4.2 Оптикалық сәулеленуді өлшеу әдістері
Сәулелерді өлшеуді қарастыруға арналған ғылым саласы фотометрия деп аталады. Фотометрияның мақсаты - сәулелену ағынының мөлшерін анықтау, яғни оны өлшеу және тиісті өлшем бірлігі аркылы білдіру.
Оптикалық сәулеленуді тікелей өлшеуге болмайды. Дегенмен сәулеленуге өлшеуіш қабылдағыштардың реакциясы бойынша оны сандық және сапалық бағалауға болады. Қабылдағыштар оптикалық сәулеленуді жұтып оны жеткілікті дәлдікпен өлшеуге болатын энергияның басқа түріне (жылулық, электр, химиялық және т.б.) түрлендіреді.
Жарықты өлшеудің екі әдісі бар:
субъективтік (көзбен шалу, көзбен қарау) әдісте қабылдағыш ретінде адам көзі болады;
объективтік (физикалық) әдісте физикалық сәулелерді қабылдағыштар (фотоэлемент, фоторезистор және т.б.) қолданылады.
Субъективтік әдіс адам көзінің екі шектес беттердің жарықтылықтарының теңдігін анықтау қабілетіне негізделінеді.
Субъективтік өлшеуге фотометрлер пайдаланылады. Олардың құрылысында көзбен бақылау арқылы жарықтылықтары салыстырылатын шектес екі бет болады. Өлшеу кезінде беттердің жарықтылықтары теңдестіріледі.
Салыстырылатын беттердің біреуінің жарықтылығын азайту немесе түстілігін өзгерту үшін жарық сүзгілері пайдаланылады.
Өзінің бетіне түсетін жарық ағынын іріктеп немесе бейтарап өткізетін немесе азайтатын пластинка жарық сүзгісі деп аталады.
Жарық сүзгілері интегралды өткізу коэффициенттерімен τ, спектрлік өткізу коэффициенттерімен τλ және еселікпен β сипатталады.
Еселік β - жарық сүзгісінің өзінен өткен жарық ағынын неше рет азайтатынын көрсететін сан:
Жарық сүзгілері бейтарап, түзететін және бөлетін сүзгілер болып бөлінеді.
Бейтарап жарық сүзгілері жарықтың спектрлік құрамын өзгертпейді. Олар өзінен өтетін жарық ағынын азайтуға немесе жарықтылықты өзгертуге пайдаланылады.
Түзететін жарық сүзгілері сүзгіге түсетін ағынның тиісті бөлігін жұту арқылы одан өткен сәулеленудің спектрлік құрамын түзеу үшін қолданылады. Бөлетін жарық сүзгілері спектрдің тұтас облыстарын жұтуға пайдаланылады. Мысалы, инфрақызыл сәулелерді алуға арналған жарық сүзгілері көрінерлік сәулелерді толық жұтады.
Физикалық фотометрияда адам көзінің орнына физикалық құралдар пайдаланылады. Физикалық сәулелену энергиясын қабылдағыштардың артықшылықтары: тез өлшеу мүмкіншілігі; өлшеу нәтижелерін арнайы қағазға жазуға автоматиканы пайдалану; алынатын ақпараттың жылдамдығы мен көлемін көбейту; бақылаушылардың санын азайту; өлшеулерді дәл қайталау. Сонымен бірге, физикалық қабылдағыштардың метрологиялық сипаттамалары көптеген себепкер шарттарға байланысты келеді: сәулеленудің спектріне, жұмыс істеу уақытына, қабылдағыштың температурасына, сәулелену ағынының түсу бұрышына, қабылдағыштың шаршағыштығына және т. б. Осы себепкер шарттар физикалық қабылдағыштардың өлшеудегі қателерінің көзі болады.
4.3 Оптикалық сәулеленуді өлшейтін қабылдағыштар
Өлшейтін қабылдағыштар фотоэлектрлік және жылулық болып екі топқа бөлінеді. Фотометрияда негізінде фотоэлектрлік қабылдағыштар қолданылады.
Жылулық сәулелену қабылдағыштарда жұтылған энергия жылылыққа айналады, сондықтан олардың температурасы өзгереді. Температураның өзгеруін өлшеуге болометрлер және жылу-электрлік қабылдағыштар пайдаланылады.
