність називається спектральною характеристикою і може бути двох видів (рис.16.1). Крива 1 відповідає нормальному фотоефекту, що спостерігається у товстих катодів з чистих металів, а крива 2 отримана при селективному (вибірковому) фотоефекті, що характерний для тонких катодів з особливо оброблених лужних металів. Варто відмітити, що чутливість з плином часу поступово зменшується, тобто спостерігається явище “втоми” фотокатода.

22_1

Рис.16.1. Спектральні характеристики фотокатоду для: 1- нормального фотоефекту;

2 – селективного фотоефекту

^ 16.2. ЕЛЕКТРОВАКУУМНІ ФОТОЕЛЕМЕНТИ

Електровакуумний (електронний або іонний) фотоелемент є діодом, у якого на внутрішню поверхню скляного балону нанесено фотокатод у вигляді тонкого шару речовини, з якого відбувається фотоемісія. Анодом звичайно є металічне кільце, що не заважає світлу потрапляти на фотокатод. В електронних фотоелементах створено високий вакуум, а в іонних знаходиться інертний газ, наприклад аргон, під тиском в декілька сот паскалів (декілька міліметрів ртутного стовпчика). Катоди зазвичай застосовуються сурьмяно-цезієві або срібно-киснево-цезієві.

Властивості і особливості фотоелементів відображаються їх характеристиками. ^ Анодні (вольт-амперні) характеристики електронного фотоелемента при , зображені на рис 16.2,а, показують різко виражений режим насичення. У іонних фотоелементів (рис 16.2,б) такі характеристики спочатку ідуть майже так, як у електронних фотоелементів, але в подальшому збільшенні анодної напруги внаслідок іонізації газу струм значно зростає, що оцінюється коефіцієнтом газового підсилення, що може дорівнювати від 5 до 12. Енергетичні характеристики електронного і іонного фотоелементів, що дають залежність при , подані на рис. 16.3. Частотні характеристики чутливості дають залежність чутливості від частоти модуляції світлового потоку. З рис.16.4. видно, що електронні фотоелементи (лінія 1) малоінерційні. Вони можуть працювати на частотах в сотні мегагерц, а іонні фотоелементи (крива 2) проявляють значну інерційність, і чутливість їх знижується вже на частотах в одиниці кілогерц.

22_2

Рис.16.2. Анодні характеристики: а) електронного, б) іонного - фотоелементів

22_3

Рис.16.3. Енергетичні характеристики фотоелементів: 1- електронного, 2 - іонного

22_4

Рис.16.4. Частотні характеристики фотоелементів: 1- електронного, 2 - іонного

Основні електричні параметри фотоелементів  чутливість, максимальна допустима анодна напруга і темновий струм. У електронних фотоелементів чутливість сягає десятків, а у іонних фотоелементів  сотень мікроампер на люмен. Темновий струм є струмом при за відсутності опромінення. Він пояснюється термоелектронною емісією катода і струмами витікання між електродами. При кімнатній температурі струм термоемісії може сягати , а струми витікання . У спеціальних конструкціях фотоелементів вдається значно знизити струми витікання, а струм термоемісії можна знизити лише охолодженням катода до дуже низьких температур. Наявність темнового струму обмежує застосування фотоелементів для дуже слабких світлових сигналів.

Фотоелемент звичайно вмикають послідовно з резистором-навантаженням (рис.16.5.). Так як фотоструми дуже малі, то опір фотоелемента постійному струму є доволі великим і складає одиниці або десятки мегаом. Опір резистора-навантаження бажано також великий. З нього знімається напруга, що отримується від світлового сигналу. Ця напруга подається на вхід підсилювача, вхідна ємність якого шунтує резистор . Чим більший опір і чим вища частота, тим сильніша ця шунтуюча дія і тим менша напруга сигналу на резисторі .

22_5

Рис. 16.5. Схема ввімкнення фотоелемента

Електровакуумні фотоелементи знайшли застосування в різноманітних пристроях автоматики, в апаратурі звукового кіно, в приладах для фізичних досліджень. Але їх недоліки  неможливість мікромініатюризації і доволі високі анодні напруги (десятки і сотні вольт)  привели до того, що тепер ці фотоелементи в багатьох видах апаратури замінені напівпровідниковими приймачами випромінювання.

^ 16.3. ФОТОЕЛЕКТРОННІ ПОМНОЖУВАЧІ

Фотоелектронні помножувачі (ФЕП) є електровакуумним прибором, в якому електронний фотоелемент доповнений пристроєм для підсилення фотоструму за рахунок вторинної фотоелектронної емісії. Вперше у світі ФЕП були створені російським інженером
Л.А. Кубєцкім у 1930 р.

Принцип роботи ФЕП ілюстровано на рис 16.6. Світловий потік Ф викликає електронну емісію з фотокатода ФК. Фотоелектрони під дією прискорюючого електричного поля направляються на електрод , що називається динодом. Він є анодом стосовно фотокатода і одночасно відіграє роль вторинно-електронного емітера. Динод робиться з металу з достатньо сильною і стійкою вторинною електронною емісією. Тому первинні електрони (струм ), що йде з фотокатода, вибивають з динода вторинні електрони, кількість яких в раз більше за число первинних електронів ( - коефіцієнт вторинної емісії динода , звичайно рівний кілька одиниць). Таким чином, струм вторинних електронів з першого динода . Струм направляється на другий динод , що має вищий додатній потенціал. Тоді від динода за рахунок вторинної емісії починається струм електронів , що в раз більший (для спрощення будемо вважати, що у всіх динодів коефіцієнт вторинної емісії один і той. же), тобто . В свою чергу, струм направляється на третій динод , у якого додатній потенціал ще вищий, і від цього динода тече струм електронів , тощо.

