книги из ГПНТБ / Тиходеев П.М. Световые измерения в светотехнике (фотометрия)

не требуется. Не столь нужно кольцо и при многих уравновешенных (нулевых) мостовых способах измерений.

Вообще повышенные требования к устройству фотоэлементов предъявляются, если необходимо получать от них строгое соблюдение прямой пропорциональности между падающей лучистой энергией и током, а также и устойчивость. Для таких случаев фотоэлементы должны также устраиваться пустотными. Особенное внимание уде­ ляется вместе с тем устройству и расположению анода и катода с точки зрения устранения блуждающих токов как внутри фотоэле­ мента, так и снаружи; принимаются меры для устранения зарядов на стенках.

Однако еще не все в деле устройства измерительных фотоэле­ ментов вполне выяснено и можно лишь сказать, что вышеописанный

тельность их мала (рис. 87. 4).

Однако можно так подобрать способ изготовления кислородно­ цезиевого фотоэлемента (собственно, светочувствительного слоя), что спектральная чувствительность по всему видимому спектру меняется не сильно; но такие фотоэлементы изготовляются пока еще как пробные. У сурьмяно-цезиевых фотоэлементов, напротив, недостаточна чувствительность к оранжевому и красному цвету (рис. 87. 4). Был опыт изготовления одного фотоэлемента с двумя отдельными слоями — кислородно-цезиевым и сурьмяно-цезиевым, которые как бы дополняют друг друга. Но трудности осуществле­ ния оказались весьма большими и распространения такие фотоэле­ менты не получили.

Недавно обращено внимание на висмуто-цезиевые фотоэлементы, особо обработанные. Спектральная чувствительность их схожа с чувствительностью сурьмяно-цезиевых, но, однако, не столь быстро уменьшается к красному концу спектра (рис. 87. 5). По этой причине

221

или газополным. Но общая чувствительность к свету при наполнении разреженным газом, как известно, повышается раз в 5—6 п даже 8 за счет ионизационного тока. Для наполнения предпочитают обык­ новенно брать аргон; употребляют также неон, гелий, водород или

смеси их.

Общая чувствительность пустотных сурьмяно-цезиевых фотоэле­ ментов ВНИИМ 5—8 мка/лм, а кислородно-цезиевых 12—15 мка/лм при освещении их газополной вольфрамовой лампой с цветовой тем­ пературой 2800° К.1 Общая чувствительность фотоэлементов, изго­ товляемых в СССР, приведена по заводским данным в табл. 87. 1;

Д лина Волны спектра. нанометры

Рис. 87. 5. Относительная спектральная чувствительность трех, висмутоцезиевых (1) и сурьмяно-цезиевого (2) фотоэлементов; 3 — спектральная чувствительность кислородно-цезиевого фотоэлемента, полученная под­ бором толщины слоя катода.

содержит данные для недавно начатых изготовлением фотоэлементов для измерительных целей).

Общая чувствительность пустотных висмуто-цезиевых фотоэле­ ментов с полупрозрачным катодом составляет обыкновенно 60—80 мка/лм, но встречаются образцы и с 120 мка/лм.

В пустотном фотоэлементе, при некотором неизменном освещении, ток с увеличением напряжения растет, пока не достигнет насыщения

1 Развитие энергетических измерений дает возможность (ВНИИМ) выражать чувствительность в амперах на 1 вт излучения при определенной длине волны. Например, фотоэлементы с полупрозрачным катодом при длине волны 550 нм имели чувствительность: кислородно-цезиевый — 0,0016, висмуто-цезиевый — 0,012 и сурь­ мяно-цезиевый — 0,025 а/вт. Для подсчетов квантового выхода принимают: число электронов в кулоне 6,242 • 1018, а число квантов в 1 вт при длине волны Я, — 5,036 *1015-JC, если X выражена в нанометрах.

