Глава тринадцатая ФОТОЭЛЕМЕНТЫ

13.1. НАЗНАЧЕНИЕ И УСТРОЙСТВО ФОТОЭЛЕМЕНТОВ

Электровакуумным фотоэлементом назьшается вакуумный прибор, имеющий фотокатод и анод. Баллон фотоэлемента выполняется из стекла с малым коэффициентом поглощения излучения в рабочем для прибора диапазоне спектра. У фотоэлементов, предлазначенных для работы в УФ-области спектра, в баллоне делается окно из материала, прозрачного в этой области. Некоторые фотоэлементы имеют метапло-стеклянные баллоны. Конструкции фотоэлементов весьма разнообразны в зависимости от назначения прибора. Классификационными признаками могут быть спектральный рабочий диапазон, тип и конструкция фотокатоца, режимы работы и области применения. По областям применения фотоэлементы удобно объединить в три основные группы.

К первой группе можно отнести фотоэлементы, предназначенные для регистрации сравнительно слабо меняющихся во времени потоков излучения, интенсивность которых намного больше пороговой. Эти фотоэлементы применяются в звуковоспроизводящей киноаппаратуре, в фототелеграфии, в схемах автоматики и контрольно-измерительных устройствах. Фотоэлементы этой группы обычно работают с произвольными источниками света, поэтому основными требованиями к приборам являются наличие высокой интегральной чувствительности, а также их долговечность и взаимозаменяемость.

Баллон фотоэлементов, вьшускаемых для указанных целей, представляет собой сферу, на часть внутренней поверхности которой нанесен массивный фотокатод. Анод вьшолняется в виде кольца, сетки, петли из тонкой проволоки, находящихся обычно в центре сферы. Электроды вьшодятся в виде жестких штырей в общий цоколь или разносятся в два самостоятельных цилиндрических вьшода. Типичные конструкции фотоэлементов первой группы приведены на рис. 13.1.

Ко второй группе относятся фотоэлементы, используемые для измерения слабых медленно меняющихся потоков излучения различного спектрального состава, а также для точного измерения световых потоков в фотометрии. В фотоэлементах могут применяться как полупро-

Рис. 13.1. Устройство некоторых типов фотоэлементов, используемых в звуковоспроизводящей киноаппаратуре, фототелеграфии и приборах автоматического контроля: 1 - анод; 2 - фотокатод

J 7

Рис. 13.2. Устройство некоторых типов измерительных фотоэлементов: 1 - фотокатод; 2 - охранное кольцо; 3 - анод

зрачные, так и массивные фотокатоды. Подложкой последних служит-стекло или металлическая пластина. Для снижения токов утечки вводится третий электрод - охранное кольцо. Электроды могут иметь жесткие выводы в виде штырьков и хщпиндров и гибкие вьшоды - металлические ленты и проволочки. Некоторые конструкции фотоэлементов второй группы представлены на рис. 13.2.

К характеристикам и параметрам рассматриваемых фотоэлементов предъявляются более жесткие требования, определяемые их назначением. Фотоэлементы должны обладать высокой стабильностью спектральных характеристик, линейностью световой характеристики, достаточно большими значениями спектрапьной и световой чувствительности, высокой пороговой чувствительностью.

Третья группа включает в себя импульсные стшьноточные фотоэлементы, предназначенные для измерения параметров мощных потоков излучения, длительность которых может составлять десятые доли наносекунды. Импульсные токи фотоэлемента могут достигать десятков ампер, а напряжение между электродами - нескольких киловольт. Такие приборы находят ишрокое применение в лазерной технике, ядерной физике, нелинейной оптике и в импульсной фотометрии.

Массивные фотокатоды сильноточных фотоэлементов наносятся на металлические пластины. Конструируются импульсные фотоэлементы

Рис. 13.3.. Устройство некоторых типов импульсных сильноточных фотоэлементов; 1 - анод; 2 - фотокатод

по принципу сверхвысокочастотных приборов. Мапое расстояние между электродами и сильное электрическое поле обеспечивают небольшое время пролета электронов от фотокатода к аноду. Некоторые фотоэлементы имеют коаксиальный вьшод, позволяющий включать фотоэлемент непосредственно в разъем коаксиального кабеля, согласованного с низкоомной нагрузкой. Устройство некоторых типов импульсных сильноточных фотоэлементов приведено на рис. 13.3.

13.2. ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПАРАМЕТРЫ ФОТОЭЛЕМЕНТОВ

Спектральные характеристики фотоэлементов бьши рассмотрены в § 12.3. В паспорте прибора обычно указывается номер типовой характеристики относительной спектральной чувствительности и абсолютное значение максимальной спектральной чувствительности.

Вольт-амперные характеристики фотоэлементов. При освещении фотокатода эмиттируемые электроны образуют в пространстве между электродами объемный заряд. Когда напряжение анода мало, потенциал пространства около катода отрицательный, т. е. имеет место режим объемного заряда фотоэлемента. Для плоскопараплельной и цилиндрической системы электродов анодный ток фотоэлемента имеет зависимость от анодного напряжения, близкую к закону степени трех вторых. Анодный ток в фотоэлементе, как и в вакуумном диоде, появляется при небольшом отрицательном напряжении на аноде. Это объясняется наличием начальной кинетической энергии у ряда фотоэлектронов, позволяющей им преодолевать тормозящее поле анода.

Когда напряжение анода достигает определенного значения, анодный ток становится равным току фотоэмиссии иего рост почти прекращается. Напряжение насыщения зависит от конструкции фотоэлемента, типа фотокатода и от значения падающего потока излучения. Дальнейшее повышение напряжения приводит к очень слабому возрастанию фототока за счет эффекта Шоттки и улучшения сбора электронов на анод. В фотоэлементах с полупрозрачным фотокатодом, имеющим большое продольное сопротивление (без проводящей подложки) , при работе в импульсном режиме с большими потоками излучения насьш;ения фототока не происходит. Это связано с вторичной эмиссией электронов с удаленных от катодного ввода участков фотокатода, которые при протекании тока вдоль слоя приобретают положительный потенциал. Разность потенциалов между участками фотокатода может достигать значения, при котором коэффициент вторичной эмиссии будет больше единицы. На рис. 13.4, а приведено семейство вольт-амперных характеристик фотоэлемента с массивным фотокатодом, а на рис. 13.4, б - фотоэлемента с высоким продольным сопротивлением фотокатода.

Световые характеристики фотоэлементов, работающих в режиме насыщения, в соответствии с законом Столетова линейны. При боль-