• Гідрологія і Гідрометрія
• Господарське право
• Економіка будівництва
• Економіка природокористування
• Економічна теорія
• Земельне право
• Історія України
• Кримінально виконавче право
• Медична радіологія
• Методи аналізу
• Міжнародне приватне право
• Міжнародний маркетинг
• Основи екології
• Предмет Політологія
• Соціальне страхування
• Технічні засоби організації дорожнього руху
• Товарознавство продовольчих товарів

Селективні (фотоелектричні) приймачі випромінювання

Селективні приймачі випромінювання

Робота селективних фотоелектричних приймачів заснована на таких фізичних явищах, як зовнішній фотоефект, внутрішній фотоефект, фотоефект із замикаючим шаром, зовнішній фотоефект, який об’єднаний з вторинною електронною емісією. Розглянемо окремо кожну групу фотоприймачів, що використовують вище названі фізичні явища, відзначимо особливі переваги і недоліки кожної групи, які виявляються при проведенні вимірювань оптичного випромінювання.

Рис. 3.4. Схема вивчення зовнішнього фотоефекту

Фотоприймачі з зовнішнім фотоефектом. Суть зовнішнього фотоефекту полягає в тому, що короткохвильова частина оптичного випромінювання, яка падає на чисту поверхню метала, вириває з неї електрони. Якщо цю металеву пластину в електронному ланцюзі зробити катодом, тоді в ланцюзі з’являється електричний струм (рис.3.4). Вимірювання, які проводяться по такій схемі, підтверджують один з основних законів зовнішнього фотоефекту - сила струму, що виникає під дією випромінювання, прямо пропорційна потоку випромінювання, який падає на катод фотоелемента (фотоприймача). Дослідження показали, що з чистої поверхні металу

вилітають електрони тільки під дією фіолетових і ультрафіолетових променів. Далі для підвищення чутливості фотоелемента, особливо в областях середньохвильового (жовтого) випромінювання, почали виготовляти складні катоди, в яких на поверхню металу наноситься тонкий шар напівпровідника. У цьому випадку електрони з катода вилітають під дією всіх видимих і навіть близьких 14 променів.

Найбільше поширення в зазначеній групі фотоелементів отримали сурм’яно-цезієвий; киснево-цезієві, кремнієві, германієві катоди. їхні спектральні характеристики показані на рис. 3.1.

Фотоелементи, які застосовуються для світлових вимірювань, відносяться до вакуумних приладів, тобто до таких, у яких катод і анод знаходяться у вакуумній колбі. Тому випромінювання спочатку проходить крізь стінку колби або встановлене в ній прозоре для променів “вікно”, що звичайно послаблює променевий потік, який падає. У більшості випадків вікно фотоелемента виготовляють скляним або кварцовим. У цьому випадку втрати енергії на відбивання будуть відносно малі - менше 10 %. Велику роль відіграє поглинання променів у речовині, особливо у короткохвильовій частині спектра. Так, наприклад, звичайне скло товщиною 1 ... 2 мм не пропускає випромінювання з довжиною хвилі 330 ... 350 нм, тобто пропускає видиме та 14 випромінювання. Проте “вікно”, яке виготовлене з добре очищеного кварцового скла, починає пропускати випромінювання від 180 нм і більше, що відноситься до ультрафіолетового діапазону.

Дня застосування фотоелементів велику роль відіграє “лінійність” - пропорційна залежність між фотострумом, який виникає в ланцюзі фотоелемента, та потоком випромінювання, який падає на його приймальну поверхню. Вакуумні фотоелементи володіють більшою лінійністю, ніж інші фотоелементи.

Під мас фотоелектричних вимірювань, які виконуються допомогою вакуумних фотоелементів, часто доводиться спостерігати явище “втоми” катода. Суть цього явища полягає в тому, що при сталому потоці випромінювання, який падає на катод, і незмінних інших зовнішніх умовах, фотострум, який виникає у замкнутому ланцюзі, починає поступово зменшуватися. Через деякий час в ланцюзі встановлюється стале значення фотоструму. З цього моменту можна виконувати вимірювання, періодично перевіряючи сталість фотоструму, який відповідає первісним умовам.

