Лекции 5,6

ИЗМЕРЕНИЕ СВЕТОВОЙ ЭНЕРГИИ

Фотометрические понятия

Для измерения энергии света пользуются различными фото­метрическими величинами. Нам придется в дальнейшем иметь де­ло со следующими основными фото метрическими величинами: световым потоком Ф, освещенностью Е и интенсивностью света I.

Световым потоком Ф через поверхность S называется количество световой энергии протекающей в единицу времени через данную поверхность.

Рис. 7.

Освещенностью Е называется световой поток, приходящийся на единицу поверхности:

E = Ф/S

Интенсивностью света I в данной точке пространства называется величина светового потока, протекающего внутри еди­ничного телесного угла через единицу площади с центром в рас­сматриваемой точке:

,

где (рис. 7) Ф — световой поток, протекающий через площад­ку S внутри телесного угла Ω;

Θ — угол между направлением светового потока и нормалью n к площадке S;

S∙cos Θ — видимый размер площадки S.

Интенсивность света иногда называют яркостью светового потока.

Излучение протяженных источников (например, пламени, ду­ги или искры) характеризуется яркостью В. Под яркостью источ­ника понимается количество энергии, излучаемой единицей види­мой поверхности источника внутрь единичного телесного угла.

Предположим, что поверхность S источника посылает внутрь телесного угла Омега световой поток Ф. Если ось светового пучка образует угол 0 с перпендикуляром к площадке 5, то, по опреде­лению, яркость источника В равна

.

Приемники света

Основными приемниками света, применяемыми при спектраль­ном анализе, служат: глаз, фотопластинка, фотоэлемент и фото­умножитель.

Глаз. Разрез глаза показан схематически на рис. 8. Глаз представляет собой оптическую систему, дающую изображение рассматриваемого предмета на сетчатой оболочке. Роль линзы играет хрусталик. В сетчатой оболочке разветвлены волокна зри­тельного нерва. Наружный слой сетчатой оболочки состоит из большого числа светочувствительных элементов глаза. Волокна зрительного нерва служат проводником светового раздражения от светочувствительного слоя к мозгу.

Если глаз рассматривает предмет очень удаленный или малых размеров, так что изображение на сетчатой оболочке попадает внутрь отдельного светочувствительного элемента, то световое ощущение определяется световым потоком, попадающим в глаз. Если же изображение покрывает собой поверхность, состоящую из многих светочувствительных элементов, то световое ощущение будет зависеть от освещенности сетчатой оболочки.

Ф о т о п л а с т и н к а. Светочувствительный слой фотопластинки состоит из желатины и кристаллов галоидного серебра. Под действием света и последующей химической обработки происходит выделение металлического серебра, которое создает почернение. Степень почернения зависит от освещенности фотопластинки и длительности ее освещения.

Рис. 8. Схема разреза человеческого глаза

Фотоэлемент. Фотоэлемент преобразует световую энер­гию в электрическую. Фотоэлемент реагирует на величину свето­вого потока.

В практике спектрального анализа находят себе применение фотоэлементы двух типов:

1. Фотоэлементы с запирающим слоем или вентильные фото­элементы, в которых под действием света возникает электродви­жущая сила.

2. Электровакуумные фотоэлементы, в которых используется способность некоторых металлов испускать электроны под дейст­вием света. Под действием света такие фотоэлементы пропускают электрический ток, если их соединить с источником напряжения.

Фотоэлементы первой группы применяются в микрофотомет­рах — приборах для измерений почернений на фотопластинке. Электровакуумные фотоэлементы применяются для реги­страции спектра в фотоэлектрических установках для спектраль­ного анализа. На основе светочувствительных фотодиодов созданы ПЗС-ма́трицы (сокр. от «прибор с зарядовой связью») или CCD-ма́трицы (сокр. от англ. CCD, «Charge-Coupled Device») — специализированные аналоговые интегральные микросхемы, выполненные на основе кремния, использующие технологию ПЗС — приборов с зарядовой связью. CCD-матрицы выполняют функцию преобразования света в электрический сигнал.

Одна матрица CCD представляет собой набор миллионов резисторов, так называемыми "элементами выборки". Чем больше таких элементов находится на матрице, тем выше разрешение и лучше качество изображения. Принцип работы резисторов следующий: свет попадает на элементы матрицы и преобразуется в электрический заряд, величина которого будет тем выше, чем ярче падающий свет. Соответственно там, где света нет, электрический заряд также не возникает.

Схема устройства вентильных фотоэлементов с запирающим слоем показана на рис. 9. На металлическом электроде 1 распо­ложен слой полупроводника 2. На его поверхность наносится тонкий полупрозрачный металлический слой 3, который служит вто­рым электродом фотоэлемента. При соответствующей термической обработке на границе полупроводника с металлом создается тон­кий плохопроводящий, так называемый запирающий слой ЗС, пропускающий электроны в одном направлении и почти не про­пускающий их в другом.

Рис. 9. Схема устройства вентильного фо­тоэлемента

Если в кристаллическом полупроводнике создать p—n-переход и осветить его, то число свободных носителей заряда — электронов и дырок будет увеличиваться. Однако из-за односторонней проводимости p—n-перехода электронный и дырочный токи, текущие в противоположных направлениях, оказываются различными. Вследствие этого на p—n-переходе создается напряжение, а если цепь замкнуть, то в ней потечет ток.

