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!