Слід зазначити, що “втома” фотокатода залежить від складу падаючого випромінювання. При монохроматичному випромінюванні найбільша “втома” спостерігається у короткохвильовій час­тині спектра, найменша - у червоній і ІЧ частинах. Якщо “втома” катода дуже велика, то в процесі освітлення може змінюватися і; його спектральна чутливість. Такі фотоелементи, як правило, вва­жаються непридатними для проведення експерименту. Тому для проведення світлових вимірювань потрібно вибирати такі фотоелементи, у яких виявляється мала “втома” та при цьому завер­шується процес зменшення фотоструму в дуже малий час.

Суттєвою характеристикою кожного фотоелемента є його ін­тегральна чутливість, тобто чутливість до випромінювання складного спектрального складу.

У зв’язку з селективним характером спектральної чутливості вакуумного фотоелемента його інтегральна чутливість залежить від складу складного випромінювання, яке використовується при її визначенні. Зараз інтегральну чутливість фотоелементів прийнято визначати за допомогою вольфрамової лампи розжарювання з ко­льоровою температурою 2856 К (джерело А) і виражати її числом мікроампер фотоструму, який розрахований на один люмен світло­вого потоку, що падає на катод . Так, наприклад, інтегральна чутливість сур’мяно-цезієвого фотоелемента складає 100 мкА/лм, киснево-цезієвого - 30 мкА/лм. Інколи інтегральну чутливість фотоелемента називають світловою чутливістю.

Встановимо зв’язок між спектральною чутливістю фотоелемента S(λ) і його інтегральною чутливістю S.

Елементарний фотострум di, який виникає під дією монохроматичного потоку (dР = P_λdλ) дорівнює:

. (3.1)

де Р_λ - спектральна частина променевого потоку від джерела А.

Увесь струм, який виникає в ланцюзі фотоелемента під дією випромінювання від джерела А, буде дорівнювати:

. (3.2)

Інтегральна чутливість фотоелемента дорівнює:

, (3.3)

де Ф - світловий потік, який пов’язаний з потоком випромінювання Р.

Слід зауважити, що спектральна область інтегрування чисельника може розходитися з областю інтегрування знаменника, оскільки перша визначається чутливістю фотоелемента, а друга - чутливістю ока.

Під час роботи з фотоелементами, які використовують зов­нішній фотоефект, не слід забувати про те, що кожний з них виготовлюється окремо за технологією, яка вміщує в себе послідо­вне нанесення на катод витончених шарів різних хімічних елементів. Така технологія обумовлює окремі особливості кожного з виготовлених фотоелементів.

Чутливість при різній довжині хвилі може змінюватися помі­тно. Особливо помітними бувають ці відхилення на границях області чутливості.

Таблиця 3.2

Основні параметри електровакуумних фотоелементів

Можна сказати, що не існує двох однакових фотоелементів одного і того ж типу. Вони можуть відрізнятися за всіма своїми параметрами: за інтегральною і спектральною чутливістю, за втом­леністю, за темрявим струмом, який протікає через фотоелемент, ідо знаходиться в темряві. Всі параметри і характеристики фото­елементів являють собою середні значення величин, що значно ко­ливаються під час вимірюванні. Основні параметри вакуумних фотоелементів наведені в табл.3.2.

Слід добавити, що навіть властивості різних ділянок катода фотоелемента забезпечують помітні відхилення від середнього значення. Наприклад, при зондуванні поверхні катода вузьким пучком можна наштовхнутися на значні зміни його чутливості, які досягають інколи 50 % її значення. Тому важливо розсіювати випромінювання як можна рівномірно по всій поверхні фотокатода.

Крім вакуумних фотоелементів у техніці використовуються газонаповнені фотоелементи, які наповнені інертним газом, наприклад аргоном. Такі елементи мають більшу інтегральну чутливість, ніж вакуумні. Інертність газонаповнених фотоелементів залежить від роду газу і його тиску. Крім того, вона зростає з підвищенням анодної напруги.

Фотоприймачі з внутрішнім фотоефектом. Основу цих приймачів складає напівпровідник, який помітно знижує свій високий електричний опір під дією падаючого випромінювання. Випромінювання, що проникає до середини напівпровідника і поглинається у його об’ємі, звільнює додаткові електрони, які збільшують його провідність.

