151095 (Фотоэлектронная эмиссия. Эффективные фотокатоды), страница 2

Для точек пересечения характеристик с осью абсцисс выполняется соотношение

_зап Ф_эм

где U_зап - величина запирающего напряжения и Ф_эм- работа выхода эмиттера. Таким образом, на основании закона Эйнштейна задерживающий потенциал, при котором ток прекращается, линейно зависит от частоты , причем по углу наклона прямой можно определитьh (если е считать известным ). На рис.3 показаны прямые для Al и Cu,

Рис 3

причем для H получается 6, 61 эрг сек, т.е. превосходное подтверждение закона Эйнштейна.

Рис 4. Вольт-амперная характеристика для Cu

Этот опыт доказывает также, что энергия фотона в металле может переходить к одному из свободных электронов. В этом состоит особенность фотоэлектрического поглощения света в металлах. Положение начало вольт-амперной характеристики, т.е. точка ее пересечения с осью абсцисс ---, не зависит от работы выхода металла-эмиттера. Если обозначить напряжение батареи, при котором через U_зб, то

_зап)_ист=u_зб+u_кн= Ф_эм,

u_кн= (Ф_а-Ф_эм),

то

u_зб= Ф_а),

т.е. при заданной частоте и одном и том же металле коллектора-анода вольт-амперные характеристики для различных металлических эмиттеров начинаются из одной и той же точки на оси абсцисс.

Вольт-амперная характеристика на участке тормозящего поля представляет собой интегральную кривую распределения электронов по энергиям. В самом деле, абсциссы этой кривой в некотором масштабе равны энергии электрона, а анодный ток, отложенный по оси ординат:

I_a=e ,

где dN_W -число электронов с энергиями в интервале от W до W+dW.Анодный ток I_a, таким образом, пропорционален числу электронов, энергии которых превращают величинуW₁=eU_a. Кривая, выражающая связь между энергией W₁ и числом частиц, имеющих энергию, превышающую W₁, называется интегральной кривой распределения, Чтобы получить обычную кривую распределения, нужно продифференцировать графически интегральную кривую распределения. Это сделано на рис.5

рис 5.

для интегральной кривой, измеренной при Как видно, максимальные энергии фотоэлектронов для металла, даже при освещении ультрафиолетовым светом, только немного превышают 1эв, а наиболее вероятная энергия (максимум кривой), грубо говоря, вдвое меньше.

Фотографические свойства эмиттеров принято характеризовать несколькими величинами. Величина называется чувствительностью катода. В этой формуле j-падающий на фотокатод поток лучистой энергии определенной длины волны, а фототок, вызванный этим потоком. Умножая числитель и знаменатель на время t, получим в числителе количество электричества, унесенное фототоком за время t, а в знаменателе энергию, упавшую за то же время на фотокатод. Обычно чувствительность измеряют в кулонах на калорию (к.кал ^-1). Чувствительность фотокатода можно также выразить в виде отношения числа электронов n_е испускаемых фотокатодом, к числу фотонов n _р, упавших на его поверхность за то же время. Величину n _en _р называют квантовым выходом , т.е.

В этом случае размерность - электрон на квант (эл/кв). Если часть энергии излучения, упавший на фотокатод, отражается от него или проходит насквозь, то для оценки эффективности фотокатода физически более целесообразно его чувствительность относить не к падающей, а к поглощенной энергии (или в случае квантового выхода, не к числу падающих, а поглощенных квантов энергии ). Чувствительность фотокатода и квантовый выход зависят от длины волны падающего излучения. Зависимости и или же называются спектральными характеристиками фотокатода.

Практически для фотоэлементов больший интерес представляет полный фототок, возникающий при освещении сплошным спектром, даваемым раскаленным телом, например, спиралью лампы накаливания. Характеристика фотокатода в этом случае называется интегральной чувствительностью (размерность в микроамперах на люмьен (мкллм ^-1)).Интегральная чувствительность, очевидно, определяется спектральной характеристикой фотокатода и спектральным составом излучения. Обычно интегральная чувствительность фотокатода определяется при использовании стандартного источника облучения. Таким источником является вольфрамовая нить накала лампы при температуре ее, равной 2770К (яркостная температура при этом равна 2848К ).

Рассмотрим кратко основы экспериментальной техники фотоэлектрических измерений. Для определения зависимостей требуется получение монохроматических потоков излучение различных длин волн и измерение их интенсивности. Тип источника излучения зависит от исследуемой спектральной области. В видимой части спектра (1.5 _эв 3, 1_эв) обычно пользуются лампами накаливания, дающий непрерывный спектр. В области ближнего ультрафиолета ( ) ;