22_6

Рис.16.6. Принцип побудови фотоелектронного помножувача

З останнього, n-го, динода електричний струм направляється на анод А, і тоді струм анода . Таким чином, коефіцієнт підсилення струму . Наприклад, якщо і , то . Практично підсилення менше, тому що не вдається всі вторинні електрони направити на наступний анод. Щоби більша кількість вторинних електронів використовувалася, розроблено ФЕП з різною формою та взаємним розміщенням електродів. Для фокусування потоку вторинних електронів застосовують, як правило, електричне поле, оскільки фокусування магнітним полем потребує громіздких магнітних систем.

Найпростіший однокаскадний ФЕП має фотокатод, динод і анод. У багатокаскадних може бути коефіцієнт підсилення струму до декількох мільйонів, а інтегральна чутливість сягає десятків ампер на люмен. Як правило, ФЕП працюють при малих анодних струмах і малих світлових потоках. Струм анода зазвичай буває не більше десятків міліампер, а світлові потоки на вході можуть бути лм і менше.

Оскільки на кожному наступному диноді напруга вища, ніж на попередньому, то анодна напруга повинна бути високою (1-2 кВ), що є недоліком ФЕП. Звичайне живлення ФЕП здійснюється через розподільник, на який подається повна анодна напруга (рис.16.7). В коло анода включається резистор навантаження , з якого знімається вихідна напруга.

Для ФЕП, як і для звичайних фотоелементів, характерний темновий струм, зумовлений термоелектронною емісією фотокатода і динодів. Він становить десяті частини мікроампера. Цей струм може бути зменшений за рахунок охолодження приладу. Значенням темнового струму обмежується мінімальний світловий потік, що можна реєструвати за допомогою ФЕП. А мінімальні зміни світлового потоку обмежуються флуктуаціями емісії фотокатода і темнового струму. Варто відмітити, що ці флуктуації невеликі, тобто ФЕП є приладами з низьким рівнем власних шумів.

22_7

Рис.16.7. Схема ввімкнення фотоелектронного помножувача

Основні параметри ^ ФЕП: область спектральної чутливості (діапазон довжин хвиль), в якій можна застосовувати ФЕП; кількість ступенів помноження; загальний коефіцієнт підсилення струму; напруга живлення; інтегральна чутливість; темновий струм. У якості характеристик ФЕП звичайно розглядаються світлова характеристика , а також залежності коефіцієнта підсилення та інтегральної чутливості від значення напруги живлення (рис 16.8).

22_8

Рис.16.8. Залежності інтегральної чутливості і коефіцієнта підсилення від наруги живлення фотоелектронного помножувача

Фотоелектронні помножувачі мають малу інерційність і можуть працювати на досить високих частотах. Їх застосовують для реєстрації світлових імпульсів, що надходять через наносекундні проміжки часу. Крім того, ФЕП застосовують в багатьох галузях науки і техніки в астрономії, фототелеграфії і телебаченні, для вимірювання малих світлових потоків, для спектрального аналізу тощо. В напівпровідниковій електроніці поки що відсутні прилади, які б могли замінити ФЕП.
  1   2   3   4   5   6   7   8   9   10

Схожі:

Закон Столєтова iconПлан Поняття про закон мислення. Закон тотожності, закон суперечності...
Як слідує з визначення логіки як науки, одним з предметів її дослідження є закони вірного мислення
Закон Столєтова iconЗначення законiв логіки для науки І практики
...
Закон Столєтова iconРеферат на тему: реактивні двигуни
Це ж саме нам говорить третій закон Ньютона – закон дії І протидії. Правда даний закон – частковий випадок взаємодії тіл І справедливий...
Закон Столєтова iconТематичний план навчання робітників нвк №1 з питань охорони праці Тема 1
Основні законодавчі акти з охорони праці: Закон України "Про охорону праці", Кодекс законів про працю, Закон України "Про забезпечення...
Закон Столєтова iconЗакон україни від
Цей Закон визначає статус бі­бліотек, правові та організаційні засади діяльності бібліотек І бі­бліотечної справи в Україні. Цей...
Закон Столєтова iconВступ
«закон про кримінальну відповідальність» (розділ II загальної частини). Кримінальний закон І закон про кримінальну відповідальність...
Закон Столєтова iconЗакон спадної граничної корисності твердить, що
Його поведінку найкраще пояснює: а закон спадної граничної корисності; ^ б закон пропонування
Закон Столєтова iconЗакони Ньютона Перший закон Ньютона
Перший закон Ньютона: Існують такі системи відліку, відносно яких тіло зберігає свою швидкість як завгодно довго, якщо дія на нього...
Закон Столєтова icon"закон І ми"
Основна частина бесіди “Закон І ми” (Питання й відповіді на них. Обговорення ситуацій)
Закон Столєтова iconЗакон україни
Цей Закон визначає засади організації та експлуатації автомобільного транспорту
Додайте кнопку на своєму сайті:
Школьные материалы


При копіюванні матеріалу обов'язкове зазначення активного посилання © 2013
звернутися до адміністрації
nauch.com.ua
Головна сторінка