Лабораторная работа № 1 «Изучение фотометрических приборов»

Цель работы - изучение приборов для измерения оптических величин. Количество времени на работу - 4 часа.

План работы

1. Ознакомление с принципом работы и устройством приборов для измерения оптических величин.

2. Изучение технических данных люксметра и правил работы по измерению освещенности.

3. Изучение методик измерений оптических величин.

4. Подготовка люксметра к работе, проведение измерения освещенности в помещении.

5. Составление отчета о работе.

Принцип работы и устройство фотометрических приборов

Для измерения оптических величин используются специальные приборы, обычно состоящие ИЗ четырех частей: электрического источника питания, фотоприемника, усилителя и индикатора.

Фотоприемники, или датчики, различаются по спектру чувствителоности. Датчики, чувствительность которых не зависит от спектрального состава излучения, называются неселективными и используются для измерения интегральных (суммарных) потоков излучения, но такими датчиками невозможно оценить эффективность конкретного вида излучения: бактерицидное, эритемное, световое воздействия.

Для оценки активных потоков: светового, эритемного, бактерицидного, фитопотока используются либо светофильтры, пропускающие к фотоприемнику только исследуемую часть оптического излучения (например, обычное стекло пропускает видимое излучение, задерживая ультрафиолетовое излучение), либо фотоприемники изготовляются из материалов, чувствительных к определенной зоне оптического излучения. Такие фотоприемники называются селективными. Принцип их работы основан на явлении фотоэффекта -«выбивания» электронов из атомов некоторых веществ частицами (квантами) излучения. Различают фотоэлементы с внешним и внутренним фотоэффектом.

На рисунке 1 изображены фотоэлемент с внешним фотоэффектом и его схема включения. Эффективный квант, обладающий определенным уровнем энергии, «выбивает» из катода К электрон, который в электрическом поле баллона направляется к аноду А, вызывая фототок во внешней цепи. Фототок пропорционален числу эффективных квантов. Для получения такого же тока от соседних (активных) квантов потребуется большее их количество. Кванты, частота которых находится за пределами чувствительности фотоэлемента, фототока не вызывают независимо от их энергий. Катоды фотоэлементов выполняются из различных соединений серебра, цезия, сурьмы и кислорода, имеющих малую работу выхода электронов. Реакция фотоэлемента на излучение оценивается фототоком, поэтому его интегральная чувствительность К_ф к источнику А измеряется в А/лм. Чувствительность фотоэлемента можно значительно повысить, наполнив его баллон инертным газом. Электрон, ускоренный электрическим полем межэлектродного пространства, вырывает из нейтральной молекулы инертного газа дополнительные электроны, увеличивая фототок. Чувствительность может быть еще более увеличена, если в баллоне фотоэлемента установить несколько дополнительных электродов с постепенно понижающимся потенциалом от анода к катоду. Такиефотоэлементы называются фотоумножителями — ФЭУ.

Рис. 1 - Фотоэлемент с внешним фотоэффектом

а - конструкция; 6 - принципиальная электрическая схема включения.

Простейшие фотоприемники с внутренним фотоэффектом - это фотосопротивления. На изоляторнаносится слой полупроводника с п- или р-проводимостью. Эффективные кванты, попадая на этот слой, увеличивают число носителей электричества - электронов или дырок, повышая проводимость полупроводника.

Фоторезисторы широко используются в схемах автоматического управления в качестве пороговых элементов, например в схемах включения освещения или облучательных установок в зависимости от естественной освещенности, а также в схемах контроля пламени, например, агрегата витаминной муки.

На рисунке 2 изображен фоторезистор и его схемы включения. Питание схем с фоторезисторами может осуществляться постоянным и переменным током. Сопротивление фоторезистора не имеет линейной зависимости от облученности, поэтому приборы с применением фоторезисторов нуждаются в тарировке или настройке по образцовым приборам. Темновой ток фоторезистора велик и только на порядок меньше рабочего тока. Кроме того, он сильно зависит от температуры. Эти недостатки в значительной мере компенсируются за счет применения мостовой схемы. Фоторезисторы широко используются в схемах автоматического управления в качестве пороговых элементов, например в схемах включения освещения, или облучательных установок в зависимости от естественной освещенности, а также в схемах контроля пламени,например, агрегата витаминной муки.

