Электрический глаз

1. Фотоэлементы вакуумные и газонаполненные

Итак, свет, падая на различные тела, способен «выбивать» из них электроны, способен рождать электрический ток в пространстве. Нужно лишь для разных тел подбирать лучи с соответствующей длиной волны.

Возникает заманчивая мысль — а нельзя ли каким-либо путём использовать этот фотоэлектрический ток? Можно!

На использовании этого тона и работают замечательные физические приборы — фотоэлементы.

По существу первый фотоэлемент был построен уже самим Столетовым при его опытах по изучению фотоэффекта.

Посмотрите на рисунок 4.

Рис. 4. Схема простейшего фотоэлемента.

Вы видите здесь маленький стеклянный пузырёк. Воздух из него откачан. Внутрь этого пузырька впаяны две небольшие проволочки, соединённые с двумя металлическими пластинками. Наружные концы этих проволок присоединены к гальванометру. Сбоку пузырька имеется небольшой отросток, закрытый кварцевым окошком, прозрачным и для видимых, и для ультрафиолетовых лучей. Иными словами, перед нами, по существу, та установка Столетова без батареи, с помощью которой он наблюдал возникновение положительного электрического заряда на незаряженной пластинке при её освещении. Вместе с тем, этот прибор является и первым простейшим фотоэлементом.

Пока лучи не действуют на пластинку, тока в цепи нет. Но достаточно осветить пластинку, как в тот же момент стрелка гальванометра отклонится — в пластинках и в проволочках возникает ток электронов. Этот ток идёт от пластинки, на которую падает свет, через безвоздушное пространство внутри пузырька, к другой пластинке, а оттуда по проволоке, через гальванометр, снова к первой пластинке, т. е. по всей цепи (электрон заряжен отрицательно, а направление тока принято считать совпадающим с направлением движения положительных электрических зарядов, поэтому направление электрического тока в фотоэлементе будет обратным движению фотоэлектронов, то есть между пластинками фотоэлемента — от анода к катоду, а во внешней цепи — от катода к аноду).

Таким образом, здесь энергия лучей, поглощённых металлической пластинкой, превращается в энергию электрического тока.

Отрицательную пластинку фотоэлемента, на которую падают лучи света, принято называть катодом. Вторую пластинку называют анодом.

Однако чувствительность к свету этого фотоэлемента очень невелика: при освещении катода в нём возникает слишком слабый электрический ток. Использовать его для каких-либо практических целей ещё нельзя.

Современные фотоэлементы устроены уже иначе, но по сути дела они не отличаются от своего предка. Пришлось лишь немало поработать над тем, чтобы увеличить их чувствительность к свету и сделать их, таким образом, пригодными для практического использования (о применении фотоэлементов рассказывается в III главе).

Теперь изготовляются самые различные типы фотоэлементов. При этом фотоэлементы отличаются друг от друга не только своим устройством. Различные фотоэлементы по-разному «чувствуют» различные световые лучи. В одних фотоэлементах электрический ток возникает только при освещении, скажем, зелёными или жёлтыми лучами.

Другие работают в том случае, когда на них падает красный свет (именно в этих фотоэлементах используется избирательный, селективный, фотоэффект). Имеются фотоэлементы, которые «чувствуют» только ультрафиолетовые лучи, и т. д.

Кроме того, современные фотоэлементы делятся на две большие группы: вакуумные и газонаполненные.

Вакуумные — это такие фотоэлементы, у которых воздух из стеклянного пузырька откачан по возможности полностью.

Другие фотоэлементы — газонаполненные — заполняют каким-либо инертным газом, который не действует химически на катод, не портит его. Обычно для этой цели применяют газ аргон.

Схема устройства современного фотоэлемента показана на рисунке 5.

Рис. 5. Схема фотоэлемента с центральным анодом.

Светочувствительный слой — катод — покрывает почти всю поверхность стеклянного пузырька, за исключением! небольшого окошка для доступа света. Анод же имеет вид небольшой проволочной петли или дощечки, укреплённой внутри этого пузырька. Такие фотоэлементы производятся на наших заводах в настоящее время. Внешний вид подобного фотоэлемента вы уже видели в начале книжки, на рисунке 1.

Такая форма фотоэлементов выгодна тем, что в них очень хорошо используется свет: лучи, отражённые от какого-нибудь места катода, обязательно попадут на другое место его, затем на третье и т. д. В итоге в этом случае поглощается и используется почти весь свет, попавший внутрь фотоэлемента.

Как можно увеличить светочувствительность фотоэлемента?

