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

Таблица 88. I

Основные данные об отечественных сурьмяно-цезиевых фотоумножителях

232

Вследствие наличия некоторых недостатков в свойствах фотоумно­ жителей или неудобств при применении в дело, работы по их усовер­ шенствованию продолжаются с обнадеживающими данными. Однако при этом, по-видимому, не ставится задача лучшего приспособления для надобности именно световых измерений.

Для световых измерений применяются фотоумножители с сурь- мяно-висмуто- или кислородно-цезиевым катодом. Свойства катодов, в том числе и спектральная чувствительность, остаются теми же, что и в соответственных фотоэлементах, и они подвержены всем ранее

стремятся к очень большому усилению) и он менее устойчив. Прямая пропорциональность между освещенностью и током наблю­ дается лишь на ограниченном участке или даже почти не наблюдается. Старение и утомление происходят, как и у фотоэлементов. Запазды­ вания в обычных условиях нет и оно сказывается лишь при очень коротких вспышках освещения (порядка 0 ,0 0 0 0 1 сек и менее).

Весьма большая чувствительность фотоумножителей, доходя­ щая, например, до 10 а/лм, используется, собственно, не для полу­ чения больших токов, а для измерения очень малых освещенностей, чтобы от них получить более или менее легко измеряемые токи, которые все же остаются малыми (несколько микроампер или даже несколько миллиампер). Больших токов от фотоумножителей полу­ чать нельзя во избежание их порчи.

Отмечен еще низкий уровень собственных шумов фотоумножи­ телей, что в некоторых случаях (например, при очень малых осве­ щенностях) является существенным преимуществом их перед фото­ элементами с отдельными электронными усилителями. Ток от фото­ умножителя может быть еще усилен электронными лампами.

233

К числу слабых мест или недостатков фотоумножителей надо отнести такие: 1) потребность в высоком напряжении — 1000— 2000 в, что в затемненных помещениях светотехнических или других лабораторий вызывает необходимость принятия многих мер пред­ осторожности по соображениям безопасности обслуживающих людей; 2) недостаточная устойчивость показаний; 3) узкие границы . для прямой пропорциональности между освещенностью и током, которую к тому же обыкновенно нелегко проверить; 4) существенная разница в свойствах умножителей одного и того же изготовления;

5)значительная зависимость общей чувствительности от напряжения. Для световых измерений весьма важно наличие устойчивых

свойств, чтобы работать в условиях полной повторяемости показа­ ний. Подходящие фотоумножители приходится отбирать из несколь­ ких и, кроме того, выбирать такие способы измерений (замещение, повторение измерений и т. д.), чтобы устранить влияние неустой­ чивости (см. п. 8 6 , 89 и др.). До начала измерений особенно важно осветить фотоумножитель и дать проходить току в течение хотя бы получаса (сообразно наблюдаемой устойчивости показаний), чтобы была достигнута некоторая температура, близкая к рабочей, чтобы установился темновой ток и т. д. Наружная поверхность фотоумно­ жителей должна быть очень чистой и сухой. Если ее нужно обмыть спиртом, или еще чем-либо, то это делается заранее, например, за сутки до работы. В приборе, где находится фотоумножитель, следует ставить поглотитель влаги из воздуха. Иногда снаружи колбы — между катодом и анодом — полезно применить охранное кольцо для отвода токов утечки (на землю) от измерительной цепи.

С одной стороны, продолжающиеся усовершенствования фото­ умножителей, а с другой — значительные колебания в свойствах отдельных фотоумножителей одного и того же изготовителя — еще не позволили накопить достаточно подробных опытных данных для лучшей практики применения их при разнообразных световых изме­ рениях. Не мало имеется в литературе противоречивых сведений, что побуждает к осторожности при их использовании.

Недавно стали изготовлять фотоумножители с висмуто-цезиевым катодом. Первые итоги применения — положительные. Ожидается даже, что такие фотоумножители окажутся предпочтительнее Других.