(3, 1_эв 5, 63 ) широкое распространение имеет ртутная кварцевая лампа, излучающая линейчатый спектр, содержащий большое количество спектральных линий. В области вакуумного ультрафиолета (6, 2_эв 12, 3_эв), как правило, используется искровой разряд.(это область спектра получило свое название в связи с тем, что излучение этих волн сильно поглощается в воздухе. Поэтому работать с этими излучениями этих длин волн можно лишь в аппаратуре, в которой давление воздуха меньше 10 ^-4-10 ^-5тор.). Монохроматизация излучение длин волн, больших 1200 , может быть осуществлена с помощью призменных спектрографов. При этом в качестве оптических материалов в видимой части спектра используется обычно стекло, в области ближайшего ультрафиолета до кварц. Могут применятся и другие материалы, например, кристаллы NaCl.В интервале длин волн используются кристаллы LiF. Излучение с более короткими длинами волн поглощается любыми известными оптическими материалами. Поэтому проведение исследований в коротковолновой области вакуумного ультрафиолета требует использования спектрографов с отражающими диспергирующими системами, например, с вогнутой дифракционной решеткой. Измерение интенсивностей потоков излучения обычно осуществляется с помощью специально калиброванных термопар, термостолбиков и фотоумножителей. В ряде случаев абсолютные значения фототоков при использующихся интенсивностях излучения малы и их измерение требует применения высокочувствительных измерителей тока. В ряде случаев абсолютные значения фототоков при данных интенсивностях излучения малы и их измерение требует применения высокочувствительных измерителей тока. Рассмотрим результаты экспериментальных исследований спектральных характеристик фотокатодов из массивных металлов. Для щелочных, а также некоторых щелочноземельных металлов красная граница лежит в видимой части спектра ; для подавляющего же большинства металлов она находиться в ультрафиолетовой области. Более детальные исследования фотоэффекта с различных металлов показали, однако, что при T >0 резкой красной границы не существует. В действительности фототок в области , близких к , асимптотически приближается к нулю и определение из экспериментальной зависимости , строго говоря, выполнено быть не может. Лишь специальная математическая обработка экспериментальных данных позволяет найти . Отсутствие резкой красной границы при Т > 0 легко понять, если учесть распределение по энергиям электронов внутри твердого тела. Пренебрежение величиной, .сделанное выше, является точным лишь при Т=0.При Т > 0 величина может быть больше нуля. Это приведет, во-первых, к фотоэффекту электронов с уровней энергии E > , который может происходить и при , а во-вторых, к наличию в фотоэмиссии электронов с кинетическими энергиями, большими, чем. . Однако число электронов в металле с энергиями мало. Поэтому и вероятность фотоэлектрического поглощения при мала, и фототок также мал. При для всех металлов их квантовый выход возрастает при увеличении ; около красной границы рост фототока определяется зависимостью

i_ф

Качественно указанное возрастание Y с h легко объяснить из следующих простых соображений. При h >h интервал энергий электронов в металле, которые могут быть возбуждены светом до энергий , достаточных для вылета из фотокатода, тем шире, чем больше , если, однако, при этом E₁, где E₁ уровень дна зоны проводимости в металле. Поэтому при увеличении частоты света вероятность поглощения, сопровождающегося переходами электронов на уровни , при том же общем числе поглощенных фотонов увеличится, а следовательно и сила фототока, как правило, будет возрастать. Кроме того, поглощение с данной начальной энергией E фотона большей энергии обусловливает немалую вероятность выхода такого электрона из более глубоких слоев фотокатода. Интервал частот излучений, с которыми проводились исследования, прилегающий к , как правило, невелик и составляет примерно 0, 5 . В большей спектральной области вблизи красной границы исследованы щелочные и отчасти щелочноземельные металлы (Ba), для которых .Для них, в отличие от остальных металлов, спектральные характеристики в этой области энергий фотонов имеют максимум. Примеры эксперемтально полученных спектральных характеристик вблизи красной границы для ряда металлов показаны на рис.(слева). Данные, полученные в разных экспериментах, а иногда даже и в одной и той же работе, не всегда хорошо согласуются между собой (рис. результаты для Be). Это объясняется тем, что квантовый выход металлический эмиттеров вблизи красной границы очень чувствителен к чистоте поверхности и изменяется в десятки и даже сотни раз в процессе очистки и обезгаживания эмиттера. Абсолютные значения квантового выхода для чистых металлов в рассматриваемом интервале имеют порядок 10 ^-510 ^-3 элвл и, очевидно, зависят от , для эв элкв.Спектральную характеристику с монотонным ростом при увеличении принято называть нормальной характеристикой, а фотоэффект в этом случае нормальным. Если же спектральная характеристика имеет максимум, фотоэффект обычно называют селективным.

Спектральные характеристики квантового выхода при эв для ряда металлов приведены на рис. (справа).Основные отличительные особенности квантового выхода в вакуумном ультрафиолете состоят в следующем. Для всех исследованных металлов численные значения при эв порядка 10^-2 - 10^-1 эл/кв и, следовательно, в (10100) раз превышают величины в видимой и ближней ультрафиолетовой областях спектра. Области высоких значений предшествует сильный рост в интервале h эв. Согласно начало этого роста при h эв совпадает с областью, в которой заметно уменьшается отражающая способность металлов и начинается значительный рост поглощения. После быстрого роста , как правило, наблюдается довольно пологий максимум, после которого следует спад кривой h; в особенности отчетливо этот максимум обнаруживается для фотоэффекта с пленок. Начало спада совпадает примерно с областью, где поглощение начинает уменьшаться и существенно возрастает способность металлов пропускать излучение.