Большая Советская Энциклопедия (ФО)

Текст добавлен: 17 сентября 2016, 21:41

Текст книги "Большая Советская Энциклопедия (ФО)"

Автор книги: Большая Советская Энциклопедия

Жанр:

Энциклопедии

сообщить о нарушении

Текущая страница: 37 (всего у книги 39 страниц)

Назад к карточке книги

Фотоэлектрический генератор

Фотоэлектри'ческий генера'тор, устройство, непосредственно преобразующее энергию оптического излучения в электрическую на основе явления фотоэффекта внутреннего в полупроводниках. Преобразуемой энергией является энергия солнечной радиации (см. Солнечная батарея ), инфракрасного излучения нагретых тел либо лазерного излучения (в любом диапазоне волн).

Обычно Ф. г. конструктивно выполняют в виде плоской панели, собранной из отдельных фотоэлементов , причём толщина полупроводника не превышает 0,2–0,3 мм. Кпд серийно выпускаемых Ф. г. 10–12%, у лучших образцов он достигает 15–18%. Ф. г. способны преобразовывать энергию излучения сверхвысокой плотности до нескольких квт/см² . Отдельные элементы Ф. г. могут быть соединены между собой как последовательно, так и параллельно; при этом от генератора можно получать соответственно малые токи при большом напряжении (до нескольких кв ) или большие токи (до нескольких сотен а ) при малом напряжении.

Достоинства Ф. г. – портативность, практически неограниченный срок службы и хранения, отсутствие движущихся частей, простота обслуживания, отсутствие вредных для окружающей среды выделений; их недостаток – относительно высокая стоимость. Ф. г. используют в качестве автономных источников энергопитания аппаратуры космических летательных аппаратов, радиоприёмников и приёмно-передающих радиостанций, маяков и навигационных указателей, устройств антикоррозионной защиты нефте– и газопроводов и т.п. Разработаны проекты создания солнечных электростанций большой мощности на основе Ф. г., снабженных концентраторами солнечного излучения.

Лит.: Васильев А. М., Ландсман А. П., Полупроводниковые фотопресбразователи, М., 1971.

М. М. Колтун.

Фотоэлектрический гид

Фотоэлектри'ческий гид в астрономии, вспомогательное фотоэлектрическое устройство, автоматически выполняющее гидирование телескопа. Ф. г. автоматически удерживает в поле зрения телескопа наблюдаемое небесное светило, движущееся вследствие видимого суточного вращения небесной сферы или реального его движения относительно звёзд.

Фотоэлектрический усилитель

Фотоэлектри'ческий усили'тель,усилитель постоянного тока (напряжения), действие которого основано на увеличении тока в электрической цепи при освещении включенного в неё светочувствительного элемента (фоторезистора , фотоэлемента ). Ток в цепи светочувствительного элемента зависит от яркости источника света и от площади освещаемой поверхности светочувствительного элемента. Соответственно этому Ф. у. подразделяются на две группы: к первой относятся фотоэлектронакальные, фотоэлектролюминесцентные и фотоэлектрогазоразрядные Ф. у., применяемые в качестве фотоэлектрических элементов автоматики для регулирования и регистрации различных процессов (рис. , а, б, в); во вторую входят фотоэлектрооптические усилители (рис. , г) и фотогальванометрические компенсационные усилители, используемые в качестве элементов точных электроизмерительных устройств.

Принципиальные схемы фотоэлектрических усилителей с изменяющейся яркостью источника света (а – фотоэлектронакальный, б – фотоэлектролюминесцентный, в – фотоэлектрогазоразрядный) и с изменяющейся площадью освещаемой поверхности светочувствительных элементов (г – фотоэлектрооптический): U(I)_вх – усиливаемое напряжение (ток); U(I)_вых – выходной сигнал; Е – вспомогательный источник тока (напряжения); С – силитовый стержень; Ф – фоторезистор; R – резистор; 1 – люминисцентный источник света; 2 – фотопроводник; ГЛ – газоразрядная лампа; Л – источник света; О – фокусирующая линза; К – конденсор; Р – решетчатые диафрагмы; ФЭ – фотоэлемент; Г – гальванометр; З – зеркало гальванометра.