Первый и простейший способ увеличения чувствительности этого прибора — как вакуумного, так и газонаполненного — к свету заключается в тем, что в цепь его включают источник электродвижущей силы — батарею с напряжением в несколько десятков, а иногда и в несколько сотен вольт. Отрицательный полюс этой батареи соединяют, как показано на рисунке 6, с катодом фотоэлемента, а положительный полюс — с его анодом.

Рис. 6. Схема фотоэлемента с электрической батареей.

Конечно, и в этом случае в темноте через фотоэлемент ток идти не будет, так как пластинки фотоэлемента разделены безвоздушным пространством или изолирующим слоем газа[3]. Но если катод фотоэлемента осветить, то с батареей мы получим при том же самом освещении во много раз более сильный ток, чем без батареи.

Заполнение фотоэлемента газом также значительно повышает его чувствительность. При одном и том же свете мы можем получить от газонаполненного фотоэлемента ток в несколько раз более сильный, чем от вакуумного. Это объясняется тем, что электроны, быстро летящие от катода к аноду, сталкиваются по пути с атомами газа и ионизуют их, т. е. выбивают из них электроны. После такого столкновения вместо одного первоначального электрона получается два электрона: один первоначальный и один новый, выбитый из атома газа. Оба они летят к аноду. На пути они снова сталкиваются с атомами газа и также ионизуют их. Таким образом вместо двух электронов получается уже четыре. Эти четыре электрона, при новых столкновениях, дают восемь электронов, и т. д. Другими словами — число свободных электронов, летящих к аноду, очень быстро нарастает. Понятно, что такое усиление фототока тем значительнее, чем выше напряжение внешней батареи.

Однако при очень высоком напряжении сам газ начинает проводить электрический ток; в результате через фотоэлемент пойдёт сильный ток и без освещения его: поэтому напряжение от внешней батареи нельзя неограниченно увеличивать. Практически газонаполненные фотоэлементы работают при напряжении в 250–300 вольт.

Отсюда, между прочим, следует, что у газонаполненных фотоэлементов сила фототока не точно пропорциональна количеству падающей световой энергии.

Какие вещества применяются в современных фотоэлементах для изготовления светочувствительной пластинки — катода?

Как уже говорилось, фотоэлектрический эффект можно наблюдать на всех металлах. Однако большинство из них — такие, как медь, железо, платина, никель, вольфрам — чувствительны только к невидимым ультрафиолетовым лучам. Эти металлы вовсе не испускают электронов под действием видимых лучей, а так как обычные источники света — солнце и электрические лампы — содержат ультрафиолетовые лучи в сравнительно небольшом количестве, то все эти металлы, очевидно, не подходят для изготовления катодов фотоэлементов. Только так называемые щелочные металлы: калий, натрий и особенно цезий, чувствительны к видимым лучам. Вот они-то и применяются на практике для изготовления катодов фотоэлементов.

Не следует думать, однако, что катод современного высокочувствительного фотоэлемента представляет собой просто пластинку или толстый массивный слой какого-либо щелочного металла. Чувствительность такого фотоэлемента к свету была бы очень невелика. Опыты показали, что если на металлический слой, скажем на слой серебра или платины, нанести плёнку щелочного металла толщиной всего в один слой атомов, то чувствительность такой плёнки значительно больше, чем чувствительность массивного слон того же щелочного металла. Ещё больше оказывается чувствительность плёнки щелочного металла тогда, когда она нанесена не прямо на слой другого металла, а лежит на тончайшем слое какого-нибудь химического соединения этого щелочного металла, например соединения его с кислородом.

Таким образом, современные так называемые «сложные» катоды фотоэлементов состоят из трёх слоёв. Внизу лежит слой какого-нибудь металла — чаще всего это тонкая плёнка серебра, нанесённая на стекло пузырька фотоэлемента; на этот металлический слой нанесена тончайшая плёнка соединения того или иного щелочного металла с кислородом (окись металла); и уже поверх этой плёнки лежит слой чистого щелочного металла. Таксе устройство имеет, например, катод широко применяемого на практике кислородно-цезиевого фотоэлемента. Здесь на серебре лежит слой окиси цезия, а поверх него — плёнка металла цезия.

Такие сложные катоды в одном существенно отличаются от катодов из чистых металлов. Чувствительность катодов из чистых металлов всё время возрастает, если их освещать лучами всё меньшей и меньшей длины волны. У сложных катодов это не так. Чувствительность их к свету особенно- велика лишь в какой-нибудь одной определённой области длин волн. Она уменьшается как в сторону волн меньшей длины, так и в сторону более длинных волн.