Приймачі, які використовують явище внутрішнього фотоефекту, носять другу назву — фоторезистори. Пристрій фоторезистора зобра­жено на рис.3.5. На підложку 1 зі слюди або скла наносять напів­провідниковий шар 2, на якому роз­міщені контакти 3 для подачі напруги. Фоторезистор вміщений в металевий або пластмасовий корпус 4 з вікном із матеріалу, що є прозорим, для випромінювання робочого діапазону фоторезистора. За напів­провідниковий матеріал, який наносять на підложку, використовують CdSe, PbSb, InAs та ін.

Природно, що виникаючий внутрішній ефект залежить від довжини хвилі падаючого випромінювання та відповідно показ­ника поглинання. Якщо випромінювання зовсім не поглинається напівпровідником, то внутрішній фотоефект і фотопровідність не виникають. Якщо випромінювання поглинається дуже сильно, то процес, що протікає у

Рис.3.5. Будова фоторезистора

тонкому поверхнево шарі напівпровідника, також не створює достатньої фотопровідності, яка може бути ви­міряна чутливими приладами. Це обумовлено дуже високим опо­ром тонкого шару.

Напівпровідник може бути використаний як фоторезистор на тих ділянках спектру, в яких він не зовсім поглинає випро­мінювання.

Схема підключення фоторезистора ФР в електричний ланцюг приймального пристрою з подальшим посиленням сигналу зобра­жена на рис. 3.6. Фоторезистор ФР та послідовне з’єднання з ним навантаженого опору R_H підключається до джерела сталої напруги U.

Зміну різниці потенціалів на кінцях навантаженого опору, яка відбувається при освітленні і затемненні фоторезистора, можна представити у вигляді:

, (3.4)

де і - струм у ланцюзі ФР при освітленні; і₁ - темновий струм ФР; R₁ - темновий опір ФР; R - опір при освітленні.

Зміна різниці потенціалів і є сигналом приймача на зміну освітлення. Сигнал за допомо­гою посилювача збільшується і передається на вимірювальний прилад. У цьому випадку пот­рібно модулювати потік, який освітлює фоторезистор.

Частота модуляції зменшує інтегральну чутливість фоторезистора як інерційного приймача.

Граничнодопустима частота модуляції:

,

де τ - стала часу приймача випромінювання.

Фоторезистори, як приймачі, мають такі переваги: широкий спектральний діапазон; високу інтегральну чутливість; більш низь­ку, ніж у фотоелементів зовнішнього ефекту напругу живлення; малі розміри і масу.

До недоліків фоторезисторів відносяться: інерційність, зале­жність параметрів від температури, мала лінійна ділянка характе­ристики.

Для вимірювання поблизу ІЧ області у фотометричних приладах найбільш широко зараз використовуються фоторезистори, виготовлені з сполучень свинцю - PbS, PbSe, PbTe. В ІЧ променях, які примикаютьдо

Рис. 3.6. Схема підключення фото резистора в електричний ланцюг

видимої частини спектра (від 700 до 3000 нм), частіше всього застосовують сірчисто-свинцевий фоторезистор (PbS), що охолоджується твердою вуглекислотою або рідким пові­трям, якщо вимірювання робити у хвильовому інтервалі близько 400 нм.

Відносні спектральні характеристики сірчисто-свинцевого фоторезистора зображені на рис.3.7, з якого видно, що охолодження фоторезисторів впливає на інтегральну чутливість. Це пов’язано зі збільшенням сталої часу фоторезисторів, яке спостерігається при зниженні їхньої температури.

Фотоприймачі з замикаючим шаром. Фотоелементи з зами­каючим шаром або вентильні фотоелементи є такими приладами, які безпосередньо перетворюють енергію падаючого випроміню­вання в електричний струм без зовнішньої ЕРС.

Замикаючий шар створюється у процесі виготовлення еле­мента на межі між напівпровідником та металом або між двома різ­норідними напівпровідниками. Цей шар пропускає через себе зві­льнені світлом електрони та не пропускає позитивні заряди. У нас­лідок цього між різноманітними ділянками фотоелемента з’явля­ється різність потенціалів, яка зникає разом із припиненням освіт­лення. При замиканні електродів освітлюваного фотоелемента у зовнішньому ланцюзі потече струм, сила якого залежить від

Рис. 3.7. Відносна спектральна чутливість сірчисто-свинцевого фоторезистора: 1 - при кімнатній температурі; 2 - при температурі рідкого повітря

пото­ку, що падає на чутливий шар фотоелемента.