Фотоэлектрический фотометр

Фотоэлектри'ческий фото'метр, см. в ст. Астрофотометр .

Фотоэлектрический экспонометр

Фотоэлектри'ческий экспоно'метр,экспонометр , в котором яркость или освещённость объекта съёмки определяется при помощи фотоэлектрических приёмников света (фотоприёмников) – фотоэлементов или фоторезисторов . Фотоприёмники включаются в цепь индикатора тока (обычно магнитоэлектрического гальванометра стрелочного типа); при использовании фоторезистора в цепь дополнительно включают источник тока. Яркость или освещённость объекта съёмки оценивают по углу отклонения стрелки гальванометра, пропорциональному току в цепи фотоприёмника, а следовательно, и по величине светового потока, падающего на светоприёмную площадку фотоприёмника. Экспозиционные параметры определяют при помощи механического калькулятора, на который переносят показания стрелки гальванометра (измерителя). В Ф. э. индикатором тока может служить светоизлучающий диод (светодиод), включенный в диагональ мостовой цепи . В таких Ф. э. для определения экспозиционных параметров вращают движок переменного резистора, связанный с калькулятором, до тех пор, пока не наступают условия равновесия мостовой цепи (этот момент определяется по прекращению свечения светодиода). Некоторые Ф. э. снабжены видоискателем, что позволяет одновременно со считыванием показаний наблюдать объект, яркость (освещённость) которого определяется. Конструктивно Ф. э. представляет собой портативный прибор, все основные узлы которого смонтированы внутри и снаружи пластмассового корпуса. Особую группу составляют Ф. э., встраиваемые в фото– и киносъёмочные аппараты. Механизм таких Ф. э. связан с механизмом установки диафрагмы, однако в ряде моделей фотографических аппаратов встроенный Ф. э. является самостоятельным прибором, калькулятор которого размещен на корпусе аппарата.

С. В. Кулагин.

Фотоэлектрический экспонометр «Ленинград-4»: 1 – входное окно фотоэлектрического экспонометра с линзовым растром, ограничивающим углом восприятия фотоприемника; 2 – переключатель диапазонов измерения; 3 – шкала измерителя; 4 и 7 – шкалы светочувствительности фотоматериала; 5 – вспомогательная шкала калькулятора, служащая для переноса отсчета со шкалы измерителя; 6 – неподвижный индекс вспомогательной шкалы калькулятора; 8 – шкала частот (скоростей) киносъемки; 9 – шкала значений диафрагмы; 10 – шкала выдержек; 11 – указатель (стрелка) калькулятора; 12 – стрелка гальванометра.

Фотоэлектронная аэросъёмка

Фотоэлектро'нная аэросъёмка, съёмка местности с воздуха и из космоса сканирующей аппаратурой, которая позволяет принимать излучаемые и отражаемые объектами электромагнитные волны, усиливать их и преобразовывать электронно-оптическим путём в видимое изображение, а затем воспроизводить его с экрана преобразователя на фотоплёнке (движущейся с той же скоростью, что и носитель аппаратуры). При Ф. а. построение последовательных изображений осуществляется путём их развёртки: в поперечном направлении – за счёт работы сканирующего устройства, в продольном – за счёт движения носителя. Ф. а. может выполняться как в видимой части спектра, так и вне её пределов. Из практически применяемых видов Ф. а. (см. Аэрометоды ) наибольшее значение приобрели инфратепловая и радиолокационная аэросъёмки. Каждая из них, как правило, требует своих условий и режимов съёмочных работ. Фотоэлектронные аэроснимки по общему облику изображения местности напоминают обычные аэрофотоснимки. Однако они воспроизводят не внешний вид наземных объектов, а их тепловые свойства или характер отражения радиоволн, что позволяет использовать эти аэроснимки как источник дополнительной информации. Дешифрирование фотоэлектронных аэроснимков осуществляется на той же принципиальной основе, что и аэрофотоснимков, но в данном случае приходится иметь дело с менее детализированным изображением и учитывать значительно большее число природных и технических факторов, предопределяющих особенности передачи тех или иных объектов.