89. Общие правила применения фотоэлементов и фотоумнож телей. Электрические измерения токов. Было бы неосмотрительно непосредственно применять фотоэлемент для измерений без предва­ рительных испытаний, хотя бы и упрощенных. Во всех случаях пред­ почтительно фотоэлементы выдерживать (1—3 месяца) и состаривать при освещении под током. Но требования к фотоэлементу зависят от способа использования и в некоторых случаях могут быть снижены.

т о л ь к о р а в е н с т в о н е с к о л ь к и х п у ч к о в с в е т а , п р и ч е м с р а в н е н и е и х п р о и з в о д и т с я н а п р о ­ т я ж е н и и к о р о т к о г о в р е м е н и , с в о з м о ж н о ^

234

с т ь ю п о в т о р е н и й . Это отвечает, например, способу замеще­ ния при измерениях или схожему с ним, когда равенство достигается каким-либо воздействием на количественное изменение освещенно­ сти фотоэлемента от световых пучков. При таких условиях к фото­ элементу предъявляются облегченные требования. Даже если фото­ элемент обладает утомлением, но только медленным, он может быть использован. Наличие же некоторой неустойчивости обнаруживается и устраняется повторением измерений. Например, пусть фотоэлемент пришлось применять в условиях значительной освещенности, при которой сила тока постепенно падает вследствие утомления. Фото­ элемент имеет назначение указывать одинаковую освещенность от образцовой лампы и от измеряемой, причем освещенность от образ­ цовой лампы сохраняется постоянной, а от измеряемой — ее изме­ няют так (например, перемещая по светомерной скамье, п. 109), чтобы подравнять к известной от образцовой лампы. Пусть гальва­ нометр или иной указывающий прибор при выбранном способе измерений показывает нуль при образцовой лампе и затем при изме­ ряемой. Теперь возвращаются к образцовой лампе; вследствие утом­ ления (а также и по возможным другим причинам) за время выполне­ ния работы произошло изменение уравновешивания в измерительной установке и гальванометр стал показывать 1±. Вновь возвращаются к измеряемой лампе и вместо нуля находят отклонение т 1. Опять переходят к образцовой лампе и замечают отсчет /2. Повторяют отсчет у измеряемой лампы т 2 и т. д., пока не сделают одинаковое число наблюдений у обеих ламп; повторять измерения следует по возможности через короткие и равные промежутки времени.

Затем вычисляют средние значения /ср и тср и опытным путем определяют, насколько надо изменить освещенность, например, насколько надо изменить расстояние от соответственных ламп, чтобы вернуть показания гальванометра с /ср и т ср к нулю. Таким способом находят исправленные значения освещенностей с исключе­ нием погрешности от непостоянства фотоэлемента. Способ допускает разные видоизменения. Например, при каждом измерении добиваются нулевого отсчета по гальванометру путем изменения освещенности. Тогда получается ряд отсчетов у образцовой и у измеряемой ламп, из которых и берут средние значения. Разумеется, среднее арифме­ тическое, а не иное (например, квадратическое) берется в случаях, если отклонения в отсчетах невелики и можно считать их прямо про­ порциональными изменению освещенности.

В указанном способе измерений фотоэлемент служит лишь ука­

не является измерительным прибором. Нет даже прямой необходи­ мости употреблять фотоэлементы, уже выдержанные и испытанные.

Описанный способ применения фотоэлементов позволяет исполь­ зовать их даже при невысоком качестве в смысле постоянства и про­ порциональности; непременным условием является повторение изме­ рений, что для практики часто оказывается неприемлемом, так как связано с увеличением затраты времени,

23й

б) П о ф о т о э л е м е н т у у с т а н а в л и в а е т с т о л ь к о р а в е н с т в о н е с к о л ь к и х п у ч к о в с в е т а и т р е б у е т с я с о х р а н е н и е ч у в с т в и т е л ь н о с т и

н а п р о т я ж е н и и н е к о т о р о г о о г р а н и ч е н н о г о

п р о м е ж у т к а в р е м е н и ( н е с к о л ь к и х ча с о в ) .

