DSCF6657

270

Rys. 104. Charakterystyki statyczne fotodiody próżniowej (linia ciągła) i gazowanej (linia przerywana) dla różnych częstości światła padającego, przy zachowaniu stałego strumienia

różnicy potencjałów U_a pomiędzy elektrodami. Dla dostatecznie dużych wartości U_a wszystkie fotoelektrony zostaną zebrane przez anodę (tzn. /„ = IJ. Zależność /„ = I_a(U_a) nazywa się charakterystyką napięciowo-prądową fotokomórki. Fotoemisja zachodzi wówczas, gdy częstość światła padającego przewyższa wartość „progową", leżącą dla większości metali w obszarze ultrafioletu, a jedynie dla metali alkalicznych oraz baru i strontu w zakresie widzialnym. Stosowane w praktyce katody fotoczułe mają złożony skład oraz odpowiednio spreparowaną powierzchnię, zależnie od wymaganych własności.

Fotodiody próżniowe odznaczają się małą bezwładnością, tzn. krótkim czasem upływającym pomiędzy impulsem świetlnym i odpowiadającym mu impulsem elektrycznym oraz małym tzw. „prądem ciemnym”, tzn. prądem przepływającym przez lampę bez oświetlania fotokatody. W fotodiodzie gazowanej elektrody umieszczone są w rozrzedzonym gazie, np. argonie. Fotoelektrony przyspieszane przez dostatecznie wysokie napięcie anodowe jonizują napotkane cząsteczki gazu, co powoduje zwiększenie prądu anodowego (por. rys. 103 i 104). Stosunek natężenia prądu anodowego i emisyjnego nazywany jest współczynnikiem wzmocnienia gazowego. Ciężkie jony dodatnie, powstałe obok elektronów w procesie jonizacji, poruszają się w kierunku katody, jednak znacznie wolniej niż elektrony. W związku z tym impuls elektryczny jest „rozmyty” w czasie - lampy gazowe odznaczają się dużą bezwładnością. W porównaniu z próżniowymi mają także mniejszą trwałość i większy prąd ciemny, przewyższają je natomiast czułością (współczynnik wzmocnienia gazowego osiąga wartości bliskie 100); dalsze zwiększanie napięcia anodowego powoduje pojawienie się wyładowania jarzeniowego (por. ćw. E~6).

3. Zastosowanie

Lampy fotoelektronowe znalazły zastosowanie m. in. w technice filmu dźwiękowego oraz w szeregu urządzeń automatycznych zarówno naukowych (spektrometry, analizatory widma, fotometry), jak i technicznych (automatyczne włączniki oświetlenia, liczniki elementów na taśmie montażowej, urządzenia badające natężenie ruchu ulicznego, systemy alarmowe itp.). W praktyce jednak lampy zastępowane są w coraz większym stopniu przez elementy półprzewodnikowe.

4. Pomiary

Pierwsza część doświadczenia polega na zbadaniu zależności prądu emisyjnego fotokomórki od natężenia padającego światła. Z prostych rozważań geometrycznych wynika, że strumień świetlny zmienia się z odległością od źródła światła jak r~². Wobec tego zbadanie zależności prądu emisyjnego od odległości od źródła światła:

J. = ar-²    (3)

we współrzędnych y = I_e, x = r~² pozwala potwierdzić drugą obserwację spośród wymienionych we wstępie, jeśli otrzymany z pomiarów związek będzie liniowy. Pomiary wykonuje się na ławie optycznej, zmieniając odległość r źródła światła o ustalonej mocy od fotokomórki. Wstępnie należy zbadać charakterystykę napięciowo-prądową diody, co pozwoli określić odpowiednie warunki pracy fotokomórki. W zależności od oporności wewnętrznych użytych przyrządów należy włączyć woltomierz w położenie 1 lub 2 (rys. 105).

W drugiej części doświadczenia będziemy badać zależność napięcia hamującego na anodzie fotodiody od częstości światła padającego (Millikan, 1916). W tym wypadku fotokomórka włączona jest w kierunku „zaporowym”, jak to ilustruje rys. 106. Potencjometr R pozwala ustalić napięcie U₀, przy którym w obwodzie przestaje płynąć prąd.