Для світлових вимірювань частіше використовуються селено­вий фотоелемент. Пристрій такого фотоелемента і його еквіва­лентна схема зображені на рис.3.8.

Основу фотоелемента складає залізна пластина 1 товщиною 2 мм, на поверхню якої наноситься шар селену 2. Термічним обробленням селен перетворюється в кристалічну світлочутливу модифікацію сірого кольору. На цей шар у вакуумі спочатку напилюється тонким шаром кадмій, потім напівпрозорий шар золота або платини 3, зверху якогонаноситься контактне кільце 4, що є негативним електродом фотоелемента.

Рис. 3.8. Будова селенового фотоелемента (а) та його еквівален­тна схема (б)

В еквівалентній схемі припускаємо, що І₁, R₁ - опір та струм внутрішнього ланцюга фотоелемента; І₂, R₂ - опір перехідних кон­тактів та струм зовнішнього ланцюга; І_фе , R - опір зовнішнього ланцюга та повний струм фотоелемента.

З еквівалентного ланцюга знаходимо струм фотоелемента І_фе:

; ; (3.5)

.

Через те, що R₁>>R₂, то при R=0 І_фе=I₂.

Тоді:

, (3.6)

де m - коефіцієнт пропорційності; Ф_е - потік випромінювання, який падає на поверхню напівпровідникового шару фотоелемента.

Рис. 3.9. Залежність фото­струму від освітленості при різних опорах гальва­нометра

З отриманих співвідношень (3.5), (3.6) видно, що при сталому спектральному складі потоку, який опромінює фотоелемент, сила струму, який тече через гальванометр, включений у зовнішній ланцюг фотоелемента, пропорційна потоку випромінювання тільки якщо опір гальванометра R=0. При інших опорах гальванометра значення струму буде зменшуватися, причому це зменшення тим більше, чим більше омічний опір гальванометра. Залежність фотоструму від освітленості при різних опорахгальванометра зображена на рис.3.9.

Головними перевагами се­ленового фотоелемента є:

1) висока інтегральна чутли­вість - біля 500 мкА/лм із золотим або платиновим електродом. Якщо за верхній електрод узяти оксид кад­мію, чутливість може збільшуватися до 600 мкА/лм;

2) дуже сприятлива форма кривої його спектральної чутливо­сті, яка більша, ніж будь-яка друга наближається до кривої спектральної чутливості ока (рис.3.10).

При використанні селенових фотоелементів для світлових вимірювань необхідно пам’ятати їхні такі особливості:

1) Сила струму зовнішнього ланцюга фотоелемента зале­жить від спектрального складу падаючого випромінювання.

2) Спектральна чутливість фотоелемента часом змінюється.

3) Сила струму зовнішнього ланцюга фотоелемента залежить від температури навколишнього середовища

, (3.7)

де і_t - струм при температурі фотоелемента t; С, і₀ - струм при ну­льовій температурі фотоелемента; α - температурний коефіцієнт, який може коливатися в межах від 0,001 до 0,1.

4) Коефіцієнт поглинання залежить від кута падіння потоку випромінювання на поверхню фотоелемента. Із зростанням кута падіння на поверхню фотоелемента зменшується доля поглинаючого потоку випромінювання.

5) Різні частини площини одного фотоелемента можуть мати різну спектральну чутливість.

Рис. 3.10. Відносна спектральна чутливість селенового фотоелемента (У),середнього ока (2) та фотоелемента з коригуючим фільтром (5)

Селенові фотоелементи не вільні від “втоми”, яка полягає у тому, що струм, який виникає у зовнішньому ланцюзі фотоеле­мента в перші секунди після замкнення, не зберігається незмінним при сталому освітленні, а зменшується. Як правило, зменшення по­чаткового фотоструму не перевищує декількох відсотків. Через де­кілька хвилин значення струму практично стає сталим. На цей фактор слід зважати при проведенні вимірювань.