Использование фотоэлемента в данном способе схоже с предыдущим, но отличается тем, что постоянная освещенность устанавливается сначала по образцовой лампе, затем измеряются другие световые пучки. Через некоторое время t, измеряемое часами, что, конечно, определяется степенью изученности данного фотоэлемента, возвра­ щаются к образцовой лампе и находят, например, что гальванометр отошел от нуля. Определяют, какому изменению освещенности А отвечает найденное отклонение, например, замечая то изменение рас­ стояния .до образцовой лампы, которое необходимо для приведения гальванометра в нулевое положение. Может случиться, что изменение освещенности оказалось незначительным и им можно пренебречь. Если же пренебречь нельзя, то вносят поправки в значения измеряв­ шихся пучков света, причем размер поправки А,- назначается про­ порциональным промежутку времени t( до измерения соответствую­ щего пучка г:

А,- = 4 - д ;

при этом делается допущение, что изменение чувствительности фотоэлемента происходило равномерно во времени.

Если фотоэлемент окажется устойчивым, то время повторной поверки его по образцовой лампе может быть значительным, вплоть до многих дней.

Итак, при описанном использовании фотоэлемента предпочти­ тельно его иметь предварительно выдержанным и состаренным. Степень же его устойчивости может быть разная, но сообразно ей при­ ходится повторные поверки по образцовой лампе делать чаще или реже, что выясняется по ходу работы с данным фотоэлементом. Сле­ довательно, возможно применение фотоэлементов не столь высоких

изменяющейся освещенности и должен измерять эти изменения. Фотоэлемент должен быть поверен на зависимость электрического тока от освещенности по всему пределу ее изменений. Тогда отпадает необходимость требовать наличие прямой пропорциональности между током и освещенностью. От фотоэлемента требуется только сохране­ ние постоянства чувствительности в течение времени между повер­ ками. Если это время невелико, если фотоэлемент предварительно состарен, а перед поверкой и соответственно перед измерениями недолго утомлен, т. е, освещался и был под током немного минут,

[ 236

то для таких применений от фотоэлемента требуется лишь умеренная

приходится предъявлять наиболее строгие требования и прежде всего

всмысле наличия прямой пропорциональности между освещенностью

итоком, а также в отношении постоянства и устойчивости. Подходя­ щие фотоэлементы необходимо отбирать, предварительно подвергая испытаниям. При этом важно найти наибольшую освещенность, при которой фотоэлемент является еще вполне устойчивым и до кото­ рой сохраняется прямая пропорциональность.

Фотоэлемент, в отличие от некоторых других светоизмерительных приборов, получается от изготовителя в таком виде, что уже каклибо воздействовать на изменение его устройства и свойства нельзя. Разве только может возникнуть сомнение в высоком качестве изоля­ ции между электрическими зажимами, если они укреплены на одном цоколе. В таком случае, соблюдая очень большие предосторожности, можно цоколь удалить и заменить иным устройством. На это обра­ щается внимание, особенно тогда, когда фотоэлемент предназначен для измерения слабых токов, например, при спектрофотометриче­ ских работах, а эти токи затем усиливаются электронными лампами. При работе надо следить еще также за состоянием наружной поверх­

ности стеклянного сосуда: она должна быть совершенно чистой и сухой.

Неодинаковость фотоэлементов одного и того же изготовления побуждает производить отбор лучших из нескольких, после подхо­ дящих испытаний. Кроме того, у каждой измерительной установки, особенно — сложной, надо иметь в запасе несколько более или менее похожих фотоэлементов, чтобы в случае каких-либо неполадок, причину которых быстро обнаружить не удается, молено было заме­ нить фотоэлемент. Тогда можно убедиться, исправляет ли дело замена фотоэлемента.