БОЛОМЕТРЛЕР. Болометрлердің жұмыс істеу принципі өткізгіштің температураға тәуелді келетін электрлік кедергісінің өзгеруіне негізделінген. Болометрлерде мыстан, платинадан, никельден немесе жартылай өткізгіштен таспа түрінде дайындалған өткізгіштер пайдаланылады. Олар шыны немесе кварц колбаның ішіне орналастырылады. Болометрдің сезгіш элементіне сырткы температураның және ауа ағынының әсерін азайту үшін колбадан ауа сорылын алынады. Өлшейтін болометр БИ теңгерілген көпірдін бір иініне жалғанады. Көпір тұрақты немесе айнымалы ток көзінен қоректендіріледі. Көпірдің шектес иініне өтеме болометр БК жалғанады. Ол сыртқы температура өзгергенде көпірдің тепе-теңдігін сақтауға арналған. Өлшейтін болометрді сәулелендіргенде оның температурасы, ал сондықтан электрлік кедергісі өзгереді. Көпірдің диагоналы арқылы электр тоғы өтеді. Ол болометрге түсетін сәулелену ағынын жанама сипаттайды:
і = Ф
4.2 сурет – Болометрді ток көзіне қосу сұлбасы:
БИ-өлшейтін болометр; БК-өтеме болометр; R1-көпір иіндерінің кедергілері; Р-гальванометр.
Болометрлер интегралды сәулелену ағынын өлшейді. Болометрлердің сезгіштілігі (өлшейтін шаманың ең кіші мәні) - 1010 Вт.
Жылу-электрлік сәулелену қабылдағыштарға жылу-жұптары мен жылу- элементтері жатады. Олардың жұмыс істеу принципі әр текті екі металдың бір-біріне балқытып біріктірілген бір ұшын немесе жартылай өткізгішті оған түсетін сәулеленумен қыздырғанда жылу-электрлік қозғаушы күштің (ЭҚК-нің, яғни электр тогының) пайда болуына негізделінген.
Жылу-жұптың әр текті екі металдан балқытып біріктірілген "ыстық" жапсары оптикалық сәулеленумен қыздырылғанда оның екінші "салқын" ұшында пайда болатын жылу - ЭҚК-тің шамасы ұштарындағы абсолют температуралардың айырмасына тура пропорционал және жылу-жұпты құратын материалға тәуелді болады:
(4.2)
мүндағы Еж - жылу-ЕҚК, В; Т1 - "ыстық" жапсарының температурасы, К; Т2 - бос "салқын" ұшының температурасы, К; α- жапсарының қасиеттерін сипаттайтын коэффициент, В· К-1 .
Жылу - жұп ретінде мыс - констатантан (500... 8000С-қа дейін), хромель-копель (8000С-қа дейін), хромель-алюмель (13000С-қа дейін), платинорадий-платина (1300... 16000С-қа дейін) және т.б. қорытпалар мен материалдар пайдаланылады.
Вакуумде орналастырылған жылу-жұптық "ыстық" және "салқын" жапсарларының 10С температура айырмасына келетін жылу-ЭҚК 500 мкВ-ке дейін болады. Сезгіштігін жоғарылату үшін бірнеше жылу-жұптарды тізбектеп жалғайды, сонда олардың жылу-ЭҚК-і бір-біріне қосылады. Мұндай қабылдағыш жылубағана деп аталады.
Жылу-элементтерден жиналған жылу-электрлік қабылдағыш өте жіңішке сымнан дайындалған жылу сезгіш элементтерден тұрады. Сырткы әсерлерді өтемелеу үшін екі жылу-элементін бір-біріне қарама-қарсы тізбектеп жалғайды. Олардың біреуі өлшейтін, ал екіншісі өтеме болады. Сезгіштігін жоғарылату үшін кабылдағыштардың жұмыс беттерін арнайы құраммен қарайтады.
Жылу-электрлік қабылдағыштардың сезгіштігі 5 В· Вт-1-қа жетеді.
ФОТОЭЛЕКТРЛІК СӘУЛЕЛЕНУ ҚАБЫЛДАҒЫШТАР. Бұл қабылдағыштарда жұтылған сәулелену энергиясы фотоэффект құбылысының арқасында тікелей электр энергиясына айналады.
Оптикалық сәулеленудің әсерінен дененің электрлік күйінің өзгеруі (заттардан электрондардың ұшып шығуы) фотоэффект деп аталады.
Фотоэффектің механизміне байланысты қабылдағыштар сыртқы фотоэффектігі негізделген фотоэлементтер, ішкі фотоэффектігі негізделген фотоэлементтер және жапқыш қабатты фотоэлементтер болып бөлінеді.