Инфратепловая аэросъёмка (инфракрасная нефотографическая, ИК-термальная) относится к числу пассивных Ф. а. (т. е. без заданного импульса) и предназначена для регистрации собственного теплового излучения объектов местности в диапазоне длин волн 1,2–25 мкм. Из имеющихся в этом диапазоне нескольких атмосферных «окон пропускания» тепловых лучей используются соответствующие интервалам 3,4–4,2 мкм для фиксации излучения от сильно нагретых тел и 8–12 мкм – от слабо нагретых. Сканирование в процессе инфратепловой Ф. а. ведётся перпендикулярно линии полёта, с помощью оптического устройства, обеспечивающего большой угол обзора (порядка 60°). Современные приборы для этой Ф. а., называются аэросъёмочными тепловизорами, могут давать аэроснимки самых различных масштабов с геометрическим разрешением деталей на местности около 0,001 от высоты съёмки и передачей температурных различий в 0,5–1 °С. Поскольку тепловые контрасты на земной поверхности подвержены значительным изменениям – от сезона к сезону и в течение суток, в зависимости от экспозиции по отношению к солнцу и различий в тепловой инерции тел, работы искусственных источников тепла, а также от метеорологической обстановки (особенно облачности), – для выявления свойств изучаемых объектов в ряде случаев целесообразна неоднократная (в т. ч. за пределами светового дня) инфратепловая Ф. а. одного и того же участка местности. Таким образом, высокая изменчивость регистрируемых величин, предопределяя значительные трудности при выборе параметров съёмки, вместе с тем даёт дополнительные возможности для воспроизведения объектов на аэроснимках. Данный вид съёмки эффективен при создании карт вулканической деятельности (зон температурных аномалий, выходов лавы, нагретых газов и вод) и мерзлотных явлений, выделении увлажнённых грунтов, исследованиях температурного режима и загрязнённости водоёмов и характера морских льдов, обнаружении водотоков, закрытых растительностью, оконтуривании мест возгорания под землёй и на поверхности (в отвалах, лесных массивах и др.), проверке энергосистем и дренажных сооружений, а также при периодическом контроле состояния посевов.

Радиолокационная (радарная) аэросъёмка относится к числу активных Ф. а. и предназначена для регистрации отражённых наземными объектами электромагнитных волн радиодиапазона (от нескольких мм до нескольких м ), источником излучения и приёмником которых служит установленная на носителе радиолокационная система. В картографии наибольшее применение находит радиолокационная станция бокового обзора, работающая в интервале волн 1–3 см. Сканирование ведётся с помощью особого антенного устройства и обеспечивает получение изображения местности в виде двух широких полос, параллельных линии полёта. Преобладающие масштабы радиолокационных аэроснимков (см. вклейку к ст. Аэроснимок ) 1: 60 000 – 1: 400 000. Наибольшее разрешение деталей на местности 3–5 м. Характер воспроизведения на этих аэроснимках наземных объектов определяется и различной интенсивностью отражения ими радиоволн, которая в свою очередь зависит от свойств и формы объектов, крутизны и направления склонов рельефа. Изменяя, с учётом этих особенностей, основные параметры станций (длину волн, частоту и форму импульсов), добиваются требующегося разделения на аэроснимках изображений изучаемых объектов. Радиолокационная Ф. а. может выполняться вне зависимости от времени суток и состояния атмосферы, т. е. является всепогодной. Благодаря способности радиоволн проникать на десятки см в земную поверхность основная сфера её применения – геологическая разведка и изучение льдов. Особенно существенно, что при этой аэросъёмке, по сравнению с обычной фотографической, обеспечивается значительно лучшая дешифрируемость разрывных тектонических нарушений, характера горных пород под растительностью, снегом и поверхностными наносами, механического состава (в особенности размеров частиц) последних и наличия примесей металлов, структуры ледовых образований, трещин и русел талых вод в толще льда. На радиолокационных аэроснимках чётче воспроизводятся наземные объекты, приуроченные к глубоко затенённым участкам. Поскольку по этим снимкам может быть построена стереоскопическая модель местности (с точностью определения высот до 15 м ), они используются при изучении некоторых труднодоступных районов (полярные пустыни, экваториальные джунгли с постоянной облачностью и др.) для создания топографических карт обзорного характера.

