электрические приборы и машины
 
 
   
 
   
 
 
     
 

Фотоэлементы

Вакуумные и газонаполненные фотоэлементы

Электровакуумные фотоэлементы, основанные на фотоэлектронной эмиссии, бывают двух типов: электронные (вакуумные) и ионные (газовые).

В электронных фотоэлементах анодный ток образуется электронами, эмиттируемыми из катода под воздействием лучистого потока. В ионных фотоэлементах, наполненных газом (неоном, гелием или аргоном), при высоком напряжении между анодом и катодом фотоэлектронная эмиссия создается не только электронами, вылетевшими из катода, но также электронами и ионами, появившимися в результате ионизации газа.

 

Устройство простейших электронных фотоэлементов показано на рис. 62.  В стеклянном баллоне, из которого выкачан воздух,  размещены фотокатод и анод. Катодом обычно служит тонкий металлический светочувствительный слой, нанесенный непосредственно на внутреннюю поверхность стеклянного баллона. Иногда катод выполняют в виде специального электрода (пластинка из никеля).

Рис. 62. Устройство вакуумных фотоэлементов

Анод выполнен в форме стержня, кольца или рамки для того, чтобы он не препятствовал попаданию света на катод, и обычно имеет вывод в нижнюю часть цоколя. У некоторых фотоэлементов бывает дополнительный «ложный» анод, который необходим в приборах, предназначенных для работы в мостовых схемах.

При изготовлении газовых фотоэлементов баллон после откачки воздуха наполняют инертным газом (аргоном) при давлении порядка сотых или даже тысячных долей миллиметра ртутного столба.

В качестве материала для фотокатода используются щелочные и щелочноземельные металлы. Они обеспечивают большую фотоэлектронную эмиссию, так как работа выхода их мала по сравнению с другими металлами. Наиболее распространенным является кислородноцезиевый  фотокатод. Сурьмяноцезиевые фотокатоды применяются только в вакуумных фотоэлементах.

Одной из основных характеристик фотоэлемента является световая характеристика, представляющая собой зависимость фототока от светового потока при постоянном анодном напряжении, т. е. Iф =φ(Ф) при Uа = const. Используется также и вольт-амперная характеристика, устанавливающая связь между фототоком и анодным напряжением при постоянном световом потоке, т. е. Iф = φ (Uа) при Ф = const.

 

Схема, применяемая для снятия характеристик фотоэлемента, приведена на рис. 63, а. Источник постоянного напряжения Еа = 150÷200 в включается в анодную цепь фотоэлемента через потенциометр П. При освещении фотокатода световым потоком появляется фототок, а следовательно, и напряжение на сопротивлении нагрузки Rн.

Рис. 63. Характеристики фотоэлементов и схема для их снятия: а — схема; б — световая характеристика; в — вольт-амперная характеристика.

Световые характеристики снимают при постоянном анодном напряжении, а величину светового потока изменяют, например, путем изменения расстояния между источником света и фотоэлементом. При снятии световых характеристик фотокатод обычно освещают белым светом. При этом световой поток измеряется в люменах, а фототок — в микроамперах.

На рис. 63, б приведены световые характеристики вакуумных фотоэлементов с кислородноцезиевыми фотокатодами. Пунктиром показаны характеристики подобного же фотоэлемента, но с сурьмяноцезиевым катодом. Эти характеристики линейны. Угол наклона световой характеристики — ее крутизна — является основным параметром фотоэлемента, который определяет его чувствительность. Чувствительность вакуумных фотоэлементов мала и составляет 15—20 мка/лм.

Газонаполненные фотоэлементы обладают большей чувствительностью. Линейность их световых характеристик, как видно из рис. 63, б, наблюдается только при малых световых потоках или при незначительной величине анодных напряжений. При высоких анодных напряжениях электроны ионизируют атомы газа, находящегося внутри баллона, и поэтому ток газонаполненного фотоэлемента определяется уже не только электронами, вылетевшими из катода, но также и электронами и ионами, образовавшимися в процессе ионизации газа. Поэтому ионные фотоэлементы имеют чувствительность, доходящую до 150—200 мка/лм и обладают значительным коэффициентом усиления по току, представляющим отношение анодного тока фотоэлемента к току фотокатода.

