Избирательные приемники оптического излучения (фотоэлементы с внутренним фотоэффектом, вакуумные фотоэлементы, ФЭУ и др.)

Действие света одной мощности, но разных длин волн видимого спектра на приемник оказывает различное воздействие. Такие приемники называются избирательными. Наиболее удобными оказались приемники, в которых под действием излучения возникают те или иные электрические явления или происходит изменение электрических свойств.

1. Фотоэлементы с запирающим слоем (внутренний фотоэффект), например селеновые, купруксные, в которых под влиянием излучения возникает ЭДС и ток течет во внешней цепи.

2. Висмуто-цезиевые, сурьмяно-цезиевые, кислородно-цезиевые фотоэлементы с внешним фотоэффектом, в которых под действием света идет ток, если приложены внешние ЭДС. Они могут быть вакуумные и газополными, если давление в них 0,01 мм ртутного столба.

3. Фотоэлементы с внешним фотоэффектом, в которых ток одновременно усиливается вследствие вторичной электронной эмиссии. Эти приборы называются фотоумножителями (ФЭУ).

4. Фотоэлемены с внутренним фотоэффектом, иначе фотосопротивления (из селена, сернистого таллия).

5. К избирательным физическим приемникам относятся фотографический слой.

6. Кремниевые фотодиоды.

Фотоэлементы с запирающим слоем – селеновые имеют простое устройство. На железную пластинку напыляется слой селена (0,08-0,1 мм) темно-серая окраска. Поверх слоя селена путем распыления в вакууме наносится тонкий прозрачный слой (d=4 мм, τ=0,33) золота, платины или никеля, который служит электродом. На внешнем крае последнего помещается токособирающее кольцо (Al). Для защиты от воздействия влаги поверхность фотоэлемента покрывается прозрачным лаком. Все вставляется в оправу.

Спектральная чувствительность селенового фотоэлемента близка к спектральной эффективности излучения для глаза человека, ее легко можно корригировать.

Чтобы производить измерения необходимо, чтобы зависимость фототока от освещенности была прямопропорциональной. Если внешнее сопротивление цепи фотоэлемента очень мало, например, – 0÷10 Ом, то сила тока i во внешней цепи у короткозамкнутого фотоэлемента, оказывается прямопропорциональной (k) освещенности, но лишь в некоторых пределах ее:

Поэтому надо использовать при измерениях электроизмерительные приборы с малым внутренним сопротивлением или использовать специальные схемы включения.

Интегральная чувствительность селеновых фотоэлементов лежит в пределах 300-600 мкА/лм, ЭДС при освещенности 200 лк составляет 0,28-0,30 В.

Недостатки селеновых фотоэлементов: утомление, старение, запаздывание.

Утомлением называется изменение свойств, например, уменьшение чувствительности под влиянием предшествующего освещения, которое восстанавливается после отдыха в темноте.

Старение – это необратимое изменение чувствительности после изготовления примерно в течении трех месяцев.

Запаздывание (иначе – инерция), фотоэлемента сказывается в том, что при мгновенной подаче света ток устанавливается не мгновенно, а нарастает в течении 5-10 сек.

Перед началом работы фотоэлемент надо прогревать 20-30 минут.

Фотоэлементы с внешним фотоэффектом по конструкции состоят из стеклянного баллона шаровой или цилиндрической формы, внутри имеет катод и анод. Анод чаще делается из проволоки в виде стерженька, круга, рамки, сетки или цилиндра. Катод наносится на стенку сосуда или прямо на стекло или на металлическую подложку (слой) предварительно нанесенную на стекло. Часть сосуда остается открытой и является окном, сквозь которое в фотоэлемент пропускается свет на катод. Анод и катод имеют токопроизводящие выводы к зажимам снаружи сосуда. Фотоэлементы бывают пустотные (вакуумные) и газополные (инертные газы). Рабочее напряжение прикладывается от 6-220 В. Светочувствительный слой делается сурьмяно-цезиевый (СЦ), кислородно-цезиевый (КЦ) или висмуто-цезиевый (ВЦ).

В газополных фотоэлементах при некоторой постоянной освещенности ток увеличивается с ростом напряжения и если оно достигнет предельного значения (потенциал зажигания), то возникает тлеющий разряд независимо уже от освещения. Поэтому для ограничения тока в цепи фотоэлемента включается сопротивление около 1 мОм. Напряжение надо держать неизменным.

