Фотоэлектронная эмиссия
Работа добавлена на сайт samzan.net:
Содержание
Введение 3
1. Фотоэлектронная эмиссия 4
2. Электровакуумные фотоэлементы 6
3. Фотоумножители 9
Список литературы 13
ВВЕДЕНИЕ
Весьма важная роль, которую фотоэлектронные приборы играют в современной технике и научных исследованиях, предопределила их интенсивное развитие, начавшееся в тридцатых годах двадцатого столетия и непрерывно продолжающееся в нарастающем темпе вплоть до настоящего времени.
В последующие годы в этой области достигнут ряд существенных успехов. Созданы новые фотокатоды как видимой области спектра, так и для ультрафиолетовой. Появились новые типы фотоэлектронных умножителей, отличающиеся высокими значениями эксплуатационных параметров.
Существенно расширился ассортимент фотоэлектронных приборов с внутренним фотоэффектом, к числу которых, в частности, относятся монокристаллические фотосопротивления, основанные на собственном и примесном поглощении. Значительное развитие получили полупроводниковые фотоэлектрические приборы для регистрации длинноволновой инфракрасной области спектра.
1. Фотоэлектронная эмиссия
Фотоэлектронная эмиссия, называемая иначе внешним фотоэффектом, представляет собой электронную эмиссию под действием электромагнитного излучения. Эмитирующий электрод при этом называют фотоэлектронным катодом (фотокатодом), а испускаемые им электроны —фотоэлектронами.
Начало изучения фотоэлектронной эмиссии относится к 1886 г., когда немецкий ученый Г. Герц заметил, что напряжение возникновения электрического разряда между электродами снижается, если осветить один из этих электродов. Это явление с 1888 г. стал исследовать профессор Московского университета А. Г. Столетов. Он установил важные свойства внешнего фотоэффекта, но не мог его объяснить, так как в то время еще не были известны электроны.
Рассмотрим законы и характерные особенности фотоэлектронной эмиссии.
1. Закон Столетова. Фототок Iф, возникающий за счет фотоэлектронной эмиссии, пропорционален световому по току Ф:
Iф = SФ, (1)
где S — чувствительность фотокатода, выражаемая обычно в микроамперах на люмен.
Если поток Ф монохроматичен, т. е. содержит лучи только одной длины волны, то чувствительность называют монохроматической и обозначают Sλ. Чувствительность к потоку белого (немонохроматического) света, состоящего из лучей с разной длиной волны, называют интегральной и обозначают SΣ.
2. Закон Эйнштейна. Еще в 1905 г. А. Эйнштейн установил, что при внешнем фотоэффекте энергия фотона hv превращается в работу выхода W0 и кинетическую энергию вылетевшего электрона:
hv = W0 + 0,5mv2, (2)
где т и v — масса и скорость фотоэлектрона; v — частота излучения; h — постоянная Планка, равная 6,63 х 10-34 Дж·с.
Напомним читателю, что электромагнитное излучение имеет двойственную природу. С одной стороны, это электромагнитные волны, характеризуемые длиной λ, и частотой v. А с другой стороны, излучение можно рассматривать как поток частиц — фотонов, обладающих энергией hv.
Закон Эйнштейна говорит о том, что энергия фотона hv передается электрону, который затрачивает на выход из фотокатода энергию W0, а разность hv — W0 представляет собой энергию вылетевшего электрона.
3. Для внешнего фотоэффекта существует так называемая красная, или длинноволновая, граница. Если уменьшать частоту излучения v, то при некоторой частоте v0 фотоэлектронная эмиссия прекращается, так как на этой частоте hv0 = W0 и энергия фотоэлектронов становится равной нулю. Частоте v0 соответствует длина волны λ0 = c/v0, где с = 3 • 108 м/с. При v < v0 или λ > λ0фотоэлектронной эмиссии не может быть, так как hv < hv0, т. е. энергии фотона недостаточно даже для совершения работы выхода.
4. Для фотоэффекта характерна малая инерционность. Фототок запаздывает по отношению к излучению всего лишь на несколько наносекунд.
Фотокатоды иногда характеризуются отношением числа фотоэлектронов к числу фотонов, вызвавших эмиссию. Этот параметр получил название квантового выхода электронов. Если бы каждый фотон вызывал выход одного электрона, то квантовый выход равнялся бы единице. Но большая часть фотонов не участвует в создании фототока: часть фотонов имеет длину волны больше λ0, часть проникает глубоко в катод и рассеивает там свою энергию, наконец, часть фотонов отражается от поверхности катода. Обычно квантовый выход не превышает 2%.