Велике поширення серед фотоелементів із замикаючим ша­ром у теперішній час мають кремнієві фотоелементи. Вони вигото­вляються з монокристала кремнію високого ступеня чистоти, в який за легируючі домішки додають незначну кількість арсену або алюмінію.

Основною частиною фотоелемента є тонка (0,3 ... 0,4 мм) пластина, яка вирізана з тіла монокристала площею від долі квад­ратного сантиметра до 4 ... 5 см². Замикаючий шар з’являється на поверхні пластинки шляхом прогрівання її в атмосфері газу, який вміщує з’єднання бора, при температурі 1200 °С. Одну сторону обробленої пластини шліфують, знімаючи з неї замикаючий шар, по­тім її покривають тонким шаром олова, який є одним з електродів фотоелемента. На другу, освітлену сторону пластинки, на поверх­ні якої розташовується замикаючий шар, методом напилення наносять вузьку полоску металу, утворюючи другий електрод фо­тоелемента.

При освітленні між електродами виникає ЕРС, яка дорівнює десятим долям вольта. При замиканні в ланцюзі потече фотострум, значення якого пропорційне освітленню поверхні фотоелемента.

Кремнієвий фотоелемент має високу інтегральну чутливість, яка складає 4500 ... 6500 мкА/лм і високу спектральну чутливість в області ІЧ випромінювання S(λ) = 0,4 А/Вт. Спектральна чутливість кремнієвого фотоелемента зображена на рис.3.11.

Рис.3.11. Спектральна чутливість кремнієвого фотоелемента з замикаючим шаром

Кремнієвий фотоелемент характеризується майже повною відсутністю “втоми” і малим температурним коефіцієнтом струму короткого замикання. Разом з тим, його внутрішній опір набагато більший, ніж у селенового фотоелемента. Внаслідок цього для збе­рігання пропорційності між струмом і освітленням, особливо при високих освітленнях (близько 1000 лк), використовують вимірю­вальний прилад із малим опором (близько 5 Ом).

При малому освітленні (200...300 лк) застосовують вимірю­вальний прилад із внутрішнім опором близько 100 Ом.

На спектральну область чутливості кремнієвого фотоеле­мента ( 400 ... 1200 нм) припадає близько 70% потужності соняч­ного випромінювання, з якого половина попадає до області, де від­носна чутливість фотоелемента більше за 0,5. За сукупністю своїхвластивостей кремнієвий фотоелемент є найкращим приладом перетворення енергії сонячного випромінювання в електричну енергію.

Разоміз тим, високий показник заломлення кремнію призводить довеликих втрат випромінювання при відбиванні від її поверхні,що помітно знижує ККД фотоелемента. Для зменшення цих втратповерхню фотоелемента покривають тонкою плівкою двоок­сидукремнію, що призводить до збільшення ККД фотоелемента до 14... 16 %. Усі космічні апарати та ряд наземних пристроїв оснащують батареями кремнієвих фотоелементів, які поповнюють запаси енергії за рахунок використання сонячного випромінювання.

Фотоелектронні помножувачі. При малих освітленнях фото­катодів ні вакуумні, ні газорозрядні фотоелементи не дозволяють проводити вимірювання без складних підсилюючих схем, що за­звичай ускладнюють схему і процес світлового вимірювання. Використання ФЕП значно спрощує і робить якісним процес світ­лових вимірювань у техніці.

Ці прилади мають зручний і широко використовуваний вид фотоелектричного приймача випромінювання, який об’єднує в од­ну вакуумну трубку фотоелемент з зовнішнім фотоефектом і багато каскадний підсилювач струму, який використовує явище вторинної електронної емісії.

На рис.3.12 зображена типова схема ФЕП. На катод К падає світловий потік Ф, під дією якого з катода вириваються електрони, які направлені на проміжний анод-емітер. На кожний емітер по­дають напругу від подільника напруг, створюючи прискорюване електричне поле від одного емітера до іншого. Під дією вторинної емісії вторинні електрони, які вилітають з першого емітера, напра­цюються на другий і т.д. Фотострум зростає від емітера до емітера. Як наслідок, електрони, які виділені останнім емітером, падають на анод А, створюючи великий фотострум, який проходить через опір навантаження.

