Покоренный электрон
Шрифт:
На одной международной выставке фотоэлемент приладили к телескопу.
Телескоп направили на определенную точку неба, а реле фотоэлемента соединили со всеми механизмами выставки.
Настал вечер. Гости, съехавшиеся на выставку, толпились у ворот. Тысячи любопытных облепили ограду, всматриваясь в безлюдную территорию выставки.
В поле зрения телескопа появился Арктур — звезда первой величины из созвездия Волопаса. Луч света Арктура скользнул в телескоп и упал на фотоэлемент. Реле замкнуло контакт, и в тот же миг на всей территории выставки вспыхнули огни, осветились павильоны и дорожки. Распахнулись сами собой ворота, ударили фонтаны. Заиграла музыка, заработали все действующие модели машин и станков. Побежали вагончики
Но и это было лишь началом применения фотоэлемента, его первыми шагами в практической жизни.
Служба вторичных электронов
Советские ученые выработали для катодов фотоэлементов составы, чувствительные и к ультрафиолетовым лучам, и к видимому свету, и к невидимым инфракрасным лучам.
У современных фотоэлементов катоды изготовляют в основном двух типов — кислородно-цезиевые и сурьмяно-цезиевые. И те и другие чувствительны к видимому свету, однако, наибольшую чувствительность они проявляют, когда их освещают лучами определенного цвета. Кислородно-цезиевые даю г ток наибольшей силы при освещении инфракрасными лучами. Сурьмяно-цезиевые чувствительны к ультрафиолетовым и видимым лучам.
Баллоны фотоэлементов, после откачки воздуха, иногда наполняют разреженным газом — неоном или аргоном. Присутствие этих газов в фотоэлементе повышает его чувствительность.
Электроны, вылетевшие из катода, сталкиваясь с атомами газа, могут ионизировать их. В результате таких столкновений возрастает число электронов, попадающих на анод, и сила тока увеличивается.
Это большое преимущество. Но ему, к сожалению, сопутствует недостаток, свойственный газовым приборам. В создании тока в газонаполненном фотоэлементе участвуют не только легкие, подвижные электроны, но и сравнительно тяжелые, неповоротливые ионы. (Ион аргона почти в 70 тысяч раз массивнее электрона.) Пока эти ионы раскачиваются да пока доберутся до катода, — проходит время. Поэтому газонаполненный фотоэлемент начинает действовать не мгновенно, ему требуется некоторое время на «раскачку». За быстрыми изменениями силы светового луча ток не поспевает: с прекращением действия света, разогнавшиеся ионы в течение нескольких миллионных долей секунды еще продолжают по инерции налетать на катод. Ток прекращается не сразу.
У фотоэлементов, наполненных разреженным газом, ослаблено их важное достоинство — мгновенность действия — безинерционность. Впрочем это зло на практике часто неощутимо.
Присутствие разреженного газа в баллоне фотоэлемента увеличивает его чувствительность в 6 — 12 раз. Это уж не столь большое достижение. Техника настоятельно требовала создания значительно более чувствительных фотоэлементов.
Остроумное решение этой задачи нашел ленинградский инженер Л. А. Кубецкий. Он увеличил силу тока фотоэлемента ни мало ни много, а в несколько миллионов раз!
В своем фотоэлементе изобретатель, кроме катода и анода, поместил еще несколько электродов. Эти дополнительные электроды получили название эмиттеров, что означает — испускатели.
Л. А. Кубецкий покрыл эмиттеры кислородно-цезиевым составом, который легко отдает свои электроны. Работает фотоэлемент Кубецкого так: свет вырывает из катода электроны. Они летят к первому эмиттеру и ударяются об его поверхность. Каждый электрон выбивает 3–4 электрона, а иногда даже и больше.
Электроны, вылетевшие из первого эмиттера, направляются ко второму эмиттеру и выбивают еще по 3–4 электрона, которые устремляются к третьему эмиттеру. Там повторяется то же самое. Третий эмиттер в свою очередь умножает
Рис. 100. Схема фотоумножения. Показано, как между эмиттерами возникает лавина электрона.
Поток электронов растет, как снежный ком.
Конечно, чтобы электрон был способен выбивать из эмиттеров новые электроны, он должен обладать достаточной энергией. Поэтому на каждый последующий эмиттер подается напряжение примерно на 100 вольт более высокое, чем на предыдущий. Кроме того, чтобы электроны попадали с одного эмиттера на другой, не сбивались с дороги, применяются различные системы управления при помощи электрических или магнитных полей.
На фотографии трубки Кубецкого видно, что трубка имеет 16 электродов. 2 из них — катод и анод, а 14 — эмиттеры (рис. 101).
Рис. 101. Фотоумножитель Кубецкого.
Какое же усиление могут дать эти 14 эмиттеров? Допустим, что каждый электрон, ударяясь о поверхность эмиттера, выбивает всего лишь по 3 вторичных электрона. Значит, каждый электрон, вылетевший из катода, выбьет из первого эмиттера 3 электрона.
От второго эмиттера их полетит уже 3 х 3 = 9, от третьего—27, от четвертого — 81, от пятого — 243. От девятого эмиттера в путь отправится 19 683 электрона, от двенадцатого — 531 441. После четырнадцатого эмиттера на анод попадает 4 782 969 электронов! Свыше четырех с половиной миллионов!
Одна трубка Л. А. Кубецкого может заменить множество усилительных ламп, которые обслуживают фотоэлементы других типов, усиливая их сигналы. Прибор Л. А. Кубецкого получил название фотоумножителя. Его автор был удостоен Сталинской премии.
Фотоумножители были значительно усовершенствованы профессорами П. В. Тимофеевым и С. А. Векшинским (рис. 102).
Рис. 102. Фотоумножитель Векшинского.
Зоркие помощники
Изобретения и усовершенствования, сделанные советскими учеными, намного улучшили фотоэлементы, и круг их обязанностей необычайно расширился.
Когда, например, полагается включать уличное освещение? Обычно это делается в заранее установленные часы. И в пасмурную погоду и безоблачным ясным вечером фонари вспыхивают на улицах в одно и то же время. Утром же они гаснут, когда захочется диспетчеру. Иной раз приходится видеть, как фонари горят до полудня. Это — напрасная трата энергии.
Теперь во многих городах Советского Союза за силой дневного света следят фотоэлементы. Как только становится действительно темно, они включают свет — в пасмурные дни и в узких улицах раньше, в ясные вечера и на площадях и набережных — позже. Утром фотоэлементы так же аккуратно гасят свет.
Фотоэлементы, помещенные внутри фабрично-заводских труб, контролируют и регулируют работу котельных топок. Густой дым затемняет, ослабляет свет фонарика, обслуживающего фотоэлемент. Фотоэлемент приводит в действие механизмы, управляющие топкой: прочищаются колосники, подается больше воздуха, устанавливается нормальный режим горения топлива.
На боевых кораблях фотоэлемент помогает соблюдать маскировку. Черные столбы дыма, вырывающиеся из труб, делают корабли заметными задолго до появления эскадры на горизонте. Фотоэлемент зорко следит, чтобы топливо сгорало без дыма.