Например, кислородно-цезиевый фотоэлемент особенно чувствителен к красным лучам, которых имеется очень много в излучении обычных источников света.

Эта способность сложных катодов «выбирать» себе особую, «излюбленную» область лучей и получила название «избирательного», «селективного», фотоэффекта.

Широкое распространение получили в последние годы и фотоэлементы с катодом из соединения сурьмы с цезием. Сильнее всего эти фотоэлементы «чувствуют» сине-зелёные лучи. Чувствительность их настолько высока, что при освещении светом одной и той же яркости они дают ток в несколько раз более сильный, чем кислородно-цезиевые фотоэлементы. Отличаются также они исключительно большим сроком службы. Сурьмяно-цезиевые фотоэлементы позволяют передавать фототелеграммы, написанные цветными чернилами и карандашами — синими, красными, зелёными. Большая заслуга в разработке этих фотоэлементов принадлежит нашим учёным.

Сурьмяно-цезиевые и кислородно-цезиевые фотоэлементы — это основные типы фотоэлементов, применяемые в настоящее время в технике. Все они в больших количествах производятся на наших заводах.

2. Вторично-электронные трубки

Все только что описанные способы увеличения чувствительности фотоэлементов зачастую, однако, недостаточны для практических целей. Слишком слаб ещё получаемый в фотоэлементах электрический ток. В самом деле, если, например, хороший фотоэлемент поставить на расстоянии в один метр от электрической лампочки мощностью в сто ватт, то в нём возникнет ток силой приблизительно всего лишь в одну стотысячную долю ампера. Иными словами, этот ток примерно в сто тысяч раз слабее, чем ток, идущий через нашу электрическую лампу. А во многих случаях токи, которые мы получаем от фотоэлементов, ещё в сотни тысяч и миллионы раз слабее.

Чтобы усилить эти слабые токи до нужной величины, до недавнего времени существовал только один способ. Электрический ток, возникающий в фотоэлементе, усиливают при помощи радиоламп. При этом добиваются усиления фототока в миллионы и десятки миллионов раз. К сожалению, такие устройства довольно сложны.

Но вот, около двадцати лет назад советский учёный Л. А. Кубецкий нашёл необычайно простой и остроумный способ обойти эти затруднения. Он добился усиления фототока в десятки и сотни тысяч раз без помощи радиоламп. Вот в чём заключается идея построенного Кубецким прибора, названного им вторично-электронной трубкой.

Уже давно было известно, что если «бомбардировать» какое-либо тело потоком достаточно быстрых электронов, то они могут вырывать из поверхности этого тела в окружающее пространство новые, так называемые вторичные электроны.

Вот это явление, получившее название вторичной электронной эмиссии (т. е. испускания), и используется во вторично-электронных трубках. В них располагается друг за другом большое число (11–13) пластинок, покрытых веществами, дающими большую вторичноэлектронную эмиссию (рис. 7).

Рис. 7. Схема вторично-электронной трубки Л. А. Кубецкого.

Между каждой парой таких пластинок или, как их называют, вторичных катодов или эмиттеров (а также между первым эмиттером и катодом, с одной стороны, и последним эмиттером и анодом — с другой стороны) включены батареи с напряжением около 100 вольт. Благодаря этому электроны, летящие с катода на первую пластинку, с первой пластинки на вторую, со второй на третью и т. д., приобретают на пути очень большую скорость.

Представьте себе, что из катода трубки Кубецкого под действием света вырвался один электрон и что, попав на первую пластинку, он благодаря приобретённой скорости выбил из неё два новых, вторичных, электрона. Но эти два электрона летят ко второй пластинке. Ударившись об неё, они выбьют из пластинки уже четыре электрона. Из третьей пластинки будет выбито 8 электронов; из четвёртой — 16, из пятой — 32 и т. д. Легко рассчитать, что в этом случае окончательный ток — после 11 пластинок — эмиттеров — будет примерно в 2 000 раз сильнее, чем первичный ток, возникший под действием света на катод! А так как фактически добиваются, что каждый электрон выбивает из эмиттера не два электрона, а больше, то фототок удаётся усиливать не в две тысячи, а в миллионы раз!

А для того, чтобы заставить все электроны, вылетающие из катода или эмиттера, попадать на следующий эмиттер, Кубецкий поместил трубку, в которой находятся анод, катод и эмиттеры, в поле электромагнита. Магнит отклоняет движущиеся электроны и направляет их, куда нужно. А позднее были разработаны новые конструкции вторично-электронных трубок; в них можно обойтись и без магнитов.

