Фотоэлектронной эмиссией называется эмиссия электронов с поверхности тел под действием падающего на нее света.

Основные законы фотоэлектронной эмиссии

Закон Столетова:

где Iф - ток фотоэлектронной эмиссии; Ф - световой (или лучистый) поток; k - коэффициент пропорциональности, называемый чувствительностью фотокатода (спектральной в случае монохроматического лучистого потока или интегральной при неразложенном потоке).

Закон Эйнштейна:

Здесь -максимальная кинетическая энергия покидающих катод электронов; v - частота падающего на катод света; j - работа выхода материала катода: - постоянная Планка.

Закон Эйнштейна может быть также записан в виде

где v0 - порог фотоэлектронной эмиссии, т. е. минимальная частота света, при которой возможна эмиссия с данного катода.

Пороговая частота v0 или пороговая длина волны l0 связана с работой выхода катода соотношениями

где , нм.

В табл. 3-5 приведены значения l0 и работы выхода j для некоторых металлов, найденные по порогу фотоэлектронной эмиссии.

Значения l0 и работы выхода j для некоторых металлов
Металл
Pt2325,32
Ag2784,55
Ni2684,61
Mg3453,68
Ba4902,52
Na5252,35
K5502,25
Cs6401,93

Закон распределения фотоэлектронов по энергиям примерно одинаков для всех металлов (рис. 3-4) и почти не изменяется при изменении частоты света.

Рис. 3-4. Распределение фотоэлектронов по энергиям.

1 - при эмиссии из чистых металлов; 2 - при эмиссии из тонких металлических пленок.

Зависимость спектральной чувствительности фотокатода от частоты (или длины волны) падающего света называют спектральной характеристикой катода.

Спектральная чувствительность измеряется в А/Вт, Кл/Дж, Кл/кал или электронах на квант:

Спектральная чувствительность, измеренная в электрон/квант, называется также квантовым выходом.

Рис. 3-5. Зависимость квантового выхода от энергии фотона для некоторых металлов.

На рис. 3-5 изображены спектральные характеристики некоторых металлов.

Для частот света, близких к порогу v0, и при Т = 0К (или близкой к ней)

где с - некоторая постоянная для данного металла; v - частота света.

Интегральная чувствительность К фотокатода, измеряемая обычно в мкА/лм, характеризует ток фотоэлектронной эмиссии на единицу светового потока неразложенного (белого) света.

Так как спектральный состав такого излучения зависит от типа источника и режима его работы, установлен стандартный источник света - лампа накаливания с вольфрамовой спиралью при Т = 2850 К.

Интегральная чувствительность К связана со спектральной соотношением

где -энергия излучения источника при длине волны , Вт; -нормализованная функция относительной спектральной световой эффективности; - пороговая длина волны фотокатода; нм и - границы видимого спектра.

У большинства металлов порог фотоэффекта лежит в ультрафиолетовой или коротковолновой части видимого спектра, а квантовый выход вблизи порога не превышает электрон/квант. Поэтому и интегральная чувствительность оказывается ничтожной

Наиболее распространены в фотоэлектронной технике полупроводниковые фотокатоды.

Рис. 3-6. Структура сурьмяно-цезиевого катода.

На рис. 3-6 схематически показана структура сурьмяно-цезиевого катода, а на рис. 3-7 даны спектральные характеристики обычного и очувствленного кислородом сурьмяно-цезиевого катода.

Рис. 3-7. Спектральные характеристики сурьмяно-цезиевого катода: сплошная кривая - обычного, пунктир - очувствленного кислородом.

На рис. 3-8 показана структура серебряно-кислородно-цезиевого катода, а на рис. 3-9 - его спектральная характеристика.

Рис. 3-8. Структура серебряно-кислородно-цезиевого катода.

Рис. 3-9. Спектральная характеристика серебряно-кислород-но-цезиевого катода.

В табл. 3-6 приведены параметры фотокатодов.

Параметры фотокатодов
Тип катодаλмакс, нмМаксимальный квантовый выход, электрон/квантλ0, нмК, мкА/лмПлотность термотока. А/м²Примечание
Серебряно-кислородно-цезиевый Ад—CS2O—Cs350—8000.01 и 0.003—0.0051200—150020—6010-9—10-7
Сурьмяно-цезиевый SbCs3420—4800,2—0,3600—70060—12010-12
Сурьмяно-цезиевый, очувствленный кислородом Sb—Cs3—О440—4900,18—0,275080—18010-11
Сурьмяно-натриевый Na3Sb2700,02370<110-10Для ультрафиолетового излучения
Сурьмяно-калиевый K3Sb3500,075005—910-10
Многощелочные катоды(Na2K) Sb3700.25—0,3562030—6010-13Для ультрафиолетового излучения
(Na2K) Sb—Cs4400,3—0.4870—900150—25010-12
Sb—Li37062025—4010-12
Bi—Ag O—Cs420—5000,1750—78030—11010-10
Mg—Ba2900,07400
Cs2Fe2800,2—0.3330Для ультрафиолетового излучения
Rb2Fe2600,2—0,3300

Полупроводниковые катоды обнаруживают утомление (изменение чувствительности в рабочем режиме) и старение (медленное, необратимое уменьшение чувствительности со временем).

Наибольшее утомление характерно для серебряно-кислородно-цезиевого катода (рис. 3-10), меньшее - для многощелочных катодов. Сурьмяно-цезиевый катод (особенно не очувствленный кислородом) утомляется еще слабее.

Дополнительно по теме