222

Таблица 87. 1

Некоторые фотоэлементы, изготовляемые в СССР

(рис. 87. 6). Рабочее напряжение берется таким, чтобы ток достигал своего насыщения. В таком случае, понятно, ток имеет наибольшее значение при заданной освещенности и вместе с тем небольшие коле-

бания напряжения не отражаются на его значении. В газополных фотоэлементах при некоторой постоянной освещенности ток увели­ чивается с ростом напряжения, и если оно достигнет некоторого предельного значения (потенциала зажигания), то возникнет тлею­ щий разряд уже независимо от освещения (рис. 87. 7). При перемен­ ном и при выпрямленном, но меняющемся напряжении возникновение

223

и протекание разряда зависит от мгновенных значений напряже­ ния. Такой разряд ведет к нарушению целости слоя и к его порче. Для ограничения тока в цепи фотоэлемента при какой-либо неосто­ рожности в работе включают обыкновенно сопротивление около 1 Мом. Напряжение у газополного фотоэлемента при работе надо поддерживать неизменным, чтобы не оказывать влияния на силу тока.

Общая чувствительность газополных фотоэлементов, но не ваку­ умных, несколько уменьшается, если они освещаются прерывистым светом, особенно при значительных частотах. Уменьшение начи­ нается примерно с 400 пер1сек; оно зависит от состава слоя и выбран­

дение прямой пропорциональности менаду освещенностью Е и током i

i — i х = k ■E

(где im — темновой ток, при отсутствии освещения, i1 — ток в цепи фотоэлемента при его освещении, /г — коэффициент пропорциональ­ ности) должно бы быть у пустотных фотоэлементов. Но разные побочные явления (наличие внешних и внутренних зарядов на стен­ ках, возникновение объемных зарядов, присутствие остатков газов, появление утомления и т. д.) осложняют основное явление и пропор­ циональность нарушается. Для достижения пропорциональности устройство фотоэлементов должно удовлетворять требованиям, о которых говорилось выше. Фотоэлементы, обладающие прямой пропорциональностью, приходится отбирать из многих, так как далеко не все они, даже при одинаковом устройстве и при изго­ товлении в одно и то же время, обладают нужным свойством, особенно — для широких пределов изменения освещенности. Есть сведения, что для фотоэлементов вида, описанного ранее (стр. 219), прямая пропорциональность соблюдается с погрешностью не более 0,01% при освещенности примерно до 50—100 ли (и ниже). Надо, однако, заметить, что проверить с высокой точностью прямую про­ порциональность при столь малых токах, какие получаются от фото­ элементов, весьма трудно. Притом надо считаться с опасностью подвергать фотоэлементы большим освещенностям; это связано с на­ греванием катода, что изменяет также термоэлектронную эмиссию и, следовательно, меняет ток утечки, подлежащий дополнительному измерению. Таким образом, наличие прямой пропорциональности следует подтвердить опытным путем, найдя для того пределы осве­ щенности и погрешность.

У газополных фотоэлементов имеется много причин, чтобы возникали отклонения от прямой пропорциональности, и она более или менее соблюдается в гораздо более ограниченных пределах, чем у пустотных. Обыкновенно не применяют газополные фотоэле­ менты для световых измерений, в которых необходима прямая пропорциональность. Или же, во всяком случае, свойство приме­ ненного фотоэлемента должно быть в данном отношении проверено.

Трудность изготовления фотоэлементов, пригодных для изме­ рительных целей (в смысле использования прямой пропорцио-

224

нальности тока от освещенности), побуждает некоторых видных специалистов по фотоэлементам даже считать, что предпочтительно для такого назначения фотоэлементы не применять, а использовать их в световых измерениях как-либо иначе (см. ниже). Однако такое мнение является крайним. Несомненно, изготовлять подходящие пустотные фотоэлементы можно, и такие приборы успешно исполь­ зуются уже много лет в нескольких лабораториях. Но нужно иметь

ввиду, что надлежащие измерительные фотоэлементы изготовляются лишь по отдельным заказам. Обычные же промышленные изделия для измерительных целей не предназначены и можно лишь отби­ рать из них некоторые с соблюдением прямой пропорциональности

вограниченных пределах освещенности при допустимой неточности.

Вл и я н и е т е м п е р а т у р ы .