Над усовершенствованием вторично-электронных трубок много работал советский физик профессор Тимофеев.

В настоящее время у нас имеется уже много различных типов этих замечательных приборов. Они всё шире и шире применяются на практике.

В 1948 году работы Л. А. Кубецкого были удостоены Сталинской премии.

3. Фотосопротивления и вентильные фотоэлементы

Во всех фотоэлементах, с которыми вы познакомились, свет вырывает электроны из поверхности катода и выбрасывает их в окружающее пространство. Такой фотоэлектрический эффект, как уже было сказано, называют внешним. Но, оказывается, во многих телах электроны под действием света не вырываются в окружающее пространство, а лишь слегка смещаются внутри тела. Это явление, названное внутренним фотоэлектрическим эффектом, было обнаружено впервые ещё около 70 лет тому назад.

Было замечено, что сопротивление некоторых веществ прохождению через них электрического тока сильно уменьшается при освещении. Первоначально это наблюдалось на элементе селене. В обычных условиях селен проводит электрический ток очень плохо. Его электрическое сопротивление примерно в 70 миллиардов раз больше, чем сопротивление хорошего проводника, например меди, Если включить в цепь батареи пластинку селена, как показано на рисунке 8, то, пока свет не действует на селен, ток в цепи очень слаб, так как сопротивление селена велико. Но стоит лишь осветить селеновую пластинку, как сопротивление её резко уменьшается; ток в цепи при том же напряжении батареи сильно возрастает, Чем сильнее будет действующий на селеновую пластинку свет, тем меньше будет сопротивление селена и тем сильнее ток в цепи.

Такое изменение сопротивления вещества под влиянием освещения и объясняется внутренним фотоэффектом. На рисунке 8 вы видите, по сути дела, прибор, в котором, так же как в описанных выше фотоэлементах, сила тока регулируется силой падающего на прибор света. Такого рода приборы получили название фотосопротивлений.

Рис. 8. Схема фотосопротивления.

Кроме селеновых фотосопротивлений, в последнее время появились фотосопротивления и с другими светочувствительными веществами. Однако практически все эти приборы менее удобны, чем фотоэлементы, и применяются они поэтому сравнительно редко.

Зато имеются другие фотоэлементы, основанные также на внутреннем фотоэлектрическом эффекте.

Уже сравнительно давно было известно, что если на медной пластинке вырастить (путём нагревания на воздухе до высокой температуры) слой полупроводника электричества (вещества, очень плохо проводящего электрический ток) — закиси меди — соединения меди с кислородом, то такая пластинка будет обладать поразительным свойством: она будет пропускать электрический ток в одну сторону и не пропускать его в другую! А позднее стало известно, что таким же свойством обладают и многие другие металлы, на которые нанесён слой полупроводника, например железные пластинки, покрытые слоем селена, и другие.

Во всех этих случаях на границе между металлом и полупроводником возникает особый, так называемый «запирающий» или «вентильный» слой, через который электроны могут свободно проходить только в одну сторону, а именно — от металла к полупроводнику. В обратном же направлении — от полупроводника к металлу — электроны через этот слой проходить не могут.

Схематический разрез такой пластинки с односторонней проводимостью изображён на рисунке 9.

Рис. 9. Схематический разрез медной пластинки с «запирающим» слоем.

Следует иметь в виду, что масштабы на этом рисунке совершенно не соответствуют действительности; толщина запирающего слоя на самом деле очень мала — менее одной стотысячной доли сантиметра; слой полупроводника в действительности также очень тонок. Верхняя металлическая пластинка, наложенная на слой полупроводника, служит для того, чтобы было удобно включить пластинку в электрическую цепь.

Если такую пластинку подключить к батарее так, как показано на рисунке 10, то ток через неё не пойдёт, потому что электроны, движущиеся в цепи, должны в этом случае проходить через запирающий слой в направлении от полупроводника к металлу.

Рис. 10. В этом случае тока в цепи нет; «запирающий» слой не пропускает электроны.

А в этом направлении слой для электронов «непроницаем». Напротив, если переключить провода, т. е. соединить нижнюю металлическую пластинку с отрицательным полюсом батареи, а верхнюю — с положительным полюсом (рис. 11), то в цепи пойдёт довольно сильный ток.

Рис. 11. В этом случае в цепи идёт ток, «запирающий» слой пропускает электроны.

