Фотоэмиссионный генератор

На рис. 68 схематически показан гипотетический фотоэмиссионный генератор. Фотоны света попадают на его катод, проходя через проволочную сетку, выполняющую функции анода. Чтобы предотвратить влияние пространственного заряда, электроды в генераторе располагаются очень близко друг к другу.

Рис. 68. Фотоэмиссионный генератор

При попадании фотона на катод его энергия поглощается электроном, который вследствие этого переходит на более высокий энергетический уровень. Если же энергия электрона превысит работу выхода катода, то электрон покидает его поверхность. Однако подобное действие оказывают не все фотоны, поскольку их энергия различна. Энергия фотона связана с частотой соотношением (см. гл. 4)

Учитывая, что длины волн солнечного излучения лежат в области около 1 мкм, мы можем записать это соотношение в более простом виде:

где энергия измеряется в эВ, а длина волны в мкм. Вызвать эмиссию электрона могут только фотоны с энергией, превышающей работу выхода катода. При φ_к = 2 эВ электронная эмиссия с катода возможна при длине волны света меньше 0,62 мкм. Обычно в спектре солнечного излучения у поверхности земли на долю этих длин волн приходится лишь около 30% от общей радиации. Таким образом, если бы работа выхода катода фотоэмиссионного устройства составляла 2 эВ, его к. п. д. не превышал бы 30%. Но как и в термоионном генераторе, по достижении анода вследствие передачи энергии колеблющимся ионам анода, а также излучения, энергия электронов уменьшается на величину φ_к - φ_а. Тогда к. п. д., равный 30%, соответствует лишь максимальной величине отношения ^{(φ_к - φ_а)}/_φк. При φ_а = 1 эВ наибольшее значение к. п. д. падает до 15%.

Применяя электроды из других материалов с меньшей работой выхода, мы можем несколько повысить к. п. д., однако при этом сохраняется одно принципиально важное ограничение. Рассматривая принцип действия термоионного генератора, мы отмечали, что электронная эмиссия с катода становится значительной, когда при повышении его температуры энергия электронов превышает уровень Ферми на величину φ_к. В фотоэмиссионном генераторе необходимую энергию приобретают лишь те электроны, на которые непосредственно воздействует радиация; энергия же остальных электронов, а также ионов кристаллической решетки остается на уровне, определяемом температурой катода. Даже возбужденный электрон вскоре теряет свою энергию в процессе взаимодействия с соседними электронами, обладающими меньшей энергией. Поэтому лишь небольшая часть электронов, возбужденных вблизи поверхности катода или рассеянных в наружном направлении, может вырваться с его поверхности. В результате к. п. д. подобных устройств составляет даже не 15%, а всего лишь 0,15%! Поэтому катод следует нагревать с помощью концентратора. Таким образом мы вновь возвращаемся к термоионному генератору.

Столь низкий к. п. д. фотоэмиссионных генераторов является причиной того, что при исследовании вопросов получения энергии им отводится незначительная роль, хотя, возможно, используя какие-то оригинальные конструкции катодов с тонкими пленками, их к. п. д. можно значительно повысить. Однако все эти возможности остались неисследованными в связи с появлением фотоэлектрических генераторов.