Лит.: Смирнов Л. Е., Аэрокосмические методы географических исследований, Л., 1975: Харин Н. Г., Дистанционные методы изучения растительности, М., 1975; Богомолов Л, А., Дешифрирование аэроснимков, М., 1976; Применение новых видов аэросъемок при геологических исследованиях, Л., 1976; Многозональная аэрокосмическая съемка и ее использование при изучении природных ресурсов, М., 1976; Remote sensing. Techniques for environmental analysis, Santa Barbara, 1974; Manual of Remote sensing, t. 1–2, Waschington, 1975. См. также лит. к статье Космическая съёмка .

Л. М. Гольдман.

Фотоэлектронная спектроскопия

Фотоэлектро'нная спектроскопи'я, метод изучения строения вещества, основанный на измерении энергетических спектров электронов, вылетающих при фотоэлектронной эмиссии. Согласно закону Эйнштейна, сумма энергии связи вылетающего электрона (работы выхода ) и его кинетическая энергии равна энергии падающего фотона h n (h – Планка постоянная , n – частота падающего излучения). По спектру электронов можно определить энергии связи электронов и их уровни энергии в исследуемом веществе.

В Ф. с. применяются монохроматическое рентгеновское или ультрафиолетовое излучения с энергией фотонов от десятков тысяч до десятков эв (что соответствует длинам волн излучения от десятых долей до сотен ). Спектр фотоэлектронов исследуют при помощи электронных спектрометров высокого разрешения (достигнуто разрешение до десятых долей эв в рентгеновской области и до сотых долей эв в ультрафиолетовой области).

Метод Ф. с. применим к веществу в газообразном, жидком и твёрдом состояниях и позволяет исследовать как внешние, так и внутренние электронные оболочки атомов и молекул, уровни энергии электронов в твёрдом теле (в частности, распределение электронов в зоне проводимости). Для молекул энергии связи электронов во внутренних оболочках образующих их атомов зависят от типа химической связи (химические сдвиги), поэтому Ф. с. успешно применяется в аналитической химии для определения состава вещества и в физической химии для исследования химической связи. В химии метод Ф. с. известен под название ЭСХА – электронная спектроскопия для химического анализа (ESCA – electronic spectroscopy for chemical analysis).

Лит.: Вилесов Ф. И., Курбатов Б. Л., Теренин А. Н., «Докл. АН СССР», 1961, т. 138, с. 1329–32; Электронная спектроскопия, пер. с англ., М., 1971.

М. А. Ельяшевич.

Фотоэлектронная эмиссия

Фотоэлектро'нная эми'ссия, внешний фотоэффект, испускание электронов твёрдыми телами и жидкостями под действием электромагнитного излучения (фотонов) в вакуум или др. среды. Практическое значение в большинстве случаев имеет Ф. э. из твёрдых тел (металлов, полупроводников, диэлектриков) в вакуум. Основные закономерности Ф. э. состоят в следующем: 1) количество испускаемых электронов пропорционально интенсивности излучения; 2) для каждого вещества при определенном состоянии его поверхности и температуре Т ® 0 К существует порог – минимальная частота w_{(или максимальная длина волны l_{) излучения, за которой Ф. э. не возникает; 3) максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой излучения и не зависит от его интенсивности.}}

Ф. э. – результат 3 последовательных процессов: поглощения фотона и появления электрона с высокой (по сравнению со средней) энергией; движения этого электрона к поверхности, при котором часть энергии может рассеяться; выхода электрона в др. среду через поверхность раздела. Количественной характеристикой Ф. э. является квантовый выход Y – число вылетевших электронов, приходящееся на 1 фотон излучения, падающего на поверхность тела. Величина Y зависит от свойств тела, состояния его поверхности и энергии фотонов.