Теперь электроны проходят через слой в направлении металл — полупроводник; в этом направлении запирающий слой «прозрачен» для электронов (напомним ещё раз, что за направление тока в цепи принято считать то направление, в котором двигались бы положительные заряды, т. е. направление от положительного полюса батареи к отрицательному полюсу, хотя фактически ток в металлах представляет собой движение отрицательных частиц — электронов; оно происходит в обратном направлении).

Способность такого рода сложных пластинок проводить ток только в одном направлении и «запирать» его в противоположном уже давно используется в технике для превращения переменного тока в постоянный.

Но вот лет двадцать тому назад было обнаружено ещё одно, новое и поразительное, свойство таких пластинок. Оказалось, что если соединить эту пластинку с прибором- для измерения тока и осветить её так, чтобы лучи света действовали на её «запирающий» слой, то в цепи возникнет электрический ток, хотя в ней и нет никакого источника тока! Таким образом, эта пластинка представляет собой фотоэлемент, в котором опять-таки за счёт световой энергии создаётся электрический ток; он тем сильнее, чем сильнее освещён фотоэлемент.

Такого рода фотоэлементы получили название вентильных фотоэлементов (вентильным фотоэлемент называется потому, что он пропускает ток лишь в одном направлении) или фотоэлементов с запирающим слоем. Обычно направление тока в них противоположно тому направлению, в котором через пластинку мот бы проходить ток от внешнего источника (рис. 12).

Рис. 12. Схема устройства вентильного фотоэлемента.

Устройство вентильного фотоэлемента, как можно видеть из этого рисунка, очень простое. На толстую металлическую пластинку наносят тончайший прозрачный слой полупроводника, а сверху, для контакта, закладывают металлическую сетку или покрывают полупроводник тонкой металлической плёнкой. Ясно, что слой полупроводника и верхний слой металла должны быть достаточно тонки — для того, чтобы свет мог проникать сквозь них к запирающему слою.

Первыми фотоэлементами с запирающим слоем были так называемые купроксные фотоэлементы. Они представляют собой слой закиси меди на медной пластинке («купрум» значит «медь»). Такие фотоэлементы чувствительны к видимым лучам и к близким к ним по длине волны тепловым — инфракрасным лунам.

Очень скоро получили широкое распространение и селеновые вентильные фотоэлементы (рис. 13).

Рис. 13. Внешний вид вентильного фотоэлемента.

Чувствительность их к лучам разного цвета очень велика.

А вообще чувствительность вентильных фотоэлементов — купроксных и селеновых — к белому свету примерно такова же, как у лучших фотоэлементов с внешним фотоэлектрическим эффектом.

Выяснение сущности явлений, происходящих в вентильных фотоэлементах, — в основном заслуга советских физиков. Над этим вопросом работали физики школы академика А. Ф. Иоффе в Ленинграде и группа физиков Украинской академии наук в Киеве. В результате этих работ советские учёные перед Отечественной войной создали совершенно новые вентильные фотоэлементы — серно-серебряные и серно-таллиевые. Чувствительность этих приборов при освещении белым светом в десятки раз превосходит чувствительность всех рапсе известных фотоэлементов!

Вентильные фотоэлементы, конечно, гораздо удобнее в обращении, чем фотоэлементы с внешним фотоэффектом. Они не требуют никаких батарей или иных источников тока.

Однако есть у них и свои недостатки. Например, такие фотоэлементы очень трудно сочетать с ламповыми усилителями. Усиливать слабые фотоэлектрические токи, возникающие в них при освещении, практически невозможно. Поэтому вентильные фотоэлементы следует применять только там, где имеется относительно сильный источник света (они применяются, например, в сенситометре — приборе, с помощью которого определяется яркость освещения, а следовательно, и время выдержки, при фотографировании). В этом случае фотоэлектрический ток нет надобности усиливать.

Там же, где слабый первичный фототок необходимо усиливать, лучше пользоваться фотоэлементами с внешним фотоэффектом или вторично-электронными трубками.

Таковы различные типы фотоэлементов. Эти замечательные приборы выпускаются в настоящее время на специальных заводах в массовых количествах.

По плану послевоенной сталинской пятилетки в Советском Союзе изготовлено много сотен тысяч различных фотоэлементов. Они пошли на наши фабрики и заводы, в научно-исследовательские институты, в кинотеатры, в учреждения связи.

Фотоэлемент— верный, порой незаменимый помощник человека. Недаром его называют «электрическим глазом».

Где и как помогают человеку эти необыкновенные глаза — об этом рассказывается в следующей главе.