количественные соотношения. Для заводских изделий, например, сообщается изменение общей чувствительности от 90 до 105% по отношению к начальной при изменении температуры от 20 до 50° С. Изменяется также и спектральная чувствительность (рис. 87. 9). Чувствительность кислородно-цезиевых фотоэлементов изменяется под влиянием температуры сильнее. Например, указывается, что при повышении температуры до 100° С чувствительность их нередко падает до 50% от начальной, при меньшем нагреве изменения —^ так же меньше, но во всяком случае они ощутимы. У газополных фотоэлементов влияние температуры несколько больше, чем у пустот­ ных.

Еще раз обращается внимание, что при повышении температуры увеличиваются темновые токи за счет термоэлектронной эмиссии, а также вследствие изменения сопротивления изоляции (и стекла). Это обстоятельство должно учитываться при измерениях.

С т а р е н и е , у т о м л е н и е , з а п а з д ы в а н и е . Чув­ ствительность фотоэлементов по мере их возраста уменьшается, особенно в первые недели после изготовления (рис. 87. 10). Это старение происходит не только при освещении и прохождении тока, но и в темноте (впрочем, гораздо медленнее). Перегрев и перегрузка

чем красным, а при зеленом — некоторое среднее, так что можно ожи­ дать от утомления белым светом некоторого изменения спектральной чувствительности. При более высоких напряжениях между анодом и катодом утомление кислородно-цезиевых фотоэлементов проис­ ходит быстрее и сильнее. В общем, если требуется по условиям измерений, чтобы утомление было незаметно, необходимо фотоэле­ мент заранее состарить и работать после некоторого предваритель­ ного его освещения.

В одном испытании висмуто-цезиевый фотоэлемент не обнаружи­ вал утомления при освещенности не свыше 20 лк за время до 4 ч. Но при освещенности в 130 лк чувствительность падала на 1,5% по истечении нескольких (25) минут.

Запаздывание (инерция) у пустотных фотоэлементов отсутствует. 'У газополных оно имеется, но практически сказывается только при прерывистом освещении и при периодических колебаниях освещения с большой частотой (см. ниже) — порядка 500 в секунду и больше. Запаздывание меньше при наполнении аргоном, по сравнению с другими газами, и становится больше при более высоком давлении газа. Оно увеличивается с ростом напряжения у газополных фото­ элементов.

Д е й с т в и е п р е р ы в и с т о г о о с в е щ е н и я . У пустот­ ных фотоэлементов прерывистое освещение не влияет на изменение свойств: ток в точности и немедленно следует за освещенностью. Лишь при очень коротких вспышках с продолжительностью каждой примерно порядка 0 ,0 0 0 0 1 сек запаздывание начинает сказываться и чувствительность уменьшается; кроме того, мгновенные значения тока уже не повторяют в точности мгновенных значений освещенно­ сти. У газополных фотоэлементов, как отмечалось, уже примерно при продолжительности вспышки в 0 ,0 0 1 сек и менее чувствитель­ ность начинает уменьшаться, а мгновенные значения тока не следуют за значениями освещенности.

В применении к вращающимся поглотителям надо обращать внимание именно на продолжительность каждого освещения. Если, например, число оборотов составляет 1500 в минуту, имеется 4 отвер­ стия по кругу, а коэффициент пропускания составляет 0,005, то про­ должительность вспышки света (на фотоэлементе) составит 0,005: [(1500 : 60)-4] = 0,00005 сек.

Обыкновенно вращающиеся поглотители в пучке света у пустот­ ных фотоэлементов с внешним фотоэффектом не вносят искажений в следование тока за освещенностью. При этом средний ток за период i,, равен:

in = Х - 1,

где х — коэффициент пропускания поглотителей, a i — ток, отве­ чающий освещенности при отсутствии поглотителей (см. п. 85). Соответственно средняя освещенность за период Еср может вычи­ сляться, как

Еср = т -Е,

где Е — освещенность при отсутствии вращающихся поглотителей. Если Е — измеряемая освещенность, то она вычисляется так:

где k — коэффициент пропорциональности между током и освещен­ ностью, определенный при отсутствии поглотителей.