Работа выхода W0 и граничная длина волны λ0 для некоторых элементов приведены ниже:
|
|
Се |
К |
Sb |
Ge |
Si |
|
W0, эВ |
1,9 |
2,3 |
4,0 |
4,4 |
4,8 |
|
λ0, мкм |
0,66 |
0,55 |
0,31 |
0,28 |
0,21 |
Спектру видимого излучения соответствуют длины волн 0,38 — 0,78 мкм, и, как видно из приведенных данных, часть лучей может вызвать фотоэлектронную эмиссию лишь из цезия и калия. Поэтому фотокатоды обычно делают не из чистого металла. Так, например, широко применяемый оксидноцезиевый фотокатод, состоящий из серебра, оксида цезия и чистого цезия, имеет уменьшенную работу выхода, и для него λ0 = 1,1 мкм.
Рис. 1. Спектральные характеристики фотокатода
Чувствительность фотокатода зависит от длины волны излучения. Эта зависимость S=f(λ) называется спектральной характеристикой и может быть двух видов (рис. 22.1). Кривая 1соответствует нормальному фотоэффекту, который наблюдается у толстых катодов из чистых металлов, а кривая 2 получается при селективном (избирательном) фотоэффекте, который характерен для тонких катодов из особо обработанных щелочных металлов. Следует отметить, что чувствительность с течением времени постепенно уменьшается, т.е. наблюдается явление «усталости», или «утомления», фотокатода.
2. Электровакуумные фотоэлементы
Электровакуумный (электронный или ионный) фотоэлемент представляет собой диод, у которого на внутреннюю поверхность стеклянного баллона нанесен фотокатод в виде тонкого слоя вещества, эмитирующего фотоэлектроны. Анодом обычно является металлическое кольцо, не мешающее попаданию света на фотокатод. В электронных фотоэлементах создан высокий вакуум, а в ионных находится инертный газ, например аргон, под давлением в несколько сотен паскалей (несколько миллиметров ртутного столба). Катоды обычно применяются сурьмяноцезиевые или серебряно-кислородно-цезиевые.
Фотоэлементы с внешним фотоэффектом изготавливаются двух типов: электронные фотоэлементы и ионные фотоэлементы. В электронных фотоэлементах ток образуется только электронами, выходящими из катода под действием света. В ионных фотоэлементах ток фотоэмиссии увеличивается за счет возникновения несамостоятельного разряда. Устройство вакуумного фотоэлемента показано на рисунке 2. В стек- лянном баллоне, из которого выкачан воздух, помещены два электрода: катод К и анод А.
Рис. 2. Устройство вакуумного фотоэлемента
Катод в виде тонкого светочувствительного слоя нанесен на внутреннюю
поверхность баллона. Анод изготовлен в виде кольца, расположенного в центре баллона. Выводы от катода и анода сделаны через ножку на нижний цоколь.
Свойства и особенности фотоэлементов отображаются их характеристиками. Анодные (вольт-амперные) характеристики электронного фотоэлемента Iф = f(uа) при Ф = const, изображенные на рис. 3, а, показывают резко выраженный режим насыщения. У ионных фотоэлементов (рис. 22.2,б) такие характеристики сначала идут почти так же, как у электронных фотоэлементов, но при дальнейшем увеличении анодного напряжения вследствие ионизации газа ток значительно возрастает, что оценивается коэффициентом газового усиления, который может быть равным от 5 до 12.Энергетические характеристики электронного и ионного фотоэлемента, дающие зависимость Iф =f(Ф) при Ua = const, показаны на рис. 4. Частотные характеристики чувствительности дают зависимость чувствительности от частоты модуляции светового потока. Из рис. 5 видно, что электронные фотоэлементы (линия 1) малоинерционны. Они могут работать на частотах в сотни мегагерц, а ионные фотоэлементы (кривая 2) проявляют значительную инерционность, и чувствительность их снижается уже на частотах в единицы килогерц.