При первоначальных работах с фотоэлементом приходится отно­ ситься к нему с большой осторожностью. Напротив, после испытаний и после уточнения его свойств он может оказаться очень надеж­ ным прибором, но — в подходящих условиях. Имеется немало при­ меров, когда в течение многих лет один и тот же фотоэлемент ока­ зывался самой надежной частью в слолсной измерительной установке, для него сделанной, и вполне оправдывал свое назначение.

Все сказанное в этой части параграфа относится не только к фото­ элементам, но и к фотоумножителям.

Э л е к т р и ч е с к.и е и з м е р е н и я т о к о в . Особенно­ стью таких измерений является незначительность силы тока, напри­ мер 1 0 - 0—1 0 “ 8 а, и часто наличие сравнительно высоких напрялсений. Следовательно, прежде всего надо заботиться о высокой изо­ ляции и о проверке ее. Что же касается измерения малых токов, то в лабораторной обстановке это не представляет затруднений. Проще всего измерять токи без усиления высокочувствительными

237

зеркальными гальванометрами. Теперь получили распространение переносные гальванометры, рамка которых подвешена на растяжках, осветительное устройство размещено в одном ящике с прибором, а световое пятно с чертой перемещается по шкале длиною около 18 см с числом делений 150. Чувствительность такого прибора может быть, например, 5 • 10” 10 а на одно деление 1 мм) шкалы и грубее. Погрешность показаний — 0,5—1% при отсчетах свыше, примерно, 40 делений. Если нет необходимости заботиться о том, чтобы неточ­ ность была менее 2 %, то токи от фотоэлемента надо усилить однойдвумя электронными лампами и затем пользоваться более грубыми стрелочными или со световыми указателями электрическими при­ борами — микроамперметрами.

Если надо измерять токи от 10" 11 а (и более) при неточности не выше 0,3—1% (на отсчетах более 40 миллиметровых делений), то еще можно пользоваться высокочувствительными зеркальными гальванометрами при шкале, удаленной иногда даже до 1 2 м, что обыкновенно очень неудобно. Или же можно повторно отбрасывать пучок света от зеркальца гальванометра помощью близко распо­ ложенного неподвижного оптически правильного зеркала — еще раз (а можно и более) на то же зеркальце гальванометра, что позво­ ляет уменьшить расстояние до шкалы в 2 раза при одинаковом отсчете

(рис. 83. 2).

При еще меньших токах пользуются усилением. Усиление при­ меняют также, когда намереваются измерять малые токи с возможно большей точностью и для этого употребляют потенциометрические (компенсационные) способы измерений (см. далее).

Измеряют слабые токи также электрометрами. Но такие изме­ рения оказываются более громоздкими и сложными и лаборатории, которые эти приборы долгие годы применяли, например, при изме­ рениях очень малых ионизационных токов, теперь предпочитают перейти (что не всегда возможно) на измерения при усилениях элек­ тронными лампами.

Ниже приводятся примеры измерений малых токов.

Если нужно возможно точнее измерять малые токи и если они меняются в широких пределах, то, как говорилось, надо обращаться к потенциометрическому (компенсационному) способу, т. е. к уравно­ вешиванию неизвестного измеряемого напряжения — известным. Равенство или разницу между ними должен показать чувствитель­ ный гальванометр, а так как эти разницы малы, то их надо усиливать. Очень чувствительной и хорошо действующей в таком случае оказы­ вается мостовая усилительная схема с двумя электрометрическими лампами. На рис. 89. 1 дана схема усилителя для токов от фото­ элемента, применяемая во ВНИИМ при спектрофотометрических и других работах. К фотоэлементу подается напряжение от отдель­ ной батареи (8 — 1 0 в) через сопротивление в 1 0 ”8—1 0 ” 12 ом, смотря по силе тока фотоэлемента: при малых токах берут сопротивление побольше и наоборот. Ток от фотоэлемента, меняющийся в зависимости от освещения, создает то или иное падение напряжения на сопротивле­ нии и тем самым может менять потенциал на сетке электронной лампы.