Все изложенные соображения справедливы только для случаев, в которых наибольшая мгновенная освещенность фотоэлемента не выходит за предел, отвечающий наличию прямой пропорцио­ нальности между током и освещенностью. За таким пределом воз­ никают отступления от выражения (87. 1), косвенный учет которых затруднителен и их требуется определять соответственным прямым опытом.

Приведенные рассуждения справедливы также при непременном условии, что электрическая цепь не вносит никаких своих искажений при измерении прерывистого или меняющегося по величине, но не на­ правлению тока, особенно при вращающихся поглотителях с малым раскрытием. На это надо обратить внимание, так как доказать отсут­ ствие таких искажений не всегда легко. Самый простой способ заклю­ чается в том, что изменяют в очень широких пределах скорость вра­ щения; электрический ток при этом не должен меняться. Далее меняют в широких пределах коэффициент пропускания вращаю­ щихся поглотителей; ток должен меняться пропорционально коэф­ фициенту. *1

При применении вращающихся поглотителей у газополных фото­ элементов вследствие наличия у них запаздывания и более узких границ прямолинейности равенство (87. 1) может оказаться нару­ шенным. Справедливость его можно подтвердить опытным путем, как указано выше.

При световых измерениях, в которых придается значение точ­ ности, вращающиеся поглотители применяют только в случаях, для которых отсутствие погрешности из-за них было доказано в дан­ ной измерительной установке. Или же выбирают способ измерений (например, способ замещения в какой-либо разновидности), в кото­

по необходимости заключены в стеклянный сосуд и все устройство их таково, что при измерениях не следует изменять направление осве­ щающего их пучка света, дабы не вводить поправок на влияние наклона падения света (рис. 87. 11). Такие поправки трудно сделать надежными. Соответственно и надо поверять фотоэлемент при тех

1 с расчетным.

^228

У сложных катодов, о которых только и идет речь, наружная поверхность не является вполне зеркальной, а скорее несколько шероховатой. Если свет падает перпендикулярно к поверхности, то для целей измерений безралично, является ли свет частично или полностью поляризованным, или неполяризованным. При наклонном падении света возникает вопрос о влиянии поляризации, так как поверхность катода все же не вполне матовая. Это обстоятельство имеет важное практическое значение, например, при определении на опыте спектральной чувствительности, так как из монохроматоров выходит частично поляризованный свет.' „ Опыты показывают, что поляризация влияет

ина спектральную и на общую чувствитель­ ность (до 30%). На практике учет такого влияния представляет немалые затруднения,

ипотому при измерениях в поляризованном свете стремятся к тому, чтобы свет падал перпендикулярно к катоду или симметрично относительно перпендикуляра, как в случае, например, шаровой поверхности катода, дабы таким или другим путем исключить влия­ ние поляризации.

например 1—3 мка (у пустотных) при освещенности в 100 лк. Малые токи можно усиливать помощью отдельных электронных ламп, как об этом говорится ниже (п. 89). Но была найдена возможность уси­ ливать ток путем применения вторичных катодов, размещенных в том же стеклянном сосуде, что и фотокатод. Этот прибор назвали фотоумножителем (он делается пустотным).

Можно брать разное число вторичных катодов; часто их дёлают около 10—15 (и иногда более). Каждый такой каскад усиливает ток, включая и темновой, в несколько раз, например, в 4 (в среднем) при многих каскадах; в итоге получают общее усиление до 1 0 е и даже

в боку цилиндрического катода сделано отверстие (площадью около 1,5 см2) для пропускания света на катод. Оба торца катода открыты.

229

У одного торца на небольшом расстоянии и вне цилиндра располо­ жен анод в виде редкой и тонкой проволочной сетки. [За анодом и параллельно ему, следовательно — перпендикулярно оси цилиндра,

электрическое поле, для чего вдоль трубки располагается тонкая проволочка, имеющая потенциал анода (т. е. наиболее высокий). Кольца в таком случае располагаются перпендикулярно оси цилин­

230