Рис. 2 - Фоторезистор

а - конструкция; б - схема включения:

1 - защитный прозрачный слой; 2 - корпус; 3 - электрод; 4 - слой полупроводника;

5 - подложка (изолятор); 6 - выводы.

Широко используются в качестве фотодатчиков фотодиоды. На границе проводника (донора) и полупроводника образуется запирающий слой, способный пропускать носителей электричества только в одном направлении. Проводник, например золото, может быть напылен прозрачной пленкой на полупроводник, например, селен, который также напылен на стальное основание. Последнее - это один из электродов, другой электрод, выполнен в виде кольца, окаймляет пленку проводника. Эффективный квант, пронизывая пленку проводника, извлекает из полупроводника электрон, который оказывается в проводниковом слое, создавая избыток электронов. Дырки полупроводника компенсируются электронами

стального основания, создавая в последнем дефицит электронов. Если оба электрода замкнуть проводником, то по нему потечет фототек, пропорциональный облученности.

Рис. 3 - Селеновый фотоэлемент (фотодиод) а - конструкция; б - сечение по А-А; в - схема включения:

1- прозрачный проводник (золото); 2 - защитная пленка; 3 - токосъемное кольцо; 4 - напыленный полупроводник (селен); 5 - основание (проводник - сталь); 6 - запирающий слой.

Рис. 4 - Схема измерителя облученности

ВL - фотодиод ФД-6Г; RР - потенциометр; РА - микроамперметр; R - ограничивающее сопротивление; VD1...VD4 - выпрямительный мост; VD5 - блокирующий диод.

1 - корпус измерителя; 2 - окно; 3 - светофильтр.

Для описанной выше схемы не нужен источник питания. Электрический ток генерируется самим фотоэлементом. Этот режим называется гальваническим. Источники электрического тока на космических кораблях и спутниках устроены именно по такому принципу. Они способны более 10 % солнечной энергии преобразовать в электрическую энергию.

Для измерительных целей более приемлем фотодиодный режим (рис. 4). Обратная проводимость фотодиода в этом режиме пропорциональна облученности.

Таблица 1 - Характеристики некоторых фотодиодов

Марка фотодиода	Материал фотослоя	Кф, мА/лм	Напряжение питания, В	Площадь фотослоя, 10 мм	Допустимая температура, °С
ФД-1	Германий	20	15	5-60	+40
ФД-2	Тоже	10...20	30	1-40	+45
ФД-3	Тоже	20	10	2-60	+60
ФД-К1	Кремний	3	20	1-50	+80
ФД-СК	Тоже	20	20	1-100	+ 100
КФДМ	Тоже	15	20	1-60	+75

Для контроля облученности и измерения доз облучения служат производственные фотометрические приборы. Серийный выпуск их пока не налажен. Ниже приведен список некоторых приборов, выпускаемых в России малыми сериями.

Таблица 2 - Характеристика приборов

Наименование прибора	Зона измерения, нм
Уфиметр УФИ-73	220.. .400
Уфидозиметр УФД-73	220...400
Эрметр УБФ	220...400
ЭрметрУФМ-71	250..:360
Бактметр УБФ-1 А	240.. .320
Эрдозиметр У ФД-1 А	250...360
Дозиметр автоматический ДАУ-81	220. ..280 320.. .400 380...710

Исключение составляют люксметры для измерения освещенности. Люксметры - это наиболее доступные и популярные фотоизмерительные приборы. Нашей промышленностью (ЛПО «Вибратор») выпускаются люксметры типов Ю-116 (ранее Ю-16), Ю-117, ЛКП, ЛМ-3. Два последних чаще используют в кинотехнике. Принципиальные схемы этих приборов примерно одинаковы. В них применяют гальванический вентильный принцип работы селенового фотодиода (рис. 3). Для очень малых уровней освещенности сигнал от фотоэлемента усиливается. Селеновый фотоэлемент имеет спектр чувствительности, близкий к спектру чувствительности глаза человека, поэтому он выбран для измерения освещенности.