Рис. 3. Анодные характеристики электронного (а) и ионного (б) фотоэлемента
Рис. 4. Энергетические характеристики электронного (1) и ионного (2) фотоэлемента
Рис. 5. Частотные характеристики электронного (1) и ионного (2) фотоэлемента
Фотоэлемент обычно включен последовательно с нагрузочным резистором RH (рис. 6). Так как фототоки очень малы, то сопротивление фотоэлемента постоянному току весьма велико и составляет единицы или даже десятки мегаом. Сопротивление нагрузочного резистора желательно также большое. С него снимается напряжение, получаемое от светового сигнала. Это напряжение подается на вход усилителя, входная емкость которого шунтирует резистор RH. Чем больше сопротивление RH и чем выше частота, тем сильнее это шунтирующее действие и тем меньше напряжение сигнала на резисторе RH.
Рис. 6. Схема включения фотоэлемента
Основные электрические параметры фотоэлементов - чувствительность, максимальное допустимое анодное напряжение и темновой ток. У электронных фотоэлементов чувствительность достигает десятков, а у ионных фотоэлементов — сотен мкА на люмен. Темновой ток представляет собой ток при отсутствии облучения. Он объясняется термоэлектронной эмиссией катода и токами утечки между электродами. При комнатной температуре ток термоэмиссии может достигать 10-10 А, а токи утечки — 10-7 А. В специальных конструкциях фотоэлементов удается значительно снизить токи утечки, а ток термоэмиссии можно уменьшить лишь охлаждением катода до очень низких температур. Наличие темнового тока ограничивает применение фотоэлементов для очень слабых световых сигналов.
Электровакуумные фотоэлементы нашли применение в различных устройствах автоматики, в аппаратуре звукового кино, в приборах для физических исследований. Но их недостатки — невозможность микроминиатюризации и довольно высокие анодные напряжения (десятки и сотни вольт) — привели к тому, что в настоящее время эти фотоэлементы во многих видах аппаратуры заменены полупроводниковыми приемниками излучения.
3. Фотоумножители
Приборы, в которых усиление слабых фототоков осуществляется с помощью вторичной электронной эмиссии, называются фотоэлектронными умножителями. Простейший однокаскадный умножитель содержит катод, анод и динод, заключенные в стеклянном вакуумном баллоне. Катод и динод наносятся на внутреннюю поверхность стекла. Анодом служит кольцо, расположенное перед динодом.
Фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) представляет собой электровакуумный прибор, в котором электронный фотоэлемент дополнен устройством для усиления фототока за счет вторичной электронной эмиссии. Впервые в мире ФЭУ были изобретены советским инженером Л. А. Кубецким в 1930 г. В дальнейшем ряд удачных конструкций ФЭУ создали П. В. Тимофеев и С. А. Векшинский.
Рис. 7. Принцип устройства и работы ФЭУ
Принцип работы ФЭУ иллюстрирован на рис. 7. Световой поток Ф вызывает электронную эмиссию из фотокатода ФК. Фотоэлектроны под действием ускоряющего электрического поля направляются на электрод Д1 называемый динодом. Он является анодом по отношению к фотокатоду и одновременно играет роль вторично-электронного эмиттера. Динод делается из металла с достаточно сильной и устойчивой вторичной электронной эмиссией. Поэтому первичные электроны (ток Iф), идущие с фотокатода, выбивают из динода Д1 вторичные электроны, число которых в σ раз больше числа первичных электронов (σ — коэффициент вторичной эмиссии динода Д1 обычно равный нескольким единицам). Таким образом, ток вторичных электронов с первого динода I1 = σIф. Ток I1 направляется на второй динод Д2, имеющий более высокий положительный потенциал. Тогда от динода Д2 за счет вторичной эмиссии начинается ток электронов I2, который в σ раз больше тока I1 (для упрощения будем считать, что у всех динодов коэффициент вторичной эмиссии один и тот же), т. е. I2 = σI1 = σ2Iф. В свою очередь, ток I2 направляется на третий динод Д3, у которого положительный потенциал еще выше, и от этого динода течет ток электронов I 3 = σI2 = σ3Iф, и т. д.
С последнего, n-го, динода Дn электронный ток In направляется на анод А, и тогда ток анода 1а =In = σnIф. Таким образом, коэффициент усиления тока ki = σn. Например, если σ = 10 и п = 8, то ki =108. Практически усиление меньше, так как не удается все вторичные электроны, выбитые из данного динода, направить на следующий динод. Чтобы большее число вторичных электронов было использовано, разработаны ФЭУ с различной формой и различным взаимным расположением электродов. Для фокусировки потока вторичных электронов применяют, как правило, электрическое поле, поскольку фокусировка магнитным полем требует громоздких магнитных систем.
