Физическая лаборатория - Портис А.
Скачать (прямая ссылка):
На рис. 3 представлены зависимости выхода фотоэлектронов от длины волны падающего света для двух фото катодов, выпускаемых промышленностью. Характеристика / относится к сурьмяно-цезиевому фотокатоду, находящемуся в колбе из известкового стекла. Характеристика 2 дана для составного серебряно-цезиевого и сурьмя но-цезиевого фотокатода в такой же колбе. Максимальный
Рис. з.
/ 2 3 4
Сбет
Рис. 4.
Рис. 5.
выход в первом случае составляет около 13% при Я=4000 А, а во втором — приблизительно 0,3% при А,=8000 А.
Фотокатод с характеристикой / используется в промышленном фотоэлементе типа 929, который изображен на рис. 4. Фотокатод / представляет собой полуцилиндр. Проволока, натянутая по его
216
*5
1
оси, является анодом (2). Устройство заключено в колбу из известкового стекла 3. Направление падающего света такое, как показано на рис. 4. Из-за сравнительно высокого давления паров сурьмяно-цезиевого покрытия катода на аноде откладывается материал фотокатода. Если падающий свет будет попадать на анод, то возможно появление обратного фототока. Для устранения этого эффекта анод закрывается светозащитным экраном 4.
Для того чтобы снять зависимость фототока от напряжения для фотоэлемента 929, соберите схему, изображенную на рис. 5. При проведении данного и последую- ^ щих измерений удобно ис- J Ц пользовать ртутную лампу. Ее спектральная характеристика представлена на рис. 6.
Интенсивности линий / в ин- І , ^-1 ._
тер валах по 100 А указаны в 3000 то 5000 процентах по отношению к потребляемой энергии. С по- рис- 6-
мощью набора фильтров можно выделить три основные ушнии в видимой части спектра. Линии 4358 А, 5461 А и 5790 А выделяются соответственно темно-голубым, зеленым и желтым фильтрами.
Направьте на фотоэлемент 929 свет с длиной волны 5461 А от ртутной лампы и измерьте фототок в зависимости от напряжения.
6000 . Л. А
'-±156
}Е5н
Чг/,50
Рис. 7.
Рис. 8.
Определите, сколько фотонов попадает на фотокатод за секунду в предположении, что выход электронов составляет 5 процентов. Для измерения величины тормозящего напряжения соберите схему, представленную на рис. 7. Осветите фотокатод светом с длиной волны 5461 А и установите с помощью потенциометра такое напряжение на фотоэлементе, чтобы ток в нем отсутствовал. При этом показание вольтметра будет равно нулю. Измерьте напряжение по схеме рис. 8. Повторите измерения для линий 4358 А и 5790 А. Начертите график зависимости V от \/К. По наклону этой линии определите Ис/е. (Напомним, что для того, чтобы получить Нс/е в гауссовой
217
системе единиц, надо выразить напряжение в единицах этой системы.) Приняв е=4,80-10-10 и с=3,(Ю-1010, вычислите И в эрг-сек.
Используя полученные результаты, определите работу выхода для поверхности фотокатода. Из-за наличия обратного фототока в определении У0 может быть допущена ошибка. Для уточнения измерений снимите зависимость фототока от напряжения и произведите экстраполяцию ваших данных, как показано на рис. 9. Ток / можно получить, разделив показание вольтметра на величину его внутреннего сопротивления. Падение напряжения на фотоэлементе равно разности показаний вольт-, метров, включенных по схемам рис. V 8 и 7.
Измерьте напряжение на фотоэле-Рис. 9. менте при разомкнутой цепи, изменяя
интенсивность света. Сопоставьте поведение фотоэлемента и поведение полупроводникового диода при регистрации микроволнового излучения. Желательно повторить измерения с фотоэлементом типа 925, который имеет фотокатод с характеристикой 2 (рис. 3).
Работа 3.6. ФОТОННЫЙ ШУМ
В этом эксперименте мы будем наблюдать шум, связанный с тем, что фотоны, попадающие на фотокатод, распределены во времени случайным образом. Какова величина шумов в фотоэлементе, работающем в условиях опыта Р.3.5? На рис. 1 показана схема опыта. Сопротивление и конденсатор характеризуют входную цепь осциллографа. Единичным зарядом здесь является заряд электрона, и мы ожидаем, что среднее квадратичное отклонение в величине заряда будет иметь вид
В формуле (I) сделана подстанов- рис. ь
ка 1=ге и %=ЯС. Среднее квадратичное отклонение напряжения на конденсаторе можно представить как
Принимая ток равным 10 мка и используя значения Я и С из рис. 1, получаем, что среднее квадратичное отклонение напряжения составит 0,3 мв. В типичном осциллографе среднему квадратичному напряжению шумов в 25 мв соответствует вертикальное перемещение
218
луча в один дюйм. Поэтому для того, чтобы наблюдать шумы фотоэлемента, нам потребовалось бы усилить их в 100 раз. Для увеличения выхода заряда на поглощенный фотон очень удобно использовать эффект вторичной электронной эмиссии. Если электроны с достаточно высокой энергией ударяют о поверхность, то с этой поверхности могут быть испущены другие электроны. Для быстрых электронов коэффициент вторичной эмиссии б в случае вещества с низкой работой выхода может быть больше 10. Фотоумножитель с одним каскадом усиления схематично представлен на рис. 2. Электроны, испущенные фотокатодом 1 под действием света, ускоряются по направлению к диноду 2, потенциал которого на несколько сотен вольт выше потенциала фотокатода. Вторичные электроны ^