Сыртқы фотоэффектіге негізделген фотоэлементте жарық әсерінен электрондар шығатын фотокатод пен электрондарды жинайтын анод вакуум немесе газ толтырылған баллонға орнатылады. Қажетті толқындар диапазонындағы оптикалық сәулеленуді жұтатын материалдан дайындалған фотосезгіш қабат шыны баллонның ішкі бетіне немесе баллон ішіне орнатылған металл пластинканың бетіне жалатылады. Түсетін жарық ағынының (фотондардың) әсерінен катодта фотоэлектрондық эмиссия (электрондардың ұшып шығу құбылысы) пайда болды. Сөйтіп электрондар ток көзінің оң полюсіне жалғанған анодқа қарай қозғалады да, тізбек тұйықталады. Тізбекте өтетін фототок катодқа түсетін сәулелену ағынына тура пропорционал болады.
Газбен толтырылған баллонда орнатылған фотоэлементтегі фототок шамасы ішіндегі инертті газдың (аргон, неон т.б.) иондануынан вакуум баллондағы фотоэлементпен салыстырғанда бірнеше есе артық болады.
Сыртқы фотоэффектіге негізделген фотоэлементтер пайдаланылған фотокатодтың түріне, колбаның оптикалық қасиетіне (колба қарапайым, кварц немесе увиол шыныдан дайындалған), газдың бар-жоқтығына, оның тегіне (аргон, неон т.б.), сондай-ақ жасалу ерекшеліктеріне қарай ажыратылады. Мұндай фотоэлементтердің фототогының мәні өте аз болғандықтан (10-6 A шамасында) оны күшейту кажет болады. Осы үшін тізбекке күшейткіш жалғанады немесе арнайы фотокүшейткіштер пайдаланылады.
Фотоэлектрондық күшейткіш - әлсіз сәулелер ағынын өлшеуге арналған құрылғы. Бұл қабылдағышта катодтың фототогы екінші электрондық эмиссия арқылы күшейтіледі.
Фотокүшейткіштің колбасында К катод пен А анодтан басқа қосымша электродтар - Д динодтар орнатылған.
4.3 сурет – Фотокөбейткіштің негізгі қосылу сүлбасы
К-катод; А- анод; Д1...Дn-динодтар; R1,R2,…Rn-бөлгіштің резисторлары; Г-гальванометр.
Катодпен жұтылған оптикалык сәулелену энергиясының әсерінен оның бетінен электрондар ұшып шығады. Электродтар белгілі пішінді орындалады және олардың аралығында потенциалдар айырмасы болады. Осы потенциалдар айырмасы тудырған электр өрісінде катод бетінен ұшып шыққан бірінші электрондар үдемелі қозғалады және Д1 динодта шоғырланып жиналады. Жеткілікті энергия қоры бар бірінші электрондар Д1 динод бетінен екінші электрондарды ұшырып шығарады. Олардың саны бірінші электрондармен салыстырғанда бірнеше есе артық болады. Электрондар ағыны қайтадан үдемелі қозғалады да, келесі динодта шоғырланып жиналады. Соңғы динодтан электрондар ағыны анодта жиналады.
Көп каскадты (7... 14 каскадты) фотокүшейткіштердің күшейту коэффициенті 107 дейін жетеді. Фотокүшейткіштер сезімтал және қуаты 10-12... 10-15 Вт болатын сәулелену ағындарын өлшеуге мүмкіншілік береді.
Фотокүшейткіш спектрдің ультракүлгін және көрінерлік бөлігіндегі сәулелерді өлшеуге және жазып алуға пайдаланылады. Олардың сәулелер кіретін терезесі сапфирден, кварцтен, увиол шыныдан немесе толқындар ұзындықтарының қажетті диапазонындағы мөлдірлігі (сәулелер өткізу) жоғары болатын басқа материалдардан дайындалады.
Ішкі фотоэффектігі негізделген фотоэлементТЕР. Ішкі фотоэффект оптикалық сәулелер әсерінен материалдың кристалдық (кеністіктік) торынының байланыстағы электрондарының еркін күйге ауысуы есебінен оның өткізгіштігінің өзгеруімен байқалады.
Мұндай қабылдағыштар қатарына фоторезисторлар (фотокедергілер), фотодиодтар және фототранзисторлар жатады.