Из приведенных графиков можно заключить, что все световые характеристики проходят через начало координат, т. е. при световом потоке, равном нулю, фототок отсутствует. В действительности же в цепи включенного фотоэлемента при отсутствии светового потока имеет место некоторый, так называемый темновой ток. Он образуется за счет термоэлектронной эмиссии с поверхности катода и за счет тока утечки по конструктивным элементам прибора. Хотя темновой ток невелик (порядка сотых долей микроампера), однако его надо учитывать, когда фотоэлемент работает в схеме с малыми световыми потоками.

Вольт-амперные характеристики вакуумных и газонаполненных фотоэлементов представлены на рис. 63, в.

У вакуумных фотоэлементов с увеличением анодного напряжения (кривая 1) анодный ток возрастает до некоторой предельной величины, определяемой током насыщения: в режиме насыщения все электроны, вылетевшие из фотокатода, попадают на анод. Чем больше световой поток, тем больше ток насыщения и тем при большем напряжении на аноде оно наступает.

Газонаполненные фотоэлементы, вольт-амперные характеристики которых иллюстрируются кривыми 2, насыщения не имеют. Величина фототока у этих приборов зависит как от светового потока, так и от напряжения на аноде. При анодном напряжении около 300 в наступает самостоятельный газовый разряд, сопровождающийся резким изменением (увеличением) величины фототока и быстрым разрушением фотокатода. Поэтому ионные фотоэлементы работают при анодных напряжениях не более 200—220 в. Чем больше световой поток, тем при меньшем значении Uа появляется фототок.

Вторым важным параметром фотоэлемента является его спектральная чувствительность, характеризующая изменение чувствительности фотоэлемента при изменении длины волны света, падающего на катод. Кислородноцезиевый фотокатод обладает наибольшей чувствительностью в области красной части спектра, сурьмяноцезиевый катод — в диапазоне волн порядка 0,4—0,5 ж/с, т. е. в области голубого и зеленого лучей спектра; на красную часть спектра он почти не реагирует.

Спектральная чувствительность газонаполненных фотоэлементов характеризует зависимость чувствительности от частоты изменения светового потока. При быстрых его изменениях (с частотой выше 500 гц) наблюдается снижение чувствительности фотоэлемента, так как в момент газового разряда процесс нарастающей ионизации происходит в течение некоторого времени. Поэтому, когда световой поток изменяется очень быстро, фототок не успевает возрастать до величины, соответствующей установившемуся режиму.
Инерционность является большим недостатком фотоэлементов и часто ограничивает возможность их использования.

Другим недостатком этих приборов является утомляемость, под которой понимают потерю чувствительности при длительном освещении фотоэлементов. Утомляемость зависит от типа фотокатода, от величины светового потока и продолжительности освещения. Так, например, кислородноцезиевые фотокатоды, имеющие при малых световых потоках высокую чувствительность, с увеличением освещенности постепенно теряют ее. Это объясняется сравнительно медленным приходом электронов с внутренних слоев фотокатода на наружный слой, обедненный электронами. Хотя после «отдыха» такой фотокатод и восстанавливает свою чувствительность, но не полностью, вследствие необратимых ее потерь в процессе работы. Так, у кислородноцезиевых фотоэлементов после 50—60 часов работы чувствительность падает до 70% первоначального значения.

Сурьмяноцезиевый фотоэлемент в течение полного срока службы (около 4000 часов) теряет чувствительность всего лишь до 60%. Это является большим достоинством фотоэлементов с сурьмяноцезиевым катодом.

 
 
     
 
Copyright © 2012 Электродвигатели и трансформаторы
электрические приборы и машины
Rambler's Top100
Создание сайта Вебцентр