Чувствительность фотоэлементов по мере их возраста уменьшается, особенно в первые недели после изготовления – происходит старение. Также им свойственно утомление, т.е. уменьшение чувствительности при работе, которая за тем восстанавливается.

ФЭУ. В них ток усиливается путем применения вторичных катодов, размещенных в том же стеклянном сосуде, что и фотокатод.

На внутренней стенке цилиндрической пустотной трубки нанесены наклонные кольца (медно-серно-цезиевые), являющиеся вторичными катодами, их всего 13. Освещаемый катод – СЦ, но может быть и КЦ. На каждое кольцо подается все возрастающее напряжение равное 1000 В. Трубка помещается между полюсами постоянного магнита или электромагнита. Наличие магнитного поля в дополнение к электрическому, которое можно менять по величине, дает возможность направлять электроны, вырываемые из одного кольца, на соседнее. Общая чувствительность до 10 А/лм.

Отношение числа выбитых из катода электронов к числу упавших на катод электронов называется коэффициентом вторичной электронной эмиссии.

- коэффициент вторичной эмиссии.

Эмиттеры изготавливают из сплавов, чтобы уменьшить напряжение выхода электронов. Для различных материалов эмиттеров s имеет значение от 1,27 до 6,8. В современных ФЭУ имеется 10-13 эмиттеров, а в некоторых до 15.

Форма динодов и их расположение подбираются таким образом, чтобы как можно больше выбитых электронов с предыдущих эмиттеров достигло его поверхности.

Чувствительность ФЭУ характеризуется коэффициентом сбора a. a - отношение числа электронов, достигших последующего электрода к числу электронов, выбитых из предыдущего. a=0,7¸0,95.

Коэффициент усиления ФЭУ складывается из коэффициентов s, a и числа эмиттеров.

n = 10¸13; k = 107¸108;

ФЭУ характеризуется интегральной (или анодной) чувствительностью, т.е. величиной фототока, создаваемой в цепи при попадании на катод светового потока в 1 лм.

.

Также ФЭУ характеризуются порогом чувствительности – минимальным световым потоком, регистрируемым ФЭУ.

ФЭУ дает возможность обнаружить очень слабые кратковременные световые сигналы с временем вспышки, меньшим 1 нс.

5. Основные методы количественного регулирования излучения при световых измерений. Измерение освещенности

При измерениях возникает необходимость количественного изменения потоков оптического изменения, падающих на поверхность измерительного прибора или приемника излучения.

1. Наиболее предпочтительным является метод, использующий закон квадратов расстояний. Этот метод сохраняет неизменным спектральный состав излучения и является точным, т.к. связан с измерением длины.

; ; ;

Освещенность вдоль луча света изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния от места возникновения луча. Это положение называется «законом квадратов расстояния». Оно вполне справедливо лишь для светящейся точки (точечный источник: размеры светящегося тела должны быть не менее чем в 10 раз больше расстояния).

2. В случае регулирования освещенности полей сравнения можно использовать изменение угла наклона наблюдаемой поверхности по отношению к направлению падающего на нее светового потока.

.

изменением наклона поверхности по отношению к освещающему лучу освещенность ее меняется пропорционально cos угла, между перпендикуляром к поверхности и лучом света. Это называется «законом косинусов» для освещения поверхности.

Если свет будет падать перпендикулярно, то получим закон квадратов расстояния: α = 0; .

3. Применение закона Тальбота для вращающихся поглотителей.

, где

; α₁ и α₂ – размеры вырезов в диске, выраженные в градусах.

Число оборотов вращающего поглотителя, или точнее число перерывов в секунду при зрительных измерениях должно быть таким, чтобы не было мельканий и яркость казалась не меняющейся во времени. Это число зависит от яркости поля зрения, его цвета и от отношения времени пропускания света ко времени его погасания , оно подбирается опытным путем. Закон основан на свойстве глаза сохранять в течении небольшого времени, полученное зрительное ощущение.

4. Широко используется для регулирования излучения применение различных диафрагм.

.

Поток меняется пропорционально площади излучающей поверхности, выделяемой избранной диафрагмой, например, «ирисовая» диафрагма, ступенчатые с отверстиями неизменных размеров и…

5. Для уменьшения освещенности не меняя расстояния от нее до источника света можно использовать поглотитель. Используются:

1) серые (или дымчатые стекла);

2) молочные;

3) матовые стекла.

Date: 2015-05-18; view: 1706; Нарушение авторских прав