Раздел 4. Приемники (детекторы) энергии излучения

4.1. Основные параметры приемников излучения

Под приемником энергии излучения понимают устройство, эффективно преобразующее поглощенную энергию излучения в один из видов энергии: электрическую, биологическую, химическую и т.д.

Первым общий закон сохранения вещества и движения сформулировал в 1748 г. великий русский ученый М. В. Ломоносов (1711–1765): «все измене­ния, совершающиеся в природе, происходят таким обра­зом, что сколько к чему прибавляется, столько же отнима­ется от другого. Так, сколько к одному телу прибавляется вещества, столько же отнимается от другого». Закон сохра­нения и превращения энергии – независимо друг от дру­га – сформулировал Ю. Майер (1814–1878) в начале 40–х годов и обосновал рядом опытов Д. Джоуль (1818–1889). Большую роль в обосновании закона сохранения и превра­щения энергии сыграл Г. Гельмгольц (1821 –1894).

Приемники энергии излучения делятся на два больших класса: физические (фотоэлемент, люминофор, фотографи­ческая эмульсия и др.) и биологические (глаз, зеленый лист растения, кожа человека и животных и др.). Преобразова­ние поглощенной энергии излучения не происходит цели­ком в один из указанных видов энергии, большая или мень­шая часть поглощенной энергии преобразуется в тепловую. Для большинства приемников тепловая энергия, получае­мая при преобразовании поглощенного потока излучения, в дальнейшем не используется и является потерянной.

Поглощенный поток излучения, преобразованный при­емником в полезную мощность одного из видов энергии, принято называть эффективным потоком. Каждый приемник энергии излучения характеризуется спектральной и интегральной чувствительностью (спектральной и интегральной эффективностью).

Интегральной чувствительностью приемника называют отношение эффективно преобразованной приемником энергии к падающей на приемник энергии, ее можно определить также как отношение эффективно преобразованного приемником потока излучения (эффективного потока) к падающему на приемник потоку:

, (4.1)

где К_пр – интегральная чувствительность приемника; Q_э – эффективно преобразованная приемником энергия; Q_e – падающая на приемник энергия; Ф_э–эффективно преобразованный приемником поток излучении – эффективный поток излучения; Ф_е–падающий на приемник поток излучения; С – коэффициент пропорциональности, зависящий от выбранных единиц Ф_э и Ф_е; Ф_еа – поглощенный приемником поток излучения; _е – коэффициент поглощения приемника; η_э – энергетический выход преобразования.

Энергетическим выходом преобразования η_э называется отношение эффективно преобразованной приемником энергии к поглощенной.

Интегральную чувствительность фотоприемника можно измерять в миллиамперах фототока, отнесенных к единице падающей на фотоэлемент энергии излучения.

Отношение эффективно преобразованного приемником монохроматического потока излучения к падающему на его активную поверхность монохроматическому потоку называется спектральной чувствительностью приемника:

, (4.2)

где К_прλ – спектральная чувствительность приемника к монохроматическому излучению с длиной волны λ; Ф_э – эффективно преобразованный приемником монохроматический поток излучения; Ф_еλ. –монохроматический поток излучения, падающий на приемник; _λ – спектральный коэффициент поглощения.

Спектральная чувствительность приемника может определяться в тех же единицах, что и интегральная.

У большинства приемников спектральная чувствительность зависит от длины волны падающего на приемник монохроматического (однородного) излучения. Такие приемники называются избирательными (селективными). Примером избирательного приемника может служить глаз человека, фотоэлемент, фотоэмульсия, кожа человека. Кроме избирательных имеются и неизбирательные (неселективные) приемники, у которых спектральная чувствительность в широком диапазоне длин воли не зависит от длины волны излучения. Таким неизбирательным приемником является термопара.

Зная спектральное распределение падающего потока излучения φ(λ) и функцию спектральной чувствительности приемника К_пр(λ), можно определить эффективный поток излучения:

, (4.3)

где λ₁ и λ_n – границы участка спектра, в пределах которого заключен поток излучения, падающий на приемник. Зная функцию спектральной чувствительности приемника, можно определить его интегральную чувствительность:

. (4.4)

Так как относительные измерения проводить всегда легче, чем абсолютные, то широко пользуются относительными значениями спектральной чувствительности приемника.

Под относительной спектральной чувствительностью приемника V_прλ понимают отношение спектральной чувствительности приемника К_прλ к максимальному значению спектральной чувствительности этого же приемника (К_прλ)_max:

. (4.5)

Зная абсолютное значение (К_прλ)_max и функции V_пр(λ), φ(λ), легко определить эффективный поток:

. (4.6)

В природе существует бесчисленное множество приемников, спектральные чувствительности которых часто лежат в различных областях спектра. Определяя эффективный поток по уровню реакции образцового приемника, можно построить систему эффективных величин и единиц. За образцовый приемник данной системы эффективных величин принимается такой, у которого кривая относительной спектральной чувствительности перекрывает относительные спектральные чувствительности приемников данной группы.

Требования, предъявляемые к образцовому приемнику, следующие:

1. Приемник должен реагировать на любое однородное излучение в той части спектра, в которой располагаются кривые спектральной чувствительности всех приемников данной группы.

2. Мера реакции приемника при облучении его потопом излучения должна подвергаться непосредственному или косвенному измерению с достаточной точностью.

3. Эффективные величины системы, построенной на ос­нове выбранного образцового приемника, должны обладать свойством аддитивности.

В настоящее время достаточное распространение получили три системы эффективных вели­чин и единиц:

• световая, у которой образцовым приемником является человеческий глаз с усредненными характеристиками;

• бактерицидная, у которой образцовым приемником яв­ляются бактерии, обычно кишечная палочка, а эффектив­ность излучения определяется летальным действием излу­чения на них;

• эритемная, у которой образцовым приемником являет­ся кожа человека (реакция кожи человека на облучение различным спектральным составом – покраснение и обра­зование загара).

Относительные значения спектральной чувствительно­сти образцовых приемников этих систем (1 – бактерицид­ной, 2 – эритемной, 3 – световой) даны на рис. 4.1.

Рис.4.1. Относительные значения спектральной чувствительности образцовых приемников систем