Ф. э. из металлов возникает, если энергия фотона ( – Планка постоянная , w – частота излучения) превышает работу выхода металла е j. Последняя для чистых поверхностей металлов > 2 эв (а для большинства из них > 3 эв ), поэтому Ф. э. из металлов (если работа выхода не снижена специальным покрытием поверхности) может наблюдаться в видимой и ультрафиолетовой (для щелочных металлов и бария) или только в ультрафиолетовой (для всех др. металлов) областях спектра. Вблизи порога Ф. э. для большинства металлов Y ~ 10^-4 электрон/фотон. Малая величина Y обусловлена тем, что поверхности металлов сильно отражают видимое и ближнее ультрафиолетовое излучение (коэффициент отражения R > 90%), так что в металл проникает лишь малая доля падающего на него излучения. Кроме того, фотоэлектроны при движении к поверхности сильно взаимодействуют с электронами проводимости, которых в металле много (~ 10²²см^-3 ), и быстро рассеивают энергию, полученную от излучения. Энергию, достаточную для совершения работы выхода, сохраняют только те фотоэлектроны, которые образовались вблизи поверхности на глубине, не превышающей несколько нм (рис. , а). Менее «энергичные» фотоэлектроны могут пройти без потерь энергии в десятки раз больший путь в металле, но их энергия недостаточна для преодоления поверхностного потенциального барьера и выхода в вакуум.

С увеличением энергии фотонов Y металлов возрастает сначала медленно. При = 12 эв Y чистых металлических плёнок (полученных испарением металла в высоком вакууме) составляет для Al 0,04, для Bi – 0,015 электрон/фотон. При > 15 эвR резко падает (до 5%), a Y увеличивается и у некоторых металлов (Pt, W, Sn, Ta, In, Be, Bi) достигает 0,1–0,2 электрон/фотон. Случайные загрязнения могут сильно снизить j, вследствие чего порог Ф. э. сдвигается в сторону более длинных волн, и Y в этой области может сильно возрасти. Резкого увеличения Y и сдвига порога Ф. э. металлов в видимую область спектра достигают, покрывая чистую поверхность металла моноатомным слоем электроположительных (см. Ионизация ) атомов или молекул (Cs, Rb, Cs₂ O), образующих на поверхности дипольный электрический слой. Например, слой Cs снижает (и соответственно сдвигает порог Ф. э.: для W – от 5,05 до 1,7 эв , для Ag – от 4,62 до 1,65 эв, для Cu – от 4,52 до 1,55 эв, для Ni – от 4,74 до 1,42 эв .

Ф. э. из полупроводников и диэлектриков. В полупроводниках и диэлектриках сильное поглощение электромагнитного излучения начинается от энергий фотонов , равных ширине запрещенной зоны DE (для прямых оптических переходов). При » DEпоглощения показатель К » 10⁴см^-1 и с увеличением (возрастает до 10⁵см^-1. Порог Ф. э. , где c – сродство к электрону , т. е. высота потенциального барьера для электронов проводимости (рис. , б). В несильно легированных полупроводниках электронов проводимости мало, поэтому здесь, в отличие от металлов, рассеяние энергии фотоэлектронов на электронах проводимости роли не играет. В этих материалах фотоэлектрон теряет энергию при взаимодействии с электронами валентной зоны (ударная ионизация) или с тепловыми колебаниями кристаллической решётки (рождение фононов ). Скорость рассеяния энергии и глубина, из которой фотоэлектроны могут выйти в вакуум, зависят от величины c и от соотношения c и DE . Если c > 2 DE , то фотоэлектрон с начальной кинетической энергией ³ c рождает электронно-дырочную пару. Длина пробега на рассеяние энергии в таком акте (1–2 нм ) во много раз меньше глубины проникновения излучения в кристалл (0,1–1 мкм ). Т. о., в этом случае подавляющая часть фотоэлектронов по пути к поверхности теряет энергию и не выходит в вакуум. Такая картина имеет место в Si (DE = 1,1 эв, c = 4,05 эв ); в Ge (DE = 0,7 эв, c = 4,2 эе); в GaAs (DE = 1,4 эв, c = 4,07 эв ) и др. полупроводниках. В этих материалах вблизи порога Ф. э. Y ~ 10 ^-6 электрон/фотон и даже на относительно большом расстоянии от порога (при = + 1 эв ) всё ещё не превышает 10^-4 электрон/фотон. Если c < DE , но больше энергии оптического фонона (10^-2эв ), то фотоэлектроны теряют энергию при рождении оптических фононов. При таком механизме потерь энергия фотоэлектронов рассеивается в полупроводниках на длине пробега всего 10–30 нм. Поэтому, если снизить (полупроводника, например от 4 до 1 эв, Ф. э. вблизи порога остаётся малой. В кристаллах щёлочно-галоидных соединений длина пробега больше 50–100 нм, невелико, поэтому Y таких кристаллов резко возрастает от самого порога Ф. э. и достигает высоких значений. Так, в CsJ DE = 6,4 эв, c = 0,1 эв и уже при = 7 эв (т. е. всего на 0,6 эв от порога), Y = 0,1 электрон/фотон и практически не изменяется при увеличении .

