Александр Штейнгауз - Девять цветов радуги

Устройство, состоящее из фотоэлемента, электронного усилителя и электромагнитного реле, часто применяют и для охраны жизни и здоровья рабочих. Оно защитит человека от травм, остановив машину или выдвинув предохранительные щитки, если руки рабочего или он сам попадут в опасную зону.

Вору, проникшему в магазин, на склад или в банк, где все входы и выходы стерегут фотоэлементы, уже не выбраться назад. Как только он пересечет хотя бы один из лучей, сработает тревожная сигнализация, придут в действие новые запоры, и злоумышленнику уже не спастись. Можно ли обмануть такую охрану, прошмыгнуть незамеченным, не пересекая луча света? Нет. Ведь, в отличие от колбочек и палочек, имеющихся в глазу, электронная колбочка может воспринимать невидимые ультрафиолетовые или инфракрасные лучи. И тот, кто попытается обмануть такую невидимую охрану, даже не догадается, что пересек хотя бы один из лучей «черного» света.

Говоря о запечатленных свете и движении, мы не упомянули о том, что в кино свет используется и для записи звука. На каждой ленте звукового кино с краю проходит специальная дорожка — фонограмма, на которой в виде чередования участков с различной прозрачностью или пропускаемостью света запечатлен звук. Читать такую запись умеет только фотоэлемент. При движении пленки с фонограммой в луче специальной лампы, яркость которой неизменна во времени, интенсивность света, попадающего на фотоэлемент, непрерывно меняется по величине. Ток через фотоэлемент, в свою очередь, меняется пропорционально изменениям интенсивности света. Полученные таким способом электрические сигналы поступают с фотоэлемента в электронный усилитель, который повышает их мощность до величины, достаточной для того, чтобы установленные в зале кинотеатра динамики давали звук требуемой громкости.

С помощью простейшего фотоэлемента можно делать множество полезнейших приборов. Но тем не менее он вовсе не идеален. Главный его недостаток — малая чувствительность. Он может работать только при освещении его очень сильным светом. Но и тогда сила тока, протекающего через фотоэлемент, чрезвычайно мала. По чувствительности фотоэлемент неизмеримо хуже глаза — он уступает не только палочкам, но и колбочкам. Фотоэлемент всегда приходится использовать совместно с электронным усилителем, а это дорого и неудобно.

Ученые и инженеры стремились устранить этот недостаток фотоэлемента, не позволяющий применять его во многих очень важных устройствах. И они искали пути, которые привели бы к повышению чувствительности и увеличению рабочих токов. Решая эту задачу, они стремились найти такие металлы и их соединения, применение которых в фотокатодах позволило бы повысить число испускаемых электронов при том же самом количестве падающих на фотокатод фотонов. Это правильный путь, но, идя по нему, нельзя получить особенно большого выигрыша. Законы природы устанавливают здесь естественный предел. Как мы помним, законы фотоэффекта показывают, что даже в идеальном случае каждый фотон (если он к тому же обладает достаточной энергией) может выбить всего лишь один электрон. В настоящее время созданы такие фотокатоды, которые испускают один электрон на каждые пять попавших на него фотонов. При этом, конечно, не учитываются те фотоны, которые принципиально не могут выбить из данного материала электроны.

Это прекрасный результат. Но ученые нашли еще более радикальный метод повышения чувствительности и рабочего тока. Первым использовал его и получил хорошие результаты советский ученый Кубецкий.

Новый тип фотоэлемента, созданный Кубецким, называют фотоэлектронным умножителем.

Если электрону, вылетевшему из фотокатода, сообщить достаточно большую энергию, а следовательно, и скорость и направить его на металлическую пластинку, то электрон может выбить из нее другие электроны.

Схема фотоэлектронного умножителя. Свет, падая на фотокатод 0, выбивает из него электроны. На электроды 1, 2, 3, 4, 5, 6 и на коллектор подано напряжение, причем на каждом последующем электроде это напряжение выше, чем на предыдущем.

Очень важно при этом, что можно подобрать металл для пластинки, ее форму и скорость первичного электрона, что он выбьет из нее не один, а несколько вторичных электронов — например, пять или шесть. Эти электроны, в свою очередь, тоже можно ускорить и вновь направить на следующую, подобную первой пластинку. И тогда из нее будет выбито уже 36 электронов. Если повторять такую операцию, то с третьей пластинки можно выбить 216 электронов, с четвертой— 1296, и так далее.

Создавая фотоумножитель, Кубецкий и воспользовался этим явлением. Он заставил первые выбитые фотонами электроны (поэтому их часто называют фотоэлектронами) разгоняться в электростатическом поле, ударяться о металлический электрод (его называют динодом) и выбивать вторичные электроны. Эти электроны тоже ускорялись и направлялись на следующий динод. Такой процесс повторялся многократно, и количество электронов от динода к диноду нарастало, словно снежная лавина. К последнему электроду, по существу выполнявшему ту же роль, что и анод в обычном фотоэлементе, вместо единичного фотоэлектрона приходили тысячи и даже миллионы вторичных электронов. В приборе Кубецкого фотоэлектроны как бы умножались по закону геометрической прогрессии. Именно поэтому прибор и получил название фотоумножителя. В нем можно получать не один электрон на каждые пять фотонов, как прежде, а до миллиона вторичных электронов на каждый фотон.

И все-таки самые совершенные фотоумножители только в некоторых случаях могут сравниться по чувствительности с глазом, полностью адаптированным к темноте. В этих случаях некоторые электронные схемы с фотоумножителями могут чувствовать световые потоки, содержащие несколько десятков фотонов в секунду. Но для того чтобы добиться такого результата, необходимо охлаждать фотокатод и диноды фотоумножителя до температуры минус 100 градусов и ниже.

И вот по какой причине.

Электроны могут приобрести достаточную скорость и покинуть фотокатод лишь в том случае, если им будет сообщена достаточная энергия. Эту энергию электроны могут получить не только от фотонов, но и при нагреве фотокатода. При повышении его температуры энергия электронов становится достаточной, чтобы они вылетели из фотокатода. Именно за счет нагрева катода (такой катод называют термокатодом) в электронных лампах и получают свободные электроны, которые часто называют термоэлектронами.

Правда, для того чтобы термокатод испускал как можно больше электронов, его раскаляют до температуры в несколько сот и даже выше градусов.