В качестве примера (рис. 27.5) рассмотрим вентильный фотоэлемент, изготовленный из металла 1 (например, меди), его окиси 2 и напыленного сверху прозрачного тонкого золотого слоя 3. На границе между металлом и его окисью возникает p—n-переход, пропускающий электроны из металла в окись, а дырки — из окиси в металл. Под действием света число электронов и дырок возрастает и во внешней цепи через резистор появляется ток, который течет в указанном на рисунке направлении.

При освещении фотоэлемента со сторо­ны полупрозрачного слоя происходит односторон­нее перемещение электро­нов, освобождающихся под действием света сквозь запирающий слой. Вследствие этого появля­ется электродвижущая сила на контактных элек­тродах 1 и 3. Если при этом замкнуть фотоэле­мент на внешнее сопро­тивление, в цепи будет протекать ток. В настоящее время применяются фотоэлементы четырех типов; меднозакисные, селеновые, серно- таллиевые и серносеребряные.

Рис. 10. Схема устройства электроваку­умного фотоэлемента

Электровакуумный фотоэлемент (рис. 10) состоит из стеклян­ного эвакуированного ¹баллона и двух электродов. Катодом служит тонкий слой щелоч­ного металла К, покры­вающий часть внутрен­ней поверхности баллона. Анод А выполнен в виде кольца, расположенного против (металлического слоя. Под действием све­та катод испускает поток электронов. Если фото­элемент включен в цепь с источником электро­движущей силы, то при его освещении в цепи возникает электрический ток. Сила тока в цепи ва­куумного фотоэлемента прямо пропорциональна величине светового по­тока, действующего на катод.

Свойства, параметры и характеристики фотоэлементов зависят от свойств применяемого катода. В современных фотоэлементах применяются в основном два типа катодов — кислородно-цезиевый и сурьмяно-цезиевый.

Фотоэлементы выпускаются двух типов — вакуумные и газонаполненные. В вакуумных фотоэлементах ток образуется только фотоэлектронами, а в газонаполненных фотоэлектронный ток еще и усиливается за счет ионизации газа, производимой фототоком. Газонаполненные фотоэлементы обладают большей чувствительностью, чем вакуумные, но менее стабильны в работе и обладаютнекоторой инерционностью, поэтомув спектрально-аналитической практике не применяются.

Чувствительность фотоэлемента измеряется той силой тока, ко­торую вызывает световой поток в 1 люмен. Единица чувстви­тельности имеет размер­ность (мка/лм). Пример­ная чувствительность вентильных фотоэлемен­тов приведена в табл.2.

Электровакуумные фо­тоэлементы менее чувст­вительны по сравнению с вентильными фотоэлемен­тами. Электровакуумные фотоэлементы с цезиевым катодом марки СЦВ-4, которые большей частью используются в РФ, имеют чувствительность в 100 мка/лм.

Таблица 2

Чувствительность вентильных фотоэлементов

Тип фотоэлемента	Чувствительность мка/лм
Меднозакисные ....	100--200
Селеновые	400--500
Серноталлиевые ....	4000--6000
Серносеребряные . . .	4000--6000

Фотоэлектронные умножители. Для регистра­ции световых потоков и в частности потоков, создаваемых спект­ральными линиями, чувствительности обычных фотоэлементов часто оказывается недостаточно, так как получаемые электриче­ские сигналы слишком слабы. Поэтому приходится прибегать к усилению фототоков. Этого можно добиться при помощи спе­циальных усилительных схем, что иногда и применяют в спектроаналитических установках. Однако можно», не прибегая к подоб­ным схемам, во много десятков раз увеличить фототоки путем их усиления в самом приемнике света. Такой прием усиления при­меняется в фотоэлектронных умножителях.

Принципиальная схема многокаскадного фотоэлектронного умножителя показана на рис. 11. В эвакуированной трубке по­мещено несколько электродов, поверхность которых покрыта це­рием. Между жаждой парой электродов, называемых динодами (К₁ и К₂, К₂ и К₃ и т. д.) приложена разность потенциалов, при­чем потенциал каждого последующего электрода выше предыду­щего. С поверхности катода К₁ под действием светового потока, падающего на него, испускаются электроны, которые попадают на катод К₂ и выбивают с его поверхности вторичные электроны; при этом каждый первичный электрон, попадая на электрод К₂, выбивает из него несколько вторичных электронов. В результате этого от электрода К₂ к электроду К₃ будет направлен более интен­сивный поток электронов, который выбьет из электрода К₃ еще больше электронов и т. д. Если каждый электрон, попадая на электрод, выбивает из него α вторичных электронов, то, обозна­чив через I₁, силу тока между электродами К₁ и К₂; I₂ — силу тока между электродами К₂ и К₃ и т. д., получаем:

I₂ = α∙I₁; I₃ = α∙I₂; I₄ = α∙I₃ и т.д.

Ясно, что если в умножителе имеется n пар электродов, то ток I на выходе будет равен:

I = I₁∙ αⁿ

Следовательно, коэффициент усиления фотоэлектронного умно­жителя равен αⁿ. Каждая пара электродов называется каскадом усилителя.

Рис. 11. Принципиальная схема многокаскадного фотоэлектронного фотоумножителя

Коэффициент усиления фотоэлектронного умножителя зависит, таким образом, от числа каскадов усиления.

Фотоэлектронные умножители позволяют получать токи в 10⁵ раз большие, чем фотоэлементы. Однако большие токи разру­шают катоды фотоумножителя; поэтому этот прибор можно при­менять только при регистрации слабых световых потоков.