Применение. Из-за больших DE порог Ф. э. для щёлочно-галоидных кристаллов лежит в ультрафиолетовой области спектра, для которой они (в виде тонкой плёнки на проводящей подложке) являются хорошими фотокатодами . Для большинства технических применений важны также материалы, обладающие высоким Y для видимого и ближнего инфракрасного излучений при малых DE и c. Наиболее распространены (и технически хорошо освоены) в качестве фотокатодов полупроводниковые материалы на основе элементов I и V групп периодической системы элементов, часто в сочетании с кислородом (Cs₃ Sb, Na₂ KSb и др.). У них DE < 2 эв , c < 2 эв и Y в видимой области спектра достигает величины ~ 0,1 электрон/фотон.

Усовершенствование техники очистки поверхностей полупроводников в сверхвысоком вакууме позволило резко снизить полупроводников типа A^III B^V и Si р -типа до величины < DE с одновременным созданием в тонком приповерхностном слое полупроводника сильного внутреннего электрического поля, ускоряющего фотоэлектроны. При этом работа выхода < DE , а высота поверхностного потенциального барьера (ниже уровня дна зоны проводимости в объёме кристалла. В результате обеспечивается выход в вакуум значительного числа термализованных (имеющих тепловые энергии) электронов из большой глубины порядка диффузионной длины неосновных носителей заряда (~ 10^-4см ). Фотокатоды такого типа называются фотокатодами с отрицательным электронным сродством (рис. , б). Они обладают самым высоким квантовым выходом в ближней инфракрасной области спектра, достигающим 0,09 электрон/фотон при l = 1,06 мкм.

Ф. э. широко используется для исследования энергетической структуры веществ, для химического анализа (фотоэлектронная спектроскопия ), в измерительной аппаратуре, в звуковоспроизводящей киноаппаратуре и в приборах автоматики (фотоэлементы , фотоэлектронные умножители ), в передающих телевизионных трубках (супериконоскоп , суперортикон ), в инфракрасной технике (электроннооптический преобразователь ) и в др. приборах, предназначенных для регистрации излучений рентгеновского, ультрафиолетового, видимого и ближнего инфракрасного диапазонов длин волн.

Лит.: Соболева Н. А., Фотоэлектронные приборы, М., 1965; Соммер А., Фотоэмиссионные материалы, пер. с англ., М., 1973; Соболева Н. А., Новый класс электронных эмиттеров, «Успехи физических наук», 1973, т. Ill, в. 2, с. 331–53: Ненакаливаемые катоды, М., 1974.

Г. М. Лифшиц.

Энергетические схемы фотоэлектронной эмиссии из металла (а); полупроводника

с c > 2DE (б); полупроводника с поверхностью, обработанной до «отрицательного» электронного сродства (ej < DE) (в). В области сильного внутреннего электрического поля энергетические зоны изогнуты; клеточки показывают заполненные электронные состояния; жирная черта – дно зоны проводимости; j – поверхностный потенциальный барьер.

Назад к карточке книги "Большая Советская Энциклопедия (ФО)"