Фоторезистор - электр өткізгіштігі өзіне түскен сәуленің спектрі мен интенсивтілігіне тәуелді түрде өзгеріп отыратын екі электродты жартылай өткізгіштік фотоэлемент (4.4 сурет). Фоторезисторды тұрақты немесе айнымалы ток тізбегіне қосуға болады. Оптикалық сәулелену әсерінен фотокедергінің өткізгіштігі өседі, сондықтан тізбектегі токтың мәні көбееді.
Қүкіртті қорғасыннан жасалынған фоторезистор инфрақызыл сәулеге сезімтал, күкіртті висмуттан дайындалған фоторезистор көзге көрінерлік сәуле мен инфрақызыл сәуленің шекарасында сезімтал, күкіртті кадмийден жасалынған фоторезистор көзге көрінерлік сәулеге сезімтал келеді. Фоторезистордың меншікті сезімділігі, инерциялығы т.б. сипаттамалары жоғары болады. Фоторезистор автоматты реттеуде, фототелеграфияда т.б. детектор ретінде пайдаланылады.
Оптикалық сәулеленудің әсерінен фотодиодтар мен фототранзисторлардағы жартылай өткізгіш материалдардың да өткізгіштігі өседі. Жұтылған сәулелену энергиясы жартылай өткізгіштің ішінде еркін заряд тасымалдағыштардың санын көбейтеді. Сыртқы электр өрісі әсерінең р-n ауысуда заряд тасымалдағыштар бөлінеді - электрондар n – облыста, ал кемтіктер р - облыста жиналады. Сонымен қабаттар аралығында фототок өте бастайды. Қоректендіру көзінің полярлығына қарама - қарсы қосылғанда фотодиодтар мен фототранзисторлар тұрақты ток тізбегінде оптикалық сәулеленудін датчигі ретінде пайдаланылады.
4.4 сурет – Фоторезистор
а-құрастырылымы; б-қосу сұлбасы; 1-қорғайтын мөлдір қабат; 2-тұтқы; 3-электрод; 4-өткізгіш қабаты; 5-изолятор; 6-шықпалар.
ЖАППАЛЫ ҚАБАТТЫ ФОТОЭЛЕМЕНТТЕР (вентильді фотоэлементтер). Олардың жұмыс істеу принципі құрылғыға оптикалық сәулелену әсер еткенде оның электродтарында ЭҚК - нің пайда болуына негізделген.
Ток өткізетін табанның бетіне жартылай өткізгіш қабат (селен, күкіртті күміс, мыстың шала тотығы) тозаңдатылған, ал оның үстіне мөлдір өткізгіш (алтын, күміс, платина) жалатылған. Фотоэлементті дайындау кезінде өткізгіш пен жартылай өткізгіштің шекарасында заряд тасымалдағыштарды тек бір бағытта ғана өткізетін жапқыш қабат пайда болады. Сәулелену кванты өткізгіш қабатынан өтіп жартылай өткізгіштен электронды суырып (жұлып) алады. Ол жапкыш қабаттан өтіп өткізгіш қабатта электрондар санын көбейтеді.
Жартылай өткізгіште пайда болған кемтіктер болат табанның электрондарымен өтемделеді де, табанда электрондар тапшылығын тудырады. Сөйтіп электродтарда қарама-қарсы таңбалы зарядтар жиналады, яғни электродтар аралығында потенциалдар айырымы (ЭҚК-і) пайда болады. ЭҚК-нің әсерінен сыртқы тізбекте фототок өтеді. Ол сәулелендіру деңгейіне пропорционал болады. Оның мәні бірнеше ондаған мкА болады.
4.5 сурет – Селенді фотоэлемент:
а-құрастырылымы; б-А-А бойынша қимасы; в-қосу сұлбасы; 1-мөлдір өткізгіш (алтын); 2-қорғайтын қабыршақ; 3-ток жинайтын (түйіспелік) сақина; 4-жартылай өткізгіш қабат (селен); 5-ток өткізетін табан (болат); 6-жапқыш қабат.
Өлшеу практикасында селенді фотоэлементтер кең пайдаланылады. Олардың көрінерлік сәулеленуге спектрлік сезгіштігі адам көзінің сезгіштігіне жақын келеді.
Вентильді фотоэлементтерге қоректендіру көзі қажет емес. Электр тогын фотоэлементтің өзі өндіреді. Ғарыш корабльдері мен спутниктерінде электр энергиясының көздері осы принцип негізінде жасалынады.