Коефіцієнт підсилювання ФЕП визначається кількістю еміте­рів. У сучасному ФЕП їх може бути до 15. Застосоване електричне поле і властивості емітерів підібрані так, щоб на кожному з них відбувалось збільшення числа електронів, які вилітають, у 4-6 ра­зів, тобто таким самим буде і збільшення сили струму.

Рис. 3.12. Схема фотоелектронного помножувача.

Е1, Е2, Е3, Е4 - проміжні аноди (емітери)

Така емісія забезпечується реально при докладанні між кож­ними двома сусідніми емітерами напруги порядку 100 В. У першому наближенні можна вважати, що на всіх каскадах спо­стерігається однакове посилення, яке характеризується коефіці­єнтом а. При п каскадах загальний коефіцієнт фотопомножувача буде дорівнюватиаⁿ і може досягати значень ~ 10⁶.

Якщо чутливість фотокатода складає порядку 20 мкА/лм, то чутливість ФЕП з тим же катодом може досягати 20 А/лм.

Не слід проте думати, що від ФЕП можна получити велику силу струму. Існуючі емітери не можуть забезпечувати такі струми, тому що при великому освітленні виходить із ладу катод ФЕП. За­звичай струми, які можна отримати в анодному ланцюзі ФЕП, не перевищують декількох міліампер.

Дуже важливою характеристикою ФЕП є темновий струм, який тече у його анодному ланцюзі, коли відсутнє освітлення фо­токатода. Темновий струм має місце при роботі ФЕП, він зростає з ростом анодної напруги і температури помножувача. При вимірю­ванні слабких світлових сигналів іноді потрібно штучно охолоджувати ФЕП.

Основною характеристикою ФЕП є світлова характери­стика - залежність анодного струму, який падає на катод, від світ­лового потоку. При малих освітленнях катода анодний струм буде прямо пропорційний освітленню. При збільшенні освітлення като­да збільшується потік електронів, які падають на кожний емітер, що призводить до появи об’ємних зарядів у емітерів останніх кас­кадів і зниження коефіцієнтів вторинної емісії цих емітерів У результаті цих явищ зростання анодного струму зі збільшенням освітлення сповільнюється. Світлова характеристика для ФЕП-З5 проілюстрована на рис.3.13.

Для світлових вимірювань використовуються ФЕП з бісмуто-срібло-цезієвим катодом (ФЕП-27) і киснево-срібло-цезієвим катодом (ФЕП-28). Спектральна чутливість цих помножувачів знаходиться в межах 300-800 нм для ФЕП-27 і 300-1000 нм для ФЕП-28.

Рис. 3.13. Залежність анодного струму ФЕП-35 від падаючого на катод світлового потоку

Надто велика чутливість ФЕП використовується не для одержання великих струмів (останнє призводить до псування ФЕП), а для вимірювання дуже малих освітленостей, що є одною з важливих задач сучасної фотометрії. При розв’язанні задачі із знаходження електричних і світло-технічних характеристик фотоелементів слід користуватися формулами (3.1) - (3.7). Проте потрібно враховувати і те, що ці характеристики, особливо чутливість фотоелемента, залежать від спектрального складу падаючого випромінювання. Ці залежності слід шукати у довіднику з фотоелементів.

Отримані розрахункові результати рекомендується звіряти експериментально, використовуючи монохроматори.

Читайте також:

1. Біологічна дія іонізуючого випромінювання
2. БІОЛОГІЧНА ДІЯ ІОНІЗУЮЧОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ
3. Біологічна дія лазерного випромінювання. Під біологічною дією розумі1
4. Вибір напруги для живлення цехових електроприймачів.
5. Види механізму дії іонізуючого випромінювання
6. Визначення та дози іонізуючого випромінювання.
7. Випромінювання солі важких Ме фаги
8. Випромінювання: приймання та аналіз
9. Вплив іонізуючого випромінювання на живий організм.
10. Вплив іонізуючого випромінювання на людину
11. Гальмівне рентгенівське випромінювання
12. Граничні дози у випадку однократного впливу на очі і шкіру прямого чи розсіяного лазерного випромінювання

Переглядів: 2768