Простейший однокаскадный ФЭУ имеет фотокатод, динод и анод. У многокаскадных ФЭУ может быть коэффициент усиления тока до нескольких миллионов, а интегральная чувствительность достигает десятков ампер на люмен. Как правило, ФЭУ работают при малых анодных токах и малых световых потоках. Ток анода обычно бывает не более десятков миллиампер, а световые потоки на входе могут быть 10-3 лм и менее.
Поскольку на каждом следующем диноде напряжение выше, чем на предыдущем, то анодное напряжение должно быть высоким (1—2 кВ), что является недостатком ФЭУ. Обычно питание ФЭУ осуществляется через делитель, на который подается полное анодное напряжение (рис. 8). В цепь анода включается нагрузочный резистор RH, с которого снимается выходное напряжение.
Рис. 8. Схема включения ФЭУ
Для ФЭУ, как и для обычных фотоэлементов, характерен темновой ток, обусловленный термоэлектронной эмиссией фотокатода и динодов. Он составляет малые доли микроампера. Этот ток может быть уменьшен охлаждением прибора. Значением темнового тока ограничивается минимальный световой поток, который можно регистрировать с помощью ФЭУ. А минимальные изменения светового потока ограничиваются флюктуациями эмиссии фотокатода и темнового тока. Следует отметить, что эти флюктуации невелики, т. е. ФЭУ являются малошумящими приборами. Коэффициент шума Fш у них обычно 1,5 — 2,0 (напомним, что у идеального «нешумящего» усилителя Fш = 1).
Рис. 9. Зависимость коэффициента усиления тока и интегральной чувствительности от напряжения питания ФЭУ
Основные параметры ФЭУ: область спектральной чувствительности (диапазон длин волн), в которой можно применять данный ФЭУ; число ступеней умножения; общий коэффициент усиления тока; напряжение питания; интегральная чувствительность; темновой ток. В качестве характеристик ФЭУ обычно рассматриваются световая характеристика Iа=f(Ф), а также зависимости коэффициента усиления ki и интегральной чувствительности SΣ от напряжения питания Eа (рис. 9).
Фотоэлектронные умножители обладают малой инерционностью и могут работать на весьма высоких частотах. Их применяют для регистрации световых импульсов, следующих через наносекундные промежутки времени. Кроме того, ФЭУ применяются во многих областях науки и техники — в астрономии, фототелеграфии и телевидении, для измерения малых световых потоков, для спектрального анализа и т. д. В полупроводниковой электронике нет пока приборов, заменяющих ФЭУ.
Список литературы
1.Соболева Н.А., Берковский А.Г., Чечик Н.О. Фотоэлектронные приборы.,Москва., "НАУКА", 1965.
2.Аксенов А.И., Злобина А.Ф., Панковец Н.Г., Носков Д.А. Вакуумные и плазменные приборы и устройства.Томск, 2007.
3. http://shpat.com/news/2009-07-13/6.html
4. http://tubeamplifier.narod.ru/mess053.htm
2. Реферат на тему- ldquo;Українська фортепіанна музикаrdquo; Одну з найважливіших галузей радянс.
3. на тему- Неотомизм
4. КУНГ на базе автомобиля ЗиЛ131
5. глазки а в дальнейшем образуется ямка выстланная чувствительными клетками сетчатка к которым подходит н.
6. 62 Что такое философия
7. Про пробацію злочинців А 1920 р
8. Диккенс
9. докладов состоявшихся на конференции Природа Калужской области 20 декабря Секция 1 Марченкова Ната
10. Семья в римском праве
11. Технологии и системы эксплуатации ВС ЭКЗАМЕНАЦИОННЫЙ БИЛЕТ ’ 1 по дисциплине- государстве.html
12. 0 создание документа TKir 2009 Михаил Самарский Радуга для друга Посвящаю тем у кого мёртвые глаза но ж
13. Управление процессом адаптации первокурсников
14. Алкоголизм и его последстви
15. Chos nd old Night Cn prt you now from TENNIEL; But still you re Type nd bsed In Truth like LER nd HMLET;
16. расследовательская журналистика существует на тех же правах что и репортерская журналистика обозрева
17. Теоретические основы алгоритмизации процесса обучения младших школьников.html
18. Развитие и сущность педагогики
19. Переход от тоталитаризма к демократии в Албании
20. Основные законы материалистической диалектики