238

В качестве электронной лампи предпочитают брать двухсеточные электрометрические (типов 1ЭШ или 2Э2П), у которых сопротивле­ ние между катодом и управляющей сеткой очень велико (1015 ом) и ток ее (утечки) составляет около 10"14 а. что и позволяет измерять наименьшие токи около \0~ы а, а при некоторых условиях и меньшие. Изготовляются электрометрические лампы с током управляющей сетки и в 10“14 а при сопротивлении ее изоляции в 10iG ом, что дает возможность измерять еще меньшие токи. Изготовляются сдвоенные электрометрические лампы; они позволяют немного уменьшать размеры приборов.

Сеточный ток электронных ламп неэлектрометрических соста­ вляет обыкновенно около 10-9—1 0 '8 а. Если от фотоэлемента полу-

Фэ

чается ток, значительно превосходящий только что указанные числа, и если погрешность измерений тока — по абсолютному зна­ чению — не должна быть меньше этих же чисел, то нет надобности применять электрометрические лампы. Другие подходящие электрон­ ные лампы дают большее усиление, а работа с ними оказывается проще.

Необходимо еще иметь в виду, что наименьший порог напряже­ ния, который может быть прибавлен или отнят от сеточного напря­ жения, чтобы изменить ток в анодной цепи более помех (иначе — более уровня собственных шумов) и его измерить, составляет около 10 мкв или даже больше. Этим следует руководствоваться при подборе размера сопротивления у фотоэлемента, от которого подается напря­ жение в цепь сетки, и при определении порога чувствительности измерений тока фотоэлемента с помощью усилителя.

Итак, изменение напряжения на сопротивлении в цепи фото­ элемента при изменении его освещения должно бы вызвать изме­ нение напряжения на сетке одной лампы, что было бы обнаружено

239

отклонением гальванометра. Это изменение наблюдатель уравио^ вешивает изменением той части сопротивления потенциометра, которое включено во входное сопротивление, что обнаруживается возвращением гальванометра в нулевое положение. Таким образом, перед измерениями усилительное устройство уравновешивается при темновом токе от фотоэлемента, причем на потенциометре выво­ дится все сопротивление из цепи сетки. При последующих измерениях введенное сопротивление оказывается прямо пропорциональным добавочной силе тока от фотоэлемента, вызванной его освещением. Впрочем, на практике измерительное устройство часто оказывается неустойчивым, что проявляется в медленном отходе гальванометра при работе от нулевого положения. Вместо того, чтобы часто про­ верять нулевое положение и его восстанавливать, меняя положение точки присоединения батареи к среднему анодному сопротивлению или изменяя реостатами токи накала, производят повторные изме­ рения. Получаются несколько разные отсчеты по потенциометру

на аноды, защитные и управляющие сетки подаются от одной батареи при участии постоянных сопротивлений. Настройка усилителя требует внимания, особенно в связи с невозможностью получить две вполне одинаковые электрометрические лампы. Собственно, относительная сложность данного устройства по сравнению с дру­

довольно проста. Нулевое показание гальванометра достигается при многих сочетаниях силы тока накала ламп и положения (переменного) той точки на среднем анодном сопротивлении, к которой подведено напряжение (со знаком + ) от батареи. Задача же настройки заклю­ чается в том, чтобы, найти такое распределение токов накала (это самое главное) и положение точки среднего сопротивления, чтобы при спадании напряжения в батарее накала (от разряда), а также и в анодной, что сказывается слабее, настройка не менялась и нулевое положение гальванометра не нарушалось; точнее сказать — чтобы нулевое положение изменялось возможно медленнее, например 1 мм по шкале за 2—3 минуты. Усиление в таком устройстве достигает 0,5 -т- М О6. При чувствительности гальванометра в 10-10 а и при сопротивлении в цепи фотоэлемента 10й или 1012 ом можно измерять токи, начиная с 10-14—10_1В а.

Собственно, «мостовое» соединение двух одинаковых ламп выбрано в предположении, что возможные изменения условий питания, тем­ пературные влияния и т. д. будут одинаково сказываться на лампах. Поэтому ожидается, что все измерительное устройства окажется

240